換熱分析的案例
仿真APP應用案例——H型翅片管換熱分析
H型翅片管亦稱為H型肋片管或蝶片管，是一種用于換熱的熱交換器元件。它通常由一根管子和許多緊密排列的翅片組成，翅片可以固定在管子上或者與管子無縫地連接在一起，H型翅片管主要用于電站鍋爐、工業鍋爐、船用或陸用柴油機組排煙廢熱回收的熱交換設備中，在石油、化工等領域也廣泛使用。
H型翅片管的傳熱效率受到多種因素的影響，如翅片形狀、尺寸、材質以及流體流動狀態等。通過進行熱分析，可以深入了解這些因素對傳熱效率的具體影響，從而找到提高傳熱效率的有效途徑。
H型翅片管換熱分析APP基于伏圖（Simdroid）多物理場仿真平臺開發，能夠幫助用戶進行詳細的翅片管參數化建模如管子外徑、翅片寬度、翅片厚度等，快速更改材料參數及熱邊界條件，并將模型網格剖分、求解設置等分析流程無代碼化封裝，實現一鍵計算輸出翅片管溫度分布云圖等結果。
H型翅片管換熱分析APP主要分析功能包括溫度場分析及熱流密度分析。H型翅片管換熱分析APP可對H型翅片管換熱效果進行分析，管內和管外均為對流換熱邊界。通過參數化建模，考察結構尺寸、材料、熱邊界等參數對翅片管換熱效果的影響。供設計與仿真人員對結構設計合理性進行評價與結構優化。
在線試用此仿真APP：https://www.simapps.com/v/191127.html
展開 工業蛇管流動換熱仿真分析APP
工業蛇管流動換熱仿真APP封裝了換熱運行參數、蛇管形位參數、材料物性、網格控制與計算控制參數，可快速計算蛇管尺寸、蛇管形狀、布局位置、管材特性、介質特性及運行工況等改變的情況下對工業容器蛇管散熱設備溫度及冷卻通道流場的影響。工業蛇管流動換熱仿真分析APP可查看流場溫度、流場速度及管壁溫度分布等工程中所需的計算結果。
近年來，隨著工業生產的不斷發展，工業容器蛇管散熱設備的應用也越來越廣泛，但是如何設計一個高效的蛇管散熱設備卻是一個十分復雜的問題。為了解決這個問題，工業蛇管流動換熱仿真分析APP應運而生。
工業蛇管流動換熱仿真分析APP封裝了換熱運行參數、蛇管形位參數、材料物性、網格控制與計算控制參數，可以快速計算蛇管尺寸、蛇管形狀、布局位置、管材特性、介質特性及運行工況等改變的情況下對工業容器蛇管散熱設備溫度及冷卻通道流場的影響。同時，該APP還可以查看流場溫度、流場速度及管壁溫度分布等工程中所需的計算結果。
通過使用工業蛇管流動換熱仿真分析APP，可以快速地得到蛇管尺寸、蛇管形狀、布局位置、管材特性、介質特性及運行工況等改變的情況下對工業容器蛇管散熱設備溫度及冷卻通道流場的影響。這不僅可以提高蛇管散熱設備的效率，還可以節省設計時間和成本。
需要注意的是，工業蛇管流動換熱仿真分析APP只是一個輔助工具，設計師們需要根據具體情況進行修改和優化。同時，在使用APP的時候，也需要注意對數據的準確性和合理性進行評估，以免出現錯誤的設計方案。
總之，工業蛇管流動換熱仿真分析APP的出現，為工業容器蛇管散熱設備的設計提供了更加科學、高效、可靠的解決方案，也為工業生產的發展注入了新的動力。
展開 固定管板換熱器的機械場應力分析
換熱管：三角形布管，管間距38㎜，外直徑25㎜，換熱管長度為5000㎜，厚度為2.5mm；共布有336根換熱管（忽略拉桿并代之以換熱管），材料為0Cr17Ni12Mo2，彈性模量E=9.371e4MPa, 泊松比μ=0.3，管板布管圖如圖3所示。
管箱筒體：內直徑為803㎜，管箱長度350㎜，計算厚度為18.5㎜，材料為0Cr17Ni12Mo2，彈性模量為E=2.078e5MPa，泊松比μ=0.3。
以上所有尺寸都是減去腐蝕余量后的尺寸，殼程材料腐蝕余量3㎜，管程材料腐蝕余量1.5㎜，換熱管不必減腐蝕余量。
三、 問題分析
