保温热力管道节能设计

保温热力管道节能设计

在热能、化工、机械等工程领域，通常使用强大的管道将载热介质（液体或气体）传输到发热场所。选用金属材料制造的热力管道具有较高的强度和寿命,但是金属材料都具有高的导热系数,特别是在远距离强制对流传热的情况下,热力管道散热所造成的经济损失相当大。为了防止热力管道的热能损失,研究人员不仅研究了多种保温材料和保温方法。韩彦荣等对比研究了几种热力管道保温材料的选用原则,张双喜等研究了超细玻璃棉导热系数与密度的关系,王文欢等研究了某电厂主蒸汽管道的最佳保温层设计方案,刘中良等对管壁导热与管内流体间的耦合作用对内管壁处流体的热边界条件进行了研究。在研究过程中对于保温材料性能和保温方法的研究一般都是先按照设计手册和经验公式计算,然后通过实验测量来验证和改进,整个过程耗时费力。本文介绍利用ANSYS12.0有限元分析软件进行热力管道及保温层的热—固耦合分析方法,该方法效率高,分析结果能为热力管道的保温方案和节能设计提供帮助。1几何模型的建立某热力无缝钢管长管路内部有液体流过,液体温度为120℃,液体没有发生相变,液体和热力管内壁之间通过强制对流换热,热力管外壁包有保温层,保温层材料为细玻璃棉管,保温层外壁与空气接触,保温层外壁和空气之间主要通过自然对流进行换热,辐射换热较少。为确定钢管管道内壁到保温层外壁间的温度分布情况和热应力分布情况,了解保温层的保温效果,取2000mm长保温热力管道中间一段长为150mm的部分作为研究对象,其轴剖面几何模型如图1所示。在保温热力管稳定工作时,即管道和保温层处于稳态温度场中,管子长度方向上的温度变化很小,忽略长度方向的温度变化,而在管道和保温层的厚度方向上温度变化明显,所以可以将问题简化为轴对称一维导热问题。则图1的几何模型可简化为图2所示的模型。在管子和保温层正常工作时,管内液体温度和管外空气温度几乎不发生变化,材料性能参数也不发生变化,并且在这一过程中,没有内部热源,所以可进一步将问题简化为一个无内热源的轴对称一维稳态导热问题。综上所述,带保温层的热力管是一个金属壁、保温层导热和流体对流换热的稳态耦合传热问题。为了便于分析,先建立与简化几何模型(图2)对应的传热框图,如图3所示。图3左侧一列方框为简化几何模型中实际热量由内向外依次传递的各环节,右侧一列方框为各相邻环节主要的热量传递方式。其中对流传热、导热、辐射传热分别按照速率方程(1)、(2)和(3)计算。Φ1=hA△t(1)Φ2=-λAdtdx(2)Φ3=εAσΤ4(3)Φ1=hA△t(1)Φ2=−λAdtdx(2)Φ3=εAσT4(3)其中的参数:h——对流换热系数,A——换热面积,t——温差,λ——导热系数,dtdxdtdx——温度沿管壁径向的变化量,ε——发射率,σ——黑体辐射常数,T——保温层外表面热力学温度。2热分析2.1建立有限元网格利用ANSYS12.0软件进行热分析计算时,先创建有限元单元类型为二维8节点PLANE77单元。然后分别定义钢管和玻璃棉管两种材料的导热系数,其数值如表1。利用软件提供的建模功能按照图1的几何尺寸建立两个矩形并进行粘接。选择映射法用边长为2的四边形单元划分网格。得到有限元网格分析模型如图4所示,单元数为525个,节点数为1740个。图4中y方向为热力管道壁厚方向(径向),x方向为热力管道长度方向(轴向)。2.2热传导模型的建立在稳态传热情况下,根据模型传热框图(图3),由下向上,分别添加边界条件:载热介质和管子内壁之间属于对流传热方式,将第一类边界条件温度120℃和第三类边界条件表面传热系数1200W/(m2·℃)添加于网格模型的下边线上;热力管内部为导热传热,导热系数为39.2W/(m·℃);热力管和保温层之间的导热传热,属于界面连续条件,在接触良好的条件下,分界面上导热满足温度与热流密度连续的条件;保温层内为导热传热,导热系数为0.0416W/(m·℃);保温层外壁与空气之间属于对流传热和辐射传热方式,将第一类边界条件温度25℃和第三类边界条件表面传热系数为2W/(m2·℃)添加于网格模型的上边线上,因为保温层外壁和空气温度接近,净的辐射传热量较小,所以忽略保温层外壁的辐射传热。