Raport Stiintific etapa 4.pdf

RAPORT STIINTIFIC ETAPA a IV-a

Contract nr. 1SEH / 2013

Cu titlul:

DEZVOLTAREA PRODUSELOR SI TEHNOLOGIILOR HIGH - TECH

OFERITE DE RAAL PIETEI EXTERNE A SCHIMBATOARE LOR DE CALDURA.

Faza de executie nr. 4 / 2015

Experimentarea, punerea in functiune si validarea solutiilor realizate

1. Proiectarea si dotarea unui utilaj specializat cu dispozitivele executate si experimentarea pana la

obtinerea modelului de aripioara cercetat.

2. Experimentarea dotarilor realizate si integrarea lor in metodologia de testare a produselor RAAL.

3. Dotarea cuptoarelor de brazare cu dispozitivele executate si experimentarea metodologiei de control

in vederea redactarii normelor tehnologice de monitorizare a acestora.

4. Protejarea drepturilor de proprietate industriala pentru utilajul de fabricat tipul de aripioara cercetat si

depus pentru protectie model.

5. Realizarea validarii solutiilor propuse comparativ cu prevederile studiului de fezabilitate si a temelor

de proiectare elaborate in faza de CI.

6. Elaborarea / definitivarea referentialului (carte tehnica, fisa tehnologica, proceduri, normative, etc.)

7. Diseminare realizari, documentare si intentii. Prospecte firma, participare la conferinte, simpozioane,

targuri. Masa rotunda la RAAL.

Programul PN II: INOVARE , Stimularea Exportului High –Tech, Produse si tehnologii Autoritatea Contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a

Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii, subordonata Ministerului Educatiei Nationale - UEFSCDI

Identificator: PNII-IN-SEH-2012-1

RAAL S.A. Str. Industriei 7, 420063 BISTRITA, ROMANIA Phone: +40 263 234379 Fax: +40 263 234507 e-mail: [email protected] www.raal.ro www.htraal.ro

2

1. Introducere

Proiectul, Dezvoltarea produselor si tehnologiilor high-tech oferite de RAAL pietei

externe a schimbatoarelor de caldura – acronim HTRAAL , prin desfasurarea lui si prin efectele

preconizate va conduce la:

- cresterea capacitatii de inovare a specialistilor participanti la implementarea proiectului;

- dezvoltarea tehnologica si asimilarea in productia RAAL a rezultatelor cercetarii industriale;

- cresterea competitivitatii economice a firmei si implicit a mediului economic national;

- toate acestea, prin pargiile corespunzatoare, conduc in final la cresterea calitatii vietii celor

implicati direct si indirect in succesul finalizarii proiectului propus.

Proiectul HTRAAL, nascut din dorinta de a revigora activitatile de cercetare industriala,

dezvoltare experimentala si inovare - CDI - la nivelul firmei RAAL are urmatoarele obiective:

- Cercetarea proprie privind materialele, formele si tehnologiile de fabricatie a reperelor

importante din componenta schimbatoarelor de caldura.

- Testarea complexa a produselor RAAL prin simularea conditiilor reale de exploatare.

- Actualizarea si inovarea tehnologiei de asamblare prin brazare a elementelor componente ale

schimbatoarelor de caldura.

- Protejarea prin brevetare interna/externa a rezultatelor CDI din firma.

- Dezvoltarea sistemelor/grupurilor de racire combinate din schimbatoare de caldura.

- Identificarea printr-un sistem intern a produselor care incumba minimum de originalitate

constructiva, functionala sau tehnologica pentru a fi definite ca “produse High-Tech” si evidentierea

ponderii acestora din exportul RAAL.

- Actualizarea sistemului CDI din firma in conformitate cu situatia nou creata.

Piata externa a schimbatoarelor de caldura in continua crestere si mai ales interesul clientilor

pentru produse high - tech, genereaza o tendinta de transfer catre RAAL a preocuparilor si

cheltuielilor acestora in directia cercetarii – dezvoltarii - inovarii de produse si tehnologii de ultima

ora. Este necesar de mentionat ca firma livreaza schimbatoare de caldura direct si prin subsidiarele

din Italia, Olanda, Germania, SUA in peste 45 de tari de pe glob si mai ales la peste 40 de firme de

renume, www.raal.ro .

Grupul tinta este compus din produsele care inglobeaza cea mai multa inovare din RAAL –

respective sistemele si grupurile de racire integrate din mai multe schimbatoare de caldura si care

reprezinta, la nivelul anului 2014, cca 50% din volumul total de productie, produse destinate integral

exportului, http://www.raal.ro/mobile/files/RAAL-Products-Cooling-Systems.pdf .

Activitatile acestei etape sunt axate pe cele trei directii ale proiectului, respectiv pe:

= Tendintele noi in dezvoltarea de forme constructive, materiale si tehnologii de fabricare a

elementelor specifice schimbatoarelor de caldura – coordonata de doctorandul Martian Vlad.

3

= Analiza sistemului de testare din firma comparativ cu laboratoarele consacrate in domeniu si

tendintele pe plan mondial – coordonata de inginerul Boldor Georgel Alviu, seful biroului cercetare -

dezvoltare din RAAL, implicat direct in procedurile de simulare a solicitarilor din exploatare.

= Identificarea stadiului tehnologiei de brazare a aluminiului comparativ cu producatori de

schimbatoare de caldura – activitate coordonata de inginera chimista Cocian Cornelia, sefa

Laboratorului de Cercetare Dezvoltare Procese din firma.

Tot in aceasta directie se pot enumera actiunile de documentare de pe internet sau direct prin

contactul cu furnizorii de material, tehnologii si clientii firmei cat si prin participarea la actiuni

commune cu centrele universitare si institutele de cercetare din tara si din afara.

Toate aceste directii principale ale proiectului sunt asigurate logistic printr-o documentare

sustinuta privind structura si implicarea CDI in fi rmele producatoare pentru piata industriei

auto prin acces direct la sursele de informare stiintifice si tehnice consacrate. In acest sens

putem arata ca am achizitionat un cont electronic de acces pentru cea mai mare baza de date cu

articole tehnice din lume, ELSEVIER, un contract privind achizitionarea unui set de 500 de copii de

articole cu o dezvoltare in functie de interesul salariatilor nostri.

O nota aparte face colaborarea cu Universitatea “POLITEHNICA” din Timisoara cu care

suntem spre finalizarea contractului de colaborare pe tematica “Studii si cercetari privind

imbunatatirea sistemelor de racire fabricate la SC RAAL SA Bistrita, pentru vehicule clasice,

hibride si electrice, prin utilizarea schimbatoarelor de caldura in contracurent si schimbare de

faza”, colaborare desfasoarat pe trei ani 2012-2014. In acest context de colaborare se poate nota si

noul contract incheiat pe 24 oct 2014 privind proiectul Studii si cercetări privind imbunn ătătirea

schimbătoarelor de căldură si a sistemelor de răcire fabricate la societatea RAAL. S.A, contract

ce se va derula pe urmatorii 3 ani.

Aceasta colaborare se va derula, in special prin consultanta tehnicaa in domeniile determinate

de executia proiectului si necesitatile de implementare a solutiilor rezultate pe urmatoarele faze:

Faza.I - „REALIZAREA SI STUDIEREA GEOMETRIEI DE TIP VORTEX“;

Faza.II - „STUDIUL SCHIMBĂTOARELOR DE CALDURĂ CU GEOMETRIE

VARIABIL Ă SI SUPRAFETE EXTINSE (ARIPIOARE)”.

Faza.III - „SISTEME DE RĂCIRE DESTINATE ELECTRONICII DE PUTERE

TERMOSTATAREA BATERIILOR SOLIDE SI A RELEELOR”;

Faza.IV - „POSIBILITATEA REALIZARII INSTALATIILOR DE ACUMULARE A

ENERGIEI TERMICE FOLOSIND PCM-URILE (MATERIAL CU SCHIMBARE DE

FAZA SOLID/LICHID)”.

Aceste teme indraznete au ca domeniu de interes si de realizare probleme actuale in

dezvoltarea acvtivitatilor de CDI in firma si anume:

4

a. intensificarea activitatilor de cercetare-dezvoltare si promovarea transferului

tehnologic, in special de domenii de prioritate europeana sau de interes economic

pentru Romania, domenii de cercetare dezvoltare comune celor doi parteneri;

b. realizarea in comun a unor programe prioritare de cercetare si cooperare stiintifica;

c. generarea de rezultate de interes economic si stimularea transformarii rezultatelor de

cercetare in produse, tehnologii si servicii noi sau imbunatatite, cu cerere pe piata;

d. dezvoltarea infrastructurii de cercetare;

e. promovarea reciproca a specialistilor celor doua parti in programe si proiecte de

cercetare stiintifica;

f. perfectionarea si specializarea profesionala ;

g. infiintarea de laboratoare integrate de cercetare;

h. promovarea unor programe de formare continua, studii postuniversitare si masterale,

teme de cercetare, teme pentru lucrari de disertatie si teze de doctorat;

i. facilitarea reciproca a relatiilor de cooperare cu alte parti interesate, in domeniile de

interes comune ale partilor, prin promovarea reciproca a imaginii publice a

partenerilor.

Rezultatele, deja atestate ale acestor realizari, sunt evidentiate printr-un departament de

cercetare-dezvoltare puternic si creativ, un centru de testare bine echipat, promtitudine pentru

dezvoltarea si realizarea unui produs nou, departamente intotdeauna pregatite pentru a livra high-

tech. In general, in RAAL fenomenul de cercetare - dezvoltare - inovare acopera (dupa afirmatiile

conducerii firmei), urmatoarele:

- activitati care vizeaza cresterea performantelor la toate tipurile de schimbatoare de caldura ce

se produc in firma. Aici se incadreaza, printre altele, cercetarile pentru realizarea de geometrii

noi ale aripioarelor de aer si ale turbulatorilor de ulei (ondulate, inclinate, vortex), cercetarile

pentru determinarea conditiilor extreme de functionare a sistemelor de racire din punct de

vedere al vibratiilor si socurilor pentru diferite tipuri de aplicatii. Mentionam ca aripioarele au

fost protejate prin Certificatele OSIM de model industrial astfel, aripioara ondulata prin nr

018778/2009 si aripioara inclinata prin nr RO 2013 00010, urmand a se finaliza documentatia

pentru depunere a aripioarei vortex. Aceste preocupari au condus la portofoliul consistent de

produse pe care-l detine RAAL, http://www.raal.ro/mobile/files/RAAL-Industrial.pdf;

- activitati care isi au ca subiecte proiectarea si fabricarea de produse noi, performante, care

urmeaza sa fie oferite pietei, http://www.raal.ro/mobile/files/RAAL-Condensers.pdf;

Aici se incadreaza proiectul noului uscator de aer (brevet OSIM nr 125510 si Certificatele

OSIM nr RO 2013 00020, http://www.raal.ro/mobile/files/RAAL-Dryers.pdf ), preocuparile

5

asimilarii schimbatoarelor pentru autovehicolele hibride si electrice, chillere industriale, etc.

http://www.raal.ro/files/RAAL_Battery_Chiller.pdf. Se mai poate enunta ca s-a depus

documentatia la OSIM pentru un nou brevet pentru “Procedeu de schimb termic si

schimbatorul de caldura cu suprafete extinse”, produs care incumba modelele enuntate mai

sus si anuntat, respectiv http://www.raal.ro/files/RAAL_oblique_fin_oblique.pdf;

- activitati aferente promovarii de tehnologii noi sau imbunatatirea celor existente in RAAL.

Aici se incadreaza, studiile si cercetarile privind tehnologiile care determina comportamentul

produselor la coroziune, cercetarile privind cresterea performantelor la procesul de brazare

“Nocolok” din punct de vedere al rezistantei si curatenie interioara a produselor dupa brazare,

cercetari privind performantele de schimb termic la schimbatoare de calduradin portofoliul de

fabricatie, etc. Tehnologic vorbind, in semestrul II al acestui an, este prevazuta intrarea in

functiune a unor noi capacitati de fabricatie: o sectie pentru fabricarea structurilor metalice

(roboti de sudura, unitati cu laser robotizate, etc) si o sectie destinata vopsirii schimbatoarelor

de caldură din aluminiu si a componentelor din otel, folosind tehnologia KTL (cataforeza).

In final se poate afirma ca deja RAAL este o companie integrata, activitatile de proiectare,

dimensionare si simulare, testare si validare, executie prototipuri, proiectare si executie sdv-uri,

productie de serie, desfasurandu-se “in house”. Acest avantaj concurential ofera atat un ciclu foarte

scurt de dezvoltare si asimilare în fabricatie a produselor noi, cat si termene scurte de fabricatie si

livrare produse de serie. In acest sens se recomanda sa ne vizitati pe www.raal.ro si sa ne contactati.

2. Simularea conditiilor reale de exploatare

O problema importanta si se pare cea mai laborioasa si costisitoare pentru firma o reprezinta

testarea complexa a produselor RAAL prin simularea conditiilor reale de exploatare, problema

ca urmare fireasca a tendintei mondiale de a scurta ciclul de la cercetarea-proiectarea produselor la

executia de serie prin completarea / inlocuirea testelor fizice cu simularea acestora folosind

tehnologie IT. In aceasta zona este concentrata majoritatea fortei intelectuale din firma pentru

atingerea obiectivului principal – satisfacerea clientului, prin realizarea de produse dupa cerintele

sale, la un nivel tehnic ridicat si o eficienta economica remarcabila – pe scurt “produse high-tech”.

Deocamdata, formal activeaza numai Directia Tehnica cu toate functiunile sale: cercetare,

proiectare constructive, SDV-ri si tehnologica, laboratoare tehnice si de testari produse, atelier de

prototipuri si produse noi, unde practic se desfasoara majoritatea activitatilor de CDI din firma.

Totusi, nu ne putem opri aici, deoarece unele din aceste activitati sunt preluate de tehnologii

de la Sectiile productive, specialistii din zonele de aprovizionare (selectia clientilor dupa principii

tehnice si mod de colaborare), din sectorul de mentenanta privind realizarea parametrilor tehnologici

ceruti de proiectanti si nu in ultimul rand de operatorii de pe masinile si instalatiile tehnologice care

aplica si mai mult, colaboreaza la eficientizarea proceselor de fabricatie.

