基于ANSYS對(duì)有保溫層熱力管道的熱損失及接觸表面溫度分析

遠(yuǎn)亞群，王茂廷，李 程，周芝國(guó)，時(shí) 健，劉鴻明

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

熱力管道的使用十分普遍，不僅在石油、化工、發(fā)電、航天、核工業(yè)、機(jī)械等大型工業(yè)中是常用設(shè)備，在學(xué)校、醫(yī)院、商場(chǎng)、家庭等環(huán)境中也是常常見(jiàn)到。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速深入發(fā)展和節(jié)約能源的需要。急需解決的是更大程度的降低熱力管道的傳熱效率，從而降低熱力的損失。為此許多研究人員研究了多種保溫材料和保溫方法［1］。本文利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行熱力管道和保溫層的熱力分析［2］。通過(guò)建立模型，確定參數(shù)和條件，先后進(jìn)行熱分析和結(jié)構(gòu)分析，得到熱力管道和保溫層沿定義路徑各處的溫度場(chǎng)合應(yīng)力場(chǎng)。分析結(jié)果不僅為熱力管的保溫設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，還為管道的節(jié)能設(shè)計(jì)提供幫助。

1 模型確定

某熱力管路的內(nèi)外管徑分別為 d1=80 mm，d2=90 mm，導(dǎo)熱系數(shù)λ1=45 W/(m?K),外面為一層厚度為δ=50 mm的保溫層，導(dǎo)熱系數(shù)λ2=0.2 W/(m?K),熱力管內(nèi)壁溫度t1=250 ℃，保溫層外壁溫度為t3=50℃(接觸面處的溫度為 t3)。取熱力管長(zhǎng)度為 L=100 mm。帶保溫層的管路的幾何模型如圖1所示。

帶保溫的熱力管道穩(wěn)定工作時(shí)（即帶保溫層的熱力管道處于穩(wěn)定的溫度場(chǎng)中），熱力管道溫度在軸向上的變化很小，所以可以忽略溫度在軸向上的變化［3］。但是溫度在管道徑向的變化很明顯，因此可以將模型簡(jiǎn)化軸對(duì)稱(chēng)的一維導(dǎo)熱模型［4］（如圖2）。由于熱力管道內(nèi)部是恒溫液體，管道外部空氣溫度也幾乎不發(fā)生變化，所以熱力管道的材料性能參數(shù)也不發(fā)生變化。所以可以將問(wèn)題進(jìn)一步簡(jiǎn)化為一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。

圖1 帶保溫層的熱力管剖面幾何模型Fig.1 Geometric model of the heat pipe section with insulation layer

圖2 簡(jiǎn)化的幾何模型Fig.2 The simplified geometric model

應(yīng)用熱傳導(dǎo)基本理論，接觸面的溫度和管道的熱損失按下式計(jì)算：

分析時(shí)，溫度采用K式溫度，其它單位采用國(guó)際單位制。

2 熱力分析

2.1 分析模型的建立

通過(guò)ANSYS 11.0軟件進(jìn)行熱力分析計(jì)算時(shí)，采用 4節(jié)點(diǎn)的 PLANE55單元和三維六面體 SOLID70單元進(jìn)行有限元分析，之后分別定義熱力管和保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)［5］。使用ANSYS軟件按照?qǐng)D1的幾何尺寸建立兩個(gè)粘接在一起的矩形。選用邊長(zhǎng)為0.002 5的四邊形單元，并且用映射法進(jìn)行劃分網(wǎng)格［6］。得到有限元網(wǎng)格劃分模型（如圖3）徑向?yàn)闇囟葌鬟f方向（X向），軸向?yàn)闊崃艿篱L(zhǎng)度方向（Y向）。

