波纹换热管的研究.docx
《波纹换热管的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《波纹换热管的研究.docx（43页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
波纹换热管的研究
本科毕业设计
（论文）
题目波纹换热管的研究
姓名
专业机械设计制造及其自动化
学号
指导老师
机械工程学院
二○一四年五月
波纹换热管的有限元分析
摘要
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体，使流体温度达到工艺流程规定指标的热量交换设备，换热器是化工生产中常用设备之一。
换热管是换热器的核心元件，设计和制造各类高性能换热管一直是重要的研究课题。
目前国外学者致力于研究和开发高效换热管，传热强化是该领域研究的重点。
本论文研究容主要分为两部分，以工业常用的Φ44/Φ33（波峰直径/波谷直径）尺寸波纹管为主要研究对象，使用ANSYS有限元分析软件分析波纹换热管应力分布和传热能力。
另外选取11组波谷圆弧半径不同、其他尺寸相同的波纹管做对比组，比较波纹换热管波谷圆弧半径变化对管的应力分布和传热能力的影响。
通过分析发现，波纹换热管最大应力主要出现在波谷圆弧处，最佳传热区域主要在波纹收缩段。
关键词：
换热器；波纹换热管；应力分布；传热能力；ANSYS
FiniteElementAnalysisoftheCorrugated
HeatExchangeTube
ABSTRACT
Inpetrochemicalproduction,theheatexchangerisoneofthecommonlyusedequipment.Improvingheattransferefficiencyandperformanceisanimportantwaytosaveinvestment,saveresources,improvetheproductioncapacity.Heatexchangetubeisthecoreelementofheatexchanger,sothedesignandmanufactureofvarioustypesofhighperformanceheatexchangetubehasbeenaveryimportantresearchsubject.Inrecentyears,manyscholarsathomeandabroaddedicatedtothehighefficiencyofheatexchangetuberesearchanddevelopmentwork,includingheattransferreinforcementisthekeyoftheresearchinthisfield.
Thispaperresearchcontentmainlydividedintotwoparts,thefirstistheanalysisofstressdistribution;thesecondistheanalysisofheattransferability.wechoosetheΦ44/Φ33（peakdiameter/troughdiametersize）corrugatedtubewhichiscommonlyusedinindustryasthemainresearchobject,usingANSYSfiniteelementanalysissoftwareanalysiscorrugatedheatexchangetubestressdistributionandtheheattransferability.Inordertocomparetheinfluenceoftrougharcradiussizetothecorrugatedtube，wealsochooseanother11groupsofcorrugatedtubeasthecontrastgroupswhichtrougharcradiussizearedifferent,theotheristhesame,comparingcorrugatedpipetroughthearcradiusonthetubeaxialstiffnessandheattransferability.
Throughtheanalysiswefoundthatthestressconcentrationphenomenonappearsatwavetrougharcofcorrugatedheatexchangetube,thebestheattransferareamainlyincorrugatedcontraction.
