EP3179192A1 - Method for determining a state of a heat exchanger device - Google Patents
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- EP3179192A1 EP3179192A1 EP15003521.0A EP15003521A EP3179192A1 EP 3179192 A1 EP3179192 A1 EP 3179192A1 EP 15003521 A EP15003521 A EP 15003521A EP 3179192 A1 EP3179192 A1 EP 3179192A1
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- heat exchanger
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F2200/00—Prediction; Simulation; Testing
Definitions
- the invention relates to a method for determining a condition, such as a strength of a heat exchanger device.
- a condition such as a strength of a heat exchanger device.
- plate heat exchangers are considered and further proposed methods for producing a heat exchanger and / or a process plant.
- the invention relates to a method for operating heat exchangers or heat exchangers or process plants.
- the one or more process streams may be material streams and in particular may be formed by fluid streams of a respective process fluid or by energy flows.
- a method for determining a state of a heat exchanger device having means for heat transfer by means of fluid streams of a process fluid is proposed, in which a thermohydraulic simulation of the fluid flows of the process fluid through passages in the heat exchanger device for determining temperature and / or Heat transfer coefficient profiles of the means for heat transfer takes place.
- the process fluid is in particular a fluid medium of a cryogenic plant, such as liquids, liquefied gases or gas mixtures. It is conceivable, for example, water, liquefied petroleum gas, liquefied air or air separation products.
- the state to be determined of the heat exchanger device is in particular a thermohydraulic state. It is also conceivable to determine a strength state.
- heat exchanger in the sense of this description also includes devices that transmit or conduct heat.
- a so-called heat pipe or a heat pipe can be regarded as a heat exchanger device.
- a heat-conducting element in a system so a means for heat transfer, can be understood as a heat exchanger device.
- a heat exchanger device also applies a so-called regenerator, in which heat first - for example, a first fluid withdrawn and - is stored and the heat then - for example, to a second fluid - is discharged.
- the heat exchange device is configured to transfer an amount of heat from a first fluid to a second fluid.
- a recuperator One speaks also of a recuperator.
- the proposed method refers to general devices that can transfer heat
- thermohydraulic simulation preferably temporally variable temperature boundary conditions and / or heat transfer coefficient profiles, in particular at the means for heat transfer, are determined.
- concentration and / or vapor content profiles of the process fluid are also determined.
- the temporally varying temperature boundary conditions are in embodiments using a model for a phase transition of the process fluid, for a separation of components of the process fluid or a separation of Components of the process fluid, determined for a Auf Stahlgang with the process fluid and / or fluid dynamic instabilities of the process fluid.
- a respective passage with a coupled means for heat transfer is imaged onto a one-dimensional model system with a process stream feed, a heat transfer path and a process stream outfeed, along the heat transfer path a particular one-dimensionally extended body with a heat capacity is applied.
- a heat capacity value and / or a heat transfer value for the one-dimensional expanded body are increased stepwise or continuously to ensure numerical convergence of the one-dimensional model system.
- Embodiments of the method are used to forecast a lifetime of parts of a process plant, such as a heat exchanger, under the influence of thermal changes during operation of the plant.
- a lifetime consumption analysis the state of the heat exchanger device is determined as a life consumption in the manner of a Wöhler curve, wherein a stress in dependence on a number of operating cycles of the heat exchanger device is determined.
- the means for heat transfer may comprise a pipe, a plate, a separating plate, a profile part, a lamella or a rib.
- the state of the heat exchanger device is optionally determined by means of a finite element method (FEM) for a structural analysis of the state as a function of the variable temperature boundary conditions.
- FEM finite element method
- voltage states (locally and temporally distributed) of the heat exchanger device can be determined.
- At least one structural parameter is in particular a solder joint, a material thickness or a material selection.
- the design of the system or the heat exchanger can be adjusted so that an improved life expectancy occurs.
- fins, length or width specifications, layer patterns, two-phase feeds or other design measures can be taken.
- Manufacturing is to be understood as meaning that existing plants are modified with, for example, installed heat exchangers in order to achieve improved simulated or predicted lifetimes. In this respect, it is also possible to speak of a method for converting a system or heat exchanger device if a change in the system takes place on the basis of simulations carried out.
- the design or operation of the system or the heat exchanger can be adjusted so that an improved life expectancy occurs.
- the simulation thus enables optimized operation of systems comprising heat exchangers.
- a computer program product which causes the execution of the method or methods explained above on a program-controlled device. It is conceivable, for example, the implementation using a computer or a control room computer for a process plant.
- the determination of the (thermo-hydraulic) state of the respective heat exchanger can be implemented in the manner of a process simulator. As a result, interactions of the considered heat exchanger with other parts of the system can be taken into account, in particular modular.
- the process simulator can be part of a simulation software.
- a computer program product such as a computer program means may, for example, be used as a storage medium, e.g. Memory card, USB stick, CD-ROM, DVD, or even in the form of a downloadable file provided by a server in a network or delivered. This can be done, for example, in a wireless communication network by the transmission of a corresponding file with the computer program product or the computer program means.
- the method (s) are in particular software-implemented, and in the following also synonymously is spoken by a simulation software and / or a process simulator.
- the user interface includes a display device configured to visually represent a network of passages, first selection means for selecting a displayed passage, second selection means for assigning a one-dimensional model to a selected passage, and third selection means for assigning simulation parameters to the one-dimensional model assigned to the selected passage, the user interface being communicatively coupled to the process simulator.
- the user interface display device is further configured to display multiple variants of one-dimensional models for selection, the variants including consideration of a temporal mass enrichment of the process fluid, a bulk mass transport of the process fluid, a reaction rate, a temporal impulse accumulation of the process fluid, a spatial impulse transport of the process fluid, a spatial pressure gradient, a spatial friction, effects of gravity on the process fluid, a temporal energy enrichment of the process fluid, a spatial enthalpy transport of the process fluid, an expansion work of the process fluid, friction dissipation and / or a heat input or an acoustic entry from the outside for the respective passage allow.
- the variants including consideration of a temporal mass enrichment of the process fluid, a bulk mass transport of the process fluid, a reaction rate, a temporal impulse accumulation of the process fluid, a spatial impulse transport of the process fluid, a spatial pressure gradient, a spatial friction, effects of gravity on the process fluid, a temporal energy enrichment of the process fluid, a spatial enthalpy
- a simulation facility then includes at least one process simulator and user interface as described above and below, and the user interface passes the selected and assigned indications for the selected passages, the respective assigned one-dimensional model variants, and the assigned simulation parameters to the process simulator.
- Fig. 1 shows as an example of a heat transfer device, a plate heat exchanger 10 from the outside.
- the plate heat exchanger 10 has a central cuboid 8 with a length L of about 6 m and a width or height B, H of 1.2 m each.
- nozzle 7 Through nozzle 7, the plate heat exchanger 10, a process fluid, for example, water, supplied or this be removed again. Thus, when flowing through, a process stream is obtained.
- the attachments 6 and 6a serve to distribute the water introduced through the nozzles 7 or to collect and to concentrate the water to be taken from the plate heat exchanger 10.
- the various water streams then exchange heat.
- the in Fig. 1 shown plate heat exchanger 10 is designed to pass more than two process streams in separate passages for heat exchange with each other. A part of the streams can be passed in opposite directions, another part crosswise. To further illustrate, the simplified situation is considered where two process streams flow past each other in separate alternating passages. In principle, larger numbers of process streams can also be handled and taken into account in a simulation.
- the cuboid 8 thus has alternately parallel to the flow directions lying passages 14 and dividers 1. Both the dividers 1 and the passages 14 are made of aluminum. On their sides are the passages 14 through bars 4 made of aluminum, so that a side wall is formed by the stacking construction with the dividing plates 1. The outer passages 14 of the cuboid 8 are covered by a parallel to the passages and the partitions 1 lying cover 5 made of aluminum.
- Fig. 3 shows one of the passages 14 of the in the Fig. 1 and 2 shown plate heat exchanger.
- the direction of flow of the water is indicated by arrows.
- the water flows in to be distributed in the associated distributor profile 3 over the entire width of the passage 14. Subsequently, the water flows through the heat exchange profile 2 and is concentrated after the heat exchange from the other distributor profile 3 on the output side distributor profile access 9.
- the passage 14 is bounded by the bars 4.
- the dividing plates 1 and the profiles 2 and 3 undergo thermal expansion changes. This can lead to thermal stresses that can fatigue the plate heat exchanger 10 and eventually damage.
- thermohydraulic simulation of the temperature distribution based on these heat flows in the plate heat exchanger 10 the stress distribution is determined in particular by means of a structural mechanical calculation. Based on these simulated stress distributions, it is possible to estimate failure risks, design improved plate heat exchangers 10 and, in particular, optimize operating modes.
- thermohydraulic simulation In order to determine the stress distribution in a plate heat exchanger, first of all the spatial and temporal temperature distribution is determined by means of a thermohydraulic simulation and from this the stress distribution is calculated.
- the momentum dynamics can be taken into account as needed.
- c p are the specific heat capacity, ⁇ the process fluid density, T the temperature, v the speed of the process fluid , z the one-dimensional position, and q ⁇ a heat input as heat flow line density.
- the equation (1) corresponds to a heated pipe or a passage, for example, the length L.
- Fig. 4 shows an example of three passages S1, S2, S3 and a partition wall 11 with a heat capacity CW.
- a respective passage eg S3, has a fluid inlet 13 and a fluid outlet 12.
- the heat capacity CW or heat capacities
- heat transfer is described as a one-dimensional extended heat flux density profile.
- the two passages S1 and S2 pass the two passages S1 and S2 at the point 15 or a.
- the start temperature distribution can be set arbitrarily.
- the length L along the one-dimensional axis z is indicated.
- the heat input for the passage S2 would be denoted by q ⁇ CW, S2 .
