CN1983290A - 确定板式热交换器强度、制造板式热交换器及制造技术设备的方法 - Google Patents

Abstract

在一种用于确定板式热交换器的强度的方法，借助三维数字仿真计算板式热交换器的在热交换器内部在其工作期间的温度应力并基于所计算的温度应力确定板式热交换器的强度。用于制造具有金属制成的分隔板(1)和成型件(2)的板式热交换器的方法利用该强度确定来确定该热交换器的一个或多个机械参数，接着以这个参数或以这些参数来制造该热交换器。

Description

确定板式热交换器强度、制造板式热交换器及制造技术设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定板式热交换器强度的方法、一种用于制造热交换器的方法以及一种用于制造技术设备的方法。

背景技术

板式热交换器已经以多种实施方式被公开。原则上板式热交换器被设计用于使流过的流体，气体或液体，之间可以进行热交换。这些流体在空间上相互分开，它们之间不会出现混合。由流体交换的热能流过板式热交换器的将流体分开的结构。本发明意义上的“板式热交换器”可以包括一个热交换器块或多个热交换器块。

板式热交换器具有多个通道，流体可流过这些通道。通道包括换热成型件，即所谓翅片(Fins)，每种流体分别通过它们或沿着它们流动，具体说通常沿着肋。换热成型件的形状可以很不相同并可具有复杂的几何结构。通道通过分隔板相互分开。

用于制造板式热交换器的方法可以包括以下步骤：在分隔板的面上施加焊剂，交替堆叠分隔板和成型件以及在需要情况下存在于通道内部的其它结构并将成型件与分隔板钎焊。焊接例如可以在包含该板式热交换器的炉中进行。

板式热交换器的制造尤其是还可以包括仿真其运行。这不仅在在生产准备阶段的开发中是有意义的，而且伴随生产也是有意义的。在前一种情况下仿真的结果可以影响设计，在后一种情况下可以再进行相配的措施或者仅进行监视。对已存在的板式热交换器的仿真使得可以改进对已存在板式热交换器的评价，例如关于其失效风险的评价。

由于在板式热交换器内部交换的热量，流过板式热交换器的流体具有空间上和时间上变化的温度分布。已经知道借助二维计算机仿真来近似确定沿着流过通道的流体的流动方向的温度分布。这也适用于确定热传递系数的分布。这一点在下面的说明书导言中和在实施例中阐述得更详细些。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，给出一种有利的用于确定板式热交换器强度的方法、一种有利的用于板式热交换器的制造方法以及一种有利的用于制造技术设备的方法。

该任务通过权利要求1的用于确定板式热交换器强度的方法解决。该方法例如可以用来确定已存在的板式热交换器的强度。在仿真时优选除温度应力外还计算板式热交换器的压应力，其中，强度的确定也涉及到计算的压应力。如果仿真板式热交换器运行期间的应力，至少在一种工况下进行。工况例如是稳定运行、特定条件下运行、低负载运行或一般的在不同负载条件下的工况、起动或停止。

在板式热交换器的制造方面，该任务通过按照权利要求3的方法解决。在此，按照权利要求1的方法用于设计还不存在的板式热交换器。三维仿真是设计的一部分，借助它来确定接下来制造板式热交换器时用的机械参数。

通过仿真来确定的机械参数可例如涉及以下参量中的一个或多个：

-分隔壁(分隔板)的几何参量，尤其是其厚度，

-成型件(翅片)的几何参量，尤其是其高度、分布和/或材料厚度，

-用作成型件的翅片类型，平滑的、穿孔的、切割的、鱼骨形式的等，(平滑的，穿孔的，锯齿状的，鱼骨状的，按照ALPEMA标准2000，第8页)

-空通道的数量、几何参量和布置

-模块的数量和布置(一个“模块”代表热交换器的例如通过钎焊预制在一个整体上的部分，例如一个热交换器块，它与一个或多个其它模块组合成一个板式热交换器)。

在技术设备的制造方面，上述任务在第一变型中通过按照权利要求4的方法解决。在此，按照权利要求1的方法用在已经存在的板式热交换器上。如果所确定的强度值不满足该技术设备的要求，则相应的板式热交换器不使用在那里或者修改该设备或其运行方式。设备的修改例如可以是补充一个或多个管道、一个或多个截止装置、一个或多个阀或类似装置。

