Development of diffusion bonding processes for metal alloys to use production of pche
Baskılı devre ısı değiştirici üretimi için metal alaşımlarının difüzyon bağlama süreçlerinin geliştirilmesi
- Tez No: 819591
- Danışmanlar: PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Süperkritik CO2, sCO2, Difüzyon, Difüzyon Bağlama, PCHE, Isı Değiştirici, Difüzyon Bağlama Mekanizması, 316L, Çekme Testleri, Mikroyapı, SEM, EDS, Supercritical CO2, sCO2, Diffusion, Diffusion Bonding, PCHE, Heat Exchanger, Diffusion Bonding Mechanism, 316L, Tensile Tests, Microstructure, SEM, EDS
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 131
Özet
Karbondioksitin kritik nokta yani kritik basınç ve kritik sıcaklık üzerindeki faz durumuna süper kritik CO2 (sCO2) denir. sCO2'nin kritik noktadaki yoğunluğu, sıvıların kritik noktadaki yoğunluğundan fazla olması sebebi ile kompresördeki pompalama gücünün büyük ölçüde azaltılmasına olanak sağlamakta, dolayısıyla termal-elektrik enerji dönüşümü verimliliğini arttırmaktadır. sCO2 çevrimi yüksek güç yoğunluğu sağlaması, yüksek verimliliğe sahip olması, kompakt ve modüler yapıda olması gibi sebeplerden ötürü atık ısı geri kazanım sistemlerinde, havadan bağımsız tahrik sistemlerinde çok büyük potansiyele sahiptir. sCO2 çevriminde bir ısı eşanjörünün kullanılabilmesi için yüksek basınca ve sıcaklığa dayanıklı kompakt bir eşanjör geliştirilmelidir. Bu gereksinimleri karşılayacak bir ısı değiştirici geliştirmek için karmaşık geometrilerde uygulanabilen, baz malzeme kadar mukavemet sağlayan, korozyon direnci yüksek kaynak metodu olan difüzyon bağlama işlemi öne çıkmaktadır. sCO2'nin yüksek basınç ve yüksek sıcaklık gereksinimlerini karşılayabilen ısı değiştiriciler baskılı devre ısı değiştiriciler (PCHE) tipi ısı değiştiriciler olduğundan dolayı, baskılı devre ısı değiştiricilerin üretiminde, tez kapsamında geliştirilen difüzyon bağlama metodu kullanılmıştır. Isı değiştiriciler iki akışkanın ısı enerjilerinin sıcaklığı yüksek akışkandan sıcaklığı düşük akışkana geçmesini sağlayan ekipmanlardır. Bazı kullanım alanlarında ısı değiştirici tasarımlarının kompakt olması, yüksek basınca ve yüksek sıcaklığa dayanıklı olması büyük önem arz etmektedir. Baskılı devre ısı değiştiriciler (Printed Circuit Heax Exchanger-PCHE) bu şartları sağlayan ısı değiştirici çeşitlerinden biri olması nedeniyle ön plana çıkmaktadır. Bu tip ısı değiştiricilerin kompakt olması, yüksek basınca ve sıcaklığa dayanıklı olması, ısı değiştiricinin üretim yöntemiyle doğrudan alakalıdır. Difüzyon bağlama bu tezin konusu olan mikro kanallı ısı değiştirici üretiminde hassas kaynaklama işlemi gerekliliğinden kullanılmıştır. Ayrıca, difüzyon bağlamanın olduğu bölgedeki kaynağın mukavameti, bazı durumlarda baz malzeme kadar olmaktadır Bu sebeplerden ötürü, difüzyon bağlama metodunun geliştirilmesi ve baskılı devre ısı değiştirici (PCHE) üretiminde difüzyon bağlama methodunun kullanılması, teknik isterlere uygun ısı değiştiricinin geliştirilmesinde kritik rol oynamaktadır. Baskılı devre ısı değişticilerde mikro kanallı plakalar üst üste yerleştirilerek, kanaldaki ters akışla akışkanlar arasındaki ısı transferi sağlanmış olur. Yüksek basınç ve sıcaklığa dayanabilmesi için iki plaka birbirine kaynatıldığında, kaynak bölgesinin mukavemetinin baz malzemeyle ya aynı ya da yakın mukavemetli olması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Geleneksel kaynak yöntemleri (eritme kaynağı, lehim vb.) difüzyon bağlama kaynağı kadar mukavemet sağlayamamasının yanı sıra, geleneksel kaynak yöntemlerinde kullanılabilecek malzeme çiftleri limitlidir. Her malzeme birbiriyle kaynak yapılamamaktadır. Difüzyon bağlama metodunda malzeme seçim olanağı daha geniştir. Temelde bunun gibi avantajlarından ötürü, ısı değiştirici üretiminde kritik rol oynayan difüzyon