建立如圖4所示的機械應力分析模型（換熱管未畫出，僅以子午面示意）。其中與管板煅件連接的殼程筒體及管程筒體的長度足夠長，遠大于2.5倍的邊緣應力衰減長度，一般而言，當不必考慮兩側管板軸向差異時，才可利用軸向對稱性建模，且殼程分析長度應為殼程總長度的一半。由于主要討論管板及其與兩端筒體連接區的應力分布規律，忽略開孔接管、管箱封頭及支座等?？紤]到結構和載荷的對稱性，沿換熱器的縱向對稱面切開取其1/4作為分析模型體。結構縱向對稱面約束了法向位移，殼程筒體橫截面約束了軸向位移，箱管筒體斷面施加相應的軸向平衡力。換熱管內表面可以時間管程壓力，外表面可以施加殼程壓力，管板兩側分別施加SOLID45單元進行機械應力分析。
四、 有限元分析過程
五、 計算結果分析
應力強度云圖如圖10所示，可見最大應力發生在管板煅件的管程側過渡圓角處。其他可能出現較大應力的位置是管板煅件的殼程側過渡圓角處和管板的主體位置上，為此設定圖11所示的三條評定路徑，進行線性化處理，并給出前三條路徑的計算結果圖標1所示。
展開 加氫裝置高壓換熱器開裂原因分析及預防和解決對策
檢驗分析
1
內窺鏡檢驗
采用內窺鏡對管束出現內漏的E106A內部進行檢查，發現該管子距管板6.2ｍ處內彎部位斷裂（正處于U形彎部位），見圖2。
觀察換熱管斷口，未發現管壁厚顯著減薄，其中一側斷面較為規則，大致與換熱管軸向呈一定夾角，近似垂直。
2
垢樣分析
打開換熱器發現，管口和管束內部附著白色結晶物。采用XRD和能譜對結晶物成分和各元素含量進行分析，圖3和表1為能譜分析結果。由圖3和表1可見，結晶物主要含有C、O、S、Cl，還含有少量的Fe和Cr。
在能譜分析確定好相應的元素含量后，采用XRD衍射分析來確定具體的物質構成，結果如圖4所示。
與標準譜圖對比分析發現，白色結晶物主要為NH4Cl。
3
換熱管的材質分析
將換熱器更換下來，從斷裂的換熱器管子上切取塊狀樣品，并依據相關標準，使用光譜儀對其材質進行化學分析。結果表明：斷裂管子材質為0Cr18Ni10Ti，其化學成分滿足GB/T20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》要求，各元素含量未見有超標現象（見表2）。
4
換熱管的金相分析
在斷裂的換熱器管子斷口附近切取金相樣品，經預磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下進行觀察分析，并使用顯微硬度計，進行硬度測試。圖5所示為換熱管縱向金相組織。
由圖5可見，金相組織為奧氏體，裂紋源在換熱管內壁，裂紋呈現樹枝狀，既有主干又有分支，屬于穿晶型腐蝕裂紋，具有典型的應力腐蝕開裂特征。樣口顯微硬度分別為
轉換成HB為183.7、192.6、212.0。一般情況下，0Cr18Ni10Ti不銹鋼管冷加工固溶處理后，硬度應小于HB185。由上述測試結果可見，該換熱器硬度不均，且局部硬度偏高。
展開 
ANSYS APDL熱分析--換熱器熱膨脹分析(附命令流)
1.項目背景
蒸汽發生器排污熱交換器充分利用余熱、完成熱量轉換的試驗裝置，求結構完整性有著至關重要的意義，而高溫下軸向的熱膨脹是導致結構失效的主要原因之一，因而計算器熱膨脹量至關重要。
2.項目目的
利用ANSYS軟件，建立蒸汽發生器排污換熱器梁單元三維模型，對其在設計溫度下的熱膨脹量進行計算，為后續驗證換熱器裝置的結構完整性提供依據。
3.理論計算
熱膨脹量理論計算公式：
?L=α??T?L
其中：α為熱膨脹系數，△T為溫差，L為管道計算長度
在本實例中，溫差△T：管側為310℃；殼側為268℃
α：12e-6 mm/mm·℃；
L：管側為1500mm；殼側為800mm
計算得軸向熱膨脹量：
?L=310?12e-6?1500+268?12e-6?800=8.153mm
4.計算輸入
熱膨脹分析時，僅需要加溫度載荷，同時將框架底部固定約束即可。
展開 加氫裝置高壓換熱器開裂原因分析及預防和解決對策