用于制造技术设备的本发明方法的第二变型描述在权利要求5中。在此，板式热交换器首先用传统手段(就是说，尤其是不进行温度应力的三维仿真)并对已完成计算但还没有制造的热交换器进行三维仿真以便按照权利要求1确定强度。如果得到了足够的强度，则相应地制造板式热交换器并装在该技术设备中；如果不是，则修改设计并再次进行仿真。这一直重复到达到足够的强度。

在从属权利要求中给出本发明的优选构型并在下面详细解释。

发明人已经确定，由于系统的尺寸和复杂性，对板式热交换器材料中的空间温度分布的详细仿真并非总是实际的，该仿真尤其重视成型件的几何特性。即使在快速计算机的辅助下用于进行详细仿真的计算时间也是一个在实践中严重的障碍。

在本发明中优选使用的仿真方法基于这样的知识：板式热交换器的材料中的温度应力分布主要由流过板式热交换器的热流决定，并且，不必为了确定足够精确的温度分布而考虑实际板式热交换器的全部的几何复杂性。

恰恰成型件可能具有相当复杂的几何特性。

在本发明构思的进一步扩展的范围内，取代板式热交换器的通道的详细模型，使用简化的分层模型，在详细模型中两个分隔板之间有一个复杂形状的成型件。在分层模型中成型件用一个均匀填满分隔板之间的空间的金属块来模型化。

通过这些措施可以放弃对成型件的实际结构的重视。该金属块直接贴靠在其中一个分隔板上或者位于两个分隔板之间，这些分隔板围住模型化的通道。但也可以在该金属块的一侧有一个分隔板而在另一侧有一个板式热交换器盖。为了在语言上简化，在此只明确描述金属块被两个分隔板围住的情况。

实际的成型件与包含它的分隔板钎焊。这种连接通常导热良好。因此，金属块在分层模型中与贴靠在它上面的分隔板也处于可传热的接触中，但出于几何上简化的原因是在整个接触平面上。

在简单情况下该分层模型将具有一个所谓的“基本单元”，该基本单元具有两个分隔板和一个位于其间的金属块。板式热交换器的大部分可以通过多个基本单元的相互排列或堆叠来仿真。

在此，分层模型不必包括流体，而仅包括其对于将热导入板式热交换器中所起的作用。

为了简单，在此仅提及从流体向板式热交换器的材料中的热导入，但也可以同样好地进行从板式热交换器的材料向流体中的导入热。如果没有其它特别指明，总是指这两种可能性。

在实际的板式热交换器中可以区分将热从流体引入板式热交换器中的两种可能性：第一热导入通过从流体到成型件中的热传递进行。通过热传导可以在分隔板与成型件之间进行热交换。从流体到板式热交换器材料中的第二热导入在具有多个成型件的情况下可以通过从流体到分隔板的直接热传递进行。

在分层模型中第一热导入也可以相应于总的热导入，第一热量被引入金属块内的一个第一面中。该面平行于分隔板。从该面起热通过金属块传导到分隔板中(热传导)。相应模型的基础是沿着流体在通道中的流动方向已知的热传递系数，该系数确定总的热导入传递到板式热交换器中的量。

在实际的板式热交换器中，根据发生热传递的位置不同，流过成型件的热走过不同长度的路径到达分隔板。

在分层模型中决定位于金属块内的面与分隔板之间具有确定的距离。该距离有效总括了一个实际成型件内的不同的路径长度。例如可以选择平均走过的热传递长度作为位于金属块内的面与分隔板之间的距离，或者适配金属块的传热能力。

这还导致一种简单的可能性：考虑从流体到分隔板的直接热传递而不分开考虑热导入。给板式热交换器的一些相应区域分配一个为零的热传导长度。这可以简单地考虑在分层模型中在位于金属块内的面与分隔板之间的距离中。