KEYWORDS:
heatexchanger；corrugatedheatexchangetube；stressdistribution；heattransferability；ANSYS
前言
换热器是工业生产中一种特别重要的热交换设备，用来使热量从一种介质传递到另一种介质以提高热量利用率，换热器在各种各领域中有很广泛的应用，尤其在化工、能源、交通、机械、制冷、空调等领域[1]。
换热器能够让工业能源二次被使用，实现回收余热和降低生产成本。
对国外换热器市场调查发现，尽管各类板式换热器的竞争力呈上升趋势，但是管壳式换热器的应用仍占据大部分市场。
随着时代发展，世界各国工业生产对能源的高效利用要求越来越高，对管壳式换热器的研究已经进入一个新时期，主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。
时至今日换热器传热管件和壳程的折流结构都较传统的管壳式换热器有了很大的改变，关于换热器流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果的理论研究和结构设计等方面也都有了新的进步。
波纹管换热器是管壳式换热器一种新兴类型,换热元件用波纹换热管取代原始的光滑直管，这种换热器将传热效率提高了2到4倍[2]。
波纹换热管的结构周期性变化，比光滑直管复杂很多，对管流体有充分扰动影响，迫使流体湍流流动，増强了换热管传热能力。
波纹换热管的其他优势是不断收缩和扩的管型使波纹管具有了补偿能力，即在应力作用下，波纹换热管可以在一定围自由伸缩，不会对换热器管板等元件造成损害，同时也正是这种小幅度“伸缩”让波纹换热管具有很强防结垢能力,因此波纹管式换热器在工业生产中得到了广泛应用。
本文以工业常用的Φ44/Φ33尺寸波纹换热管为主要研究对象，借助ANSYS有限元分析软件计算波纹管在压作用下的等效应力、分析其在管湍流流动时的传热机理。
为了研究波谷圆弧半径变化对波纹管应力分布和换热能力的影响，本次分析另外选取了11组波谷圆弧半径不同的波纹管作对比，对对比组波纹换热管施加相同工况载荷，比较不同管型应力分布状态，以及波纹管出口速度、温度和管压力分布、壁面剪应力分布情况。
第1章波纹换热管的概述
1.1波纹换热管的结构和成型
1.1.1波纹换热管结构及其波形确定原理
波纹换热管，一般是由无缝不锈钢管经二次加工成型得到[3]，它的纵向截面是不同半径圆弧相切而形成的连续波纹，参考图形如1-1所示。
图1-1波纹管几何参数说明
D—波纹管波峰直径；d—波谷直径；t—波纹管的壁厚；
R—波峰圆弧半径；r—波谷圆弧半径；a—波距。
波纹换热管加工波纹的目的是强化管流体流动，使流体不断形成湍流，以增强传热效果。
根据波纹换热管在生产中的应用，属于承压元件，因此要求波纹换热管必须具有合格的承压能力。
尽管过深过密的波纹有利于强化传热，但是这种结构的波纹换热管也会增大管流体压力损失，同时也容易失稳。
从强化传热和减小压降两方面综合考虑，波纹管波纹既不能过深过密又不能过浅过疏，同时还需要考虑力学、材料和成型工艺等因素，因此设计合理的波纹形式是设计波纹换热管的关键技术所在。
1.1.2波纹换热管的成型
波纹换热管，由薄壁（壁厚小于1mm）光滑直管加工而成，直径小，管子长、纵向结构上有周期变化的波纹，生产加工较为困难。
波纹换热管从波形上分为螺旋形波纹和环形波纹。
由于螺旋形波纹管接头过渡复杂，因此现在制造厂大多以生产环形波为主。
光滑直管加工成波纹管过程中会发生较大的变形，因此要求材料必须有较好的力学性能和材料性能。
波纹管生产成型后应力状态十分复杂，需进行去应力退火并进行水压试验，检查合格后方才能制造换热器。
液压胀型和软胶胀型是目前波纹换热管两种主要成型方式。
液压技术是波纹管液压胀型工艺是常用技术，加工过程是将光滑直管放在成型模具中，然后向管注入高压液体，液体的压力作用使光管发生形状改变从而获得模具规定的几何形状，这中加工方法的缺点是需要对模具施加大量工装，工序复杂，加工过程慢，同时工作环境较差，加工时不容易密封；软胶胀型加工方法是利用对光管圆柱形的软胶对光管进行轴向压缩使其产生径向压力迫使波纹形成。
螺旋形波纹主要采用液压加工方式，环形波纹既可用液压加工也可用软模成形制造。
1.1.3波纹换热管与管板连接方式
波纹管与管板的连接形式一般为强度焊、强度胀和焊胀并用。
强度焊是采用焊接工艺使换热管和管板连接的方法；强度胀是根据金属具有塑性变形这一特点，用胀管器将管子胀牢固定在管板上的连接方法。
