Способ определения состояния теплообменного устройства
METHOD FOR DETERMINING HEAT EXCHANGE DEVICE STATE

Настоящее изобретение относится к способу определения состояния теплообменного устройства, например, прочности теплообменного устройства. При этом рассмотрены, например, пластинчатые теплообменники и предложены способы создания теплообменника и/или промышленной установки. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу эксплуатации теплообменников, или устройств для передачи тепла, или промышленных установок.
Существует необходимость в прогнозировании механических и тепловых напряжений в элементах промышленных установок, таких как, например, установки для сжижения газа или разделения воздуха, для оценки срока их службы, вероятности текущего ремонта или устойчивости. Для этого необходимы способы моделирования, реалистично воспроизводящие эксплуатацию установки и обеспечивающие использование параметров состояния элементов установки. В большинстве случаев эти способы моделирования требуют чрезвычайно большого объема вычислительных операций или не обеспечивают достаточно точных данных.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенных возможностей моделирования.
Эта задача решена посредством способа, признаки которого изложены в п. 1 формулы изобретения. В зависимых пунктах перечислены дополнительные варианты выполнения изобретения.
Соответственно, предложен способ определения состояния теплообменного устройства, содержащего средства для передачи тепла с помощью технологических потоков. Упомянутый способ включает теплогидравлическое моделирование одного или более технологических потоков, проходящих через один или более проходов в теплообменном устройстве, для определения температуры и/или профилей коэффициента теплопередачи средств для передачи тепла.
Технологический поток или потоки могут быть потоками вещества и, в частности, потоками соответствующей технологической текучей среды, или потоками энергии.
В этом отношении в одном варианте выполнения предложен способ определения состояния теплообменного устройства, содержащего средства для передачи тепла с помощью потоков технологической текучей среды. В указанном способе выполняют теплогидравлическое моделирование потоков технологической текучей среды, проходящих через проходы в теплообменном устройстве, для определения температуры и/или профилей коэффициента теплопередачи средств для передачи тепла.
Технологическая текучая среда представляет собой, в частности, текучую среду криогенной установки, такую как жидкости, сжиженные газы или газовые смеси. Например, возможными средами являются вода, сжиженный газ, сжиженный воздух или продукты разделения воздуха.
Состояние теплообменного устройства, которое должно быть определено, представляет собой, в частности, теплогидравлическое состояние. Кроме того, возможно определение состояния прочности.
Под термином «средство», используемым во множественном числе, следует понимать обобщающий термин, и поэтому совершенно необязательно он в данном документе обозначает некоторое количество конструктивных элементов, обеспечивающих передачу тепла.
Под теплообменным устройством, как правило, понимают устройство, подходящее для передачи тепла от первой стороны ко второй стороне. Его также можно отнести к устройству для передачи тепла, содержащему конструктивные средства. Строго говоря, в данном случае не происходит «обмена» теплом, точнее происходит передача некоторого количества тепла, по этой причине в данном документе ссылка сделана также на устройство передачи тепла.
В принципе, термин «теплообменник», применительно к данному описанию, относится также к устройствам, передающим или проводящим некоторое количество тепла. В этом отношении так называемую «тепловую трубу» можно также понимать как теплообменное устройство. Кроме того, теплопроводящий элемент в установке, то есть средство для передачи тепла, можно понимать как теплообменное устройство.
Помимо этого, под теплообменным устройством можно понимать так называемый «регенератор», в котором исходное тепло, например, извлеченное из первой текучей среды, сохраняют, а затем отводят, например, ко второй текучей среде.
В вариантах выполнения изобретения теплообменное устройство выполнено с возможностью передачи некоторого количества тепла от первой текучей среды ко второй текучей среде. Другим термином, используемым для теплообменного устройства, является термин «рекуператор».
Предложенный способ в целом относится, применительно к данному документу, к устройствам, которые, могут передавать тепло.
Указанный способ включает теплогидравлическое определение имеющихся в проходах теплообменника температурных профилей, которые могут изменяться с течением времени. Эти динамические температурные профили необходимы в качестве граничных условий для расчета конструктивно-механических параметров. Указанное определение выполняют, например, с помощью методов конечных элементов (FEM). Определяемые температурные профили могут быть найдены для конструктивных элементов теплообменника, проводящих технологическую текучую среду. Однако это определение также можно отнести к температурным профилям или профилям коэффициента теплопередачи соответствующих потоков технологической текучей среды.
Температурные граничные условия и/или профили коэффициента теплопередачи, изменяющиеся с течением времени, в частности, в средствах для передачи тепла, предпочтительно определяют посредством теплогидравлического моделирования. В дополнительных вариантах выполнения способа также определяют концентрацию и/или профили относительного содержания пара в технологической текучей среде. Благодаря определению посредством теплогидравлического моделирования вышеупомянутых профилей, когда профили выступают в качестве граничных условий для дополнительных методов определения состояния теплообменника или устройства для передачи тепла, становится возможным надежное определение состояния при меньшем объеме вычислительных операций. Таким образом, при данном моделировании термодинамические состояния и динамические состояния текучей среды в теплообменном устройстве или промышленной установке определяют одновременно.
В вариантах выполнения температурные граничные условия, изменяющиеся с течением времени, определяют с помощью модели фазового перехода технологической текучей среды для разделения веществ, входящих в состав технологической текучей среды, или для их расслоения, для заполнения технологической текучей средой и/или для гидродинамической неустойчивости технологической текучей среды.
В вариантах выполнения для теплогидравлического моделирования воспроизводят соответствующий проход вместе с присоединенным средством для передачи тепла к системе одномерной модели посредством подачи технологического потока, секцию передачи тепла и выпуск технологического потока, при этом вдоль указанной секции передачи тепла проходит тело, обладающее теплоемкостью, в частности, одномерное удлиненное тело.
