WO2022179749A1 - Ermittlung von verformungen eines wärmetauscherblocks - Google Patents

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WO2022179749A1
WO2022179749A1 PCT/EP2022/025033 EP2022025033W WO2022179749A1 WO 2022179749 A1 WO2022179749 A1 WO 2022179749A1 EP 2022025033 W EP2022025033 W EP 2022025033W WO 2022179749 A1 WO2022179749 A1 WO 2022179749A1
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WO
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heat exchanger
exchanger block
length
points
measuring
Prior art date
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PCT/EP2022/025033
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English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Ferstl
Rainer FLÜGGEN
Pascal Freko
Rainer Hoffmann
Thomas Reiter
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Linde Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0093—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
    • G05B23/02—Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0259—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterized by the response to fault detection
    • G05B23/0283—Predictive maintenance, e.g. involving the monitoring of a system and, based on the monitoring results, taking decisions on the maintenance schedule of the monitored system; Estimating remaining useful life [RUL]

Definitions

  • the invention relates to a method for determining deformations of a heat exchanger block, in particular a heat exchanger block of a rib-plate heat exchanger, a method for determining deformation and/or load changes and/or service life prognosis for a heat exchanger block, and a system with a corresponding measuring arrangement according to the respective preambles of the independent claims.
  • the present invention relates in particular to brazed aluminum plate-fin heat exchangers (PFHE; designations according to the German and English editions of ISO 15547-2:3005), as they are used in a large number of systems at a wide variety of pressures and temperatures are used.
  • Corresponding heat exchangers are used, for example, in the low-temperature separation of air, in the liquefaction of natural gas or in plants for the production of ethylene. If, in the following, a “heat exchanger” or “plate heat exchanger” is used for short, this always means a corresponding (hard) soldered fin-plate heat exchanger made of aluminum.
  • aluminum can also refer to an aluminum alloy.
  • the present invention is not limited to use in fin-plate heat exchangers, but can in principle be used in a wide variety of, in particular heat-transferring, apparatuses that are subject to thermal deformation, in particular cyclical, due to different temperatures, Quantities or states of aggregation of fluids with which these devices are applied, can experience.
  • the following explanations regarding fin-plate heat exchangers only serve as an example for explaining the measures according to the invention.
  • Brazed fin-plate heat exchangers made of aluminum are shown in Figure 2 of the mentioned ISO 15547-2:3005 and on page 5 of the publication "The Standards of the Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers'Association" by ALPEMA, 3rd edition 2010. shown and described.
  • An illustration that essentially corresponds to the illustrations there is shown in attached FIG. 1 as prior art and is explained in advance in the following.
  • the plate heat exchanger 100 shown partially opened in Figure 1 according to the prior art is used for the heat exchange of five different process media A to E in the example shown.
  • the plate heat exchanger 100 For heat exchange between the process media A to E, the plate heat exchanger 100 comprises a large number of separating plates 4 arranged parallel to one another (referred to as parting sheets in the aforementioned publications, to which the following information in brackets also refers), between which Structural sheets with lamellae 3 (fins) are formed with defined heat exchange passages 1 for one of the process media A to E, which can thereby exchange heat with one another.
  • the structural sheets with the lamellae 3 are typically folded or corrugated, flow channels being formed by the folds or corrugations, as also shown in FIG. 1 of ISO 15547-2:3005.
  • the provision of the structured plates with lamellae 3 offers the advantage of improved heat transfer, more targeted fluid guidance and an increase in the mechanical (tensile) strength.
  • the process media A to E flow separately from one another, in particular through the separating plates 4, but can optionally pass through the latter in the case of perforated structured plates with lamellae 3.
  • the individual passages 1 or the structured metal sheets with the lamellae 3 are each surrounded laterally by so-called sidebars 8, which, however, leave feed and removal openings 9 free.
  • the sidebars 8 keep the separating plates 4 at a distance and ensure mechanical reinforcement of the pressure chamber.
  • Reinforced cover plates 5 (cap sheets), which are arranged parallel to the separating plates 4, serve to close off at least two sides.
  • headers 7, which are provided with nozzles 6 (nozzles) serve to close off at least two sides.
  • the process media A to E are supplied and discharged via feed and removal openings 9.
  • distributor fins 2 distributedor fins
  • the structured metal sheets with the lamellae 3, the further structured metal sheets with the distributor lamellas 2, the sidebars 8, the separating sheets 4 and the cover sheets 5 form a heat exchanger block 10 which is cuboid here, with the term "heat exchanger block” being used here to describe the elements mentioned without the headers 7 and nozzle 6 are to be understood in a connected state.
  • the plate heat exchanger 100 can be formed from a plurality of corresponding cuboid heat exchanger blocks 10 connected to one another, in particular for manufacturing reasons.
  • Corresponding plate heat exchangers 100 are brazed from aluminum.
  • the individual passages 1, comprising the structural sheets with the lamellae 3, the other structural sheets with the distributor slats 2, the cover sheets 5 and the sidebars 8 are each provided with solder, stacked on top of one another or arranged accordingly and heated in an oven.
  • the headers 7 and the sockets 6 are welded onto the heat exchanger block 10 produced in this way.
  • a slug flow is understood to mean an at least two-phase flow with at least one liquid and one gaseous phase, the gaseous phase exerts a shear stress on the liquid phase. Waves of the liquid phase often occur in slug flows.
  • An expansion load change is understood to mean an expansion load of parts of the heat exchanger that changes over time. This is caused in particular by the rapidly changing temperature due to the alternating contact of the parts of the heat exchanger with liquid and gaseous medium when a slug flow occurs.
  • Elongation load changes can not only occur due to the slug flows mentioned, but can also be caused by a desired flexible operation of a plant having a corresponding heat exchanger, for example in an air separation plant that is only intended to supply air products temporarily, or whose production quantities are to be particularly flexible, or in the case of temporary working pure liquefaction plants.
  • Corresponding systems should, for example, only work at times of high electricity supply and can otherwise be kept on standby.
  • relevant specialist literature for example H.-W. Häring (ed.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, in particular Section 2.2.5.6, "Apparatus”.
  • heat exchangers heat up when a correspondingly operated system is at a standstill and the heat exchanger is therefore taken out of operation, or the temperature profile that forms in a corresponding heat exchanger cannot be maintained in such a case. If, upon restarting, fluid that has a large temperature difference to the local metal temperature is then fed into a heated or, as explained immediately, temperature-compensated heat exchanger, strong thermal stresses are induced. This applies both when warm fluid meets colder metal and when cold fluid meets warmer metal.
  • a temperature equalization results in particular from the fact that when a heat exchanger is shut down before it heats up overall, due to the good longitudinal heat conduction in its metallic material
  • the temperatures at the previously warm end and the previously cold end are equalized.
  • the previously warm end of the heat exchanger becomes colder and the previously cold end of the heat exchanger becomes warmer until the stated temperatures are at or near an average temperature.
  • this average temperature is still well below the ambient temperature, particularly if the heat exchanger as a whole is accommodated in a temperature-insulated housing.
  • the heat exchanger as a whole only heats up to ambient temperature over a much longer period of time.
  • DE 10 2016000 246 A1 therefore proposes, to determine expansion load changes in plate heat exchangers, an optical measurement of a measured variable that affects at least part of a plate heat exchanger, within a time interval and to determine expansion load changes using the measured variable over the time interval.
  • light is coupled into an optical waveguide arranged in the plate heat exchanger and/or on the plate heat exchanger, so that light is scattered back in the optical waveguide.
  • the measured variable is a parameter of the optical waveguide determined with the aid of the backscattered light. While this method can be used to determine changes in strain loads directly and precisely using a large number of measurement points, the measurement technology used using fiber optic cables has proven to be particularly expensive in practice.
  • WO 2018/215095 A1 proposes a method in which measured values of a temperature are determined by means of a plurality of sensors arranged in or on the apparatus, and a mechanical stress is determined from the measured values of the temperature is determined as a parameter that cannot be measured directly, and the remaining service life is determined from the mechanical stress as a further parameter that cannot be measured directly.
  • a strain measurement is only carried out as a supplement. The proposed method thus works indirectly.
  • sensors can be used to monitor systems and corresponding sensor data can be analyzed programmatically in order to identify problems that arise.
  • sensors can be used in conjunction with one or more system components to detect maldistribution, cross-leakage, strain, pre-leakage, thermal stress, fouling, vibration, fluid handling problems, conditions that may affect air-cooled heat exchangers, conditions that may affect an air-cooled heat exchanger with a wetted can affect the surface, or to recognize and correct the like.
  • An operating condition or operating mode can be adjusted to extend the life of the asset or to avoid an asset failure.
  • a method is known from FR 2 765324 A1, which is applied in particular to a heat exchanger of a pressurized water nuclear reactor steam generator and which consists in emitting ultrasonic wave beams onto the shell of the tube bundle from a series of measuring points outside the outer housing of the heat exchanger.
  • the reflected waves are caught and the radial distances between the outer casing and the inner casing are calculated from the travel times measured, and from this the degree of deformation of the casing is calculated.
  • the ultrasonic waves are pulsed at sufficient intervals to collect the reflected waves and obtain a sufficient number of measurement points to accurately determine a deformation curve for each region of the cladding opposite a measurement point.
  • a method disclosed in DE 10 2017 128 122 A1 is used to monitor the condition of a heat exchanger, in particular a motor vehicle, with a plurality of first flow channels of a cooling medium arranged one above the other and second flow channels of a process medium arranged between the first flow channels and provided with collection boxes at their ends.
  • a heat exchanger in particular a motor vehicle
  • On and / or in the heat exchanger are several sensors for Acquisition of operating parameters and strains of the heat exchanger and a storage unit arranged.
