換熱器應(yīng)力分析翻譯

1、高溫?fù)Q熱器的內(nèi)翅片刺刀管的應(yīng)力分析在本文中，提出了用于高溫?fù)Q熱器的熱應(yīng)力和內(nèi)翅片管。內(nèi)翅片管是由傳統(tǒng)的刺刀管發(fā)展而來，其縱向滑動(dòng)翅片被建議焊接在外管的內(nèi)表面，這樣提高傳熱性能。然而，觀察到沿軸向和徑向方向的溫度梯度明顯。雖然刺刀結(jié)構(gòu)降低應(yīng)力的潛力很大，但由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)變化的內(nèi)翅片和外管關(guān)節(jié)處，產(chǎn)生大應(yīng)力的地方仍然是內(nèi)翅片與內(nèi)管接頭。因此，不建議內(nèi)翅片與內(nèi)管焊接在一起，這樣他們可以自由膨脹或收縮而不互相影響。在比較應(yīng)力和熱傳遞性能的內(nèi)管和內(nèi)翅片之間的間隙的效果。結(jié)果表明，它們之間的間隙應(yīng)小于1毫米和6毫米，刺刀管環(huán)的高度根據(jù)耦合考慮傳熱和受力性能。關(guān)鍵詞：高溫?fù)Q熱器、刺刀管、內(nèi)翅片、熱應(yīng)力1.介

2、紹隨著能源變得越來越少見，許多高效的電力推進(jìn)系統(tǒng)和替代能源的使用已被不同的熱力學(xué)循環(huán)開發(fā)，如制氫（SEI）的熱化學(xué)循環(huán)，超高溫反應(yīng)堆（VHTR）和外燃聯(lián)合循環(huán)（EFCC）。他們的一個(gè)共同的特點(diǎn)是在溫度高達(dá)900的非常高的溫度下運(yùn)行的高溫?zé)峤粨Q器，它帶來一個(gè)很大的挑戰(zhàn)（高溫?fù)Q熱器），即提高總效率的關(guān)鍵要素。低溫環(huán)境下，流體的流動(dòng)和傳熱也是換熱器結(jié)垢性能的主要問題 1-5 。然而，在高溫?fù)Q熱器需要耐高溫所以熱應(yīng)力和變形很嚴(yán)重。事實(shí)上，在一定范圍內(nèi)的熱應(yīng)力和變形已經(jīng)被許多學(xué)者認(rèn)可。伊凡和查普曼 6 對(duì)比了再生和恢復(fù)系統(tǒng)的輻射管的熱應(yīng)力。結(jié)果表明，由于軸向溫度梯度的非線性分布,在沿管的長度方向換熱系統(tǒng)

3、的輻射管的熱應(yīng)力明顯，而由于軸向溫度梯度相對(duì)線性分布,在沿管的長度方向換熱系統(tǒng)的輻射管的熱應(yīng)力小。他們7還研究了軸的作用，周對(duì)輻射管的熱應(yīng)力和徑向溫度分布。結(jié)果表明，軸向溫度梯度熱點(diǎn)是熱應(yīng)力的主要來源。肖特費(fèi)德科等人 8 ，研究了陶瓷板翅式換熱器穩(wěn)態(tài)和緊急操作條件下的熱機(jī)械完整性EFCC。在支管部分出現(xiàn)最大應(yīng)力，同時(shí)可插入支撐片以減少最大應(yīng)力。PRA等人9，分析了熱應(yīng)力與流體動(dòng)力學(xué)和有限元方法耦合的模塊化高溫反應(yīng)器的緊湊式換熱器性能和力學(xué)，結(jié)果表明，在外側(cè)面上的魚骨頭部分和外固體金屬之間的熱入口附近觀察到大的應(yīng)力變化。川島等人10，討論了板翅式換熱器用于高溫氣冷反應(yīng)堆的高溫強(qiáng)度和非彈性行為。提