6

In sensul cercetarii produselor inca din stadiul proiectarii constructive, s-a dorit prin cererea

de finantare achizitionarea unui soft consacrat de simulare, estimat la o cheltuiala ce depasea cu mult

150,000 euro, incluzand si mentenanta pentru 2 ani. Acest inconvenient (pretul) a facut sa fie mult

mai amanuntit cercetata piata ofertantilor de soft si astfel s-a ajuns la capabilitatile de simulare

virtuala a unuia dintre jucatori importanti de pe piata softurilor de proiectare cu ajutorul

calculatorului (CAD) si anume Autodesk. Aceasta componenta este materializata in 2 subscriptii

anuale Autodesk Cloud prin Platforma software Autodesk SIM 360 PRO/Unlimited. Prin aceste

subscriptii se accesaza resurse de simulare la nivel industrial in domeniul interactiunii mecanice, a

analizei structurale, a curgerilor din punctul de vedere al schimburilor termice si nu in ultimul rand al

vibratiilor. Astfel prin implemantarea proiectului de fata se pot valida simularile din domeniul

vibratiilor iar printr-un schimb activ de informatie se va ajunge la realizarea unor modele de simulat

aproape de realitate, ceea ce va putea diversifica si mai mult capacitatea de testare avand posibilitatea

de a calibra simularea cu element finit prin compararea cu rezultate practice.

In sustinerea acestei achizitii se poate veni cu argumente multiple, redate mai jos, ( RAAL

rste prima firma din tara care a facut aceasta achizitie):

Autodesk Simulation 360 include doua softuri de simulare si anume:

- Mechanical;

- CFD (fostul CFDesign de la Blue Ridge Numerics).

Printre caracteristicile importante prezente in soft se pot enumera:

- Integrarea cu orice program CAD (SolidWorks, Catia, ProEngineering, etc..). Importul

geometriei se realizeaza direct din programul CAD, iar in cazul in care se doreste realizarea unor

simulari pe diferite solutii permite inportarea lor automata, fiind defiinite diferite scenarii de simulare

pentru fiecare solutie in parte.

- Setarea simularii prin definirea tipului de material, a conditiilor de frontiera, si a

discretizarii (mesh-ului), toate se pot realiza prin interfata grafica sau prin automatizare, cu ajutorul

scripturilor, in cazul repetarii acestor operatii de mai multe ori.

De amintit este faptul ca softul contine o baza de date cu o multitudine de tipuri de materiale

predefinite. Pe langa materialele clasice, aer, apa, aluminiu, otel, etc. baza de date mai contine si

tipuri de materiale speciale cum ar fi:

a. Resistance simuleaza o regiune de rezistenta hidraulica, de exemplu o placa cu gauri prin

care curge un fluid;

b. Internal Fan / Pump simuleaza o regiune avand caracteristicile unu ventilator sau a unei

pompe;

c. Rotating regionion simuleaza o regiune rotativa;

d. Centrifugal Pump simuleaza o regiune avand caracteristicile unei pompe centrifugale;

7

e. Heat exchanger simuleaza o regiune, un volum care are caracteristicile unui schimbator

de caldura (prin definirea schimbului termic si caderii de presiune realizate de un

schimbator se pot simula schimbatoarele de caldura in diferite conditii si medii).

Desigur lista mai include si alte tipuri de materiale, dar care prezinta un interes scazut pentru

specificul nostru.

- Rularea simularii se realizeaza pe serverele Autodesk. Realizarea simularii in Cloud

(serverele Autodesk) prezinta urmatoarele avantaje majore:

- puterea de simulare este practic infinita;

- posibilitatea realizarii a mai multor simulari dificile in paralel (Simulation Job

Manager). Utilitarul prezinta rularile care au fost realizate cat si rularile care sunt in curs de executie.

Desigur nu exista o limitare la numarul de simulari realizate in paralel in functie de numarul

de licente cumparate. Avantajele acestui tip de rulare sunt faptul ca poti avea access 24h din 24h la

simularile ce se realizeaza cu conditia unei legaturi la Internet, si faptul ca se poate observa in timp

real evolutia fiecarei simulari in parte. Aceste simulari pot fi oprite oricand se constata o greseala.

- Procedurile de instalare implica instalarea clientului Autodesk Simulation 360 pe orice

calculator cu aces la internet, si logarea de pe acesta pe contul de pe servere.

- Postprocesarea. Uneltele de postprocesare includ, crearea de Plane de vizualizare a

distributiilor de viteze, presiuni, temperaturi. Calcularea unor valori medii pe acele plane, realizarea

de grafice de variatie a diferitelor marimi calculate. Salvarea rezultatelor sub forma tabelara pentru

prelucrarea lor ulterioara, etc. In cazul realizarii mai multor simulari pe diferite configuratii, sau la

diferite conditii de intrare (ex. Diferite viteze) se pot verifica rezultatele si gasi solutia optima

folosind Design Center si vizualizarea de grafice.

Prin cele doua achizitii se rezolva accesul la resursele AUTODESK SIMULATION 360

pentru toti cei ce activeaza in CDI din firma in locatiile din Bistrita si Prundu Birgaului.

In cadrul departementului Cercetare Dezvoltare se efectueaza simulari fluido-mecanice cu

scopul determinarii parametrilor de functionare a schimbatoarelor de caldura precum si determinarea

rezistentei mecanice a acestora, simularile care sunt efectuate la cererea diferitilor clienti. Aceste

simulari se finalizeaza sub forma unor rapoarte in care se trec atat datele necesare efectuarii analizei

cerute cat si rezultatul analizei.

Achizitia modului experimental de achizitii date conform caietului de sarcini proiectat in

RAAL constituie o performanta deosebita ca dotare si mai ales ca realizarea de achizitii date din

exploatarea unui schimbator de caldura care trebuie inbunatatit sau preluarea parametrilor reali

pentru proiectarea unui schimbator.

In aceasta directive se poate exemplifica deplasarea unei echipe de specialist la Kiel –

Germania pentru masurarea pe teren a vibratiilor la racitoarele locomotivei Gravita 10, aplicatie

care a folosit majoritatea inventarului modulului de achizitii date, respectiv:

• Controller CRIO 9075 echipat

• 24 intrari de vibratii

• 24 biti rezolutie

• Alimentare la acumulator de 12 V

• Software Fastview

• Comunincare date prin ethernet la

cabina

In imaginile alaturate se prezinta aspect din timpul prelevarilor si determinarilor specific

tipurilor de solicitari analizate, astfel ca in final sa se inregistreze solicitarile reale in diferite faze ale

exploatarii masinii.

Conditiile de masurare au fost cerute de beneficiar si au respectat urmatoarele faze:

• Excitare cu ciocanul de impact

• Cu locomotiva in miscare accelerata si decelerata

9

• La trecere peste discontinuitati de sina

• La tamponare cu viteza redusa

• Cu locomotiva la viteza zero si motorul la diverse trepte de turatie

S-au determinat mai multe forme ale vibratiilor din exploatare, spre exemplificare va

prezentam forma de unda a vibratiilor la trecerea peste discontinuitatile de sina, valori si diagrame

care vor sta la baza determinarii ciclului de incercare in vederea simularii.

Acest exemplu este o mica parte a activitatii Departamentului de Cercetare RAAL SA,

activitati enuntate pe scurt in raportul prezentat la sfarsit de etapa, dintre care exemplificam numai

activitatile de CDI:

Activitati efectuate cu echipamentul de achizitie:

● determinarea frecventelor modale pentru doua tipuri de racitoare

● masurarea si determinarea regimului de functionare al unui grup de racitoare, montat pe

tractorul unei firme din Polonia. Testele s-au facut atat in regim static cat si in regim dinamic, in final

determinandu-se performantele termice ale grupului in diferite regimuri de functionare ale

tractorului.

● determinarea frecventelor proprii ale unui suport de sustinere.

Activitati efectuate cu ajutorul softului de simulare:

● verificarea suportului de sustinere a racitoarelor, la solicitari de vibratii aleatoare.

● analize comparative intre diferite dispozitive de prindere a racitoarelor, in urma carora au

fost alese solutii optime.

● simularea cu element finit pentru optimizarea guseelor unui anumit tip de colector, cu

scopul de a creste rezistenta si de a mari aria de curgere.

● analiza la stres termic si vibratii, in care stresul termic a fost determinat pe baza

temperaturilor preluate din analiza de curgere, iar stresul produs de vibratii pe baza unor solicitari

aleatoare. Aceasta simulare a fost materializata cu un raport.

10

Raportul de activitate al Biroul de Cercetare Dezvoltare, principalul modul de generare a

ideilor noi si mai ales de verificare a celor emanate de salariatii din firma, a relevat urmatoarele

directii esentiale.

A. Vibratii si socuri

1. Determinarea profilului de incarcare in urma procesarii datelor inregistrate cu ajutorul

modului de achizitie.

In cadrul departamentului de Cercetare Dezvoltare, una dintre temele abordate a fost

determinarea profilul de incarcare in urma procesarii datelor inregistrate cu ajutorul modului de

achizitie. Datele de pe teren nu pot fi folosite in forma lor bruta, fapt pentru care necesita prelucrare

pentru a extrage solicitarile cele mai relevante in exploatarea racitoarelor. Scopul procesarii

achizitiilor de date este identificarea spectrelor modale si de frecventa PSD prin FFT (Fast Fourier

Transformation), realizarea profilului de incarcare, calcularea profilului de solicitare PSD pentru

regim accelerat, compararea severitatii solicitarilor cu date provenite din diferite surse. In acest scop

s-au efectuat o serie de teste atat pe teren cat si in laboratorul de teste, unde s-au inregistrat datele

care mai apoi au fost procesate in vederea determinarii profilului de incarcare.

Verificarile au fost facute pe instalatia de vibrat electrodinamic (shaker) achizitionata prin

finantare POSCCE-A2-O2.3.2.-2013-1, http://www.raal.ro/page.php?id1=2&id2=8&id3=15 pusa in

functiune recent http://www.raal.ro/files/Raal_cdi_sistem_vibrat.pdf .

2. Analizarea valorilor modale obtinute cu ajutorul softului de simulare, cu cele obtinute prin

inregistrare cu modulul de achiziti.

Este necesara analiza modala pentru a determina caracteristicile dinamice ale structurii

(frecventele proprii, formele modale proprii si coeficientii de amortizare).

11

O metoda rapida privind determinarea frecventelor modale ale unei structuri (racitor sau

suport metalic de sustinere) este prin simulare. Pentru a aduce simularea cat mai aproape de realitate,

rezultatele obtinute se compara cu cele inregistrate cu modulul de achizitie. Aceste date se pot

inregistra fie pe teren fie in laboratorul de teste, unde cu ajutorul shaker-ului se pot reproduce situatii

similare cu cele de pe teren sau conforme standardului.

Un alt caz concret de aplicare a acestui mod de lucru a fost determinarea comportamentului

in regim de exploatare identic cu cerintele din standard pentru un produs CRA. In gasirea solutiei

optime a fost nevoie sa se tina cont de solicitarile termice rezultate din pozitia speciala pe care o are

racitorul in cadrul ansamblului. Prin analizarea mai multor solutii constructive s-a ales varianta

optima care face fata conditiiilor de exploatare si conditiilor termice.

In acest context se poate afirma ca s-a inchis bucla culegere date - proiectare - simulare -

executie prototip - testare - omologare produs - fabricare - expeditie - satisfacerea nevoilor clientului.

B. Optimizare formei guseelor aplicate colectorilor in vederea cresterii rezistentei acestora

Pentru colectori supusi la presiuni inalte se pot aplica trei variante constructive :

- utilizarea unor colectori cu pereti grosi (turnati sau extrudati);

- utilizarea unor colectori cu pereti subtiri intariti prin gusee;

- utilizarea unor colectori cu nervuri ambutisate.

Prima varianta constructiva se poate aplica racitoarelor care nu au asociata cu solicitarea

termica solicitarea la presiune. Are avantajul unor colectori mai usori de realizat fizic dar induc

tensiuni mecanice datorita solicitarilor termice.

12

Cea de a doua varianta se preteaza mai bine in cazul colectorilor supusi si la solicitari termice

dar este necesara o proiectare corecta a nervurilor, pentru a nu crea concentrari de tensiune

(uniformizarea repartizari tensiunilor). Optimizarea guseelor a avut ca scop atat cresterea rezistentei

la presiune prin diminuarea tensiunilor cat si repartizarea cat mai uniforma a tensiunilor. In acest

scop s-a folosit un model parametrizat de colector in care trei dintre parametri dimensionali a

nervurilor au dus la modificarea formei acestor gusee si la determinarea solutiei optime.

Cea de a treia solutie de colectori cu nervuri ambutisate confera rigiditate, reduce mult masa

si sectiunile, obtinand si o elasticitate foarte utila in distribuirea tensiunilor si eliminarea

concentratorilor de tensiune. Si pentru aceasta varianta constructiva forma si dimensiunea nervuri s-

au obtinut prin simulare parametrizata.

C. Detereminarea parametrilor de curgere (schimb termic/cadere de presiune) pentru

diferite modele de aripioare, in vederea folosiri acestora ca parametri in simularile cu mediul poros.

Simularile de curgere au un dezavantaj major si anume numarul mare de noduri (puncte in

care se fac calcule) in realizarea mesh-ului din cauza aripioarelor care au grosimi foarte mici. O

analiza de curgere prin simulare pentru un racitor care este echipat complet cu aripioare pe fiecare

canal de fluid poate dura chiar si cateva zile. Acest lucru implica resurse foarte mari de timp,

memorie de lucru si stocare. Pentru a elimimna aripioara din structura unui racitor si inlocuirea

acesteia cu un element care are un comportament asemanator privind curgerea si schimbul termic, s-

a adoptat metoda unui element poros. Acest element poros va substitui fiecare rand de aripioara,

avand forma paralelipipedica si proprietatile de curgere similare cu cele ale aripioarei. Proprietatile

elementului poros se determina atat prin calcule geometrice (aria de curgere, aria frontala, suprafata

de schimb) cat si prin simularea unei portiuni mici de aripioara (un pas). Avantajul acestei metode

este acela ca resursele folosite sunt mult mai mici iar rezultatele sunt identice cu cele obtinute prin

metoda clasica.

De asemenea, tot in cadrul departamentului Cercetare Dezvoltare, cu ajutorul simularilor se

analizeaza solutii si materiale noi, in vederea optimizarii performantelor termice si hidraulice ale

schimbatoarelor de caldura (imbunatatirea solutilor constructive).

De remarcat este atelierul de dimensionare (thermo-design) care are ca principala sarcina

dimensionarea termica a schimbatoarelor si grupurilor comandate de diferiti clienti cat si calcule

termice in vederea proiectarii de produse noi si de modernizare cele din productia curenta. Raportul

dintre proiectele dimensionate pe latura cercetare (cca. 55/luna) si cele pentru proiectare (cca.

201/luna) este de 27%, ceea ce denota o inclinare serioasa catre noutate (se aproximeaza normala o

pondere de 10%-15%).

