基于ANSYS對有保溫層熱力管道的熱損失及接觸表面溫度分析

遠亞群，王茂廷，李 程，周芝國，時 健，劉鴻明

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

熱力管道的使用十分普遍，不僅在石油、化工、發電、航天、核工業、機械等大型工業中是常用設備，在學校、醫院、商場、家庭等環境中也是常常見到。隨著現代工業的快速深入發展和節約能源的需要。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有限元軟件進行熱力管道和保溫層的熱力分析［2］。通過建立模型，確定參數和條件，先后進行熱分析和結構分析，得到熱力管道和保溫層沿定義路徑各處的溫度場合應力場。分析結果不僅為熱力管的保溫設計提供參考數據，還為管道的節能設計提供幫助。

1 模型確定

某熱力管路的內外管徑分別為 d1=80 mm，d2=90 mm，導熱系數λ1=45 W/(m?K),外面為一層厚度為δ=50 mm的保溫層，導熱系數λ2=0.2 W/(m?K),熱力管內壁溫度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定工作時（即帶保溫層的熱力管道處于穩定的溫度場中），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，因此可以將模型簡化軸對稱的一維導熱模型［4］（如圖2）。由于熱力管道內部是恒溫液體，管道外部空氣溫度也幾乎不發生變化，所以熱力管道的材料性能參數也不發生變化。所以可以將問題進一步簡化為一個軸對稱的一維穩態導熱問題。

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 簡化的幾何模型Fig.2 The simplified geometric model

應用熱傳導基本理論，接觸面的溫度和管道的熱損失按下式計算：

分析時，溫度采用K式溫度，其它單位采用國際單位制。

2 熱力分析

2.1 分析模型的建立

通過ANSYS 11.0軟件進行熱力分析計算時，采用 4節點的 PLANE55單元和三維六面體 SOLID70單元進行有限元分析，之后分別定義熱力管和保溫層的導熱系數［5］。使用ANSYS軟件按照圖1的幾何尺寸建立兩個粘接在一起的矩形。選用邊長為0.002 5的四邊形單元，并且用映射法進行劃分網格［6］。得到有限元網格劃分模型（如圖3）徑向為溫度傳遞方向（X向），軸向為熱力管道長度方向（Y向）。

圖 3 有限元網格劃分模型Fig.3 FEM meshing model

2.2 邊界條件的施加

2.2.1 施加熱力管道內壁溫度

穩定的傳熱狀態下，熱力管道內壁溫度為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流傳熱和熱輻射傳熱兩種方式進行熱傳遞。綜合考慮設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ANSYS有限元軟件進行求解，計算所有載荷步，最終得到溫度場結果。為更簡潔更清楚的反應溫度的變化情況，通過運用有限元軟件的定義路徑功能，選擇節點定義路徑，選擇分析模型最下端（即 Y=0）的所有節點，對于帶保溫層的熱力管而言，即定義了從熱力管道內壁向保溫層外壁的徑向路徑。將所得到的溫度分析結果映射到路徑上，得到沿定義路徑的溫度分布及各參數計算結果（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趨勢。第一個階段在熱力管道的內部，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 ℃。溫度在整個過程中符合簡化邊界條件下的變化關系。

更清晰簡潔的顯示溫度分布情況。利用有限元軟件得到保溫熱力管沿徑向的溫度分布云圖。（圖6）。

通過計算出的參數數據可知平面有限元分析結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 論

通過運用ANSYS11.0有限元軟件，在固定的邊界條件下，對帶保溫層的熱力管道進行了一維穩態導熱分析，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。分析得到的結果為帶保溫層的熱力管道的保溫層材料和厚度設計提供了依據，為帶保溫層的熱力管道在工程應用中節能設計提供有效的幫助。值得指出此種分析方法的分析過程簡潔快速，得到的顯示結果直觀清楚。

［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,2006(4):59-61.

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

［3］楊世銘, 陶文銓.傳熱學[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.

［4］蔡爾輔. 石油化工管道設計[M].北京: 化學工業出版社, 2002.

［5］邵宗科,黃重國, 董紅磊.基于ANSYS的XCQ16鋼軸向疲勞實驗與有限元仿真[J]. 陜西理工學院學報(自然科學版), 2009, 25( 4):9-14.

［6］王澤鵬,張秀輝, 胡仁喜. ANSYS12. 0熱力學有限元分析從入門到精通[M].北京: 機械工業出版社, 2010.