换热器应力分析翻译

高温换热器的内翅片刺刀管的应力分析

在本文中，提出了用于高温换热器的热应力和内翅片管。内翅片管是由传统的刺刀管发展而来，其纵向滑动翅片被建议焊接在外管的内表面，这样提高传热性能。然而，观察到沿轴向和径向方向的温度梯度明显。虽然刺刀结构降低应力的潜力很大，但由于结构不连续变化的内翅片和外管关节处，产生大应力的地方仍然是内翅片与内管接头。因此，不建议内翅片与内管焊接在一起，这样他们可以自由膨胀或收缩而不互相影响。在比较应力和热传递性能的内管和内翅片之间的间隙的效果。结果表明，它们之间的间隙应小于1毫米和6毫米，刺刀管环的高度根据耦合考虑传热和受力性能。

关键词：高温换热器、刺刀管、内翅片、热应力

1.介绍

随着能源变得越来越少见，许多高效的电力推进系统和替代能源的使用已被不同的热力学循环开发，如制氢（SEI）的热化学循环，超高温反应堆（VHTR）和外燃联合循环（EFCC）。他们的一个共同的特点是在温度高达900℃的非常高的温度下运行的高温热交换器，它带来一个很大的挑战（高温换热器），即提高总效率的关键要素。

低温环境下，流体的流动和传热也是换热器结垢性能的主要问题[ 1-5 ]。然而，在高温换热器需要耐高温所以热应力和变形很严重。事实上，在一定范围内的热应力和变形已经被许多学者认可。伊凡和查普曼[ 6 ]对比了再生和恢复系统的辐射管的热应力。结果表明，由于轴向温度梯度的非线性分布,在沿管的长度方向换热系统的辐射管的热应力明显，而由于轴向温度梯度相对线性分布,在沿管的长度方向换热系统的辐射管的热应力小。他们[7]还研究了轴的作用，周对辐射管的热应力和径向温度分布。结果表明，轴向温度梯度热点是热应力的主要来源。肖特费德科等人[ 8 ]，研究了陶瓷板翅式换热器稳态和紧急操作条件下的热机械完整性EFCC。在支管部分出现最大应力，同时可插入支撑片以减少最大应力。PRA等人[9]，分析了热应力与流体动力学和有限元方法耦合的模块化高温反应器的紧凑式换热器性能和力学，结果表明，在外侧面上的鱼骨头部分和外固体金属之间的热入口附近观察到大的应力变化。川岛等人[10]，讨论了板翅式换热器用

于高温气冷反应堆的高温强度和非弹性行为。提出了一种基于等效均质固体应力分析方法的概念。津田等人[11]。采用全隐式的数学均匀化方案的周期性弹性非弹性固体，分析了微细板翅结构均质化的行为。据透露，板翅结构中的弹性和塑性范围内具有显著的各向异性和可压缩性。然后津田和大野[ 12 ]开发了一个更准确的双工模式，进一步探讨高温下的板翅结构多轴载荷。islamoglu [ 13-14 ]研究了圆形翅片陶瓷管的稳态传热和热应力。结果表明，翅片直径和不均匀的传热系数是影响应力分布的主要因素。ponyavin等人[ 15 ]。研究了流体流动传热，化学反应，和一个陶瓷板壳式换热器作为硫酸分解制氢在SEI的热化学循环应力性能。为了得到更精确的温度梯度， ANSYS软件分析失败的概率是输出FLUENT软件的热应力的结果。公等人[ 16 ]。研究了板翅结构的残余应力，发现在钎焊中由于机械性能不匹配的基体金属和填充金属之间的连接处发生了较大的残余应力。在文献中讨论了，影响钎料的钎焊温度，厚度，及残余应力和拉伸强度的几何条件和保温时间的细节[17-20 ]。王等人[ 21 ]。提出在回转空气预热器的扇形板的热变形。结果发现，最大变形发生在回转预热器的热气体侧到冷空气侧热端的外边缘。李等人[ 22 ].分析了热应力和伸长的激光棒的冷却液温度条件下的纵向应变显著上升。结果表明，在纵向方向上的热应力的变化可以忽略不计，牵引自由边界条件下的热应变的变化具有重要意义。