Aceasta dimensionare termica precede dimensionarea constructiva, coopereaza la simularea

pe sisteme soft si verifica testele termodinamice efectuate in laboratorul de testare.

13

Mai trebuie de mentionat, din raportarea statistica a atelierului, ca dimensionari termice se fac

la aproximativ 46% din proiectele noi elaborate in Directia Tehnica.

O nota aparte o constitue centrul de testare din cadrul firmei, laborator unde se efectueaza

teste in scopul determinarii parametrilor de functionare ale schimbatoarelor de caldura precum si

rezistenta termica, mecanica, de mediu, vibratii, socuri, etc. a acestora. De asemenea in acest centru

se testeaza materiale si solutii noi privind optimizarea performantelor si imbunatatirea rezistentei

mecanice ale schimbatoarelor de caldura.

Determinarea parametrilor de functionare ale schimbatoarelor (schimb termic, caderi de

presiune pe fluidul cald/rece, etc) se realizeaza in cadrul a doua standuri de schimb termic (tunele de

vant) avand fluide de lucru: apa 100%, ulei hydraulic VG46 pentru primul stand respectiv apa-glycol

50%, ulei motor 10W40 si aer comprimat pentru al doilea stand iar determinarea rezistentei

mecanice ale schimbatoarelor de caldura se realizeaza pe urmatoarele standuri: stand presiune

pulsatorie, stand soc termic, stand presiune spargere.

De asemenea in cadrul laboratorului se efectueaza si testare privind curatenia interioara a

racitoarelor avand in cadrul laboratorului standul integrat HYDAC.

Mentionam ca standurilor permit testarea tuturor tipurilor constructive de schimbatoare de

caldura realizate in cadrul firmei: placi si bare, tuburi, shell-ui, constructie din aluminiu sau otel

inoxidabil, etc.

Centrul de testare poate efectua teste la cerere pentru diferiti terti (RAR Brasov, etc) si poate

emite raport de testare conform procedurilor interioare de lucru.

3. Simularea pentru aripioara vortex

In acest context, putem defini, ca obiectiv central, cercetarea principalului reper - element

care asigura transferul termic dintre un fluid cald – mai dens („turbulator”) si un fluid rece - mai

putin dens („aripioara”). In vederea obtinerii unei geometrii optime astfel incat sa se poata realiza un

schimb termic crescut sau echivalent cu o suprafata mult mai mica, obiectiv realizabil pe un utilaj

specific proiectat si executat in firma. In final, aceste actiuni se vor proteja prin cereri de brevetare

interna/externa, atat a modelului geometric cat si a utilajului de producere a aripioarei. O directie

urmarita in cercetarea firmei sunt aripioarele de tip „vortex” (schimbator de caldura care provoaca o

curgere turbulenta a fluidului de racit – vartejuri – vortex), aparute pe plan mondial recent, dar inca

nematerializate industrial in firma.

Obiectivele urmarite de aceasta idee sunt obtinerea reperului cu geometrie optima, ca model

de utilitate, astfel incat sa se realizeze un schimb termic crescut sau echivalent, cu o suprafata de

schimb termic mai mica, fabricat pe un utilaj brevetabil in firma.

14

Pentru a avea o baza de comparatie cu realitatea s-a incercat compararea rezultatelor

experimentale pentru o aripioara ondulata – avand caracteristicile de pas de 10 mm inaltime de 9.8

mm si grosime de 0.2 mm – cu modelarea numerica a schimbului termic.

Partea experimentala a fost reprezentata de racitorul de apa RA28789-0, iar testele au fost

realizate la RAAL. Simularea numerica s-a realizat utilizand solutia de simulare de la Autodesk prin

Autodesk CFD 360. Modelarea aripioarei a fost realizata folosind solutia CAD SolidWorks folsindu-

se modelul de poanson pentru realizarea acesteia.

Inainte de a incepe simularea a trebuit alocata o perioada de familiarizare cu softul, iar

aceasta s-a realizat cu ajutorul unor modele de test. In aceasta perioada s-au verificat diferitele

capabilitati ale solutiei software in prvinta exprotului de rezultate pentru prelucrarea ulterioara. S-au

studiat posibilitatile de simulare avand impuse diferite conditii de frontiera precum si metodele de

rezolvare puse la dispozitie de solutia CFD, cat si alte activitati de depanare a simularii in cazul in

care aceasta nu este convergenta.

In acest context au fost efectuate simulari initiale pentru a determina oportunitatea studiului

unei astfel de aripioare. Aceste rezultate pot fi consultate in fisierul Aripioara Vortex Sim

initiale.pdf atasat acestui raport, fisier ce prezinta metoda de rezolvare cat si rezultatele obtinute. S-a

constatat o potentiala crestere a schimbului termic cu aprox. 18% iar cresterea caderii de presiune cu

0.6%. problemele intampinate la aceste simulari initiale au fost comparatia lor cu rezultatele

experimentale, aceasta comparatie aratand o diferenta mare intre rezultatele experimentale si cele

numerice si numarul destul de mare de noduri.

Pentru a reusi crearea unor simulari numerice comparabile cu rezultatele experimentate, s-a

inceput un studiu asupra problemelor ce pot sa apara intr-o analiza numerica. S-a inceput prin a

studia simularea 2D (in plan), rezultate ce se pot gasi in fisierul Aripioara Ondulata rezultate

numerice.pdf. tot in acest fisier se gasesc si referintele studiate si metoda folosita. Comparatia cu

rezultatele experimentale este destul de buna. Acum se desfasoara procesul de realizare a analizei

numerice 3D pentru aripioara ondulata la mai multe viteze de intrare.

Pentru simulari este modelat numai domeniul de curgere prin aripioara si este prezentat in

figurile de mai jos, unde am neglijat razele de curbura pentru a reduce la minim numarul de noduri

necesare simularii.

In continuare se urmareste realizarea de simulari pentru diferite valori ale parametrilor

importanti:

• Unghiul vortexului cu orizontala

• Pasul si numarul vortexurilor

• Latimea vortexului

• Inaltimea vortexului

15

Este necesar de remarcat nivelul de inregistrare a evenimentelor expozantului, doctorand in

domeniul schimbului termic, inregistrari intermediare solutiei finale.

Pe aceasta tema s-ar putea dezvolta si alte subiecte privind formele de repere, subiecte care se

vor concretize in materialele ce se vor gasi pe pagina de net a proiectului www.htraal.ro.

Simultan cu cercetarea formei de aripioare s-a trecut la proiectarea viitoarei “masinute” care

va produce acest reper – aripioara vortex, produs aproape finalizat prin autoutilare, tinand cont ca

RAAL este producator de astfel de instalatii, fiind si proprietarul brevetului de inventie pentru

masinuta care produce aripioare perforate – Brevet de inventie nr.122717/2009

Pentru cercetarea si proiectarea subansamblelor care vor genera aceasta geometrie s-au

importat subansamble pentru formarea unor aripioare paralele similare, ca apoi prin modificare,

redimensionare si reglare sa se obtina forma dorita.

Actualmente, dupa realizarea acestor “masinute”, si simularile effectuate pe net se poate

prezenta orientarea in realizarea SDV-isticei necesare, respectiv, s-a initiat un studiu privind

realizarea practica a acestui tip de aripioare, aripioara vortex prezentata mai jos.

Figura 1 Aripioara Vortex

Au fost realizate un numar de 6 poansoane cu diferite geometrii in vederea testarii

comportarii foliilor de Al la deformarea ceruta. Poansoanele si testele fiind realizate de catre

departamentul de SDV din cadrul RAAL. Testele au fost realizate atat pe folie de Al avand starea

data de furnizor cat si pe folii de Al cu starea zero.

Ca urmare a acestor teste s-a generat dispozitivul de producere a acestor tipuri de aripioare,

urmand a se realiza cateva radiatoare in vederea determinarilor fizice in laboratorul de testare.

In acest moment, dezvoltarea aripioarelor vortex este oprita datorita concentrari eforturilor pe

asimilarea urgenta a unui produs in varianta RAAL. In aceasta situatie sunt documentatia ce se va

depune la OSIM privind protectia medelului cat si finalizarea masinei de produs aripioara vortex.

16

Comanda intern se va finaliza dupa realizarea desenului final de aripioara si depunerea cererii de

model industrial, situatie care speram sa se finalizeze in urmatoarele luni.

4. Stadiul tehnologiei de brazare a aluminiului

Actualizarea si inovarea tehnologiei de asamblare prin brazare a elementelor componente ale

schimbatoarelor de caldura reprezinta o preocupare continua, de la infiintarea firmei si pana in

prezent, fiind procesul tehnologic preponderent in fabricatie - toate produsele se brazeaza.

Indicatori propusi in proiect sunt:

= cresterea calitatii si a caracteristicilor mecanico-termice ale produselor brazate;

= reducerea costurilor procedeului;

= marirea randamentului brazarii;

= reducerea cheltuielilor cu mentenanta utilajelor.

Monitorizarea acestui proces se face de catre Laboratorl de Cercetare si Dezvoltare Procese

(Laboratorul ethnic) prin expertiza obtinuta dealungul anilor de experimentari si documentare in

domeniu, pe o plaja impresionanta de la brazarea aluminiului in bai de saruri pana la brazarea

inoxului si mai nou a aluminiului in vid.

In prezent tot legat de materiale long-life exista preocupari pentru asimilarea unor materiale

multiplacate cu 5 straturi (Multiclad) in colaborare cu firma Sapa Finspang Suedia. Acest material

este format din 5 straturi: 1 strat constituie materialul de baza, 2 straturi constituie interlayerele de o

parte si de alta a materialului de baza iar alte 2 straturi reprezinta materialul de aport. Materialul mai

sus mentionat a fost dezvoltat pentru rezistenta la coroziune marita.

Ca urmare a cresterii diversitatii schimbatoarelor de caldura din aluminiu fabricate in RAAL

respectiv a mediilor in care acestea functioneaza a aparut necesitatea testarii acestora in ceea ce

priveste rezistenta la coroziune. Camera de ceata salina achizitionata serveste la testerea materialelor,

sistemelor de materiale din componenta schimbatoarelor de caldura respectiv tehnologiilor de

protectie a suprafetelor. In urma testelor efectuate cu ajutorul acestui echipament pot fi asimilate si

introduse in fabricatie materialele din aluminiu noi, dezvoltate in domeniul schimbatoarelor de

caldura precum si tehnologiile noi (ex. cataforeza) de tratamente de suprafata, RAPORT DE

LABORATOR nr.41 - test ceata salina, CDP 22037-0, Teflonat, ungaria.pdf, atasat.

Aceasta ultima tehnologie de protectie a suprafetelor mareste durata de viata a produselor din

aluminiu, ceea ce a determinat RAAL sa pregateasca o investitie majora in aceasta directive.

Pentru testarea rezistentei la coroziune a materialelor, schimbatoarelor de caldura, protectiilor

prin vopsire, in cadrul RAAL s-a asimilat un cabinet de testare la coroziune. Cu ajutorul acestuia se

pot face teste de coroziune conform standardelor internationale in vigoare (SR ISO 9227, SWAAT -

685, ASTM B117, etc.). Conform procesului de fabricatie a schimbatoarelor de caldura, in urma

procesului de brazare, schimbatoarele de caldura prezinta flux rezidual, flux care in anumite conditii

poate fi un impediment in anumite aplicatii. Din acest motiv in RAAL s-a executat o instalatie de

17

curatare interioara a schimbatoarelor de caldura. In vederea testarii eficientei acestei instalatii s-au

facut teste conform raportului de laborator anexat in pagina web a proiectului www.htraal.ro.

Ramanand in domeniul curateniei interioare a produselor fabricate in RAAL, putem remarca

conditiile pe care le cer unii clienti privind numarul de particole solide detectabile in interiorul unui

produs, respective minim 50 de particole cu dimensiunea maxima de 150 microni intr-un produs sau

maxim 10 particole cu dimensiuni intre 400-500 microni in interiorul unui produs! (RAPORT DE

LABORATOR nr. 04 - curatenie Continental.pdf). Aceste conditii, frecvent intalnite in cerintele

unor importanti clienti a determinat firma sa achizitioneze o instalatie specifica care sa numere

particolele solide detectate in urma spalarii interioare a unui produs, stand curatenie interioara

HYDAC FCU2110.

In acest context, s-a derularea achizitiei instalatiei de numarare automata a acestor particole

pe un microscop adecvat, achizitionat printr-un program de finantare de minimis al Guvernului

Romaniei, iar prin acest proiect - HTRAAL - s-a completat cu instalatia de numarare automata si

caracterizarea particolelor solide filtrate in urma spalarilor interioare ale unui produs.

In perioda 01.10.2014 - 22.04.5015 s-au efectuat lucrari de modernizare pentru imbunatatirea

calitatitii produselor oferite de RAAL, brazarea fiind unul dintre procesele esentiale in producerea de

schimbatoare de caldura a necesita o atentie sporita si o monitorizare continuua astfel incat rezultatul

sa fie de cea mai buna calitate. Asa ca pentru obtinerea unui control mai bun asupra tehnologiei de

brazare au fost necesare lucrari de modernizare. Aceste lucrari au generat schimbari pozitive ce au

trebuit analizate si gestionate in cel mai bun mod astfel incat rezultatele sa fie vizibile atat din punct

de vedere calitativ cat si cantitativ.

Ca urmare a cercetarilor efectuate de catre personalul Laboratorului de Cercetare Dezvoltare

Procese, in ceea ce priveste optimizarea procesului de brazare si asimilarii unor materiale noi pentru

executia schimbatoarelor de caldura s-au obtinut urmatoarele:

- inlocuirea unor materiale conventionale din aluminiu cu materiale performante care permit

eliminarea unor etape din procesul tehnologic si obtinerea unor performante superioare pentru

schimbatoarele de caldura. Un astfel exemplu de materiale este TRILLIUM, material care are fluxul

incorporate in materialul de aport; prin utilizarea unui astfel de material etapele de fluxare, uscare si

spalare interioara a schimbatoarelor de caldura dispar din procesul tehnologic iar calitatea brazarii si

curateniei interioare a schimbatoarelor de caldura sunt imbunatatite.

- montarea pe cuptoarele de caldura a unor analizoare de oxygen a atmosferei de brazare. Cu

ajutorul acestor echipamente se poate optimiza procesul de brazare in ceea ce priveste debitele de

azot utilizate si durata etapelor de brazare (purjare, incalzire, racire e.t.c) ;

- asimilarea unui spectrometru de emisie optica cu scanteie. Spectrometrul Q4 TASMAN este

un instrument analitic performant cu detectori CCD (charge-Coupled Deice), cu limite de detectie

18

foarte bune, precizie buna si costuri reduse. Programul analitic acopera o varietate mare de aliaje in

baza Al si Fe. Cu ajutorul acestui echipament materialele receptionate sunt analizate din punct de

vedere a compozitiei chimice, pentru evidentierea conformitatii cu certificatele de calitate.