分层模型具有多种不同的修正因数，用于适配其特性，以便它尽管与实际板式热交换器相比几何复杂性大大降低但仍能适配实际情况。

优选将与第二热导入相应的热量引入金属块与分隔板之间的接触平面中的一个第二面中。总的热导入则在第一热导入和第二热导入之间分配，第二热导入被明确地一同模型化。

引入这些面中的热量将第一和第二热导入模型化。就是说，在分层模型中，引入第一面中的热量不必精确地相当于由流体引入成型件中的热量。同样的情况相应地适用于引入第二面中的热量。两种热导入借助一个用于热导入分配的模型来分配。

一种简单的模型例如是：总的热量简单地等份分配给第一面和第二面，这还要详细解释。

优选将流体与板式热交换器之间的热传递的热传递系数乘以一个修正热导入的热传递修正因数。

为此可以将先前确定的热传递系数除以分层模型中的平面数，通过这些平面引入热。

如果例如分层模型的金属块被两个分隔板围住并且在金属块与分隔板之间的接触平面中各设置一个虚拟平面以及平行于分隔板在中间设置两个虚拟平面，则该分层模型具有总共四个虚拟面。在这种情况下热传递系数除以四。替换地，也可以分成多于四个虚拟面。

该方法步骤基于这样的考虑：热传递系数用分层模型中的“热源”数来除并且相应地将总的热导入分到这些虚拟面上。

但在这一点上也可以简单地考虑着眼于实际成型件的几何特性。从流体到成型件的热传递通过所谓的次级面进行。这些次级面相应于成型件的不贴靠在分隔板上的那些部分的位于分隔板之间的面(见图4)。从流体到分隔板的热传递通过所谓初级面进行。它们是直接与流动的流体接触的分隔板的面或者还是成型件贴靠在其上的分隔板的面，该成型件可具有比通道直径小的厚度(见图4)。

根据成型件的几何特性不同，次级面与初级面可以具有很不同的相互比例。因此，引入虚拟平面中的热量可以相应于次级面与初级面之间的比例被分配到它们上。如果板式热交换器的次级面与初级面的比例例如为2∶1，则在分层模型范围内通过位于金属块内的面与通过接触平面中的面相比引入两倍多的热。

第一面和第二面的面积优选乘以一个面积修正因数。以此方式可以使将热引入分层模型中的总面积适配于将热引入板式热交换器中的总面积。

如果热传递系数已经被金属块中的虚拟面的数量除或者进行了其它适配，则可以把虚拟平面的面的总和与实际成型件的初级面和次级面的总和等同起来。有意义的是将该适配与上面提到过的基本单元联系起来。

如果热传递系数还没有进行适配，则也可以通过虚拟平面的面来适配总的热导入，其方式是，将一个基本单元内的一个虚拟平面的面与实际成型件的初级面和次级面的总和除以虚拟平面数等同起来。

即，在上面开始的例子中为每个虚拟面分配一个面积，该面积相应于实际成型件的初级面和次级面的总和除以四或者一个更大的数。

在实际板式热交换器中分隔板之间的空间的仅一部分被成型件占据。即，也可能仅在该空间的一部分发生通过成型件的热传导。但分层模型中的金属块占据分隔板之间的整个空间。因此，优选的是，金属块的热传导系数乘以一个热传导修正因数。

该热传导修正因数考虑了从成型件到分隔板的热传导只在成型件的空间延伸范围之内、而不在其外进行。该热传导修正因数例如可以近似相应于不被成型件填充的空间与被成型件填充的空间的比例。

成型件在两个分隔板之间典型地具有重复的结构，该重复结构具有重复长度a(见图4)。在此，成型件在该重复长度内通常具有两个在分隔板之间的构造为壁的支撑。这些壁具有厚度b。每个重复长度a可以考察一个上面提到过的基本单元。

分层模型的金属块与成型件相比具有高得多的热容量。理由也是，金属块填满分隔板之间的整个空间，而成型件仅占据该空间的一部分。因此，金属块的热容量或密度优选乘以一个容量修正因数。

