Investigation of the fatigue behaviour of metallic components used in plate heat exchangers under variable dynamic loads

Abstract

Plate heat exchanger (PHE) is a component that provides heat to be transferred from hot water to domestic cold water without mixing of them with a high efficiency. Over the lifetime of the PHE, cyclic pressures act on the brazing points and the plates, and this may lead to fatigue failure. The fatigue behaviours of the PHEs which are designed by using copper brazed 316L and 304L stainless steels, were investigated in this thesis by performing strain based fatigue tests to also seek the feasibility of the use of 304L stainless steel in PHE production to reduce the cost. Besides, the microstructural investigation of the brazed regions was conducted and, the tensile tests for both non-brazed and brazed steel specimens were performed in order to determine the mechanical properties of the samples. The fatigue tests were carried out with twelve specimens for each sample groups at four different load levels as displacement (strain) controlled with a stress ratio of R=0 and 5 Hz frequency. Finite Element Analysis (FEA) was performed to determine the strain distribution on the plates of PHEs during their operation to estimate the lifetime of PHEs by using the generated lifetime curves based on the fatigue tests. Consequently, it was obtained that the ultimate tensile strength and fracture strain of non-brazed steel specimens are higher than those of the brazed specimens. The Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis shows that; copper can diffuse into 316L easier than 304L and the use of copper foil with 50 µm thickness results in more defect at brazing regions compared to 100 µm thickness. Hereunder the fatigue test results, Weibull Analysis was performed and the fatigue life curves were generated. It was found that 316L brazed joint has approximately 33 times greater fatigue life than 304L brazed joint and filler metal thickness is more likely to have a linear relationship with fatigue life. Finally, fatigue lives of each sample group were calculated based on the loads determined by FEA. The results suggest that either 316L or 304L stainless steels can be used as PHE material as both materials satisfy the lifetime requirement of 15 years which was preliminarily defined by Bosch Thermotechnology (TT).

Yüksek ısı transfer verimine sahip olan plakalı eşanjörler, plakaların bakır kullanılarak birbirine lehimlenmesi ile üretilir ve kullanımları sırasında oluşan basınç çevrimleri lehim noktalarında ve plakalar üzerinde çevrimsel yükler oluşturur. Bu çalışmada, plakalı eşanjörlerde kullanılan bakır ile lehimlenmiş 316L ve 304L paslanmaz çeliklerin yorulma davranışı uzama kontrollü yorulma testleri gerçekleştirilerek incelenmiştir ve 316L'ye göre daha ucuz olan 304L'nin plakalı eşanjörlerde kullanımı değerlendirilmiştir. Yorulma testleri her test numunesi grubu için on ikişer numune ile R=0 gerilme oranı ve 5 Hz çevrim frekansında gerçekleştirilmiştir. Yorulma testlerinin yanında, malzemelerin mekanik özelliklerini tespit etmek için hem lehimlenmemiş çelik hem de bakır ile lehimlenmiş test numunelerinin çekme testleri de yapılmıştır. Lehimli numunelerin mikro yapı incelemeleri de optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Plakalı eşanjörlerin üzerinde oluşan yük dağılımları sonlu elemanlar analizi yapılarak belirlenmiş, yorulma testleri sonucunda oluşturulan ömür eğrileri kullanılarak belirlenen yüklerin eğride karşılık geldiği kopma süreleri tespit edilmiştir. Çekme testleri lehimsiz çeliğin, lehimlenmiş çelikten daha yüksek çekme mukavemetine ve kopma uzamasına sahip olduğunu göstermiştir. Mikro yapı incelemesi, bakırın 316L paslanmaz çeliğine 304L'ye göre daha iyi nüfuz ettiğini ve 50 µm bakır folyo kalınlığının 100 µm'ye göre lehim bölgesinde daha fazla boşluklar oluşmasına sebep olduğunu göstermiştir. Yorulma test sonuçları kullanılarak Weibull Analizi gerçekleştirilmiş ve malzemelerin farklı yüklerdeki yorulma dayanımlarının belirlenebilmesi için ömür eğrileri oluşturulmuştur. Sonuçlar; bakır ile lehimlenmiş 316L'nin 304L'ye göre yaklaşık 33 katı kadar uzun ömürlü olduğunu, bakır lehim malzemesi kalınlığının da büyük oranda ömür süresi ile doğru orantılı olduğunu işaret etmektedir. Sonlu elemanlar analizi kullanılarak belirlenen yüklere ve oluşturulan ömür eğrilerine göre, analizin yapılmış olduğu plakalı eşanjör dizaynı için 316L ve 304L paslanmaz çeliklerin ikisinin de, Bosch Termoteknik tarafından tanımlanan 15 yıllık ömür kriterini sağladığı ve kullanılabilir olduğu görülmüştür.