  • the method includes the detection of operating parameter measured values by the sensors, the storage of the measured values in the memory unit, the loading of characteristic values of the heat exchanger and the measured values stored in the memory unit into an analysis unit, the evaluation of the measured values in the analysis unit with analysis software, the calculation of a updated damage value of the heat exchanger, storing the updated damage value in the analysis unit and outputting the updated damage value to an output unit. Furthermore, a heat exchanger is described.
  • a plate heat exchanger for a process plant described in DE 10 2018003 479 A1 is equipped with a large number of fins and a large number of separating plates which are arranged alternately, with at least one separating plate having an optical waveguide which is embedded in the at least one separating plate in this way that the optical waveguide is covered on both sides by material of the at least one separating plate in a first direction and in a second direction, each of which is oriented perpendicular to a plane spanned by the at least one separating plate and in opposite directions to one another.
  • JP S60 137669 A relates to a thermal recording apparatus comprising a base thermal substrate on which a number of heating resistors are arranged in parallel, the base thermal substrate being configured to be movable in a direction in which the front heating resistors are arranged.
  • DE 10 2019 005049 A1 relates to a cold box, the cold box having a process engineering apparatus for treating an oxygen-containing fluid and/or being arranged in an oxygen-containing atmosphere, in particular air.
  • Oxygen sensors are arranged inside or outside of a cold box shell of the cold box, which are arranged in particular at detection positions or are connected to fluid lines opening out at detection positions, the detection positions being selected in particular in such a way that there is a maximum distance from each of the detection positions to each point within the cold box shell , wherein the oxygen sensors are designed in particular as ultrasonic sensors or optical sensors.
  • Deformations can also result from mechanical loads or load changes such as pressure changes (e.g. build-up and release of process pressures), acceleration during earthquakes, wind loads, etc.
  • the invention covers all possible deformations and will only be described for the sake of clarity with predominant reference to thermally induced deformations.
  • the present invention sets itself the task of specifying improved measures for determining deformations in heat exchangers, which can be used in particular to determine changes in expansion loads or forecasts derived therefrom.
  • the present invention proposes a method for determining deformations of a heat exchanger block, in particular a heat exchanger block of a rib-plate heat exchanger, a method for determining load changes and/or service life forecast for a heat exchanger block, and a system with a corresponding measuring arrangement with the respective characteristics of independent patent claims. Configurations are the subject matter of the dependent patent claims and the following description.
  • the deformations determined according to the invention can have thermal causes, but the invention is basically also suitable for determining deformations that are based on other causes.
  • the method proposed according to the invention for determining deformations of a heat exchanger block can be used in particular for determining deformations of a heat exchanger block of a fin-plate heat exchanger, but, as mentioned, is also suitable for other heat exchangers or process engineering apparatuses subjected to deformations.
  • temperature-related changes in length of several measuring sections are recorded using several length measuring devices.
  • mechanical displacement transducers are used as the length measuring devices, and
  • the length measuring devices are used to measure the distances between measuring points on the heat exchanger block and one or one of several fixed points as the temperature-related changes in length, with the one or more fixed points, as explained below, defining or defining a reference system and based on the measured changes in length a three-dimensional detection of the deformations is carried out in relation to the one or more fixed points.
  • the mechanical displacement sensors are designed to convert a mechanical displacement of a rigid element into a signal value.
  • Mechanical displacement transducers are to be understood here as measuring devices that convert a mechanical displacement of a rigid element into a signal value. They differ in this way, for example, from strain gauges, in which an elongation of a resistance wire and a corresponding voltage or resistance measurement to determine the elongation takes place.
  • linear potentiometers can be used in mechanical position sensors, where the position is recorded by a sliding slider on a resistance track. The grinder can be moved in particular via a push rod.
  • Linear potentiometers work as voltage dividers with a conductive resistance path, over which the wiper moves and thus records the position.
  • membrane potentiometers can be used.
  • linear potentiometers are magnetically encoded measuring devices, in which a sensor head is moved over a magnetically encoded measuring tape.
  • Cable-type displacement sensors in which an elongation of the measuring section is converted into a rotation of a spring-loaded reel, are basically known as mechanical displacement sensors.
  • Inductive mechanical displacement sensors can be formed, for example, using push rods whose position is detected inductively.
  • Mechanical displacement sensors can, for example, be designed to be dust-tight and/or water-tight or liquid-tight. Because, for example, in the case of linear potentiometers, the potentiometer itself does not have to be arranged directly at the location of the object to be measured, this can be done, for example be protected from low temperatures or other influences by accommodating it in a suitable housing. This is, for example, an advantage over temperature sensors such as are used in WO 2018/215095 A1, and in which the sensors themselves have to be arranged on the heat exchanger to be measured.
  • the measurement proposed according to the invention in which the distances between measurement points on the heat exchanger block itself and one or one fixed point are measured in each case, is particularly advantageous because it provides direct measurement variables.
  • the measured values of which must first be converted into corresponding derived or predicted values with regard to the deformation for example on the basis of suitable mechanical models
  • the direct measurement enables the determination of the actual deformation of the heat exchanger, which may be due to incorrect intermediate steps is unaffected.
  • the present invention is therefore also suitable for cases in which models cannot be used or created, for example because the exact material data are not available.
  • the invention is therefore also particularly suitable for use with heat exchangers from other manufacturers, for which corresponding data are not published for reasons of secrecy.
  • the present invention can also be used with particular advantage when, for example, models deliver only imprecise or insufficiently accurate results due to material data, material thicknesses and the like that deviate in practice.
  • the ability to retrofit the method according to the invention or means for carrying it out is particularly advantageous.
  • a three-dimensional deformation in particular in all spatial directions, can be determined.
  • the use of strain gauges and the like, for example, each attached to the element to be examined typically only allows one measurement in one direction at a time.
  • a twisting or distortion of the heat exchanger for example, can also be reliably detected in addition to a pure contraction or expansion. This means that stress zones that may not have been taken into account before can be recognized and taken into account in a service life calculation or for later designs to improve stability at appropriate points.
  • a "fixed point” is not to be understood as a non-extending point in the mathematical sense, but can also designate a common fastening structure to which the mechanical displacement transducers or corresponding fastening structures thereof are fastened, for example next to one another or one above the other.
  • This can be, for example, a bolt, by means of which several fastening eyelets of different mechanical displacement sensors are fastened, or an arrangement with a plurality of threaded bores, into which corresponding threads of mechanical displacement sensors are screwed.
  • one or more points in the sense just explained above on a support structure or on several support structures can be used as the one or as the respective one fixed point, which supports or supports the heat exchanger block.
  • the fixed point or points do not necessarily have to be in a fixed position in space, for example if the support structure is provided with suitable dampers to absorb vibrations and the like and is therefore movable to a certain extent.
  • the heat exchanger block or all measuring points is or are advantageously in a fixed position in the absence of deformations relative to the fixed point(s), so that a positional displacement of the measuring points relative to the fixed point(s) results solely from deformation. In this way, a very reliable three-dimensional detection of the deformation relative to the fixed point(s) defining a reference system can take place.
  • a particular advantage of the measures proposed according to the invention is their use in connection with a cold box in which the heat exchanger block is accommodated.
  • one or one fixed point arranged within the cold box can be used as the one or one fixed point in each case.
  • reproducible temperature conditions can also be created for the mechanical displacement transducers, so that fluctuating temperatures do not lead to an expansion or contraction of the elements of the mechanical displacement transducer itself and thus falsify the measurement result, or this temperature-related expansion or contraction is at least understandable and their influence on the measurement result is reproducible.
  • a use of mechanical displacement sensors in connection with a cold box, which can be filled in particular with a suitable heat-insulating filling material such as perlite, is also that the filling material does not impede the measurement with sufficient rigidity of the elements used for the mechanical displacement sensors.
  • This is, for example, the advantage over an optical remote measurement that is also possible in principle, in which a clear line of sight to the targeted measurement points is always required.
  • the present invention can be used particularly advantageously for determining deformations of a heat exchanger block that is not directly accessible from the outside, e.g. installed in a container or isolated or arranged in a cold box.
  • one or more fixed points can also lie on the heat exchanger block itself.
  • a block deformation can also be measured from a fixed point on the block, especially if this is in a fixed position (e.g. because it is located near a fastening) or even if this is not in a fixed position, but a deformation is relative to a corresponding non-stationary fixed point can be determined in a suitable manner.
  • An embodiment of the present invention is particularly advantageous in which the measurement points on the heat exchanger block include one or more measurement points at one or more corners of the heat exchanger block.
  • a three-dimensional image of the heat exchanger block can be created in particular, which can also be used for visual monitoring. For example, areas of high, in particular thermal, stresses can be highlighted in a color-coded manner in such a three-dimensional image and made visible in this way.
  • the use of measurement data or position points derived therefrom in three-dimensional space enables a particularly precise detection, even of irregular deformations.
  • the measurement points on the heat exchanger block can include measurement points at all eight corners of the heat exchanger block.
  • a complete three-dimensional image of the heat exchanger can be generated in three-dimensional space if displacement due to deformation is to be expected for all eight corners of the heat exchanger block.
  • a smaller number of measuring points at the corners can also be sufficient, for example if no or only minimal changes in position are to be expected for certain corners due to their location in the vicinity of attachment points on a supporting structure.
  • a temperature-related change in a width, a height, a depth and/or a volume of the Heat exchanger blocks are determined.
  • the uniformity of the change in width, height, depth and/or volume can also be determined and, if irregularities are identified, these can be counteracted in a suitable manner, for example in terms of process technology, development technology and/or equipment, for example by measures to make the Fluid feed into the heat exchanger block.