- Adiabatic boundary conditions can be used for the heat conduction of the one-dimensionally assumed partition wall (for example made of metal), that is to say: ⁇ T ⁇ z
- Fig. 5 shows two examples of an initial temperature distribution as a function of the position z. On the left a start temperature distribution is shown, which comes from a stationary assumed energy balance and on the right an arbitrarily assumed distribution. The initial distribution can z. B. be used for one of the passages.
- the temporal discretization takes place, for example, with the aid of a BDF method (Backward Differentiation Formula), which is not discussed in detail here.
- BDF methods for solving differential equations are known.
- the 8 and 9 show results from investigations by the applicant for a so-called Shell and Tube Heat Exchanger (STHE) 16.
- STHE Shell and Tube Heat Exchanger
- tube bundle 18 are surrounded by an outer jacket wall 17.
- the z-axis is horizontal and a scenario has been simulated where one of the two process streams fails ( Fig. 8, Fig. 9 ).
- Fig. 9 The right-hand diagram shows the temperature difference between the tube bundle and the heat exchanger jacket after the failure of the process fluid flow according to the one-dimensional modeling or simulation.
- the Fig. 10 shows results from the applicant's investigations for a so-called Coil Wound Heat Exchanger (CWHE) 19.
- CWHE Coil Wound Heat Exchanger
- the upper left part of Fig. 10 shows an image of a corresponding heat exchanger.
- the temporal temperature curves and heat transfer coefficient profiles can now serve as input data for a structural-mechanical stress analysis, so that a strength state of the respective heat exchanger can be determined taking into account thermohydraulic properties.
- FIG. 11 some process steps for a corresponding method are summarized. The method is carried out, for example, with the aid of a process simulator, which can be implemented as a computer program on a computer system, such as a PC.
- the Fig. 12 illustrates a possible embodiment for a process simulator. to Operation of the process simulator may serve a user interface. An example of an appropriate interface is one of Fig. 13 shown. In the following, a variant of the simulation method based on Fig. 11 - 13 explained.
- the Indian Fig. 12 indicated process simulator 20 has a calculation module 21, a plurality of model modules 22 1 - 22 N , a memory module 23 and simulation modules 24 1 - 24 3 .
- the modules 21-24 are implemented, for example, as software-implemented routines, program parts or functions.
- the process simulator 20 may be part of a software library.
- a hardware implementation is also conceivable in which the functions of the modules or units explained below are hardwired, implemented as ASICs or even FPGAs.
- a user interface 25 communicatively coupled to the process simulator 25.
- the user interface 25 and the process simulator 20 form a simulation device to determine conditions of heat exchangers by means of a thermo-hydraulic simulation.
- the user interface 25 includes a display device 26 configured to visually represent a network of passages S i of a heat exchanger, first selection means for selecting a displayed passage, second selection means for assigning a one-dimensional model to a selected passage, and third selection means for assigning simulation parameters to the one-dimensional model assigned to the selected passage.
- the user interface 25, for example, displays various variants of one-dimensional models 27 1 -27 N for selection and further enables a set of simulation parameters to be assigned to a respective selected model for a passage, the process simulator 20 then performing corresponding simulations through the simulation module 24 1 .
- simulation parameters that apply to the selected passage.
- selection means 29 for example, clickable buttons are provided.
- the length of the passage and the pressure of the process fluid present at the outfeed are determined (arrows P4 and P5).
- simulation parameters are, for example, a process fluid velocity, a heat flow line density, a number of interpolation points along the length for the spatial discretization, a fluid temperature at the inlet or a heat capacity. Further simulation parameters are conceivable, the quantities to be assigned depending on the selected one-dimensional model.
- step St2 ( Fig. 11 ) is now a simulation of the process fluid flow and the temperature distribution based on Navier-Stokes equations.
- the simulation module 24 1 accesses the model modules 22 1 - 22 N and the simulation parameters present in the memory module 23 and carries out the respective numerical calculations.
- step St3 dynamic temperature distributions are obtained on the surfaces of the heat exchanger elements such as plates, pipes, attachments, dividing plates, etc.
- the density, speed etc. are related to the process fluid as a whole.
- the density ⁇ is, for example, the mixing density of the entire flowing fluid with its constituents.
- each fluid component j can in principle also be stated for each fluid component j and be used as a basis for the simulation. For example, a segregation of the components or constituents of the respective process fluid can thus also be detected.
- the first term in the mass-conservation equation (3) stands for mass enrichment
- the second for mass transport and the right-hand side corresponds to the reaction rate.
- the momentum conservation equation (4) the first term on the left side is for momentum accumulation, the second term for impulse transport.
- the first term considers acceleration due to a pressure gradient, the second term friction, and the third term gravity.
- the variables given in the model equations can be used in particular as simulation parameters.
- heat capacity values and / or heat transfer value for the one-dimensional extended body are initially disregarded and increased only slowly, stepwise or continuously, to numerically converge the one-dimensional model system realized with the aid of the model modules 22 1 -22 N will ensure. That is, it is started by a non-heat coupled model system, and heat transport is ramped up to the desired value according to the particular simulation parameter.
- step St3 The boundary conditions provided by the simulation module 24 1 in step St3 are now used for further calculations and simulation of structural mechanical properties of the heat transfer means installed in the heat exchanger. Thus, temperature and / or heat transfer coefficient profiles of the means for heat transfer are obtained, which can be used in subsequent FEM calculations (step St4).
- the second simulation module 24 2 of the process simulator 20 is set up to perform a corresponding FEM method.
- the second leads Simulation module 24 2 a method according to the EP 1 830 149 B1 by which reference is hereby made to the full extent (incorporated by reference).
- the FEM calculations yield stress curves, comparative stress data, or similar state determining quantities that can be used to estimate the lifetime of particular elements in the heat exchanger.
- a lifetime for example, determined by a sheet in the heat exchanger.
- the third simulation module 24 3 is set up to calculate a lifetime consumption of the system or of the heat exchanger as a function of the structural mechanical determination of temperature-induced voltages.
- a corresponding simulation system such as the process simulator 20, is thus based on the combination of the thermo-fluid dynamic simulation with a finite element analysis and lifetime estimation.
- FIG. 3 is a flowchart for another embodiment of an advanced simulation method for determining states of a heat exchanger.
- step St21 critical operating scenarios are identified and defined with regard to thermal stresses and thus to the expected service life of the heat exchanger. For example, startup or shutdown scenarios can be determined.
- step St22 to St24 based on the scenario definition, the thermohydraulic modeling, validation and simulation of the corresponding heat exchanger (s). The effects considered in the simulation are the same as those explained for steps St2, St3 above.
- step St25 dynamic temperature and heat transfer coefficient profiles are created as a result of the simulations. These represent the input data for the subsequent structural mechanical calculations, which are performed in step St26.
- the structural mechanics calculations provide, for example, fatigue curves for the calculated operating scenarios, from which the expected lifetime consumption for the individual scenarios (step St27) is determined. In Consequently, for the entirety of the defined operating scenarios, the resulting total lifetime consumption for the heat exchanger under consideration can be determined (step St28).
- the Fig. 15 schematically shows an application of a process simulator 20 to support a plant controller 30 in a method for operating a process plant 40.
- the plant controller 30 controls by means of control signals CT the system, such as a cryogenic plant for air separation, gas liquefaction or the like.
- the system controller 30 receives measurement or sensor signals MS from measuring sensors in the system. For example, temperatures, pressures and flows are detected and evaluated by the plant controller 30 so that intended operations can be set.
- a process simulator 20 which performs a simulation of the completed operations or modifications of the planned operations. How to Fig. 11 1, a life cycle consumption estimate is made (see step St5) so that an operating procedure or parameter may be changed by the plant controller 30 to allow for improved or extended operating time, for example with a prolonged maintenance interval.
- the process simulator 20 provides lifetime estimates LD to the plant controller 30 or operating personnel. As part of a maintenance cycle, the further operation can take place with the improved operating parameters or the improved operating sequence.
- the system controller 30 then outputs possibly modified control signals CT '. Consequently, the operation of the plant 40 is optimized depending on the simulation by the process simulator 20.
- the process simulator 20 may, for example, in the maintenance intervals hints for operating recommendations to be changed for the operator, but it also It is conceivable that on the basis of the simulation results LD, the system controller 30 automatically makes adjustments to the respective operating sequence or to the operating parameters.
- thermo-hydraulic simulation production, planning, design, conversion or operation of a process plant can be carried out as a function of the thermo-hydraulic simulation, as described above. It is also possible to determine structural parameters, such as a choice of material, plate thicknesses, tube lengths or the like, before the production of the system or of the heat exchanger.
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Abstract
Verfahren zum Bestimmen eines Zustands einer Wärmetauschereinrichtung (10), welche Mittel zum Wärmeübertragen mit Hilfe von mindestens einem Prozessstrom aufweist, wobei eine thermohydraulische Simulation des mindestens einen Prozessstroms durch mindestens eine Passage (14) in der Wärmetauschereinrichtung (10) zur Bestimmung von Temperatur- und/oder Wärmeübergangskoeffizientenprofilen der Mittel zum Wärmeübertragen erfolgt.A method for determining a state of a heat exchanger device (10), which comprises means for heat transfer by means of at least one process stream, wherein a thermohydraulic simulation of the at least one process stream through at least one passage (14) in the heat exchanger means (10) for determining temperature and / or heat transfer coefficient profiles of the means for heat transfer takes place.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands, wie zum Beispiel einer Festigkeit einer Wärmetauschereinrichtung. Dabei werden zum Beispiel Plattenwärmetauscher betrachtet und ferner Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und/oder einer verfahrenstechnischen Anlage vorgeschlagen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben von Wärmetauschern bzw. Wärmeübertragern oder verfahrenstechnischen Anlagen.The invention relates to a method for determining a condition, such as a strength of a heat exchanger device. In this case, for example, plate heat exchangers are considered and further proposed methods for producing a heat exchanger and / or a process plant. Moreover, the invention relates to a method for operating heat exchangers or heat exchangers or process plants.
