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(chǎn)過程中重要的過程裝備[1]，能夠有效地獲得理想的環(huán)境溫度。部分換熱器中需要安裝負壓閥，用于調節(jié)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(chǎn)標準。負壓閥在高溫環(huán)境下會產(chǎn)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(yōu)化設計提供依據(jù)。

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(tài)，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(jīng)過。當負壓閥切換至正常調壓狀態(tài)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(jù)吸力大小調節(jié)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(xiàn)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(chǎn)生位移，實現(xiàn)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(shù)變化規(guī)律是當前重要的發(fā)展方向。目前，隨著計算機技術和數(shù)值分析技術不斷發(fā)展，有限元仿真在各個行業(yè)和領域均得到了廣泛的應用。傳熱屬于典型的物理現(xiàn)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(shù)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(xiàn)，有限元分析技術的發(fā)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(fā)展和完善，其能夠實現(xiàn)更多和更復雜物理現(xiàn)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(wǎng)格劃分、邊界定義等。其中，網(wǎng)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(wǎng)格一般包括四面體和六面體兩種，六面體網(wǎng)格計算效率高，但是僅適用于結構規(guī)則的模型。若強制采用六面體網(wǎng)格，容易導致網(wǎng)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(wǎng)格劃分

根據(jù)換熱器負壓閥的實際結構尺寸，采用Pro/E軟件建立參數(shù)化模型。為了避免模型在輸入和輸出過程中出現(xiàn)參數(shù)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(wǎng)格劃分的質量[4]。

圖2 模型導入

在網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)格進行細化和連接。最終對網(wǎng)格進行優(yōu)化處理，得到網(wǎng)格劃分結果如圖3 所示，其中，單元數(shù)量為1 569 860，節(jié)點數(shù)量為3 589 750。

圖3 網(wǎng)格劃分結果

1.4 載荷與邊界條件定義

根據(jù)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(shù)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(xù)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(wěn)定的環(huán)境下，將湍流強度定義為常規(guī)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(xiàn)網(wǎng)格信息或數(shù)據(jù)共享。流體的壁面與固體的壁面之間提供不同的數(shù)據(jù)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(wǎng)格的無關性驗證[8]。若網(wǎng)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(huán)境較為穩(wěn)定，在化工生產(chǎn)中一般采用強制冷卻裝置，因此，根據(jù)實際情況將換熱表面與空氣之間的對流換熱系數(shù)設置為100 W/（m2·K）。

2 結果分析

2.1 流場分布

通過連續(xù)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(guī)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(qū)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(jīng)過閥座結構后壓力明顯增大；不同結構處的壓力在數(shù)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(qū)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(qū)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(yōu)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(fā)生一定改變，長期在該條件下工作就會容易發(fā)生泄漏或失效等問題。根據(jù)分析結果，閥座底部和閥桿位置的溫度過高，容易出現(xiàn)過大的熱變形，因此，可將該處的機械結構進行優(yōu)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(fā)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(guī)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(jù)。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(yōu)化是解決產(chǎn)品長期穩(wěn)定工作的關鍵因素。