При теплогидравлическом моделировании величину теплоемкости и/или величину передачи тепла для одномерного удлиненного тела предпочтительно увеличивают с определенным шагом или непрерывно для обеспечения численной сходимости системы одномерной модели.
Варианты выполнения указанного способа включают по меньшей мере один или более, а предпочтительно все, нижеследующие этапы, на которых:
регистрируют количество проходов, предпочтительно всех проходов теплообменника и/или промышленной установки, в каждом случае с начальной точкой и конечной точкой, причем соответствующая указанная начальная или конечная точка соответствует подаче технологического потока или выпуску технологического потока;
регистрируют узлы между зарегистрированными проходами, количество начальных и/или конечных точек, сходящихся в узле;
назначают одномерную модель каждому зарегистрированному проходу;
устанавливают давления технологической текучей среды на выпусках технологических потоков и в узлах; и
выполняют компьютерный расчет, с пространственной и временной дискретизацией, одномерной модели или моделей для определения температуры и/или профилей коэффициента теплопередачи.
Предпочтительно, в соответствием с описанием Навье-Стокса, в методе моделирования в расчет принято полное пространственно-разрешенное термодинамическое состояние в одном измерении. То есть массовый, импульсный и энергетический балансы рассматриваются как одномерные. В этом отношении можно сказать, что с помощью одномерных уравнений Навье-Стокса для теплогидравлического моделирования описан соответствующий проход.
Предпочтительно в начальных и конечных точках прохода, например, ограниченного металлическими элементами, или на подаче и выпуске технологического потока на металл используют адиабатические граничные условия. То есть предполагается, что в направлении потока технологической текучей среды отсутствует передача тепла внутри металла.
В вариантах способа соответствующее одномерное моделирование включает показатели, описывающие: временную концентрацию массы технологической текучей среды, пространственный перенос массы технологической текучей среды, скорость реакции, временную концентрацию импульса технологической текучей среды, пространственный перенос импульса технологической текучей среды, пространственный градиент давления, пространственное трение, влияние силы тяжести на технологическую текучую среду, временную концентрацию энергии технологической текучей среды, пространственный перенос энтальпии технологической текучей среды, работу расширения технологической текучей среды, рассеивание трения и/или поступление тепла или поступление звука снаружи.
Варианты выполнения указанных способов служат для прогнозирования срока службы частей промышленной установки, таких как, например, теплообменник, находящихся под влиянием температурных изменений во время работы установки. Другим используемым показателем является анализ расхода ресурса стойкости. В соответствии с вариантом способа состояние теплообменного устройства определяют в виде расхода ресурса стойкости по кривой усталости Велера, при этом напряжение определяют в зависимости от количества эксплуатационных циклов теплообменного устройства.
Средства для передачи тепла могут содержать трубу, пластину, разделительный лист, профилированную часть, ребро или продольный выступ.
Предпочтительно при данном моделировании учитывают эффект Джоуля-Томпсона для технологического потока в проходах.
При реализации данного способа выполняют временную и пространственную дискретизацию.
Как вариант, состояние теплообменного устройства определяют с помощью метода конечных элементов (FEM), используемого для расчета конструктивно-механических параметров состояния в зависимости от изменяемых температурных граничных условий. Это действие может включать определение состояний напряжения (распределенных в пространстве или во времени) теплообменного устройства.
Кроме того, предложен способ создания установки или теплообменного устройства, причем конструктивные параметры теплообменного устройства устанавливают в зависимости от конкретного состояния, полученного с помощью предложенного способа определения состояния теплообменного устройства, которое необходимо создать. В этом случае по меньшей мере одним конструктивным параметром является, в частности, место пайки, толщина материала или тип материала.
Благодаря предварительному моделированию, например, конкретных эксплуатационных ситуаций для теплообменника, и соответствующему определению состояния посредством анализа расхода ресурса стойкости, конструктивная схема установки или теплообменника может быть выполнена таким образом, чтобы получить улучшенный прогнозируемый срок службы. Например, могут быть взяты характеристики ребристых трубок, длины или ширины, схемы размещения по слоям, двухфазные подачи или дополнительные конструктивные показатели. Под изготовлением следует понимать модификацию существующих установок, например, с размещенными в них теплообменниками, чтобы получить улучшенные моделируемые или прогнозируемые ресурсы стойкости. В этом отношении также можно сослаться на способ преобразования установки или теплообменного устройства, если модификацию установки осуществляют на основе выполняемых моделирований.
Кроме того, предложен способ эксплуатации установки или теплообменного устройства, причем эксплуатационные параметры задают в соответствии с конкретным состоянием, полученным в результате выполнения вышеупомянутого способа определения состояния теплообменного устройства, при этом эксплуатационным параметром является, в частности, давление, интервал между техническими обслуживаниями или время замены средств для передачи тепла.
Благодаря моделированию, например, конкретных эксплуатационных ситуаций или эксплуатационных процессов для теплообменника или установки, а также соответствующему определению состояния путем анализа расхода ресурса стойкости, конструкцию или эксплуатацию установки или теплообменника можно отрегулировать так, чтобы получить улучшенный прогнозируемый срок службы. Следовательно, выполняемое моделирование обеспечивает возможность оптимизации эксплуатации установок, содержащих теплообменники.
Кроме того, предложен компьютерный программный продукт, инициирующий выполнение изложенного выше способа или способов на оборудовании с программным управлением. Упомянутое выполнение является возможным для промышленной установки, например, с помощью компьютера или компьютера с диспетчерским управлением. Определение (теплогидравлического) состояния соответствующего устройства для передачи тепла может быть выполнено в виде имитационной модели технологического процесса. Такое решение допускает взаимодействия, в частности, модульные взаимодействия, рассматриваемого теплообменника с другими частями установки, которые должны быть учтены. Имитационная модель технологического процесса может быть частью программного средства моделирования.
Компьютерный программный продукт, такой как, например, компьютерное программное средство, может быть представлен, например, в виде носителя данных, такого как, например, карта памяти, USB-накопитель, CD-ROM, DVD, или даже в виде загружаемого файла с сервера в сети. Это может иметь место, например, в сети беспроводной связи путем передачи соответствующего файла с компьютерным программным продуктом или компьютерным программным средством.
Так как указанный способ или способы являются, в частности, реализуемыми с помощью программного обеспечения, в дальнейшем будет использоваться ссылка на программное средство моделирования и/или на имитационную модель технологического процесса как на равнозначные понятия.
В дополнение к этому для имитационной модели технологического процесса предложен пользовательский интерфейс. В таком случае пользовательский интерфейс содержит устройство отображения, выполненное с возможностью визуального отображения сети проходов, первое средство выбора, предназначенное для выбора представленного прохода, второе средство выбора, предназначенное для назначения одномерной модели выбранному проходу, и третье средство выбора, предназначенное для назначения параметров моделирования одномерной модели, назначенной выбранному проходу, причем пользовательский интерфейс связан с возможностью сообщения с имитационной моделью технологического процесса.
Предпочтительно устройство отображения пользовательского интерфейса выполнено также с возможностью отображения некоторого количества вариантов одномерных моделей для их выбора, причем данные варианты дают возможность учесть временную концентрацию массы, пространственный перенос массы технологической текучей среды, скорость реакции, временную концентрацию импульса технологической текучей среды, пространственный перенос импульса технологической текучей среды, пространственный градиент давления, пространственное трение, влияние силы тяжести на технологическую текучую среду, временную концентрацию энергии технологической текучей среды, пространственный перенос энтальпии технологической текучей среды, работу расширения технологической текучей среды, рассеивание трения и/или поступление тепла или поступление звука снаружи для соответствующего прохода.
Кроме того, устройство моделирования содержит по меньшей мере одну имитационную модель технологического процесса и пользовательский интерфейс, как изложено выше и в дальнейшем, причем пользовательский интерфейс передает указанной имитационной модели технологического процесса выбранные и назначенные характеристики для выбранных проходов, а также соответствующие назначенные варианты одномерных моделей и назначенные параметры моделирования.
Другие возможные реализации данного изобретения содержат также сочетания свойств или вариантов выполнения, как изложено выше и в дальнейшем в отношении иллюстративных вариантов выполнения, не определенных детально. Специалисты в данной области техники смогут также добавлять отдельные аспекты в качестве улучшения или дополнения соответствующей основной формы настоящего изобретения.
Другие преимущественные конструктивные выполнения и аспекты данного изобретения являются содержанием зависимых пунктов формулы изобретения и иллюстративных вариантов выполнения изобретения, описанных далее. В данном документе настоящее изобретение подробно объяснено на основе предпочтительных вариантов выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 изображает схематический вид снаружи в аксонометрии теплообменника с некоторым количеством добавленных компонентов.
Фиг. 2 изображает пластинчатый теплообменник, изображенный на фиг. 1, с частично удаленным покрывающим листом и без добавленных компонентов.
Фиг. 3 изображает схематический вид в аксонометрии прохода из пластинчатого теплообменника, изображенного на фиг. 1 и 2. Фиг. 4 изображает вид модели прохода.
Фиг. 5 изображает диаграммы с возможным распределением начальной температуры в проходе.
Фиг. 6-10 иллюстрируют результаты моделирования для различных вариантов выполнения устройств для передачи тепла.
Фиг. 11 изображает блок-схему примерного варианта выполнения способа моделирования для определения состояний устройства для передачи тепла.
Фиг.12 изображает схематический вид примерного варианта выполнения имитационной модели технологического процесса для определения состояний устройства для передачи тепла.
Фиг. 13 изображает схематический вид примерного варианта выполнения пользовательского интерфейса для имитационной модели технологического процесса, показанной на фиг. 12.
Фиг. 14 изображает блок-схему другого примерного варианта выполнения способа моделирования для определения состояний устройства для передачи тепла.
Фиг. 15 изображает блок-схему примерного варианта выполнения способа эксплуатации промышленной установки.
На чертежах одинаковые элементы или элементы, имеющие одинаковое назначение, обозначены одинаковыми ссылочными позициями, если не указано иное.
На фиг. 1 изображен вид снаружи пластинчатого теплообменника 10 в качестве примера устройства для передачи тепла. Пластинчатый теплообменник 10 содержит центральный кубоид 8 с длиной L, равной приблизительно 6 м, и шириной или высотой В, Н, равной 1,2 м в каждом случае. На верхней части кубоида 8 у его боковых сторон и под кубоидом 8 можно видеть приспособления 6 и 6а. Такие приспособления 6 и 6а также находятся под кубоидом 8 и на боковой стороне, обращенной от изображенной боковой стороны, однако, они являются частично скрытыми. Технологическая текучая среда, например вода, может быть подана к пластинчатому теплообменнику 10 и вновь удалена из него через штуцеры 7. Следовательно, при прохождении текучей среды через теплообменник получают технологический поток. Приспособления 6 и 6а служат для распределения воды, вводимой через штуцеры 7, а также для сбора и сосредоточения воды, удаляемой из пластинчатого теплообменника 10. В этом случае различные потоки воды обеспечивают обмен тепла внутри пластинчатого теплообменника 10.
Пластинчатый теплообменник 10, показанный на фиг. 1, выполнен с возможностью создания более двух технологических потоков, проходящих один мимо другого в отдельных проходах для обмена теплом. Некоторые из потоков можно заставить проходить один мимо другого в противотоке, а другие потоки - с перекрестным течением. Для дополнительного объяснения рассмотрим упрощенную ситуацию, в которой два технологических потока проходят один мимо другого в отдельных чередующихся проходах. В принципе, при моделировании может быть выполнено и обработано и большее количество технологических потоков.
На фиг. 2 можно видеть конструктивное выполнение теплообменника 10 в его внутренней части. Теплообменник по существу имеет форму кубоида 8, содержащего разделительные листы 1 и внутренние компоненты для улучшения передачи тепла, так называемые ребра 2 и распределительные профили 3. Слои пакета, содержащие разделительные листы 1 и профили 2 или 3, расположены с чередованием. Слой пакета, содержащий теплообменный профиль 2 и распределительные профили 3, называется проходом 14 (такой проход показан на фиг. 3 и описан ниже).
Таким образом, кубоид 8 содержит проходы 14 и разделительные листы 1, расположенные с чередованием параллельно направлениям потока. Как разделительные листы 1, так и проходы 14 выполнены из алюминия. Проходы 14 с их боковых сторон закрыты планками 4 из алюминия и, таким образом, боковые стенки сформированы в виде набранной в пакет конструкции с разделительными листами 1. Проходы 14, расположенные на наружной стороне кубоида 8, закрыты крышкой 5 из алюминия, расположенной параллельно проходам и разделительным листам 1.
Кубоид 8 изготавливают путем нанесения твердого припоя на поверхности разделительных листов 1 с последующим наложением разделительных листов 1 и проходов 14, расположенных с чередованием, один на верхнюю часть другого. Крышка 5 закрывает пакет 8 на верхней или нижней части. Затем пакет 8 был спаян посредством его нагревания внутри печи. При определении мест пайки или толщины материала могут быть использованы, в частности, методы прогнозирования или вычисления состояний прочности элементов устройства 10 для передачи тепла. В этом случае можно, например, во время изготовления, обеспечить упрочнение слабых мест или элементов, особенно подвергаемых напряжению. Для того чтобы можно было определить, в частности, распределение напряжений в проходах 14, желательно выполнить моделирование динамических распределений температур и/или профилей локальных коэффициентов теплопередачи, обусловленных технологическими потоками.
На боковых сторонах теплообменника 10 распределительные профили 3 имеют окна 9 доступа, через которые вода, используемая в качестве технологической текучей среды, может быть введена в соответствующие проходы 14 снаружи, а также вновь удалена с помощью приспособлений 6 и 6а и штуцеров 7. Окна 9 доступа распределительного профиля, показанные на фиг. 2, на фиг. 1 закрыты приспособлениями 6 и 6а.
На фиг. 3 показан один из проходов 14 пластинчатого теплообменника, изображенного на фиг. 1 и 2. Направление потока воды указанно стрелками. Вода проходит в одно окно 9 доступа для ее распределения в соответствующем распределительном профиле 3 по всей ширине прохода 14. Затем вода проходит через теплообменный профиль 2 и, после того, как произошел теплообмен, собирается из другого распределительного профиля 3 и проходит к окну 9 доступа на стороне выпуска. Проход 14 на его длинной и короткой сторонах ограничен планками 4.
Для создания турбулентности в воде и улучшения тем самым ее проводимости для передачи тепла теплообменные профили 2 выполнены, например, в виде вырезанных профилей (зигзагообразных оребрений).
В зависимости от температуры, создаваемой технологическими потоками, проходящими через теплообменник 10 во время эксплуатации, разделительные листы 1 и профили 2 и 3 испытывают изменения, обусловленные тепловым расширением, что может привести к возникновению температурных напряжений, которые могут вызвать усталостное и окончательное повреждение теплообменника 10.
При теплогидравлическом моделировании распределения температур в пластинчатом теплообменнике 10 на основе этих тепловых потоков определяют распределение напряжений, в частности, путем расчета конструктивных и механических характеристик. На основе этих смоделированных распределений напряжений могут быть оценены опасности выхода из строя, могут быть спроектированы улучшенные теплообменники 10, а также могут быть оптимизированы, в частности, эксплуатационные режимы.
Для определения распределения напряжений в пластинчатом теплообменнике сначала определяют пространственное и временное распределение температуры посредством теплогидравлического моделирования, на основе которого вычисляют распределение напряжений.
Для определения температурных граничных условий, изменяющихся с течением времени, в частности, в средствах для передачи тепла, по существу выполняют определение соответствующей температуры и/или профилей коэффициента теплопередачи. В вариантах выполнения для проходов в качестве упрощающих допущений могут быть использованы одномерные уравнения Навье-Стокса.
Кроме того, предпочтительно учитывать аккумулирование энергии в технологической текучей среде, рассеяние, корреляции в соответствии с программами организаций HTRI (Heat Transfer Research Inc.), HTFS (Heat Transfer and Fluid Flow Service), VDI (Verein Deutscher Ingenieure) и т.д., или корреляции, которые могут быть определены пользователем соответствующего программного обеспечения для моделирования, например: α=α(x(z)), , где x - массовая доля пара, z - местоположение в проходе и  - массовый расход. Кроме того, в соответствии с требованиями может быть принята во внимание динамика импульса.
Что касается энергетического баланса, то в упрощенном варианте метода моделирования для одномерной (1-D) теплоемкости можно предположить, что:
р
где с - удельная теплоемкость, ρ - плотность технологической текучей среды, Т - температура, v - скорость технологической текучей среды, z - одномерное местоположение, и  - поступление тепла в виде линейной плотности теплового потока. Уравнение (1) соответствует нагреваемой трубе или проходу, например, с длиной L.
На фиг. 4 показан пример трех проходов S1, S2, S3 и разделительной стенки 11 с теплопроводностью CW. Соответствующий проход, например, S3, имеет впускное отверстие 13 и выпускное отверстие 12 для текучей среды. Между проходами S1, S2, S3 и теплоемкостью CW (или теплоемкостями) передача тепла описывается в виде профиля плотностей проходящего в одном измерении теплового потока. Для моделирования ответвления, например, в виде подачи или выпуска 15, оба прохода S1 и S2 выходят из местоположения 15 или входят в него. Одномерное моделирование используют для всех проходов. В этом случае распределение начальной температуры может быть установлено по желанию. Длина L вдоль одномерной оси z обозначена, например, для прохода S2. Что касается уравнения (1), то поступление тепла для прохода S2 следует обозначить как  CW, S2.
Для теплопроводности предположительно одномерной разделительной стенки (например, выполненной из металла) могут быть использованы адиабатические граничные условия, то есть
.
В этом отношении можно пренебречь изменениями температуры в разделительной стенке 11 вдоль направлений потока текучих сред в проходах S1, S2, S3. В вариантах предложенного метода также могут быть использованы другие граничные условия или в моделирование также может быть включена передача тепла в разделительных стенках.
На фиг. 5 показаны два примера распределения начальной температуры в зависимости от местоположения z. На левой части чертежа показано распределение начальной температуры, обусловленное энергетическим балансом в предположении установившегося состояния, а на правой части чертежа показано распределение температуры в предположении любого желательного состояния. Начальное распределение температуры может быть использовано, например, для одного из проходов.
На нижеследующих фиг. 6-10 приведены результаты моделирования. Для этого дифференциальные уравнения решаемого гиперболического уравнения (1) были преобразованы в интегральное уравнение в следующем виде:
+
-
+
-
j
j+1
где F - функция в соответствии со вторым членом уравнения (1), а и b -соответствующие предварительные коэффициенты, при этом штриховой символ обозначает интегральное среднее (интегральное среднее значение) в соответствии с формулой . Местоположения z и z указывают пределы объема ω регулирования. Таким образом, имеется дискретизация пространственной области в направлении z по длине L прохода. Последовательные точки z и z дискретизации образуют соответствующую область z и z регулирования. При пространственной дискретизации для выражения, заключенного в квадратные скобки в уравнении (2), требуется удовлетворение условия Куранта-Фридрихса-Леви. Таким образом, получают системы уравнений второго порядка для дифференциальных уравнений по времени.
Временную дискретизацию выполняют, например, с помощью метода формул обратного дифференцирования (BDF), подробно не обсуждаемого в данном документе по причине известности BDF-методов решения дифференциальных уравнений.
На фиг. 6 и 7 показаны результаты исследований, проведенных настоящим заявителем для так называемого паяного алюминиевого пластинчато-ребристого теплообменника (PFHE) в его продольном направлении. В левой части фиг. 6 показано, что ось z проходит вертикально. Было выполнено моделирование сценария, по которому поток теплой технологической среды (подача 13 текучей среды показана вверху слева, а выпуск 12 текучей среды - внизу справа), проходящий через устройство для передачи тепла, теряет требуемые свойства. Для сравнения начальных условий (t=0 с) приведены графические изображения результатов для предшествующего уровня техники в соответствии с программным обеспечением Aspen MUSE для моделирования. Можно видеть, что для начального условия имеется хорошее совпадение. На фиг. 7 в трехмерном изображении показано временное и пространственное изменение температуры металла.
На фиг. 8 и 9 показаны результаты исследований, проведенных настоящим заявителем для так называемого кожухотрубного теплообменника (STHE) 16. В таких устройствах для передачи тепла пучки труб 18 окружены наружной стенкой 17 кожуха. Ось z проходит горизонтально, при этом было выполнено моделирование сценария, по которому происходит потеря требуемых свойств одного из двух технологических потоков (фиг. 8, 9). Для сравнения на фиг. 8 графически изображены температурные изменения для времени t=0 с для предшествующего уровня техники в соответствии с программным обеспечением HTRI Xist для моделирования. На фиг. 9 диаграмма с правой стороны чертежа показывает разницу в температурах между пучком труб и кожухом устройства для передачи тепла после потери требуемых свойств потока технологической текучей среды в соответствии с одномерным моделированием.
На фиг. 10 показаны результаты исследований, проведенных настоящим заявителем для так называемого спирального теплообменника (CWHE) 19. В таких устройствах для передачи тепла спирально намотанные пучки труб окружены наружным кожухом. В верхней левой части на фиг. 10 показано изображение соответствующего устройства для передачи тепла. На фиг. 10 графически изображены изменения температуры для времени t=0 с для теплого технологического потока (на стороне кожуха (а)) и три фрагмента (с)-(d) для холодной трубы (показано сплошными линиями) в сравнении с результатами, полученными посредством программного обеспечения GENIUS (х) для моделирования. При этом имеется совпадение для установившегося начального состояния. Также показано изменение температуры трех технологических потоков в спиральном теплообменнике 19 для трех точек времени (t=100 с, 200 с, 800 с).
Полученные кривые изменения температуры с течением времени и профилей коэффициента теплопередачи могут служить, таким образом, в качестве входных данных для анализа конструктивно-механических напряжений и, соответственно, может быть определена прочность соответствующего устройства для передачи тепла с одновременным учетом теплогидравлических свойств.
Некоторые из этапов соответствующего способа приведены на фиг. 11. Данный способ выполняют, например, с помощью имитационной модели технологического процесса, которая может быть реализована в виде компьютерной программы на вычислительной машине, такой как, например, персональный компьютер (ПК). На фиг. 12 показан возможный примерный вариант выполнения имитационной модели технологического процесса. Для обслуживания указанной имитационной модели технологического процесса может быть использован пользовательский интерфейс. Примером соответствующего интерфейса является интерфейс, показанный на фиг. 13. Вариант способа моделирования поясняется далее со ссылкой на фиг. 11-13.
1
N
1
3
Имитационная модель 20 технологического процесса, показанная на фиг. 12, содержит вычислительный модуль 21, несколько модулей 22-22 модели, модуль 23 памяти и модули 24-24 моделирования. Модули 21-24 выполнены, например, в виде программно-реализованных процедур, частей программы или в виде функций. Имитационная модель 20 технологического процесса может быть частью библиотеки программ. Кроме того, возможна реализация аппаратного обеспечения, в котором функции модулей или блоков, рассмотренные далее, являются реализованными аппаратно, в виде интегральных схем специального назначения (ASIC) или вентильных матриц с эксплуатационным программированием (FPGA).
Для имитационной модели 20 технологического процесса, используемой оператором, пользовательский интерфейс 25, показанный на фиг. 13, связан с возможностью сообщения с имитационной моделью 20 технологического процесса. Пользовательский интерфейс 25 и имитационная модель 20 технологического процесса образуют средство моделирования для определения состояний устройств для передачи тепла путем теплогидравлического моделирования.
i
1
N
1
Пользовательский интерфейс 25 содержит устройство 26 отображения, выполненное с возможностью визуального отображения сети проходов S теплообменника, первое средство выбора, предназначенное для выбора представленного прохода, второе средство выбора, предназначенное для назначения одномерной модели выбранному проходу, и третье средство выбора, предназначенное для назначения параметров моделирования одномерной модели, назначенной выбранному проходу. Пользовательский интерфейс 25 отображает, например, различные варианты одномерных моделей 21-27 для их выбора, а также дает возможность присвоить ряд параметров моделирования соответствующей выбранной модели для прохода, после чего имитационная модель 20 технологического процесса выполняет соответствующее моделирование посредством модуля 24 моделирования.
Прежде всего, на первом этапе St1 идентифицируют проходы 14 в установке, такой как, например, теплообменник, показанный на фиг. 1-3. Соответствующие проходы изображены в виде одномерных систем с впускным отверстием для технологической текучей среды, теплопредающей секцией и выпускным отверстием для технологической текучей среды, как показано на фиг. 4. В связи с этим пользовательский интерфейс 25 содержит устройство 26 отображения, содержащее, например, дисплей по типу монитора или сенсорного экрана. Дисплей 26 в каждом случае отображает сеть проходов Si посредством начальной точки и конечной точки, возможно узлов, в которых несколько проходов присоединяются друг к другу, разделительные стенки с вероятными теплоемкостями CW и дополнительные возможные элементы рассматриваемой промышленной установки. На фиг. 12 проходы Si показаны в упрощенном виде штриховыми стрелками, при этом конечные точки или выпускные отверстия соответствуют соответствующим остриям стрелок.
Таким образом пользователь может выбрать проход (см. стрелку Р1 фиг. 13) и назначить ему соответствующую одномерную модель. Данный выбор выполняют, например, посредством ввода команды или посредством щелчка по кнопке мыши, как средства выбора представленных проходов.
1
N
Пользовательский интерфейс 25 предлагает для выбора несколько возможных моделей 27-27. Например, модель, указанная в уравнении (1), может быть назначена нагреваемой трубе выбранного прохода, как обозначено стрелкой Р2.
Затем пользователь может установить параметры моделирования, используемые для соответствующего выбранного прохода. Для этого выполнены средства 29 выбора, например, кнопки, которые могут быть нажаты. Например, устанавливают длину прохода и давление технологической текучей среды, преобладающее на выпуске (стрелки Р4 и Р5). Другими возможными параметрами моделирования являются, например, скорость технологической текучей среды, линейная плотность теплового потока, количество опорных точек вдоль длины для пространственной дискретизации, температура текучей среды на впуске или подаче, или теплоемкость. Возможны дополнительные параметры моделирования, при этом присваивание переменных зависит от выбранной одномерной модели.
1
N
i
1
N
1
N
Имитационная модель 20 технологического процесса содержит соответствующие модули 22-22 модели, причем модуль 22 модели предназначен для выполнения одномерного дискретного численного вычисления независимо от пространства и времени, выполняемого в соответствии с моделью «i» с учетом соответствующих параметров моделирования. Одномерные модели 21-27, которые могут быть выбраны с помощью пользовательского интерфейса 25, являются в этом отношении реализованными путем вычислений с помощью модулей 22-22 модели.
Пользовательский интерфейс 25 затем обращается к имитационной модели 20 технологического процесса для выбора соответствующей модели вместе с установленными параметрами моделирования, назначенными проходам. Для этого может быть использован, например, язык описания или скрипт наподобие кода VHDL (язык описания аппаратуры интегральных схем, Very high speed integrated circuits Hardware Description Language). Установленные параметры, сохраненные в модуле 23 памяти, могут быть запрошены вычислительным модулем 21.
1
1
N
Затем на этапе St2 (фиг. 11) выполняют моделирование потока технологической текучей среды и распределение температуры на базе уравнений Навье-Стокса. В имитационной модели 20 технологического процесса модуль 24 моделирования обращается к модулям 22-22 модели и к параметрам моделирования, имеющимся в модуле 23 памяти, и выполняет соответствующие численные расчеты. В результате этого на этапе St3 получают динамические распределения температур на поверхностях элементов теплообменника, таких как пластины, трубы, приспособления, разделительные листы и т.д.
1
1
Моделирование на этапе St2 предпочтительно включает параметры, описывающие временную концентрацию массы технологической текучей среды, пространственный перенос массы технологической текучей среды, скорость реакции, временную концентрацию импульса технологической текучей среды, пространственный перенос импульса технологической текучей среды, пространственный градиент давления, зависящее от местоположения трение, влияние силы тяжести на технологическую текучую среду, временную концентрацию энтальпии технологической текучей среды, пространственный перенос энтальпии технологической текучей среды, работу расширения технологической текучей среды, рассеивание трения и/или поступление тепла снаружи. Для этого в имитационной модели 20 технологического процесса содержатся соответствующие модули 22- 22 модели, например, в виде процедур моделирования, которые могут быть извлечены и использованы посредством (первого) модуля 24 моделирования. Соответственно, таким образом, используют одномерные уравнения сохранения (в частности для массы, импульса и энергии) и уравнения термодинамического состояния (в частности, для плотности, температуры, давления и энергии).
