基于Abaqus空氣壓縮機中間冷卻器的熱場分析

江貴生，查長禮，占生寶，繆忠輝

(1.安慶師范大學物理與電氣工程學院，安徽安慶246133；2.中國人民解放軍第四八一二工廠，安徽安慶246001)

空氣壓縮機是冶金、化工、艦船等領域的核心動力設備，也是空壓機站的重要組成部分[1-2]，其工作特性與冷卻效果密切關系。空氣壓縮機的冷卻方式主要有循環供水冷卻和直流供水冷卻兩種，其中循環供水冷卻應用較為廣泛，為實現壓縮省功，該冷卻方式大多采用兩級壓縮，即在高低壓縮缸之間設有級間冷卻器。眾多學者針對空氣壓縮機的冷卻系統開展研究，如劉小平等[3]從物理學角度分析了冷卻對空氣壓縮機特性的影響，并提出了改進空氣壓縮機冷卻的措施；易金萍等[4]利用傳熱學的理論及方法，采取降低熱阻措施對冷卻效果及空氣壓縮機出力進行了研究；王世勇[5]針對空氣壓縮機運行中冷卻效果降低的問題，提出了改進方案；彭炳初[6]以壓縮機出口風量及標準狀況為依據，提出了設計空氣壓縮機冷卻器的計算方法等。空氣壓縮機冷卻系統受管殼壁溫差、應力等因素的影響[7]，對其工作狀態下的熱場分布[8-9]進行研究對提高冷卻器系統的使用壽命[10]、可靠性及熱交換能力有重要意義。此外，空氣壓縮機的控制方式對其工作能效亦有較大影響[11-12]。

目前對于空氣壓縮機的研究，主要體現在后期技術改造方面，少見在前端設計階段利用數值分析技術進行優化設計以減少生產周期和降低制造成本的相關報道。基于此，文中以某空氣壓縮機為研究對象，利用熱傳導與流體力學相關理論，結合該空氣壓縮機中間冷卻器的原始設計參數對其熱場進行數值分析，為空氣壓縮機中間冷卻器工作能效、可靠性等前端虛擬設計提供一種有效的驗證方法，同時為其后端實際生產制造提供可靠的技術參數。

1 流固耦合的多物理場數學模型

中間冷卻器的冷卻介質流動和傳熱過程主要包括流體湍流流動過程、對流傳熱過程及熱傳導過程，故采用熱傳導與流體力學相關理論對其構建數學模型。

連續方程為

式中：u為介質的流動速度；i=1,2,3；ρ為密度；t為時間。

動量守恒方程為

式中：μ為動力黏性系數；δij為Kronecker算子；i,j=1,2,3。

湍動動能k控制方程為

其中：k為流體湍流脈動動能；ηt為湍流黏性系數；ε為流體的湍動耗散率；C1，C2，C3分別為與平均速度梯度有關的湍動動能系數、浮力有關的湍動動能系數和湍流膨脹耗散系數。

湍動ε耗散率控制方程為

其中E1，E2和E3均為與湍流膨脹耗散率有關的系數。

根據能量守恒定律，流體的傳熱過程可表達為

式中：H為流體介質的焓；p為壓力。

此外，假設冷卻器熱量傳遞過程為穩態，其熱傳導過程可表示為

式中：k為傳熱系數；T為溫度。

由能量守恒知：在流固耦合接觸面處，換熱管內部的壓縮空氣傳出的熱量應等于換熱管吸收的熱量；冷卻水介質吸收的熱量等于換熱管傳出的熱量；殼體吸收的熱量等于冷卻水介質傳出的熱量。因此該流固邊接觸面上的熱傳邊界條件可表示為

式中：λ為固體導熱系數；β為對流換熱系數；S為導熱面積；Tg，Tl分別為固體、流體接觸面溫度。

文中采用計算流體動力學方法計算某空氣壓縮器中間冷卻器殼體、折流板及換熱管的溫度分布，以此作為熱載荷分別對殼體、折流板及換熱管進行熱應力分析，得出三部位的應變位移。

2 中間冷卻器仿真模型的構建

2.1 仿真參數

中間冷卻器整體結構如圖1。換熱管固定于管板上，相互間存在約束，由于熱變形的不同產生溫差熱應力，進而導致連接處破壞，影響冷卻器的工作效率；換熱管與殼體間也存在溫差，且兩者的熱膨脹系數存在差異，其間產生的熱應力致使換熱管發生形變，并影響管內冷卻介質的流動性能，進而影響冷卻器的工作性能。因此，文中僅對受約束部件及傳熱較大的區域，即殼體、折流板及換熱管進行溫度場分析，并對實物模型進行合理簡化。三部位幾何模型基本結構參數：換熱管外徑14 mm，長度1 500 mm，厚度1 mm；折流板半徑130.5 mm，厚度10 mm；殼體直徑273 mm，長度1 520 mm，厚度6 mm。

以水為冷卻介質對高溫壓縮氣體進行冷卻，冷卻水和空氣的工藝設計參數如表1。考慮溫度引起冷卻器約束及連接部分的熱力學性能存在差異，折流板和殼體分析模型材料均選用20號鋼，密度為7 840 kg/m3，熱膨脹系數為1.6×10-6℃，導熱系數為47.5 W/(m·℃)，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3；換熱管采用具良好導熱性和耐蝕性的紫銅，密度為8 890 kg/m3，熱膨脹系數為1.67×10-3℃,導熱系數為401 W/(m·℃)，彈性模量為108 GPa，泊松比為0.31。

