换热器热传递的有限元分析.pdf

第 卷第期 年月工程设计学报 ：收稿日期：作者简介：王文斌（），男，江西南昌人，硕士生，从事机械设计和温度控制等研究，：通信联系人：沈振军，副研究员，硕士生导师，：换热器热传递的有限元分析王文斌，沈振军（上海大学 精密机械工程系，上海 ）摘要：换热器的设计涉及许多因素，而热传递能力是检验换热器结构设计成功与否的重要标准从理论上难以准确计算出换热器的传热效率，所以提出利用 有限元分析软件来研究换热器的热交换过程 剖析系统的热传递原理，对换热器进行优化建模，加载热载荷，并得到换热器的温度场分布；由分析结果可以看出换热器能够满足系统要求，使系统重新达到热平衡 换热器的换热性能得以肯定，继而说明了换热器的结构设计是可行的，并为后一步的优化设计奠定了基础关键词：换热器；有限元；对流换热系数；热流密度中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，；，；，：；换热器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器 换热器是化工、石油、动力、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位 换热器种类很多，根据冷、热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类，即间壁式、混合式和蓄热式 换热器的设计包括热分析，尺寸、质量、结构强度、压降和成本的设计及分析，其中热分析过程复杂并且决定着换热器热传递成功与否 因此，分析换热器的热传递过程对其结构设计等方面具有很大的意义本实验设备为密闭式容器，系统工作过程中会产生大量的热能，热能又会影响系统的正常工作，所以为了了解换热器是否能在指定时间让密闭容器重新达到热平衡，提出利用 有限元软件来分析换热器的热交换过程 由分析得到换热器的温度场分布，结果表明换热器能够很好地实现换热效果，使系统重新达到热平衡，从而对换热器的换热性能进行肯定，为后一步的优化奠定了基础系统换热原理热传递的方式主要有种：热传导、热对流和热辐射 本文主要采用热传导和热对流的方式将密闭容器中的热能传递到外界空气中密闭容器及换热设备如图所示图密闭容器及换热设备 系统热传递过程为：密闭容器中产生的大量热能，通过容器壁传导出去，容器壁外侧贴一层导热硅脂，外层再安装循环水装置，通过循环水的对流换热将热能传递到周围空气中换热器相对于密闭容器对称安置，要求系统能在工作周期重新达到热平衡且温度为（）有限元分析 热分析的基本过程密闭容器的换热过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化，所以采用瞬态分析的方法进行分析 根据能量守恒原理，瞬态传热可以用公式表达为 ，式中：传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；比热容矩阵；节点温度向量；温度对时间的导数；节点热流率向量，包含热生成运用 对换热器进行瞬态热分析的步骤如下：）建立三维计算模型，包括密闭容器壁、导热硅脂、循环水内外壁及水管；）定义热分析的类型，即瞬态热分析；）确定换热器的各种材料，设置模型的材料属性，并将三维计算模型进行网格划分；）将边界条件和初始条件的载荷分别施加到模型边界上，然后进行分析计算；）对计算结果进行后处理，得出换热器的温度场分布 热分析物理参数确定温度场模拟需要定义的材料热物理性能参数主要有导热系数、定压比热容和密度等 在具体的传热过程中，通常这些物理性能都随材料的状态和温度不同而变化，这类分析即为非线性热分析 由上文介绍可知需要确定密闭容器壁、导热硅脂、循环水换热器的材料及相应的物理性能参数，具体物理性能参数如表至表所示表密闭容器壁材料碳钢（）的物理性能参数 参数数值 导热系数（）比热（）密度 表导热硅脂的物理性能参数 参数数值导热系数（）密度 表循环水管黄铜的物理性能参数 参数数值 导热系数（）比热（）密度 表循环水的物理性能参数 参数数值 导热系数（）比热（）密度 黏度（）普朗特数 热载荷的确定 共提供了种载荷，可以施加在实体模型或单元模型上，包括温度、热流率、对流、热流密度和生热率 对流是一种面载荷，它施加于实体的外表面，用于计算流体与实体的热交换 热流密度，又称热通量，单位为 热流密度是一种面载荷，表示通过单位面积的热流率当通过单位面积的热工程设计学报第 