Thermische spanningen

Exxon Mobil logo

Met een spanningsberekening in Finite Element Method (FEM) software kan bijvoorbeeld thermische spanning worden doorgerekend. Dit voorbeeld gaat over een thermische spanningsberekening in leidingen van een warmtewisselaar van Exxon. Tijdens de productie van polymeren worden er grondstoffen uit aardolie verwerkt bij hoge constante temperaturen. Een heat exchanger (warmtewisselaar) zorgt voor koeling tijdens de productie van een polymeer. Ongeveer 1 à 2 maal per week wordt de warmtewisselaar met een reinigingsvloeistof geflushed, om de werking optimaal te houden. Tijdens het flushen treden door de grote temperatuur fluctuaties in korte tijd hoge spanningen op in de complexe geometrische opbouw. Een thermische spanningsberekening werd door Exxon noodzakelijk geacht.

 

Lokaliseren spanningen in heat exchanger

Lokaliseer de plaatsen van de hoogste stress in een warmtewisselaar met een spanningsberekening met FEM. Deze spanningen die enkele keren per week optreden. worden door forse temperatuurschommeling veroorzaakt tijdens het schoonspoelen, of flushen.

FEM simulatie heat exchanger

Op locatie van de petrochemische plant werd de situatie opgenomen en met werktekeningen werd de complexe vloeistofstroming in kaart gebracht. Door de complexe geometrische opbouw van de warmtewisselaar (heat exchanger) moest de opbouw in het FEM model eenvoudig blijven. Essentiële punten en randvoorwaarden die de spanningen veroorzaken werden ingevoerd in het model. Met deze aanpak kon het variabele temperatuur profiel van een hete spoelvloeistof de spanningsberekening worden opgezet.

Resultaten

De FEM simulatie resulteerde in een reductie van 80% van de piekbelasting in het materiaal, waardoor de levensduur sterk verbeterd is. De thermische cyclus werd in de tijd gesimuleerd, en op deze wijze werd inzicht verkregen waar het ontwerp verder verbeterd kon worden.

  • Stress reductie tijdens de flush cyclus is 80%.
  • Efficiëntie van de warmtewisselaar nam toe met 30%.
  • Stress corrosie wordt nu vermeden.