测定管束式热交换器的强度的方法及其制造方法与流程

本发明涉及一种用于测定管束式热交换器的刚度或强度的方法，和一种用于测定管束式热交换器的状态例如强度或寿命的方法，以及用于制造所述热交换器的方法。

在管束式热交换器中，多个细管围绕芯管螺旋地卷绕成多层。管束式热交换器也称为螺旋缠绕式热交换器。它们通常用于处理流体，例如液体，并且必须经受大的温度和压力波动。

在制造、运输和运行期间，相应的管束式热交换器或其中使用的材料特别受到机械和热影响。例如，材料性质和厚度必须适应于相应的应用和需求情况。特别地，位于下方的相应芯管和/或相应线圈层上的多个盘管的重量在这里发挥作用。

已经发现，在相应的管束式热交换器的制造过程中，不能忽略内部机械应力。在已知的制造方法中，芯管和半盘绕盘管围绕束轴旋转。在这种情况下，包括芯管和盘绕在其周围的盘管的系统在支承点之间受到机械负载。这里，希望能够估计得到的管束式热交换器的强度变化。在过去，通过简单模型计算这些系统的强度或刚度，其中考虑了棒或等效圆柱体。

为了估计寿命、易维护性或其稳定性，也期望在运行期间预测相应的管束式热交换器的机械和热应力。为此，需要模拟方法，其除了机械应力之外还考虑热力学影响。在所有这些模拟中，特别希望可靠地测定管束系统的刚度。

因此，本发明的目的是提供改进模拟建模和测量的可能性，以理解管束式热交换器。

通过具有权利要求1的特征的方法实现所述目的。从属权利要求说明了可选的改进。

因此提出了一种用于测定管束式热交换器的刚度的方法。所考虑的管束式热交换器包括芯管和围绕所述芯管盘绕的盘管以形成管束，其中所述盘管以多个盘管层的方式以各自盘管层盘绕角度围绕芯管盘绕。实施以下步骤：

测定各盘管层的几何强度参数，其中所述几何强度参数包括盘管横截面积与单元横截面积(cellcross-sectionalarea)的面积比，其中所述单元横截面积是由盘管的轴向间距和盘管的外径产生的；

为了考虑各盘管层的盘管对于作用于盘管上的重力的取向，通过校正因子来校正所述面积比；以及

根据所校正的面积比和盘管材料的弹性模量测定相应盘管层的刚度。

在所提出的方法中，通过校正因子考虑盘管相对于重力的取向。在管束式热交换器的某些制造情况下，芯管沿着管束的轴向水平延伸。盘管有助于管束型热交换器的强度，特别是层状的。在过去为了简单起见假设的模型的情况下，盘管层被认为是简单的圆柱体，但是，由此忽略了盘管的螺旋盘绕的影响。现在提出根据层盘绕角度来建立校正因子。因此，实现了提高对刚度的估计或测定。

在某些操作情况下，管束的轴向方向垂直延伸，使得重力沿着芯管的向量作用。在这种配置中，也借助于校正因子考虑了重力对刚度的影响。

在实施方案中，选择正比于盘管层盘绕角度正弦的校正因子。特别是在芯管水平安装或束轴水平布置的情况下，被定义为盘管层盘绕角度正弦的校正因子导致对刚度有影响的盘管部分在重力引起的加速度上的投影。在这方面，校正因子确保考虑了倾斜盘管上的重力的矢量分量。刚度特别是弯曲刚度，其取决于各自的盘管材料的弹性模量。合适材料的实例是铝和不锈钢。然而，其它材料也是可能的。

在这方面，所述方法包括一个步骤：通过使用由盘管材料制成的等效管的强度模型计算管束的盘管层的弯曲刚度，其中所述等效管对应于盘管层，并且等效管使用盘管横截面积与单元横截面积的面积比进行加权，其中取决于盘绕角度的校正因子减少了弯曲刚度。

在实施方案中，为了测定各自盘管层的刚度，盘管层被建模为由盘管材料制成的圆柱体。此外，面积比和校正因子的测定导致实现真实的建模。也就是说，特别是在管束式热交换器的制造过程中，可以以这种方式建立支撑和旋转情形，使得材料上不产生过量的应力并且可以稳定地制造热交换器。

在实施方案中，所述方法还包括测定在管束轴向方向上的管束的刚度。这里，测定弯曲刚度，借此可以估计沿着管束的轴向得到的曲率。进而，可以得出应力分析。

在实施方案中，所述方法包括至少一个以下步骤：

测定芯管的刚度；以及

根据盘管层的盘绕的盘管的质量和盘管层测定的刚度来测定作用于芯管上的应力。

可以说，可以实现包括芯管和盘管层的管束式热交换器系统的应力分析，其中可靠地考虑了管束上的负载。在实施方案中，借助于有限元法进行管束的应力分析。在这种情况下，芯管、管束和/或管束式热交换器在两个支承点上水平排列。

