換熱器負壓閥的傳熱特性仿真與分析

劉惠軍*

（山東鐵雄新沙能源有限公司）

0 引言

換熱器是化工生產過程中重要的過程裝備[1]，能夠有效地獲得理想的環境溫度。部分換熱器中需要安裝負壓閥，用于調節換熱器內部的壓力和換熱介質的流速。一般負壓閥承受的熱載荷較為復雜，因此對于負壓閥的性能要求較高。換熱器負壓閥是其中重要的承載元件，需要進行傳熱計算和分析[2]，確保其滿足化工機械的安全生產標準。負壓閥在高溫環境下會產生熱膨脹[3]，導致熱應力顯著，熱變形對傳熱過程具有一定的反作用。為了確保傳熱計算的精度和可靠性，文中采用熱機耦合研究理論，基于有限元分析軟件對負壓閥進行仿真和計算。通過對仿真結果進行分析后可知閥體對熱載荷的具體影響，從而為結構的優化設計提供依據。

1 傳熱模型建立

1.1 工作原理

負壓閥一般安裝在換熱器的進氣口和出氣口之間，其結構包括雙側閥體、桿路結構、基座等，如圖1 所示。當負壓閥處于非工作階段時，閥體內的彈簧處于支撐狀態，通過張力將負壓閥底部的軟質膠裝膜抵抗內壁變形，避免輸入端有傳熱介質經過。當負壓閥切換至正常調壓狀態時，內部集成的微型泵將啟動，為膠裝模提供吸力，而且能夠根據吸力大小調節進氣量。

圖1 負壓閥主體結構

負壓閥的頂部和底部存在較大的壓力差，而且在傳熱介質流通時，內部元件將承受較大的溫度載荷。若負壓閥內出現溫度異常，導致局部熱載荷過大或熱變形嚴重時，閥門的控制能力將會下降，無法滿足實時的控制效果。負壓閥內軟質膠裝膜的變形量主要用于抵抗彈簧張力，膜體變形后才能帶動閥座產生位移，實現壓力減小或增大。

1.2 仿真研究方案

在換熱研究方面，運用先進的仿真技術得出可視化較強的傳熱參數變化規律是當前重要的發展方向。目前，隨著計算機技術和數值分析技術不斷發展，有限元仿真在各個行業和領域均得到了廣泛的應用。傳熱屬于典型的物理現象，能夠采用偏微分方程進行表達，但是如何求解該方程則成為了新的難點。直接進行數值求解僅限于一維傳熱，而三維偏微分方程求解過程難以實現，有限元分析技術的發展有效地解決了該問題。從本質上講，有限元分析屬于近似研究方案，能夠將偏微分方程進行簡化和轉換，在誤差允許范圍內忽略余項，將微分方程轉化為線性方程組，在固體結構分析、流體流場分析和電磁場分析等方面均有著較好的應用效果。

雖然傳熱是物理過程中相對簡單的一種，但是流體的流動效應是不可忽略的，因此需要采用耦合的觀點進行研究。隨著仿真軟件不斷發展和完善，其能夠實現更多和更復雜物理現象的描述。一般來說，一個完整的有限元分析至少需要三個步驟：模型構建與前處理、求解器的選擇和迭代計算、后處理導出。在模型構建和前處理階段，可采用專用三維造型軟件進行模型的構建和簡化，導入有限元軟件后進行網格劃分、邊界定義等。其中，網格劃分尺寸對于有限元的計算精度有著關鍵的影響。三維網格一般包括四面體和六面體兩種，六面體網格計算效率高，但是僅適用于結構規則的模型。若強制采用六面體網格，容易導致網格的畸變角度過大，導致計算無法收斂，誤差較大。

1.3 模型網格劃分

根據換熱器負壓閥的實際結構尺寸，采用Pro/E軟件建立參數化模型。為了避免模型在輸入和輸出過程中出現參數丟失的情況，采用接口直接導入的方法，將三維模型傳遞至ANSYS 軟件的模型設計模塊，如圖2 所示。為了提升傳熱計算的精度和效率，將一些對負壓閥影響較小的結構刪除，通過合理簡化結構來提高網格劃分的質量[4]。

圖2 模型導入

在網格劃分方面，為了確保有限元計算的精度，采用ICEM 模塊進行網格的設定與劃分。首先，對模型進行分塊處理，即將組合體分解為基本體進行分布式劃分。然后，將不同單元之間的網格進行細化和連接。最終對網格進行優化處理，得到網格劃分結果如圖3 所示，其中，單元數量為1 569 860，節點數量為3 589 750。