4、出了一種基于等效均質(zhì)固體應(yīng)力分析方法的概念。津田等人11。采用全隱式的數(shù)學(xué)均勻化方案的周期性彈性非彈性固體，分析了微細(xì)板翅結(jié)構(gòu)均質(zhì)化的行為。據(jù)透露，板翅結(jié)構(gòu)中的彈性和塑性范圍內(nèi)具有顯著的各向異性和可壓縮性。然后津田和大野 12 開發(fā)了一個(gè)更準(zhǔn)確的雙工模式，進(jìn)一步探討高溫下的板翅結(jié)構(gòu)多軸載荷。islamoglu 13-14 研究了圓形翅片陶瓷管的穩(wěn)態(tài)傳熱和熱應(yīng)力。結(jié)果表明，翅片直徑和不均勻的傳熱系數(shù)是影響應(yīng)力分布的主要因素。ponyavin等人 15 。研究了流體流動(dòng)傳熱，化學(xué)反應(yīng)，和一個(gè)陶瓷板殼式換熱器作為硫酸分解制氫在SEI的熱化學(xué)循環(huán)應(yīng)力性能。為了得到更精確的溫度梯度， ANSYS軟件分析

5、失敗的概率是輸出FLUENT軟件的熱應(yīng)力的結(jié)果。公等人 16 。研究了板翅結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)在釬焊中由于機(jī)械性能不匹配的基體金屬和填充金屬之間的連接處發(fā)生了較大的殘余應(yīng)力。在文獻(xiàn)中討論了，影響釬料的釬焊溫度，厚度，及殘余應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度的幾何條件和保溫時(shí)間的細(xì)節(jié)17-20 。王等人 21 。提出在回轉(zhuǎn)空氣預(yù)熱器的扇形板的熱變形。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最大變形發(fā)生在回轉(zhuǎn)預(yù)熱器的熱氣體側(cè)到冷空氣側(cè)熱端的外邊緣。李等人 22 .分析了熱應(yīng)力和伸長的激光棒的冷卻液溫度條件下的縱向應(yīng)變顯著上升。結(jié)果表明，在縱向方向上的熱應(yīng)力的變化可以忽略不計(jì)，牽引自由邊界條件下的熱應(yīng)變的變化具有重要意義。高溫?fù)Q熱器宜采用刺刀管結(jié)構(gòu)

6、，因?yàn)橹挥性谄渌?dòng)端可以自由收縮和擴(kuò)張時(shí)內(nèi)外管才固定在管板的一端 23-25 。Nagarajan等26,27，應(yīng)用硫酸分解陶瓷刺刀管，調(diào)查和比較了流體流動(dòng)，傳熱和恒定的外壁溫度下化學(xué)反應(yīng)和測(cè)量外壁溫度，分析了不同類型的催化劑對(duì)分解率的影響。奧多赫蒂等人28。測(cè)試了刺刀管的傳熱速率，結(jié)果表明，在一個(gè)范圍內(nèi)的雷諾數(shù)和殼側(cè)混合比的壓降和傳熱效果明顯。奧多赫蒂等人 29 ，進(jìn)一步研究環(huán)應(yīng)用在刺刀管環(huán)部分的傳熱強(qiáng)化效果。獲得環(huán)的最佳高度比和螺距環(huán)高度比。日本原子能研究所 30 設(shè)計(jì)了刺刀管蒸汽轉(zhuǎn)化爐的高溫工程試驗(yàn)堆（氫生產(chǎn)系統(tǒng)）。傳熱面積和氦的氣體側(cè)的傳熱系數(shù)的盤式片能顯著增加。馬等人 31 。根據(jù)

7、實(shí)驗(yàn)提高刺刀管的綜合傳熱性能，介紹了一種新型的內(nèi)、外翅片和證明其巨大的潛力。傳熱和內(nèi)翅片的刺刀管的流體流量，屬于新的主要傳熱元件，在文獻(xiàn) 32 中詳細(xì)討論。同時(shí)，由Wang等人分析了側(cè)鰭分布在截面的影響和翅片圖案沿流向?qū)鳠岷蛪航档男阅?3-34。對(duì)傳熱系數(shù)的提高，優(yōu)化的雙管內(nèi)翅片通過調(diào)整幾何參數(shù)包括翅片的數(shù)量，翅片高度，翅片厚度，以及內(nèi)、外管35半徑比。然而，目前對(duì)刺刀管結(jié)構(gòu)的研究，集中在流體流動(dòng)和傳熱性能，但很少在可靠的文獻(xiàn)公開。事實(shí)上，在高溫下嚴(yán)重的熱應(yīng)力變形，可能還是由于沿軸向和徑向方向 36 存在的大溫度梯度。在以前的研究31-32提出的可用于高溫環(huán)境下高達(dá)9000C的流體流動(dòng)和傳熱