bağlama prosesi bu tez kapsamında geliştirilmiştir. Difüzyon bağlama prosesisinin temeli difüzyon mekanizmasıyla açıklanmaktadır. Difüzyon prosesinde temel parametreler olan, konsantrasyon ve konsantrasyon değişimleri Fick kanunları ile ortaya konmuştur. Difüzyon bağlamada kullanılacak malzemeler arasında atomik ölçekte difüzyon gerçekleşmektedir. Difüzyon bağlama mekanizması bu bağlamda incelenmiştir. Difüzyon bağlamaya etki eden parametreler şunlardır: sıcaklık, basınç, zaman, yüzey kalitesi ve difüzyon bağlamanın gerçekleştiği atmosferdir. Tez çalışmasında optimize edilen parametreler sıcaklık, basınç ve zamandır. Yüzey kalitesi ve atmosfer her numunede sabit tutulmuştur. Yüksek sıcaklığa dayanıklılığı, yüksek basınca dayanıklılığı yani yüksek mukavetli olması, ucuz ve rahat bulunabilirliği, difüzyon bağlama prosesi için uygunluğu gibi nedenlerden ötürü 316L paslanmaz çelik malzemesi, ısı değiştirici tasarımında kullanılmak üzere seçilmiştir. Bu sebeple difüzyon bağlama prosesinde 316L paslanmaz çelik kullanılmıştır. 316L paslanmaz çelik malzemesinin özellikleri tez kapsamında açıklanmıştır. 316L-316L malzeme çiftinin difüzyon bağlamasının yanı sıra ara malzeme olarak nikel kullanılan numuneler de incelenmiştir. İlgili numunelerinin test matrisleri hazırlanıp, numune optimizasyonu yapılmıştır. Optimizasyon parametreleri olarak sıcaklık, basınç ve süre kullanılmıştır. 316L-316L ve 316L-Ni-316L numuneleri de bu optimizasyon parametreleri kullanılarak tahribatlı ve tahribatsız muayenelerle test edilmiştir ve test sonuçlarının karşılaştırılması da yapılmıştır. Çekme testi ve mikrosertlik testi tahribatlı muayene kapsamında hazırlanan numunelerin testleri olarak yapılmıştır. Optik mikroyapı incelemeleri, SEM ve EDS incelemeleri de tahribatsız muayene kapsamında yapılmıştır. Hazırlanan numuneler incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Literatür araştırması sonucunda bütün numuneler 8.5 MPa basınç altında ve Argon atmosferinde hazırlanmıştır. Çalışmada öncelikle sıcaklık optimizasyonu yapılmıştır. 950°C ve 1050°C'de hazırlanan numuneler 60 dakika süre ile sabitlenerek karşılaştırma yapılmıştır. Sıcaklık optimizasyonun sonucunda, 950°C ve 60 dakikada hazırlanan numunelerin çekme testlerinde başarısız olduğu görülmüştür. İkinci optimizasyon safhasında ise sıcaklık 1050°C'de sabit tutularak 120 ve 180 dakika sürelerde optimizasyon yapılmıştır ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Çekme testlerinde görülmüştür, 1050°C'de, 180 dakika süre ile, 8.5 MPa basınç ve argon atmosferi altında üretilen 316L-Ni-316L difüzyon bağlama numunesi en iyi sonucu vermiştir. Çekme testinde maksimum çekme gerilmesi 407 MPa, olarak ölçülmüştür. Difüzyon bağlama prosesi geliştirme çalışmaları sonucunda çekme testleri sonucunda en iyi sonucu veren numune parametreleri kullanılarak baskılı devre ısı değiştirici (PCHE) üretimi yapılmıştır. Isı değiştirici 80 bar, 453°C'de kurulan test bremzesinde test edilmiştir. Parametreler ölçülmüştür. Performans olarak teknik gereklilikleri sağladığı görülmüştür. Ayrıca, ısı değiştiricinin hidrostatik testi akışkan olarak su kullanularak oda sıcaklığında 200 barda, sızıntı testi ise ısı değiştirici içerisine hava basılarak, dış tarafına da özel bir solüsyonla köpürtülerek yine oda sıcaklığında 10 bar basınç altında gerçekleştirilmiştir. Isı değiştirici bu testlerden de başarılıyla geçmiştir. Böylelikle tasarlanan baskılı devre ısı değiştirici (PCHE) için geliştirilen difüzyon bağlama prosesi başarıyla gerçekleştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
