[发明专利]测定管束式热交换器的强度的方法及其制造方法

说明书

本发明涉及一种用于测定管束式热交换器的刚度或强度的方法，和一种用于测定管束式热交换器的状态例如强度或寿命的方法，以及用于制造所述热交换器的方法。

在管束式热交换器中，多个细管围绕芯管螺旋地卷绕成多层。管束式热交换器也称为螺旋缠绕式热交换器。它们通常用于处理流体，例如液体，并且必须经受大的温度和压力波动。

在制造、运输和运行期间，相应的管束式热交换器或其中使用的材料特别受到机械和热影响。例如，材料性质和厚度必须适应于相应的应用和需求情况。特别地，位于下方的相应芯管和/或相应线圈层上的多个盘管的重量在这里发挥作用。

已经发现，在相应的管束式热交换器的制造过程中，不能忽略内部机械应力。在已知的制造方法中，芯管和半盘绕盘管围绕束轴旋转。在这种情况下，包括芯管和盘绕在其周围的盘管的系统在支承点之间受到机械负载。这里，希望能够估计得到的管束式热交换器的强度变化。在过去，通过简单模型计算这些系统的强度或刚度，其中考虑了棒或等效圆柱体。

为了估计寿命、易维护性或其稳定性，也期望在运行期间预测相应的管束式热交换器的机械和热应力。为此，需要模拟方法，其除了机械应力之外还考虑热力学影响。在所有这些模拟中，特别希望可靠地测定管束系统的刚度。

因此，本发明的目的是提供改进模拟建模和测量的可能性，以理解管束式热交换器。

通过具有权利要求1的特征的方法实现所述目的。从属权利要求说明了可选的改进。

因此提出了一种用于测定管束式热交换器的刚度的方法。所考虑的管束式热交换器包括芯管和围绕所述芯管盘绕的盘管以形成管束，其中所述盘管以多个盘管层的方式以各自盘管层盘绕角度围绕芯管盘绕。实施以下步骤：

测定各盘管层的几何强度参数，其中所述几何强度参数包括盘管横截面积与单元横截面积(cell cross-sectional area)的面积比，其中所述单元横截面积是由盘管的轴向间距和盘管的外径产生的；

为了考虑各盘管层的盘管对于作用于盘管上的重力的取向，通过校正因子来校正所述面积比；以及

根据所校正的面积比和盘管材料的弹性模量测定相应盘管层的刚度。

在所提出的方法中，通过校正因子考虑盘管相对于重力的取向。在管束式热交换器的某些制造情况下，芯管沿着管束的轴向水平延伸。盘管有助于管束型热交换器的强度，特别是层状的。在过去为了简单起见假设的模型的情况下，盘管层被认为是简单的圆柱体，但是，由此忽略了盘管的螺旋盘绕的影响。现在提出根据层盘绕角度来建立校正因子。因此，实现了提高对刚度的估计或测定。

在某些操作情况下，管束的轴向方向垂直延伸，使得重力沿着芯管的向量作用。在这种配置中，也借助于校正因子考虑了重力对刚度的影响。

在实施方案中，选择正比于盘管层盘绕角度正弦的校正因子。特别是在芯管水平安装或束轴水平布置的情况下，被定义为盘管层盘绕角度正弦的校正因子导致对刚度有影响的盘管部分在重力引起的加速度上的投影。在这方面，校正因子确保考虑了倾斜盘管上的重力的矢量分量。刚度特别是弯曲刚度，其取决于各自的盘管材料的弹性模量。合适材料的实例是铝和不锈钢。然而，其它材料也是可能的。

在这方面，所述方法包括一个步骤：通过使用由盘管材料制成的等效管的强度模型计算管束的盘管层的弯曲刚度，其中所述等效管对应于盘管层，并且等效管使用盘管横截面积与单元横截面积的面积比进行加权，其中取决于盘绕角度的校正因子减少了弯曲刚度。

在实施方案中，为了测定各自盘管层的刚度，盘管层被建模为由盘管材料制成的圆柱体。此外，面积比和校正因子的测定导致实现真实的建模。也就是说，特别是在管束式热交换器的制造过程中，可以以这种方式建立支撑和旋转情形，使得材料上不产生过量的应力并且可以稳定地制造热交换器。

在实施方案中，所述方法还包括测定在管束轴向方向上的管束的刚度。这里，测定弯曲刚度，借此可以估计沿着管束的轴向得到的曲率。进而，可以得出应力分析。

在实施方案中，所述方法包括至少一个以下步骤：

测定芯管的刚度；以及

根据盘管层的盘绕的盘管的质量和盘管层测定的刚度来测定作用于芯管上的应力。

可以说，可以实现包括芯管和盘管层的管束式热交换器系统的应力分析，其中可靠地考虑了管束上的负载。在实施方案中，借助于有限元法进行管束的应力分析。在这种情况下，芯管、管束和/或管束式热交换器在两个支承点上水平排列。

有限元法允许机械系统状态的结构力学计算。例如，可以想到使用商业软件包来根据所提出的用于测定和估计刚度的方法进行应力分析。