  • the mechanical displacement sensors used can each have a rod-shaped section which extends over at least part of the distance between the respective measuring points on the heat exchanger block and the respective fixed point or points.
  • the rod-shaped section can in particular be formed from a material with a known temperature expansion coefficient, which, in particular in connection with the provision of reproducible temperature conditions, for example in a cold box, and taking into account a measured temperature in this context enables an even more reliable measurement.
  • materials with a low coefficient of thermal expansion in particular what are known as invar materials, ie, for example, suitable iron-nickel alloys, can also be used.
  • the method according to the invention for determining deformation and/or load changes and/or service life prognosis for a heat exchanger block, in particular a heat exchanger block of a fin-plate heat exchanger includes using a number of length measuring devices to record changes in length, in particular changes in length of several measuring sections caused by inhomogeneous temperature fields The number of load changes and the remaining calculated service life can be determined from the changes in length.
  • a method is used here, as has been explained above in the configurations.
  • Service life predictions are carried out in a wide variety of technical fields in order to calculate the expected failure time of a component under specified loads and boundary conditions. Methods for the service life prognosis itself are known in principle and are often described in the prior art.
  • the present invention combines this with the inventive use of mechanical displacement sensors and their arrangement between measuring points on the heat exchanger block and one or one fixed point for determining input variables.
  • the necessary maintenance or replacement intervals can be determined for the component under consideration, in the present case for the heat exchanger or components thereof.
  • the lifetime prognosis is typically carried out, and also within the scope of the present invention, on the basis of prognosis models which are derived from material data and design data and which can in particular also be tailored to complex material properties.
  • a service life prognosis can be based in particular on a known, linear damage accumulation hypothesis, but also on the basis of an assumed non-linear damage accumulation.
  • Consecutive load changes with identical loads therefore do not have to have an identical damaging effect, since the previous damage for the second load change differs from that for the first. Lifetime predictions can also be verified using measurement data or validated using field or laboratory data.
  • a system with a heat exchanger block, in particular a heat exchanger block of a fin-plate heat exchanger, and with a measuring arrangement for determining deformations of the heat exchanger block, which has several length measuring devices for detecting temperature-related changes in length of several measuring sections, is also the subject of the present invention.
  • mechanical displacement sensors are provided as the length measuring devices and are each arranged between measuring points on the heat exchanger block and one or one of several fixed points.
  • a reference system is defined by means of the one or more fixed points and the system is set up to Based on the measured changes in length, carry out a three-dimensional detection of the deformations in relation to the one or more fixed points.
  • the mechanical displacement sensors are designed to convert a mechanical displacement of a rigid element into a signal value.
  • FIG. 1 shows a fin-plate heat exchanger not according to the invention in a simplified isometric representation.
  • FIG. 2 shows a system with a rib-plate heat exchanger according to an embodiment of the invention in a simplified schematic representation.
  • FIG. 3 illustrates measurement data determined according to one embodiment of the invention in the form of measurement data diagrams.
  • FIG. 1 has already been explained in the introduction to the description in the assessment of the prior art.
  • FIG. 2 shows a system with a rib-plate heat exchanger according to an embodiment of the invention in a simplified schematic partial illustration. As before, the fin and plate heat exchanger is indicated at 100. Except for the components that are explicitly illustrated and designed differently here, it can be designed identically or comparable to that in Figure 1.
  • a length L, a width W and a length Fl of the heat exchanger block 10 are illustrated as dimensions in FIG. Corners of the heat exchanger block 10 are denoted by E1 to E4 on the upper side, and a corresponding denomination was omitted on the underside except for the corners E5 and E6 for reasons of clarity. Measuring points 11 to 14 are also shown at the corners E1 to E4 on the upper side of the heat exchanger block 10, which can also be arranged on the underside or at the corresponding corners. Here too, with the exception of measuring points 15 and 16, a separate designation was dispensed with merely for the sake of clarity. For clarification, the measuring points 11 to 16 are shown at a distance from the corners E1 to E6, but in reality they are fixed to the corners E1 to E6 of the heat exchanger block. The same applies to the other measuring points and corners.
  • length measuring devices 21 to 24 are illustrated in a highly simplified manner, by means of which temperature-related changes in length of corresponding measuring sections are recorded.
  • the length measuring devices 21 to 24 are in particular designed as mechanical displacement transducers and these are each arranged between the measuring points 11 to 14 on the heat exchanger block 10 and a fixed point F and set up to measure corresponding distances.
  • Further length measuring devices can be provided in the form of mechanical displacement transducers, in particular between the measuring points 15 and 16 at the corners E5 and E6 and the fixed point F or another fixed point and also between measuring points not illustrated here at the other corners and the fixed point F or one another fixed point.
  • additional length measuring devices 25 and 26 in the form of mechanical displacement transducers between the measuring points 11 and 15 on the one hand and between the measuring points 15 and 16 on the other hand are illustrated here, which can be used to obtain additional measurement data, as explained above.
  • Any other measuring points and Corresponding length measuring devices 25 and 26 in the form of mechanical displacement transducers and other measuring devices, sensors and the like can also be provided in addition.
  • the elements mentioned together form a measuring arrangement which is designated here at one point by 20, it also being possible for a control unit 29 to be provided, which can be set up to carry out a method according to an embodiment of the invention.
  • this measuring device designed as a mechanical displacement transducer has a rod-shaped section 21a which, in the example shown here, extends over at least part of the distance between the measuring point 11 on the heat exchanger block 10 and the fixed point F.
  • the rod-shaped section 21a can be formed from a material with a known coefficient of thermal expansion.
  • a point on a support structure supporting the heat exchanger block 10 is used here as the fixed point F.
  • the heat exchanger 100 and its heat exchanger block 10 are accommodated in a cold box indicated by dot-dashed lines and designated 300 , and a fixed point arranged within the cold box 300 is used as the fixed point F.
  • FIG. 3 illustrates measurement data determined according to one embodiment of the invention in the form of measurement data diagrams 310, 320 and 330, with a contraction or expansion being plotted on the ordinate in any length units versus a time in any time units on the abscissa.
  • the graphs 311, 321, 331, 332 and 333 each denote a contraction or expansion in the directions of block depth, width and length at three of four edges. Corresponding deltas are illustrated with arrows 312, 322, 334 and 335.
  • load changes can be recorded and described by evaluating the corresponding data.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Verformungen eines Wärmetauscherblocks (10), insbesondere eines Wärmetauscherblocks (10) eines Rippen-Platten-Wärmetauschers (100), bei dem unter Verwendung mehrerer Längenmesseinrichtungen (21-24) Längenveränderungen mehrerer Messstrecken erfasst werden. Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Erfindung für die Ermittlung von Verformungen eines Wärmetauscherblocks (10) eingesetzt werden, der von außen nicht direkt zugänglich z.B. in Behältnissen eingebaut oder einisoliert oder in sogenannten Coldboxen verbaut ist. Als die Längenmesseinrichtungen (21-24) werden dabei mechanische Wegaufnehmer verwendet, die dazu ausgebildet sind, eine mechanische Verschiebung eines starren Elements in einen Signalwert umzusetzen, und mittels der Längenmesseinrichtungen (21-24) werden als die Längenveränderungen jeweils Abstände zwischen Messpunkten (11-16) auf dem Wärmetauscherblock (10) und einem Fixpunkt (F) oder jeweils einem von mehreren Fixpunkten (F) gemessen. Der eine oder die mehreren Fixpunkte (F) definiert oder definieren ein Bezugssystem und auf Grundlage der gemessenen Längenveränderungen wird eine dreidimensionale Erfassung der Verformungen gegenüber dem einen oder den mehreren Fixpunkten (F) vorgenommen. Ein Verfahren zur Verformungsermittlung, Lastwechselermittlung und/oder Lebensdauerprognose für einen Wärmetauscherblock (10) und ein System mit einer entsprechenden Messanordnung sind ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Ermittluno von Verformunoen eines Wärmetauscherblocks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Verformungen eines Wärmetauscherblocks, insbesondere eines Wärmetauscherblocks eines Rippen- Platten-Wärmetauschers, ein Verfahren zur Verformungs- und/oder Lastwechselermittlung und/oder Lebensdauerprognose für einen Wärmetauscherblock, und ein System mit einer entsprechenden Messanordnung gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Technischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere gelötete Rippen-Platten- Wärmetauscher aus Aluminium (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchangers, PFHE; Bezeichnungen gemäß der deutschen und englischen Ausgabe der ISO 15547- 2:3005), wie sie in einer Vielzahl von Anlagen bei unterschiedlichsten Drücken und Temperaturen eingesetzt werden. Entsprechende Wärmetauscher finden beispielsweise Anwendung bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei der Verflüssigung von Erdgas oder in Anlagen zur Herstellung von Ethylen. Ist nachfolgend verkürzend von einem "Wärmetauscher" oder "Plattenwärmetauscher" die Rede, sei hierunter stets ein entsprechender (hart-) gelöteter Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium verstanden. Es versteht sich, dass "Aluminium" dabei auch eine Aluminiumlegierung bezeichnen kann.
Ausdrücklich sei an dieser Stelle aber betont, dass die vorliegende Erfindung nicht auf den Einsatz bei Rippen-Platten-Wärmetauschern beschränkt ist, sondern grundsätzlich bei unterschiedlichsten, insbesondere wärmeübertragenden, Apparaten zum Einsatz kommen kann, die eine insbesondere zyklische thermische Verformung aufgrund von unterschiedlichen Temperaturen, Mengen oder Aggregatzuständen von Fluiden, mit denen diese Apparate beaufschlagt werden, erfahren können. Die nachfolgenden Erläuterungen bezüglich Rippen-Platten-Wärmetauschern dienen lediglich als Beispiel für die Erläuterung der erfindungsgemäßen Maßnahmen. Gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium sind in Figur 2 der erwähnten ISO 15547-2:3005 sowie auf Seite 5 der Veröffentlichung "The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association" der ALPEMA, 3. Auflage 2010, gezeigt und beschrieben. Eine Abbildung, die im Wesentlichen den dortigen Abbildungen entspricht, ist in der beigefügten Figur 1 als Stand der Technik dargestellt und wird im Folgenden vorab erläutert.