高温换热器宜采用刺刀管结构，因为只有在其他浮动端可以自由收缩和扩张时内外管才固定在管板的一端[ 23-25 ]。Nagarajan等[26,27]，应用硫酸分解陶瓷刺刀管，调查和比较了流体流动，传热和恒定的外壁温度下化学反应和测量外壁温度，分析了不同类型的催化剂对分解率的影响。奥多赫蒂等人[28]。测试了刺刀管的传热速率，结果表明，在一个范围内的雷诺数和壳侧混合比的压降和传热效果明显。奥多赫蒂等人[ 29 ]，进一步研究环应用在刺刀管环部分的传热强化效果。获得环的最佳高度比和螺距环高度比。日本原子能研究所[ 30 ]设计了刺刀管蒸汽转化炉的高温工程试验堆（氢生产系统）。传热面积和氦的气体侧的传热系数的盘式片能显著增加。马等人[ 31 ]。根据实验提高刺刀管的综合传热性能，介绍了一种新型的内、外翅片和证明其巨大的潜力。传热和内翅片的刺刀管的流体流量，属于新的主要传热元件，在文献 [ 32 ] 中详细讨论。同时，由Wang等人分析了侧鳍分布在截面的影响和翅片图案沿流向对传热和压降的性能[33-34]。对传热系数的提高，优化的双管内翅片通过调整几何参数包括翅片的数量，翅片高度，翅片厚度，以及内、外管[35]半径比。

然而，目前对刺刀管结构的研究，集中在流体流动和传热性能，但很少在可靠的文献公开。事实上，在高温下严重的热应力变形，可能还是由于沿轴向和径

向方向[ 36 ] 存在的大温度梯度。在以前的研究[31-32]提出的可用于高温环境下高达9000C的流体流动和传热性能的刺刀管是目前的内翅片管的前身。本研究的目的是建立一个缩小尺寸的模型来研究高温工况下的应力和变形分布结构。此外，本研究综合分析应力和热传递性能，开发一个可靠和更高效的换热结构的目的。

2.物理和数值模型

内翅片管是图1中所示的刺刀。传统的刺刀管由两个同心的内管和外管组成。内管为两端开口，外管只有在一端是开放的。冷流体从内管进入和从环形部分流出，或反之亦然。热流体从环形流入外管的外表面而加热冷流体。为了提高传热性能，提出了焊接在外管的内表面有纵

图1 内翅片刺刀管示意图

向平直。横截面呈现在图2和基线设计相应的几何参数见表1。翅片管的材料是高温合金Inconel 625。Inconel 625材料的性能列于表2。材料的性能是各向同性的温度依赖性。

由于在横截面的几何对称性，半波长领域作为计算域，如图3所示。对于边界条件，面ACMK，面FGRQ，面GITR，面BDNL，面DEPN和面HJUS设置为对称的条件。面对面开kmnl位移限制在Z方向的刺刀结构，而面ACDB面的传统结构gijh也限制在Z方向。0.1 MPa和0.45 MPa空气侧压力分别被应用到面对所有翅片管的内表面。剩余的面设为自由边界条件。结果分析后定义两路径：路径1指直线从V1到V2的路径点，而路径2是指直线W1， W2点对点。

在分析过程中，

采用了以下假设：（1）当不包括球型封头和其它连接件时应考虑直线部分内翅片刺刀管；（2）不考虑蠕变效应。

图2内翅片刺刀管的横截面

3.数值法

弹性热力学应力方程，包括平衡方程，结构方程和应变协调方程[38]。

变量

外管外径（Do，mm） 外管内径（Di，mm）

内管外径（do，mm）

内管内径（di，mm）

展开鳍片长度管截面（If，mm）

波的横截面的数（N）

散热片平均厚度（?，mm）

管长度与鳍片（L

，mm）

内翅片和内筒表面之间的差距（Ip，mm）

数值 28 26 14 12 242.9 15 0.2 182 0

（1）平衡方程

（2）结构方程

（3）应变协调方程

其中正常应变εx，εy，εz，剪切应变GXY，GYZ，GZX定义如下：