用于确定热交换器装置的状态的方法与流程
本发明涉及一种用于确定热交换器装置的状态、例如强度的方法。这涉及考虑例如板式热交换器，并且用于制造热交换器和/或工业设备的方法也被建议。本发明还涉及一种用于运行热交换器或传热器或工业设备的方法。
背景技术：
期待预估工业设备、例如空气分离或气体液化设备中的元件的机械应力和热应力，从而预估它们的寿命、维护率或稳定性。这需要这样的模拟方法：所述模拟方法真实地复制了设备的运行并提供装配在设备中的元件的状态变量。这些模拟方法通常需要极为大的计算工作量或者不能提供足够精确的数据。
技术实现要素：
因此，本发明的目的在于提供改进模拟的可能性。
该目的通过一种具有权利要求1的特征的方法来实现。从属权利要求体现选择性的改进。
由此，一种用于确定热交换器装置的状态的方法被建议，其中，所述热交换器装置具有用于借助于过程流来传热的结构。这涉及对通过热交换器装置中的一个或多个通道的一种或多种过程流的热工水力模拟的执行，从而确定出传热结构的温度变化特性和/或传热系数变化特性。
一种或多种过程流可以是材料流并尤其是相应的过程流体的流体流或由能量流形成的流体流。
为此，在一个实施例中，一种用于确定热交换器装置的状态的方法被建议，热交换器装置具有用于借助于过程流体的流体流来传热的结构，在该方法中，通过热交换器装置中的通道的过程流体的流体流的热工水力模拟被执行以确定出传热结构的温度变化特性和/或传热系数变化特性。
过程流体尤其是低温设备的流体介质，比如液体、液态气体或气体混合物。水、液化气、液态空气或空气分离产品例如是可以想到的。
热交换器装置的所要确定的状态尤其是热工水力状态。强度的状态的确定也可以被想到。
所使用的术语“结构”应当被理解成通用术语，并由此不一定非要具有多个用于传热的结构元件。
热交换器装置在传统上被视作这样的装置，该装置适于从第一侧向第二侧传输热。还可以涉及一种具有结构手段的传热装置。严格来讲，在此没有发生热的“交换”，而是一定量的热被传输，为此，在下文中还被称作传热器。
在理论上，如它在本文中所预期的，术语“热交换器”还包括传输或传导热量的装置。为此，所谓的热管也可以被理解成是一种热交换器装置。设备中的导热元件、即传热结构也可以被理解成是一种热交换器装置。
此外，所谓的再生器也可以被视为是一种热交换器装置，其中，在所述再生器中，一开始例如从第一流体吸收的热被存储并且然后热被释放给例如第二流体。
在实施例中，热交换器装置设计成能够将一定量的热从第一流体传输给第二流体。所使用的另一术语是回热器。
所建议的方法在此广义地涉及一种可以传热的装置。
它涉及热工水力地确定热交换器的通道中的可能随时间变化的温度变化特性。这些动态温度变化特性要求作为结构力学计算的边界条件。这例如借助于有限元方法(fem)来执行。所确定的温度变化特性被证实位于热交换器的引导过程流体的结构元件上。然而，也可能涉及相应的过程流体流的温度或传热系数变化特性。
随时间变化的、尤其是在传热结构处的温度边界条件和/或传热系数变化特性优选地在热工水力模拟中被确定。在方法的改进中，过程流体的浓度和/或气相分数变化特性也被确定。通过借助于热工水力模拟确定前述变化特性并将变化特性用作热交换器或传热器的进一步的确定方法的边界条件，可以以减少的计算工作量来实现状态的可靠的确定。在模拟中，热交换器装置或工业设备中的热力学状态和流体动力学状态由此同时被确定。
随时间变化的温度边界条件在实施例中借助于下述模型来确定：所述模型用于过程流体的相位迁移，用于过程流体的组成成分的材料分离或过程流体的组成成分的分层，用于利用过程流体的填充操作，和/或用于过程流体的流体动力学不稳定性。
