Numerical analysis of mechanical fatigue in plate and shell heat exchangers

Abstract

Trocadores de calor de placas são amplamente utilizados na indústria devido à sua versatilidade, flexibilidade de configuração geométrica e baixa razão entre a área de transferência de calor e o volume. Dentre os diversos modelos, os de placas são bastante utilizados na indústria de petróleo e gás. Devido à natureza do seu funcionamento, esses trocadores sofrem elevados gradientes térmicos e de pressão entre os bocais de entrada e saída, que ao longo do funcionamento do trocador, podem causar a falha por fadiga. Em especial, o Trocador de Calor de Casco e Placas (PSHE) tem a maior tendência de sofrer este efeito, visto que o processo de fabricação por soldagem para unir as placas pode induzir trincas, defeito crucial para a falha por fadiga. Neste trabalho, analisa-se numericamente o comportamento estrutural de um conjunto de 4 placas de trocadores de calor do tipo PSHE sofrendo carregamento de pressão estática e alternada, a fim de avaliar o comportamento estrutural e a vida em fadiga dos componentes por meio da análise de elementos finitos. Os resultados obtidos pelo modelo são comparados com testes experimentais obtidos da literatura para a mesma geometria e configuração demonstrando diferenças na tensão de von Mises em diferentes partes da placa abaixo de 20% A influência da modelagem da solda entre as placas no modelo numérico foi analisada indicando que devido à dificuldade em prever as propriedades da solda com precisão, o modelo numérico não consegue estimar a vida em fadiga com confiabilidade, sendo necessária a utilização de fatores de redução de vida em fadiga para todos os critérios de falha, concordando com os dados experimentais, apresentando desvios de no máximo 25%. Por fim foram analisadas numericamente as tensões ao longo do topo dos canais e a força de separação entre as placas centrais, indicando picos de tensão deslocados da linha central da corrugação na região de contato.

Abstract: Plate heat exchangers are widely used in industry due to their versatility, geometric configuration flexibility, and low heat transfer area-to-volume ratio. Among the various models, the plate ones are widely used in the oil and gas industry. Due to the nature of their operation, these exchangers suffer high thermal and pressure gradients between the inlet and outlet nozzles, which during the operation of the exchanger, can cause fatigue failure. In particular, the Plate and Shell Heat Exchanger (PSHE) has the greatest tendency to suffer this effect as the welding fabrication process to join the plates can induce cracks, a defect that is crucial for fatigue failure. In this work, the structural behavior of PSHE-type heat exchanger plates under static and alternating pressure loading is analyzed, in order to evaluate the structural behavior and fatigue life of the components through finite element analysis. The results obtained by the model are compared with experimental tests obtained from the literature for the same geometry and configuration demonstrating differences in the von Mises stress in different parts of the plate below 20%. that due to the difficulty in predicting the weld properties accurately, the numerical model cannot reliably estimate fatigue life, requiring the use of fatigue life reduction factors for all failure criteria, agreeing with experimental data, with deviations of at most 25%. Finally, the stresses along the top of the channels and the separation force between the central plates were numerically analyzed, indicating stress peaks displaced from the central line of the corrugation in the contact region.