- asimilarea unui microscop electronic OLYMPUS BX51M Particle Inspector&Grain

Analysis care ofera efectuarea analizelor de curatenie (conform ISO 16232, ISO 4406, ISO 4407 etc)

si metalografice. Din punct de vedere al analizei curateniei interioare softwerul permite clasificarea

particulelor metalice si nemetalice, dimensiuni, numar, distributie. Totodata acest echipament ofera

analiza dimensionala a reperelor, structurii materialelor, evaluarea imbinarilor brazate, a uniformitatii

acoperirilor, etc.

In acest context se exemplifica si actiunile din cadrul laboratorului privind:

= verificare probelor de lucru a sudorilor/brazorilor in vederea certificarilor active in RAAL,

exemplu RAPORT DE LABORATOR nr.37 - calificare B1.pdf ;

19

= analizarea si catalogarea refuzurilor de calitate primite de la clienti, exemplu RAPORT DE

LABORATOR nr.34 - reclamatie SRU-22828 _J&D_.pdf ;

= rezultatele probelor terma-mecanice efectuate pe prototipuri in vederea testarii capabilitati

acestora, ex RAPORT DE LABORATOR nr.25 RA -28640 _HAUGG_.pdf ;

Toate aceste rapoarte cat si cele mentionate in acest document sunt atasate.

Liniile de brazare asupra carora s-au efectuat aceste lucrari sunt:

- Cuptorul de brazare Sellacan Orizontal Linia Auto din locatia Prundul Bargaului.

Asupra acestei linii de brazare lucrarile de mentenanta si de imbunatatire au constat in:

- curatarea cuptorului si verificarea integritati muflei

- inlocuirea termocuplelor si a regulatoarelor de temperatura cu scopul de a asigura un regim

termic stabil pe o durata extinsa de timp

- indicator de presiune si debit, ambele fiind conectate la computer, datele putand fi stocate si

monitorizate online. Deasemenea exista un sistem de alarma ce avertizeaza devierea de la parametrii

prestabiliti de catre Laboratorul de Cercetare si Dezvoltare Procese prin instructiunea de lucru.

Dupa finalizarea acestor lucrari pentru evaluarea rezultatelor cuptorul a necesitat o revalidare,

aceasta presupunand masuratori de temperatura, analiza produselor brazate prin teste specifice:

aspect vizual, etanseitate, paralelism, rezistenta, spargere etc.

Stabilirea regimurilor de brazare, mai exact a temperaturilor setate pe diferite zone a

cuptorului de brazare si a cuptorului de uscare s-au determinat experimental prin masuratori

efectuate cu ajutorul Data-Logger-ului Phoenix TM.

Masuratorile s-au facut pe clase/familii de produse iar regimurile de temperatura astfel

stabilite se vor gasi in instructiunea de lucru.

Cuptoarele de brazare verticale Pyrocon aferente halei de productie H4 Prundul Bargaului

Aceste cuptoare au fost dotate cu analizor de oxigen pentru a oferi informatii in ceea ce

priveste calitatea atmosferei din interiorul cuptorului pe parcursul tuturor etapelor de brazare. Asfel

se poate optimiza consumul de azot, debitele de lucru fiind reglate si specificate in instructiunea de

lucru aplicabila.

Laboratorul a desfasurat activitati de cercetare in ceea ce priveste gradul de curatenie a

produselor livrate, acestea concretizandu-se prin constructia unei instalatii de curatenie interioara,

aceasta realizandu-se cu ajutorul unei ape de inalta puritate obtinuta prin procesul de osmoza inversa,

apa ce are urmatoarele caracteristici: duritate<1 grade germane, conductivitate<30µS. In data de

08.10.2014 s-a pus in functiune o instalatie noua de osmoza inversa cu o capacitate mare, ce poate

deservi consumul necesar desfasurarii activitatilor specifice procesului de spalare, limpezire.

Gradul de curatenie a produselor spalate este evaluat printr-o metoda agreeata de clientii

RAAL, metoda gravimetrica. Lichidul rezultat in urma testului este analizat in cadrul Laboratorului

de Cercetare si Dezvoltare Procese folosind aparatura din dotare, respectiv: etuva pentru uscare /

20

pregatire hartii de filtru, balanta analitica de mare precizie (etalonata la zi), sistem de filtrare cu vid si

microscopul elecronic. Microscopul este prevazut cu un software specific prin care datele sunt

stocate si procesate de calculator. In urma analizei numarul, tipul si dimensiunea particulelor poate fi

deteminata acestea putand fi impartite pe clase in functie de standardul specificat de client.

Rezultatul acestei evaluari a gradului de curatenie a produselor livrate este inclus in rapoarte

elaborate de catre personalul Laboratorului. Durata unei asemenea analize este de 6 ore, timp ce

insumeaza pregatirea hartiilor de filtru, cantarirea, filtrarea, analiza microscopica si elaborarea

raportului.

Fenomenul de coroziune a schimbatoarelor de caldura poate fi studiat cu ajutorul Camerei

de Ceata Salina unde se poate simula intr-un mod accelerat comportamentul acestora in medii

corozive( ex. Mediu marin). Aceste teste se efectueaza conform anumitor standarde (ex ASTM B117

etc.), iar evolutia fenomenului de coroziune cat si efectele asupra functionalitatii produselor testate

este monitorizat si evaluat de catre Laboratorul CDP, rezultatele fiind consemnate in fise de

observatie conform unor proceduri specifice stabilite prin instructiune. Durata unui test cat si

conditiile de testare sunt specificate in standardul agreeat de client (ex 1000 h). Aceasta instalatie

necesita in permanenta o monitorizare atenta din partea personalului pentru asigurarea parametriilor

specificati in standarde, astfel obtinandu-se rezultate din care se pot trage concluzii obiective.

Pentru obtinerea de schimbatoare de caldura cu o durata de viata mai mare si o rezistenta

ridicata la conditii de presiune si temperatura, Laboratorul de Cercetare si Dezvoltare Procese

testeaza materiale noi. Mentionam urmatoarele exemple de materiale ce se afla in proces de evaluare:

Trilium (SAPA) - materialul de aport este un compozit format din aliajul din aluminiu EN

AW 4045 si flux necoroziv. Efectul de imbunatatire este acela ca etapa de fluxare nu va mai fi

necesara, fapt ce scurteaza timpul de productie.

Multiclad (SAPA) - tabla este formata din cinci randuri de aliaje din aluminu:

- 2x material de aport;

- 2x material “bariera” anticoroziune;

- 1x material de baza.

Materialul “bariera” anticoroziune are un rol de “sacrificiu”, adica intr-un mediu coroziv

pentru aluminiu acest material dezvolta o forma de coroziune intergranulara cu mod de propagare pe

orizontala in trepte (“blistering”), fapt ce duce la prelungirea duratei de viata a schimbatoarelor de

caldura, peretii despartitori nefiind strapunsi pe grosimea lor de factorii ce determina aparitia

coroziunii sub diferitele ei forme.

Brazarea fara flux in atmosfera controlata de azot este in proces de evaluare/analiza fara

rezultate concludente pana in momentul de fata pentru schimbatoarele de caldura din aliaje de

aluminiu.

21

Brazarea in vid - in cadrul SC RAAL SA este utilizata o metoda de brazare fara flux iar

materialele de baza utilizate sunt din inox, iar materialele de aport sunt cuprul si nichelul atat sub

forma de placate cat si sub forma de folii si paste.

Informatii de natura statistica in ceea ce priveste activitatea Laboratorlui de Cercetare si

Dezvoltare Procese (Laboratorului de Cercetare Dezvoltare Procese), putem mentiona ca in perioada

01.10.2014 - 22.04.5015 s-au efectuat un numar de rapoarte, dupa cum urmeaza:

- 34 rapoarte de evaluare a gradului de cuaratenie interioara;

- 2 rapoarte de testare a schimbatoarelor de caldura in mediu de ceata salina;

- 55 rapoarte de rezolvare a neconformitatilor interne/externe;

- 13 rapoarte ce fac referire la teste si verificari dimensionale repere din productia curenta;

- 4 rapoarte de certificare procese (brazare si sudobrazare).

In rapoartele de analiza se gasesc atat detalii in amanunt in ceea ce priveste etapele parcurse

de personalul laboratorului cat si rezultatele urmate de concluziile aferente fiecarei investigatii.

Tendinte si perspective

Societatea RAAL SA impreuna cu tot personalul implicat in activitatea de cercetare are o

atitudine deschisa fata de inovatie, atat in ceea ce priveste materialele utilizate in productia de

schimbatoare de caldura si deopotriva in ceea ce priveste utilajele folosite. Instrumentele de

analiza si evaluare a proceselor constituie o parte importanta, acestea fiind utilizate in validarea

produselor, din care putem exemplifica: curatenie interioara, formarea reperelor, brazare etc.

Pentru analiza imperfectiunilor de proces si corectarea lor in timp cat mai scurt fara a fi

nevoie de implicarea unor terti, Laboratorul de Cercetare si Dezvoltare Procese are nevoie de un

microscop SEM. Acest lucru ii asigura un spectru mai larg de analiza, fapt ce contribuie intr-un

mod benefic dezvoltarii proceselor ce au loc in cadrul intreprinderii.

In concluzie, rezultatele unui proces tinut sub control sunt predictibile, lucru posibil daca se

cunosc toate variabilele care definesc procesul. O data cunoscute aceste variabile, ele trebuie

masurate cu instrumente moderne, precise si stabilizate in intervale de valori optime.

5. Publicatii realizate

In activitatea de CDI din firma s-a reusit participarea la cateva evenimente de comunicari

stiintifice, ocazii cu care s-au prezentat lucrari ale colegilor, soldate cu publicari ale lucrarilor

prezentate in reviste indexate international, si anume:

= 3 articole la conferinta ACME 2014 si publicarea acestora intr-o revista stiintifica de

circulatie internationala cu indexare ISI, SCOPUS, Applied Mechanics and Materials [5], Vol. 659:

[1] S. Albetel, V. Martian, and M. Nagi, “Straight Section Influence on Thermal and

Hydraulic Performances for a Wavy Air Fin in a Compact Heat Exchanger,” Appl. Mech. Mater.,

vol. 659, pp. 283–288, Oct. 2014.

22

[2] V. Martian, S. Albetel, and M. Nagi, “Numerical Study of Corrugation Amplitude

Influence of a Wavy Fin in Overall Performance of a Compact Heat Exchanger,” Appl. Mech.

Mater., vol. 659, no. l, pp. 405–410, Oct. 2014.

[3] A. Rus, V. Martian, and M. Nagi, “Study of Height Influence of Heat Exchanger Tanks

on Overall Pressure Drop,” Appl. Mech. Mater., vol. 659, pp. 446–449, Oct. 2014.

Conferinta ACME 2014 publicat in Applied Mechanics and Materials indexata ISI, SCOPUS, etc

[4] G. Cocian and C. Popa, “Experimental Studies for Reducing Flux Consumptions in

Atmospheric Controlled Brazing of Aluminum Alloys,” Appl. Mech. Mater., vol. 659, pp. 69–74,

Oct. 2014.

= 1 articol la 2014 International Conference on Production Research – Africa, Europe and

Middle East and the 3rd International Conference on Quality and Innovation in Engineering and

Management:

[5] G. Cocian, C. Popa, “Experimental studies regarding binder’s influence on aluminum

alloys in controlled atmosphere brazing”, http://www.icpr-eame.com/publishing.html. Lucrarea

urmeaza sa fie publicata in revistele, care sunt indexate ISI (Thomson Reuters).

In rezumat, se poate spune ca Societatea RAAL este in continua dezvoltare, activitatile de

CDI devenind necesare si chiar obligatoriu de a fi evidentiate si inregistrate dupa norme si proceduri

specifice profilului de fabricatie propriu si mai ales dupa domeniile pentru care sunt destinate

schimbatoarele de caldura crea poarta marca RAAL.

Speram ca acest inceput sa fie de bun augur pentru tinerii specialisti, viitori cercetatori,

deoarece firma doreste sa coboare cercetarea din centrele universitare si academice in mijlocul

operatorilor care activeaza nemijlocit in fabricatia de schimbatoare de caldura, astfel incat produsele

RAAL sa atinga un inalt nivel tehnic – high-tech, conditie minimala de concurenta pe piata externa.

Tot in directia diseminarii rezultatelor se poate releva dezvoltarea pe net a domeniului

www.htraal.ro care doreste sa devina platforma de prezentare a activitatilor de CDI din firma si de

ce nu, un centru de intalnire a celor din industria componentelor auto.

In sfarsit, dorim sa mentionam si performantele RAAL in domeniul protejarii proprietatii

intelectuale prin depunerea de cereri de protectie la OSIM si obtinerea de brevete pentru noutatile

documentate prin acestea. Se poate anunta ca s-a eliberat Certificatul pentru Modelul de Utilitate

inregistrat cu numarul RO 2013 00020, “Capcana gravitationala de condens utilizata in cadrul

uscatoarelor de aer comprimat cu separator de condens incorporate”, data de depozit 30.05.2013,

inventatori Ilies Paul-Adrian, Martian Vlad, Legian Alexandru, Cocian Grigore. De mentionat ca

aceasta cerere a fost raportata in etapa 2 a prezentului proiect – HTRAAL.

La aceasta data sunt pregatite pentru depunere la OSIM documentele referitor la aripioara

vortex si se urmareste realizarea masinutei care sa produca acest profil.

23

In concluzie au fost realizate studii teoretice privind domeniile de interes general din cadrul

acestui proiect–turburatori/aripioare–simulare/testare–brazare in conformitate cu produsele RAAL.

S-au dotat zonele implicate in proiect cu mijloacele fixe preconizate in cadrul proiectului,

insa nu au putut fi cuprinse in cheltuielile eligibile (contabilitatea RAAL avand alte chei de

inregistrare si decontare TVA). Cu toate acestea, echipamentele si serviciile performante care au fost

achizitionate au dus la creearea de plus-valoare atat in rezultate de cercetare cat si in imaginea firmei:

1 Modernizare microscop OLYMPUS BX51M 186,723 lei

2 Statie grafica portabila Fujitsu Celsius H920 13,541lei

3 Statie grafica Fujitsu Celsius R920 37,406 lei

4 Statie grafica Fujitsu Celsius R921 37,406 lei

5 Modul de achizitie de date pentru vibratie 171,982 lei

6 Laptop DELL Latitude E6540 6,175 lei

7 Analizor atmosfera 1 19,601lei

8 Analizor atmosfera 2 19,601lei

TOTAL 492,435 lei

Rezultatele obtinute pana in prezent au valoare teoretica si experimentala pentru a fi folosite

ca baza stiintifica in proiectele si dezvoltarile ulterioare.