在实施例中，具有耦合的传热结构的相应的通道被映射成一维模型系统以用于热工水力模拟，所述一维模型系统具有过程流供入部、传热区段和过程流排出部，具有热容的本体、尤其是一维延伸的本体沿着传热区段布置。
在热工水力模拟中，一维延伸的本体的热容值和/或传热值优选地渐进地或连续地增大以确保一维模型系统的数值收敛。
在实施例中，方法包括下述步骤中的至少一个或多个，优选地包括下述步骤中的全部：
记录热交换器和/或工业设备的一些通道、优选为全部通道，所述通道分别相应地具有起点和终点，相应的起点或终点对应于过程流供入部或过程流排出部；
记录所记录的通道之间的节点，多个起点和/或终点在节点处交汇；
将一维模型配属给所记录的每个通道；
建立过程流体在过程流排出部和节点处的压力；并且
执行一个或多个一维模型的空间和时间离散的由计算机执行的计算，以确定出温度变化特性和/或传热系数变化特性。
优选地，在一个维度上完整的空间分辨热力学状态根据navier-stokes描述并入模拟中。也就是说，质量、动量和能量守恒被一维地考虑。为此，可以说，相应的通道借助于一维navier-stokes方程被描述以进行热工水力模拟。
优选地，在例如由金属元件所界定的通道的起点和终点处或在位于金属上的过程流供入部和过程流排出部处使用绝热边界条件。也就是说，假设在金属内沿过程流体的流动方向没有传热。
在方法的变型例中，对应的一维模拟包括描述下述内容的项：过程流体的时间质量富集，过程流体的空间质量传递，反应速率，过程流体的时间动量富集，过程流体的空间动量传递，空间压力梯度，空间摩擦，重力对过程流体的影响，过程流体的时间能量富集，过程流体的空间焓传递，过程流体的膨胀功，摩擦耗散和/或从外界的热输入或声输入。
方法的实施例用于预估在设备的运行过程中受热变化的影响的工业设备比如热交换器的部件的寿命。所使用的另一术语是寿命消耗分析。根据方法的一变型例，热交换器装置的状态作为寿命消耗以
传热结构可包括管、板、分隔片、型廓部、翅片或肋。
优选地，模拟考虑了通道中的过程流的焦尔-汤普森(joule-thompson)效应。
在执行所述方法时尤其执行时间和空间离散化。
热交换器装置的状态选择性地借助于用于状态的结构力学计算的有限元方法(fem)、基于可变的温度边界条件来确定。这可能涉及确定传热装置的(空间和时间分布的)应力状态
一种用于制造设备或热交换器装置的方法也被建议，热交换器装置的结构参数基于用于确定要制造的这种热交换器装置的状态的方法所得到的具体状态来建立。在这种情况下，至少一个结构参数尤其是钎焊位置、材料厚度或材料的选择。
通过预先模拟例如热交换器的具体运行状况并且对应地确定出作为寿命消耗分析结果的状态，设备的设计或热交换器的设计可以适应成能够实现延长的预期寿命。例如，翅片、长度或宽度规格、层图案、两相供入部或其它结构手段可以被采用。制造还应当被理解成包括利用例如匹配的热交换器对现有设备进行改型，从而延长模拟的或预估的寿命。为此，如果设备的改型是基于所执行的模拟进行的话，那么还可能涉及一种用于转化设备或热交换器装置的方法。
一种用于运行设备或热交换器装置的方法也被建议，运行参数是基于用于确定热交换器装置的状态的前述方法所得到的具体状态而建立的，并且运行参数尤其是压力、维护周期或用于更换传热结构的时间。
通过模拟，例如通过对热交换器或设备的具体运行状况或运行过程的模拟，并且通过对应地确定出作为寿命消耗分析结果的状态，设备或热交换器的设计或运行可以适应成能实现延长的预期寿命。由此所执行的模拟使得包括热交换器在内的设备能够以优化的方式运行。