如果采用强度焊连接方式，由于波纹换热管管壁很薄，直接与管板焊接会直接使换热管管壁熔化导致焊接失败，因此必须在换热管两端设置焊接段（管壁厚度大于换热管），但是焊接接头存在残余应力，在运行中容易引起应力腐蚀与疲劳；如果采用强度胀连接方式，由于波纹换热管是由奥氏体不锈钢直管在模具中液压膨胀加工而成，加工过程中发生较大的塑性变形，管体强度和硬度增强，塑性和韧性减弱，因此波纹换热管采用强度胀连接方式有很大难度[4]，很难保证连接部位的强度。
可见，强度胀和强度焊都有其局限性，焊胀并用的方法在一定程度上解决了上述问题。
目前焊胀并用方法多采用先焊后胀的顺序，既可以在保证连接部位的强度和密封性，又可以改善抗疲劳性能，还消除了应力腐蚀和焊缝腐蚀，提高了使用寿命，所以焊胀并用的连接方式得到了广泛应用。
1.2波纹换热管传热机理
1.2.1对流传热理论基础
物质热交换有三种方式：
热辐射、对流传热和热传导。
对流传热是流体与固体壁直接接触时所发生的热量传递过程，化工生产中管壳式换热器管程和壳程之间的热量交换主要是对流传热，热量从热流体传到间壁外表面，从间壁表面传给冷流体[5]。
而换热管壁面的热量传递主要是热传导方式，在管壳式换热器传热过程中热辐射不予以考虑。
1.对流换热的分类
按动力分分为：
强制对流；自然对流；混合对流。
按有无相变分分为：
单相介质换热；相变换热。
按流动形式分分为：
层流流动换热；湍流流动换热。
按几何形状分分为：
管流动；外部流动。
2.流体在换热管湍流状态下速度和温度分布情况简介
流体从进入管口开始，由于具有粘性，同时受壁面阻碍作用，靠近壁面的流体层首先减速，随着流体向前流动，相邻流体层依次减速，产生速度梯度，速度受到影响的流体区域越来越厚，这就形成了速度边界层[6]。
从管口开始，初始的速度边界层流体速度较小，流动类型为层流，故称为层流边界层。
随着流动的进行，层流边界层的厚度逐渐增加，流体流速在径向方向也逐渐增大，当流速达到一定值的时候层流边界层外缘靠近管中心的部位开始出现湍流（层流边界层发展为湍流边界层），速度边界层迅速往管中心扩大，同时层流底层被侵蚀、压缩。
当湍流边界层在管子中心线汇合之后，流体在管的流动发展为完全的湍流（这段长度叫稳定段长度）。
稳定段之后管的流体（即湍流边界层）按流型分为层流底层、过渡层和湍流主体。
速度在壁面轴向的出现流动边界层，同样，当流体在与壁面之间存在温差时，在壁面上也会出现一定厚度的薄层温度发生明显变化，我们称这层薄层为热边界层。
热边界层与流动边界层类似，部存在很大的温度梯度，热量扩散主要发生在这个区域，热边界层以外的区域是等温流动区，湍流边界层的热阻主要集中在层流底层。
3.增强换热管对流传热的方法主要有：
（1）改变流体流动状况，提高流速。
增加流体流动的湍动程度，减薄层流底层，从而强化传热。
（2）增加人工扰流装置，在管或管外安放螺旋圈、翅片等以破坏流动边界层而增强传热。
（3）改变流体物性。
流体物性对传热有很大影响，一般导热系数与比热较大的流体，其对流传热系数也较大。
（4）改善传热面状况。
如增加粗糙程度，对管表面加工制成多孔表面管或涂层管。
（5）改变传热面形状，采用各种异形管，如波纹管和变截面管等。
异形管迫使管流体流动状态随其结构变化而变化，流动方向和流动速度不断发生改变，有助于形成湍流流动，减薄边界层厚度，加强传热能力。
1.2.2波纹管强化传热机理
传热学的基本公式如（1-1）：
（1-1）
式中，Q——换热量，W；
K——总传热系数，W/（m2·℃）；
——进行换热的两流体间平均温度差，℃。
由此可知传热量Q由三个因素决定:
传热系数K；传热面积F；平均温差
。
想增大换热器传热能力可以通过增大上述三个因素值来实现，但是增大换热器的传热面积和平均温差都不是最佳途径,因为传热面积与换热器结构有关,单纯增大传热面积会导致设备体积增大进而增加设备成本；平均温差与流体工况有关,增大传热温差会增加能耗。
因而最理想的办法就是增大传热系数K。
传热系数的计算公式如（1-2）：
（12）
式中：
K——总传热系数，W/（m2·℃）；
——管、外传热系数，W/（m2·℃）；
——管、外污垢系数，
；
——管、外径，m；
——管壁材料的导热系数，
；
——管壁厚度，m。
可以看出，想要提高换热管总传热系数，需从两方面考虑，一是减小传热过程各个环节的热阻，二是增大管外换热系数[7]。
由于换热管中各项热阻所占份额不同，故应设法减小传热过程中的主要热阻。
不锈钢导热能力良好且管壁很薄因此换热管壁面热阻不是主要热阻。
值得注意的是污垢热阻，污垢热阻是一个变化因素，生产中在换热器使用初期阶段，污垢热阻很小，污垢随着时间的增长而逐渐集中在传热面上，成为主要热阻影响换热器换热效率。