6. Concluzii

In final, consideram necesar sa mentionam diversitatea metodelor de diseminare a proiectului

desfasurat sub acronimul HTRAAL, logo pe care-l dorim a fie asimilat activitatii de CDI din firma.

Pe langa actiunile specificate in etapele precedente dorim sa anuntam in premiera productia

primului videoclip care sa oglindeasca in cca 7 minute desfasurarea intregului proiect.

24

Pe langa videoclipul original s-a conceput si un calendar de perete care incepe cu luna mai

2015 si sfarseste cu aprilie 2016 cand se finalizeaza etapa 5 a proiectului cand se vor raporta efectele

economice ale anului 2015 si de ce nu si realizarile obtinute in continuarea acestuia.

Speram, ca la ultima raportare a efectelor economice din 2018 sa anuntam, pe langa

realizarile Cercetarii. Dezvoltarii, Inovarii din firma si implicarea in alte proiecte asemanatoare pe

finantari guvernamentale, europene sau chiar si finantari in parteneriate cu universitati/institute

colaboratoare, furnizori consacrati sau clienti traditionali interesati in dezvotarea Societatii RAAL!

Derularea proiectului a demonstrate forta inovatoare a participatilor si in mod special a

majoritatii angajatilor RAAL care sunt parte integranta a cercetarii, dezvoltarii si inovarii produselor,

tehnologiilor, fabricatiei, calitatii si managementului din firma.

Consideram HTRAAL un succes care va genera noi performante pentru Compania RAAL .

Bistrita, 22.04.2015

Director de proiect

Dr. Ing. Manea Ionel

Crearea Vortexurilor +Intensifica schimbul termic

Distruge stratul limita

Amesteca fluidul

- Creste caderea de presiune

Doua tipuri de vortexuri: ◦ Longitudinal

In directia de curgere

◦ Transversal

Perpendicular pe directia de curgere

*Computational Fluid Dynamics

Datele de intrare: ◦ 4 m/s viteza frontala

◦ Temp intrare aer 30 oC

◦ Temp perete 70 oC

Modelul:

Conditiile de frontiera ◦ Simetrie

◦ Intrare v=4 m/s, T=30 C

◦ Iesire p=0

◦ Temperatura constanta

Zona intrare

Zona iesire

modelul

Intrare Simetrie

Iesire

Temperatura constanta

Discretizarea (mesh-atura) ◦ Aripioara Ondulata:

753 942 Noduri

2 884 908 Elemente

◦ Aripioara Vortex

700 259 Noduri

2 890 688 Elemente

Independenta rezultatelor fata de discretizare ◦ Aripioara Vortex

Initial

186 129 Noduri

628 916 Elemente

Prelucrarea rezultatelor2

2 1

2 1ln

2

1

ln

( )

( ) ( ); T=

( )

( )

p

w ws

w

w

Q m c T T

T T T TT uT dA

T TLn

T T

Q

A T

Intrare

Iesire

2 R. Borrajo-Peláez, J. Ortega-Casanova, and J. M. Cejudo-López, “A three-dimensional numerical study and comparison between the air side model and the air/water side model of a plain fin-and-tube heat exchanger,” Appl. Therm. Eng., vol. 30, no. 13, pp. 1608–1615, Sep. 2010.

Intrare Iesire Intrare Iesire Wavy Vortex

Mass Flowrate -1.16E-04

1.16E-04 -1.16E-04 1.16E-04 kg/s

Density 1.20 1.20 1.20 1.20 kg/m3

Pressure 41.66 -3.45 40.48 -4.91 Pa Temperature 31.26 53.04 31.45 57.29 Celsius

Viscosity 1.82E-05 1.82E-

05 1.82E-05 1.82E-05 Pa-s Q 2.5 3.0 W +18.5%

Dp 45.1 45.4 Pa +0.6% ΔTln 26.4 23.3 C

A 1191.0 1332.8 mm^2 α 80.7 96.8 W/m^2K +19.9%

De studiat in continuare:

◦ Realizarea simularilor cu alte metode pentru

reducerea erori fata de experiment.

◦ Realizarea simularilor la mai multe debite

Ridicarea caracteristicilor Nu si f pe fiecare tip de

aripioara

◦ Realizarea simularilor la mai multi parametrii pentru

optimizarea unghiului vortexului, a lungimii, si a

numarului de vortexuri.

RAPORT CERCETARE (Preliminar)

Ed: 1 A: 1

Pg 1 din 20

2/24/2014 Vlad Marțian

Aripioara Ondulata rezultate numerice

1 Scop

Compararea rezultatelor simularilor 2D cu rezultatele din teste

Gasirea influentei anumitor factori cum ar fi amplitudinea ondulelului, pasul onduleului offset-

ul onduleului, etc in performantele termice si hidraulice

2 Metodologia

Pentru analiza acuratetii metodei de simulare s-a ales testul realizat pe produsul RA 28788-0

realizat pe standul conceput si construit de RAAL. Datele brute de masurare se gasesc atasate

de acest raport.

In privinta metodei numerice de rezolvare, s-a ales metoda SST k-omega, deoarece in

conformitate cu [1],[2] si [3] este una dintre cele mai bune metode de rezolvare in cazul in care

avem desprinderi ale stratului limita este k-omega. Metoda SST k-omega are avantajul ca

rezolva ecuatiile de curgere si in zona stratului limita aceasta metoda putand prezice destul de

precis locul desprinderii. Aceasta metoda fiind valabila atat pentru numere Reynolds mici cat si

mari. Dezavantajul acestei metode este necesitatea unei discretizari fine in zona peretilor. Din

aceasta cauza am decis realizarea simularilor doar in plan, sau simulari 2D.

Dezavantajul simularilor in 2D fata de 3D in cazul aripioarelor este acela ca nu se pot reproduce

rezultatele de cadere de presiune fata de valorile din teste. Motivatia acestui fapt consta in

modalitatea de rezolvare a ecuatiilor curgerii in cazul 2D fata de 3D, si anume ignorarea frecarii

fluidului cu peretii superior si inferior, sau considerarea unei inaltimi infinite acest fapt schimba

aspectul canalului ( H in fig. 1), adica raportul P/H, ceea ce conform cu cele afirmate de

Parker et. al. [4] si sustinute de Siddique et. al. [5] duce la o modificare a caderii de presiune.

Pentru a putea estima eroarea rezultatelor numerice fata de cele experimentale voi incerca in

continuare sa gasesc un coeficient de crestere a caderii de presiune cu care sa putem compara

caderile de presiune din simulare cu cele din teste.

2.1 Coeficientul de corectie in caderea de presiune

Daca consideram o curgere in 3D ecuatia conservarii impulsului pe directia de curgere (z) este

data de ecuatia :


Ed: 1 A: 1

Pg 2 din 20


2 2 2

2 2 2

1w w w p w w wu v w

x y z z x y z

(2.1)

Daca nu exista discontinuitati in geometria de curgere, si asa cum putem vedea din rezultatele

simularii componentele u,v ≪ w iar / 0w z pentru o curgere stabilizata, din ecuatia (2.1)

caderea de presiune se va scrie:

2 2

2 2

p w w

z x y

(2.2)

Daca realizam analiza scarii conform cu sectiunea 1.4.5 din [6] vom avea ordinul de marime a

marimilor din ecuatia (2.2) egale cu:

2

1~ ~

w w w

x x P P P

2

1~ ~

w w w

y y H H H

Deci caderea de presiune va avea ordinul de marime urmator:

2 2

2

2

1 1~

1~ 1

pw

L P H

p Pw

L HP

(2.3)

unde: w viteza de curgere, L lungimea de curgere, P latimea de curgere (1/2 pas) si H inaltimea

de curgere (inaltimea) vezi fig. 1 de mai jos.

fig. 1 Schita curgerii

~x P

~y H

~z L

w


Ed: 1 A: 1

Pg 3 din 20


Cazul simulalrii 2D inaltimea H nu conteaza iar prin analogie cu cazul curgerii intre doi pereti

plani si paraleli aceasta se poate considera a avea o valoare , prin urmare raportul dintre P si

H se anuleaza in ecuatia (2.3) iar caderea de presiune devine dependenta doar de pasul (P). Tot

din ecuatia (2.3) se poate trage o concluzie cu privire la modificarea acesteia in cazul simularii

3D.

Pentru cazul nostru, unde am luat ca referinta rezultatele de test de la RA28788-0 avand o

aripioara ondulata pe partea de aer cu pasul de 10 mm, inaltimea de 7.8 mm iar grosimea de

0.2 vom putea estima care este cresterea de presiune in 3D fata de simularile in 2D, astfel:

2

2 2

3

1 1~ 1 ~ 1.3721

D

p Pw w

x P H P

(2.4)

2

2 2

2

1 1~ (1 0 ) ~

D

pw w

z P P

(2.5)

Din (2.4) si (2.5) putem observa, in cazul in care mentinem parametrii constanti cu exceptia

inaltimii, ca caderea de presiune in 3D fa fi mai mare cu un coeficient 2 1.3721DC decat

caderea de presiune in 2D.

2.2 Interpretarea performantelor termice experimentale

Interpretarea rezultatelor din masuratori s-a realizat in conformitate cu procedeul descris de

Wang et. al. in [7] si Dong et. al. in [8], care se bazeaza in principal pe gasirea coeficientului de

schimb termic pe

aer cunoscand

coeficientul pe apa

prin metoda

NTU . Pentru

automatizarea

prelucrarilor am

realizat un program

de calcul in C# care

preia datele din

fisierele Excel de

masuratori.

In fig. 2 este

prezentata pagina

de intrare unde se fig. 2 Determinarea coeficientului de convectie pe partea rece.


Ed: 1 A: 1

Pg 4 din 20


introduc fluidele de lucru, deocamdata fiind posibila doar introducerea aerului si a apei sau a

unui amestec apa glicol, proprietatile acestora fiind calculate cu ajutorul librariei CoolProp [9]

In prima pagina se incarca si fisierul excel de masuratori care permite incarcarea automata a

structurii racitorului, vezi fig. 3.

fig. 3 Introducerea Structurii

In final in ultima pagina se realizeaza interpretarea datelor. Dupa cum se poate observa si din

fig. 4

fig. 4 Interpretarea datelor


Ed: 1 A: 1

Pg 5 din 20


In aceasta ultima pagina se poate alege pe care parte se doreste interpretarea, iar datele

prelucreate sunt prezentate atat sub forma tabelara cat si sub forma grafica. In plus, in

reprezentarea grafica este prezentata si aproximarea rezultatelor numerice cu o relatie

criteriala de forma:

( )

( )

( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

b

b

b

b err

a Nu

b err

a J

b err

a f

Nu Re a err Re err

J Re a err Re err

f Re a err Re err

(3.1)

unde a,b sunt coeficientii ce trebuie determinati, iar erra si errb sunt erorile cu care au fost

determinati acesti coeficienti

Functiile de mai sus (3.1) sunt reprezentate grafic sub forma de linii continue, iar in partea de

mesaje sunt afisate ecuatiile (3.1) in forma analitica. Deocamdata programul nu poate impartii

functiile pe diferite domenii, o limitare care se va rezolva in viitor.

Tot in aceasta ultima pagina sunt afisate si ariile de curgere si de schimb termic pe fiecare

parte.

Toate aceste informatii pot fi salvate prin apasarea butonului de salvare.

Pentru cazul nostru, prin procesarea testelor pe racitorul de apa RA28788-0 am obtinut

informatiile prezentate mai jos:

Tabel 1 Ariile pt. RA28788-0

Partea rece Partea calda

Aria de curgere 0.21368 0.00536 [m^2]

Aria schimb termic 13.23173 5.39981 [m^2]

Diam hidraulic 5.83098 4.009 [mm]

Rezultatele analitice obtinute fiind:

5

5

5

5 (0.9189 8.5·10 ) 2

5 ( 0.0811 8.5·10 ) 2

2 ( 0.4683 9.3·10 ) 2

( ) (0.0153 8.2·10 )· ( 6.5·10 )

( ) (0.01721 9.2·10 )· ( 6.5·10 )

( ) (3.2 1.9·10 )· ( 6.8·10 )

Nu Re Re

J Re Re

f Re Re

(3.2)

Ca si o observatie, eroarea criteriului J este aceeasi ca si eroarea lui Nu deoarece intern criteriul

J este calculat dupa ce se calculeaza functia Nu. In fig. 5 sunt prezentate grafic rezultatele

obtinute. Se poate observa ca in cazul caderii de presiune functia f nu aproximeaza foarte bine


Ed: 1 A: 1

Pg 6 din 20


rezultatele experimentale. Desi se poate considera ca este necesara impartirea functiei in doua

zone, dupa cum o sa vedem in descrierea rezultatelor numerice, vezi sctiunea 3.1, aici se poate

presupune o eroare mai mare a rezultatelor de testare.

fig. 5 Resulztatele obtinute pe RA28788-0

2.3 Interpretarea perofmantelor din simularea numerica

Asa cum am explicat la inceputul capitolului 2 simularile au fost realizate folosind licenta

Autodesk Simulation CFD 360 a fabricii.

Simularea, vezi fig. 6, s-a realizat folosind o schita 2D pe un singur pasaj, iar temperatura

peretelui aripioarei este considerata constanta, astfel se poate elimina necesitatea modelarii

canalului de apa, imposibil de realizat in simularile 2D.

In Anexa A este prezentat desenul schitei impreuna cu toate dimensiunile si conditiile de

frontiera impuse.

Datorita faptului ca din simulare nu obtinem direct marimile necesare comparatiei cu

experimentul, marimi ca Nusselt, Reynolds, frictiune, etc trebuie realizate unele procesari a


Ed: 1 A: 1

Pg 7 din 20


rezultatelor obtinute din simulare. Pentru realizarea a cestor procesari, metoda cea mai

eficienta este de a scrie un cod de automatizare in Python, limbaj cu care Autodesk CFD vine in

pachet, codul fiind prezentat in Anexa B pentru referinta.

Conditiile de simulare au fost alese astfel incat acestea sa fie cat mai apropape de conditiile din

teste, fiind prezentate in Tabel 2 de mai jos:

Tabel 2 datele de intrare in simulare

Marime Valoare

Presiune atmosferica 0.988 [bar]

Temperatura intrare 17.2 [C]

Viteza la intrare 2; 4; 6; 8.23; 10; 12 [m/s]

Temperatura peretelui 85 [C]

Viteza la intrare in domeniul de simulare este viteza medie de curgere in interiorul aripioarei.

