基于ANSYS对有保温层热力管道的热损失及接触表面温度分析

远亚群，王茂廷，李 程，周芝国，时 健，刘鸿明

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

热力管道的使用十分普遍，不仅在石油、化工、发电、航天、核工业、机械等大型工业中是常用设备，在学校、医院、商场、家庭等环境中也是常常见到。随着现代工业的快速深入发展和节约能源的需要。急需解决的是更大程度的降低热力管道的传热效率，从而降低热力的损失。为此许多研究人员研究了多种保温材料和保温方法［1］。本文利用ANSYS有限元软件进行热力管道和保温层的热力分析［2］。通过建立模型，确定参数和条件，先后进行热分析和结构分析，得到热力管道和保温层沿定义路径各处的温度场合应力场。分析结果不仅为热力管的保温设计提供参考数据，还为管道的节能设计提供帮助。

1 模型确定

某热力管路的内外管径分别为 d1=80 mm，d2=90 mm，导热系数λ1=45 W/(m∙K),外面为一层厚度为δ=50 mm的保温层，导热系数λ2=0.2 W/(m∙K),热力管内壁温度t1=250 ℃，保温层外壁温度为t3=50℃(接触面处的温度为 t3)。取热力管长度为 L=100 mm。带保温层的管路的几何模型如图1所示。

带保温的热力管道稳定工作时（即带保温层的热力管道处于稳定的温度场中），热力管道温度在轴向上的变化很小，所以可以忽略温度在轴向上的变化［3］。但是温度在管道径向的变化很明显，因此可以将模型简化轴对称的一维导热模型［4］（如图2）。由于热力管道内部是恒温液体，管道外部空气温度也几乎不发生变化，所以热力管道的材料性能参数也不发生变化。所以可以将问题进一步简化为一个轴对称的一维稳态导热问题。

图1 带保温层的热力管剖面几何模型Fig.1 Geometric model of the heat pipe section with insulation layer

图2 简化的几何模型Fig.2 The simplified geometric model

应用热传导基本理论，接触面的温度和管道的热损失按下式计算：

分析时，温度采用K式温度，其它单位采用国际单位制。

2 热力分析

2.1 分析模型的建立

通过ANSYS 11.0软件进行热力分析计算时，采用 4节点的 PLANE55单元和三维六面体 SOLID70单元进行有限元分析，之后分别定义热力管和保温层的导热系数［5］。使用ANSYS软件按照图1的几何尺寸建立两个粘接在一起的矩形。选用边长为0.002 5的四边形单元，并且用映射法进行划分网格［6］。得到有限元网格划分模型（如图3）径向为温度传递方向（X向），轴向为热力管道长度方向（Y向）。

图 3 有限元网格划分模型Fig.3 FEM meshing model

2.2 边界条件的施加

2.2.1 施加热力管道内壁温度

稳定的传热状态下，热力管道内壁温度为250℃。

2.2.2 施加保温层外表面温度边界条件

保温层外表面与空气间有对流传热和热辐射传热两种方式进行热传递。综合考虑设定保温层外表面的温度为50 ℃（图4）。

图4 保温层外表面施加温度边界条件Fig.4 Outside surface temperature boundary conditions of the insulation layer

3 求解和后处理

通过ANSYS有限元软件进行求解，计算所有载荷步，最终得到温度场结果。为更简洁更清楚的反应温度的变化情况，通过运用有限元软件的定义路径功能，选择节点定义路径，选择分析模型最下端（即 Y=0）的所有节点，对于带保温层的热力管而言，即定义了从热力管道内壁向保温层外壁的径向路径。将所得到的温度分析结果映射到路径上，得到沿定义路径的温度分布及各参数计算结果（图5）。

图5 沿定义路径的温度分布Fig.5 The temperature distribution along the defined path

图6 沿径向路径的温度分布云图Fig.6 The temperature distribution cloud maps along the radial route

图5 显示了温度沿带保温层热力管道径向从管内壁到保温层外壁的变化情况。图中显示温度的变化总体分为两个趋势。第一个阶段在热力管道的内部，温度从250 ℃的初始温度减少的很少，在0～0.5之间温度呈线性降低。第二个阶段在热力管道外壁到保温层外壁之间，呈线性降低，在0.5～5.5之间，温度从250 ℃降低到了50 ℃。温度在整个过程中符合简化边界条件下的变化关系。

更清晰简洁的显示温度分布情况。利用有限元软件得到保温热力管沿径向的温度分布云图。（图6）。

通过计算出的参数数据可知平面有限元分析结果与理论值的最大误差值为0.38%及接触面处得温度249.86 ℃。

4 结 论

通过运用ANSYS11.0有限元软件，在固定的边界条件下，对带保温层的热力管道进行了一维稳态导热分析，得到热力管道和保温层接触面的温度及在给定边界条件的温度场。分析得到的结果为带保温层的热力管道的保温层材料和厚度设计提供了依据，为带保温层的热力管道在工程应用中节能设计提供有效的帮助。值得指出此种分析方法的分析过程简洁快速，得到的显示结果直观清楚。

［1］韩彦荣, 谢华.热力管道保温材料的选用分析[J].制冷与空调,2006(4):59-61.

［2］刘中良, 马重芳.层流管流藕合换热对流体热边界条件的影响[J].北京工业大学学报, 2002, 28(1): 32-37.

［3］杨世铭, 陶文铨.传热学[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.

［4］蔡尔辅. 石油化工管道设计[M].北京: 化学工业出版社, 2002.

［5］邵宗科,黄重国, 董红磊.基于ANSYS的XCQ16钢轴向疲劳实验与有限元仿真[J]. 陕西理工学院学报(自然科学版), 2009, 25( 4):9-14.

［6］王泽鹏,张秀辉, 胡仁喜. ANSYS12. 0热力学有限元分析从入门到精通[M].北京: 机械工业出版社, 2010.