尤其有利的是，该容量修正因数相应于不被成型件占据的空间与被成型件占据的空间之比。

金属块的热容量本身、比热容或密度可以乘以该容量修正因数，因为这些参量相互成比例。

基于该分层模型可以仿真温度分布。由此提供了一种方法，该方法使得可以用不复杂的模型来计算板式热交换器中的空间温度分布。

基于通过该分层模型确定的温度分布和弹性模量，也可以计算分层模型中的应力分布，从而推断实际板式热交换器中的应力分布。

应力分布产生于：引入金属块中或者引入分隔板中的热会导致金属块或分隔板的纯体积变化，如果预给定的几何特性或与结构相应的约束不阻碍这种现象的话。因此，代替或者补充体积变化，出现与温度相关的应力变化。如果先知道了温度分布，则可以计算应力变化。

板式热交换器中的应力分布的知识特别有价值，因为板式热交换器会由于不利的应力情况而破坏或缩短其使用寿命。关于这杨的薄弱部位的知识不仅对于已存在的板式热交换器是有利的，例如为了加强这些薄弱部位或者为了评估相应板式热交换器的寿命，而且，对于开发或生产板式热交换器也是有利的。

完全在使所使用的分层模型不复杂方面而言，优选金属块的弹性模量被选择得各向同性。由此，金属块的弹性模量仅相应于一个数，尽管成型件的实际结构是正交各向异性的或各向异性的。替换各向同性的模型，也可以使用各向异性的或者尤其是正交各向异性的模型。

为了计算分层模型中的应力分布，首先确定金属块的刚度。分层模型的金属块刚性比板式热交换器的成型件大得多。理由也是，实际板式热交换器中的成型件不是实心的并且不占据分隔板之间的整个空间。

因此，优选的是，金属块的弹性模量乘以一个刚度修正因数以修正刚度。尤其优选的是，该刚度修正因数反映分隔板之间的不被成型件占据的空间与被成型件占据的空间的比例。

通常，流体带有一定压力地进入板式热交换器中，使得该压力与由于热引起的应力共同作用。因此优选的是，在这里所描述的方法中，为了确定总应力分布，将工作压力与由热引起的应力分布叠加。即，对由热引起的应力分布的借助分层模型确定的应力值叠加压力分布，以构成总应力分布。

由于板式热交换器的结构和安装，除由于不均匀的温度分布引起的应力之外还产生附加应力。这些由于结构引起的应力在这里被称为夹紧边缘条件(Einspannrandbedingungen)，优选将这些夹紧边缘条件与根据分层模型确定的由热引起的应力值叠加。

如果金属块的弹性模量乘以刚度修正因数，则有利的是，应力分布的值乘以一个弹性模量修正因数。如果弹性模量乘以刚度修正因数，则应力相应地被计算得太小。取代应力乘以修正因数，也可以在借助比较应力估算时一同考虑该因数并且相应地降低比较应力。

详细仿真不是借助分层模型进行，而是尽可能多地考虑板式热交换器的实际几何特征，与详细仿真的结果相比较产生这样的结果：借助分层模型确定的应力被确定得太小。因此，借助分层模型确定的应力被乘以一个优选为1.3至2.8的应力提高因数。替换地，也可以相应地减小用于估算应力分布的比较应力。

金属块的金属例如是铝或钢。

前面的和后面的对各单个特征的说明涉及用于仿真板式热交换器的方法、涉及用于制造板式热交换器的方法和涉及具有用于执行对板式热交换器的仿真的程序的计算机程序产品。这也适用于不再具体地明确指出时的情况。

附图说明

下面借助实施例详细说明本发明，其中，各单个特征也可以以其它组合方式构成发明内容。在该实施例中，板式热交换器包括唯一的一个热交换器块。

图1  示意性和立体地示出一个从外面看到的板式热交换器，具有加装件，

图2  示出图1中的板式热交换器，具有部分地去掉的盖板，不带加装件，

图3  示意性和立体地示出图1和2中的板式热交换器中的一个通道，

图4  示出图3的通道的换热成型件的一个局部，

图5  示出图4的热交换器的为了着眼于实质内容而减少的示意图。

具体实施方式

图1示出一个从外部看到的板式热交换器。该板式热交换器具有一个中心的长方体8，该长方体具有6m的长度L和分别为1.2m的宽度B及高度H。在长方体8的上面、在其侧面及在长方体8的下面可看到附装件6和6a。在长方体8的下面和在背离绘出的侧面的那侧也有这样的附装件6和6a。但它们部分地被遮盖。通过接管7可对板式热交换器供给流体，这里是水，或者再从其中排出。附装件6和6a用于分配通过接管7引入的水或者用于收集和用于集中要从板式热交换器中排出的水。在板式热交换器的内部，不同的水流交换热量。