卷流率已知时，可在模型相应的外表面施加热流密度系统中循环水在管道内的流动可认为是无相变流体在圆形管内的强制对流换热；密闭容器瞬时产生的高热量可认为施加在容器壁上，作为热流密度载荷 环境中还存在空气的对流换热，取经验值为 （）系统自身的初始温度为 作为温度载荷 所以，本例中还需要确定循环水的对流载荷和密闭容器中的热流密度载荷 循环水的对流载荷的确定本文选用 型水泵，额定流量为 ，循环水管内径为 ，由雷诺数方程：，式中：循环水流速；管道内径；循环水的黏度确定循环水的流动为强制湍流 由于试验中温差较大（大于 ），采用佩图克方程更精确计算循环水的对流换热系数，计算得到循环水的对流换热系数为 （）佩图克方程：（）（）（），（），式中：循环水的对流换热系数；循环水的导热系数；摩擦因子；循环水的普朗特数 密闭容器壁的热流密度载荷的确定系统的工 作 周 期 为，容器 壁面积 为 ，由各个时间段的总热负荷可得到热流密度载荷随时间的分布，如表所示表总热负荷与热流密度分布 阶段 时间 总热负荷 热流密度（）建立几何模型及划分网格换热器为对称布置，温度场沿管道均匀分布，故可简化分析对象，取其中一段建立几何模型作为研究对象 提供的热分析单元将近有 种，本次分析选用 节点的六面体单元 图为 系统对模型处理后得到的单元网格模型图图系统网格模型图 热载荷和边界条件的加载该模型热分析的过程中需要加载循环水的对流载荷、密闭容器的热流密度载荷以及模型的初始温度载荷为了使得每一节点的热平衡方程具有唯一解，本文附加了第类边界条件，即与物体相接触流体介质的温度和换热系数已知，用公式表示为（），式中：自由边界上外法向单位向量；换热器表面和环境间的换热系数；环境温度模型结果与分析运用 对系统模型进行瞬态热分析，密闭容器的热流密度载荷为分段载荷，热分析各分段过程的温度场如图至图所示，图为容器壁上一个节点整个工作周期的温度波动图图 时模型的温度场分布 第期王文斌，等：换热器热传递的有限元分析图 时模型的温度场分布 图 时模型的温度场分布 图 时模型的温度场分布 图 时模型的温度场分布 图容器壁上单个节点整个工作周期的温度场分布 由以上温度场分布等值线图可以看出，在第阶段温度的波动最大，达到 ，在其后的个阶段，总热负荷减小，循环水进行换热，在工作周期结束时系统温度控制在（）之内，有效实现了热传递，表明换热器的结构设计是可行的结论本文利用 的热分析功能对换热器的热传递进行了计算分析，得到系统工作阶段的温度场分布，从而反映出整个系统的散热能力，这种方法为换热器的设计提供了理论参考依据，同时，模型的简化能够节省计算时间，提高计算效率参考文献：杨世铭，罗永浩换热器集箱管组流动和换热分析工程热物理学报，（）：，（）：周晓琴，李华强，刘杰，等 三维热分析及应用 武汉交通科技大学学报，（）：，（）：唐 兴 伦，范 群 波，张 朝 晖，等 工 程 应 用 教 程北京：中国铁道出版社，：，：，：蔡石屏，沈国土，蔡继光，等有限元模型生成及其在热分析中的应用 红外技术，（）：，（）：（下转第 页）工程设计学报第 卷本文的设计方法适用于受端部效应影响较大的具有大气隙长度和大径长比结构特点的姿控飞轮电机的设计，同时，对具有相似结构和其他用途的普通永磁无刷直流电机磁路参数的设计与分析也具有一定的参考意义参考文献：朱红柳飞轮电机的电磁场分析与控制哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程系，：，：唐任远现代永磁电机理论与设计北京：机械工业出版社，：，：吴一辉，高庆嘉，白越反作用飞轮驱动电机的电磁设计光学精密工程，（）：，（）：高健磁悬浮飞轮驱动电机系统设计长沙：国防科技大学航空宇航科学与工程系，：，：朱宏伟小卫星用飞轮电机的设计与控制哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程系，：，：徐衍亮，房建成 姿控、储能飞轮用永磁无刷直流电动机的参数计算山东大学学报：工学版，（）：，：，（）：徐成喜 无槽无刷直流电动机及其磁钢最佳工作点的确定微电机，（）：，（）：夏旎，李红，房建成，等磁悬浮飞轮用永磁无刷直流电动机参数的三维场计算方法微电机，（）：，（）：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 （上接第 页）王伟，王彩芸，郭俊，等 轮轨滑动摩擦生热分析 机械设计，（）：，（）：刘浩，张和平 不锈钢薄壁波纹管换热管强度的有限元分析 淮海工学院学报：自然科学版，（）：，：，（）：，（）：陈仁杰，华保祥，刘怀文，等热流道板的热平衡及温度场的有限元分析 机械设计与制造，：，：工程设计学报第 卷