The phase state of carbon dioxide above the critical pressure and critical temperature is called supercritical CO2 (sCO2). Since the density of sCO2 at the critical point is higher than the density of the liquids at the critical point, it allows the pumping power in the compressor to be greatly reduced, thus increasing the efficiency of thermalelectrical energy conversion. The sCO2 cycle has great potential in waste heat recovery systems, air-independent propulsion systems, due to its high power density, high efficiency, compact and modular structure. In order to use a heat exchanger in the sCO2 cycle, a compact heat exchanger resistant to high pressure and temperature should be developed. In order to develop a heat exchanger that will meet these requirements, the diffusion bonding process, which can be applied in complex geometries, provides strength as much as the base material, and has high corrosion resistance, comes to the fore. Since the heat exchangers that can meet the high pressure and high temperature requirements of sCO2 are printed circuit heat exchangers (PCHE) type heat exchangers, the diffusion coupling method developed within the scope of the thesis has been used in the production of printed circuit heat exchangers. Heat exchangers are equipment that allow the heat energies of two fluids to pass from a high temperature fluid to a low temperature fluid. In some areas of use, it is of great importance that the heat exchanger designs be compact and resistant to high pressure and high temperature. Printed circuit heat exchangers (Printed Circuit Heax Exchanger-PCHE) come to the fore because they are one of the types of heat exchangers that meet these conditions. The compactness, high pressure and temperature resistance of this type of heat exchanger is directly related to the production method of the heat exchanger. Diffusion bonding has been used in the production of micro-channel heat exchanger, which is the subject of this thesis, because of the precision welding process requirement. In addition, the strength of the weld in the region of diffusion bonding is in some cases as much as the base material. In printed circuit heat exchangers, micro-channel plates are placed on top of each other to ensure heat transfer between the fluids with counterflow in the channel. When two plates are welded together in order to withstand high pressure and temperature, the strength of the weld area must be either the same or close to the base material. In addition to the fact that traditional welding methods (melt welding, solder, etc.) cannot provide as much strength as diffusion bonding welding, the material pairs that can be used in traditional welding methods are limited. Not every material can be welded with each other. Material selection possibilities are wider in diffusion bonding method. The diffusion bonding process, which plays a critical role in the production of heat exchangers mainly due to such advantages, has been developed within the scope of this thesis. The basis of the diffusion bonding process is explained by the diffusion mechanism. Concentration and concentration changes, which are the basic parameters in the diffusion process, are revealed by Fick's laws. Diffusion takes place on an atomic scale between the materials to be used in diffusion bonding. The diffusion coupling mechanism has been studied in this context. The parameters affecting the diffusion bonding are: temperature, pressure, time, surface quality and atmosphere where diffusion bonding takes place. The parameters optimized in the thesis work are temperature, pressure and time. Surface quality and atmosphere were kept constant in each sample. 