8、性能的刺刀管是目前的內(nèi)翅片管的前身。本研究的目的是建立一個(gè)縮小尺寸的模型來研究高溫工況下的應(yīng)力和變形分布結(jié)構(gòu)。此外，本研究綜合分析應(yīng)力和熱傳遞性能，開發(fā)一個(gè)可靠和更高效的換熱結(jié)構(gòu)的目的。2.物理和數(shù)值模型內(nèi)翅片管是圖1中所示的刺刀。傳統(tǒng)的刺刀管由兩個(gè)同心的內(nèi)管和外管組成。內(nèi)管為兩端開口，外管只有在一端是開放的。冷流體從內(nèi)管進(jìn)入和從環(huán)形部分流出，或反之亦然。熱流體從環(huán)形流入外管的外表面而加熱冷流體。為了提高傳熱性能，提出了焊接在外管的內(nèi)表面有縱圖1 內(nèi)翅片刺刀管示意圖向平直。橫截面呈現(xiàn)在圖2和基線設(shè)計(jì)相應(yīng)的幾何參數(shù)見表1。翅片管的材料是高溫合金Inconel 625。Inconel 625材料的

9、性能列于表2。材料的性能是各向同性的溫度依賴性。由于在橫截面的幾何對(duì)稱性，半波長領(lǐng)域作為計(jì)算域，如圖3所示。對(duì)于邊界條件，面ACMK，面FGRQ，面GITR，面BDNL，面DEPN和面HJUS設(shè)置為對(duì)稱的條件。面對(duì)面開kmnl位移限制在Z方向的刺刀結(jié)構(gòu)，而面ACDB面的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)gijh也限制在Z方向。0.1 MPa和0.45 MPa空氣側(cè)壓力分別被應(yīng)用到面對(duì)所有翅片管的內(nèi)表面。剩余的面設(shè)為自由邊界條件。結(jié)果分析后定義兩路徑：路徑1指直線從V1到V2的路徑點(diǎn)，而路徑2是指直線W1， W2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)。在分析過程中，采用了以下假設(shè)：（1）當(dāng)不包括球型封頭和其它連接件時(shí)應(yīng)考慮直線部分內(nèi)翅片刺刀管；（2）不

10、考慮蠕變效應(yīng)。圖2內(nèi)翅片刺刀管的橫截面3.數(shù)值法 彈性熱力學(xué)應(yīng)力方程，包括平衡方程，結(jié)構(gòu)方程和應(yīng)變協(xié)調(diào)方程38。表1幾何參數(shù)的基準(zhǔn)線設(shè)計(jì)變量數(shù)值外管外徑（Do，mm）28外管內(nèi)徑（Di，mm）26內(nèi)管外徑（do，mm）14內(nèi)管內(nèi)徑（di，mm）12展開鰭片長度管截面（If，mm）242.9波的橫截面的數(shù)（N）15散熱片平均厚度（，mm）0.2管長度與鰭片（L，mm）182內(nèi)翅片和內(nèi)筒表面之間的差距（，mm）0（1）平衡方程（2）結(jié)構(gòu)方程（3）應(yīng)變協(xié)調(diào)方程其中正常應(yīng)變x，y，z，剪切應(yīng)變GXY，GYZ，GZX定義如下：表2 Inconel 625材料性能 37 T/K29436647758970

11、081192210331144-12.813.113.313.714.014.815.315.8E(GPa)207.5204.1197.9191.7185.5178.6170.3160.6147.50.2780.2800.2860.290.2950.3050.3210.3400.336求解應(yīng)力方程之前，從FLUENT的參考文獻(xiàn)中獲得的固體部分的溫度分布的結(jié)果。 該flowand溫度分布是由流體和固體區(qū)域耦合分析區(qū)進(jìn)行39。目前所有的熱應(yīng)力和變形分析是在名義流動(dòng)和傳熱條件下。干燥空氣以均勻的速度和600 C恒溫從內(nèi)管進(jìn)入和環(huán)形空間流出。進(jìn)口雷諾茲數(shù)是恒定在14117。高溫?zé)煔庋卮痰豆芡獗砻媪鲃?dòng)。