此外，一种计算机程序产品被建议，所述计算机程序产品在程序控制的装置上实现了如上所述的一个或多个方法的执行。例如，借助于用于工业设备的计算机或控制室计算机的执行是可想到的。相应的传热器的(热工水力)状态的确定可以以处理模拟器的方式执行。这实现了被考虑的热交换器与设备的将被考虑的其它部件的交互、尤其是模块化交互。处理模拟器可以是模拟软件的一部分。
计算机程序产品、例如计算机程序手段可以例如作为存储介质(比如存储卡，usb条，cd-rom，dvd，或甚至可以呈可从网络中的服务器下载的文件的形式的存储介质)而被设置或提供。这例如可以利用无线通信网络、通过传输具有计算机程序产品或计算机程序手段的对应的文件来进行。
上述方法尤其是软件实施的，并且在下文中也可以类似地参考模拟软件和/或处理模拟器。
此外，一种用于这种处理模拟器的用户界面被建议。用户界面在此包括显示装置，显示装置设计成能够可视地展示由通道所形成的网络的、用于选择要呈现的通道的第一选择手段、用于将一维模型分配给所选择的通道的第二选择手段、以及用于将模拟参数配属给配属于所选择的通道的一维模型的第三选择手段，用户界面通信地耦接至处理模拟器。
优选地，用户界面的显示装置还设计成能够显示一维模型的多个变型以供选择，这些变型使得能够考虑下述内容：过程流体的时间质量富集，过程流体的空间质量传递，反应速率，过程流体的时间动量富集，过程流体的空间动量传递，空间压力梯度，空间摩擦，重力对过程流体的影响，过程流体的时间能量富集，过程流体的空间焓传递，过程流体的膨胀功，摩擦耗散和/或从外界对于相应的通道的热输入或声输入。
模拟装置继而包括至少一个处理模拟器和用户界面，如上文和下文所述，并且用户界面将对于所选择的通道所选取并配属的规格、一维模型的相应的配属的变型和所配属的模拟参数传输给处理模拟器。
本发明的更多的可能的实施方式还包括没有明确指出的、上文或下文中针对示例性实施例所描述的特征或实施例的组合。本领域技术人员也会将各单独的方面作为改进或补充添加至本发明的相应的基础形式。
附图说明
本发明的更多的有利构造和方面形成了从属权利要求和下文所描述的本发明的示例性实施例的主题。在下文中基于优选的实施例参考附图更详细地说明本发明。
图1从外侧示意性且透视性地示出具有多个附加的构件的板式热交换器。
图2示出来自图1的板式热交换器，该板式热交换器的盖板被部分去除并没有附加的构件。
图3示意性且透视性地示出来自图1和2的板式热交换器的通道。
图4示出通道模型的图示。
图5示出具有通道中的可能的起始温度分布的图示。
图6–10示出传热器的多个实施例的模拟结果。
图11示出用于确定传热器的状态的模拟方法的一示例性实施例的流程图。
图12示出用于确定传热器的状态的处理模拟器的一示例性实施例的示意性图示。
图13示出用于图12所示的处理模拟器的用户界面的一示例性实施例的示意性图示。
图14示出用于确定传热器的状态的模拟方法的另一示例性实施例的流程图。
图15示出用于运行工业设备的方法的一示例性实施例的流程图。
具体实施方式
在附图中，除非另有说明，否则相同的或具有相同功能的元件均具有相同的附图标记。
图1从外侧示出作为传热装置的一个示例的板式热交换器10。板式热交换器10具有中央长方体8，中央长方体8的长度l是约6m并且宽度b和高度h均是1.2m。在长方体8的顶部上、在长方体8的侧部处并在长方体8下，附接部6和6a可以被观察到。在长方体8下和在背向被示出的那侧上也具有这种附接部6和6a。然而，这些附接部被部分地隐藏。过程流体、例如水可以通过喷嘴7提供给板式热交换器10并从板式热交换器10再次移走。当过程流体流过时，由此可以获得过程流。附接部6和6a用于分配由喷嘴7引入的水并用于收集并汇集从板式热交换器10移出的水。在板式热交换器10内，多种水流进行换热。
图1所示的板式热交换器10设计成能使得两种以上过程流在单独的通道中于彼此旁边经过以进行换热。流中的一些可以在彼此旁边以逆流的方式经过，流中的另外一些以交叉流的方式经过。为了进一步解释，下述简化情况被考虑：两种过程流在单独的交替设置的通道内从彼此旁边流过。在理论上，可以在模拟中可以处理并且并入更多种过程流。
在图2中，可以观察到板式热交换器10在内部是如何构建的。它基本上是一个长方体8，该长方体包括分隔片1和用于改善传热的内部构造2(即所谓的翅片2)或分配型廓部3。包括分隔片1和型廓部2或3的层交替设置。包括换热型廓部2和分配型廓部3的层被称作通道14(这种通道在图3中示出并在下文中予以描述)。
因此，长方体8交替地具有平行于流动方向布置的通道14和分隔片1。分隔片1和通道14都由铝制成。通道14在它们的侧部被铝制成的条4闭合，以使得通过与分隔片1的堆叠设置而形成了一侧壁。布置于长方体8的外侧处的通道14被由铝制成的覆盖件5覆盖，覆盖件5平行于通道和分隔片1地布置。
长方体8以下述方式制造：向分隔片1的表面施加钎焊焊料并然后将分隔片1和通道14以交替的方式彼此上下堆叠。覆盖件5在顶部或底部处覆盖堆叠体8。然后，通过使堆叠体8在容置堆叠体8的炉中加热而被钎焊。当设置钎焊位置或材料厚度时，尤其可以使用用于预估或计算传热器10的元件的强度状态的方法尤其可以被使用。然后，可以在制造过程中被增强例如弱点或尤为承受应力的元件。尤其为了能够确定通道14处的应力分布，期待模拟由于过程流而出现的动态温度分布和/或局部传热系数的变化特性。
在板式热交换器10的侧部处，分配型廓部3具有分配型廓部进出口9。通过这些分配型廓部进出口9，作为过程流体的水可以从外侧引入关联的通道14并且还可以通过附接部6和6a和喷嘴7而再次移走。图2中示出的分配型廓部进出口9在图1中被附接部6和6a挡住。
图3示出图1和2所示的板式热交换器的通道14之一。水的流动方向由箭头示出。水在一个分配型廓部进出口9处流入，以在通道14的整个宽度上分配于所关联的分配型廓部3内。然后，水流过换热型廓部2并在实施完换热后从另一分配型廓部3汇聚至输出侧上的分配型廓部进出口9。在通道14的长侧和短侧上，通道14由条4限界。
为了促进水的旋流并由此有利于传热，换热型廓部2在示例中形成为切断型廓部(德语：geschnitteneprofile)(锯齿式翅片)。
根据在运行中流经板式热交换器10的过程流所产生的温度，分隔片1和型廓部2和3会经历热膨胀的变化。这会导致热应力，而热应力会使得板式热交换器10疲劳化并最终损坏板式热交换器10。
通过热工水力模拟板式热交换器10中的基于这些热流的温度分布，可以尤其借助于结构力学计算来确定应力分布。基于模拟的这些应力分布，可以评估故障风险，设计出改进的板式热交换器10并且尤其可以优化运行模式。
为了确定板式热交换器中的应力分布，首先基于热工水力模拟确定出空间和时间上的温度分布并从空间和时间上的温度分布计算出应力分布。
为了确定出尤其是传热结构处的随时间变化的温度边界条件，实质上是执行相应的温度和/或传热系数变化特性的确定。在实施例中，一维navier-stokes方程可以作为简化的假设而被假设用于通道。
优选地还考虑以下内容：过程流体中的能量的聚集，耗散，根据htri、htfs、vdi等的校正或可以由对应的模拟软件的用户定义的校正，例如：
对于能量守恒，在模拟方法的简化变型中，对于1-d热容可以假设的是：
其中，cp是比热容，ρ是过程流体的密度，t是温度，v是过程流体的速度，z是一维位置，并且