Der in Figur 1 teilweise eröffnet dargestellte Plattenwärmetauscher 100 gemäß dem Stand der Technik dient dem Wärmeaustausch von im dargestellten Beispiel fünf verschiedenen Prozessmedien A bis E.
Zum Wärmeaustausch zwischen den Prozessmedien A bis E umfasst der Plattenwärmetauscher 100 dabei eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Trennblechen 4 (in den zuvor genannten Veröffentlichungen, auf die sich auch die nachfolgenden Angaben in Klammern beziehen, im Englischen als Parting Sheets bezeichnet), zwischen denen durch Strukturbleche mit Lamellen 3 (Fins) definierte Wärmeaustauschpassagen 1 für jeweils eines der Prozessmedien A bis E, die dadurch in Wärmeaustausch miteinander treten können, ausgebildet sind.
Die Strukturbleche mit den Lamellen 3 sind typischerweise gefaltet bzw. gewellt ausgebildet, wobei durch die Faltungen bzw. Wellen jeweils Strömungskanäle gebildet werden, wie auch in Figur 1 der ISO 15547-2:3005 gezeigt. Die Bereitstellung der Strukturbleche mit Lamellen 3 bietet im Vergleich zu Plattenwärmetauschern ohne Lamellen den Vorteil einer verbesserten Wärmeübertragung, einer gezielteren Fluidführung und einer Erhöhung der mechanischen (Zug-)Festigkeit. In den Wärmeaustauschpassagen 1 strömen die Prozessmedien A bis E insbesondere durch die Trennbleche 4 getrennt voneinander, können ggf. aber im Fall von perforierten Strukturblechen mit Lamellen 3 durch letztere hindurchtreten.
Die einzelnen Passagen 1 bzw. die Strukturbleche mit den Lamellen 3 sind seitlich jeweils durch sogenannte Sidebars 8 umgeben, die jedoch Einspeise- und Entnahmeöffnungen 9 freilassen. Die Sidebars 8 halten die Trennbleche 4 auf Abstand und sorgen für eine mechanische Verstärkung des Druckraumes. Zum Abschluss an zumindest zwei Seiten dienen insbesondere verstärkt ausgebildete Deckbleche 5 (Cap Sheets), die parallel zu den Trennblechen 4 angeordnet sind. Mittels sogenannter Header 7, die mit Stutzen 6 (Nozzles) versehen sind, werden die Prozessmedien A bis E über Einspeise- und Entnahmeöffnungen 9 zu- und abgeführt. Im Eingangsbereich der Passagen 1 befinden sich weitere Strukturbleche mit sogenannten Verteilerlamellen 2 (Distributor Fins), die für eine gleichmäßige Verteilung auf die gesamte Breite der Passagen 1 sorgen. In Strömungsrichtung gesehen am Ende der Passage 1 können sich weitere Strukturbleche mit Verteilerlamellen 2 befinden, die die Prozessmedien A bis E aus den Passagen 1 in die Header 7 führen, wo sie gesammelt und über die entsprechenden Stutzen 6 abgezogen werden.
Durch die Strukturbleche mit den Lamellen 3, die weiteren Strukturbleche mit den Verteilerlamellen 2, die Sidebars 8, die Trennbleche 4 und die Deckbleche 5 wird insgesamt ein hier quaderförmiger Wärmetauscherblock 10 gebildet, wobei unter einem "Wärmetauscherblock" hier die genannten Elemente ohne die Header 7 und Stutzen 6 in einem miteinander verbundenem Zustand verstanden werden sollen. Wie in Figur 1 nicht veranschaulicht, kann der Plattenwärmetauscher 100 insbesondere aus Fertigungsgründen aus mehreren entsprechenden quaderförmigen und miteinander verbundenen Wärmetauscherblöcken 10 ausgebildet sein.
Entsprechende Plattenwärmetauscher 100 werden aus Aluminium hartgelötet. Die einzelnen Passagen 1 , umfassend die Strukturbleche mit den Lamellen 3, die weiteren Strukturbleche mit den Verteilerlamellen 2, die Deckbleche 5 und die Sidebars 8 werden dabei, jeweils mit Lot versehen, aufeinandergestapelt bzw. entsprechend angeordnet und in einem Ofen erwärmt. Auf den in dieser Weise hergestellten Wärmetauscherblock 10 werden die Header 7 und die Stutzen 6 aufgeschweißt.
Im Bereich der Verdampfungszone eines Wärmetauschers, also in einem Bereich, in dem die Temperatur eines durch den Wärmetauscher strömenden Mediums im Bereich ihres Siedepunkts liegt, treten häufig dynamische Schwallströmungen auf. Dies gilt nicht nur für Rippen-Platten-Wärmetauscher, sondern auch für andere Wärmetauschertypen, für die sich die vorliegende Erfindung ebenfalls eignet.
Unter einer Schwallströmung versteht man eine mindestens zweiphasige Strömung mit zumindest einer flüssigen und einer gasförmigen Phase, wobei die gasförmige Phase eine Schubspannung auf die flüssige Phase ausübt. Bei Schwallströmungen treten häufig Wellen der flüssigen Phase auf.
In Wärmetauschern führen Schwallströmungen zu Dehnungslastwechseln. Unter einem Dehnungslastwechsel versteht man eine zeitlich wechselnde Dehnungsbelastung von Teilen des Wärmetauschers. Diese kommt insbesondere durch die schnell wechselnde Temperatur aufgrund des abwechselnden Kontakts der Teile des Wärmetauschers mit flüssigem und gasförmigem Medium bei dem Auftreten einer Schwallströmung zustande.
Dehnungslastwechsel können nicht nur durch die erwähnten Schwallströmungen auftreten, sondern können auch durch einen gewünschten flexiblen Betrieb einer einen entsprechenden Wärmetauscher aufweisenden Anlage bedingt sein, beispielsweise bei einer Luftzerlegungsanlage, die nur temporär Luftprodukte liefern soll, oder deren Produktionsmengen besonders flexibel sein sollen, oder bei temporär arbeitenden reine Verflüssigungsanlagen. Entsprechende Anlagen sollen beispielsweise nur zu Zeiten hohen Stromangebots arbeiten und ansonsten im Standby gehalten werden können. Zum Aufbau und Betrieb von Hauptwärmetauschern von Luftzerlegungsanlagen, die von Dehnungslastwechseln besonders betroffen sind, sei auf einschlägige Fachliteratur, beispielsweise H.-W. Häring (Hrsg.), Industrial Gases Processing, Wiley-VCH, 2006, insbesondere Abschnitt 2.2.5.6, "Apparatus" verwiesen.
Ohne zusätzliche Maßnahmen erwärmen sich Wärmetauscher beim Stillstand einer entsprechend betriebenen Anlage und damit der Außerbetriebnahme des Wärmetauschers, bzw. das sich in einem entsprechenden Wärmetauscher ausbildende Temperaturprofil kann in einem solchen Fall nicht gehalten werden. Wird anschließend bei der Wiederinbetriebnahme in einen erwärmten oder, wie sogleich erläutert temperaturausgeglichenen Wärmetauscher Fluid eingespeist, das einen großen Temperaturunterschied zur örtlichen Metalltemperatur aufweist, werden starke thermische Spannungen induziert. Dies gilt sowohl dann, wenn warmes Fluid auf kälteres Metall trifft, als auch dann, wenn kaltes Fluid auf wärmeres Metall trifft.
Ein Temperaturausgleich ergibt sich insbesondere dadurch, dass es bei einer Außerbetriebnahme eines Wärmetauschers, bevor dieser sich insgesamt erwärmt, aufgrund der guten Wärmelängsleitung in dessen metallischem Material zu einem Angleich der Temperaturen am zuvor warmen Ende und am zuvor kalten Ende kommt. Mit anderen Worten wird das zuvor warme Ende des Wärmetauschers über die Zeit kälter und das zuvor kalte Ende des Wärmetauschers wärmer, bis die genannten Temperaturen bei oder nahe bei einer mittleren Temperatur liegen. Diese mittlere Temperatur liegt aber noch deutlich unterhalb der Umgebungstemperatur, insbesondere wenn der Wärmetauscher insgesamt in einer temperaturisolierten Einhausung untergebracht ist. Erst über einen sehr viel längeren Zeitraum erwärmt sich der Wärmetauscher insgesamt auf Umgebungstemperatur.
Die auftretenden Dehnungslastwechsel führen insbesondere zu einer verkürzten Lebensdauer des Wärmetauschers und sollten daher dokumentiert werden. Gemäß dem Stand der Technik sind punktförmige Temperaturmessungen an einzelnen Stellen außerhalb des Wärmetauschers möglich. Diese spiegeln jedoch nur unzureichend den tatsächlichen Zustand im Inneren des Wärmetauschers wieder.
Messungen innerhalb des Wärmetauschers mit herkömmlichen Temperaturmesssonden sind nicht möglich, da die Verbindungskabel während des Fertigungsprozesses, insbesondere beim Löten, zerstört werden würden.