其殼體材質為15CrMo（H）/Q345R；管束材質為0Cr18Ni10Ti，規格為6000mm×19mm×2mm（換熱管長度×直徑×壁厚）。
檢驗分析
1
內窺鏡檢驗
采用內窺鏡對管束出現內漏的E106A內部進行檢查，發現該管子距管板6.2ｍ處內彎部位斷裂（正處于U形彎部位），見圖2。
觀察換熱管斷口，未發現管壁厚顯著減薄，其中一側斷面較為規則，大致與換熱管軸向呈一定夾角，近似垂直。
2
垢樣分析
打開換熱器發現，管口和管束內部附著白色結晶物。采用XRD和能譜對結晶物成分和各元素含量進行分析，圖3和表1為能譜分析結果。由圖3和表1可見，結晶物主要含有C、O、S、Cl，還含有少量的Fe和Cr。
在能譜分析確定好相應的元素含量后，采用XRD衍射分析來確定具體的物質構成，結果如圖4所示。
與標準譜圖對比分析發現，白色結晶物主要為NH4Cl。
3
換熱管的材質分析
將換熱器更換下來，從斷裂的換熱器管子上切取塊狀樣品，并依據相關標準，使用光譜儀對其材質進行化學分析。結果表明：斷裂管子材質為0Cr18Ni10Ti，其化學成分滿足GB/T20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》要求，各元素含量未見有超標現象（見表2）。
4
換熱管的金相分析
在斷裂的換熱器管子斷口附近切取金相樣品，經預磨、拋光、腐刻后，在顯微鏡下進行觀察分析，并使用顯微硬度計，進行硬度測試。
展開 換熱器管束失效的原因分析
一、換熱器發生爆炸的原因分析
1、自制換熱器，盲目將換熱器結構和材質做較大改動，制造質量差，不符合壓力容器規范，設備強度大大降低。
2、換熱器焊接質量差，特別是焊接接頭處未焊透，又未進行焊縫探傷檢查、爆破試驗，導致焊接接頭泄漏或產生疲勞斷裂，進而大量易燃易爆流體溢出，發生爆炸。
3、由于腐蝕(包括應力腐蝕、晶間腐蝕)，耐壓強度下降，使管束失效或產生嚴重泄漏，遇明火發生爆炸。
4、換熱器做氣密性試驗時，采用氧氣補壓或用可燃性精煉氣體試漏，引起物理與化學爆炸。
5、操作違章、操作失誤，閥門關閉，引起超壓爆炸。
6、長期不進行排污，易燃易爆物質(如三氯化氮)積聚過多，加之操作溫度過高導致換熱器(如液 氯換熱器)發生猛烈爆炸。
7、過氧爆炸。
二、換熱器發生泄漏的原因分析
換熱器發生燃燒爆炸、窒息、中毒和灼傷事故大都是由于泄漏引起的。
展開 【AICFD案例教程】IGBT對流換熱分析
AICFD是由天洑軟件自主研發的通用智能熱流體仿真軟件，用于高效解決能源動力、船舶海洋、電子設備和車輛運載等領域復雜的流動和傳熱問題。軟件涵蓋了從建模、仿真到結果處理完整仿真分析流程，幫助工業企業建立設計、仿真和優化相結合的一體化流程，提高企業研發效率。
一、概 要
1）案例描述
本案例針對功率模塊進行流熱固耦合仿真。
① 模型簡化：選取整個模型1/6，基板下側增加水冷盤管和水路；
② 載荷：考慮芯片(每塊體積為25.35 mm^3)的產生的焦耳熱，總功耗均分到每個芯片中，施加體積熱源。案例最后可查看溫度分布和速度流線圖。
③ 邊界條件：水側對流換熱，入口速度8m/s。
2）網格
一階四面體網格，單元數8779036，節點數2233260。
圖1-1 網格模型
二、網 格
1）新建工程
① 啟動AICFD 2023R2；
② 選擇 文件>新建，新建工程，選擇工程文件路徑，設置工程文件名，點擊“確定”。
圖2-1 AICFD窗口
圖2-2 新建工程
2）網格導入
單擊菜單欄網格>導入網格，導入外部生成的計算域網格。
圖2-3 網格導入
3）網格質量檢查
單擊菜單欄 網格>網格質量，檢查網格質量。
圖2-4 網格質量檢查
三、求解設置
1）求解模型
雙擊 求解>求解模型，設置湍流模型。本案例為穩態計算，采用不可壓縮流，湍流模型采用Standardk-epsilon模型。