圖3 網格劃分結果

1.4 載荷與邊界條件定義

根據換熱器的工作條件可知，負壓閥內的傳熱介質最高溫度達700 ℃以上，對于材料的熱影響非常顯著。此外，負壓閥在一定工況下的輸入與輸出端口之間的壓力差超過3.5 MPa。對換熱器負壓閥的極限工作條件進行分析，此外，閥座的位移將達到最大值。傳熱介質的計算采用CFX 分析軟件，其能夠在負壓閥的輸入端和輸出端設置有效的載荷與邊界[5]。在定義相關參數之前，需要對流體的相關屬性進行設置，比如流體為均質，滿足質量連續條件，忽略傳熱介質的重力影響等。

由于負壓閥的工作模式有兩種，因此需要考慮旁路中是否存在有效的冷卻回路。在部分功能要求下，將導入冷卻水。冷卻水的流速設置為1.5 m/s，初始溫度為20 ℃，不考慮氣泡效應。在傳熱介質不穩定的環境下，將湍流強度定義為常規值的90%，出口壓力設置為常壓。在耦合傳熱條件下，需要設定合理的耦合接觸面[6]，實現網格信息或數據共享。流體的壁面與固體的壁面之間提供不同的數據信息，因此在ANSYS 軟件中需要同步調用相應的求解器[7]。由于耦合計算對收斂性的要求較高，因此需要進行網格的無關性驗證[8]。若網格的畸變程度較高，則無法滿足收斂條件。針對該換熱條件，模型選用第三類邊界條件，即對外部的對流換熱作用。由于換熱器的外部環境較為穩定，在化工生產中一般采用強制冷卻裝置，因此，根據實際情況將換熱表面與空氣之間的對流換熱系數設置為100 W/（m2·K）。

2 結果分析

2.1 流場分布

通過連續的迭代運算，可在后處理模塊中查看負壓閥內部的流場分布規律，其中，速度場和壓力場云圖分別如圖4 和圖5 所示。從圖4 可以看出：換熱氣體受負壓閥結構的影響較大，內部速度梯度較為明顯，但是在初始階段的速度值相對較??；在負壓閥內，速度變化的突變位置位于閥座的側面，局部的空氣流速急劇增大，超過基本流速十倍以上；氣流進入閥內特定的狹長結構后，氣流速度在阻力作用下明顯減小，并在左上方形成弱氣流區域；負壓閥桿路結構附近的氣流速度較大，換熱效果良好，能夠有效地散失過多的熱量。從圖5 可以看出：壓力場與速度場之間有著顯著的匹配性，氣流的初始壓力較低，經過閥座結構后壓力明顯增大；不同結構處的壓力在數值上有著明顯的差別，負壓閥底部的壓力值處于峰值；在桿路附近，壓力場形成了局部弱壓區域，相比周圍壓力有著顯著的梯度效應，利于散熱。

圖4 剖切面速度場（單位：m/s）

圖5 剖切面壓力場（單位：MPa）

2.2 溫度場分析

在后處理模塊中，可以得出剖切面和外部的溫度場分別如圖6和圖7所示。從圖6可以看出：雙側閥體、桿路結構、基座等不同結構位置的溫度梯度較大，不

圖6 剖切面溫度場（單位：℃）

同零部件對于傳熱性能的影響有著顯著的區別；閥體溫度的變動幅度較大，最大溫度與最小溫度的偏差超過40%，最大溫度位于閥座與換熱器之間的連接位置，最高溫度超過590 ℃。從圖7 可以看出：外部表面的溫度差異性相對較小，在較大的強制冷卻效果下，外部溫差小于10%，滿足設計要求。

圖7 外部溫度場（單位：℃）

通過對溫度場分布特性進行分析，能夠有效地得出需要局部優化的傳熱結構。當閥內局部溫度超過許用值時，閥內密封材料的物理屬性將發生一定改變，長期在該條件下工作就會容易發生泄漏或失效等問題。根據分析結果，閥座底部和閥桿位置的溫度過高，容易出現過大的熱變形，因此，可將該處的機械結構進行優化和改進，從而弱化高溫的影響。在閥內的側面增加強制冷卻旁路，在滿足結構尺寸的前提下，盡量的增大換熱表面積，可明顯改善換熱效果。

3 結論

換熱器負壓閥長期工作容易發生熱疲勞和熱損失等問題，元件的密封圈和機械強度會有所降低。文中通過對傳熱介質和閥體本身的傳熱性能分析，得出不同位置的流場和溫度場分布規律。由于閥內的結構較為復雜，溫度梯度較大，因此，需要增大額外的冷卻旁路。旁路內可設置有效的冷卻水管路，通過增大換熱面積來提升熱量散失效果。通過有限元分析技術，能夠為換熱器總體性能提升提供重要和可靠的依據。此外，由于閥內諸多部件對尺寸的敏感度較高，因此，傳熱性能的優化是解決產品長期穩定工作的關鍵因素。