图4示出用于三个通道s1、s2、s3和具有热容cw的分隔壁11的一种示例。相应的通道、例如s3具有流体入口13和流体出口12。在通道s1、s2、s3与热容cw(或者多个热容)之间，传热被描述为一维延伸的热流密度变化特性。为了模拟分支，例如呈供入部或排部15形式的分支，两个通道s1和s2在部位15处流出和流入。一维式建模被用于所有的通道。在这种情况下，起始温度分布可以根据需要来建立。沿着一维轴线z的长度l例如被表示用于通道s2。对于方程(1)，通道s2的热输入应当表示为
绝热边界条件可以用于假设为一维的分隔壁(例如由金属制成)的热传导，也即：
为此，分隔壁11中沿着通道s1、s2、s3中流体流动方向的温度变化被忽略。在所建议的方法的变型中，其它边界条件也可以被使用或者分隔壁中的传热可以包含在模拟中。
图5示出随位置z变化的初始温度分布的两个示例。在左侧示出的是起始温度分布，它源于假设为稳态的能量守衡，在右侧示出的是根据需要假设的分布。初始分布例如可以用于通道中的一个。
在接下来的图6–10中，模拟结果被示出。为此，待解的双曲守恒方程(1)的微分方程被转换成下述形式的积分方程：
其中，f是根据来自等式(1)的第二项的函数，a、b是对应的前因子并且上横杠代表根据
例如借助于bdf方法(backwarddifferentiationformulae)来实施时间离散化，这在本文中没有予以任何更详细地说明。用于解微分方程的bdf方法是已知的。
图6和7示出由申请人做出的对于所谓的铝钎焊板翅片热交换器(pfhe)沿它的纵向的研究的结果。在图6的左部，z轴线竖直地示出。穿过传热器的热的过程流体流(从左上侧13供入，从右下侧12排出)失效的情形被模拟。为了比较起始状况(t＝0s)，根据模拟软件aspenmuse绘制出根据现有技术的结果。可以观察到的是，起始状况良好地吻合。在图7中，金属的温度的时间和空间变化作为3d示图被示出。
图8和9示出由申请人做出的对于所谓的壳管式热交换器(sthe)16的研究的结果。在这种传热器中，管束18被外壳壁17封围。z轴线水平延伸，并且两种过程流中的一种失效的情形被模拟(图8，图9)。为了比较，在图8中根据模拟软件htrixist绘制出根据现有技术在t＝0s时的温度变化。在图9中，右侧的图表示出根据一维建模或模拟在过程流体流失效后传热器的管束与壳之间的温度差。
图10示出由申请人做出的对所谓的盘管式热交换器(cwhe)19的研究的结果。在这种传热器中，螺旋盘绕的管束收容在外壳内。图10的左上侧示出对应的传热器的图像。在图10中，t＝0s时热的过程流(壳侧，(a))和三个冷管段(c)-(d)(实线)的温度变化与模拟软件genius(x)的结果对照地绘制。稳定的初始状态是吻合的。还示出的是螺旋盘绕式热交换器19中三种过程流在三个时间点(t＝100s，200s，800s)处的温度变化。
温度分布随时间变化的变化特性以及传热系数变化特性由此可以用作结构力学应力分析的输入数据，由此可以在考虑热工水力特性的情况下确定出相应的传热器的强度状态。
用于对应的方法的一些方法步骤总结在图11中。所述方法例如借助于处理模拟器来执行，所述处理模拟器可以实施成计算机设备、例如pc上的计算机程序。图12展示出处理模拟器的一种可能的示例性实施例。用户界面可以用于操作处理模拟器。对应的界面的一个示例如图13所示。模拟方法的一变型将在下文中基于图11–13予以解释。
图12中所示出的处理模拟器20具有计算模块21、多个模型模块221-22n、存储模块23和模拟模块241-243。模块21-24例如构造成软件实施的例程、程序部分或功能。处理模拟器20可以是软件库的一部分。而且还能想到的是硬件实施方式，在硬件实施方式中下文所解释的模块或单元的功能是硬线连的、实施成asic或fpga。
对于将被操作人员所操作的处理模拟器20，图13所示的用户界面25通信地耦接至处理模拟器25。用户界面25和处理模拟器20形成模拟装置，以借助于热工水力模拟确定传热器的状态。
用户界面25包括显示装置26，显示装置26设计成能可视化地呈现热交换器的通道si所组成的网络、用于选择要呈现的通道的第一选择手段、用于将一维模型配属给所选择的通道的第二选择手段、和用于将模拟参数配属给配属于所选择的通道的一维模型的第三选择手段。用户界面25显示例如一维模型271-27n的多种变型以供选择并且还能够将一组模拟参数配属给对于通道所相应地选择的模型，然后处理模拟器20通过模拟模块241执行对应的模拟。
首先，在第一步骤st1中，设备、例如图1–3的热交换器中的通道14被识别。相应的通道作为具有过程流体入口、传热区段和过程流体出口的一维系统被示出，如图4所示。为此，用户界面25具有显示装置26，显示装置26包括例如呈监视器或触摸屏形式的显示器。显示器26显示由通道si所组成的网络，所述通道si分别具有起点和终点，显示器26还显示多个通道彼此邻接的可能的节点、具有潜在热容cw的分隔壁和工业设备中将被考虑的另外的其它可能的元件。在图12中，通道si以简化的方式通过虚线箭头示出，其中，终点或排出部对应于箭头的相应的点。
用户由此可以选择一通道(参见图13中的箭头p1)并且分配一适当的一维模型。例如通过输入指令或通过鼠标点击作为选择要呈现的通道的手段来执行选取。
用户界面25提供多种可能的模型271-27n以供选择。例如，方程(1)中所表示的模型可以配属给所选择的通道的被加热的管。这通过箭头p2来表示。
然后，用户可以建立适用于所选择的相应的通道的模拟参数。为此，选择手段29、例如可以被点击的钮可以被提供。例如，通道的长度和排出部处的过程流体的压力被建立(箭头p4和p5)。另外的可能的模拟参数例如是过程流体速度、热流线性密度、沿着长度用于空间离散化的多个支撑点、入口或供入部处的流体温度、或者热容。另外的模拟参数也是可以想到的，其中，要配属的变量是基于所选择的一维模型的。
处理模拟器20具有对应的模型模块221-22n，模型模块22i设计成能根据模型“i”、在考虑关联的模拟参数的情况下执行一维的、空间独立且时间独立地实施的离散数值计算。可以通过用户界面25选择的一维模型271-27n由模型模块221–22n以计算的方式运行。
然后，用户界面25将相应的模型选择连同关联的所建立的用于通道的模拟参数传输给处理模拟器20。为了例如可以使用类似于vhdl代码的描述语言或脚本。所建立的模拟参数存储在存储模块23中并且可以被计算模块21调用。
然后在步骤st2(图11)中，基于navier-stokes方程来执行过程流体流的模拟和温度分布的模拟。在处理模拟器20中，模拟模块241访问模型模块221-22n和存储模块23中的模拟参数并执行相应的数值计算。然后作为结果在步骤st3中获得热交换器元件、比如板、管、附接部、分隔片等的表面处的动态温度分布。
步骤st2中的模拟优选地包括描述下述内容的项：过程流体的时间质量富集，过程流体的空间质量传递，反应速率，过程流体的时间动量富集，过程流体的空间动量传递，空间压力梯度，基于位置的摩擦，重力对过程流体的影响，过程流体的时间焓富集，过程流体的空间焓传递，过程流体的膨胀功，摩擦耗散和/或从外界的热输入。为此，对应的模型模块221-221例如作为激励例程位于处理模拟器20中，这些激励例程可以被(第一)模拟模块241收回并使用。一维守恒方程(尤其是质量守恒、动量守恒和能量守恒)和热力学状态方程(尤其是针对密度、温度、压力和能量)由此可以被相应地使用。
对于可压缩的流体，navier-stokes方程可以被总结如下：