Es ist wünschenswert, die mechanische und thermische Beanspruchung von Elementen in verfahrenstechnischen Anlagen, wie zum Beispiel Luftzerlegungs- oder Gasverflüssigungsanlagen, zu prognostizieren, um deren Lebensdauer, Wartungsanfälligkeit oder Beständigkeit abzuschätzen. Dazu werden Simulationsverfahren benötigt, die den Betrieb der Anlage realistisch nachbilden und Zustandsgrößen der in der Anlage verbauten Elemente bereitstellen. Meist sind diese Simulationsverfahren rechentechnisch äußerst aufwendig oder sie liefern nicht ausreichend präzise Daten.It is desirable to predict the mechanical and thermal stress of elements in process plants, such as air separation or gas liquefaction plants, to estimate their life, maintenance or durability. This requires simulation methods that realistically simulate the operation of the system and provide state variables of the elements installed in the system. In most cases, these simulation methods are computationally extremely expensive or they do not provide sufficiently precise data.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Simulationsmöglichkeiten bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide improved simulation capabilities.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche nennen optionale Weiterbildungen.This object is achieved by a method having the features of
Demgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands einer Wärmetauschereinrichtung, welche Mittel zum Wärmeübertragen mit Hilfe von Prozessströmen aufweist, vorgeschlagen. Dabei erfolgt eine thermohydraulische Simulation eines oder mehrerer Prozessströme durch eine oder mehrere Passagen in der Wärmetauschereinrichtung zur Bestimmung von Temperatur- und/oder Wärmeübergangskoeffizientenprofilen der Mittel zum Wärmeübertragen.Accordingly, a method for determining a state of a heat exchanger device having means for heat transfer by means of process streams is proposed. In this case, a thermohydraulic simulation of one or more process streams takes place through one or more passages in the heat exchanger device for the determination of temperature and / or heat transfer coefficient profiles of the means for heat transfer.
Der oder die Prozessströme können Materialströme sein und insbesondere von Fluidströmen eines jeweiligen Prozessfluids oder durch Energieströme gebildet sein. Insofern wird bei einer Ausführungsform ein Verfahren zum Bestimmen eines Zustands einer Wärmetauschereinrichtung, welche Mittel zum Wärmeübertragen mit Hilfe von Fluidströmen eines Prozessfluids aufweist, vorgeschlagen, bei dem eine thermohydraulische Simulation der Fluidströme des Prozessfluids durch Passagen in der Wärmetauschereinrichtung zur Bestimmung von Temperatur- und/oder Wärmeübergangskoeffizientenprofilen der Mittel zum Wärmeübertragen erfolgt.The one or more process streams may be material streams and in particular may be formed by fluid streams of a respective process fluid or by energy flows. In this respect, in one embodiment, a method for determining a state of a heat exchanger device having means for heat transfer by means of fluid streams of a process fluid is proposed, in which a thermohydraulic simulation of the fluid flows of the process fluid through passages in the heat exchanger device for determining temperature and / or Heat transfer coefficient profiles of the means for heat transfer takes place.
Das Prozessfluid ist insbesondere ein fluides Medium einer kryotechnischen Anlage, wie Flüssigkeiten, verflüssigte Gase oder Gasgemische. Denkbar ist zum Beispiel Wasser, Flüssiggas, verflüssigte Luft oder Luftzerlegungsprodukte.The process fluid is in particular a fluid medium of a cryogenic plant, such as liquids, liquefied gases or gas mixtures. It is conceivable, for example, water, liquefied petroleum gas, liquefied air or air separation products.
Der zu bestimmende Zustand der Wärmetauschereinrichtung ist insbesondere ein thermohydraulischer Zustand. Denkbar ist auch die Bestimmung eines Festigkeitszustands.The state to be determined of the heat exchanger device is in particular a thermohydraulic state. It is also conceivable to determine a strength state.
Der im Plural gebrauchte Begriff "Mittel" ist als Gattungsbezeichnung zu verstehen, sodass nicht zwingend mehrere strukturelle Elemente zum Wärmeübertragen notwendig sind.The term used in the plural term "means" is to be understood as a generic name, so that not necessarily several structural elements for heat transfer are necessary.
Als Wärmetauschereinrichtung gilt üblicherweise eine Einrichtung, die geeignet ist, Wärme von einer ersten zu einer zweiten Seite zu übertragen. Man kann auch von einer Wärmeübertragereinrichtung, die strukturelle Mittel aufweist, sprechen. Streng genommen erfolgt dabei kein "Austausch" von Wärme, vielmehr wird eine Wärmemenge übertragen, weshalb im Folgenden auch von einem Wärmeübertrager gesprochen wird.As a heat exchanger device usually applies a device which is adapted to transfer heat from a first to a second side. It is also possible to speak of a heat exchanger device which has structural means. Strictly speaking, there is no "exchange" of heat, but a quantity of heat is transferred, which is why in the following also referred to by a heat exchanger.
Grundsätzlich umfasst der Begriff "Wärmetauscher" im Sinne dieser Beschreibung auch Einrichtungen, die Wärmemengen übertragen bzw. leiten. Insofern kann auch eine sogenannte Heatpipe bzw. ein Wärmerohr als Wärmetauschereinrichtung aufgefasst werden. Auch ein wärmeleitendes Element in einer Anlage, also ein Mittel zum Wärmeübertragen, kann als Wärmetauschereinrichtung verstanden werden.In principle, the term "heat exchanger" in the sense of this description also includes devices that transmit or conduct heat. In this respect, a so-called heat pipe or a heat pipe can be regarded as a heat exchanger device. Also, a heat-conducting element in a system, so a means for heat transfer, can be understood as a heat exchanger device.
Als Wärmetauschereinrichtung gilt ferner ein sogenannter Regenerator, bei dem Wärme zunächst - beispielsweise einem ersten Fluid entzogen und - gespeichert wird und die Wärme anschließend - beispielsweise an ein zweites Fluid - abgegeben wird.As a heat exchanger device also applies a so-called regenerator, in which heat first - for example, a first fluid withdrawn and - is stored and the heat then - for example, to a second fluid - is discharged.
In Ausführungsformen ist die Wärmetauschereinrichtung eingerichtet, eine Wärmemenge von einem ersten Fluid auf ein zweites Fluid zu übertragen. Man spricht auch von einem Rekuperator.In embodiments, the heat exchange device is configured to transfer an amount of heat from a first fluid to a second fluid. One speaks also of a recuperator.
Das vorgeschlagene Verfahren bezieht sich dabei allgemeine Einrichtungen, die Wärme übertragen können,The proposed method refers to general devices that can transfer heat,
Es erfolgt dabei eine thermohydraulische Bestimmung von Temperaturprofilen in Passagen des Wärmetauschers, die zeitlich variieren können. Diese dynamischen Temperaturprofile werden als Randbedingungen der strukturmechanischen Berechnung benötigt. Diese wird z.B. mit Hilfe von Finite Elemente Methoden (FEM) durchgeführt. Die ermittelten Temperaturprofile können dabei an Strukturelementen des Wärmetauschers vorliegen, welche das Prozessfluid leiten. Mann kann jedoch auch von Temperatur- oder Wärmeübergangskoeffizientenprofilen der jeweiligen Prozessfluidströme sprechen.There is a thermohydraulic determination of temperature profiles in passages of the heat exchanger, which can vary over time. These dynamic temperature profiles are required as boundary conditions of the structural mechanics calculation. This is e.g. performed using finite element methods (FEM). The determined temperature profiles can be present on structural elements of the heat exchanger, which conduct the process fluid. However, man can also speak of temperature or heat transfer coefficient profiles of the respective process fluid flows.
Bei der thermohydraulischen Simulation werden vorzugsweise zeitlich veränderliche Temperaturrandbedingungen und/oder Wärmeübergangskoeffizientenprofile, insbesondere an den Mitteln zum Wärmeübertragen, ermittelt. In Weiterbildungen des Verfahrens werden ferner Konzentrations- und/oder Dampfanteilprofile des Prozessfluids ermittelt. Durch die Ermittlung der vorgenannten Profile mit Hilfe der thermohydraulischen Simulation, wobei die Profile als Randbedingungen für weitere Bestimmungsverfahren für den Wärmetauscher oder Wärmeübertrager dienen, wird eine zuverlässige Zustandsbestimmung bei reduziertem Rechenaufwand ermöglicht. Im Rahmen der Simulation werden somit thermodynamische Zustände und fluiddynamische Zustände in der Wärmetauschereinrichtung oder einer verfahrenstechnischen Anlage gleichzeitig ermittelt.In the thermohydraulic simulation, preferably temporally variable temperature boundary conditions and / or heat transfer coefficient profiles, in particular at the means for heat transfer, are determined. In further developments of the method, concentration and / or vapor content profiles of the process fluid are also determined. By determining the aforementioned profiles with the aid of thermohydraulic simulation, the profiles serving as boundary conditions for further determination methods for the heat exchanger or heat exchanger, a reliable determination of the state is made possible with reduced computational effort. As part of the simulation, thermodynamic states and fluid-dynamic states in the heat exchanger device or a process-engineering system are thus simultaneously determined.
Die zeitlich veränderlichen Temperaturrandbedingungen werden in Ausführungsformen mit Hilfe eines Modells für einen Phasenübergang des Prozessfluids, für eine Stofftrennung von Bestandteilen des Prozessfluids bzw. eine Entmischung von Bestandteilen des Prozessfluids, für einen Auffüllvorgang mit dem Prozessfluid und/oder für fluiddynamische Instabilitäten des Prozessfluids ermittelt.The temporally varying temperature boundary conditions are in embodiments using a model for a phase transition of the process fluid, for a separation of components of the process fluid or a separation of Components of the process fluid, determined for a Auffüllvorgang with the process fluid and / or fluid dynamic instabilities of the process fluid.