12、分析其傳熱系數(shù)為92 W /（平方米）和自由流溫度在950以上，溫度分布是提供作為體載荷的應(yīng)力分析。結(jié)合結(jié)構(gòu)的邊界條件和載荷，位移U，V，W和von米塞斯應(yīng)力，通過在ANSYS軟件平臺(tái)求解上述方程 40 。Von米塞斯應(yīng)力的定義是S如下：4.網(wǎng)格和代碼驗(yàn)證 因?yàn)橛邢拊Ｐ皖愃朴诎宄崾浇Y(jié)構(gòu)，為驗(yàn)證網(wǎng)格和數(shù)值方法，建立了一板翅式模型。所測(cè)試的板翅式模型的尺寸為如下：板的厚度為0.8毫米，散熱片厚度為0.3毫米，散熱片間距是4.2毫米和散熱片高度為3.2毫米。邊界條件同傳統(tǒng)內(nèi)部翅片管模型一樣，但考慮板翅式結(jié)構(gòu)的特殊特性而限制了底面的位移。在比較中間部分翅片的平均Von Mises應(yīng)力與公式中（6），

13、提出了評(píng)估板翅式結(jié)構(gòu)的應(yīng)力41,42。其中，s是Von Mises應(yīng)力，p為板翅式通道中的壓力差，m是翅片間距，和t f是翅片厚度。f是決定于翅片使的削弱系數(shù)，這里1.0的縱向普通散熱片沒有開口。圖3.計(jì)算域和數(shù)值模型由公式計(jì)算出的結(jié)果之間的最大偏差和計(jì)算的結(jié)果是小于6。被用于后面計(jì)算的數(shù)值方法和有限元具有相同的網(wǎng)格密度，如圖4所示.內(nèi)翅片刺刀管模型包含379809六面體元素和447018節(jié)點(diǎn)。圖4.有限元網(wǎng)格劃分5. 結(jié)果與討論 5.1熱負(fù)荷的影響內(nèi)翅片刺刀管的溫度，如圖5所示，這是通過從有限元體積法方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)插。觀察到的最大溫度是在外管的最右側(cè)，而最小的溫度在內(nèi)管的最左側(cè)。各部分諸如

14、外管，內(nèi)管或內(nèi)翅片的溫度沿正Z軸方向上逐漸上升，由于流體沿該方向流動(dòng)，并通過所述外管被逐漸加熱。由于加熱外管的耦合效應(yīng)，并冷卻內(nèi)管，在每一個(gè)截面上溫度沿徑向方向上升。因此，產(chǎn)生沿軸向和徑向方向上顯著溫度梯度。可以預(yù)料，大熱應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)翅片刺刀管。圖5內(nèi)翅片刺刀管（K）的溫度分布圖6（a）表示內(nèi)翅片刺刀管與溫度負(fù)荷的Von Mises應(yīng)力分布。除了最左邊的位置，附近的自由端應(yīng)力沿軸向幾乎是相同的。在內(nèi)翅片和內(nèi)管（路徑2），以及內(nèi)翅片和外管（路徑1）的關(guān)節(jié)存在較大的應(yīng)力，由于該結(jié)構(gòu)的不連續(xù)的變化。相同的應(yīng)力問題存在于板翅式結(jié)構(gòu)。 Jiang等17。研究了填充金屬結(jié)構(gòu)的效果和關(guān)節(jié)上的抗張強(qiáng)度，并試圖

15、通過優(yōu)化以減小熱應(yīng)力的填充金屬的厚度。人們發(fā)現(xiàn)，過薄填充金屬將導(dǎo)致圓角的質(zhì)量差，而太厚填充金屬將產(chǎn)生更多的脆變和裂紋。此外，它是很難根據(jù)我們的高溫真空釬焊實(shí)驗(yàn)，以產(chǎn)生定期和一致的填料結(jié)構(gòu)為關(guān)節(jié)。因此它是必要的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新方法，這將在第5.3節(jié)中討論優(yōu)化結(jié)構(gòu)。為了比較的熱負(fù)荷和對(duì)應(yīng)力壓力負(fù)荷的影響，Von Mises應(yīng)力的溫度負(fù)荷如圖6所示（b）。沒有熱負(fù)荷情況下的應(yīng)力保持沿軸向恒定的，而這種情況下自由端的熱負(fù)荷的變化很大，因?yàn)檫@種情況下溫度負(fù)載比邊緣效應(yīng)更為敏感。它也可以清楚地看出溫度負(fù)載的應(yīng)力遠(yuǎn)大于未經(jīng)溫度負(fù)載。所以可以得出結(jié)論認(rèn)為，在高溫?fù)Q熱器中，造成熱應(yīng)力主要原因是高溫負(fù)荷，而不是壓力載