展開 【AICFD案例教程】電機換熱分析
圖5-5 溫度云圖
單擊菜單欄 后處理>云圖，選取位置域和變量參數溫度，設置等級參數256，點擊應用，讀取發熱面溫度云圖，可以看到該模型下，發熱體的換熱情況。
圖5-6 溫度云圖
單擊菜單欄 后處理>云圖，選取位置域和變量參數溫度，設置等級參數256，點擊應用，讀取固體壁面溫度云圖，可以看到該模型下，固體蓋板的換熱情況。
圖5-7 溫度云圖
③ 速度流線圖
單擊菜單欄 后處理>流線圖，設置管道內速度流線圖，可以看到在入口質量流量0.139kg/s的工況下流體管路的速度流線情況。
圖5-8 流線圖
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展開 壓力容器專題 | 管板換熱器分析
問題描述
某臺臥式固定管板換熱器，殼程金屬設計溫度下的設計應力強度Sm=183MPa，管程金屬設計溫度下的設計應力強度Sm=118MPa，殼程設計壓力為0.58MPa，管程設計壓力為2.0MPa，殼程操作溫度為140.5℃，管程操作溫度為250℃。其他參數如下：
1、幾何模型
幾何模型如下圖所示，實體模型：
2、材料參數
材料參數如下圖所示，線彈性分析：
3、網格模型
網格模型如下圖所示，網格均勻整齊，符合壓力容器行業的網格習慣：
4、邊界條件
邊界條件如下圖所示，包含內壓，對稱條件等：
5、分析結果
應力強度如下圖所示：
線性化應力如下圖所示：
6、思考與展望
采用實體模型時，由于換熱管的長度大數量多壁厚薄，劃分網格是個難點。由于網格規模的限制，厚度方向上很難劃為1層以上的單元，并且管長方向上，單元長寬比往往很大（建議不要超過20）。
展開 加氫裂化裝置高壓換熱器選型分析
經濟分析
1
采購費用
2019年，對于某2.0Mt/a柴油加氫裂化裝置，不同的制造商分別給出了纏繞管式換熱器和螺紋鎖緊環式換熱器的方案及報價。根據此應用實例分析，在相同的工藝位置，1臺纏繞管式換熱器替代2臺螺紋鎖緊環式換熱器時，兩種方案的采購費用相差不大。但若以1臺纏繞管式換熱器替代更多臺螺紋鎖緊環式換熱器，采購費用可減少約15%~50%。
2
運行費用
以表1中提到的某煉化公司柴油加氫裂化裝置為例，反應產物/反應進料換熱位置實現了1臺纏繞管式換熱器對于6臺螺紋鎖緊環式換熱器的替代。單臺纏繞管式換熱器的管/殼程壓力降分別減小70%和44%，顯著降低了裝置循環氫壓縮機能耗。
3
材料及施工費用
對于高壓加氫裝置，反應系統管道對材質要求高，且管壁厚度大，材料及施工費用較高。在同樣的換熱負荷下，應用螺紋鎖緊環式換熱器時，因設備數量多，配管過程中各個換熱器之間的管件多、焊口多。應用纏繞管式換熱器，設備數量明顯減少。
展開 
換熱翅片選型之流場分析！——徐凱
三等獎獲得者：徐凱
作品名稱：換熱翅片選型之流場分析
作品簡介：分析的是一個空調翅片的熱分析和外流分析，利用SpaceClaim直接建模，針對換熱翅片單元不同陣列的分析，利用DiscoveryLive強大的實時仿真技術，快速得到結構的流場速度分布，然后改變散熱翅片單元的陣列結構，可迅速觀察改變幾何結構前后，流場的變化情況。通過Discovery增加了設計人員對流場的認識，幫助快速選型。同時也展示了SpaceClaim幾何修復能力和Discovery實時仿真功能的無縫銜接。
下載和試用ANSYS Discovery系列產品： https://www.ansys.com/how-to-buy/3d-design-bundles
視頻文件：https://weibo.com/tv/v/GgzfcFBGb?fid=1034:dfef64334ef0ac5fae16f55cf307f6d1
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展開 大型重整芳烴聯合裝置反應進出料換熱器選型分析