In Ausführungsformen wird zur thermohydraulischen Simulation eine jeweilige Passage mit einem angekoppelten Mittel zum Wärmeübertragen auf ein eindimensionales Modellsystem mit einer Prozessstromeinspeisung, einer Wärmeübertragungsstrecke und einer Prozessstromausspeisung abgebildet, wobei entlang der Wärmeübertragungstrecke ein insbesondere eindimensional ausgedehnter Körper mit einer Wärmekapazität anliegt.In embodiments, for thermal-hydraulic simulation, a respective passage with a coupled means for heat transfer is imaged onto a one-dimensional model system with a process stream feed, a heat transfer path and a process stream outfeed, along the heat transfer path a particular one-dimensionally extended body with a heat capacity is applied.
Vorzugsweise werden bei der thermohydraulischen Simulation ein Wärmekapazitätswert und/oder ein Wärmeübertragungswert für den eindimensionalen ausgedehnten Körper schrittweise oder kontinuierlich erhöht, um ein numerisches Konvergieren des eindimensionalen Modellsystems zu gewährleisten.Preferably, in the thermal hydraulic simulation, a heat capacity value and / or a heat transfer value for the one-dimensional expanded body are increased stepwise or continuously to ensure numerical convergence of the one-dimensional model system.
In Ausführungsformen umfasst das Verfahren wenigstens einen oder mehrere und vorzugsweise alle der folgenden Schritte:
- Erfassen mehrerer, vorzugsweise aller, Passagen eines Wärmetauschers und/oder einer verfahrenstechnischen Anlage mit jeweils einem Anfangspunkt und einem Endpunkt, wobei ein jeweiliger Anfangs- oder Endpunkt einer Prozessstromeinspeisung oder einer Prozesstromausspeisung entspricht;
- Erfassen von Knoten zwischen den erfassten Passagen, wobei an einem Knoten mehrere Anfangs und/oder Endpunkte zusammenlaufen;
- Zuordnen eines eindimensionalen Modells zu jeder erfassten Passage;
- Festlegen von Drücken des Prozessfluids an Prozesstromausspeisungen und den Knoten; und
- Durchführen einer räumlich und zeitlich diskretisierten computerimplementierten Berechnung der bzw. des eindimensionalen Modells zum Bestimmen der Temperatur- und/oder Wärmeübergangskoeffizientenprofile.
- Detecting a plurality, preferably all, passages of a heat exchanger and / or a process plant, each having a start point and an end point, wherein a respective start or end point corresponds to a process stream feed or a process stream feed;
- Detecting nodes between the detected passages, wherein a plurality of start and / or end points converge at a node;
- Associating a one-dimensional model with each detected passage;
- Setting pressures on the process fluid to process power outlets and the node; and
- Performing a spatially and temporally discretized computer-implemented calculation of the one-dimensional model or models for determining the temperature and / or heat transfer coefficient profiles.
Vorzugsweise wird im Sinne einer Navier-Stokes'schen Beschreibung ein vollständiger ortsaufgelöster thermodynamischer Zustand in einer Dimension simulationstechnisch berücksichtigt. Dass hießt Masse-, Impuls- und Energiebilanzen werden eindimensional betrachtet. Insofern kann man sagen, dass zur thermohydraulischen Simulation eine jeweilige Passage mit Hilfe eindimensionaler Navier-Stokes-Gleichungen beschrieben wird.Preferably, in the sense of a Navier-Stokes' description, a complete spatially resolved thermodynamic state in one dimension is taken into account in terms of simulation technology. That means mass, momentum and energy balances are considered one-dimensional. In this respect one can say that to the thermohydraulic Simulation a respective passage is described using one-dimensional Navier-Stokes equations.
Vorzugsweise werden adiabatische Randbedingungen an den Anfangs- und Endpunkten einer beispielsweise von Metallelementen begrenzten Passage bzw. an einer Prozessstromeinspeisung und einer Prozessstromausspeisung am Metall verwendet. Da heißt, es wird angenommen, dass innerhalb des Metalls in Strömungsrichtung des Prozessfluids kein Wärmetransport erfolgt.Preferably, adiabatic boundary conditions are used at the start and end points of, for example, a metal element bounded passage or at a process stream feed and a process stream outfeed to the metal. In other words, it is assumed that no heat transport takes place within the metal in the direction of flow of the process fluid.
Bei der entsprechenden eindimensionale Simulation gehen in Varianten des Verfahrens Terme ein, die beschreiben: eine zeitliche Masseanreicherung des Prozessfluids, einen räumlichen Massetransport des Prozessfluids, eine Reaktionsrate, eine zeitliche Impulsanreicherung des Prozessfluids, einen räumlichen Impulstransport des Prozessfluids, einen räumlichen Druckgradienten, eine räumliche Reibung, Einflüsse der Schwerkraft auf das Prozessfluid, eine zeitliche Energieanreicherung des Prozessfluids, einen räumlichen Enthalpietransport des Prozessfluids, eine Ausdehnungsarbeit des Prozessfluids, Reibungsdissipation und/oder einen Wärmeeintrag oder akustischen Eintrag von außen.In the corresponding one-dimensional simulation, variants of the method include terms which describe a temporal mass enrichment of the process fluid, a spatial mass transport of the process fluid, a reaction rate, a temporal impulse accumulation of the process fluid, a spatial impulse transport of the process fluid, a spatial pressure gradient, a spatial friction Influences of gravity on the process fluid, a temporal energy enrichment of the process fluid, a spatial enthalpy transport of the process fluid, an expansion work of the process fluid, friction dissipation and / or a heat input or acoustic input from the outside.
Ausführungsformen des Verfahrens dienen einer Prognose für eine Lebensdauer von Teilen einer verfahrenstechnischen Anlage, wie beispielsweise eines Wärmetauschers, unter dem Einfluss von thermischen Veränderungen während des Betriebs der Anlage. Man spricht auch von einer Lebensdauerverbrauchsanalyse. Gemäß einer Variante des Verfahrens wird der Zustand der Wärmetauschereinrichtung als ein Lebensdauerverbrauch in der Art einer Wöhler-Kurve bestimmt, wobei eine Beanspruchung in Abhängigkeit von einer Anzahl von Betriebszyklen der Wärmetauschereinrichtung bestimmt wird.Embodiments of the method are used to forecast a lifetime of parts of a process plant, such as a heat exchanger, under the influence of thermal changes during operation of the plant. One speaks also of a lifetime consumption analysis. According to a variant of the method, the state of the heat exchanger device is determined as a life consumption in the manner of a Wöhler curve, wherein a stress in dependence on a number of operating cycles of the heat exchanger device is determined.
Die Mittel zum Wärmeübertragen können ein Rohr, eine Platte, ein Trennblech, ein Profilteil, eine Lamelle oder eine Rippe umfassen.The means for heat transfer may comprise a pipe, a plate, a separating plate, a profile part, a lamella or a rib.
Vorzugsweise berücksichtigt die Simulation einen Joule-Thompson-Effekt des Prozessstroms in den Passagen.Preferably, the simulation takes into account a Joule-Thompson effect of the process stream in the passages.
Bei der Durchführung des Verfahrens erfolgt insbesondere eine zeitliche und örtliche Diskretisierung.In the implementation of the method is carried out in particular a temporal and local discretization.
Der Zustand der Wärmetauschereinrichtung wird optional mit Hilfe eines Finite Elemente Verfahrens (FEM) für eine strukturmechanische Berechnung des Zustands in Abhängigkeit von den veränderlichen Temperaturrandbedingungen bestimmt. Dabei können Spannungszustände (örtlich und zeitlich verteilt) der Wärmeübertragereinrichtung bestimmt werden.The state of the heat exchanger device is optionally determined by means of a finite element method (FEM) for a structural analysis of the state as a function of the variable temperature boundary conditions. In this case, voltage states (locally and temporally distributed) of the heat exchanger device can be determined.
Es wird ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Anlage oder Wärmetauschereinrichtung vorgeschlagen, wobei strukturelle Parameter der Wärmetauschereinrichtung in Abhängigkeit von einem bestimmten Zustand als Ergebnis des Verfahrens zum Bestimmen eines Zustands der Wärmetauschereinrichtung des herzustellenden Typs festgelegt werden. Dabei ist wenigstens ein struktureller Parameter insbesondere eine Lötstelle, eine Materialdicke oder eine Materialauswahl.There is also proposed a method of manufacturing a plant or heat exchanger device, wherein structural parameters of the heat exchanger device are determined as a function of a specific state as a result of the method for determining a state of the heat exchanger device of the type to be produced. In this case, at least one structural parameter is in particular a solder joint, a material thickness or a material selection.
Durch eine vorherige Simulation, beispielsweise bestimmter Betriebssituationen für den Wärmetauscher, und eine entsprechende Zustandsermittlung als Lebensdauerverbrauchsanalyse, kann das Design der Anlage bzw. des Wärmetauschers derart angepasst werden, dass eine verbesserte Lebensdauererwartung eintritt. Beispielsweise können Fins, Längen- oder Breitenangaben, Lagenmuster, Zweiphaseneinspeisungen oder weitere konstruktive Maßnahmen ergriffen werden. Unter Herstellen ist insofern auch zu verstehen, dass bestehende Anlagen mit zum Beispiel verbauten Wärmetauschern verändert werden, um verbesserte simulierte bzw. prognostizierte Lebensdauern zu erreichen. Man kann insofern auch von einem Verfahren zum Umbauen einer Anlage oder Wärmetauschereinrichtung sprechen, wenn aufgrund durchgeführter Simulationen eine Veränderung der Anlage erfolgt.By a prior simulation, for example, certain operating conditions for the heat exchanger, and a corresponding state determination as a lifetime consumption analysis, the design of the system or the heat exchanger can be adjusted so that an improved life expectancy occurs. For example, fins, length or width specifications, layer patterns, two-phase feeds or other design measures can be taken. Manufacturing is to be understood as meaning that existing plants are modified with, for example, installed heat exchangers in order to achieve improved simulated or predicted lifetimes. In this respect, it is also possible to speak of a method for converting a system or heat exchanger device if a change in the system takes place on the basis of simulations carried out.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage oder Wärmetauschereinrichtung vorgeschlagen, wobei Betriebsparameter in Abhängigkeit von einem bestimmten Zustand als Ergebnis des vorgenannten Verfahrens zum Bestimmen eines Zustands der Wärmetauschereinrichtung festgelegt werden, und wobei ein Betriebsparameter insbesondere ein Druck, ein Wartungsintervall oder ein Austauschzeitpunkt von Mitteln zum Wärmeübertragen ist.Furthermore, a method for operating a system or heat exchanger device is proposed, wherein operating parameters are defined as a function of a specific state as a result of the aforementioned method for determining a state of the heat exchanger device, and wherein an operating parameter is in particular a pressure, a maintenance interval or a replacement time of means for heat transfer.