Die DE 10 2016000 246 A1 schlägt daher vor, zur Bestimmung von Dehnungslastwechseln bei Plattenwärmetauschern eine optische Messung einer Messgröße, die zumindest einen Teil eines Plattenwärmetauschers betrifft, innerhalb eines Zeitintervalls vorzunehmen und Dehnungslastwechsel anhand der Messgröße über das Zeitintervall zu ermitteln. Hierbei wird Licht in einen in dem Plattenwärmetauscher und/oder auf dem Plattenwärmetauscher angeordneten Lichtwellenleiter eingekoppelt, so dass Licht im Lichtwellenleiter zurückgestreut wird. Die Messgröße ist hierbei ein mit Hilfe des zurückgestreuten Lichtes bestimmter Parameter des Lichtwellenleiters. Während mittels dieses Verfahrens Dehnungslastwechsel direkt und exakt anhand einer Vielzahl von Messpunkten bestimmbar sind, erweist sich die eingesetzte Messtechnik unter Verwendung von Lichtwellenleitern in der Praxis insbesondere als kostenaufwändig.
In der WO 2018/215095 A1 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem Messwerte einer Temperatur mittels mehrerer, in oder an dem Apparat angeordneter Sensoren ermittelt werden, aus den Messwerten der Temperatur eine mechanische Spannung als eine nicht direkt messbare Kenngröße ermittelt wird, und aus der mechanischen Spannung die verbleibende Lebensdauer als eine weitere, nicht direkt messbare Kenngröße ermittelt wird. Lediglich ergänzend wird eine Dehnungsmessung vorgenommen. Das vorgeschlagene Verfahren arbeitet damit indirekt.
Die US 2019/101336 A1 offenbart, dass zur Überwachung von Anlagen Sensoren eingesetzt und entsprechende Sensordaten programmatisch analysiert werden können, um entstehende Probleme zu erkennen. Beispielsweise können Sensoren in Verbindung mit einer oder mehreren Systemkomponenten eingesetzt werden, um Fehlverteilungen, Querleckagen, Dehnungen, Vorleckagen, thermische Spannungen, Verschmutzungen, Vibrationen, Probleme bei der Flüssigkeitsförderung, Bedingungen, die luftgekühlte Wärmetauscher beeinträchtigen können, Bedingungen, die einen luftgekühlten Wärmetauscher mit benetzter Oberfläche beeinträchtigen können, oder Ähnliches zu erkennen und zu korrigieren. Eine Betriebsbedingung oder ein Betriebsmodus kann angepasst werden, um die Lebensdauer der Anlage zu verlängern oder einen Ausfall der Anlage zu vermeiden.
Aus der FR 2 765324 A1 ist ein Verfahren bekannt, das insbesondere an einem Wärmetauscher eines Druckwasser-Kernreaktor-Dampferzeugers angewandt wird, und das darin besteht, dass von einer Reihe von Messpunkten außerhalb des Außengehäuses des Wärmetauschers Ultraschallwellenbündel auf den Rohrbündelmantel ausgesandt werden. Die reflektierten Wellen werden aufgefangen, und aus den gemessenen Laufzeiten werden die radialen Abstände zwischen dem Außengehäuse und dem Innenmantel und daraus der Grad der Verformung des Mantels berechnet. Die Ultraschallwellen werden in ausreichenden Abständen gepulst ausgesandt, um die reflektierten Wellen zu sammeln und eine ausreichende Anzahl von Messpunkten zu erhalten, um für jeden einem Messpunkt gegenüberliegenden Bereich des Mantels eine Verformungskurve genau zu bestimmen.
Ein in der DE 10 2017 128 122 A1 offenbartes Verfahren dient zur Zustandsüberwachung eines Wärmeaustauschers, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit mehreren übereinander angeordneten ersten Strömungskanälen eines Kühlmediums sowie zwischen den ersten Strömungskanälen angeordneten, an ihren Enden mit Sammelkästen versehenen zweiten Strömungskanälen eines Prozessmediums. Am und/oder im Wärmeaustauscher sind mehrere Sensoren zur Erfassung von Betriebsparametern und Dehnungen des Wärmeaustauschers sowie eine Speichereinheit angeordnet. Das Verfahren umfasst das Erfassen von Betriebsparametermesswerten durch die Sensoren, das Speichern der Messwerte in der Speichereinheit, das Laden von Kennwerten des Wärmeaustauschers und der in der Speichereinheit abgespeicherten Messwerte in eine Analyseeinheit, das Auswerten der Messwerte in der Analyseeinheit mit einer Analysesoftware, die Kalkulation eines aktualisierten Schädigungswertes des Wärmeaustauscher, das Abspeichern des aktualisierten Schädigungswertes in der Analyseeinheit und die Ausgabe des aktualisierten Schädigungswertes an eine Ausgabeeinheit. Desweiteren wird ein Wärmeaustauscher beschrieben.
Ein in der DE 10 2018003 479 A1 beschriebener Plattenwärmetauscher für eine verfahrenstechnische Anlage ist mit einer Vielzahl an Lamellen und einer Vielzahl an Trennplatten, die abwechselnd angeordnet sind, ausgestattet, wobei zumindest eine Trennplatte einen Lichtwellenleiter aufweist, der derart in die zumindest eine Trennplatte eingebettet ist, dass der Lichtwellenleiter in einer ersten Richtung und in einer zweiten Richtung, die jeweils senkrecht zu einer von der zumindest einen Trennplatte aufgespannten Ebene und gegensinnig zueinander orientiert sind, beidseitig von Material der zumindest einen Trennplatte abgedeckt ist.
Die JP S60 137669 A betrifft ein thermisches Aufzeichnungsgerät, das ein thermisches Basissubstrat umfasst, auf dem eine Anzahl von Heizwiderständen parallel angeordnet sind, wobei das thermische Basissubstrat so konfiguriert ist, dass es in einer Richtung beweglich ist, in der die vorderen Heizwiderstände angeordnet sind.
Die DE 10 2019 005049 A1 betrifft eine Coldbox, wobei die Coldbox einen verfahrenstechnischen Apparat zur Behandlung eines Sauerstoff enthaltenden Fluids aufweist und/oder in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, insbesondere Luft, angeordnet ist. Innerhalb oder außerhalb eines Coldboxmantels der Coldbox sind Sauerstoffsensoren angeordnet sind, die insbesondere an Erfassungspositionen angeordnet oder mit an Erfassungspositionen mündenden Fluidleitungen verbunden sind, wobei die Erfassungspositionen insbesondere derart ausgewählt sind, dass sich von jeder der Erfassungspositionen ein maximaler Abstand zu jedem Punkt innerhalb des Coldboxmantels ergibt, wobei die Sauerstoffsensoren insbesondere als Ultraschallsensoren oder optische Sensoren ausgebildet sind. Verformungen können sich auch durch mechanische Lasten oder Lastwechsel wie Druckwechsel (beispielsweise Aufbau und Abbau von Prozessdrücken), Beschleunigung bei Erdbeben, Windlasten usw. ergeben. Die Erfindung deckt sämtliche möglichen Verformungen ab und wird nur der Übersichtlichkeit halber unter überwiegender Bezugnahme auf thermisch bedingte Verformungen beschrieben.
Vor diesem Hintergrund stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, verbesserte Maßnahmen zur Ermittlung von Verformungen bei Wärmetauschern anzugeben, die insbesondere zur Ermittlung von Dehnungslastwechseln bzw. hieraus abgeleiteter Prognosen dienen können.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung von Verformungen eines Wärmetauscherblocks, insbesondere eines Wärmetauscherblocks eines Rippen-Platten-Wärmetauschers, ein Verfahren zur Lastwechselermittlung und/oder Lebensdauerprognose für einen Wärmetauscherblock, und ein System mit einer entsprechenden Messanordnung mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Wie erwähnt, können die erfindungsgemäß ermittelten Verformungen thermische Ursachen haben, die Erfindung ist jedoch grundsätzlich auch zur Ermittlung von Verformungen geeignet, die auf anderen Ursachen beruhen.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Ermittlung von Verformungen eines Wärmetauscherblocks kann insbesondere zur Ermittlung von Verformungen eines Wärmetauscherblocks eines Rippen-Platten-Wärmetauschers eingesetzt werden, eignet sich jedoch, wie erwähnt, auch für andere Wärmetauscher oder Verformungen unterworfenen verfahrenstechnischen Apparaten. Bei dem Verfahren werden unter Verwendung mehrerer Längenmesseinrichtungen temperaturbedingte Längenveränderungen mehrerer Messstrecken erfasst. Erfindungsgemäß werden dabei als die Längenmesseinrichtungen mechanische Wegaufnehmer verwendet, und mittels der Längenmesseinrichtungen werden als die temperaturbedingten Längenveränderungen jeweils Abstände zwischen Messpunkten auf dem Wärmetauscherblock und einem oder jeweils einem von mehreren Fixpunkten gemessen, wobei der eine oder die mehreren Fixpunkte, wie weiter unten erläutert, ein Bezugssystem definiert oder definieren und auf Grundlage der gemessenen Längenveränderungen eine dreidimensionale Erfassung der Verformungen gegenüber dem einen oder den mehreren Fixpunkten vorgenommen wird. Die mechanischen Wegaufnehmer sind, wie nachfolgend weiter ausgeführt, dazu ausgebildet, eine mechanische Verschiebung eines starren Elements in einen Signalwert umzusetzen.