In vederea gasirii influentei discretizarii (mesh-ului) asupra rezultatelor simularii, cat si a erorii

fata de rezultatele experimentale, s-a realizat in prima faza simularea la o singura viteza de

intrare, cea de 8.23 m/s. In fig. 7 sunt prezentate imagini ale discretizarii realizate, iar in Tabel 3

sunt prezentate date despre influenta acesteia in rezultatele numerice.

fig. 6 Simulare 2D pe aripioara. Viteza


Ed: 1 A: 1

Pg 8 din 20


fig. 7 Influenta discretizarii asupra rezultatelor simularii a) mesh 0, b) mesh 1, c) mesh 2

Tabel 3 Rezultatele in functie de dircretizare

Discretizarea Numarul de noduri Caderea de presiune [mmH2O]

a) 25374 9.6

b) 51747 9.0

c) 80676 8.7

Pentru restul simularilor s-a ales discretizarea reprezentata de b) deoarece diferenta intre

caderea de presiune obtinuta in b) fata de c) este de aprox 3% iar cresterea numarului de

c)

b)

a)


Ed: 1 A: 1

Pg 9 din 20


noduri este mult mai mare cu 55%, iar timpul de simulare pentru discretizarea b) este mai mic

fata de discretizarea c).

In continuare au fost realizate simulari pentru diferite debite, vezi Tabel 2.

2.3.1 Modelul matematic al interpretarii

Marimile ce se pot extrage din simulare sunt marimi medii pe diferite plane, in cazul nostru

planele sunt reprezentate de linii. Au fost definite doua plane pentru gasirea acestor marimi, la

intrare si la iesire din domeniul de simulare vezi in Anexa A Intrare Viteza si Iesire Presiune, iar

in Tabel 4 de mai jos sunt prezentate marimile date de CFD

Tabel 4 Rezultatele pe plan

Planul de intrare

Rezultatul a b C

Densitatea 1.19E-06 1.19E-06 1.19E-06

Temperatura 17.2 17.2 17.2

Presiunea 94.1962 87.9912 85.2754

Debitul masic 0.0468294 0.0468294 0.0468294

Vascozitatea 1.82E-05 1.82E-05 1.82E-05

Planul de iesire

Density 1.11132 1.11414 1.11583

Temperature 36.5676 35.7835 35.3139

Pressure -0.00940937 -0.0074373 7.09E-05

Mass Flow 4.68E-05 4.68E-05 4.68E-05

Viscosity 1.82E-05 1.82E-05 1.82E-05

Pentru a putea compara aceste rezultate cu cele experimentale va trebui sa aducem aceste

rezultate sub forma relatiilor criteriale, iar in cele de mai jos este descrisa procedura

matematica, iar pentru simplitate o marime avand indicele I se refera la intrare iar o marime

avand indicele O se refera la iesire.

Cel mai simplu de realizat este determinarea caderii de presiune care se gaseste prin scaderea

presiunii de la iesire fata de presiunea de la intrare I Op P P .


Ed: 1 A: 1

Pg 10 din 20


Pentru aflarea unui coeficient de convectie mediu va trebuii insa sa realizam mai multe calcule

in primul rand trebuie sa determinam fluxul termic realizat:

· ·pQ mc T (4.1)

unde 1004.0[ / . ]pc J kg K

Acelasi flux termic mai poate fi definit prin:

· · medQ A T (4.2)

unde este coeficientul de convectie mediu pe intreaga suprafata A a aripioarei, iar medT este

temperatura medie intre perete si fluid.

In cazul nostru, deoarece avem o simulare 2D suprafata de schimb termic este reprezentata de:

2·A L

unde L este lungimea de curgere luand si onduleurile in calcul.

Prin urmare prin combinarea ecuatiilor (4.1) si (4.2) se poate determina :

·

medT

AQ

(4.3)

Ecuatia (4.3) este implementata in codul Python din Anexa B prin functia alfa.

Marimile ramase, cum este Re, Nusseltul si coeficientul de frecare sunt implementate si ele in

codul Python, si deoarece formulele lor sunt simple, se pot observa la o privire directa asupra

codului

3 Rezultate si concluzii

3.1 Rezultate numerice vs rezultate experimentale

Dupa stabilirea discretizarii de lucru, s-au realizat mai multe simulari pe configuratia originala a

aripioarei, vezi Anexa A pentru toate configuratiile, unde s-au obtinut rezultatele prezentate in

graficele ce urmeaza.

In fig. 8 sunt prezentate caderea de presiune experimentala si caderea de presiune numerica,

aceasta din urma avand valorile corectate cu coeficientul gasit in sectiunea 2.1. Graficul este

prezentat in axe logaritmice, pe acest grafic se poate observa variatia caderii de presiune a

aerului in functie de Re si indirect in functie de viteza, Re fiind direct proportional cu viteza.

Analiza in continuare a graficului ne arata ca datele experimentale la debite mici ( Re mici )

deviaza de la curba normala ceea ce poate duce la concluzia ca la astfel de debite eroarea de


Ed: 1 A: 1

Pg 11 din 20


masurare a debitului de aer este mai mare, concluzie care este intarita si de graficul

coeficientilor de convectie, vezi fig. 9. Per total diferenta intre cele doua rezultate este destul

de mica ca sa putem considera metoda de simulare valida pentru cazul nostru

fig. 8 P experimentala vs P numerica

fig. 9 Coeficientul de covectie experimental vs numeric

1

5

50

500 5000

Cad

erea

de

pre

siu

ne

[mm

H2O

]

Re

Dp_exp

Dp_num

5

50

500

500 5000

Co

efic

ien

tul d

e co

nve

ctie

α [

W/m

2K

]

Numarul Reynolds

α_exp

α_num


Ed: 1 A: 1

Pg 12 din 20


Pentru o imagine mai bună a erorilor obținute față de experiment, se pot observa erorile pentru

căderea de presiune și coeficientul de convecție în graficele ce urmeză:

fig. 10 Eroarea coeficientului de convectie numeric fata de valoarea experimentala

fig. 11 Eroarea căderii de presiune față de valoarea experimentală

0.0

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

120.0

140.0

160.0

180.0

0 20 40 60 80 100 120 140 160

αn

um

αexp

-15%

+15%

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

0 5 10 15 20 25 30

Δp

nu

m

Δpexp

-25%

+25%


Ed: 1 A: 1

Pg 13 din 20


Din fig. 10 se observă că coeficientul de convecție numeric este constant mai mic cu

aproximativ 15% față de valoarea experimentală, o valoare care este acceptabilă având în

vedere și incertitudinea testelor, vezi Anexa C. În privința căderii de presiune eroarea maximă

este in jurul valorii de 25%. Ca și o observație trebuie amintit aici faptul că valorile

experimentale cât și cele numerice sunt raportate la numărul reynolds și nu la viteză.

În continuare vom analiza numeric dependența performanțelor aripioarei ondulate în funcție

de amplitudinea onduleului.

3.2 Dependența de Amplitudine

Un factor important in analiza performanțelor unei suprafețe de schimb termic este dată de

analiza raportului între performanța termică, prin numărul colburn (J) și performanța hidraulică

prin coeficientul de frecare (f). Aceast raport este posibil datorită analogiei Chilton Colburn, în

care se arată corespondența intre cei doi factori, vezi fig. 12.

fig. 12 raportul performanțelor termice față de performnațele hidraulice,Original ->A1.7

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.0 2500.0 3000.0 3500.0 4000.0

J/f

Re

Original

A1.5

A1.9

A2.2

A1.2

A1.0


Ed: 1 A: 1

Pg 14 din 20


În fig. 12 sunt prezentate mai multe rezultate la diferite amplitudini ale onduleului, codificate

astfel: A înseamnă amplitudinea iar numărul reprezintă valoare in mm. Pentru referință vezi

Anexa A. Din fig. 12 putem trage concluzia că, căderea de presiune scade mult mai repede cu

amplitudinea onduleului față de coeficientul de convecție, ducănd la o performanță crescută a

aripioarelor la amplitudini mai mici decât la amplitudini mai mari. Totuși pentru a putea lua o

decizie in acest sens trebuie realizat un studiu asupra variației performanțelor si cu pasul

aripioarei, acești doi parametrii având o corelație destul de mare.

Pentru referință in fig. 13 sunt presentate și variațiile coeficientului de schimb termic Nu cu

numărul reynolds. În acest grafic se observă scăderea performanțelor termice cu amplitudinea

onduleului.

fig. 13 Nusselt vs Reynolds la diferite amplitudini

3.3 Studii în continuare

În continuare propun studierea influenței schimbului termic a aripioarei ondulate și cu pasul

onduleului, și trecerea de la simulările 2D la cele 3D unde se poate studia și influența înaltimii

asupra performanțelor aripioarelor.

0.004

5.004

10.004

15.004

20.004

25.004

30.004

0.0 1000.0 2000.0 3000.0 4000.0

Nu

Re

Original

A1.5

A1.9

A2.2

A1.2

A1.0


Ed: 1 A: 1

Pg 15 din 20


Anexa A. Schita domeniului de simulare


Ed: 1 A: 1

Pg 16 din 20


Anexa B. Listingul codului în Python import math import sys import win32com.client as win32 from CFD import DSE from CFD import DC from CFD import Setup # A convinience function to convert row-col numbers to excel cell names (A1, A2, ..., B5, ...) def GenExcelName(row, col): # Translate (0,0) into "A1" & so on if col < 26: colName = chr(col + ord('A')) else: colName = chr((col / 26)-1 + ord('A')) + \ chr((col % 26) + ord('A')) return "%s%s" % (colName, row + 1) def Re(dens,vit,vasc,Lc): return dens*vit*Lc/vasc def alfa(deb,Tin,Tout,Tw,dens,cp,A): Q=deb*cp*(Tin-Tout) dT1=Tin-Tw dT2=Tout-Tw Dtln=(dT2-dT1)/math.log(dT2/dT1) return Q/(A*Dtln) def frict(Dp,vit,Lc,L,dens,Kc=0.0,Ke=0.0): return Lc/(4*L)*(2*Dp/(dens*vit**2)-Kc-Ke) def getValue(plane,type,designName,scenarioName): k,value=plane.find(type).value() k,value=value.find(designName).value() k,value=value.find(scenarioName).value() return value def getResults(study,planeName): dc=study.decisionCenter() dc.updateCriticalValues() plane=dc.summaryPlane(planeName) rez=DC.SummaryItemResults() plane.getResults(rez) return rez def writeXls(sheet,row,col,*args): for a in args: sheet.Cells(row,col).Value=str(a) col=col+1 def main(): study= Setup.DesignStudy.Create() #app=win32.gencache.EnsureDispatch('Excel.Application.12') #app=win32.Dispatch('Excel.Application') #workbook=app.Workbooks.Add() #sheet=workbook.Worksheets.Add() #sheet.Name=study.name() DSE.UI.ShowMessage( "Incepe interpretarea rezultatelor......") #Setam caracteristicile Aerului la intrare dens=1.18543 # [kg/m3] cp=1.004e3 # [J/kg.K] visc=1.817e-5 # [Pa.s]


Ed: 1 A: 1

Pg 17 din 20


cond=2.563e-2 # [W/m.K] Lc=4.8e-3 # [m] Tw=85.0 # [C] A=2*90.2758e-6 # [m^2] L=90.2758e-3 # [m] cdp=1.3721 #coeficient de corectie 2D->3D Llong={'Original':90.2758,'A1.9': 91.5552,'A1.5':89.1272,'A2.2': 93.7111,'A1.7O2.5':90.2758,'A1.7O5':90.2758,'A1.0':86.852,'A1.2':87.6578} #writeXls(sheet,1,1,"Densitatea",dens,"[kg/m3]") DSE.UI.ShowMessage("Densit="+str(dens)+",[kg/m3]\nCp="+str(cp)+",[J/kg.K]\nVasc Din="+str(visc)+",[Pa.s]\nCond="+str(cond)+",[W/m.K]\nLc="+str(Lc)+",[m]\nTw="+str(Tw)+",[C]\nA="+str(A)+",[m^2]") inrez=getResults(study,"Inlet") outrez=getResults(study,"Outlet") designs=Setup.DesignList() study.designs(designs) for design in designs: DSE.UI.ShowMessage(design.name()+"\nScenario Name,\tReynolds [],\tNusselt [],\talfa [W/m^2.K],\tDp [mmH2O],\tfrict[]") scenarios=Setup.ScenarioList() design.scenarios(scenarios) for scenario in scenarios: vit=getValue(inrez,DC.SPL_VX_VELOCITY,design.name(),scenario.name())*1.0e-3 # [mm/s]->[m/s] massflow=getValue(inrez,DC.SPL_MASS_FLOW,design.name(),scenario.name())*1.0e-3 # [g/s]->[kg/s] Tin=getValue(inrez,DC.SPL_TEMP,design.name(),scenario.name()) # [C] Tout=getValue(outrez,DC.SPL_TEMP,design.name(),scenario.name()) # [C] Pin=getValue(inrez,DC.SPL_PRESSUE,design.name(),scenario.name()) # [Pa] Pout=getValue(outrez,DC.SPL_PRESSUE,design.name(),scenario.name()) # [Pa] dp=cdp*(Pin-Pout)/9.81 # [mmH2O] A=2*Llong[design.name()]*1e-6 # [m^2] alf=alfa(massflow,Tin,Tout,Tw,dens,cp,A) # [W/m^2.K] re=Re(dens,vit,visc,Lc) Nu=alf*Lc/cond L=Llong[design.name()]*1e-3 #[m] fr=frict(dp*9.81,vit,Lc,L,dens) DSE.UI.ShowMessage(scenario.name()+",\t"+str(re)+",\t"+str(Nu)+",\t"+str(alf)+",\t"+str(dp)+",\t"+str(fr))

main()


Ed: 1 A: 1

Pg 18 din 20


Anexa C. Estimarea incertitudini măsurătorilor

Pentru a putea observa incertitudinilor valorilor numerice față de valorile experimentale

trebuie să calculăm erorile care intervin in experiment. Făra a face o analiză exhaustivă a

acestora vom lua un singur exemplu, și anume punctul da măsură pentru care s-a realizat

comparația cu rezultatele numerice:

Punctul de măsură ales este punctul de măsură 23 din fisierul de test pentru RA28788-0,

prezentat în tabelul de mai jos:

Debit [kg/s]

Tin [oC]

Tout [oC]

Dp [mmH2O]

1 2.116 17.2 48.89 15.78

2 2.116 17.3 48.80 15.78

3 2.106 17.3 48.85 15.78

4 2.101 17.3 48.87 15.78

5 2.109 17.3 48.85 15.78

6 2.116 17.3 48.85 15.78

Total

Deviatia standard ’ 0.0062 0.0408 0.0299 0

Valoarea medie x 2.110 17.283 48.852 15.780

Asimetria -0.64 -2.45 -0.84 #DIV/0!