其中，cj＝nj/v是流体组成成分j的单位为mol/m3的摩尔密度，nc是流体组成的数量(无维的)，ρ是单位为kg/m3的密度，u是单位为m/s的速度，e是单位为j/kg的比内量，ρe是单位为j/m3的能量密度，θ是单位为rad的迎角，ρ·g·sin(θ)是单位为pa/m的静水应力，σ是单位为n/m2的摩擦张量，p是单位为pa的压力，
在理论上，各变量还也可以具体用于每种流体组成成分j并被用作用于模拟的基础。例如，相应的过程流体的组分或组成成分的分层也可以采用这种方式来记录。
在这种情况下，质量守恒方程(3)中的第一项代表质量富集，第二项代表质量传递并且右侧对应于反应速率。在动量守恒方程(4)中，左侧的第一项代表动量富集，第二项代表动量传递。在方程(4)的右侧上，第一项考虑了由于压力梯度所产生的加速度，第二项代表摩擦并且第三项代表重力影响。模型方程中所表示的变量尤其可以用作模拟参数。
然而，根据模拟的期待的精确度，这些项中的一些也可以在考虑计算工作了的情况下被省略。尤其，还可以将过程流体假设成是均质的，并且蒸气(vap)和液体(liq)以相同的速度流动：
ρ＝ρvapε+ρliq(1-ε)(6)
其中，ε是气相体积分数。
当解这些方程时，例如，时间离散化和空间离散化彼此独立地执行。由此，可以降低所产生的计算工作量。在时间方向上，bdf方法优选地用于数值解。在空间上，有限体积法可以被使用。
当由处理模拟器20开始模拟时，用于一维延伸体的热容值和/或传热值可以在一开始没有被考虑并且只是渐进地或连续地缓慢增长，从而确保能够借助于模型模块221-22n实现一维模型系统的数值收敛。也就是说，没有热耦合的模型系统作为起始点被采用，并且根据相应的模拟参数进行传热以达到期待的值。
与传统的cfd方法(计算流体动力学)相比，由于简化成一维现象而显著地减小了付出。得出可靠的值的模拟可以以很少的付出来执行。
由模拟模块241在步骤st3中提供的边界条件然后用于传热结构的结构力学特性的进一步的计算和模拟，所述传热结构装配在换热器中。因此，传热结构的温度和/或传热系数变化特性被获取并且可以用作后续的fem计算(步骤st4)中的基础。
处理模拟器20的第二模拟模块242设计成能执行对应的fem方法。例如，第二模拟模块242执行根据ep1830149b1的方法，该文献的全部内容在此被参考(以参考的方式并入本文)。
在传热器的由温度所诱导的应力或强度的结构力学确定中，可以执行以下方法步骤，其中，为了简化起见，具有分隔片1和型廓部2(参见图1)的板式热交换器10被考虑：
借助于三维数值模拟来计算在板式热交换器10的运行过程中板式热交换器10内部的热应力；并且
基于所计算的热应力确定板式热交换器的强度。
在热应力的三维数值模拟中，型廓部2中和分隔片1中的空间温度分布被确定，其中，型廓部2中的一个的与一个分隔片1接触的部分的层模型被生成并被使用。三维数值计算模拟然后包括以下步骤：
将型廓部2作为金属块被建模，所述金属块均质地填充分隔片1之间的空间并在它的一侧上与分隔片1导热地接触；
确定由过程流体向型廓部2和相邻的分隔片1所施加的总热输入，其中，该热从流体输入给型廓部2然后导热通过型廓部2并从型廓部2输入给相邻的分隔片1；并且
将对应于第一热输入的热量引入金属块内的第一表面。所述方法尤其具有使层模型适应的校正因子。
例如，fem计算给出应力变化特性、与比较的应力相关的数据、或用于评估热交换器中的寿命确定元件的类似的状态确定变量。
在可选的步骤st5中，寿命、例如热交换器中板的寿命由此被确定。第三模拟模块243设计成能基于温度诱导的应力的结构力学确定来计算设备或热交换器的寿命消耗。对应的模拟系统、比如处理模拟器20然后基于将热流体动力学模拟与有限元分析和寿命预估关联起来。
如在步骤st4和st5中所执行的或由模拟模块242和243所执行的用于寿命预估的有限元分析例如在r.