Unter mechanischen Wegaufnehmern sollen hier also solche Messeinrichtungen verstanden werden, die eine mechanische Verschiebung eines starren Elements in einen Signalwert umsetzen. Sie unterscheiden sich hierdurch beispielsweise von Dehnungsmessstreifen, bei denen eine Längung eines Widerstandsdrahts und eine entsprechende Spannungs- bzw. Widerstandsmessung zur Ermittlung der Längung erfolgt. Beispielsweise können in mechanischen Wegaufnehmern Linearpotentiometer eingesetzt werden, bei denen die Position durch einen verschiebbaren Schleifer auf einer Widerstandsbahn abgenommen wird. Der Schleifer kann insbesondere über eine Schubstange verschoben werden. Linearpotentiometer arbeiten dabei als Spannungsteiler mit einer leitenden Widerstandsstrecke, über die der Schleifer fährt und damit die Position erfasst. Insbesondere können dabei Folienpotentiometer eingesetzt werden. Eine Alternative zu Linearpotentiometern sind magnetisch kodierte Messeinrichtungen, bei denen ein Sensorkopf über ein magnetisch kodiertes Maßband bewegt wird. Auch Seilzug-Wegsensoren, bei denen eine Längung der Messstrecke in eine Drehung einer federvorgespannten Haspel umgesetzt wird, sind grundsätzlich als mechanische Wegaufnehmer bekannt. Induktive mechanische Wegaufnehmer können beispielsweise unter Verwendung von Schubstangen, deren Lage induktiv erfasst wird, ausgebildet sein.
Der besondere Vorteil bei der Verwendung der erfindungsgemäß eingesetzten mechanischen Wegaufnehmer besteht in deren hoher Robustheit bei gleichzeitig hoher Präzision. Mechanische Wegaufnehmer können beispielsweise staub- und/oder Wasser- bzw. flüssigkeitsdicht ausgeführt sein. Weil beispielsweise bei Linearpotentiometern das Potentiometer selbst nicht direkt am Ort des zu vermessenden Gegenstands angeordnet sein muss, kann dieses beispielsweise vor tiefen Temperaturen oder anderen Einflüssen geschützt werden, indem dieses in einem geeigneten Gehäuse untergebracht wird. Dies ist beispielsweise ein Vorteil gegenüber Temperatursensoren, wie sie in der WO 2018/215095 A1 eingesetzt werden, und bei denen die Sensoren selbst auf dem zu vermessenden Wärmetauscher angeordnet werden müssen. Im Gegensatz beispielsweise zu einer optischen Messung, wie sie in der DE 10 2016000 246 A1 vorgeschlagen wird, erweist sich die Messung mittels der mechanischen Wegaufnehmer in dem hier in Betracht kommenden Einsatzgebiet als besonders präzise, zuverlässig, robust und kostengünstig. Mechanische Wegaufnehmer können jederzeit für vorhandene Wärmetauscher nachgerüstet werden, so dass die Herstellung des Wärmetauschers selbst, die wie erwähnt beispielsweise durch Hartlöten erfolgt, hiervon unbeeinflusst bleibt.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Messung, bei der jeweils Abstände zwischen Messpunkten auf dem Wärmetauscherblock selbst und einem oder jeweils einem Fixpunkt gemessen wird, ist deshalb besonders vorteilhaft, weil sie direkte Messgrößen liefert. Im Gegensatz zur Verwendung einer Temperaturmessung, deren Messwerte beispielsweise auf Grundlage von geeigneten mechanischen Modellen erst in entsprechende abgeleitete bzw. prognostizierte Werte bezüglich der Verformung umgesetzt werden müssen, ermöglicht die direkte Messung die Ermittlung der tatsächlich vorliegenden Verformung des Wärmetauschers, die von ggf. fehlerhaften Zwischenschritten unbeeinflusst ist. Die vorliegende Erfindung eignet sich damit auch für solche Fälle, bei denen Modelle nicht verwendbar oder erstellbar sind, beispielsweise weil die exakten Materialdaten nicht vorliegen. Die Erfindung eignet sich damit insbesondere auch für die Verwendung mit Wärmetauschern von Fremdherstellern, bei denen aus Geheimhaltungsgründen entsprechende Daten nicht publiziert werden. Auch dann, wenn beispielsweise Modelle aufgrund von in der Praxis abweichenden Materialdaten, Materialstärken und dergleichen nur unpräzise bzw. unzureichend genaue Ergebnisse liefern, kann die vorliegende Erfindung mit besonderem Vorteil eingesetzt werden. Auch in den genannten Fällen ist insbesondere die Nachrüstbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. von Mitteln zu dessen Durchführung besonders vorteilhaft.
Weil im Rahmen der vorliegenden Erfindung Abstände zwischen Messpunkten auf dem Wärmetauscherblock und einem oder jeweils einem Fixpunkt gemessen werden, kann erfindungsgemäß eine dreidimensionale Verformung, insbesondere in allen Raumrichtungen, ermittelt werden. Im Gegensatz dazu ermöglicht beispielsweise die Verwendung von Dehnungsmessstreifen und dergleichen, die jeweils an dem zu untersuchenden Element angebracht werden, typischerweise jeweils nur eine Messung in einer Richtung. Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung kann damit neben einer reinen Kontraktion bzw. Expansion auch beispielsweise eine Verdrehung bzw. Verzerrung des Wärmetauschers sicher erfasst werden. Hierdurch können auch bisher möglicherweise nicht berücksichtigte Spannungszonen erkannt und bei einer Lebensdauerberechnung, oder für spätere Konstruktionen zur Verbesserung der Stabilität an entsprechenden Stellen, berücksichtigt werden.
Ist hier davon die Rede, dass "Abstände zwischen Messpunkten auf dem Wärmetauscherblock und einem oder jeweils einem Fixpunkt gemessen werden", kann dies bedeuten, dass jede Messstrecke bzw. jeder mechanische Wegaufnehmer an seinem eigenen Fixpunkt befestigt ist, dass mehrere mechanische Wegaufnehmer gruppenweise an mehreren gemeinsamen Fixpunkten befestigt sind, oder dass alle mechanischen Wegaufnehmer an einem gemeinsamen Fixpunkt befestigt sind. Hierbei ist ein "Fixpunkt" nicht als ein ausdehnungsloser Punkt im mathematischen Sinn zu verstehen, sondern kann auch eine gemeinsame Befestigungsstruktur bezeichnen, an der die mechanischen Wegaufnehmer oder entsprechende Befestigungsstrukturen hiervon beispielsweise nebeneinander oder übereinander befestigt sind. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Bolzen handeln, mittels dessen mehrere Befestigungsösen von unterschiedlichen mechanischen Wegaufnehmern befestigt sind, oder eine Anordnung mit mehreren Gewindebohrungen, in die entsprechende Gewinde von mechanischen Wegaufnehmern eingeschraubt sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann bzw. können als der eine oder als der jeweils eine Fixpunkt ein oder mehrere Punkte im soeben oben erläuterten Sinn auf einer Tragstruktur oder auf mehreren Trag Strukturen verwendet werden, die den Wärmetauscherblock abstützt bzw. abstützen. Der oder die Fixpunkte brauchen dabei nicht notwendigerweise selbst lagefest im Raum zu liegen, beispielsweise wenn die Tragstruktur zum Abfangen von Vibrationen und dergleichen mit geeigneten Dämpfern versehen und daher in gewissem Umfang beweglich ist. Der Wärmetauscherblock bzw. sämtliche Messpunkte ist bzw. sind jedoch vorteilhafterweise bei Abwesenheit von Verformungen lagefest gegenüber dem bzw. den Fixpunkten, so dass sich eine Lageverschiebung der Messpunkte gegenüber dem bzw. den Fixpunkten ausschließlich durch eine Verformung ergibt. Auf diese Weise kann eine sehr zuverlässige dreidimensionale Erfassung der Verformung gegenüber dem bzw. den ein Bezugssystem definierenden Fixpunkt(en) erfolgen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen ist ihr Einsatz in Verbindung mit einer Coldbox, in der der Wärmetauscherblock aufgenommen ist. Insbesondere kann dabei als der eine oder jeweils eine Fixpunkt ein oder jeweils ein innerhalb der Coldbox angeordneter Fixpunkt verwendet werden. Auf diese Weise können insbesondere auch reproduzierbare Temperaturbedingungen für die mechanischen Wegaufnehmer geschaffen werden, so dass schwankende Temperaturen nicht zu einer Ausdehnung bzw. Kontraktion der Elemente des mechanischen Wegaufnehmers selbst führen und damit das Messergebnis verfälschen können, oder diese temperaturbedingte Ausdehnung bzw. Kontraktion zumindest nachvollziehbar und ihr Einfluss auf das Messergebnis reproduzierbar ist. Eine Verwendung von mechanischen Wegaufnehmern in Verbindung mit einer Coldbox, die insbesondere mit geeignetem wärmeisolierendem Füllmaterial wie Perlit gefüllt sein kann, ist auch der, dass das Füllmaterial bei ausreichender Starrheit der für die mechanischen Wegaufnehmer verwendeten Elemente die Messung nicht behindert. Dies ist beispielsweise der Vorteil gegenüber einer grundsätzlich ebenfalls möglichen optischen Fernmessung, bei der stets eine freie Sichtlinie zu den angepeilten Messpunkten erforderlich ist. Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Erfindung für die Ermittlung von Verformungen eines Wärmetauscherblocks eingesetzt werden, der von außen nicht direkt zugänglich verbaut ist, z.B. in einem Behälter eingebaut oder einisoliert oder in einer Coldbox angeordnet.
Ein oder mehrere Fixpunkte, oder einer oder eine Auswahl von mehreren Fixpunkten, kann bzw. können jedoch auch auf dem Wärmetauscherblock selbst liegen. Mit anderen Worten kann eine Blockverformung auch von einer festen Stelle des Blockes aus vermessen werden, insbesondere wenn diese an sich lagefest ist (beispielsweise weil sie sich in der Nähe einer Befestigung befindet) oder auch wenn diese nicht lagefest ist, aber sich eine Verformung gegenüber einem entsprechenden nicht lagefesten Fixpunkt in geeigneter Weise bestimmen lässt. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der die Messpunkte auf dem Wärmetauscherblock einen oder mehrere Messpunkte an einer oder an mehreren Ecken des Wärmetauscherblocks umfassen. Auf diese Weise kann, bei einer ausreichenden Anzahl der entsprechend erfassten Ecken, insbesondere ein dreidimensionales Abbild des Wärmetauscherblocks erstellt werden, welches auch zur visuellen Überwachung eingesetzt werden kann. Beispielsweise können in einem derartigen dreidimensionalen Abbild Bereiche hoher, insbesondere thermischer Spannungen farbkodiert hervorgehoben und auf diese Weise sichtbar gemacht werden. Die Verwendung von Messdaten bzw. hieraus abgeleiteten Lagepunkten im dreidimensionalen Raum ermöglicht eine besonders präzise Erfassung auch von unregelmäßigen Verformungen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die Messpunkte auf dem Wärmetauscherblock Messpunkte an allen acht Ecken des Wärmetauscherblocks umfassen. Auf diese Weise kann ein vollständiges dreidimensionales Abbild des Wärmetauschers im dreidimensionalen Raum erzeugt werden, wenn für alle acht Ecken des Wärmetauscherblocks eine Verschiebung aufgrund von Verformungen zu erwarten ist. Eine geringere Anzahl von Messpunkten an den Ecken kann jedoch ebenfalls ausreichen, beispielsweise wenn für bestimmte Ecken aufgrund ihrer Lage in der Nähe von Befestigungspunkten an einer Tragstruktur keine oder nur minimale Lageveränderungen zu erwarten sind.
In jedem Fall kann neben der Vermessung von Ecken in der erläuterten Weise, d.h. der Verwendung von mechanischen Wegaufnehmern zwischen den erläuterten Messpunkten auf dem Wärmetauscherblock und einem oder mehreren Fixpunkten angeordnet sind, vorgesehen sein, dass weitere Längenmesseinrichtungen in Form von mechanischen Wegaufnehmern bereitgestellt sind, die jedoch zwischen den Messpunkten auf dem Wärmetauscherblock, diesen und weiteren Messpunkten, oder ausschließlich zwischen weiteren Messpunkten angeordnet sind. Auf diese Weise können beispielsweise auf dem Wege einer Trilateration sämtliche Messpunkte in das erwähnte Bezugssystem, das über den oder die Fixpunkte aufgehängt ist, eingebunden werden. Vorteilhafterweise können dabei Lagebeziehungen aller Messpunkte zueinander ermittelt werden. Dies erhöht die Präzision insbesondere bei der Ermittlung eines dreidimensionalen Abbilds. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann aus den Abständen zwischen den Messpunkten auf dem Wärmetauscherblock und dem einen oder jeweils einen Fixpunkt, ggf. unter Zuhilfenahme weiterer Messpunkte und Messstrecken, eine temperaturbedingte Veränderung in einer Breite, einer Höhe, einer Tiefe und/oder einem Volumen des Wärmetauscherblocks bestimmt werden. Insbesondere kann dabei auch eine Gleichmäßigkeit der Veränderung in der Breite, der Höhe, der Tiefe und/oder in dem Volumen bestimmt werden und bei erkannten Ungleichmäßigkeiten dieser beispielsweise in geeigneter Weise verfahrenstechnisch, entwicklungstechnisch und/oder apparativ entgegengewirkt werden, etwa durch Maßnahmen zur Vergleichmäßigung der Fluideinspeisung in den Wärmetauscherblock.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können, wie mehrfach erläutert, die verwendeten mechanischen Wegaufnehmer jeweils einen stabförmigen Abschnitt aufweisen, der sich jeweils über zumindest einen Teil des Abstands zwischen den jeweiligen Messpunkten auf dem Wärmetauscherblock und dem oder dem jeweiligen Fixpunkt erstreckt. Ausgestaltungen und deren jeweilige Vorteile wurden bereits erläutert. Der stabförmige Abschnitt kann dabei insbesondere aus einem Material mit bekanntem Temperaturausdehnungskoeffizienten gebildet werden, was insbesondere in Verbindung mit der Bereitstellung von reproduzierbaren Temperaturbedingungen, etwa in einer Coldbox, und unter Berücksichtigung einer gemessenen Temperatur in diesem Zusammenhang eine nochmals zuverlässigere Messung ermöglicht. Alternativ können auch Materialien mit einem geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten, insbesondere sogenannte Invar-Materialien, also beispielsweise geeignete Eisen- Nickel-Legierungen, verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verformungs- und/oder Lastwechselermittlung und/oder Lebensdauerprognose für einen Wärmetauscherblock, insbesondere einen Wärmetauscherblock eines Rippen-Platten-Wärmetauschers, umfasst, dass unter Verwendung von mehreren Längenmesseinrichtungen Längenveränderungen, und zwar insbesondere von inhomogenen Temperaturfeldern bedingte Längenveränderungen mehrerer Messstrecken, erfasst wird, wobei aus den Längenveränderungen die Lastwechselanzahl und die verbleibende rechnerische Lebensdauer ermittelt werden kann. Erfindungsgemäß wird dabei ein Verfahren eingesetzt, wie es zuvor in Ausgestaltungen erläutert wurde. Lebensdauerprognosen werden auf unterschiedlichsten Gebieten der Technik durchgeführt, um einen zu erwartenden Ausfallzeitpunkt eines Bauteils bei vorgegebenen Belastungen und Randbedingungen zu berechnen. Verfahren zur Lebensdauerprognose selbst sind dabei grundsätzlich bekannt und vielfach im Stand der Technik beschrieben. Die vorliegende Erfindung verbindet diese mit der erfindungsgemäßen Verwendung von mechanischen Wegaufnehmern und deren Anordnung zwischen Messpunkten auf dem Wärmetauscherblock und einem oder jeweils einem Fixpunkt zur Ermittlung von Eingangsgrößen.
Auf Grundlage von Lebensdauerprognosen können für das betrachtete Bauteil, im vorliegenden Fall für den Wärmetauscher oder Komponenten hiervon, die notwendigen Wartungs- bzw. Austauschintervalle ermittelt werden. Die Lebensdauerprognose erfolgt dabei typischerweise, und auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, auf Grundlage von Prognosemodellen, die aus Materialdaten und Konstruktionsdaten abgeleitet sind, und die insbesondere auch auf komplexe Werkstoffeigenschaften zugeschnitten sein können. Eine Lebensdauerprognose kann insbesondere auf Grundlage einer bekannten, linearen Schadensakkumulationshypothese, aber auch auf Grundlage einer angenommenen nichtlinearen Schadensakkumulation beruhen. Bei der Berechnung der durch einen Lastwechsel hervorgerufenen Teilschädigung kann auch insbesondere die bereits durch vorangegangene Lastwechsel hervorgerufene Schädigung berücksichtigt werden. Aufeinanderfolgende Lastwechsel mit identischer Belastung müssen somit keine identische schädigende Wirkung aufweisen, da für den zweiten Lastwechsel eine andere Vorschädigung vorliegt als für den ersten. Lebensdauerprognosen können auch anhand von Messdaten verifiziert bzw. unter Verwendung von Feld- oder Labordaten validiert werden.
Ein System mit einem Wärmetauscherblock, insbesondere einem Wärmetauscherblock eines Rippen-Platten-Wärmetauschers, und mit einer Messanordnung zur Ermittlung von Verformungen des Wärmetauscherblocks, die mehrere Längenmesseinrichtungen zur Erfassung temperaturbedingter Längenveränderungen mehrerer Messstrecken aufweist, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Bei dieser werden mechanische Wegaufnehmer als die Längenmesseinrichtungen bereitgestellt und sind jeweils zwischen Messpunkten auf dem Wärmetauscherblock und einem oder jeweils einem von mehreren Fixpunkten angeordnet. Mittels des einen oder die mehreren Fixpunkte ist ein Bezugssystem definiert und das System ist dafür eingerichtet, auf Grundlage der gemessenen Längenveränderungen eine dreidimensionale Erfassung der Verformungen gegenüber dem einen oder den mehreren Fixpunkten vorzunehmen. Die mechanischen Wegaufnehmer sind dazu ausgebildet, eine mechanische Verschiebung eines starren Elements in einen Signalwert umzusetzen.
Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Lastwechselermittlung und/oder Lebensdauerprognose für einen Wärmetauscherblock, und des System mit einer entsprechenden Messanordnung sei ausdrücklich auf die Erläuterungen bezüglich des oben erläuterten erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche die vorliegende Erfindung und ihre Merkmale gegenüber dem Stand der Technik veranschaulichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt einen nicht erfindungsgemäßen Rippen-Platten-Wärmetauscher in vereinfachter isometrischer Darstellung.
Figur 2 zeigt ein System mit einem Rippen-Platten-Wärmetauscher gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in vereinfachter schematischer Darstellung.
Figur 3 veranschaulicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ermittelte Messdaten in Form von Messdatendiagrammen.
In den Figuren sind einander funktional und/oder konstruktiv entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden lediglich der Übersichtlichkeit halber nachfolgend nicht wiederholt erläutert.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Figur 1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung bei der Würdigung des Standes der Technik erläutert. Die dort verwendeten Bezugszeichen und Erläuterungen gelten auch für die nachfolgend erläuterten Figuren. Figur 2 zeigt ein System mit einem Rippen-Platten-Wärmetauscher gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in vereinfachter schematischer Teildarstellung. Wie zuvor ist der Rippen-Platten-Wärmetauscher mit 100 bezeichnet. Er kann, bis auf die hier explizit abweichend veranschaulichten und ausgebildeten Komponenten, identisch oder vergleichbar ausgebildet sein wie in Figur 1.