16、荷。圖6內(nèi)翅片刺刀管的shovon Mises應(yīng)力分布（PA）如圖7所示，有溫度載荷的情況下最大變形量為1.764毫米，沒有溫度荷載的情況下變形是可以忽略的。溫度載荷的情況下的膨脹是非常明顯的，主要發(fā)生在軸向方向上，變形最大的位置是1.764毫米。它是由較大的溫度梯度產(chǎn)生就像自由膨脹材料沿此方向伸長。圖7. 內(nèi)翅片刺刀管變形分布（M）52 管式效果在傳統(tǒng)的管殼式換熱器，換熱管兩端固定在管板。為了驗(yàn)證刺刀結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，建立了傳統(tǒng)的內(nèi)翅片管模型。內(nèi)管和外管的兩端的位移被限制在z方向。圖8顯示了馮米塞斯應(yīng)力分布。內(nèi)翅片的兩端附近有兩應(yīng)力松弛位置。與圖6（a）相比，即使是最小的應(yīng)力也大于刺刀管

17、的最大應(yīng)力。大應(yīng)力超過最高溫合金的屈服應(yīng)力極限。圖9給出了變形分布。與圖7（a）相比，由于兩端的約束少變形比刺刀管多了。固定端的膨脹約束引起應(yīng)力集中。因此，自由端的目的是減少各結(jié)構(gòu)的高溫應(yīng)力的重要結(jié)構(gòu)。在高溫式換熱器中刺刀結(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)的管。在圖9中雖然變形邊界是相同的，但右側(cè)變形大于左側(cè)。原因是溫度和溫度梯度高于左側(cè)。圖8 von Mises應(yīng)力傳統(tǒng)管（PA）的分布 5.3缺口效應(yīng)在基礎(chǔ)線設(shè)計(jì)之初，對(duì)內(nèi)翅片管換熱器用于冷卻間多級(jí)壓縮機(jī)作為參考、34傳熱結(jié)構(gòu)。在這些設(shè)計(jì)中，散熱片安裝在環(huán)和跨越全寬。因此，計(jì)劃基線設(shè)計(jì)內(nèi)翅片連接在內(nèi)管的設(shè)計(jì)過程中。然而，在本研究中溫度高達(dá)418兆帕的最大應(yīng)力操作條

18、件下，存在較大的熱應(yīng)力。考慮到可靠性，在以后的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，提出了內(nèi)翅片與內(nèi)管不焊接在一起，這樣他們可以自由膨脹或收縮和膨圖9傳統(tǒng)的管（米）的變形分布脹不互相影響。差距是為了進(jìn)一步優(yōu)化獲得最佳的結(jié)構(gòu)，具有傳熱性能好、能與基線設(shè)計(jì)相比降低熱應(yīng)力。在第一階段，對(duì)內(nèi)翅片管內(nèi)表面之間的不同間隙的傳熱和壓降性能進(jìn)行了研究31,32。如圖10所示，基線設(shè)計(jì)的間隙小于1 mm時(shí)溫度升高和傳熱速率幾乎相同。然而，當(dāng)間隙超過1毫米，他們減少的差距顯著增加。在這一部分中，與內(nèi)翅片管內(nèi)表面之間的不同間隙的熱應(yīng)力和變形的影響。圖11顯示了內(nèi)翅片刺刀管的Von Mises應(yīng)力分布有0.5毫米的間隙。在大多數(shù)地方，Von Mises應(yīng)力不超過100 MPa，尤其是內(nèi)管和外管。與圖6相比（一），由于0.5毫米的差距應(yīng)力比基線設(shè)計(jì)，擴(kuò)展連接內(nèi)管和內(nèi)翅片。因此，間隙對(duì)熱應(yīng)力的降低有顯著影響。內(nèi)翅片刺刀管的馮米塞斯應(yīng)力分布與間隙0.5毫米， 1毫米，2毫米和3毫米，沿路徑1和2與基線設(shè)計(jì)相比，如圖12所示，以路徑1的應(yīng)力逐漸降低，從0.5毫米到3毫米間隙增