Durch eine Simulation, beispielsweise bestimmter Betriebssituationen oder Betriebsverläufe für den Wärmetauscher oder der Anlage, und eine entsprechende Zustandsermittlung als Lebensdauerverbrauchsanalyse, kann das Design oder der Betrieb der Anlage bzw. des Wärmetauschers derart angepasst werden, dass eine verbesserte Lebensdauererwartung eintritt. Die vorgenommene Simulation ermöglicht damit einen optimierten Betrieb von Anlagen, die Wärmetauscher umfassen.By a simulation, for example, certain operating situations or operating histories for the heat exchanger or the system, and a corresponding state determination as a lifetime consumption analysis, the design or operation of the system or the heat exchanger can be adjusted so that an improved life expectancy occurs. The simulation thus enables optimized operation of systems comprising heat exchangers.
Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches auf einer programmgesteuerten Einrichtung die Durchführung des bzw. der wie oben erläuterten Verfahren veranlasst. Denkbar ist zum Beispiel die Durchführung mit Hilfe eines Computers oder eines Leitwartenrechners für eine verfahrenstechnische Anlage. Die Bestimmung des (thermohydraulischen) Zustands des jeweiligen Wärmeübertragers kann in der Art eines Prozesssimulators implementiert sein. Dadurch können, insbesondere modular, Wechselwirkungen des betrachteten Wärmetauschers mit weiteren Anlagenteilen berücksichtigt werden. Der Prozesssimulator kann Teil einer Simulationssoftware sein.Furthermore, a computer program product is proposed which causes the execution of the method or methods explained above on a program-controlled device. It is conceivable, for example, the implementation using a computer or a control room computer for a process plant. The determination of the (thermo-hydraulic) state of the respective heat exchanger can be implemented in the manner of a process simulator. As a result, interactions of the considered heat exchanger with other parts of the system can be taken into account, in particular modular. The process simulator can be part of a simulation software.
Ein Computerprogrammprodukt, wie z.B. ein Computerprogramm-Mittel, kann beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.A computer program product, such as a computer program means may, for example, be used as a storage medium, e.g. Memory card, USB stick, CD-ROM, DVD, or even in the form of a downloadable file provided by a server in a network or delivered. This can be done, for example, in a wireless communication network by the transmission of a corresponding file with the computer program product or the computer program means.
Das bzw. die Verfahren sind insbesondere software-implementiert, und es wird im Folgenden auch synonym von einer Simulationssoftware und/oder einem Prozesssimulator gesprochen.The method (s) are in particular software-implemented, and in the following also synonymously is spoken by a simulation software and / or a process simulator.
Es wird darüberhinaus eine Benutzerschnittstelle für einen solchen Prozesssimulator vorgeschlagen. Die Benutzerschnittstelle umfasst dann eine Anzeigeeinrichtung, die eingerichtet ist, ein Netzwerk von Passagen visuell darzustellen, erste Auswahlmittel zum Auswählen einer dargestellten Passage, zweite Auswahlmittel zum Zuweisen eines eindimensionalen Modells zu einer ausgewählten Passage, und dritte Auswahlmittel zum Zuweisen von Simulationsparametern zu dem der ausgewählten Passage zugewiesenen eindimensionalen Modell, wobei die Benutzerschnittstelle kommunikativ an den Prozesssimulator gekoppelt ist.It is also proposed a user interface for such a process simulator. The user interface then includes a display device configured to visually represent a network of passages, first selection means for selecting a displayed passage, second selection means for assigning a one-dimensional model to a selected passage, and third selection means for assigning simulation parameters to the one-dimensional model assigned to the selected passage, the user interface being communicatively coupled to the process simulator.
Vorzugsweise ist die Anzeigeeinrichtung der Benutzerschnittstelle ferner eingerichtet, mehrere Varianten von eindimensionalen Modellen zur Auswahl anzuzeigen, wobei die Varianten die Berücksichtigung einer zeitlichen Masseanreicherung des Prozessfluids, eines räumlichen Massetransports des Prozessfluids, einer Reaktionsrate, einer zeitliche Impulsanreicherung des Prozessfluids, eines räumlichen Impulstransportes des Prozessfluids, eines räumlichen Druckgradienten, einer räumliche Reibung, von Einflüssen der Schwerkraft auf das Prozessfluid, einer zeitliche Energieanreicherung des Prozessfluids, eines räumlichen Enthalpietransports des Prozessfluids, einer Ausdehnungsarbeit des Prozessfluids, von Reibungsdissipation und/oder eines Wärmeeintrags oder eines akustischen Eintrags von außen für die jeweilige Passage erlauben.Preferably, the user interface display device is further configured to display multiple variants of one-dimensional models for selection, the variants including consideration of a temporal mass enrichment of the process fluid, a bulk mass transport of the process fluid, a reaction rate, a temporal impulse accumulation of the process fluid, a spatial impulse transport of the process fluid, a spatial pressure gradient, a spatial friction, effects of gravity on the process fluid, a temporal energy enrichment of the process fluid, a spatial enthalpy transport of the process fluid, an expansion work of the process fluid, friction dissipation and / or a heat input or an acoustic entry from the outside for the respective passage allow.
Eine Simulationseinrichtung umfasst dann mindestens einen Prozesssimulator und eine Benutzerschnittstelle, wie zuvor und im Folgenden beschrieben, und die Benutzerschnittstelle übergibt die ausgewählten und zugewiesenen Angaben für die ausgewählten Passagen, die jeweiligen zugewiesenen Varianten eindimensionaler Modelle und die zugewiesenen Simulationsparameter an den Prozesssimulator.A simulation facility then includes at least one process simulator and user interface as described above and below, and the user interface passes the selected and assigned indications for the selected passages, the respective assigned one-dimensional model variants, and the assigned simulation parameters to the process simulator.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.Further possible implementations of the invention also include not explicitly mentioned combinations of features or embodiments described above or below with regard to the exemplary embodiments. The skilled person will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the invention.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch und perspektivisch einen Plattenwärmeübertrager von außen mit einigen Anbauten. -
Fig. 2 zeigt denPlattenwärmeübertrager aus Figur 1 mit einem teilweise weggelassenen Abdeckblech ohne die Anbauten. -
Fig. 3 zeigt schematisch und perspektivisch eine Passage aus dem Plattenwärmeübertrager derFig. 1 .und 2 -
Fig. 4 zeigt eine Darstellung für ein Passagenmodell. -
Fig. 5 zeigt Diagramme mit möglichen Start-Temperaturverteilungen in einer Passage. -
Fig. 6 - 10 zeigen Simulationsergebnisse für verschiedene Ausführungsformen von Wärmeübertragern. -
Fig. 11 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Ausführungsbeispiel eines Simulationsverfahrens zum Bestimmen von Zuständen eines Wärmeübertragers. -
Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung für ein Ausführungsbeispiel eines Prozesssimulators zum Bestimmen von Zuständen eines Wärmeübertragers. -
Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung für ein Ausführungsbeispiel einer Benutzerschnittstelle für einen Prozesssimulator nachFig. 12 . -
Fig. 14 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Simulationsverfahrens zum Bestimmen von Zuständen eines Wärmeübertragers. -
Fig. 15 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage.
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Fig. 1 shows schematically and in perspective a plate heat exchanger from the outside with some attachments. -
Fig. 2 shows the plate heat exchangerFIG. 1 with a partially omitted cover plate without the attachments. -
Fig. 3 shows schematically and in perspective a passage from the plate heat exchanger ofFig. 1 and 2 , -
Fig. 4 shows a representation for a passage model. -
Fig. 5 shows diagrams with possible start temperature distributions in one passage. -
Fig. 6 - 10 show simulation results for different embodiments of heat exchangers. -
Fig. 11 shows a flowchart for an embodiment of a simulation method for determining states of a heat exchanger. -
Fig. 12 shows a schematic representation of an embodiment of a process simulator for determining states of a heat exchanger. -
Fig. 13 shows a schematic representation of an embodiment of a user interface for a process simulatorFig. 12 , -
Fig. 14 shows a flowchart for another embodiment of a simulation method for determining states of a heat exchanger. -
Fig. 15 shows a flowchart for an embodiment of a method for operating a process plant.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.In the figures, the same or functionally identical elements have been given the same reference numerals, unless stated otherwise.
