Evaluation and modification of air-cooled heat exchanger header box design procedure

Beyers, Wilhelm Andre (2014-12)

Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2014.

Thesis

ENGLISH ABSTRACT: The purpose of the heat exchanger header box is to act as a high pressure manifold that redistributes process fluid from a central source to a bundle of finned tubeswhere it can be cooled. South African law requires that pressure vessels like this one must to be designed according to a pressure vessel design code, such as the American Society of Mechanical Engineers’ (ASME) pressure vessel design code. The two most commonly used header box designs are a plug type and a cover type header box. For the design of a plug type header box, ASME Section VIII Division 1 provides a full complement of rules and formulae necessary for producing a satisfactory pressure vessel design. Such a set of rules and formulae are however not available for cover type header boxes. To overcome this problem, industrial manufactures have developed in-house design codes focussing specifically on the design of cover type header boxes. These in-house codes draw in part on existing formulae in the ASME code, but rely primarily on calculating the strength of a header box using a simplified model consisting of simply supported beams, each simulating a different part of the header box. Recently there has been some concern regarding the accuracy and validity of these in-house design codes. This project has sought to address some of these concerns by evaluating one such in-house design code and comparing its results with those from finite element analyses. For the purpose of this comparison it is shown that the header box’s structure can be simplified to a representative 2D finite element model while still yielding trustworthy results. The results from the comparisons with these 2D models showed that the in-house methods produced non-conservative estimations for certain stresses in a header box. However, after analysing multiple sample designs, it was also found that header boxes that had been designed using this method were all substantially over-designed. Two major contributing factors that lead to this over design were identified. The first was thatmaterial and manufacturing constraints frequently necessitate that material thicknesses be increased. The second factor was that because of the concern linked to the validity of these in-house design methods, designers are inclined to further increase the material thicknesses to account for any uncertainty. To address this problem, a new 2D finite element software package was developed, on an open source platform, to accurately analyse the structure of cover type header boxes. The software is designed to integrate directly with the platformcurrently being used to performthe calculations for the in-house code and includes an optimiser that takes the material and manufacturing constraints into account. The software can be used to validate any existing designs, as well as providing optimal designs and accurate stress predictions for new header boxes, thus reducing uncertainty in the design process.

AFRIKAANSE OPSOMMING: Die doel van ’n hitteruiler spruitstukhouer is omte funksioneer as ’n hoë druk spruitstuk, wat proses vloeistof verdeel van ’n sentrale bron na ’n vinbuisbundel, waar dit afgekoel kan word. Suid-Afrikaanse wette vereis dat hierdie tipe drukvatte ontwerp moet word volgens ’n drukvat ontwerpkode, soos dié van die “American Society ofMechanical Engineers” (ASME) se drukvatontwerpkode. Die twee mees algemene spruitstukhouerontwerpe is ’n prop tipe en ’n deksel tipe spruitstukhouer. Vir die ontwerp van ’n prop tipe spruitstukhouer bied ASME Gedeelte VIII Afdeling 1 ’n volledige stel reëls en formules wat nodig is om ’n bevredigende drukvat te ontwerp. So ’n stel reëls en formules is egter nie beskikbaar vir deksel tipe spruitstukhouers nie. Om hierdie probleem te oorkom het industriële vervaardigers interne kodes begin ontwerp wat spesifiek fokus op die ontwerp van deksel tipe spruitstukhouers. Hierdie interne kodes maak gedeeltelik gebruik van bestaande formules uit die ASME kode, maar maak hoofsaaklik staat op die berekening van die kragte en spannings van ’n houer deur ’n vereenvoudigde model van eenvoudigondersteunde balke wat elk ’n ander deel van die houer voorstel. Onlangs het ’n mate van kommer begin ontstaan oor die akkuraatheid en geldigheid van hierdie interne ontwerpskodes. Hierdie projek het gepoog om van hierdie bekommernisse aan te spreek deur een van die interne ontwerpskodes te evalueer en die resultate met dié van eindige element analises te vergelyk. Vir die doel van hierdie vergelyking is dit bewys dat die spruitstukhouer se struktuur vereenvoudig kan word tot ’n verteenwoordigende 2D eindige element model en steeds geloofwaardige resultate kan lewer. Die resultate van die vergelyking tussen die 2D-modelle en interne ontwerpsmetode het getoon dat die interne metodes spannings in die spruitstukhouer onkonserwatief voorspel. Terselfdertyd is daar egter ook gevind dat verskeie spruitstukhouerontwerpe wat ontwerp is volgens die interne ontwerpsmetodes almal oor-ontwerp was. Twee groot bydraende faktore wat gelei het tot hierdie oor-ontwerp is geïdentifiseer. Die eerste een was dat materiaal- en vervaardigingsbeperkings dikwels vereis dat materiaaldiktes verhoog word. Die tweede faktor was dat die kommer gekoppel aan die geldigheid van die interne metodes, ontwerpers geneig maak om materiaaldiktes verder te verhoog om enige onsekerheid uit te skakel. Om hierdie probleem aan te spreek, is ’n nuwe 2D eindige element sagteware pakket ontwikkel op ’n oopbron platform, wat die struktuur van deksel tipe spruitstukhouers akkuraat ontleed. Die sagteware is ontwerp om direk te integreer met die platformwat tans gebruik word om die berekeninge vir die interne ontwerpskode te doen en sluit ’n optimeerder in wat die materiaal- en vervaardigingsbeperkinge in ag neem. Die sagteware kan gebruik word om enige bestaande ontwerpe geldig te verklaar, en ook om optimale ontwerpe en akkurate spannings te voorspel vir nuwe houers. Die gebruik van hierdie sagteware sal dus lei tot verminderde onsekerheid in die ontwerpproses.

Please refer to this item in SUNScholar by using the following persistent URL: http://hdl.handle.net/10019.1/95761
This item appears in the following collections: