羅小平 李東航 王兆濤 袁 伍

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

換熱器作為一種重要的傳熱設(shè)備， 在石油、化工、電力、航空航天及加工業(yè)等生產(chǎn)生活領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用［1］，板殼式換熱器作為一種新型的換熱設(shè)備，因具有結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊、傳熱效率高及占地面積較小等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的換熱設(shè)備相比有著更加優(yōu)越的性能［2］。 板芯作為板殼式換熱器的重要組成部件， 承擔(dān)著傳熱承壓的重要功能，板芯中板片的承壓能力大小、傳熱系數(shù)及流體與板片間的流阻大小等參數(shù)是衡量一個換熱器性能的重要指標(biāo)。 作為與流體直接接觸的板片，承受板片兩側(cè)不同流體帶來的壓差、溫差和液體的腐蝕，使得它成為整個板殼式換熱器中最容易發(fā)生失效的部位，也是影響換熱器穩(wěn)定運(yùn)行的不安全因素，板片承壓能力不足容易引起液體泄漏，進(jìn)而引起一系列連鎖反應(yīng)，對系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果。

影響換熱器性能的因素很多，板片的波紋形狀和幾何尺寸對換熱器的性能有很大的影響，國內(nèi)外學(xué)者通過實驗、有限元分析等手段對這些因素進(jìn)行了大量研究。 Kumar B 等研究了矩形波紋板片幾何參數(shù)對板式換熱器水力和熱工性能的影響，結(jié)果表明板片的人字形角度對板式換熱器的水力性能有惡化的影響，人字形角越大，壓降越大［3］。 羅志寧等建立了一種矩形凹凸鼓泡式波紋板換熱器模型，通過設(shè)置4 種不同的板束放置方式和折流板切口方向?qū)Q熱器殼程的傳熱性能進(jìn)行研究，利用Fluent 軟件得出了壓降最小和傳熱性能最好的模型參數(shù)［4］。 國內(nèi)外學(xué)者對于換熱器波紋板片的研究主要集中在板片幾何尺寸對傳熱和壓降特性的影響［5～7］，而對換熱器強(qiáng)度的研究較少。 王戰(zhàn)輝等利用ANSYS 軟件研究了換熱管板管程和殼程在打開的瞬時工況、正常運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)工況下等效應(yīng)力分布，結(jié)果表明溫差應(yīng)力對整體應(yīng)力分布規(guī)律影響較大［8］。 陳一鳴等利用ANSYS 軟件對固定管板式換熱器的管板在不同工況下的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，找出了管板等效應(yīng)力和最大變形量出現(xiàn)的部位［9］。 陳盛秒和宋凱對換熱器管板進(jìn)行了壓力試驗，并提出應(yīng)對換熱器強(qiáng)度進(jìn)行校核［10，11］。目前，對于換熱器的研究多集中在傳熱和壓降方面，對于強(qiáng)度的研究一般采用單一的模擬分析或進(jìn)行壓力試驗，缺少相互驗證， 并且研究多針對板式換熱器和管殼式換熱器，對板殼式換熱器的相關(guān)研究更少，因此筆者應(yīng)用熱流固耦合的方法對板殼式熱器進(jìn)行力學(xué)特性分析， 并通過實驗對模擬分析結(jié)果進(jìn)行驗證，為板殼式換熱器的優(yōu)化設(shè)計提供理論和實驗依據(jù)。

1 基于熱流固耦合的換熱器板片力學(xué)分析

耦合場分析通常是對兩個或更多物理場間相互作用的分析［12］，熱流固耦合是流場、溫度場和固體變形場之間的相互作用，場與場之間不重疊，通過耦合面進(jìn)行信息傳遞，本次模擬分析中，波紋板片受到兩側(cè)壓差作用，同時冷熱流體在板片兩側(cè)反向流動，換熱器波紋板片的熱流固耦合分析就是研究板片在流體作用下產(chǎn)生變形，但是由于流體對板片作用影響較小， 產(chǎn)生的變形很小， 忽略變形對流體的作用也能滿足工程需要，因此本次模擬采用單向流固耦合分析。

1.1 波紋板片模型建立與邊界條件設(shè)定

此次仿真模擬所用波紋板片材料為00Cr19Ni10，假定材料具有的性質(zhì)為連續(xù)性、均勻性和各向異性。 人字形波紋板片（圓形波紋板）相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

外圓直徑D0242mm

內(nèi)圓直徑d 40mm

厚度t 0.7mm

波紋高h(yuǎn) 3mm

波角θ 120°

波距l(xiāng) 10mm

材料00Cr19Ni10 力學(xué)性能參數(shù)如下：

拉伸強(qiáng)度 760MPa

屈服強(qiáng)度 340MPa

硬度 187HB

彈性模量 194GPa

泊松比 0.3

密度 7 930kg/m3

板殼式換熱器的換熱板芯由多個形狀、 尺寸均相同的換熱板片焊接而成，由于波紋板片完全相同，不同的換熱板片所受作用過程也完全相同，因此筆者選取其中一組換熱板片作為分析對象并進(jìn)行熱流固耦合分析，其三維模型如圖1 所示。

有限元計算中，只有網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)參與計算， 不同的網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果的影響很大［13］，因此網(wǎng)格劃分至關(guān)重要。 ANSYS 中Meshing 網(wǎng)格劃分集成了ICEM 和gambit 的優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)不同的物理場要求提供相應(yīng)的劃分方案。 本次模擬Mesh 平臺的物理場參照類型為Mechanical，網(wǎng)格大小設(shè)定為1.0mm，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖1 板殼式換熱器換熱板片三維模型

由于板殼式換熱器波紋板片邊緣是通過焊接固定的，因此對板片有限元模型邊緣施加固定約束。 冷熱流體在板片兩側(cè)各自流道內(nèi)逆向流動，流體與板片之間為熱流固耦合面，結(jié)合實際情況，設(shè)置如下模擬條件：模擬工質(zhì)為水，入口為速度入口，出口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，冷流體入口溫度300K， 熱流體入口溫度360K， 流體入口速度為0.4m/s。 流體沿通道流動產(chǎn)生的壓力和波動會作用于板片，需要運(yùn)用Fluent 軟件對流體壓力和波動進(jìn)行模擬計算， 并將計算結(jié)果導(dǎo)入Static Structural 模塊，同時指定熱流固耦合面，待全部設(shè)置完成方能進(jìn)行熱流固耦合計算。

1.2 波紋板片力學(xué)特性分析

1.2.1 溫度載荷與壓力載荷求解

對換熱板片模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent 軟件， 通過數(shù)值計算處理，得到溫度場和壓力場的結(jié)果文件，分布云圖如圖2 所示。

把求得的溫度、 壓力載荷施加到波紋板片上，對板片進(jìn)行熱流固耦合運(yùn)算，得到波紋板片在該條件下的等效應(yīng)力分布圖和板片總變形云圖，并進(jìn)行分析。

1.2.2 波紋板片應(yīng)力

為研究波紋板片在殼程和板程壓差作用下板片應(yīng)力分布特點(diǎn)，選取4 種受到不同壓差工況作用的波紋板片進(jìn)行分析，其等效應(yīng)力分布云圖如圖3 所示。

圖2 溫度和壓力分布云圖

圖3 板片厚度為0.7mm 時不同壓差作用下等效應(yīng)力分布云圖

由圖3 可知，波紋板片所受等效應(yīng)力沿水平中心軸兩側(cè)對稱，最大等效應(yīng)力均位于波紋板流體入口第1 條或第2 條波紋附近，這是由于此處流體的流速比其他地方的大，流體沿著流道分散開來，流速減小，對板片的作用也減弱。 沿同一條波紋流道，波峰或波谷應(yīng)力變化較大，兩相鄰波峰與波谷之間的直線流道上等效應(yīng)力分布均勻，這是因為在波峰或波谷附近流體流向改變導(dǎo)致流速突然增大，對板片的作用增強(qiáng)。 在最大等效應(yīng)力附近、波峰和波谷位置，波紋板受到的應(yīng)力較大，此處最易變薄失效。 根據(jù)強(qiáng)度理論［14］，換熱器板片在兩側(cè)壓差作用下，當(dāng)最大等效應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時，板片就會失效。 此次模擬所用波紋板片材料為00Cr19Ni10， 其屈服強(qiáng)度為340MPa，由等效應(yīng)力分布圖可知，壓差為10MPa時， 板片入口第2 條波紋附近出現(xiàn)最大等效應(yīng)力，為354.22MPa，已超過板片材料的屈服強(qiáng)度，此時板片發(fā)生失效。

1.2.3 波紋板片總變形

當(dāng)不同的壓差作用在波紋板片上時，會使板片產(chǎn)生變形，通過運(yùn)用ANSYS Workbench 熱流固耦合能夠計算出該條件下的總變形云圖，如圖4 所示。

圖4 板片厚度為0.7mm 時不同壓差作用下總變形云圖

由圖4 可知，波紋板片總變形分布規(guī)律與板片等效應(yīng)力分布規(guī)律類似，均沿水平中心軸兩側(cè)對稱，板片中心區(qū)域有較大的變形，由中心向邊緣變形狀況逐漸減小，板片邊緣焊接部位變形最小。 變形較大區(qū)域位于板片中心附近，主要是因為該區(qū)域內(nèi)相鄰板片接觸點(diǎn)較少，焊接支撐部位位于板片邊緣，并且流體在這個區(qū)域流動是復(fù)雜的曲折流和渦流造成的［15］。 對比4 張變形圖發(fā)現(xiàn)，隨著板片兩側(cè)壓差的增大，波紋板片的最大變形量也增加，最大變形尺寸在壓差10MPa 時達(dá)到最大，為3.71mm，較大的變形容易引起換熱器板片損壞，影響換熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.4 波紋板片厚度對板片力學(xué)性能的影響

本次模擬計算和實驗所用波紋板片厚度為0.7mm，為增加波紋板片強(qiáng)度，運(yùn)用模擬軟件分析計算板片厚度由0.7mm 增加到1.0mm 后板片的力學(xué)性能變化，這對于波紋板片的設(shè)計改進(jìn)具有重要的參考價值，現(xiàn)對壓差10MPa 作用下的波紋板片在厚度變?yōu)?.0mm 時進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果如圖5 所示。

圖5 壓差10MPa、板片厚度1.0mm 時等效應(yīng)力分布和總變形云圖

由圖5 可知，波紋板片厚度從0.7mm 增加到1.0mm 時，等效應(yīng)力分布規(guī)律和總變形分布規(guī)律仍沿水平中心軸兩側(cè)對稱。 對比板片厚度變化前后的等效應(yīng)力分布和總變形云圖可知，最大等效應(yīng)力由354.22MPa 減小至322.78MPa， 最大變形量由3.71mm 減小至2.21mm。厚度由0.7mm 增加至1.0mm 時，最大等效應(yīng)力降低了8.88%，最大變形量降低了40.43%。 因此，從安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度考慮，將波紋板片厚度增加至1.0mm 能夠有效提高換熱器板片的強(qiáng)度，降低損壞的風(fēng)險。

2 板殼式換熱器板片力學(xué)性能實驗

2.1 板殼式換熱器板芯組件結(jié)構(gòu)參數(shù)

板殼式換熱器波紋板片是組成換熱器板芯的基本單元，實驗用板芯由25 對板組構(gòu)成，在板芯上下表面加蓋5mm 厚板以保障實驗過程的安全，通過4 根實心圓柱將兩端厚板面焊接以固定板芯，對換熱器板片應(yīng)力進(jìn)行測試。 板殼式換熱器波紋板片所用材料為00Cr19Ni10。

2.2 實驗裝置及步驟

如圖6 所示， 整個實驗系統(tǒng)由應(yīng)變測試模塊、加壓模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊和監(jiān)控模塊構(gòu)成，實驗前檢查各處應(yīng)變片粘貼情況以及其他儀器是否處于正常狀態(tài)，實驗通過給板芯緩慢加壓以達(dá)到測試板芯承壓能力的目的，調(diào)節(jié)變頻器緩慢加壓至所需壓力， 關(guān)閉電磁閥保壓2min，然后進(jìn)行加壓、保壓，直至壓力驟然下降，此時卸載整個系統(tǒng)的壓力，關(guān)閉高壓泵，關(guān)閉變頻器，記錄實驗數(shù)據(jù)。 選擇合理位置布片并選取6 個測點(diǎn)，粘貼電阻應(yīng)變片。 實驗由25 對板組構(gòu)成，選取其中的第25、26 塊波紋板片測量，測點(diǎn)位置選擇在圓板外邊緣焊縫處，如圖7 所示。

圖6 實驗系統(tǒng)示意圖

圖7 板片測點(diǎn)位置示意圖

2.3 實驗數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

對所選取的6 個測點(diǎn)數(shù)據(jù)篩選分析，為直觀說明各點(diǎn)應(yīng)力變化情況， 整理實驗所得數(shù)據(jù)，繪制測點(diǎn)圖（圖8）。 從圖8 可以看出實驗所得測點(diǎn)位置處的環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力變化趨勢一致，產(chǎn)生波動的原因主要與實驗所處條件、儀器和實驗材料有關(guān)。 對于該換熱器板片，實驗過程中只能測量邊緣部位的應(yīng)力值，無法對板片中間位置進(jìn)行測量，因此必須對中間區(qū)域采用熱流固耦合模擬計算。 實驗過程中，當(dāng)板芯所受壓力較大時，板片迅速破裂并迸射出水花，這與模擬計算結(jié)果一致，同時通過該實驗測得板芯所能承受的最大壓力為9.3MPa，板片設(shè)計壓力為10MPa，因此需要對板片進(jìn)行改進(jìn)。

