Design optimization of an industrial oven heat exchanger

Abstract

The coating application of metals (especially in automotive and white goods sectors) is used in various fields to protect the metal against oxidation, corrosion, scratch, or high temperature to increase product lifetime. The most efficient technique in the coating application is powder coating where the powder is Epoxy-polyester. This process has three steps; surface pretreatment (washing), powder coating, and curing the coated metal. Metals may need to be dried and cured in ovens with 90°C and 200°C, respectively, for the required quality coating process. Burners are used as the heat source in the oven's heat exchangers. Due to high temperatures, the expanding heat exchanger is exposed to various thermal stresses. The stresses cause cracking and rupture problems. The regions where thermal stresses occur intensely are the surfaces with high-temperature differences. Various mass flow rates in the heat exchanger cause non-uniformity for how the energy to be transferred, thus non-uniform surface temperature distribution. In this study, a heat exchanger design provided by "ELECTRON – Sistem Teknik Makina" company has been studied. The mass flow rates in the heat transfer pipes (where the heat is mainly transferred) show deviations up to 75% from the ideal rate. With this study, deviations have been reduced to the level of ±10%. The results show that the maximum thermal stress on the heat exchanger was reduced by 24% with this improvement. In general, the uniform mass flow rates obtained in the heat transfer pipes provided a more homogeneous distribution of the surface temperatures, thus decreased thermal stresses.

Günümüzde metallerin (özellikle otomotiv ve beyaz eşya sektörlerinde) oksitlenme, korozyon, çizik veya yüksek ısıya karşı korunması, ürünün açısından oldukça önemlidir. Tüm bu etkenlere karşı koruma sağlayabilecek en verimli uygulamalardan birisi toz boyama işlemidir. Bu işlem önce metalin yüzeyindeki artık maddelerden arındırılmasıyla başlar, toz kaplanması ile devam eder ve son olarak yüzeyindeki tozun kürlenmesi ile tamamlanmış olur. Bu uygulamada epoksi-polyester malzemeler kullanılmaktadır ve kaliteli bir kaplama işleminin gerçekleştirilmesi için kaplanmış metallerin yaklaşık 90°C'lik fırınlarda kurutulması ve 200°C'lik fırınlarda pişirilmesi gerekebilmektedir. Bu fırınlarda genellikle ısı kaynağı olarak kullanılan brülör, bir fırının değiştiricisine takılır. Yüksek akışkan sıcaklıkları sebebiyle genleşen ısı değiştirici ürünü çeşitli termal gerilmelere maruz kalır. Bu etkiler sonucunda çatlama, kopma gibi problemler yaşanabildiği için termal gerilmelerin azaltılması oldukça önemlidir. Yüksek termal gerilmeler özellikle yüksek sıcaklık farklarının oluştuğu yüzeylerde gözlemlenir. Isı değiştirici içerisindeki farklı akışkan debileri farklı miktarda enerjinin transferine, yani farklı yüzey sıcaklıklarına sebebiyet vermektedir. Bu çalışmada "ELECTRON – Sistem Teknik Makina" firmasının sağlamış olduğu ısı değiştirici (termal gerilmeler sonucunda plastik deformasyon gözlemlendiği) tasarımı içerisinde bulunduğu ortam ile birlikte incelenmiştir. Isının yoğun olarak transfer edildiği borulardaki akışkan debileri başlangıçta olması gereken ideal değerden %75'lere varan sapmalar göstermektedir. Yapılan çalışma ile birlikte bu değer ±%10 mertebesine indirilmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki bu iyileştirme ile birlikte ısı değiştirici yüzeyindeki maksimum termal gerilme %24 azaltılmıştır. Genel olarak, ısı değiştiricisi borularında elde edilen homojen akışkan debileri yüzey sıcaklıklarının daha homojen dağılmasını, dolayısıyla termal gerilmelerin azalmasını sağlamıştır.