有限元法允许机械系统状态的结构力学计算。例如，可以想到使用商业软件包来根据所提出的用于测定和估计刚度的方法进行应力分析。

在实施方案中，盘管层借助盘管腹板彼此径向隔开。关于它们对管束的强度的贡献，同样可以考虑用于使盘管层隔开的盘管腹板。

在实施方案中，盘管通过盘管中心点间隔在芯管的轴线方向或管束的轴向方向上彼此隔开。对于规则的盘管中心点间隔的情况下，也可以参考间距，其测定周期性单元在轴向方向上的间距。

各自的盘管还可以具有内径和外径。然后测定盘管横截面积为1/4×π×内径和外径的平方差。

在该方法中，特别地通过选择用于测定所有盘管层刚度的平均校正因子来测定管束式热交换器的校正刚度。例如，为了简化随后的计算或分析，可以假设对于所有盘管层的盘绕角度是相同的。可替换地或另外地，也可以认为校正因子为管束式热交换器的所有盘管层的盘绕角的三角函数。

用于盘管的各自盘绕表面的圆周线和各自的盘绕方向包括盘绕角度α。

在测定刚度的方法的实施方案中，与借助于面积比和考虑圆柱体的刚度模型得到的等效刚度相比，各自的盘管层的测定的刚度被校正因子减小了。也就是说，考虑重力的影响或仅考虑对管束轴向和/或重力的刚度有贡献的盘管部分允许更现实的估计或计算。与不考率任何校正因子的简单模型相比，本发明提供更实际的，更低的刚度，使得在管束式热交换器的制造期间，在运输期间或在一些运行状态下进行更实际的建模或模拟。

还提出了为了寿命分析的目的而测定管束式热交换器状态的方法。管束式热交换器具有芯管和围绕芯管盘绕的盘管以形成管束，其中所述盘管以多个盘管层的方式以各自层盘绕角度围绕芯管盘绕。借助于上述或下述的方法测定管束式热交换器的刚度。

任选地，在这种情况下，考虑到校正因子，也可以测定各自盘管层的变量，例如比热容、导热系数或热膨胀系数。特别是当通过盘绕角度的正弦估计校正因子时，结果是盘管的影响投射到沿着束轴的各个变量上。因此，也可以更准确、可靠地进行热机械分析。

在管束式热交换器的制造方法中，盘管以多个盘管层的方式以各自层盘绕角度围绕芯管盘然。这里，在盘绕期间，借助于上述或下述的方法来监测管束式热交换器的刚度。

在所提出的方法中，层盘绕角度特别是非零并且是1°-50°，优选是3°-10°。盘管层的数量为例如2-200。盘管的外径为例如5-200mm。盘管材料的弹性模量可以为70,000-210,000n/mm²。

此外，提出了在程序控制装置上启动上述一种或多种方法执行的计算机程序产品。这种执行是可以实现的，例如，借助于用于工艺装置的计算机或控制室计算机。

计算机程序产品例如计算机程序装置可以提供为，例如存储介质，例如存储卡、u盘、cd-rom、dvd、或者甚至是在网络中从服务器的可下载文件形式。例如，这可以在无线通信网络中通过用计算机程序产品或计算机程序装置传送相应的文件。

所述一种或多种方法特别是软件实现的，并且下面的参考也将与仿真软件同义。

本发明的进一步可能的实施方式还包括关于尚未明确说明的示例性实施方案的上述或下述的特征或实施方案的组合。本领域技术人员还将加入个别方面作为对本发明的相应基本形式的改进或补充。

本发明的进一步有利的配置和方面构成了从属权利要求和下述的本发明示例性实施方案的主题。以下参照附图基于优选实施方案详细说明本发明。

图1示意性地示出了部分横截面中的管束式热交换器的实施方案，

图2示出了为了解释层盘绕角度，盘绕表面的示意图，

图3示意性地示出了管束式热交换器相对于纵轴的横截面的实施方案，

图4示出了盘管层的横截面的详细图示，

图5示出了在纵向截面中水平安装的管束式热交换器的实施方案，

图6示出了用于测定管束型热交换器刚度的方法步骤的示意性顺序，

图7和图8示出了为了解释其制造方法而水平安装的管束式热交换器。

在附图中，除非另有说明，相同的或具有相同功能的元件具有相同的参考标记。

图1示出了管束式热交换器1的第一示例性实施方案。管束式热交换器或螺旋缠绕式热交换器包括以多层盘绕在芯管上的管束。参考螺旋缠绕式热交换器，其中盘管围绕纵向或束轴z盘绕。在图1中，给出了芯管2沿其延伸的管束轴向z。盘管3螺旋盘绕于芯管2上。在图1的说明中，指出了所得到的管束式热交换器1截面。