圖 3 有限元網(wǎng)格劃分模型Fig.3 FEM meshing model

2.2 邊界條件的施加

2.2.1 施加熱力管道內(nèi)壁溫度

穩(wěn)定的傳熱狀態(tài)下，熱力管道內(nèi)壁溫度為250℃。

2.2.2 施加保溫層外表面溫度邊界條件

保溫層外表面與空氣間有對(duì)流傳熱和熱輻射傳熱兩種方式進(jìn)行熱傳遞。綜合考慮設(shè)定保溫層外表面的溫度為50 ℃（圖4）。

圖4 保溫層外表面施加溫度邊界條件Fig.4 Outside surface temperature boundary conditions of the insulation layer

3 求解和后處理

通過(guò)ANSYS有限元軟件進(jìn)行求解，計(jì)算所有載荷步，最終得到溫度場(chǎng)結(jié)果。為更簡(jiǎn)潔更清楚的反應(yīng)溫度的變化情況，通過(guò)運(yùn)用有限元軟件的定義路徑功能，選擇節(jié)點(diǎn)定義路徑，選擇分析模型最下端（即 Y=0）的所有節(jié)點(diǎn)，對(duì)于帶保溫層的熱力管而言，即定義了從熱力管道內(nèi)壁向保溫層外壁的徑向路徑。將所得到的溫度分析結(jié)果映射到路徑上，得到沿定義路徑的溫度分布及各參數(shù)計(jì)算結(jié)果（圖5）。

圖5 沿定義路徑的溫度分布Fig.5 The temperature distribution along the defined path

圖6 沿徑向路徑的溫度分布云圖Fig.6 The temperature distribution cloud maps along the radial route

圖5 顯示了溫度沿帶保溫層熱力管道徑向從管內(nèi)壁到保溫層外壁的變化情況。圖中顯示溫度的變化總體分為兩個(gè)趨勢(shì)。第一個(gè)階段在熱力管道的內(nèi)部，溫度從250 ℃的初始溫度減少的很少，在0～0.5之間溫度呈線性降低。第二個(gè)階段在熱力管道外壁到保溫層外壁之間，呈線性降低，在0.5～5.5之間，溫度從250 ℃降低到了50 ℃。溫度在整個(gè)過(guò)程中符合簡(jiǎn)化邊界條件下的變化關(guān)系。

更清晰簡(jiǎn)潔的顯示溫度分布情況。利用有限元軟件得到保溫?zé)崃苎貜较虻臏囟确植荚茍D。（圖6）。

通過(guò)計(jì)算出的參數(shù)數(shù)據(jù)可知平面有限元分析結(jié)果與理論值的最大誤差值為0.38%及接觸面處得溫度249.86 ℃。

4 結(jié) 論

通過(guò)運(yùn)用ANSYS11.0有限元軟件，在固定的邊界條件下，對(duì)帶保溫層的熱力管道進(jìn)行了一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析，得到熱力管道和保溫層接觸面的溫度及在給定邊界條件的溫度場(chǎng)。分析得到的結(jié)果為帶保溫層的熱力管道的保溫層材料和厚度設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，為帶保溫層的熱力管道在工程應(yīng)用中節(jié)能設(shè)計(jì)提供有效的幫助。值得指出此種分析方法的分析過(guò)程簡(jiǎn)潔快速，得到的顯示結(jié)果直觀清楚。

［1］韓彥榮, 謝華.熱力管道保溫材料的選用分析[J].制冷與空調(diào),2006(4):59-61.

［2］劉中良, 馬重芳.層流管流藕合換熱對(duì)流體熱邊界條件的影響[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 28(1): 32-37.

［3］楊世銘, 陶文銓.傳熱學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.

［4］蔡爾輔. 石油化工管道設(shè)計(jì)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

［5］邵宗科,黃重國(guó), 董紅磊.基于ANSYS的XCQ16鋼軸向疲勞實(shí)驗(yàn)與有限元仿真[J]. 陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 25( 4):9-14.

［6］王澤鵬,張秀輝, 胡仁喜. ANSYS12. 0熱力學(xué)有限元分析從入門(mén)到精通[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.