Der in
In
Der Quader 8 weist also abwechselnd parallel zu den Strömungsrichtungen liegende Passagen 14 und Trennbleche 1 auf. Sowohl die Trennbleche 1 als auch die Passagen 14 sind aus Aluminium gefertigt. Zu ihren Seiten sind die Passagen 14 durch Balken 4 aus Aluminium abgeschlossen, so dass durch die Stapelbauweise mit den Trennblechen 1 eine Seitenwand ausgebildet ist. Die außen liegenden Passagen 14 des Quaders 8 sind durch eine parallel zu den Passagen und den Trennblechen 1 liegende Abdeckung 5 aus Aluminium verdeckt.The
Der Quader 8 ist durch Aufbringen eines Lots auf die Flächen der Trennbleche 1 und anschließendes abwechselndes Aufeinanderstapeln der Trennbleche 1 und der Passagen 14 hergestellt. Die Abdeckungen 5 decken den Stapel 8 nach oben oder unten ab. Anschließend ist der Stapel 8 durch Erhitzen in einem den Stapel 8 umfassenden Ofen verlötet worden. Bei der Dimensionierung der Lötstellen oder der Materialdicken können insbesondere Verfahren zum Einsatz kommen, die Festigkeitszustände der Elemente des Wärmeübertragers 10 prognostizieren bzw. berechnen. Bei der Herstellung können dann beispielsweise Schwächen oder besonders stressbelastete Elemente verstärkt werden. Um insbesondere Spannungsverteilungen an den Passagen 14 bestimmen zu können, ist es wünschenswert die aufgrund der Prozessströme auftretenden dynamischen Temperaturverteilungen und/oder -Profile der lokalen Wärmeübergangskoeffizientenprofile zu simulieren.The
An den Seiten des Plattenwärmeübertragers 10 weisen die Verteilerprofile 3 Verteilerprofilzugänge 9 auf. Durch diese kann von außen das Wasser als Prozessfluid in die zugehörigen Passagen 14 über die Aufsätze 6 und 6a und Stutzen 7 eingebracht bzw. auch wieder entnommen werden. Die in
Um Verwirbelungen des Wassers zu fördern und damit den Wärmeübergang zu begünstigen, sind in die Wärmeaustauschprofile 2 in dem Beispiel als geschnittene Profile (serrated fins) ausgebildet.To promote turbulence of the water and thus the heat transfer favor, are formed in the
Abhängig von den durch die während des Betriebes durch den Plattenwärmeübertrager 10 fließenden Prozessströme erzeugten Temperaturen vollziehen die Trennbleche 1 und die Profile 2 bzw. 3 thermische Ausdehnungsänderungen. Dies kann zu Thermo-Spannungen führen, welche den Plattenwärmeübertrager 10 ermüden und schließlich beschädigen können.Depending on the temperatures generated by the process streams flowing through the
Durch eine thermohydraulische Simulation der auf diesen Wärmeströmungen basierenden Temperaturverteilung in dem Plattenwärmeübertrager 10 wird die Spannungsverteilung insbesondere mit Hilfe einer strukturmechanischen Berechnung bestimmt. Basierend auf diesen simulierten Spannungsverteilungen lassen sich Ausfallrisiken abschätzen, verbesserte Plattenwärmeübertrager 10 konstruieren und insbesondere auch Betriebsweisen optimieren.By means of a thermohydraulic simulation of the temperature distribution based on these heat flows in the
Um die Spannungsverteilung in einem Plattenwärmeübertrager zu bestimmen, wird zunächst die räumliche und zeitliche Temperaturverteilung anhand einer thermohydraulischen Simulation bestimmt und aus dieser die Spannungsverteilung errechnet.In order to determine the stress distribution in a plate heat exchanger, first of all the spatial and temporal temperature distribution is determined by means of a thermohydraulic simulation and from this the stress distribution is calculated.
Um die zeitlich veränderlichen Temperaturrandbedingungen, insbesondere an den Mitteln zum Wärmeübertragen, zu ermitteln, erfolgt im Wesentlichen eine Bestimmung der jeweiligen Temperatur- und/oder Wärmeübergangskoeffizientenprofile. Als vereinfachende Annahmen können in Ausführungsformen eindimensionale Navier-Stokes-Gleichungen für die Passagen angenommen werden.In order to determine the time-varying temperature boundary conditions, in particular at the means for heat transfer, a determination of the respective temperature and / or heat transfer coefficient profiles is essentially carried out. As simplistic assumptions, one-dimensional Navier-Stokes equations for the passages may be assumed in embodiments.
Ferner wird vorzugsweise berücksichtigt: eine Akkumulierung von Energie im Prozessfluid, Dissipation, Korrelationen gemäß HTRI, HTFS, VDI etc. oder Korrelationen, die vom Nutzer der entsprechenden Simulationssoftware definiert werden können, z.B.: α = α(x(z)), α = α(ṁ(z)) wobei x der Massenanteil an Dampf, z die Position in der Passage und m der Massenstrom ist. Ferner kann nach Bedarf die Impulsdynamik berücksichtigt werden.Furthermore, it is preferably taken into account: an accumulation of energy in the process fluid, dissipation, correlations according to HTRI, HTFS, VDI etc. or correlations that can be defined by the user of the corresponding simulation software, eg: α = α ( x ( z )) , α = α ( ṁ ( z )) where x is the mass fraction of steam, z is the position in the passage and m is the mass flow. Furthermore, the momentum dynamics can be taken into account as needed.
Zur Energiebilanz wird bei einer vereinfachten Variante des Simulationsverfahrens für die 1-D Wärmekapazität angenommen:
Dabei sind cp die spezifische Wärmekapazität, ρ die Prozessfluiddichte, T die Temperatur, v die Geschwindigkeit des Prozessfluids, z die eindimensionale Position, und q̇ ein Wärmeeintrag als Wärmestrom-Liniendichte. Die Gleichung (1) entspricht einem beheizten Rohr oder einer Passage z.B. der Länge L.Here, c p are the specific heat capacity, ρ the process fluid density, T the temperature, v the speed of the process fluid , z the one-dimensional position, and q̇ a heat input as heat flow line density. The equation (1) corresponds to a heated pipe or a passage, for example, the length L.
Es können für die Wärmeleitung der eindimensional angenommenen Trennwand (zum Bespiel aus Metall) adiabatische Randbedingungen verwendet werden, das heißt:
Insofern werden Temperaturveränderungen in der Trennwand 11 entlang den Strömungsrichtungen der Fluide in den Passagen S1, S2, S3 vernachlässigt. In Varianten des vorgeschlagenen Verfahrens können auch andere Randbedingungen verwendet werden oder ein Wärmetransport in Trennwänden in die Simulation einbezogen werden.In this respect, temperature changes in the
In den folgenden
Die zeitliche Diskretisierung erfolgt zum Beispiel mit Hilfe eines BDF-Verfahren (Backward Differentiation Formulae), auf das im Detail hier nicht eingegangen wird. BDF-Verfahren zum Lösen von Differenzialgleichungen sind bekannt.The temporal discretization takes place, for example, with the aid of a BDF method (Backward Differentiation Formula), which is not discussed in detail here. BDF methods for solving differential equations are known.
Die
Die
Die
Die zeitlichen Temperaturverlaufskurven und Wärmeübergangskoeffizientenprofile können nun als Eingangsdaten für eine strukturmechanische Spannungsanalyse dienen, sodass ein Festigkeitszustand des jeweiligen Wärmeübertragers unter Berücksichtigung thermohydraulischer Eigenschaften ermittelt werden kann.The temporal temperature curves and heat transfer coefficient profiles can now serve as input data for a structural-mechanical stress analysis, so that a strength state of the respective heat exchanger can be determined taking into account thermohydraulic properties.
In
Der in der
Zur Bedienung des Prozesssimulators 20 durch eine Bedienperson ist eine in der
Die Benutzerschnittstelle 25 umfasst eine Anzeigeeinrichtung 26, die eingerichtet ist, ein Netzwerk von Passagen Si eines Wärmetauschers visuell darzustellen, erste Auswahlmittel zum Auswählen einer dargestellten Passage, zweite Auswahlmittel zum Zuweisen eines eindimensionalen Modells zu einer ausgewählten Passage, und dritte Auswahlmittel zum Zuweisen von Simulationsparametern zu dem der ausgewählten Passage zugewiesenen eindimensionalen Modell. Die Benutzerschnittstelle 25 zeigt zum Beispiel verschiedene Varianten von eindimensionalen Modellen 271 - 27N zur Auswahl an und ermöglicht ferner, einem jeweiligen ausgewählten Modell für eine Passage einen Satz von Simulationsparameter zuzuweisen, wobei der Prozesssimulator 20 durch das Simulationsmodul 241 dann entsprechende Simulationen durchführt.The
Zunächst werden im ersten Schritt St1 die Passagen 14 in der Anlage, wie zum Beispiel in dem Wärmetauscher der
Der Benutzer kann nun eine Passage Auswählen (vgl. Pfeil P1 in
Die Benutzerschnittstelle 25 stellt mehrere mögliche Modelle 271 - 27N zu Auswahl. Zum Beispiel kann das in Gleichung (1) angedeutete Modell für ein beheiztes Rohr der ausgewählten Passage zugewiesen werden. Dies ist durch den Pfeil P2 angedeutet.The
Anschließend kann der Benutzer Simulationsparameter festlegen, die für die jeweilige ausgewählte Passage gelten. Dazu sind Auswahlmittel 29, beispielsweise anklickbare Schaltflächen vorgesehen. Beispielsweise werden die Länge der Passage und der an der Ausspeisung vorliegende Druck des Prozessfluids festgelegt (Pfeile P4 und P5). Weitere mögliche Simulationsparameter sind zum Beispiel eine Prozessfluidgeschwindigkeit, eine Wärmestrom-Liniendichte, eine Anzahl von Stützstellen entlang der Länge für die räumliche Diskretisierung, eine Fluidtemperatur am Eintritt bzw. der Einspeisung oder eine Wärmekapazität. Weitere Simulationsparameter sind denkbar, wobei die zuzuordnenden Größen von dem gewählten eindimensionalen Modell abhängen.Then the user can set simulation parameters that apply to the selected passage. For this selection means 29, for example, clickable buttons are provided. For example, the length of the passage and the pressure of the process fluid present at the outfeed are determined (arrows P4 and P5). Further possible simulation parameters are, for example, a process fluid velocity, a heat flow line density, a number of interpolation points along the length for the spatial discretization, a fluid temperature at the inlet or a heat capacity. Further simulation parameters are conceivable, the quantities to be assigned depending on the selected one-dimensional model.