因此，防止污垢的形成及快速清理传热面的污垢是换热器高效运行的保证。
波纹换热管以其周期变化的结构形式可以防垢、清垢，在此方面较光滑直管有突出优势（详见1.3节容）。
波纹换热管变化的流通形状是增大传热系数的关键，流体在管经过周期性断面变化时引起压力和速度的相应变化。
在流体流动方向上，波峰处流体速度小、静压大；波谷处流体速度大，静压小，流体在反复改变的速度和压力梯度下流动，流动呈无序的混乱状态，不断产生湍流涡冲刷层流底层，使其变薄，传热阻力很小，增大了换热管传热能力。
1.3波纹换热管优点
1.传热系数高。
由于波纹管流动通道的横截面连续突变，管流体流速和流动方向不断改变，大幅提高流体的湍流强度，破坏底层的层流，使流体边界层的流动状态发生变化，从而提高管外的对流传热系数，在管流体流速较低的情况下，即可达到湍流速度。
2.可承受中低压力，耐腐蚀能力强，寿命长。
波纹管由不锈钢光滑直管冷加工成型，承载压力能力比光滑直管强，可以满足化工行业中中低压换热工况需要。
3.可以适应较大的温度差，可以在不对换热器管板造成损害的前提自动调节由温度差引起的应力变形。
因为波纹管是由连续的波纹结构组成，管壁薄，同时奥氏体不锈钢材质具有良好的韧性，因此波纹换热管具有一定围轴向伸缩能力，当换热管外流体温差较大或者外工况压力差较大时会使换热管产生应力集中引起换热管变形，波纹换热管因为具有小围伸缩能力，它可以补偿和吸收这种情况下温差应力和压差应力产生的变形，保护换热管和管板连接部分，不会使连接结构断裂使换热器损坏[8]。
4.可以防垢、清垢。
波纹管在工作过程中，一方面换热管外流体受其结构影响始终处于高度湍流状态，流体中的固体杂质不容易沉积结垢；另一方面波纹管受管外温度差和压力差影响，波纹管在轴向方向会产生微小的伸缩变形，管外的曲率会随之频繁变化，由于垢层和波纹管的线膨胀系数相差很大，所以已经沉积结垢的污垢层与换热管之间会产生较大的拉脱力，使污垢层破裂而自动脱落。
第2章波纹换热管刚度分析
2.1有限元概念与ANSYS软件简介
2.1.1有限元分析理论
有限元是一门以结构力学和弹性力学为理论基础，以计算机为媒介，以有限元程序为主体，对大型结构工程的数值计算方法。
有限元法：
是一种用于求解微分方程组或积分方程组数值解的数值技术。
它的基本思想是将连续的实体结构分割成有限个单元，把连续实体理解为只在节点位置相连的一个单元集合体，选定节点值作为基本未知量，在每个单元中选择合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程的变量改写为由各变量或其导数的节点值与所选的插值函数组成的线性表达式，将微分方程离散求解，得到满足工程精度的近似结果来代替对实际结构的分析。
有限元模型：
它是真实系统理想化的数学抽象模型，由一些形状简单的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。
有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。
这种分析过程可以简单的理解为一个物体或连续系统被分解为由多个相互联结的、由简单独立的点组成的几何模型群，当划分足够细腻、每个模型足够小时，每个模型的变形和应力总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。
随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法已经从结构强度分析计算扩展到诸多科学技术领域，成为一种应用广泛、实用高效的数值分析方法。
2.1.2ANSYS简介及其分析典型过程
美国ANSYS公司致力于工程仿真软件和技术的研发，重点开发开放的、灵活的、对设计直接进行仿真的解决方案。
ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，包含了了结构、热、流体、电场、磁场、声场、耦合场等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能。
ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能，同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境，在航空航天、汽车工业、石油化工、生物医学、建筑工程、电子产品、重型机械等许多工业领域都能有很高的可信度，受到各界好评。
ANSYS有限元分析过程主要包括三个步骤[9]：
1.前处理——创建有限元模型