316L stainless steel material was chosen for use in heat exchanger design due to reasons such as resistance to high temperature, resistance to high pressure, that is, high strength, cheap and easy availability, and suitability for the diffusion bonding process. For this reason, 316L stainless steel is used in the diffusion bonding process. The properties of 316L stainless steel material are explained in the thesis. In addition to diffusion bonding of 316L-316L material pair, samples using nickel as intermediate material were also examined. The test matrices of the relevant samples were prepared and sample optimization was made. Temperature, pressure and time were used as optimization parameters. 316L-316L and 316L-Ni-316L samples were also tested with destructive and non-destructive examinations using these optimization parameters, and the test results were also compared. Tensile test and microhardness test were performed as tests of samples prepared within the scope of destructive testing. Optical microstructure examinations, SEM and EDS examinations were also carried out within the scope of non-destructive examination. The prepared samples were examined and evaluated. As a result of the literature search, all samples were prepared under 8.5 MPa pressure and in Argon atmosphere. In the study, first of all, temperature optimization was made. The samples prepared at 950°C and 1050°C were fixed for 60 minutes and compared. As a result of the temperature optimization, it was observed that the samples prepared at 950°C and 60 minutes failed the tensile tests. In the second optimization phase, the temperature was kept constant at 1050°C and the optimization was made for 120 and 180 minutes and the results were evaluated. It has been seen in tensile tests, 316L-Ni316L diffusion bonding sample produced at 1050°C for 180 minutes, under 8.5 MPa pressure and argon atmosphere gave the best results. In the tensile test, the maximum tensile stress was measured as 407 MPa. As a result of the development of the diffusion bonding process, a printed circuit heat exchanger (PCHE) was produced by using the sample parameters that gave the best results as a result of the tensile tests. The heat exchanger was tested in a test bench installed at 80 bar, 453°C. The parameters have been measured. It has been seen that it meets the technical requirements in terms of performance. In addition, the hydrostatic test of the heat exchanger was carried out at 200 bar at room temperature using water as a fluid, and the leak test was carried out under 10 bar pressure at room temperature by blowing air into the heat exchanger and foaming the outside with a special solution. The heat exchanger has successfully passed these tests as well. Thus, the diffusion bonding process developed for the designed printed circuit heat exchanger (PCHE) was successfully carried out.
Benzer Tezler
- Seramik birleştirme teknolojisi ve yapısal seramiklerin lehimlenmesi
Ceramic foining technology and brazing of structural ceramics
OSMAN AKKOCA
- Volgram ağır alaşımlarında başlangıç toz özelliklerinin sıvı gaz sinterlemesi yoluyla yoğunlaşma süreçlerine olan etkileri
Effects of initial powder characteristics on densificatıon processes via liquid-phase sintering in based heavy alloys
BURAK ÖZKAL
- Niyobyum borür katkılı Al5Si hibrit tozların ve kompozitlerin mekanik alaşımlama ve basınçsız sinterleme yöntemleriyle geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Developing and characterization of niobium boride reinforced Al5Si hybride powders and composites with mechanical alloying and pressureless sintering methods
EZGİ BURCU ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LÜTFİ ÖVEÇOĞLU
- Metal infiltre edilmiş mikro poroz karbon kompozitlerin aşınma ve sürtünme davranışının karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
GÜLTEKİN GÖLLER
Doktora
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN TEKİN
- Küresel grafitli dökme demirlerin borlanması ve özellikleri
The boriding of some ductile irons and their properties
UĞUR ŞEN
Doktora
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FEVZİ YILMAZ