表1 工藝設計參數Tab.1 Parameters of process design

2.2 建模

基于中間冷卻器的結構特點及仿真分析效率等因素，在CERO三維建模軟件中對換熱管、折流板及殼體分析模型取1/2對稱方式進行建模，并導入Abaqus有限元軟件待分析。殼體、折流板及換熱管幾何模型分別如圖2～4。

圖1 中間冷卻器結構示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of intercooler

圖2 殼體幾何模型Fig.2 Geometric model of shell

圖3 折流板幾何模型Fig.3 Geometric model of baffles

圖4 換熱管幾何模型Fig.4 Geometric model of heat transfer tubes

3 仿真分析結果及討論

經空氣壓縮機壓縮后的高溫氣體，經進氣口進入中間冷卻器進行熱交換。在高溫氣體的作用下中間冷卻器進氣口部位形成高溫區，而位于進氣口附近區域同時處于循環冷卻水的進水口，該區域為低溫區，故進氣口與進氣口附近區域形成較大溫差，由此產生的溫差熱應力高于中間冷卻器其他部位。取約1/3長度范圍的冷卻器，其溫差、應力變化較大區域中的殼體、折流板及換熱管進行溫度和熱力學分析。殼體、折流板及換熱管的幾何模型基本結構參數、材料及熱力學參數及工藝設計參數見2.1節。

當流量為0.04 m3/s的180℃高溫壓縮氣體進入中間冷卻器，殼體的應變和溫度分布如圖5，6。分析圖5可知，在高溫壓縮氣體進入冷卻器殼體入口處，存在大小為2.28的應變位移變化量，且應變位移量隨著冷卻水介質的流向呈減小趨勢。由圖6可知：高溫壓縮氣體進入冷卻器殼體，殼體溫度場分布在同一截面上較為均勻，這是由于殼體與冷卻水介質充分接觸，致使溫度整體降低；高溫區分布在壓縮氣體入口，符合冷卻器的工作特點。

圖5 殼體應變分布Fig.5 Strain distribution of shell

圖6 殼體溫度分布Fig.6 Temperature distribution of shell

折流板在冷卻器中可延長冷卻水介質與換熱管及殼體間的換熱時間，同時利于提高冷卻器的工作效率。取中間冷卻器約1/3長度范圍內的首塊下折流板為分析對象，根據殼體的應變分析結果導出該位置應變位移量和溫度作為折流板流固耦合分析的預定義場初始條件，折流板的應變與溫度分布分別如圖7，8。分析圖7可知，在高溫壓縮氣體的入口處折流板兩側溫差及換熱管導熱產生了大小為1.53的應變位移變化量，主要應變位移量集中在流道的軸線部位。分析圖8可知，換熱管通過熱傳導方式將入口處180℃的高溫壓縮氣體傳遞至折流板安裝孔，孔中心最高溫度152℃，且呈現軸心位置較高邊緣部分較低的分布趨勢。

圖7 折流板應變分布Fig.7 Strain distribution of baffles

圖8 折流板溫度分布Fig.8 Temperature distribution of baffles

換熱管在內部高溫壓縮氣體和外部循環冷卻水耦合物理場的作用下分別產生如圖9，10所示的應變和溫度分布。由圖9可知，在折流板和管板安裝部位，即圖中最右和最左側位置呈現大小為7.5和1.8的平均應變位移差，在安裝和約束部位冷卻水介質與其接觸不充分導致散熱條件變差，導熱效果下降，致使溫度梯度出現變化，從而導致產生較大應變。由圖10可知：換熱管的溫度沿管道流向呈減小趨勢，但在安裝和約束部位的 溫度明顯高于與冷卻水接觸區域，其變化規律與圖9的應變分布結果一致；高溫壓縮氣體出口處的溫度約為25℃。

綜上分析可知：對于殼體，其軸向溫度變化在進氣口段最大，后續逐漸減小直至穩定，而徑向溫度梯度較小，表明溫度分布接近軸對稱狀態；折流板沿軸向存在一定的溫度梯度，但不明顯，徑向存在一定的應變位移量；換熱管各層之間也存在一定的溫度梯度，應變位移存在于折流板接觸面附近。由此表明，由溫差導致的熱應力受到部件之間的相互約束，且主要集中在軸向，其他方向相對較小。

圖9 換熱管應變分布Fig.9 Strain distribution of heat transfer tubes

圖10 換熱管溫度分布Fig.10 Temperature distribution of heat transfer tubes

4 結 論

以某空氣壓縮機的中間冷卻器為研究對象，對其殼體、折流板及換熱管的實際結構進行合理簡化，利用Abaqus商用有限元軟件構建殼體、折流板及換熱管的仿真分析模型，模擬分析三部位的應變與溫度分布，結果表明：

1)該空氣壓縮機中間冷卻器的殼體、折流板及換熱管均存在不同程度的應變，且在安裝和約束部位尤為明顯，其中熱敏感較強的紫銅換熱管在高溫壓縮氣體入口處存在大小為7.5的應變位移變化量；

2)三部位溫度分布在管道流向上均呈下降趨勢，且在與冷卻水介質充分接觸區域較為明顯；

3)壓縮氣體出口處的溫度場分析結果符合冷卻器的工作特點，表明該空氣壓縮機中間冷卻器的材料及工藝參數設計較為合理。