Der Prozesssimulator 20 verfügt über entsprechende Modellmodule 221 - 22N, wobei ein Modellmodul 22i eingerichtet ist, unter Berücksichtigung von zugehörigen Simulationsparametern eine eindimensionale, räumlich und zeitlich unabhängig voneinander erfolgende diskrete numerische Berechnung gemäß dem Modell "i" durchzuführen. Die über die Benutzerschnittstelle 25 auswählbaren eindimensionalen Modelle 271 - 27N werden insofern von den Modellmodulen 221 - 22N rechentechnisch implementiert.The
Die Benutzerschnittstelle 25 übergibt nun die jeweilige Modellauswahl zusammen mit den zugehörigen festgelegten Simulationsparametern für die Passagen an den Prozesssimulator 20. Es kann dazu beispielsweise eine Beschreibungssprache oder ein Skript ähnlich eines VHDL-Kodes verwendet werden. Die festgelegten Simulationsparameter werden in dem Speichermodul 23 abgespeichert und können von dem Berechnungsmodul 21 angerufen werden.The
Im Schritt St2 (
Bei der Simulation im Schritt St2 gehen vorzugsweise Terme ein, die eine zeitliche Masseanreicherung des Prozessfluids, einen räumlichen Massetransport des Prozessfluids, eine Reaktionsrate, eine zeitliche Impulsanreicherung des Prozessfluids, einen räumlichen Impulstransport des Prozessfluids, einen räumlichen Druckgradienten, eine positionsabhängige Reibung, Einflüsse der Schwerkraft auf das Prozessfluid, eine zeitliche Enthalpieanreicherung des Prozessfluids, einen räumlichen Enthalpietransport des Prozessfluids, eine Ausdehnungsarbeit des Prozessfluids, Reibungsdissipation, und/oder einen Wärmeeintrag von außen beschreiben. Dazu werden im Prozesssimulator 20 entsprechende Modellmodule 221 - 221, beispielsweise als Simulationsroutinen, vorgehalten, die von dem (ersten) Simulationsmodul 241 abruf- und nutzbar sind. Es werden dabei jeweils eindimensionale Erhaltungsgleichungen (insbesondere für Masse, Impuls und Energie) und thermodynamische Zustandsgleichungen (insbesondere für Dichte, Temperatur, Druck und Energie) angesetzt.The simulation in step St2 preferably includes terms that include a time mass enrichment of the process fluid, a spatial mass transport of the process fluid, a reaction rate, a temporal impulse accumulation of the process fluid, a spatial impulse transport of the process fluid, a spatial pressure gradient, a position-dependent friction, and the effects of gravity on the process fluid, a temporal enthalpy enrichment of the process fluid, a spatial enthalpy transport of the process fluid, an expansion work of the process fluid, friction dissipation, and / or describe a heat input from the outside. For this purpose, in the
Man kann für kompressible Fluide die Navier-Stokes-Gleichungen, wie folgt zusammenfassen:
Dabei ist cj = nj/V die molare Dichte in mol/m3 für den Fluidbestandteil j, nc die Anzahl der Fluidkomponenten (dimensionslos), ρ die Dichte in kg/m3, u die Geschwindigkeit in m/s, e die spezifische innere Energie in J/kg, pe die Energiedichte in J/m3, θ der Angriffswinkel in rad, ρ·g·sin(θ) die hydrostatische Spannung in Pa/m, σ der Reibungstensor in N/m2, p der Druck in Pa, die Wärmeflussdicht in W/m2, A die Querschnittsfläche in m2 und U der Umfang. Die Dichte, Geschwindigkeit etc. sind dabei auf das Prozessfluid als Ganzes bezogen. Insofern ist die Dichte ρ zum Beispiel die Mischdichte des gesamten strömenden Fluids mit seinen Bestandteilen.Here, c j = n j / V is the molar density in mol / m 3 for the fluid component j, nc the number of fluid components (dimensionless), ρ the density in kg / m 3 , u the speed in m / s, e the specific internal energy in J / kg, pe the energy density in J / m 3 , θ the angle of attack in rad, ρ · g · sin (θ) the hydrostatic stress in Pa / m, σ the friction tensor in N / m 2 , p the Pressure in Pa, the heat flux density in W / m 2 , A the cross-sectional area in m 2 and U the circumference. The density, speed etc. are related to the process fluid as a whole. In this respect, the density ρ is, for example, the mixing density of the entire flowing fluid with its constituents.
Die Größen können prinzipiell auch für jeden Fluidbestandteil j angegeben werden und der Simulation zugrunde gelegt werden. Beispielsweise kann so auch eine Entmischung der Komponenten bzw. Bestandteile des jeweiligen Prozessfluids erfasst werden.The sizes can in principle also be stated for each fluid component j and be used as a basis for the simulation. For example, a segregation of the components or constituents of the respective process fluid can thus also be detected.
Dabei steht der erste Term in der Massenerhaltungsgleichung (3) für eine Massenanreicherung, der zweite für einen Massentransport, und die rechte Seite entspricht der Reaktionsrate. In der Impulserhaltungsgleichung (4) steht der erste Term auf der linken Seite für eine Impulsanreicherung, der zweite für einen Impulstransport. Auf der rechten Seite der Gleichung (4) berücksichtigt der erste Term eine Beschleunigung wegen eines Druckgefälles, der zweite Term Reibung und der Dritte Term Schwerkraftseinflüsse. Die in den Modellgleichungen angegebenen Größen können insbesondere als Simulationsparameter verwendet werden.Here, the first term in the mass-conservation equation (3) stands for mass enrichment, the second for mass transport, and the right-hand side corresponds to the reaction rate. In the momentum conservation equation (4), the first term on the left side is for momentum accumulation, the second term for impulse transport. On the right side of equation (4), the first term considers acceleration due to a pressure gradient, the second term friction, and the third term gravity. The variables given in the model equations can be used in particular as simulation parameters.
Je nach gewünschter Genauigkeit der Simulation aber auch unter Berücksichtigung des Rechenaufwandes können einige der Terme vernachlässigt werden. Es wird insbesondere auch angenommen, dass das Prozessfluid homogen ist, bzw. Dampf (vap) und die Flüssigkeit (liq) mit derselben Geschwindigkeit fließen:
Es wird zum Beispiel bei der Lösung der Gleichungen unabhängig voneinander zeitlich diskretisiert und räumlich diskretisiert. Dadurch kann der entstehende Rechenaufwand reduziert werden. In Zeitrichtung wird vorzugsweise ein BDF-Verfahren zur numerischen Lösung eingesetzt. Örtlich kann ein Finite Volumen Verfahren verwendet werden.For example, in solving the equations, it is independently discretized and spatially discretized. As a result, the resulting computational effort can be reduced. In the time direction, a BDF method for numerical solution is preferably used. Locally a finite volume method can be used.
Beim Starten der Simulation durch den Prozesssimulator 20 werden Wärmekapazitätswerte und/oder ein Wärmeübertragungswert für den eindimensionalen ausgedehnten Körper zunächst nicht berücksichtigt und nur langsam schrittweise oder kontinuierlich erhöht, um ein numerisches Konvergieren des eindimensionalen Modellsystems, welches mit Hilfe der Modellmodule 221 - 22N realisiert wird, zu gewährleisten. Das heißt, es wird von einem nichtwärmegekoppelten Modellsystem gestartet, und der Wärmetransport wird bis zu dem gewünschten Wert gemäß dem jeweiligen Simulationsparameter hochgefahren.When starting the simulation by the
Gegenüber üblichen CFD-Verfahren (computional fluid dynamics) ist der Aufwand wegen der Vereinfachung auf eindimensionale Phänomene stark reduziert. Es kann aufwandsgünstig eine Simulation erfolgen, die zuverlässige Werte liefert.Compared with conventional CFD (computational fluid dynamics) methods, the complexity is greatly reduced due to the simplification of one-dimensional phenomena. It can be a low-cost simulation that provides reliable values.
Die im Schritt St3 durch das Simulationsmodul 241 bereitgestellten Randbedingungen dienen nun der weiteren Berechnungen und Simulation von strukturmechanischen Eigenschaften der im Wärmetauscher verbauten Mittel zur Wärmeübertragung. Man erhält somit Temperatur- und/oder Wärmeübergangskoeffizientenprofile der Mittel zum Wärmeübertragen, welche in nachfolgenden FEM-Rechnungen zugrunde gelegt werden können (Schritt St4).The boundary conditions provided by the simulation module 24 1 in step St3 are now used for further calculations and simulation of structural mechanical properties of the heat transfer means installed in the heat exchanger. Thus, temperature and / or heat transfer coefficient profiles of the means for heat transfer are obtained, which can be used in subsequent FEM calculations (step St4).
Das zweite Simulationsmodul 242 des Prozesssimulators 20 ist eingerichtet, ein entsprechendes FEM-Verfahren durchzuführen. Beispielsweise führt das zweite Simulationsmodul 242 ein Verfahren gemäß der
Bei der strukturmechanischen Bestimmung von temperaturinduzierten Spannungen bzw. der Festigkeit eines Wärmeübertragers können die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden, wobei zur Vereinfachung ein Plattenwärmetauschers 10 mit Trennblechen 1 und Profilen 2 (vgl.
- Berechnen von
Temperaturspannungen des Plattenwärmetauschers 10 im Inneren des Wärmetauschers während dessen Betriebs mittels einer dreidimensionalen numerischen Simulation; und - Bestimmen der Festigkeit des Plattenwärmetauschers auf der Basis der berechneten Temperaturspannungen.
- Calculating temperature stresses of the
plate heat exchanger 10 inside the heat exchanger during its operation by means of a three-dimensional numerical simulation; and - Determine the strength of the plate heat exchanger based on the calculated temperature stresses.
