基于ansys的釘頭管自支撐換熱器溫度場分析

摘要：在自行開發(fā)的“釘頭管自支撐式換熱器”的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了管蒸汽、殼空氣的試驗(yàn)研究，并基于ansys的有限元分析法，采用迭代方法對傳熱過程進(jìn)行了模擬，得到了在基管恒壁溫條件下，傳熱管的溫度場分布云圖、基管的溫度曲線以及釘頭縱向和徑向的溫度分布。結(jié)果表明：計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，從本質(zhì)上直觀地揭示了釘頭管自支撐式換熱器殼、管間的溫差分布和釘頭以及釘頭分布對于強(qiáng)化傳熱的影響，直觀地反映了熱量的傳遞梯度。
　　關(guān)鍵詞：釘頭管；有限元分析；溫度場分析
　　中圖分類號：TE969 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1006—8805(2007)01—0025～03
　　傳熱學(xué)是一門研究熱量與物質(zhì)在勢差作用下的傳遞規(guī)律的基礎(chǔ)學(xué)科，強(qiáng)化傳熱則是傳熱學(xué)研究的一個(gè)重點(diǎn)。在強(qiáng)化傳熱的研究中，主要從以下幾方面展開：第一，傳熱機(jī)理。這類研究主要是從傳熱的基本原理方面找到突破，是近年研究的一個(gè)熱點(diǎn)，例如短管的再研究；第二，導(dǎo)熱材料。由于各種不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)不一樣，對強(qiáng)化傳熱有直接的影響；第三，傳熱管結(jié)構(gòu)。對于傳熱管結(jié)構(gòu)的研究，從初始的試驗(yàn)研究、經(jīng)驗(yàn)公式到現(xiàn)在的數(shù)字模擬，已經(jīng)有了大量的文獻(xiàn)資料，然而對于某些結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬還不很完備，例如本文試驗(yàn) 中使用釘頭管與光管組成的自支撐結(jié)構(gòu)。本試驗(yàn)采用這種結(jié)構(gòu)，利用傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，得到釘頭管強(qiáng)化傳熱的各項(xiàng)參數(shù)以及檢驗(yàn)公式，證明了這種釘頭管自支撐結(jié)構(gòu)的殼程強(qiáng)化作用。
　　本文以上述試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用ansys分析軟件，對試驗(yàn)中所使用的釘頭管進(jìn)行了單根模擬，利用試驗(yàn)所得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，分析得到了釘頭管傳熱溫度場效果圖，將釘頭對傳熱管的強(qiáng)化效果直觀的反映出來，并初步探討了釘頭的分布、長徑比對于強(qiáng)化傳熱的影響，對釘頭管自支撐換熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的參考價(jià)值。
    1 試驗(yàn)用傳熱管結(jié)構(gòu)簡介
    1．1 結(jié)構(gòu)幾何尺寸
    自支撐式釘頭管換熱器試驗(yàn)裝置(見圖1)結(jié)構(gòu)包括釘頭管換熱器、支承裝置和溫度測量機(jī)構(gòu)三部分。換熱器由筒體和換熱管組成，筒體為10號無縫鋼管，兩端由法蘭密封，換熱器管束由釘頭管(見圖2)和光管兩部分按照正三角形排列組成。換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
                     
    1．2 工藝條件
    在試驗(yàn)過程中，管程由鍋爐通入壓力為0．14GPa的蒸汽，并保持飽和水蒸汽在入口、出口的溫度和流量基本恒定；殼程中通入空氣，空氣流量取50m。／h。管程和殼程的流體溫度和平均對流傳熱系數(shù)見表2。
                
    2 建立參數(shù)化有限元分析模型
    2．1 模型的簡化
    由表2和圖2可以看出，在結(jié)構(gòu)上、加載條件上有很多可以簡化的方面： 
    (1)對稱簡化
    首先在傳熱管的排管方式上，由于采用正三角形排管，所有的傳熱管呈現(xiàn)軸對稱分布，即以中軸作為對稱軸的對稱分布；在釘頭排列方式上，采用等縱向間距錯(cuò)排，錯(cuò)排的角度為30。(釘頭的尺寸見表3)，因此可截取一段包含兩排釘頭的單元作為分析對象；同時(shí)由于工況在傳熱管的兩側(cè)具有相似性，所以將其從一個(gè)釘頭沿管的軸向的中面破開(見圖3)。
                
    (2)其他簡化
    由于釘頭的直徑比管的直徑小很多，而且是采用焊接的方式，釘頭和管壁的接觸面積很小，可以保證釘頭和管之間避免空氣介入的影響，因此可以將釘頭和管視為一體。
    綜合以上兩點(diǎn)，采用化整為零的方法，用ProE建立如圖3所示的模型。
    2．2 網(wǎng)格劃分
    溫度場分析采用的單元是2O節(jié)點(diǎn)6面體的solid 90單元，因?yàn)?O節(jié)點(diǎn)單元具有一致的溫度形函數(shù)，可以較好地適應(yīng)具有曲線邊界的模型。
    劃分過程中，由于試驗(yàn)條件的限制，采用0．5mm單位，劃分后的結(jié)果如圖4所示。
               
