任天麒 張紋齊 朱躍釗

1 南京工業(yè)大學機械與動力工程學院

2 江蘇省過程強化與新能源裝備技術重點實驗室

熱管換熱器相比于傳統(tǒng)換熱器來說具有傳熱效率高，結構緊湊和流體阻力小的特點[1]。當熱管換熱器運用于較高溫度領域時，由于高溫，即使在大氣壓環(huán)境下也造成過大的換熱器整體熱應力。例如墨西哥國立大學太陽能光熱發(fā)電站中的管式集熱器玻璃由于過大變形造成破裂[2]。在低中溫領域中，溫差的存在即會造成熱應力，目前大多數(shù)研究方向都在換熱器傳熱性能，缺乏對換熱器本身結構穩(wěn)定的研究[3-4]。本文提出一種熱板-熱管耦合式高溫熱管換熱器，因此需要對其進行結構熱應力分析。

1 高溫異型熱管換熱器結構及工作原理

圖1 為太陽能高溫集熱器示意圖，其主要由吸熱腔，傳熱結構和換熱腔組成。集熱器工作時，太陽能經過CPC 聚光器后在吸熱腔形成較高溫度場。通過高溫異性熱管將熱量從吸熱腔傳輸至換熱腔，載氣通過與換熱腔熱管壁面接觸進行對流換熱。

太陽能高溫集熱器的核心部件為中間的高溫異性熱管，如圖2 所示。高溫異型熱管是由兩種不同結構型式的熱管，其中一個為平板熱管——蒸發(fā)段，其二為在平板式蒸發(fā)段冷凝側延伸的圓管式熱管——冷凝段耦合而成。其中，平板式熱管的底部為蒸發(fā)段，上部為冷凝段，中間部分為絕熱段。該集熱器將相變集熱和相變傳熱進行耦合，縮短了集熱和反應之間的熱量傳遞路徑，減少了熱量損失。

圖1 高溫熱管換熱器示意圖

圖2 高溫異型熱管結構示意圖

2 數(shù)學模型建立

2.1 計算模型建立

課題組先后研發(fā)了兩種結構的高溫異性熱管，為了區(qū)分兩種熱管，按照熱管底部結構將平板型式熱管稱之為平板型高溫異性熱管，將底部為橢圓型式熱管稱之為橢圓型型高溫異型熱管。為了方便計算，構造異型熱管三分之一為計算域，如圖 3 所示。材料選擇310S，其基本參數(shù)如表1 所示，尺寸參數(shù)見表2。

圖3 異性高溫熱管物理模型

表1 材料性能參數(shù)

表2 高溫異型熱管結構參數(shù)（單位：mm）

2.2 控制方程

熱應力基本控制方程[5]如下：

1）熱應力的廣義胡克定律

式中：σxi為xi 方向上的正應力，無量綱；εxi為xi 方向上的應變，無量綱；τxixj為xixj 平面上的切應力，無量綱；y xixj為 xixj 平面上切應變，無量綱；v為泊松比，無量綱；α為線性膨脹系數(shù)，m m/(mm·℃)；G=E/[2(1+v)]為剪切彈性模量，Mpa；Θ=Σσ xi為體積應力，N/m2；ΔT為溫差，℃。

2）位移方程

式中：ui為微元體繞i轉動的轉角，rad；e=Σε xi為體積應變；β=α(3λl+2G)為熱應力系數(shù)；λl=Ev/[(1+v)(1-2v)]為拉梅常數(shù)；▽2為拉普拉斯算子；Xi單位體積的體積力在坐標軸x i上的分量。

3）連續(xù)性方程

2.3 邊界條件

圖4 為模型邊界條件示意圖：1）平板吸熱面溫度設定為800 ℃，腔內壓力為鈉的飽和蒸氣壓0.03 MPa。2）換熱側溫度定為750 ℃。3）平板式蒸發(fā)段殼體外壁默認為絕熱面。4）吸熱面，絕熱面和冷凝面均施加大氣壓0.1 MPa。5）對稱面設為對稱約束。

圖4 模型邊界條件示意圖

2.4 網格劃分

本文采用六面體網格，劃分后平板型封頭高溫異性熱管和橢圓形封頭高溫異性熱管網格數(shù)量分別為174300 和 207939，節(jié)點數(shù)為 700548 和 884899，經過網格獨立性驗證，誤差小于5%。因此采用上述大小對模型進行劃分，如圖5 所示。

圖5 高溫異性熱管模型網格劃分

3 計算結果及分析

首先對兩種高溫異型熱管進行穩(wěn)態(tài)熱分析，其溫度分布如圖6 所示。由圖可知，溫差主要存在于熱管絕熱段，熱管吸熱面與冷凝面溫差較小。兩種高溫熱管溫度分布相似。

圖6 模型的溫度場（單位：K）

圖7 橢圓型高溫異性熱管（單位：mm）

圖8 平板型高溫異型熱管（單位：mm）

將 HTCSSHP 溫度導入結構分析中，得到HTCSSHP 的形變圖，如圖7、圖 8 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，兩種結構熱最大形變量處都在管頂部，分別為 3.3 mm和1.9 mm。但由于該出為自由伸縮處，因此大形變量并不會導致較高的熱應力。并且兩種熱管最小形變量都出現(xiàn)在熱板最中心。對于橢圓型高溫異性熱管徑向形變和軸向形變占模型形變量為0.7%和1.3%。對于平板型高溫異性熱管徑向形變和軸向形變占模型形變量為0.46%和 0.85%。所設計兩種熱管形變量皆符合設計要求的5%。

圖9 熱應力分布（單位：Pa）

根據(jù)形變圖大致可以推斷，熱管頂部應力不大，最大應力處一定位于熱板處。圖9 為熱應力分布情況，兩種熱管最大應力都出現(xiàn)在熱板吸熱面與熱板殼體連接處，分別為115.5 MPa 和49.76 MPa。這主要由于殼體受到熱板端蓋徑向熱膨脹的作用，殼體下端的內壁面材料被拉伸，外壁面被壓縮，產生較大熱應力。但可以發(fā)現(xiàn)，吸熱面設計為橢圓形封頭形式所受應力遠遠小于平板封頭。因此，橢圓型高溫異型熱管更加適合運用于高溫換熱器領域。

4 結論

通過本文模擬分析，得出以下結論：

1）兩種高溫異性熱管最大形變在熱管上端。橢圓型高溫異性熱管徑向形變和軸向形變占模型形變量為0.7%和 1.3%。平板型高溫異性熱管徑向形變和軸向形變占模型形變量為0.46%和0.85%。

2）橢圓形封頭吸熱面有利于減少熱應力，受力遠遠好于平板型封頭吸熱面，在相同條件下，橢圓型高溫異性熱管最大應力為49.76 MPa，平板型高溫異性熱管最大應力為115.68 MPa，橢圓型高溫異型熱管所受應力僅為平板封頭一半以內。