Bei der dreidimensionalen numerischen Simulation der Temperaturspannungen wird die räumliche Temperaturverteilung in den Profilen 2 und in den Trennblechen 1 bestimmt, indem ein Schichtmodell eines Teiles eines der Profile 2 im Kontakt mit einem der Trennbleche 1 erstellt und verwendet wird. Die dreidimensionale numerische Simulation umfasst dann die Schritte:
- Modellieren des Profilteiles 2 als ein den Raum zwischen
den Trennblechen 1 homogen ausfüllender Metallblock, welcher sich an einer seiner Seiten in einem wärmeleitfähigen Kontaktmit dem Trennblech 1 befindet; - Bestimmen des über das Prozessfluid vermittelten Gesamtwärmeeintrages in
das Profilteil 2 und indas angrenzende Trennblech 1 mit einem Wärmeeintrag von dem Fluid indas Profilteil 2 mit anschließender Wärmeleitung durchdas Profilteil 2 undvon dem Profilteil 2 indas angrenzende Trennblech 1; und - Einbringen einer dem ersten Wärmeeintrag entsprechenden Wärmemenge in eine erste Fläche innerhalb des Metallblocks. Das Verfahren weist insbesondere Korrekturfaktoren zur Anpassung des Schichtmodells.
- Modeling the
profile part 2 as a metal block homogeneously filling the space between the dividingplates 1, which is in heat-conductive contact with the separatingplate 1 on one of its sides; - Determining the mediated via the process fluid total heat input in the
profile part 2 and in theadjacent partition plate 1 with a heat input from the fluid in theprofile part 2 with subsequent heat conduction through theprofile part 2 and of theprofile part 2 in theadjacent partition 1; and - Introducing a quantity of heat corresponding to the first heat input into a first area within the metal block. In particular, the method has correction factors for adapting the layer model.
Beispielsweise ergeben die FEM-Rechnungen Stress-Kurven, Daten über Vergleichsspannungen oder ähnliche zustandsbestimmenden Größen, die einer Abschätzung für die Lebensdauer bestimmter Elemente im Wärmetauscher dienen können.For example, the FEM calculations yield stress curves, comparative stress data, or similar state determining quantities that can be used to estimate the lifetime of particular elements in the heat exchanger.
Im optionalen Schritt St5 wird daher eine Lebensdauer, beispielsweise von einem Blech im Wärmetauscher bestimmt. Das dritte Simulationsmodul 243 ist dazu eingerichtet, in Abhängigkeit von der strukturmechanischen Bestimmung von temperaturinduzierten Spannungen einen Lebensdauerverbrauch der Anlage bzw. des Wärmetauschers zu berechnen. Ein entsprechendes Simulationssystem, wie der Prozesssimulator 20, basiert somit auf der Verknüpfung der thermo-fluiddynamischen Simulation mit einer Finiten-Elemente-Analyse und Lebensdauerabschätzung.In the optional step St5 therefore a lifetime, for example, determined by a sheet in the heat exchanger. The third simulation module 24 3 is set up to calculate a lifetime consumption of the system or of the heat exchanger as a function of the structural mechanical determination of temperature-induced voltages. A corresponding simulation system, such as the
Eine Finite-Elemente-Analyse zur Lebensdauerabschätzung, wie es in den Schritten St4 und St5 bzw. durch die Simulationsmodule 242 und 243, erfolgt, ist zum Beispiel in
In
Im Schritt St21 werden im Hinblick auf thermische Spannungen und damit auf die erwartbare Lebensdauer des Wärmeübertragers kritische Betriebsszenarien identifiziert und definiert. Zum Beispiel können Anfahr- oder Shutdown-Szenarien bestimmt werden.In step St21, critical operating scenarios are identified and defined with regard to thermal stresses and thus to the expected service life of the heat exchanger. For example, startup or shutdown scenarios can be determined.
Im Schritt St22 bis St24 erfolgt auf Basis der Szenario-Definition die thermohydraulische Modellierung, Validierung und Simulation des/der entsprechenden Wärmeübertrager(s). Die bei der Simulation berücksichtigten Effekte entsprechen denen, die zu den Schritte St2, St3 oben erläutert wurden.In step St22 to St24, based on the scenario definition, the thermohydraulic modeling, validation and simulation of the corresponding heat exchanger (s). The effects considered in the simulation are the same as those explained for steps St2, St3 above.
Im Schritt St25 werden als Ergebnis der Simulationen dynamische Temperatur- und Wärmeübergangskoeffizientenprofile erstellt. Diese stellen die Eingangsdaten für die nachfolgenden strukturmechanischen Berechnungen dar, welche in Schritt St26 durchgeführt werden. Die strukturmechanischen Berechnungen liefern zum Beispiel Ermüdungskurven für die berechneten Betriebsszenarien, woraus die zu erwartenden Lebensdauerverbräuche für die einzelnen Szenarien (Schritt St27) ermittelt werden. In der Folge kann für die Gesamtheit der definierten Betriebsszenarien der sich daraus ergebende gesamte Lebensdauerverbrauch für den betrachteten Wärmtauscher bestimmt werden (Schritt St28).In step St25, dynamic temperature and heat transfer coefficient profiles are created as a result of the simulations. These represent the input data for the subsequent structural mechanical calculations, which are performed in step St26. The structural mechanics calculations provide, for example, fatigue curves for the calculated operating scenarios, from which the expected lifetime consumption for the individual scenarios (step St27) is determined. In Consequently, for the entirety of the defined operating scenarios, the resulting total lifetime consumption for the heat exchanger under consideration can be determined (step St28).
Die Simulationsergebnisse der vorgenannten Analysen können benutzt werden, um eine hinreichende Langlebigkeit von Wärmeübertragern durch Anpassungen zu erreichen. Die Erkenntnisse können zu einem veränderten Design eines Wärmeübertragers, zu veränderten oder optimierten Regelkonzepten der Anlage, zu besonderen Betriebsanweisungen für das Bedienpersonal, zur Implementierung von Alarmen oder zusätzlichen oder veränderten prozesstechnischen Schaltungen führen.The simulation results of the aforementioned analyzes can be used to achieve a sufficient longevity of heat exchangers through adjustments. The findings may lead to a changed design of a heat exchanger, to changed or optimized control concepts of the plant, to special operating instructions for the operating personnel, to the implementation of alarms or additional or modified process engineering circuits.
Die
In
Der Prozesssimulator 20 kann beispielsweise in den Wartungsintervallen Hinweise für zu verändernde Betriebsempfehlungen für das Bedienpersonal geben, Es jedoch auch denkbar, dass aufgrund der Simulationsergebnisse LD die Anlagensteuerung 30 selbststätig Anpassungen an den jeweiligen Betriebsablauf oder an den Betriebsparametern vornimmt.The
Insofern können eine Herstellung, eine Planung, ein Entwurf, ein Umbau oder ein Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage in Abhängigkeit von der thermohydraulischen Simulation, wie es zuvor beschrieben wurde, erfolgen. Es können auch strukturelle Parameter, wie eine Materialauswahl, Plattendicken, Rohrlängen oder dergleichen vor der Herstellung der Anlage oder des Wärmetauschers bestimmt werden.In this respect, production, planning, design, conversion or operation of a process plant can be carried out as a function of the thermo-hydraulic simulation, as described above. It is also possible to determine structural parameters, such as a choice of material, plate thicknesses, tube lengths or the like, before the production of the system or of the heat exchanger.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. Es können z. B. Wärmeübertrager betrachtet werden, die andere als die dargestellten Geometrien aufweisen.Although the present invention has been described with reference to embodiments, it is variously modifiable. It can z. As heat exchangers are considered to have other than the geometries shown.
Verwendete Bezugszeichen:
- 1
- Trennblech
- 2
- Wärmeaustauschprofil
- 3
- Verteilerprofil
- 4
- Balken
- 5
- Abdeckung
- 6,6a
- Aufsatz
- 7
- Stutzen
- 8
- zentraler Quader/Stapel
- 9
- Verteilerprofilzugang
- 10
- Plattenwärmetauscher
- 11
- Trennwand
- 12
- Austritt/Ausspeisung
- 13
- Eintritt/Zuspeisung
- 14
- Passage
- 15
- Abzweig/Ausspeisung
- 16
- PFHE-Wärmeübertrager
- 17
- Mantel
- 18
- Rohre
- 19
- STHE-Wärmeübertrager
- 20
- Prozesssimulator
- 21
- Berechnungsmodul
- 221 - 22N
- Modellmodul
- 23
- Speichermodul
- 241 - 243
- Simulationsmodul
- 25
- Benutzerschnittstelle
- 30
- Anlagensteuerung
- 40
- verfahrenstechnische Anlage
- CT
- Steuersignale
- CW
- Wärmekapazität
- MS
- Messdaten
- LD
- Simulationsergebnis
- S1 - S3
- Passage
- St1 - St28
- Verfahrensschritt
- 1
- Divider
- 2
- Heat exchange profile
- 3
- distribution profile
- 4
- bar
- 5
- cover
- 6,6a
- essay
- 7
- Support
- 8th
- central cuboid / stack
- 9
- Distributor profile access
- 10
- Plate heat exchanger
- 11
- partition wall
- 12
- Leak / blowdown
- 13
- Admission / feeding in
- 14
- passage
- 15
- Branch / outfeed
- 16
- PFHE heat exchanger
- 17
- coat
- 18
- Tube
- 19
- Sthe heat exchanger
- 20
- process simulator
- 21
- calculation module
- 22 1 - 22 N
- model module
- 23
- memory module
- 24 1 - 24 3
- simulation module
- 25
- User interface
- 30
- system control
- 40
- Process engineering plant
- CT
- control signals
- CW
- heat capacity
- MS
- measurement data
- LD
- simulation results
- S1 - S3
- passage
- St1 - St28
- step
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