内翅片换热管力学性能的研究

内翅片换热管力学性能的研究张良栋，胡光忠，王维慧(四川理工学院机电工程系，四川自贡643000)摘要：在各种高效列管式换热器中，作为传热及压力承担者的换热管的设计是关键技术之一．分析了翅片管的结构和特点，基于COMOSWORKS有限元分析模块，对CNG冷却器中应用较为广泛的内翅片管承载能力进行了应力分析，关键词：翅片管；应力分析；CNG；COMOSWORKS管壳式换热器普遍用于石油、化工、冶金、电力等行业中，它具有结构简单、制造容易、安全可靠、材料广泛、适应性强等特点，是工业生产中的主要换热设备[1，2]．目前，广泛应用的金属管式换热器是通过间壁来换热的，它传输的热量受到间壁面积和传热能力的限制，其综合传热系数不高，一般气一气换热的管式换热器仅为15～20W／m2℃左右，管式插件换热器为30～35W／m2℃左右[2]．由于管式换热存在着综合传热系数低、设备庞大等不足，因此各种插件换热器、高效换热管换热器等新型换热器应运而生．螺旋槽管、横纹槽管、波纹管、翅片管式换热器是目前应用开发的新型换热器，已在工业应用中取得了良好的效果[1,3-7]．但就目前研究的情况来看，大部分都集中在传热效率上，很少对各种高效换热管的力学性能及承压能力做分析，在设计中基本是参照相同尺寸的光管进行设计计算．本文就目前在CNG气体冷却器中广泛应用的翅片管的承载特性进行分析．1翅片管在CNG的应用状况翅片管规格品种很多．从材料上讲，有碳钢、铜、铝、不锈钢等，还有复合材料，如钢铝复合，即基管采用钢，翅片采用铝；从翅片型式讲，有环翅、纵翅、螺旋翅；翅片既可在管外也可在管内；从制造方式讲，可以轧制，也可以焊接，还可以铸造等[2'8'9]．各行业由于各自不同的特点，需要选用不同型式和材料的翅片管．CNG技术是压缩天然气技术(CompressNaturalGas)的简称，是指采用特制的储气钢瓶，在充气站通过加压设备施加20～25MPa的高压，强行将天然气在脱水、脱硫化氢后压缩至瓶内贮存，专用于汽车替代汽油的燃料[10.11]．压缩天然气汽车作为一种清洁汽车，由于其低排放、安全可靠、技术成熟、有良好的经济效益和环境效益而被广泛应用[11]．相对原油日益短缺的局面，CNG对我国乃至世界各国都具有举足轻重的战略地位[12]．CNG加汽站装置越来越向集成化、移动式方向发展，这就要求相关设备向小型化发展．作为对压缩杌有重要影响的冷却器设备，采用管壳式换热器具有可靠性高、制造方便的特点，是最佳的选择，但是传统光管的换热设备体积庞大，采用高效换热管是必然的选择．CNG冷却器一般分为风冷和水冷，前者一般采用内外翅片管，后者一般采用内翅片管，因为气体压力高压走管程，影响传热效率的是管内传热系数．2翅片管的结构与力学特性如图1所示为常用的新型内翅片管，它的主要特点是：通过在换热管内扩展表面、强化管内传热的途径来提高换热器的性能[2,4,13]．图1翅片管结构示意图内翅片管采用纵向直肋，管内翅化比可达4～6，与一般光滑管相比，其管内给热系数可提高3～4倍左右．内翅片管的翅片采用焊接，其焊着率为l00%[2].内翅片管与光管相比，由于其几何不连续，在内压或外压作用下，局部应力会增加，同时在制造过程中，存在残余应力，加之管束和安装平台的振动，对换热管本身承载能力和疲劳破坏的研究是非常必要的．3基于COSMOSWORKS的翅片管受内压有限元分析COSMOS是较快的有限元分析软件，采用的是快速有限元算法(FFE)技术，是COSMOS为Solidworks三维建模软件开发的无缝集成有限元分析模块，可以直接将Solidworks的三维实体模型导入进行分析计算．基于COMOSWORKS的应力分析流程和实现方法如图2所示．图2换热器应力分析流程现对图1内翅片管进行三维建模和分析计算，取翅片管长200mm(-般换热管的支撑间距为200mm)，外径57mm．换热管20MnMo.承载情况内压为25MPa，外压为10MPa．在Solidworks2004中创建各零件的三维模型，翅片与换热管是全焊透，当作一个实体．为了提高运算效率和便于观察，运用对称结构方法取1／2换热管结构．分析参数设置：①静态研究(Transfer_stress)，网格为实体网格；②材质参数根据Solidworks材质库选择普通碳钢；③定义载荷和约束条件．按实际工况设置压力载荷，此时分别考虑换热管在内压和外压单独工作状态（即最危险工况），即管程压力为20MPa，壳程压力为10MPa.约束条件：换热管轴向剖面位于平面内且距离为0，即只能在径向方向内外移动；同时管的一端距离端面30mm的外表面固定（即假设与管板连接），这样的约束条件保证换热器整体自由变形；④网格生成．为了保证计算精度和合理的计算时间，网格类型为四面体标准网格，网格属性为自由过度．生成的节点总数148446个，要素总数495142个（如图3）．以上参数定义后，进行应力分析时，采用FFEPlus解算器。图3翅片管网格运行结果可以直观输出各种方向和类型的应变、应力、位移云图及变形图．为了便于比较翅片管的承载能力，同时分析光管的应力情况，受内压结果如下：翅片图4翅片管应力分布图（强度）管的应力分布（如图4、5）和光管的应力分布(如图6、7)，当然还可以得到VonMises应力以及变形和位移。当外压作用时，主要考虑失稳和强度．可以得出其应力分布图和位移图（如图8、9）。图5翅片管应力分布图（第一主应力）图6光管应力分布图（强度）图7光管应力分布图（第一主应力）图8光管外压位移图图9翅片管外压位移图4结语从以上结果可以看出，翅片管受内压由于几何不连续等影响，最大应力强度(225MPa)大于光管(179MPa)，最大第一主应力(201MPa)也大于光管(158MPa)，并且集中在翅片和管壁连接处，这说明在相同应力下，翅片管更容易破坏，在外压作用下，翅片相当于支撑件，对管子起加强作用，故在相同外压下，翅片管的静态位移(1.710e-005)小于光管(2.122e-005)。本文仅仅对翅片管受内压和外压承载能力进行了分析，可以看出，有必要对各种高效换热管的力学性能进行研究，包括对疲劳和腐蚀失效研究，同时在换热管的设计时，不能简单地参照光管进行。参考文献：[1]王维慧，胡光忠，曾涛．基于COMOSWORKS固定管板式换热器应力分析方法[J].压力容器，2006，23(9)：21-24．[2]刘庸，徐亚军，内翅片管式换热器[J].设计通讯，2001(2)，46-48.[3]杨宝山，张伟．纵向翅片管式换热器的失效分析及改造措施[J].油气储运，2005，24(3):44-46.[4]仇性启，李华玉，陈彦泽，等，纵向翅片管管外换热与阻力特性的实验研究[J].石油机械，2001，29(3):8-10.[5]王玉，王涛.4种常用强化换热管综合性能研究综述[J].管道技术与设备，2006(5):22-23.