Для сжимаемых текучих сред в итоге могут быть использованы нижеследующие уравнения Навье-Стокса:
j
j
3
3
2
2
2
где c=n/V - молярная плотность, в моль/м, для компоненты j текучей среды, nc - количество компонентов текучей среды (безразмерная величина), ρ - плотность в кг/м, u - скорость в м/с, e - удельная внутренняя энергия в Дж/кг, ρe - плотность энергии в Дж/м,  - угол атаки в радианах,  - гидростатическое напряжение в Па/м, σ - тензор трения в Н/м, р - давление в Па,  - плотность теплового потока в Вт/м, А - площадь поперечного сечения в м и U - периметр. Плотность, скорость и т.д. в этом случае относятся к технологической текучей среде в целом. В этом отношении плотность ρ является, например, плотностью смеси протекающей текучей среды со всеми ее компонентами.
В принципе, также могут быть точно определены переменные для каждой компоненты j текучей среды с их использованием в качестве основы для моделирования. Например, таким способом также может быть зарегистрировано расслоение компонентов или составляющих соответствующей технологической среды.
В этом случае, первый член в уравнении (3) сохранения массы обозначает концентрацию массы, второй член - перенос массы, а правая часть уравнения соответствует скорости реакции. В уравнении (4) сохранения импульса первый член в левой части обозначает концентрацию импульса, а второй член - перенос импульса. В правой части уравнения (4) первый член учитывает ускорение, обусловленное градиентом давления, второй член учитывает трение, а третий член - гравитационные воздействия. Переменные, определенные в уравнениях модели, могут быть использованы, в частности, в качестве параметров моделирования.
Однако в зависимости от требуемой точности моделирования некоторыми из членов уравнений также можно пренебречь, принимая во внимание объем вычислительных операций. В частности также принято допущение, заключающееся в том, что технологическая текучая среда является однородной, а пар (vap) и жидкость (liq) проходят с одной и той же скоростью:
где ε - объемная доля пара.
При решении данных уравнений временную дискретизацию и пространственную дискретизацию выполняют, например, независимо друг от друга. В результате возросший объем вычислительных операций может быть уменьшен. В отношении времени для численного решения предпочтительно использовать метод BDF, а в отношении пространства можно использовать метод конечных объемов.
1
N
В начале моделирования посредством имитационной модели 20 технологического процесса сначала можно не учитывать значение теплоемкости и/или передачи тепла для одномерного удлиненного тела, а учитывать лишь медленное возрастание с определенным шагом или непрерывное, чтобы обеспечить численную сходимость системы одномерных моделей, реализуемой посредством модулей 22-22 модели. То есть систему моделей, не связанную тепловой энергией, принимают за начальную точку, а передачу тепла принимают в виде необходимого значения в соответствии с соответствующим параметром моделирования.
По сравнению с обычными методами вычислительной гидрогазодинамики (CFD) объем работы значительно сокращается вследствие упрощения до одномерных явлений. Моделирование, обеспечивающее надежные значения, может быть выполнено с меньшим объемом работы.
1
Граничные условия, обеспечиваемые модулем 24 моделирования, на этапе St3 служат для дальнейших вычислений и моделирования конструктивно-механических свойств средств для передачи тепла, установленных в теплообменнике. Таким образом, получают температуры и/или профили коэффициента теплопередачи, которые могут быть использованы для последующих вычислений на основе FEM (на этапе St4).
2
2
Второй модуль 24 имитационной модели 20 технологического процесса предназначен для выполнения соответствующего метода FEM. Например, второй модуль 24 моделирования выполняет указанный метод в соответствии с патентным документом ЕР 1830149 В1, содержание которого целиком включено в данный документ в виде ссылки.
При определении конструктивных и механических напряжений, обусловленных температурой, или прочности устройства для передачи тепла, могут быть выполнены нижеследующие этапы способа, при этом для упрощения рассмотрен пластинчатый теплообменник 10 с разделительными листами 1 и профилями 2 (см. фиг. 1):
вычисление температурных напряжений пластинчатого теплообменника 10 в его внутренней части во время его эксплуатации посредством трехмерного численного моделирования, и
определение прочности пластинчатого теплообменника на основе вычисленных температурных напряжений.
При трехмерном численном моделировании температурных напряжений определяют пространственное распределение температуры в профилях 2 и в разделительных листах 1, при котором создают и используют модель слоя пакета части одного из профилей 2 в контакте с одним из разделительных листов 1. В этом случае трехмерное численное моделирование включает этапы:
моделирования профилированной части 2 в виде металлического блока, равномерно заполняющего промежуток между разделительными листами 1, при этом одна из его сторон находится в проводящем тепло контакте с разделительным листом 1;
определения общего поступления тепла, сообщаемого посредством технологической текучей среды в профилированную часть 2 и смежный разделительный лист 1, вместе с поступлением тепла от текучей среды в профилированную часть 2 при последующем проведении тепла через профилированную часть 2 и из профилированной части 2 в смежный разделительный лист 1; и
введения количества тепла, соответствующего первому поступлению тепла, к первой поверхности внутрь металлического блока. Данный способ, в частности, включает поправочные коэффициенты для улучшения модели слоя пакета.
Например, в результате вычислений FEM получают кривые напряжений, данные, касающиеся сравнительных напряжений или подобных переменных, определяющих состояние, которые могут служить для оценки элементов, определяющих срок службы в теплообменнике.
3
Следовательно, на необязательном этапе St5 определяют срок службы, например, листа в теплообменнике. Третий модуль 24 моделирования предназначен для вычисления расхода ресурса стойкости установки или теплообменника в зависимости от определения конструктивных и механических напряжений, обусловленных температурой. Соответствующая система моделирования, такая как имитационная модель 20 технологического процесса затем базируется на связи тепло-флюидо-динамического моделирования с анализом методом конечных элементов и оценкой срока службы.
