Experimental and numerical study of the modeling of the fluid-structure phenomenon in plate heat exchangers

Abstract

Trocadores de calor de placas gaxetadas (GPHEs) são dispositivos versáteis amplamente utilizados em diversas aplicações devido ao seu design compacto, facilidade de manutenção e capacidade de comportar múltiplos fluidos de trabalho. As gaxetas são componentes críticos para GPHEs, pois previnem vazamento e separam os escoamentos dos ramais. Para garantir seu funcionamento, é essencial estudar comportamentos que afetam sua performance e sua vedação. Um fenômeno significativo é a deformação elástica das placas corrugadas, causada pela interação fluido-estrutural (FSI). Este trabalho estuda a separação das placas causada pela deformação elástica, focando em duas abordagens numéricas distintas: a análise hidrostática (com análises numéricas estrutural e hidrodinâmica independentes) e a análise de interação fluido-estrutural em via única (FSI one-way). O modelo investiga um pack de placas reduzidos, com 4 placas corrugadas de ângulo de chevron de 60º, feitas em aço 316L e com as gaxetas modeladas como suporte elástico, sendo validado com valores de pressão de fluido e deslocamento lateral das placas adquiridos experimentalmente. Tais metodologias são validadas por meio de comparação com resultados experimentais adquiridos em duas bancadas distintas cuja montagem e funcionamento são discutidos, bem como os dados de pressão e deslocamento levantados. Os resultados da análise experimental hidrodinâmica mostraram que há maior influência da deformação das placas no ramal externo do que no interno, pela sua proximidade aos tampos. Os resultados da análise CFD ajudaram a entender o comportamento hidrodinâmico do trocador de calor. Os campos de pressão e velocidade mostraram um perfil linear ao longo do comprimento dos ramais, em concordância com a literatura. O campo de velocidades identificou aceleração na galeria de entrada, zonas de estagnação e recirculação nos pontos de contato do canal de troca térmica, além de alta vorticidade na saída. Seções transversais revelaram a influência da geometria na deformação do perfil de velocidades. Comparados aos dados experimentais, os resultados de CFD para a geometria original tiveram boa concordância na curva de queda de pressão. A análise estrutural hidrostática destacou a influência crítica das galerias de distribuição e do canal da gaxeta. A montagem do GPHE também afetou o estado de tensão, com diferenças notáveis nas deformações direcionais. O perfil de afastamento da placa indicou comportamento de torção. A análise FSI mostrou novos modos de torção da placa devido à queda de pressão. As zonas de tensão crítica permaneceram as mesmas, com aumento da magnitude. Em relação ao desempenho das metodologias numéricas, a hidrostática ofereceu uma estimativa geral de comportamento com baixo custo, enquanto a FSI foi mais custosa, mas menos dependente de intervenção do usuário.

Abstract: Gasketed plate heat exchangers (GPHEs) are versatile devices widely used in various applications due to their compact design, ease of maintenance, and ability to accommodate multiple working fluids. Gaskets are critical components for GPHEs because they prevent leaks and separate banch flows. To ensure their function, it is essential to study the behaviors that affect their performance and sealing. An important phenomenon is the elastic deformation of corrugated plates caused by fluid-structure interaction (FSI). This work studies the separation of plates caused by elastic deformation, focusing on two different numerical approaches: hydrostatic analysis (with independent structural and hydrodynamic numerical analyses) and one-way fluid-structural interaction analysis (one-way FSI). The model investigates a reduced plate pack with 4 corrugated plates with 60º chevron angle, made of 316L steel and with gaskets modeled as elastic support, which is validated with values of fluid pressure and lateral displacement of the plates obtained experimentally. Such methodologies are validated by comparison with experimental results obtained on two different benches, whose assembly and operation are discussed, as well as the pressure and displacement data collected. The results of the hydrodynamic experimental analysis showed that there is a greater influence of the deformation of the plates in the external branch than in the internal one, due to its proximity to the cover plates. The results of the CFD analysis helped to understand the hydrodynamic behavior of the heat exchanger. The pressure and velocity fields showed a linear profile along the length of the branches, in agreement with the literature. The velocity field identified acceleration in the inlet gallery, stagnation and recirculation zones at the contact points of the heat exchanger channel, in addition to high vorticity at the outlet. Cross-sections revealed the influence of geometry on the deformation of the velocity profile. Compared to the experimental data, the CFD results for the original geometry showed good agreement on the pressure drop curve. The hydrostatic structural analysis highlighted the critical influence of the distribution galleries and the gasket channel. The assembly of the GPHE also affected the stress state, and the most influential directional deformation mode was found to be separation, with displacements up to 10 times larger than the others. The plate separation profile indicated torsional behavior. FSI analysis showed new modes of plate twisting due to pressure drop. The critical stress zones remained the same, with increased magnitude. Regarding the performance of the numerical methods, hydrostatic analysis provided a general estimate of the behavior at low computational cost, while FSI was more expensive but less dependent on user intervention.