第一内盘管层5包括螺旋形盘管3。径向向外连接具有另外的盘管3'的另外的盘管层6。盘管3,3‘可能不直接彼此抵靠，而是通过腹板径向隔开。尽管在图1中仅仅示出了两个盘管层5,6，管束式热交换器的实施方案最多具有100层。

在图1的取向上，束轴z水平地延伸。特别是在相应的管束式热交换器1的制造过程中，盘管3,3'从内向外盘绕。这里，形成多个盘管层5,6。在现场操作和使用期间，通常垂直设置这种管束式热交换器1。也就是说，仅在生产期间和，例如在卡车或货车上运输期间，热交换器在横向于其轴向范围受到特定的机械负载。这特别是由于作用于芯管2和内盘管层5上的力，该力是由于位于顶部的盘管层6的重量引起的。相应的管束式热交换器可以具有2-300t的重量，其直径为数米。通常使用铝或不锈钢变体作为盘管的材料。

为了在制造和运输期间，管束4和芯管2不受损坏或过量负载，所以期望测定或预先估计包括芯管2和管束4的系统的强度或刚度。为此，可以进行模拟。申请人的调查表明，在这种情况下，特别是管束5,6对沿着束轴z方向的刚度的影响是重要的，并且在这种情况下，仅应考虑重力g引起的加速度相关的矢量贡献，如图1所示。

在图2中，为了解释盘角度α，示意性地示出了盘绕表面7。盘绕表面7是具有纵向轴线z的虚拟圆柱体的表面，在其表面上盘绕相应的管束5(参见图1)。在图2中示出了具有盘绕方向w的单管3。虚线u对应于盘绕表面7的圆周线。图2示出了相应圆柱体展开的侧表面，也就是说，上边界和下边界7a在侧表面上重合。由圆周线u和盘绕方向w包括了被称为盘绕角度的角α。

沿着轴线方向z，也就是说沿着束轴方向的机械稳定性或刚度，不受整个材料及其弹性模量的影响，而仅仅是受z轴上投影的影响。为了测定整个系统的弯曲刚度，在这方面考虑图1所示的盘管层5,6作为管或圆柱是不足的。申请人的调查事实上已经揭示了为了现实地测定强度或刚度，必须考虑修正因子。

在图3中，可以看到关于管束式热交换器的纵向轴线z的示意性横截面，其中，从内向外径向，首先是管芯2。盘绕于其上的是具有盘管的第一盘管层5、第二盘管层6、第三盘管层8和第四外盘管层9。提供腹板10用于将第一和第二盘管层径向隔开。以相同的方式，在第二和第三盘管层6，8之间以及第三盘管层8和第四外盘管层9之间提供另外的腹板11，12。

在过去，借助于以盘管层5、6、8、9形式的等效圆柱体，用盘管与周期性单元的面积比的加权来测定管束式热交换器1的刚度。这被证明并不总是可靠的，因此，为了考虑作用于盘管上的重力，提出了一种校正因子，特别是用于测定面积比。

图4示出了盘管层5的详细视图。这里，该图示出了通过盘管3的横截面。在图4中，水平轴线沿着管束z的轴向延伸，并且向上指示出径向距离r。示出了芯管2的横截面，其上是第一盘管层5围绕盘管3盘绕。盘管3具有各自的中心点m并具有圆形横截面积，其在每种情况下都具有内半径ri和外半径ra。这引起内径di和外径da,，如图4中的左侧所示。在这种情况下，盘管层5的径向范围对应于外径da。还可以看出，中心点m以规则的方式彼此轴向间隔t。因此，可以由盘管中心点间隔t定义产生的周期性单元13。单元以点划线13指示。盘管腹板10可以径向向外连接，例如可被建模为圆柱体。

为了估计得到的管束式热交换器的强度分析或刚度，考虑单元13的面积ap与所得到的盘管横截面积ar的面积比。盘管横截面积ar可以测定为ar＝1/4×π×(da²–di²)。

单元ap的横截面积为ap＝t×da。比值ap/ar是测定盘管层5刚度的重要参数。进一步，也考虑了盘绕角α(图4中未示出)。申请人已经意识到，在刚度的建模中，面积比ap/ar单独导致比实际情况更高的值。因此，盘管层的盘管的部分投影到纵向轴线上。这导致校正因子sinα<1，从而在进一步的刚度或弯曲刚度计算中得到实际的结果。特别是在管束式热交换器的制造或运输过程中，可以因此更好地考虑在管束和安装支架的影响下的芯管的负荷。