在图1中示出的板式热交换器被设计用于在分开的通道中引导两个以上的水流以便相互交换热。这些流的一部分可以被相互反向地引导，另一部分交叉。为了解释本发明，考察简化情况：两个水流在分开的交替通道中相互从旁边流过。更多数量的水流不会产生附加的质量问题。

在图2中可看到板式热交换器在内部如何构造。基本上一个涉及由分隔板1和换热成型件2即所谓翅片2以及分配器成型件3组成的长方体8。具有分隔板1和成型件2或3的层相互交替。具有一个换热成型件2和分配器成型件3的一个层被称作通道14(这样的通道在图3中示出并在下面说明)。

长方体8具有交替平行于流动方向的通道14和分隔板1。分隔板1以及通道14都用铝制成。通道14在侧面被铝制的柱4封闭，这样，通过与分隔板1的堆叠结构方式构成一个侧壁。长方体8的处于外面的通道14被一个平行于通道14和分隔板1的铝制的盖5覆盖。

长方体8通过将焊剂施加到分隔板1的面上并接着交替堆叠分隔板1和通道14来制成。盖5向下或向上覆盖堆叠8。接着，通过在一个包含堆叠8的炉中加热来钎焊堆叠8。

在板式热交换器的侧面，分配器成型件3具有分配器成型件通道口9。通过这些通道口可以从外部经附装件6和6a及接管7将水引入所属的通道14中或者再排出。图2中示出的分配器成型件通道口9在图1中被附装件6和6a覆盖。

图3示出图1和2中示出的板式热交换器的通道14之一。水的流动方向用箭头标注。在一个分配器成型件通道口9上，水流入，以便在所属的分配器成型件3中分配到通道14的整个宽度上。接着，水流过换热成型件2并在进行热交换之后被另一个分配器成型件3集中到出口侧的分配器成型件通道口9上。通道14的它们的长的和短的侧面被柱14限定边界。

为了输送水的涡流并从而有利于热交换，在本例中换热成型件2构造成切割的成型件(齿形翅片)。

根据由于在运行期间流过板式热交换器的热流所产生的温度，分隔板1和成型件2及3发生热膨胀变化。这可导致会损坏板式热交换器的应力。

通过仿真板式热交换器中的基于热流的温度分布来确定应力分布。基于仿真的应力分布可以评估失效风险或者设计改进的板式热交换器。为了确定板式热交换器中的应力分布，首先借助分层模型确定空间温度分布(a)并由此确定应力分布(b)。

1.近似模型

1.1.分层模型和温度分布

从方法技术中已知，借助仿真来确定沿着平行于分隔板的流动方向的水温和热传递系数。即，对于每个通道14已知平行于分隔板的二维仿真的水温度分布。为此在此组合使用AspenTec公司的软件MUSE和MULE(也可以取代此使用其它用于板式热交换器的计算工具)。基于该温度分布和热传递系数，借助下面说明的(图5)模型来确定板式热交换器的铝中的温度分布。

图4首先示出图3中的换热成型件的一个垂直于流动方向的横剖面，其中，通道14在上面和下面由分隔板1构成边界。换热成型件2具有高度h，这里为1cm，并且填满两个分隔板1之间的空间。成型件2的厚度为b，这里是0.5mm。

换热成型件2垂直于流动方向具有重复的结构，该结构具有重复长度a，这里为1.5cm。分隔板1与换热成型件2钎焊，使得换热成型件2与分隔板1之间的接触具有导热能力，该导热能力可等同于无分界面的铝。

流过换热成型件2的水(这里是热水)对换热成型件2和分隔板1输出热。在此，换热成型件2的在图4和5中沿垂直方向定向的侧面被称为次级面S，平行于分隔板1的面被称为初级面P。

