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内翅片换热管力学性能的研究 (四川理工学院机电工程系，四川自贡643000) 摘要： 在各种高效列管式换热器中，作为传热及压力承担者的换热管的设计是关键技术之一．分析了翅片管的结构和特点，基于COMOSWORKS有限元分析模块，对CNG冷却器中应用较为广泛的内翅片管承载能力进行了应力分析， 关键词：翅片管；应力分析；CNG；COMOSWORKS 管壳式换热器普遍用于石油、化工、冶金、电力等行业中，它具有结构简单、制造容易、安全可靠、材料广泛、适应性强等特点，是工业生产中的主要换热设备[1，2]．目前，广泛应用的金属管式换热器是通过间壁来换热的，它传输的热量受到间壁面积和传热能力的限制，其综合传热系数不高，一般气一气换热的管式换热器仅为15～20 W／m2℃左右，管式插件换热器为30～35 W／m2℃左右[2]．由于管式换热存在着综合传热系数低、设备庞大等不足，因此各种插件换热器、高效换热管换热器等新型换热器应运而生．螺旋槽管、横纹槽管、波纹管、翅片管式换热器是目前应用开发的新型换热器，已在工业应用中取得了良好的效果[1,3 -7]．但就目前研究的情况来看，大部分都集中在传热效率上，很少对各种高效换热管的力学性能及承压能力做分析，在设计中基本是参照相同尺寸的光管进行设计计算．本文就目前在CNG气体冷却器中广泛应用的翅片管的承载特性进行分析． 1 翅片管在CNG的应用状况 翅片管规格品种很多．从材料上讲，有碳钢、铜、铝、不锈钢等，还有复合材料，如钢铝复合，即基管采用钢，翅片采用铝；从翅片型式讲，有环翅、纵翅、螺旋翅；翅片既可在管外也可在管内；从制造方式讲，可以轧制，也可以焊接，还可以铸造等[289]．各行业由于各自不同的特点，需要选用不同型式和材料的翅片管．CNG技术是压缩天然气技术(Compress Natural Gas)的简称，是指采用特制的储气钢瓶，在充气站通过加压设备施加20～25 MPa的高压，强行将天然气在脱水、脱硫化氢后压缩至瓶内贮存，专用于汽车替代汽油的燃料[10 .11]．压缩天然气汽车作为一种清洁汽车，由于其低排放、安全可靠、技术成熟、有良好的经济效益和环境效益而被广泛应用[11]．相对原油日益短缺的局面，CNG对我国乃至世界各国都具有举足轻重的战略地位[12]．CNG加汽站装置越来越向集成化、移动式方向发展，这就要求相关设备向小型化发展．作为对压缩杌有重要影响的冷却器设备，采用管壳式换热器具有可靠性高、制造方便的特点，是最佳的选择，但是传统光管的换热设备体积庞大，采用高效换热管是必然的选择．CNG冷却器一般分为风冷和水冷，前者一般采用内外翅片管，后者一般采用内翅片管，因为气体压力高压走管程，影响传热效率的是管内传热系数． 2 翅片管的结构与力学特性 如图1所示为常用的新型内翅片管，它的主要特点是：通过在换热管内扩展表面、强化管内传热的途径来提高换热器的性能[2,4,13]． 图1翅片管结构示意图 内翅片管采用纵向直肋，管内翅化比可达4～6，与一般光滑管相比，其管内给热系数可提高3～4倍左右．内翅片管的翅片采用焊接，其焊着率为l00 %[2]. 内翅片管与光管相比，由于其几何不连续，在内压或外压作用下，局部应力会增加，同时在制造过程中，存在残余应力，加之管束和安装平台的振动，对换热管本身承载能力和疲劳破坏的研究是非常必要的． 3 基于COSMOSWORKS的翅片管受内压有限元分析 COSMOS是较快的有限元分析软件，采用的是快速有限元算法(FFE)技术，是COSMOS为Solidworks三维建模软件开发的无缝集成有限元分析模块，可以 直接将Solidworks的三维实体模型导入进行分析计算．基于COMOSWORKS的应力分析流程和实现方法如图2所示． 图2换热器应力分析流程 现对图1内翅片管进行三维建模和分析计算，取翅片管长200 mm(-般换热管的支撑间距为200mm)，外径57 mm．换热管20 MnMo.承载情况内压为25 MPa，外压为10 MPa． 在Solidworks2004中创建各零件的三维模型，翅片与换热管是全焊透，当作一个实体．为了提高运算效率和便于观察，运用对称结构方法取1／2换热管结构． 分析参数设置：①静态研究(Transfer_stress)，网格为实体网格；②材质参数根据Solidworks材质库选择普通碳钢；③定义载荷和约束条件．按实际工况设置 压力载荷，此时分别考虑换热管在内压和外压单独工作状态（即最危险工况），即管程压力为20 MPa，壳程压力为10 MPa.约束条件：换热管轴向剖面位于平面 内且距离为即只能在径向方向内外移动；同时管的一端距离端面30 mm的外表面固定（即假设与管板连接），这样的约束