Als Dimensionen sind in Figur 2 eine Länge L, eine Breite W und eine Flöhe Fl des Wärmetauscherblocks 10 veranschaulicht. Auf der Oberseite sind Ecken des Wärmetauscherblocks 10 mit E1 bis E4 bezeichnet, auf der Unterseite wurde auf eine entsprechende Bezeichnung bis auf die Ecken E5 und E6 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet. Ebenfalls auf der Oberseite des Wärmetauscherblocks 10 sind an den Ecken E1 bis E4 Messpunkte 11 bis 14 dargestellt, die auch auf der Unterseite bzw. an den entsprechenden Ecken angeordnet sein können. Auch hier wurde bis auf die Messpunkte 15 und 16 auf eine gesonderte Bezeichnung lediglich der Übersichtlichkeit halber verzichtet. Zur Verdeutlichung sind die Messpunkte 11 bis 16 dabei in einem Abstand zu den Ecken E1 bis E6 dargestellt, jedoch in der Realität fest auf dem Wärmetauscherblock an den Ecken E1 bis E6 angebracht. Entsprechendes gilt auch für die anderen Messpunkte und Ecken.
In Figur 2 sind zunächst vier Längenmesseinrichtungen 21 bis 24 stark vereinfacht veranschaulicht, mittels derer temperaturbedingte Längenveränderungen entsprechender Messstrecken erfasst werden. Die Längenmesseinrichtungen 21 bis 24 sind als insbesondere mechanische Wegaufnehmer ausgebildet und diese sind jeweils zwischen den Messpunkten 11 bis 14 auf dem Wärmetauscherblock 10 und einem Fixpunkt F angeordnet und zur Messung entsprechender Abstände eingerichtet. Es können weitere Längenmesseinrichtungen in Form von mechanischen Wegaufnehmern bereitgestellt sein, insbesondere zwischen den Messpunkten 15 und 16 an den Ecken E5 und E6 und dem Fixpunkt F oder einem weiteren Fixpunkt und ebenso zwischen hier nicht veranschaulichten Messpunkten an den weiteren Ecken und dem Fixpunkt F oder einem weiteren Fixpunkt. Außerdem sind hier ergänzende Längenmesseinrichtungen 25 und 26 in Form von mechanischen Wegaufnehmern zwischen den Messpunkten 11 und 15 einerseits und zwischen den Messpunkten 15 und 16 andererseits veranschaulicht, die zur Gewinnung zusätzlicher Messdaten verwendet werden können, wie zuvor erläutert. Beliebige weitere Messpunkte und entsprechende Längenmesseinrichtungen 25 und 26 in Form von mechanischen Wegaufnehmern und weitere Messeinrichtungen, Sensoren und dergleichen, können ergänzend ebenfalls vorgesehen sein. Die genannten Elemente bilden insgesamt eine hier an einer Stelle mit 20 bezeichnete Messanordnung, wobei auch eine Steuereinheit 29 vorgesehen sein kann, die zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung eingerichtet sein kann.
Wie lediglich an dem Beispiel der Längenmesseinrichtung 21 veranschaulicht, weist diese als mechanische Wegaufnehmer ausgebildete Messeinrichtung einen stabförmigen Abschnitt 21a auf, der sich im hier dargestellten Beispiel über zumindest einen Teil des Abstands zwischen dem Messpunkt 11 auf dem Wärmetauscherblock 10 und dem Fixpunkt F erstreckt. Der stabförmige Abschnitt 21a kann aus einem Material mit bekanntem Temperaturausdehnungskoeffizienten gebildet sein.
Wie in Figur 2 lediglich stark vereinfacht in Form zweier gestrichelt dargestellter Blöcke veranschaulicht, wird als der Fixpunkt F hier ein Punkt auf einer den Wärmetauscherblock 10 abstützenden Tragstruktur verwendet. Der Wärmetauscher 100 und dessen Wärmetauscherblock 10 sind in einer strichpunktiert angedeuteten und mit 300 bezeichneten Coldbox aufgenommen, und als der Fixpunkt F wird ein innerhalb der Coldbox 300 angeordneter Fixpunkt verwendet wird.
Figur 3 veranschaulicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ermittelte Messdaten in Form von Messdatendiagrammen 310, 320 und 330, wobei jeweils eine Kontraktion bzw. Expansion auf der Ordinate in beliebigen Längeneinheiten gegenüber einer Zeit in beliebigen Zeiteinheiten auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Graphen 311 , 321 , 331 , 332 und 333 bezeichnen dabei jeweils eine Kontraktion bzw. Expansion in den Richtungen Block-Tiefe, -Breite und -Längen an drei von vier Kanten. Entsprechende Deltas sind mit Pfeilen 312, 322, 334 und 335 veranschaulicht. Durch die Auswertung der entsprechenden Daten lassen sich in einer Ausgestaltung der Erfindung Lastwechsel erfassen und beschreiben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung von Verformungen eines Wärmetauscherblocks (10), insbesondere eines Wärmetauscherblocks (10) eines Rippen-Platten- Wärmetauschers (100), bei dem unter Verwendung mehrerer Längenmesseinrichtungen (21-24) temperaturbedingte Längenveränderungen mehrerer Messstrecken erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass als die Längenmesseinrichtungen (21-24) mechanische Wegaufnehmer verwendet werden, die dazu ausgebildet sind, eine mechanische Verschiebung eines starren Elements in einen Signalwert umzusetzen, und dass mittels der Längenmesseinrichtungen (21-24) als die temperaturbedingten Längenveränderungen jeweils Abstände zwischen Messpunkten (11-16) auf dem Wärmetauscherblock (10) und einem Fixpunkt (F) oder jeweils einem von mehreren Fixpunkten (F) gemessen werden, wobei der eine oder die mehreren Fixpunkte (F) ein Bezugssystem definiert oder definieren und auf Grundlage der gemessenen Längenveränderungen eine dreidimensionale Erfassung der Verformungen gegenüber dem einen oder den mehreren Fixpunkten (F) vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als der eine oder jeweils eine Fixpunkt (F) ein oder mehrere Punkte auf einer oder mehreren den Wärmetauscherblock (10) abstützenden Trag Strukturen (200) verwendet wird oder werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das bei einem in einer Coldbox (300) aufgenommenen Wärmetauscherblock (10) verwendet wird, und bei dem als der eine oder jeweils eine Fixpunkt (F) ein oder jeweils ein innerhalb der Coldbox (300) angeordneter Fixpunkt verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der eine oder jeweils eine Fixpunkt (F) auf dem Wärmetauscherblock (10) angeordnet ist.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Messpunkte (11 -16) auf dem Wärmetauscherblock (10) einen oder mehrere Messpunkte (11 -16) an einer oder mehreren Ecken (E1-E6) des Wärmetauscherblocks (10) umfassen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Messpunkte (11 -16) auf dem Wärmetauscherblock (10) Messpunkte (11-16) an allen acht Ecken (E1-E6) des Wärmetauscherblocks (10) umfassen.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem weitere Wegaufnehmer in Form von Längenmesseinrichtungen (21-24) verwendet werden, die zwischen den Messpunkten (11-16) auf dem Wärmetauscherblock (10) oder weiteren Messpunkten angeordnet sind.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem aus den Abständen zwischen den Messpunkten (11 -16) auf dem Wärmetauscherblock (10) und dem einen oder jeweils einen Fixpunkt (F) eine temperaturbedingte Veränderung in einer Breite (B), einer Flöhe (Fl), einer Tiefe (T) und/oder einem Volumen des Wärmetauscherblocks (10) bestimmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine Gleichmäßigkeit der Veränderung in der Breite (B), der Flöhe (Fl), der Tiefe (T) und/oder in dem Volumen bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die als Längenmesseinrichtungen (21-24) verwendeten Wegaufnehmer jeweils einen stabförmigen Abschnitt (21a) aufweisen, der sich jeweils über zumindest einen Teil des Abstands zwischen den jeweiligen Messpunkten (11-16) auf dem Wärmetauscherblock (10) und dem oder dem jeweiligen Fixpunkt (F) erstreckt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der stabförmige Abschnitt aus einem Material mit bekanntem Temperaturausdehnungskoeffizienten gebildet wird.
12. Verfahren zur Lastwechselermittlung und/oder Lebensdauerprognose für einen Wärmetauscherblock (10), insbesondere einen Wärmetauscherblock (10) eines Rippen-Platten-Wärmetauschers (100), bei dem unter Verwendung von mehreren Längenmesseinrichtungen (21-24) temperaturbedingte Längenveränderungen mehrerer Messstrecken erfasst und aus den Längenveränderungen Lastwechsel ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 verwendet wird.
13. System mit einem Wärmetauscherblock (10), insbesondere einem
Wärmetauscherblock (10) eines Rippen-Platten-Wärmetauschers (100), und mit einer Messanordnung (20) zur Ermittlung von Verformungen des Wärmetauscherblocks (10), die mehrere Längenmesseinrichtungen (21-24) zur
Erfassung temperaturbedingter Längenveränderungen mehrerer Messstrecken aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Wegaufnehmer als die Längenmesseinrichtungen (21-24) bereitgestellt sind, die dazu ausgebildet sind, eine mechanische Verschiebung eines starren Elements in einen Signalwert umzusetzen, und die jeweils zwischen Messpunkten (11-16) auf dem
Wärmetauscherblock (10) und einem oder jeweils einem von mehreren Fixpunkten (F) angeordnet sind, wobei der eine oder die mehreren Fixpunkte (F) ein Bezugssystem definiert oder definieren und wobei das System dafür eingerichtet ist, auf Grundlage der gemessenen Längenveränderungen eine dreidimensionale Erfassung der Verformungen gegenüber dem einen oder den mehreren Fixpunkten (F) vorzunehmen.
14. System nach Anspruch 13, das zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 eingerichtet ist.
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