    2．3 確定邊界條件
    根據(jù)以上試驗(yàn)條件和試驗(yàn)裝置，由于保持水蒸汽在管程入口、出口的溫度、流量基本恒定，則在內(nèi)壁面采用第一類溫度邊界，即恒壁溫。在外壁面采用化整為零的思想，截取傳熱管的一段(30mm)作為研究對象，原管長2000mm ，雖然存在一定的溫度梯度，但是Δt小于等于5，因此也視為恒壁溫，也采用第一類溫度邊界條件。
    如圖5所示，在傳熱管的內(nèi)壁面(管程)，施加對流傳熱系數(shù)62．04W／(m ·℃)Ez]，在傳熱管的外表面、釘頭的外表面(殼程)施加對流傳熱系數(shù)2O．29W ／(m2 ·℃ )r3]
                  
    3 傳熱管溫度場的分析
    材料的物性參數(shù)對于其傳熱效果具有決定性的作用。在本試驗(yàn)中，傳熱管采用的是10號鋼，在溫度變化較大的情況下，材料的傳熱系數(shù)會有較大的改變，得到的溫度場的分布不能準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。為了準(zhǔn)確地反映強(qiáng)化傳熱的溫度場變化，減小材料物性參數(shù)的變化對模擬的影響，在分析的時(shí)候采用了迭代的思想，設(shè)定材料的收斂溫度為5℃ ，并且設(shè)定起始溫度為90℃ ，即采用90℃時(shí)材料的物性參數(shù)。分析思路如圖6所示。
                 
    采用原設(shè)定的90℃下金屬材料的特性數(shù)據(jù)，施加上述對流邊界條件，則計(jì)算出的溫度場云圖如圖7所示。
                    
    圖7反映的是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定后的模型的溫度分布，模型的溫度分布在87．706～88．095。C之間，最大的溫差是0．389。C，此時(shí)管壁金屬的平均溫度為87．9005℃。根據(jù)迭代的思想，和開始設(shè)定的管壁溫度90℃作比較：
   Δt=|87.9005-90|=200995<5 
    由于Δt小于5，達(dá)到收斂要求，因此認(rèn)為材料物性參數(shù)的變化對于溫度場的變化影響很小，所以，不再進(jìn)行溫度場的迭代計(jì)算，圖7的溫度場分布是符合要求的。
    從圖7可以看到，由于釘頭的存在，整個(gè)模型的溫度分布很不均勻：在管壁上，越靠近釘頭的位置，溫差越大，從而強(qiáng)化傳熱的效果越好；在釘頭上，隨著釘頭長度的增加，強(qiáng)化的效果逐步減小(見圖8)；在釘頭徑向上，由于釘頭的規(guī)律分布，溫度場的變化也呈現(xiàn)規(guī)律變化(見圖9)。
                        
    4 結(jié)論
    (1)本文運(yùn)用ANSYS軟件對(管殼式換熱器)釘頭管自支撐結(jié)構(gòu)中的釘頭管進(jìn)行溫度場分析，可以比較全面地了解換熱器內(nèi)釘頭管的溫度分布情況，以及強(qiáng)化的效果。雖然計(jì)算的模型是在對實(shí)際情況進(jìn)行簡化以后建立起來的，但模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符，說明本模擬計(jì)算是可信的。
    (2)在模型中，將釘頭和管壁作為一個(gè)整體來考慮，更能反映釘頭的作用。由圖7可以看到，處于兩釘頭影響交界的部位，幾乎沒有被強(qiáng)化，而所有被釘頭影響的區(qū)域都有不同程度的強(qiáng)化。說明釘頭的存在一方面改變了傳熱管的換熱面積，使換熱管的傳熱面積有了較大的增加，起到強(qiáng)化的作用；另一方面由于釘頭的存在，改變了殼程中流體的流動狀態(tài)，使之更容易形成湍流。
    (3)為了準(zhǔn)確的反映強(qiáng)化傳熱的溫度場變化，減小材料物性參數(shù)的變化對模擬的影響，本模擬試驗(yàn)采用了迭代法，使模擬條件更加貼近實(shí)際的工況。
    (4)在圖7、圖8、圖9中還可以發(fā)現(xiàn)，釘頭的影響區(qū)域是有限的，越接近釘頭的地方，強(qiáng)化的效果越好。由此可以看出，釘頭的長度、半徑和長徑比對于傳熱的強(qiáng)化有較大的影響，同時(shí)，釘頭的密度也是一個(gè)影響因素，這些因素的影響將在后續(xù)的工作中進(jìn)一步探討。