水通过热传递经由这些初级面和次级面将热输出给换热成型件2和分隔板1。

在此，在通道的上方和下方(未示出)具有带冷水的通道。因此，热向上和向下流出。

向次级面S中的传热通过向换热成型件2中的热传递并通过在换热成型件中向分隔板1的热传导进行。在图4中该热流路径用字母A及A′标记。

为了简化，在这里研究通道14的一个区段，具有在该横剖面中各处均匀的、用MUSE/MULE确定的水温。

字母B标记通过向分隔板1中的热传递进行的向分隔板1中的热导入。成型件厚度b与换热成型件的高度相比较小，换热成型件2与分隔板1之间的热传递可以与无分界面的铝的导热能力等同起来。即，不必区分是直接从水向分隔板1进行热传递还是在它们之间有一个贴靠在分隔板上的换热成型件。

如果要基于相应与图4的细节来确定铝中的温度分布，则很快达到当前已知计算机的功效极限。通过相应于图4的几何特性从温度分布返回到热流是费事的，以致不能在合理的时间内确定板式热交换器的一个令人满意的大局部的温度分布或应力分布。

图5示出板式热交换器的在图4中示出的局部的一个简化的分层模型。

分隔板1总是相互平行地隔开距离h。但此时分隔板1之间的中间空间没有被图4中的换热成型件2和水填充，而是该中间空间完全被一个虚拟的铝块填满。该铝块直接贴靠在分隔板1上，使得在铝块与分隔板1之间进行可以不受阻碍地进行热传导。

热通过四个虚拟的面10-13引入铝块和分隔板1中。面10和13分别与铝块和邻接的分隔板1接触。面11和12在铝块内部在中间并且直接地相互贴靠。通过这四个面10-13将与热传递相应的能量引入铝块中及分隔板1中。先前确定的热传递系数(见图4中A和B)必须被减小，因为在此通过多个“源”引入热。通过面11和12引入相应于图4中的热流A的热量，通过面10和13引入相应于图4中的热流B的热量。

由于分隔板1在图5中示出的区段的上方和下方被较冷的通道围住，热从上面的面10流入上面的分隔板1并从下面的面13流入下面的分隔板1。由于相同的原因，通过面11引入的热通过铝块的热传导被导向上面的分隔板1的方向，通过面12引入的热被导向下面的分隔板1的方向。

为了使相应于图5的模型中的热流并从而使温度分布尽可能适配相应于图4的通道中的热流和温度分布，还要将总的交换作用面(由面10，11，12，13组成的总的面)作为几何特性和其它热性能来适配。

总的交换作用面包括一个相应于图4中的初级面和次级面的总和的面。

图5中的分层模型从一个在热性能方面各向同性的铝块出发。如果不适配该铝块的导热能力，则从面11和12向面10和13方向的导热能力太高，因为不考虑在相应于图4的换热成型件2的情况下该换热成型件仅可在其宽度b上将热导入分隔板1中。为了考虑这一点，将铝块的热传导系数乘以一个相应的修正因数。

图5中的铝块的热容量也比图4中的换热成型件2的热容量高得多。由于热容量与材料密度成比例，将铝块的密度乘以一个密度修正因数。由此得到相应减小的热容量。

通过已知的热导入就可以计算铝块中和分隔板中沿着通道高度的温度分布。

1.2.应力分布

应力分布基于先前确定的温度分布来计算。

图1和2中示出的板式热交换器及图3中示出的通道和图4中的换热成型件涉及机械上正交各向异性的系统。对于这些系统，不能直接从温度推断与温度相关的应力变化，而是必须首先确定刚度。

为了确定刚度，将铝块(图5)的弹性模量降低一个刚度修正因数。这样，注意到了换热成型件的由于几何特征而减小的刚度。在该例中忽略了图4中的换热成型件2在其刚度方面各向异性，以使计算费用保持在限度内。即，弹性模量在整个铝块内具有各向同性的大小。替换地，可以考虑各向异性的特性。