Confidenta @ 99.7% ( 3 ) 0.0076 0.0495 0.0363 #NUM!

Rezultatul 3x 2.11±.0076 17.283±.0495 48.852±.0363

Incertitudinile au fost calculate folosind funcțiile statistice Excel în conformitate cu standardul

ASHARE [10] și ASME [11]. Pentru caderea de presiune aceste nu au putut fi calculate,

rezultatele nepermițând acest calcul.

În primul rând să facem câteva observații cu privire la aceste date, urmând să calculăm o

incertitudine pentru fluxul termic pe aer:

Conform cu [10] estimarea incertitudinilor datelor experimentale este posibilă doar in cazul în

care distribuția măsurătorilor este normală, iar aceasta se poate măsura prin asimetria


Ed: 1 A: 1

Pg 19 din 20


(skewness) datelor, o valoare de 0.0 indicând o simetrie perfectă a datelor, pe când o valoare în

afara domeniului [-1,1] indică o asimetrie mare. Pentru temperatura de intrare această valoare

este foarte mare -2.45 ceea ce conform cu [10] indică un posibil instrument defect, sau o

problemă la masurarea acelei mărimi, părerea mea este că numărul de repetări este prea mic

și/sau măsurătoarea trebuie să aibă mai mulți digiti (numerele de după virgulă) pentru a se

ajunge la o astfel de concluzie. Aceeași problemă poate fi presupusă si pentru măsuratea

căderii de presiune.

Calcularea incertitudinii pentru fluxul termic pe aer, unde s-a luat o căldură specifică a aerului

1.004[ / . ]pc kJ kg K conform cu [10] ne dă:

· · 66.89 4.19[ ]pQ mc T kW @99.7%

Adică o incertitudine de 6.2% pentru o confidență de 99.7%


Ed: 1 A: 1

Pg 20 din 20


4 Bibliografie

[1] “How to accurately model a pressure drop through a long pipe in Simulation CFD,” Help Autodesk Simulation. [Online]. Available: http://help.autodesk.com/view/SCDSE/2014/ENU/?caas=/caas/knowledgebase/adsk/servlet/ps/dl/item-id-22727939-linkID-18154757-siteID-123112. [Accessed: 19-Feb-2014].

[2] “Turbulence Part 4 – Reviewing how well you have resolved the Boundary Layer,” Computational Fluid Dynamics (CFD) Blog - LEAP Australia & New Zealand. [Online]. Available: http://www.computationalfluiddynamics.com.au/tips-tricks-turbulence-part-4-reviewing-how-well-you-have-resolved-the-boundary-layer/. [Accessed: 27-Jan-2014].

[3] W. David C., Turbulence Modeling for CFD, 1st ed. Palm Drive: DCW Industries, Inc., 1994.

[4] S. O. J.S. Park, J.C. Han, Y. Huang, “Heat transfer performance comparisons of five different rectangular channels with parallel angled ribs,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 35, no. 11, pp. 2891–2903, 1992.

[5] W. Siddique, L. El-Gabry, I. V. Shevchuk, N. B. Hushmandi, and T. H. Fransson, “Flow structure, heat transfer and pressure drop in varying aspect ratio two-pass rectangular smooth channels,” Heat Mass Transf., vol. 48, no. 5, pp. 735–748, Oct. 2011.

[6] F. Amir, Z. Yuwen, and H. John, Advanced Heat and Mass Transfer. Global Digital Press, 2010.

[7] C.-C. Wang, R. L. Webb, and K.-Y. Chi, “Data reduction for air-side performance of fin-and-tube heat exchangers,” Exp. Therm. Fluid Sci., vol. 21, no. 4, pp. 218–226, May 2000.

[8] J. Dong, L. Su, Q. Chen, and W. Xu, “Experimental study on thermal–hydraulic performance of a wavy fin-and-flat tube aluminum heat exchanger,” Appl. Therm. Eng., vol. 51, no. 1–2, pp. 32–39, Mar. 2013.

[9] “CoolProp 4.1.2 documentation.” [Online]. Available: http://coolprop.sourceforge.net/contents.html. [Accessed: 21-Feb-2014].

[10] M. A. Mueller, G. R. Schade, S. A. Hooks, R. L. Beck, G. F. Clyde, T. W. Dekleva, and D. Int-hout, “ASHARE standard Engineering Analysis of Experimental Data,” 2004.

[11] R. B. (ASME) Abernethy, R. P. (Westinghouse E. C. Benedict, and R. B. (University of R. I. Dowell, “ASME MEASUREMENT UNCERTAINTY,” J. Fluids Eng. ASME.

RAPORT DE LABORATOR LABORATORY TEST REPORT

COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

1 of 7

NR. 04 DATA: 14.01.2015 ANALIZE METALOGRAFICE

(METALLOGRAPHICAL ANALYSIS)

ANALIZE CHIMICE

(CHEMICAL ANALYSIS)

TESTE CURATENIE INTERIOARA (INTERIOR CLEANING TESTS)

ALTELE (OTHER)

1. SCOPUL TESTARII/TESTING PURPOSE: Determining the interior and exterior cleanliness degree for a oil plate cooler;

2. DATE DE REFERINTA/REFERENCE DATA: - Client: Continental; - The total contamination degree is determined using gravimetric method; - The cleanliness acceptance criteria must be according to TST N002 02.21 001:

Size Class Contamination Level Particle Size Particle Amount E 10 50-100 µm 1000 F 9 100-150 µm 500 G 7 150-200 µm 130 H 4 200-400 µm 16 I 3 400-600 µm 8 thereof 0 for metallic

J-K 0 > 600 µm 0 - the total amount of contaminations may, based on 1000cm2 reference component surface, not

exceed 3.5 mg; - The fluid used for verifying the interior and exterior cleanliness degree of the product is technical ethylic alcohol (interior fluid quantity about 20 ml, exterior fluid quantity about 90 ml) ; - Filter paper: porosity 5-8 µm; - Interior surface: 308 cm2 - Exterior surface: 673 cm2

3. MOD DE LUCRU/WORKING CONDITIONS 1. Fluid collecting:

A Interior cleaning - the optimum quantity of alcohol is being inserted into the product - approximately 40% of the total

internal volume - in order to test the interior cleanliness degree, then the fluid obtained in this way is further analyzed as described below;

B Exterior cleaning Technical alcohol used for the extraction of the contaminants is sprayed on the outside of the product

with a spraying device (pressure about 2 bars, nozzle size about 0.8 mm) . The obtained liquid is collected into a vessel connected to the filtration system (to avoid liquid contamination from transfusion phase). 2. Laboratory analysis:

- The filtration is realized according to the IL-PROD-CURATENIE INT.-MET. GRAVIM.- LAB instruction, using the vacuum pump filtration system;


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

2 of 7

- The extraction of the contaminants is done by agitation for interior cleaning and by spraying for exterior cleaning, and it is considered done when the last sample produces a result ≤0.10 of the whole samples Sn≤ 0,10×∑Si

- The filter paper is dried using an oven and cooled in the desiccator, and then weighted in order to determine the total contaminants mass [mg];

- The filter paper is inspected using the microscope, in order to determine the maximum dimensions of the contaminates; the result is expressed in micrometers [µm];

4. REZULTATE/RESULTS Following the laboratory analysis, the extraction curve was performed for both exterior and interior

surfaces of the product. After inspecting the filter paper according to ISO 16232-Ac, the contaminants are: iron oxides, fibers,

dust, and the biggest particle metallic, non-metallic and fiber are described below in Appendix.

5. CONCLUZII/CONCLUSIONS After performing the interior and exterior cleanliness test for Continental product we can say that the

cooler is according to the client requirements regarding the interior and exterior cleanliness degree.

6. ACTIUNI CORECTIVE / CORECTIVE ACCTIONS:

- Discussion between parts regarding exterior cleaning parameters (pressure, nozzles, e.t.c)

7.ANEXE/ANNEXE:

Interior cleaning: Extraction curve

12

3

1081

825

22

0

200

400

600

800

1000

1200

Particle count

Extraction samples, i


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

3 of 7

* The particles number is expressed considering the interior surface 308 cm2 After inspecting the filter paper: - the 4 biggest particles metallic and non-metallic with pictures and description if metallic or nonmetallic are:

Picture #1, 50x Picture #2, 50x

Picture #3, 50x Picture #4, 50x

Sample No Particles No /308 cm2 Mass [mg]

1 1081 2.4

2 825 1.8

3 22 0.2

Size class

Particle size

S 1 Total

particles

S1 Non‐

metallic particles

S 2 Total

particles

S1 Non‐

metallic particles

S 3 Total

particles

S1 Non‐

metallic particles

B 5‐15 630 630 434 434 16 16

C 15‐25 174 174 162 162 5 5

D 25‐50 157 157 143 143 1 1

E 50‐100 72 58 63 47 0 0

F 100‐150 26 18 13 9 0 0

G 150‐200 7 6 3 1 0 0

H 200‐400 11 8 7 3 0 0

I 400‐600 4 4 0 0 0 0

J 1000 0 0 0 0 0 0


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

4 of 7

- Pictures of 3 bigest fibers:

Picture #5, 50x Picture #6, 50x Picture #7, 50x

Picture no. Dimension Metallic Nonmetallic Fiber

#1 314,79 #2 307.09 #3 295,41 #4 169,86 #5 534,64 #6 339,35 #7 264,15


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

5 of 7

Exterior cleaning: Extraction curve

* The particles number is expressed considering the exterior surface 673 cm2

Sample No Particles No Mass [mg]

1 4109 3.1

2 2543 2.9

3 603 1.6

Size class

Particle Size

S 1 Total

particles

S1 Non‐

metallic particles

S 2 Total

particles

S2 Non‐

metallic particles

S 3 Total

particles

S3 Non‐

metallic particles

B 5‐15 1594 1594 994 994 274 274

C 15‐25 936 936 712 712 195 195

D 25‐50 731 731 502 502 94 94

E 50‐100 537 390 216 180 33 27

F 100‐150 233 78 83 61 7 5

G 150‐200 59 12 25 8 0 0

H 200‐400 14 8 10 3 0 0

I 400‐600 5 5 1 1 0 0

J 600‐1000 0 0 0 0 0 0


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

6 of 7

After inspecting the filter paper: - the 4 biggest particles metallic and non-metallic with pictures and description if metallic or nonmetallic are:

Picture #1, 50x Picture #2, 50x Picture #3, 50x Picture #4, 50x - Pictures of 3 bigest fibers:

Picture #5, 50x Picture #6, 50x Picture #7, 50x


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

7 of 7

Picture no. Dimension Metallic Nonmetallic Fiber

#1 398,46 #2 389,10 #3 362,31 #4 348,38 #5 564,96 #6 507,85 #7 488,90

VERIFICAT/VERIFIED: INTOCMIT/ELABORATED BY: ENG. CORNELIA COCIAN ENG. ROMANCIUC LUMINITA


COD: F - RAP LAB Ed:1

Pag. 1 of 5

NR. 25DATA: 03.03.2015 ANALIZE METALOGRAFICE

(METALLOGRAPHICAL ANALYSIS

ANALIZE CHIMICE

(CHEMICAL ANALYSIS)

TESTE CURATENIE INTERIOARA(INTERIOR CLEANING TESTS)

ALTELE(OTHER) x

1. SCOPUL TESTARII/TESTING PURPOSE: Determining the root cause of water cooler failure. 2. DATE DE REFERINTA/REFERENCE DATA: -Customer: HAUGG -RAAL part no.: RA-28640-0 Because the water cooler failure places were similar for all claimed products we decided to analyze one . which may be representative. - Analyzed serial no. : 13-11-13 (Picture#1). 3. MOD DE LUCRU/WORKING CONDITIONS 1. Leak test was performed for all water coolers at pressure of 1.5 bars with nitrogen, under water at 40-50 oC in order to put in evidence the leaking area(Picture#2) 2. Visual inspection: - general aspect of the claimed heat exchangers (Picture#3) -we cut a sample from the product which contain the leaking area (Picture#4) in order to do further investigations. - the affected areas were inspected using magnifying devices and after that we removed the paint in order to put in evidence the leaking areas (crack)(Picture#5). 3. Metallographic analysis: - samples were taken from products close to the affected areas, embedded in resin, grinded and polished followed by chemical attack in order to analyze the crack and the quality of the brazed joints(Picture#6,#7) 4. REZULTATE/RESULTS 1. During leak test the we noticed that the leakage occurred for all claimed products close to the join area between external tubes and the manifold.(Picture #2) 2. Visual analyze - general aspect of heat exchangers showed some clogged areas of the air circuit with mud(dirt) which may affect the heat transfer from wather circuit to air circuit(Picture#3) - the inspected sample after the paint was removed , we noticed that the leakage occured trough multiple cracks which apeared on tubes.(Picture#4). 3.Metallographic analyze of the affected area made possible put in evidence the crack . Brazed joints have a proper shape and size meaning that the brazing conditions were optimal. .(Picture #5#6)



Pag. 2 of 5

5. CONCLUZII/CONCLUSIONS The leakage occurred trough a crack in tubes(Picture#5#6). The position of the crack occurrence on all claimed products lead us to the conclusion that the cause is the same in all cases, material fatigue which may be caused by vibrations during working hours and a rigid fitting on chassis. 6. ACTIUNI CORECTIVE/CORRECTIVE ACTIONS Regarding the cleanliness of the heat exchanger our recomandation is periodical cleaning in order to avoid the clogging of air circuit . 7. ANEXE/ANNEXE:

Picture#1

Picture#2(Leak test)

Leaking areas



Pag. 3 of 5

Picture#3

Picture#4(sampling for analyze)

Clogged air circuit



Pag. 4 of 5

Picture#5(visual inspection )

Picture#6

Cracks



Pag. 5 of 5

Picture#7(Proper brazed joint)

VERIFICAT/VERIFIED: INTOCMIT/ELABORATED BY:ENG. CORNELIA COCIAN ENG. ZAGREAN ANTON


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

1 of 5

NR.34 DATA:23.03.2015 ANALIZE METALOGRAFICE


ANALIZE CHIMICE

(CHEMICAL ANALYSIS)


ALTELE (OTHER) x

1. SCOPUL TESTARII/TESTING PURPOSE: Determining the root cause of oil cooler failure.

2. DATE DE REFERINTA/REFERENCE DATA: -Customer: John Deere -RAAL part no. SRU 22828 (AL211834 C)(Picture#1); Serial no.: 260-12-12; - Functioning hours till failure: 1141 h