在进一步的数值应力分析中，例如借助于有限元法，可以考虑提出的具有校正因子sinα的面积比ap/ar。此外，还包括其它材料参数，例如各盘管材料的弹性模量。在示例性实施方案中，单元的间距或轴向范围为18mm，并且盘管的外径为15mm。这导致单元的横截面积ap＝270mm²。在盘管内径为14.1mm的情况下，得到20.57mm²的管横截面积。盘绕角例如为5°，因此校正因子为sin5°。

图5示出了在制造期间管束式热交换器的另一示例性实施方案5。在制造过程中，相应的盘管5、6、8、9以层的形式盘绕到芯管2上，其中芯管2通过支撑件14支撑在两个支承点15和16处。在这种情况下，所得到的管束4围绕z-轴或束轴z旋转。在这里，最多可以盘绕100层。特别是在这种水平安装的情况下，重力g作用在芯管2上。如上所述，由面积比ap/ar和考虑盘管强度相对于重力g的分量的校正因子和盘管材料的弹性模量推导出相应的盘管层5、6、8、9的刚度。盘管材料可以具有例如190,000n/mm²的弹性模量。可以相应地估计弯曲刚度并用到例如有限元法中进一步处理。

如其它图中所示，图6以实施例的方式示出了用于测定管束式热交换器刚度的方法的顺序。在第一方法步骤s1中，创建模型，例如通过等效圆柱体模拟或建模盘管层。在步骤s2中，通过各自的校正因子来改善所述基本模型。为此，相应盘管层的几何强度参数由面积比ap/ar和取决于盘绕角的校正因子例如sinα测定。最后，在步骤s3中，例如借助于商业软件包来执行有限元计算用于测定具有芯管和管束的整个管束式热交换器系统刚度。例如为了测定管束式热交换器中的应力，可将刚度的计算结果用到寿命分析中。这通过任选的步骤s4指示。

例如，即使在盘管正被盘绕的情况下也可以连续地测定刚度，因此，可以调节制造参数例如盘绕速度或盘绕角度。这在图6中通过返回虚线箭头到步骤s4示出。

图7和图8基于测定的盘管层的刚度图示了结构力学计算结果。这里，图7再次示出了被盘绕到芯管2上的安装的管束。在这种情况下，如图7的详细视图所示，管束19具有多个盘绕于芯管2上，并通过盘管腹板10,11径向间隔开的盘管层3,3'。在图7的取向中，束轴z水平地延伸，并且芯管6装备有用于芯管2上的管束19的支撑板17和间隔件18。图7示出了在制造或运输期间在两个支承点15,16处的纵轴z的取向。在随后的应用中，轴垂直摆动，使得支撑板17与间隔件一起支持并承受管束19。

在制造期间，由于管束19的重量，特定的力随后作用在支承点15,16之间的芯管2和管束19'上。这在图8中示出。由于图8中由19'表示的并且包括另外的盘管层的管束的弯曲刚度，在支承点15,16之间存在曲率或一定的下垂。由于管束19,19'中的盘管层的刚度的测定，现在可以测定系统中的应力，例如借助有限元计算方法。正如申请人的调查所揭示的那样，结果是管束式热交换器的机械系统在某些区域受到特别的应力。

由于强度和刚度的模拟和估计或计算，可以在加工和制造期间及在运输期间可靠地进行这些数值应力分析。这同样适用于运输，例如在卡车上，其中水平地安装管束式热交换器。此外，借助于模拟轴向投影的类似校正因子，具有校正其它仿真参数的可能性。可以想到的是，例如，对于沿着束轴的热传导率或者热膨胀系数以相应实际的方式假设。因此，促进管束式热交换器的热机械分析，并使其更可靠。

虽然已经使用示例性实施方案更详细地解释了本发明，但是可以以各种方式进行修改。应理解盘管的规定尺寸和数量为仅作为示例给出。此外，数值模拟的进一步细化可以不限于几何强度参数和考虑到重力的校正因子。此外，尽管在所示的示例性实施方案中，大部分假设为水平，在垂直排列的管束式热交换器的情况下，也可以测定在重力影响下的刚度。特别是在相应的管束式热交换器的运行期间-在其制造和运输到使用地点之后，芯管轴线垂直延伸。即使如此，上述提及的对重力和装置以及盘管相对于重力加速度的程度进行矢量考虑的方法也用于可靠地测定强度和刚度。

使用以下参考标志：

α盘绕角度

ar盘管横截面积

ap单元横截面积

di盘管的内径

da盘管的外径

g重力加速度

r径向

t盘管中心点间隔/间距

u圆周线

w盘绕方向

z管束轴/轴向

1管束式热交换器

2芯管

3盘管

4管束

5,6盘管层

7盘绕表面

7a边界线

8,9盘管层

10,11,12腹板

13单元

14支撑

15,16支承点

17支撑板

18间隔件

19管束

s1建模

s2校正参数测定

s3有限元计算

s4盘绕和模型修正