此时可以基于温度分布、铝块和分隔板1的刚度和如上选择的弹性模量来确定应力分布。

但这样确定的应力太小，因为为铝块所确定的弹性模量太小。为了补偿这一点，将应力乘以一个弹性模量修正因数。选择式地，也可以在估算应力时考虑该因数并在需要的情况下将存在的估算应力降低。

通过与不同的详细仿真的结果进行比较，这些仿真针对板式热交换器的在垂直于分隔板的流动方向上的一个小的二维局部进行，可以确定，应力被定得太小。因此，在此再次将应力乘以一个例如为2.6的应力提高因数。在需要的情况下也可以相应改变可能存在的估算应力。

详细仿真不是借助图5中示出的模型进行，而是将换热成型件2的几何特征相应于实际情况如在图4中那样模型化。由此决定的计算费用很高，以致仅能计算板式热交换器中的小的局部。

由此知道了由热引起的应力。总应力的三维分布通过用工作压力和应力边缘条件加载(见下面)来确定。

2.本发明仿真过程的示例

2.1.建立板式热交换器几何

借助前处理程序(MENTAT)由配置文件按照以后使用的仿真软件(MARC)建立对板式热交换器的几何描述。MARC以及MENTAT都是MacNeal-Schendler公司(MSC)的软件产品。为了在本发明框架内进行仿真，也可以替换地使用其它的有限元系统。

一个板式热交换器可以具有多个不同的通道类型，它们可以例如在换热成型件(翅片)方面不相同。第一配置文件包含通道的堆叠顺序。其它配置文件分别包含关于分隔板1、盖5、柱4的几何信息以及板式热交换器的其它几何特性。通道也可以被分成区，在这些通道中例如流入一种介质并与相邻的通道交换热(有源区)或者在这些通道中不流入介质(无源区)。也可以将这些区描述在一个配置文件中。

2.2基于分层模型第一次适配

将通道各分成两个相互叠置的区段。划分相应于内部的面11，12的走向。

2.3建立附装件

将附装件6和6a与通道联接。通常这些附装件构造为半管状。

2.4其它模型特性

在该步骤中为模型的这些部分对应写出根据本方法的几何的、机械的和热的特性(见上面)。尤其是换热成型件不用其实际几何特征来模型化，而是用上面提到的铝块来替代。

2.5置入边缘条件和初始条件

它们包括：

-所有导流通道的外部面上的压力，

-附装件区域中的压力，

-所有导流通道的流体温度和热传递系数，如上所述，

-应力边缘条件。

这些应力边缘条件(夹紧情况)可以从板式热交换器的开发或生产中知道。

流体温度和热传递系数优选供通道的有源区用。对于无源区，相应值可以恒定地继续或者线性内插。替换地，如果有无源区，流体温度和热传递系数也被用在无源区中。

作为仿真的初始条件，将板式热交换器的铝块的温度置于一个确定的值，例如20℃。

在分层模型的框架内可以预给定主要的参量，如热传递系数或流体温度或者还有工作压力，当然也与时间有关，使得可以将瞬时事件模型化并确定相应的应力变化曲线。

2.6计算过程

首先基于热边缘条件和仿真场景确定金属温度分布。

应力分布的计算建立在温度分布上。程序根据压力、应力边缘条件和温度分布通过移动分布来计算应力分布。移动分布相应于具有机械约束的板式热交换器的几何特征。

2.7估算应力

借助该方法此时可以借助简化模型来仿真板式热交换器内部的应力分布。为了估算应力，存在推荐和规定形式的比较应力。由此存在这样的可能性：将一个完整板式热交换器、不是仅仅其局部的应力分布与比较应力相比较。板式热交换器的其它构件如附装件也可以被纳入到对温度应力的时间和空间分布的仿真中。

该仿真可以包括不同的工况，例如稳定运行，在特定条件下运行，低负荷运行或一般的在不同负载条件下的工况，起动或停止。

Claims (14)

1.用于确定板式热交换器的强度的方法，其中：

借助三维数字仿真计算板式热交换器的在热交换器内部在其工作期间的温度应力，并且

基于所计算的温度应力确定板式热交换器的强度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在仿真时计算稳定的和不稳定的温度应力。

