摘要：在自行開發的“釘頭管自支撐式換熱器”的基礎上，進行了管蒸汽、殼空氣的試驗研究，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。結果表明：計算機模擬與實驗結果相吻合，從本質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化傳熱的影響，直觀地反映了熱量的傳遞梯度。
　　關鍵詞：釘頭管；有限元分析；溫度場分析
　　中圖分類號：TE969 文獻標識碼：B 文章編號：1006—8805(2007)01—0025～03
　　傳熱學是一門研究熱量與物質在勢差作用下的傳遞規律的基礎學科，強化傳熱則是傳熱學研究的一個重點。在強化傳熱的研究中，主要從以下幾方面展開：第一，傳熱機理。這類研究主要是從傳熱的基本原理方面找到突破，是近年研究的一個熱點，例如短管的再研究；第二，導熱材料。由于各種不同材料的導熱系數不一樣，對強化傳熱有直接的影響；第三，傳熱管結構。對于傳熱管結構的研究，從初始的試驗研究、經驗公式到現在的數字模擬，已經有了大量的文獻資料，然而對于某些結構的數值模擬還不很完備，例如本文試驗 中使用釘頭管與光管組成的自支撐結構。本試驗采用這種結構，利用傳統的試驗方法，得到釘頭管強化傳熱的各項參數以及檢驗公式，證明了這種釘頭管自支撐結構的殼程強化作用。
　　本文以上述試驗為基礎，采用ansys分析軟件，對試驗中所使用的釘頭管進行了單根模擬，利用試驗所得到的各項數據，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、長徑比對于強化傳熱的影響，對釘頭管自支撐換熱器的結構優化有一定的參考價值。
    1 試驗用傳熱管結構簡介
    1．1 結構幾何尺寸
    自支撐式釘頭管換熱器試驗裝置(見圖1)結構包括釘頭管換熱器、支承裝置和溫度測量機構三部分。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。換熱器的結構參數見表1。
                     
    1．2 工藝條件
    在試驗過程中，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見表2。
                
    2 建立參數化有限元分析模型
    2．1 模型的簡化
    由表2和圖2可以看出，在結構上、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，采用等縱向間距錯排，錯排的角度為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；同時由于工況在傳熱管的兩側具有相似性，所以將其從一個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，采用化整為零的方法，用ProE建立如圖3所示的模型。
    2．2 網格劃分
    溫度場分析采用的單元是2O節點6面體的solid 90單元，因為2O節點單元具有一致的溫度形函數，可以較好地適應具有曲線邊界的模型。
    劃分過程中，由于試驗條件的限制，采用0．5mm單位，劃分后的結果如圖4所示。
               
    2．3 確定邊界條件
    根據以上試驗條件和試驗裝置，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，在傳熱管的內壁面(管程)，施加對流傳熱系數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2O．29W ／(m2 ·℃ )r3]
                  
    3 傳熱管溫度場的分析
    材料的物性參數對于其傳熱效果具有決定性的作用。在本試驗中，傳熱管采用的是10號鋼，在溫度變化較大的情況下，材料的傳熱系數會有較大的改變，得到的溫度場的分布不能準確反映實際情況。為了準確地反映強化傳熱的溫度場變化，減小材料物性參數的變化對模擬的影響，在分析的時候采用了迭代的思想，設定材料的收斂溫度為5℃ ，并且設定起始溫度為90℃ ，即采用90℃時材料的物性參數。分析思路如圖6所示。
                 
    采用原設定的90℃下金屬材料的特性數據，施加上述對流邊界條件，則計算出的溫度場云圖如圖7所示。
                    
    圖7反映的是整個系統穩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，此時管壁金屬的平均溫度為87．9005℃。根據迭代的思想，和開始設定的管壁溫度90℃作比較：
   Δt=|87.9005-90|=200995<5 
    由于Δt小于5，達到收斂要求，因此認為材料物性參數的變化對于溫度場的變化影響很小，所以，不再進行溫度場的迭代計算，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，從而強化傳熱的效果越好；在釘頭上，隨著釘頭長度的增加，強化的效果逐步減小(見圖8)；在釘頭徑向上，由于釘頭的規律分布，溫度場的變化也呈現規律變化(見圖9)。
                        
    4 結論
    (1)本文運用ANSYS軟件對(管殼式換熱器)釘頭管自支撐結構中的釘頭管進行溫度場分析，可以比較全面地了解換熱器內釘頭管的溫度分布情況，以及強化的效果。雖然計算的模型是在對實際情況進行簡化以后建立起來的，但模擬結果與試驗結果相符，說明本模擬計算是可信的。
    (2)在模型中，將釘頭和管壁作為一個整體來考慮，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，幾乎沒有被強化，而所有被釘頭影響的區域都有不同程度的強化。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，使之更容易形成湍流。
    (3)為了準確的反映強化傳熱的溫度場變化，減小材料物性參數的變化對模擬的影響，本模擬試驗采用了迭代法，使模擬條件更加貼近實際的工況。
    (4)在圖7、圖8、圖9中還可以發現，釘頭的影響區域是有限的，越接近釘頭的地方，強化的效果越好。由此可以看出，釘頭的長度、半徑和長徑比對于傳熱的強化有較大的影響，同時，釘頭的密度也是一個影響因素，這些因素的影響將在后續的工作中進一步探討。