在图14中，用于确定传热器的状态的扩展的模拟方法的另一示例性实施例的流程图被示出。
在步骤st21中，针对热应力、并由此针对传热器的预期的寿命识别并定义关键的运行状态(德语：betriebsszenarien)。例如，启动或关停状态可以被确定。
在步骤st22至st24中，基于状态定义而执行对应的传热器的热工水力建模、验证和模拟。在模拟中考虑的效应对应于上文针对步骤st2和st3所说明的那些效应。
在步骤st25中，作为模拟的结果生成动态温度和传热系数变化特性。这些代表最后在步骤st26中执行的结构力学计算的输入数据。结构力学计算例如提供对于所计算的运行状态的疲劳变化特性，从疲劳变化特性可以确定出对于各状态的预期的寿命消耗(步骤st27)。然后，可以针对定义的运行状态的整体而确定出被考虑的热交换器的寿命消耗总和(步骤st28)。
前述分析的模拟结果可以用来通过适应化而使传热器具有足够长的寿命。这些发现可以得到传热器的改型设计、设备的改型或优化的控制方案、用于操作人员的特殊的操作指示、报警的执行、或者附加的或改型的过程工程切换布置方案。
图15示意性示出用于支持设备控制器30的处理模拟器20在用于运行工业设备40的方法中的应用。传统地，设备控制器30借助于控制信号ct来控制设备、比如用于空气分离、气体液化等的低温设备。设备控制器30接收来自设备中的测量传感器的测量信号或传感器信号ms。例如，温度、压力或流量可以被设备控制器30记录并分析处理，从而可以设定想要的运行顺序。
还提供在图15中的是处理模拟器20，所述处理模拟器执行对所执行的运行顺序或者所计划的运行顺序的改型的模拟。如针对图11所解释的，寿命消耗预估被执行(参见步骤st5)，并由此运行顺序或运行参数可以被设备控制器30更改以实现运行时长的改善或延长，例如使得具有延长的维护周期。为此，处理模拟器20向设备控制器30或操作人员提供寿命预估ld。在维护周期内，可以以改善的运行参数或改善的运行顺序来执行进一步的运行。如果合适的话，设备控制器30然后输出改型后的控制信号ct′。然后，基于处理模拟器20的模拟而优化设备40的运行。
处理模拟器20例如可以在维护周期内向操作人员提供建议以改变操作建议。然而，还能够想到的是，设备控制器30基于模拟结果ld独立地执行对相应的运行顺序或操作参数的适应化。
为此，工业设备的生产、计划、设计、转化或运行可以基于热工水力模拟来实施，如上所述。结构参数、比如材料、板厚度、管长度等的选择也可以在设备或热交换器的生产前被确定。
尽管本发明已经借助于示例性实施例予以说明，但是它也可以以多种方式改型。例如，具有与图示不同的几何设计的传热器也可以被考虑。
附图标记列表
1分隔片
2换热型廓部
3分配型廓部
4条
5覆盖件
6、6a附接部
7喷嘴
8中央长方体/堆叠体
9分配型廓部进出口
10板式热交换器
11分隔壁
12出口/排出部
13入口/供入部
14通道
15分支部/排出部
16pfhe传热器
17壳
18管
19sthe传热器
20处理模拟器
21计算模块
221–22n模型模块
23存储模块
241–243模拟模块
25用户界面
30设备控制器
40工业设备
ct控制信号
cw热容
ms测量数据
ld模拟结果
s1–s3通道
st1–st28方法步骤
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