施加对流传热边界条件后的模型如图5所示。2.3温度沿申请径的变化通过软件求解,计算各载荷步,得到温度场结果。为了更清楚的反映温度变化情况,利用软件定义路径功能,选择通过节点定义路径,依次选择分析模型最左端直线的下端点和上端点两个节点,定义图4中沿y轴正方向的路径,对于热力管和保温层实体而言,即是定义了沿厚度从热力管内壁向保温层外壁的径向路径。将温度分析结果映射到路径上,查看沿定义路径的温度分布如图6所示。图6中显示温度沿管子径向从热力管内壁到保温层外壁的变化情况,温度变化总的趋势是分3个阶段连续降低。第一阶段在热力管内部从120.0℃开始温度减小的很少,在0～3mm之间呈线性降低;第二阶段在热力管外壁和保温层内壁接触处符合界面连续条件,在3～4.2mm之间呈圆弧相切过渡,温度降低到117.0℃;第三阶段在保温层内部温度呈线性降低,在4.2～14mm之间,温度从117.0℃降至25.2℃。整个过程符合简化边界条件下的温度变化关系。3结构分析3.1结构分析单元结构分析时,首先要进行单元类型转换,通过软件选择单元类型转换功能,将热分析时用的PLANE77单元转换为结构分析用的PLANE183单元,仍然选择轴对称分析。然后定义热力管和保温层结构分析用的参数,包括杨氏模量、泊松比和热膨胀系数等(表1)。3.2应力及贸易条件分析在进行热力管道的结构强度分析时,除了必要的约束外,一般不仅考虑管道正常运转下的压力温度条件进行压力分析外,还需要考虑热膨胀和自重产生的应力,以及各种非正常运行条件下的应力。对于本文的分析模型,根据运行条件,考虑保温热力管道和热流在内压、温度、自重不变的情况下产生的一次应力,忽略热膨胀和非正常运行条件产生的二次应力和峰值应力。3.2.1热位移约束由于分析模型两端的部位在热流进出口保持绝热,因而管子两端没有沿管子长度方向的热位移,选取分析模型左右两端边界上的4条线段,约束其在x方向的位移。为了确定管子沿厚度方向各节点的相对位移,以管子内壁为参考,约束管两端线段在y方向的位移。3.2.2均布压力的施加由于热力管内部液体产生的压力作用在热力管内壁上,同时考虑管子和管内热流体的重力影响,故在分析模型最下边的整条线段上施加y轴正方向的均布压力,其数值为0.5MPa。3.2.3附加温度场读取热分析得到的节点温度结果文件pipeanalysis.rth。定义参考温度为25℃。3.3热应力沿路径方向分布通过计算,得到保温热力管在给定条件下的应力和位移。查看保温热力管节点相对热位移,结果如图7所示,其最大值为0.018mm。查看保温热力管VonMises节点平均等效应力,将节点热应力分析结果映射到路径上,查看保温热力管热应力沿路径分布情况,结果如图8所示,其最大值为32.6MPa。图8中显示,热应力变化总的趋势是先不断降低,然后一直保持零值。按照保温热力管厚度从热力管内壁到保温层外壁分为5段:第一段在0～1.4mm范围内热应力变化很小,呈线性降低;第二段在1.4～2.0mm范围内热应力减小较多,呈圆弧过渡性降低;第三段在2.0～5.6mm范围热应力减少最多,呈线性降低;第四段在5.6～6.3mm范围内热应力减小较多,呈圆弧过渡性降低;第五段在6.3～14.0mm范围热应力保持零值。根据最大变形能(第四)强度理论判断可靠性。热力管的应力最大值为32.6MPa小于20钢钢管在150℃的许用应力130MPa,则热力管道可以安全运行。4热固耦合分析应用ANSYS12.0有限元分析软件,在一定的边界条件下,对带保温层的热力管道进行了一维稳态导热分析,得到钢管和细玻璃棉管在给定边界条件下的温度场,并以温度场结果作为条件对钢管和细玻璃棉管进行了结构分析,得到钢管和细玻璃棉管的热应力分布。分析结果为热力管的保