3.用于制造具有金属制成的分隔板(1)和成型件(2)的板式热交换器的方法，其中：

借助按照权利要求1或2所述方法进行的强度确定来确定该热交换器的一个或多个机械参数，并且

以这个参数或以这些参数来制造该热交换器。

4.用于制造技术设备的方法，该技术设备具有至少一个板式热交换器，其中，在该方法中：

制造板式热交换器，

按照权利要求1或2所述的方法进行强度确定，

根据强度确定的结果决定是否将该板式热交换器用在该设备中和/或是否修改该设备和/或其工作方式。

5.用于制造技术设备的方法，该技术设备具有至少一个板式热交换器，其中，在该方法中：

在第一步骤中用传统手段设计该板式热交换器，

在第二步骤中按照权利要求1或2所述的方法进行强度确定，

在第三步骤中检查所确定的强度是否满足技术设备的要求，并且在第四步骤中：

当第三步骤是肯定结果时，以当前的设计制造板式热交换器并规定其用于该技术设备中，

当第三步骤是否定结果时，重复第二、第三和第四步骤。

6.根据权利要求3至5之一所述的方法，其特征在于，板式热交换器的制造包括以下步骤：

将焊剂施加到分隔板(1)的面上，

交替堆叠分隔板(1)和成型件(2)，

将成型件(2)与分隔板(1)钎焊。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，在三维数字仿真温度应力时确定成型件(2)中和分隔板(1)中的空间温度分布，其方式是，建立并使用其中一个成型件(2)的与其中一个分隔板(1)接触的部分的分层模型，具有以下步骤：

将成型件(2)模型化为一个均匀填满分隔板(1)之间的空间的金属块，该金属块在其一个侧面上与所述分隔板(1)处于可导热的接触中，

确定通过流体引起的到成型件(2)中和到邻接的分隔板(1)中的总的热导入，该总的热导入具有第一热导入，即从流体到成型件(2)中的热传递并接着通过成型件(2)和从成型件(2)到邻接的分隔板(1)中的热传导，

将与第一热导入相应的热量引入到金属块内部的一个第一面(11，12)中，

其中，该方法具有用于适配分层模型的修正因数。

8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其特征在于，在三维数字仿真温度应力时使用以下步骤：

确定沿着流体流动方向的流体温度和流体与板式热交换器之间的热传递系数，

确定成型件(2)中和分隔板(1)中的空间温度分布，其方式是，建立并使用其中一个成型件(2)的与其中一个分隔板(1)接触的部分的分层模型，具有以下步骤：

将成型件(2)模型化为一个均匀填满分隔板(1)之间的空间的金属块，该金属块在其一个侧面上与所述分隔板(1)处于可导热的接触中，

确定通过流体引起的到成型件(2)中和到邻接的分隔板(1)中的总的热导入，该总的热导入具有第一热导入，即从流体到成型件(2)中的热传递并接着通过成型件(2)和从成型件(2)到邻接的分隔板(1)中的热传导，

将与第一热导入相应的热量引入到金属块内部的一个第一面(11，12)中，

其中，该方法具有用于适配分层模型的修正因数。

9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其特征在于，将总的热导入分成所述第一热导入和一个第二热导入，即从流体到成型件(2)区域中的邻接的分隔板(1)的热传递，该方法包含进一步的步骤：将与第二热导入相应的热量引入到金属块与分隔板之间的接触平面中的一个第二面(12，13)中。

10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，在该方法中，流体与板式热交换器之间的热传递的热传递系数乘以一个修正热导入的热传递修正因数。

11.根据权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，在该方法中，第一面和第二面的面积乘以一个面积修正因数。

12.根据权利要求1至11之一所述的方法，其特征在于，在该方法中，金属块的热传导系数乘以一个考虑它的均匀结构的热传导修正因数。

13.根据权利要求1至12之一所述的方法，其特征在于，在该方法中，金属块的热容量或密度乘以一个容量修正因数。

14.根据权利要求1至13之一所述的方法，具有附加步骤：基于在分层模型中确定的温度分布及金属块和分隔板(1)的弹性模量求得成型件中和分隔板中的空间应力分布。

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