圖8 實驗應(yīng)力測點(diǎn)圖

3 有限元模擬計算與實驗結(jié)果對比

針對板殼式換熱器波紋板片力學(xué)特性研究，先運(yùn)用熱流固耦合的方法計算了板片應(yīng)力分布，通過實驗測試了波紋板片6 個位置處的應(yīng)力大小以驗證熱流固耦合計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，并對所得結(jié)果進(jìn)行比較（圖9～11）。

圖9 測點(diǎn)1、2 處應(yīng)力實驗值與模擬值

圖10 測點(diǎn)3、4 處應(yīng)力實驗值與模擬值

圖11 測點(diǎn)5、6 處應(yīng)力實驗值與模擬值

由圖9～11 可知， 所選波紋板片6 個測點(diǎn)位置處應(yīng)力模擬值與實驗值均具有良好的吻合性，雖然實驗值與模擬值存在一定的誤差，但是變化趨勢一致， 說明模擬計算設(shè)置的條件較合理，模擬結(jié)果可靠。

對于測點(diǎn)1、2 位置，由模擬值和實驗值對比可知，環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的模擬值均大于實驗值，當(dāng)所加載荷在8～9MPa 時，實驗值有較大的應(yīng)力變化， 說明該位置處板片焊縫應(yīng)力變化劇烈，從實驗過程可知，此時板片發(fā)生變形，失效破裂。對于測點(diǎn)3、4 位置， 由模擬值和實驗值對比可知， 環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的模擬值均小于實驗值，當(dāng)壓力為9MPa 時，環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的模擬值與實驗值出現(xiàn)了較大偏差，這是因為此時所施加載荷接近板片失效的應(yīng)力值， 在該情況下，應(yīng)力變化劇烈。對于測點(diǎn)5、6，由模擬值和實驗值對比可知，環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力的模擬值和實驗值吻合較好，這是由于這兩測點(diǎn)距離板片流體進(jìn)出口位置較遠(yuǎn)，流體對該測點(diǎn)影響較小。 在實驗操作中，通過計算機(jī)調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)加壓過程，電動機(jī)轉(zhuǎn)速對加壓過程產(chǎn)生影響，轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定能夠引起流體進(jìn)出口出現(xiàn)壓力波動，影響應(yīng)力值的測量。

4 結(jié)論

4.1 波紋板片所受等效應(yīng)力沿水平中心軸兩側(cè)對稱，最大等效應(yīng)力位于波紋板流體入口第1 條或第2 條波紋附近；沿同一條波紋流道，應(yīng)力變化較大處位于波峰或波谷的位置，兩相鄰波峰與波谷之間的直線流道上等效應(yīng)力分布均勻，在最大等效應(yīng)力附近、波峰和波谷位置，波紋板受到的應(yīng)力較大，此處最易變薄失效。

4.2 波紋板片總變形沿水平中心軸兩側(cè)對稱，板片中心區(qū)域有較大的變形，由中心向邊緣變形狀況逐漸減小，板片邊緣焊接部位變形最小。 隨著板片兩側(cè)壓差的增大，波紋板片的最大變形量也增加， 最大變形尺寸在壓差10MPa 時達(dá)到最大，此時變形量為3.71mm，較大的變形容易引起換熱器板片損壞，影響換熱器安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 波紋板片厚度從0.7mm 增加到1.0mm 時，等效應(yīng)力分布規(guī)律和總變形分布規(guī)律均沿水平中心軸兩側(cè)對稱。 對比板片厚度變化前后的等效應(yīng)力分布和總變形云圖可知，厚度由0.7mm 增加至1.0mm 時，最大等效應(yīng)力降低了8.88%，最大變形量降低了40.43%，厚度的增加能夠提高板片強(qiáng)度。

4.4 所選波紋板片測點(diǎn)位置處應(yīng)力實驗值與模擬值雖然存在一定的誤差，但是實驗值與模擬值變化趨勢一致，說明模擬計算設(shè)置的條件較為合理，模擬結(jié)果可靠。