（1）创建或输入几何模型。
（2）定义材料属性。
（3）定义单元类型及实常数（根据单元类型的特性设置，有些单元类型无需定义实常数）。
（4）划分有限元网格。
2.求解——施加载荷并求解
（1）施加约束条件。
（2）施加载荷。
（3）设置分析选项并求解。
3.后处理——查看分析结果
（1）查看分析结果。
（2）检查结果正确性。
ANSYS作为新颖的有限元分析软件在应力分析问题方面具有强大的功能而且界面易于使用者掌握，用户可选择界面方式（GUI）或命令流方式进行使用；快速的网格划分功能和结果后处理功能，方便使用。
2.1.3ANSYS主要功能
软件主要包括三个部分：
前处理、分析计算和后处理。
1.前处理。
前处理功能提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。
ANSYS的前处理模块主要有两部分容：
实体建模和网格划分。
2.分析计算。
分析计算功能包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。
3.后处理。
后处理功能可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
2.2有限元分析过程
2.2.1波纹管三维模型的建立
波纹换热管在纵向方向属于轴对称模型，因此在本章分析所使用的模型选择波纹换热管纵向二分之一实体，这样做可以方便建模、减少网格划分数目、加快计算速度等。
本章将以Φ44/Φ33波纹换热管为例叙述有限元分析过程并分析计算结果。
表2-1详细列出了12根不同波谷圆弧半径的换热管规格。
表2-1波纹换热管规格
参数
编号
波峰直径D（mm）
波谷直径d（mm）
波峰圆弧半径R（mm）
波谷圆弧半径r（mm）
波距a
（mm）
壁厚t
（mm）
长度L
（mm）
管1
44
31.04
15
2.3
27
0.8
216
管2
44
32.00
15
3.3
27
0.8
216
管3
44
33.00
15
4.3
27
0.8
216
管4
44
33.72
15
5.3
27
0.8
216
管5
44
34.36
15
6.3
27
0.8
216
管6
44
34.90
15
7.3
27
0.8
216
管7
44
35.38
15
8.3
27
0.8
216
管8
44
35.80
15
9.3
27
0.8
216
管9
44
36.20
15
10.3
27
0.8
216
管10
44
36.54
15
11.3
27
0.8
216
管11
44
36.92
15
12.3
27
0.8
216
续表2-1波纹换热管规格
参数
编号
波峰直径D（mm）
波谷直径d（mm）
波峰圆弧半径R（mm）
波谷圆弧半径r（mm）
波距a
（mm）
壁厚t
（mm）
长度L
（mm）
管12
44
37.70
15
15
27
0.8
216
由于波纹管结构复杂，在ANSYS前处理中建模不方便，本文使用功能更为强大的绘图软件Pro/E建立换热管的三维模型，并保存为IGES格式以备导入ANSYS软件使用。
图2-1和2-2是Φ44/Φ33波纹换热管三维模型。
图2-1Φ44/Φ33波纹换热管模型主视图
图2-2Φ44/Φ33波纹换热管模型左视图
2.2.2ANSYS前处理
1.将Pro/E建立好的波纹管三维模型导入ANSYS软件，如图2-3所示。
波纹换热管材料为奥氏体不锈钢（1Cr18Ni9Ti），壁厚小于1mm，属于薄壁容器，因此定义单元类型为shell93，并依次定义其材料属性：
弹性模量
，泊松比
。
图2-3波纹换热管（Φ44/Φ33）模型导入ANSYS
2.对模型进行面网格划分，通常情况下网格划分越密计算结果越精确，但网格划分过密会使ANSYS计算时间变长，而且容易带来积累误差，因此，选择合理的网格密度对计算速度和计算结果都有一定影响[14]。
本次分析过程对模型设置网格尺寸为1.7mm，如图2-4所示。
网格划分GUI命令是：
Mainmenu>Preprocessor>Meshing>SizeCntrls>ManualSize>Areas>AllAreas。
使用MeshTool划分网格，网格类型选择三角形，考虑到波纹管结构复杂，因此选择了自由网格划分。
图2-5是面网格化分完成效果图。
图2-4网格划分尺寸设置
图2-5模型面网格化分效果
2.2.3施加载荷及计算
1.施加模型的位移约束条件。
考虑到换热管在生产中的实际应用情况，设定波纹换热管右端固支，限制各方向位移；设定左端简支，限制Y和Z方向位移，这样固定的换热管左端可以释放其变形力量
升级会员 