3. MOD DE LUCRU/WORKING CONDITIONS 1. Leak test was performed at pressure of 2 bar with nitrogen, under water at 40-50 oC in order to put in evidence the leaking area(Picture#2) 2. Visual inspection: - we cut a sample from the product which contain the leaking area (Picture#3) in order to do further investigations. - the affected area was inspected using magnifying devices in order to put in evidence the leaking area (crack)(Picture#4,#5). - the affected oil chanel was opened in order to analyze the contact between oil fins and semicassetes surfaces(Picture#6) 3. Metallographic analysis: - sample was taken from product from the affected area, embedded in resin, grinded and polished followed by chemical attack in order to analyze the crack and the quality of the brazed joints(Picture #7)

4. REZULTATE/RESULTS 1. During leak test we could identify where the leakage occured , at 3rd oil chanel counting from inferior lateral plate (Picture#2) 2.Visual analyze - After cutting the heat exchanger we analyzed the affected area and we noticed that leackage occured trough a crack in semicassete (Picture #4,#5) - the oil chanel was opened and we noticed that the oil fin had poor or superficial contact with semicassete surface. The surface is silver gray showing no contamination (Picture#6). 3.Metallographic analyze of the affected area made possible to put in evidence the crack . We also could notice that the brazed joint between semicassetes is continuous without porosities meaning that the brazing process parameters were optimal.(Picture#7)


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

2 of 5

5. CONCLUZII/CONCLUSIONS We conclude that the main reason that led to the failure occurrence for the analyzed oil cooler was

the fact that the semicassetes were cracked. On the analyzed product the crack appeared because inside the oil channel, the oil fins were not

brazed on small areas (see Pictures #6). The result was that the corresponding oil channel was weakened and due to the specific dynamic stress while functioning, the semicassetes were fissured (see Picture #4,#5); This fault was caused because of improper tightening which led to poor(superficial) contact between the oil fins and the semicasettes(Picture #6). When this situation appears it results in locally unbrazed or superficially brazed oil fins. This phenomenon might happen even if the brazing temperature is proper and even if the fluxing process ensured the presence of sufficient flux inside the core, fact confirmed by the surface’s aspect (see Picture #6)(see metallographyc analyze Picture#7)

6. ACTIUNI CORECTIVE/CORRECTIVE ACTIONS Regarding brazing fixtures which might be the cause of poor contact, an corrective action was allready implemented.

7. ANEXE/ANNEXE:

Picture#1


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

3 of 5

Picture#2(Leak test)

Picture#3(general aspect and sampling)

Leaking area


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

4 of 5

Picture#4

Picture#5(Crack)

Crack


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

5 of 5

Picture#6(superficial contact)

Picture#7

VERIFICAT/VERIFIED: INTOCMIT/ELABORATED BY: ENG. CORNELIA COCIAN ENG. ZAGREAN ANTON

Crack

Proper brazed joint


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Page 1 of 5



ANALIZE CHIMICE

(CHEMICAL ANALYSIS)

TESTE CURATENIE

INTERIOARA (INTERIOR CLEANING TESTS)

ALTELE (OTHER)

1. SCOPUL TESTARII/TESTING PURPOSE: S-au studiat imbinarile brazate in vederea certificarii performantelor pentru brazorul identificat B1 conform normelor SR EN 13133:2002, SR EN ISO 18279:2003, etc.

2. DATE DE REFRINTA/REFERENCE DATA: Probele efectuate corespund brazorului identificat B1. Materialele folosite in cazul acestei testari au fost: BPS 15/20 – vezi Poza #1 (1) Banda cu g=0.25 mm, 3003 modificat (3555) : vezi desen BPS 15/20 din anexa; (2) Tabla cu g=0.6 mm, EN AW-3003/2x10% EN AW-4045, vezi desen BPS 15/20 din anexa ; BPS 16/22 – vezi Poza #4 (1) Tabla cu g=3mm, EN AW-3003 : vezi desen BPS 16/22 din anexa; (2) Tabla cu g=0.6 mm, EN AW-3003/2x10% EN AW-4045, vezi desen BPS 16/22 din anexa;

3. MOD DE LUCRU/WORKING CONDITIONS: - S-au efectuat probe de brazare in conformitate cu cerintele normelor care se aplica: a) partile componente ale probelor s-au debitat in cadrul atelierelor debitare din cadrul RAAL, conform cerintelor desenelor de imbinare atasate; b) partile componente ale probelor s-au curatat in baile de curatare chimica aferente Sectiei de Productie H4 conform IL-PROD CURATARE 4-PB; c) piesele componente ale probelor s-au prefluxat conform IL-PROD-PREFLUXARE-USCARE REPERE-A si s-au brazat conform recomandarilor din IL-PROD-BRAZ.SELLACAN VERT. CONTINUU PB si IL-PROD-BRAZ RPUA-A; - Imbinarile brazate si suprafetele exterioare ale probelor s-au inspectat vizual cu ajutorul instrumentelor de marire, conform normelor: SR EN ISO 18279:2003, DIN EN 12799:2002/a1:2004; - Imbinarile brazate s-au testat cu lichide penetrante conform SR EN 571-1:1999 ; - Probele brazate s-au supus testului de indoire conform normelor SR EN 12797:2002/A1:2004, SR EN ISO 7438:2005, SR EN ISO 5173:2010; - S-au prelevat si prelucrat sectiuni din fiecare proba in vederea analizei macro si microscopice conform IL-PROD-AN. METALOGR, SR EN ISO 18279:2003, SR EN 12797:2002/A1:2004 ;

4. REZULTATE/RESULTS : - Concluziile obtinute in urma inspectiei vizuale sunt redate in documentele ˝RAPORT DE INSPECTIE VIZUALA˝ atasate ; - Concluziile obtinute in urma testului cu lichide penetrante sunt redate in documentele ˝RAPORT DE EXAMINARE CU LICHIDE PENETRANTE nr. 54/17.03.15 si 55/17.03.15˝ atasate; - Concluziile obtinute in urma testului de indoire sunt redate in documentele ˝RAPORT DE TESTARE – INDOIRE nr. 317/31.03.15 si 318/31.03.15˝ atasate; - In urma analizei metalografice s-au observat urmatoarele :


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Page 2 of 5

a)In urma studiului macro se observa o imbinare tipica realizata corespunzator : - Filetul format are dimensiunile potrivite, fara rest de material de aport pe materialul de baza, fapt care

indica o topire si curgere completa a acestuia in imbinare (vezi Pozele #2 si #5); - Nu se constata porozitati excesive, fisuri, lipsa de topire sau de patrundere (vezi Pozele #2 si #5) ; - Se observa ca limitele de grosime a partilor de imbinat s-au pastrat intacte, sugerand folosirea unui regim

termic corespunzator in timpul brazarii, neevidentiindu-se eroziunea (vezi Pozele #2 si #5) ; b)In urma studiului micro se observa o microstructura tipica Al-Si dupa recristalizare si solidificare :

- Si este prezent avand o structura caracteristica similara cu o retea de ace de culoare inchisa (vezi Pozele #3 si #6) ;

- Se observa si dendritele primare de aluminiu, avand o culoare deschisa, fiind inconjurate de o retea de Al-Si eutectic (vezi Pozele #3 si #6) ;

Interpretarea rezultatelor conform EN ISO 18279 este redata in tabelul de mai jos : Nivel de acceptabilitate Codul defectului

Minim (D) Mediu © Superior (B)

FISURI

1AAAA 1AAAB 1AAAC 1AAAD 1AAAE

- - -

CAVITATI 2BAAA -

- -

BGGA 2BGMA 2BGHA

- - -sunt prezente porozitati de dimensiuni reduse, de tipul 2BGMA – locale, cu mult sub valoarea admisa pentru acest defect ;

2LIAA - - - 2BALF - - - 2MGAF - - - INCLUZIUNI DE PARTICULE SOLIDE 3AAAA 3DAAA 3FAAA 3CAAA

- - -

DEFECTE DE IMBINARE 4BAAA - - - 4JAAA - - - 4CAAA - - - ABATERI DE FORMA 6BAAA - - - 5AAAA - - - 5EIAA - - - 5EJAA - - - 5BAAA - - - 5FABA - - - 7NABD - - - 7OABP - - - 6GAAA - - - 5HAAA - - - ALTE DEFECTE/NEREGULI 7AAA - - - 4VAAA - - - 7CAAA - - - 7SAAA - - - 7UAAC - - - 9FAAA - - - 7QAAA - - - 9KAAA - - -


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Page 3 of 5

5. CONCLUZII/CONCLUSIONS: In urma analizelor efectuate se poate concluziona ca imbinarile studiate au fost corespunzatoare atat din

punct de vedere al aspectului cat si din punct de vedere al structurii. Conform normei SR EN ISO 18279:2003 imbinarea studiata are un nivel de acceptabilitate “B” superior; In urma testelor efectuate s-a concluzionat ca imbinarile brazate obtinute sunt in conformitate cu cerintele

normelor SR EN 13133:2002, SR EN ISO 18279:2003, iar brazorul identificat cu B1 se considera calificat pentru realizarea imbinarilor descrise in BPS-urile corespunzatoare.

6. ACTIUNI CORECTIVE/CORRECTIVE ACTIONS

7. ANEXE/APPENDIX:

BPS 15/20

Poza #1


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Page 4 of 5

Poza #2 Poza #3

BPS 16/22

Poza #4


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Page 5 of 5

Poza #5 Poza #6

VERIFICAT/VERIFIED: INTOCMIT/ELABORATED BY: ENG. CORNELIA COCIAN ENG. NICOLETA PETRI


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

1 of 8



ANALIZE CHIMICE

(CHEMICAL ANALYSIS)


ALTELE (OTHER) x

1. SCOPUL TESTARII/TESTING PURPOSE:

Testing the corrosion resistance degree for a Teflon coated aluminum heat exchanger .

2. DATE DE REFERINTA/REFERENCE DATA: - Tested product: Teflon coated condenser CDP 22037 (see Picture #1) –the product was tefloned in Hungary(Budapest) - Dimensions : 470 x352x43 mm - Testing equipment : Salt spray equipment SF AB 450; - Test type: Corrosion test in artificial atmosphere – Salt spray test. - Reference standard : Artificial atmosphere corrosion test according to ASTM G85, Annex 3 (SWAAT Test) .

3. MOD DE LUCRU/WORKING CONDITIONS 3.1. Salt spray testing. Visual and functional inspection 3.1.1 Testing conditions according to ASTM G 85 - The product was placed inside the salt spray chamber, using the available racks, see Picture #2; - The saline solution: it was prepared according to the standard requirements (pct. 6.2) - 42 grams of synthetic salt/1 liter of solution, with the addition of 10 ml glacial acetic acid per 1 liter of solution ; - Solution pH = 2.8 -3.0 - Temperature during testing: 35 ºC for the spaying sequence and 49 ºC for humidity sequence ; - The test was performed using repeated cycles – 30 minutes salt spray, respectively 90 minutes humidity; 3.1.2 Monitorized and controlled parameters (Note): all the parameters were controlled and corrected (if necessary) once in the beginning of the working day a) The saline solution concentration was monitorized during the test by measuring the solution relative density; b) During the exposure time, the solution pH was permanently monitored and adjusted in order to maintain it with in the requested limits; c) Temperature from the salt spray cabinet; d) The average collecting speed of salt solution; 3.2. Functional test - Leakage test was performed at the beginning of the test, during the exposure time – once at 4-5 days interval and at the end of the test with nitrogen at 30 bar. 3.3 Results evaluation Results evaluation was done considering the following criteria a) aspect after the test finalization;


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

2 of 8

b) defects (points, cracks, paint film defects); c) leakage test results; 3.4. Metallographic inspection - In order to analyze the corrosion degree, corrosion type after exposure time samples were taken; - The samples were specially prepared for metallographic analysis (resin embedment, grinding, polishing and etching).

4. REZULTATE/RESULTS 4.1 Monitorized and controlled parameters a)The saline solution concentration was monitorized during the test by measuring the solution relative density and it’s value was 1.04) b) During the exposure time, the solution pH was permanently monitored and adjusted in order to maintain it between the requested limits – the measured values were between 2.81 and 3.05) c) Temperature from the salt spray cabinet – the measured values were 32-35ºC d) The average collecting speed of salt solution during the test was between 1 and 2 ml/hour) 4.2. Functional test The product was leakage free in the beginning, during and at the end of the test 4.3Results evaluation

Exposure time (h)

Aspect Leakage test

260

- slight salt deposits on fins, isolated areas from lateral wall towards pipe; - Teflon coat change its color -dark gray;

Picture #3.

Leakage free Picture #4.

594

- small air bubbles initiates where Teflon changed its color on the inferior and superior lateral wall;

Picture #5.


1000

- massive salt deposits on fins ; - corrosion signs spreads on the lateral wall surface;

Picture #7.


1403

- massive salts deposits on fins; Exfoliation initiates where air bubbles appeared;

Picture #9.

Leakage free Picture #10


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

3 of 8

4.4 Metallographic inspection results - Corrosion appears on the entire surface of the air fins, in the joints between air fins and tube. The air fins were acting as sacrificial anodes, and the corrosion attack being preferentially redirected on these areas less critically of the heat exchanger, - Corrosion is generalized on the air fins , see Pictures #11 and #12; - The tube presented no signs of corrosion, the joints between tube and manifold are according characteristic to the solidified Al-Si materials;, see Picture #13.

5. CONCLUZII/ CONCLUSIONS: After 1403 h of exposure to corrosion environment according to ASTM G85 Annex 3 when the test

was stopped the teflonated product shows no leakage. We could notice that even after 1000 h exposure time, the product presents corrosion signs just on some areas and the Teflon film has a good aspect.

After metallographic inspection we observed that the air fins are acting as sacrificial anodes , protecting the tube from corrosion. In conclusion, the teflonated product ( to our collaborators) behaved very well, Teflon coating offering a better corrosion resistance to salty environment.

6. ANEXE/ANNEXE:

Picture #1. Initial aspect


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

4 of 8

Picture #2.Chamber positioning

Picture #3. After 260 h exposure


COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

5 of 8

Picture 4. Leakage test after 260 h exposure



COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

6 of 8

Picture #6. Leakage test after 594 h exposure




COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

7 of 8



COD: F - RAP LAB

Ed:1 Pag.

8 of 8


Picture #11. X25. Tube - air fin joint Picture #12. x80. Tube - air fin joint

Picture #13.x100. Tube- Manifold joint

VERIFICAT/VERIFIED: INTOCMIT/ELABORATED BY: ENG. CORNELIA COCIAN ENG. ROMANCIUC LUMINITA

Raport Stiintific etapa 4.pdf

Documents

Transcript of Raport Stiintific etapa 4.pdf