2
3
Анализ методом конечных элементов для оценки срока службы, выполняемый на этапах St4 и St5 или с помощью модулей 24 и 24, пояснен, например, Р. Хельцлом в работе «Оценка срока службы алюминиевого пластинчато-ребристого теплообменника», Proceedings of ASME 2012 Pressure Vessel & Piping Division Conference (PVP2012), July 15-19, 2012, Toronto, Ontario, Canada [PVP2012-78343], содержание которой целиком включено в данный документ в виде ссылки.
На фиг. 14 показана блок-схема другого иллюстративного варианта выполнения расширенного метода моделирования для определения состояний устройства для передачи тепла.
На этапе St21 идентифицируют сценарии эксплуатации в критическом режиме и в этом отношении определяют температурные напряжения и, следовательно, ожидаемый срок службы устройства для передачи тепла. Например, могут быть определены сценарии запуска и выключения.
На этапах St22-St24 выполняют теплогидравлическое моделирование, проверку достоверности и моделирование соответствующего устройства (устройств) для передачи тепла на основе описания сценария. Учтенные при моделировании факторы соответствуют тем факторам, которые были объяснены выше в отношении этапов St2 и St3.
На этапе St25 в результате моделирований получают динамическую температуру и профили коэффициента теплопередачи, представляющие входные данные для последующих вычислений конструктивно-механических параметров, выполняемых на этапе St26. Вычисления конструктивно-механических параметров обеспечивают, например, кривые усталости для планируемых эксплуатационных сценариев, из которых определяют (на этапе St27) ожидаемые расходы ресурсов стойкости для отдельных сценариев. Затем полученный в результате общий расход ресурса стойкости рассматриваемого теплообменника может быть определен для общего количества определенных эксплуатационных сценариев (на этапе St28).
Результаты моделирования вышеупомянутых анализов могут быть использованы для достижения достаточно длительного срока службы устройств для передачи тепла вследствие модернизации. Полученные данные могут привести к видоизменению конструкции устройства для передачи тепла, к модификации или оптимизации концепций регулирования установки, к конкретным инструкциям по эксплуатации для оператора, к внедрению аварийной сигнализации или дополнительных, или модифицированных коммутационных схем для технологических процессов.
На фиг. 15 схематически показано применение имитационная модель 20 технологического процесса для обслуживания контроллера 30 установки при выполнении способа эксплуатации промышленной установки 40. Как правило, контроллер 30 обеспечивает регулирование установки, такой как, например, криогенная установка для разделения воздуха, сжижения газа или подобного им, с помощью командных сигналов СТ. Контроллер 30 получает измерение или сигналы MS от измерительных датчиков, расположенных в установке. Например, контроллер 30 установки регистрирует и оценивает температуры, давления или потоки, чтобы можно было задать намеченные последовательности эксплуатации.
Кроме того, на фиг. 15 показана имитационная модель 20 технологического процесса, выполняющая моделирование осуществляемых последовательностей эксплуатации или видоизменения запланированных последовательностей эксплуатации. Как объяснено со ссылкой на фиг. 11, выполняют (см. этап St5) оценку расхода ресурса стойкости, и поэтому последовательность эксплуатации или эксплуатационный параметр может быть видоизменен контроллером 30 установки таким образом, чтобы можно было улучшить или сделать более длительным время эксплуатации, например, путем увеличения интервалов между техническими обслуживаниями. Для этой цели, например, имитационная модель 20 технологического процесса обеспечивает оценки LD срока службы для контроллера 30 установки или для оператора. В цикле технического обслуживания дальнейшая эксплуатация может происходить с улучшенными эксплуатационными параметрами или улучшенной последовательностью эксплуатации. При необходимости, контроллер 30 установки затем обеспечивает выходные видоизмененные сигналы СТ'. Следовательно, оптимизацию эксплуатации установки 40 осуществляют в зависимости от результатов моделирования, обеспечиваемого имитационной моделью 20 технологического процесса.
Имитационная модель 20 технологического процесса может обеспечивать, например, в интервалах между техническими обслуживаниями, рекомендации оператору по изменению эксплуатации. Однако контроллер 30 может также самостоятельно выполнять улучшения соответствующей последовательности эксплуатации или эксплуатационных параметров на основании результатов LD моделирования.
В этом отношении изготовление, планирование, конструирование, преобразование или эксплуатация промышленной установки могут быть выполнены в зависимости от теплогидравлического моделирования, как изложено выше. Конструктивные параметры, такие как тип материала, толщина пластин, длины труб или подобные им, также могут быть определены до изготовления установки или теплообменника.
Несмотря на то, что данное изобретение было описано с использованием иллюстративных вариантов выполнения, оно, тем не менее, может быть изменено различными способами. Например, могут рассматриваться устройства для передачи тепла, имеющие геометрические характеристики, отличные от тех, которые рассмотрены в данном описании.
ПЕРЕЧЕНЬ НОМЕРОВ ПОЗИЦИЙ
1 разделительный лист
2 теплообменный профиль
3 распределительный профиль
4 планка
5 крышка
6, 6а приспособление
7 штуцер
8 центральный кубоид/пакет
9 окно доступа к распределительному профилю
10 пластинчатый теплообменник
11 разделительная стенка
12 выпускное отверстие/выпуск
13 впускное отверстие/ подача
14 проход
15 ответвление/ выпуск
16 устройство для передачи тепла типа PFHE
17 кожух
18 трубы
19 устройство для передачи тепла типа STHE
20 имитационная модель технологического процесса
21 вычислительный модуль
1
N
22-22 модуль модели
23 модуль памяти
1
3
24-24 модуль моделирования
25 пользовательский интерфейс
30 контроллер установки
40 промышленная установка
СТ сигналы управления
CW теплоемкость
MS данные измерений
LD результат моделирования
S1-S3 проход
St1-St28 этап способа.