纏繞管式換熱器由殼體和芯體組成，芯體由纏繞在中心筒上的多層小直徑換熱管組成，換熱管在中心筒上螺旋狀交替纏繞，不同層換熱管間設有定距管，中心筒與管板相連。
反應進出料換熱器選用
01
石腦油加氫反應進出料換熱器
石腦油加氫裝置反應進出料換熱器通常選用數臺U型管換熱器，隨著裝置不斷大型化，進出料換熱器熱負荷不斷增大。以某2.6Mt/a石腦油加氫裝置為例，進出料換熱器回收熱量可達70MW，若選用U型管換熱器，需要8臺串聯，臺數過多；選用繞管換熱器時，僅需要1臺繞管和2臺管殼式換熱器串聯即可滿足換熱需求。選用繞管換熱器時串聯2臺管殼式換熱器主要是在反應產物低溫端注水去除產物中的銨鹽，若不考慮洗銨鹽，1臺繞管式換熱器完全可滿足換熱需求。
以下分別為該2.6Mt/a石腦油加氫裝置進出料換熱器選用多臺管殼式及繞管和管殼式串聯選型情況。
02
重整反應進出料換熱器
重整裝置進出料換熱器熱負荷與重整反應加熱爐輻射段熱負荷相當，甚至更大，是重整裝置回收熱量大戶，近期設計大型化重整裝置進出料換熱器熱端溫差約32℃。目前已投產重整裝置中最大的繞管式換熱器應用于某3.3Mt/a重整裝置，換熱器熱負荷190MW，選用1臺殼徑Φ5050mm繞管式換熱器。裝置運行初期熱端溫差20℃，比設計值低15℃，換熱性能較好。
國內已投產單套最大重整裝置，某3.8Mt/a重整裝置進出料換熱器熱負荷231.34MW，選用2臺殼徑Φ3280mm并聯PACKINOX焊接板式換熱器。裝置運行初期2臺板換熱端溫差均值26℃，比設計值低2℃，換熱性能較好。
展開 「CFD案例-Fluent」23 固體圓柱自然對流換熱二維瞬態分析
本案例在ANSYS2019R3中演示了如何利用Fluent進行固體圓柱自然對流換熱二維瞬態CFD仿真。首先于DesignModeler中建立幾何模型，接著導入ANSYS Mesh進行網格劃分，并進行命名邊界條件，然后利用Fluent進行求解，最后在CFD-POST中進行后處理。案例基于2D、瞬態求解。
一
案例模型
二
Workbench設置
▼ 將Fluid Flow(Fluent)拖入右邊空白界面。
▼ 以DesignModeler方式打開Geometry。
模型建立完畢，轉入ANSYS Mesh，網格劃分。
三
Fluent設置
▼ 打開Fluent登錄界面進行設置。
展開 Flowmaster 汽車熱流體系統仿真方面的應用
工程師和分析師可以及時發現重大問題，改善與客戶及供應商之間的溝通交流和協作。Flowmaster V7汽車版能大幅縮短研發周期，在概念設計階段就能保證模擬的高精度，在研發期間加強了信息交流，減少了制作樣機的數量。
Flowmaster汽車版解決方案
空氣側系統：
空氣側系統模型可以用來預測和分析空氣側系統的壓力損失、空氣流速、熱力性能等。
空調系統：
通過使用空調系統模型對空調系統進行分析，可以評價其性能、預測能耗、以及對冷卻溫度和車艙內空氣品質的影響。
冷卻系統：
冷卻系統模型可以讓用戶對暖機時間、溫控閥響應、冷卻系統膨脹、冷卻液膨脹和機體溫度進行分析和預測。
排氣系統：
利用排氣系統模型可以模擬車輛的整個排氣系統，從發動機到尾部的消音器。并且可以預測排氣壓力、壓力損失、流量及其它一些性能參數。模擬方式包括彎管內的全換熱分析和不規則彎管內的加權換熱分析。
燃油及其噴射系統：
燃油及其噴射系統模型可以讓工程師輕松獲得一些參數：儲油腔填充率、油壓、流量、溫度、燃油共軌壓力、頻域結果、油泵尺寸、壓力和形狀因子、噴油器特征曲線等。
潤滑系統：
潤滑系統模型的模擬分析可以確保各部件有足夠的潤滑油，使軸承達到工作條件，可以使摩擦最小，潤滑系統分析也可以用來優化部件尺寸及熱管理。
熱管理系統：
工程師可以利用空氣側、冷卻系、發動機排氣散熱模型建立完整的汽車熱管理系統模型。以此為基礎，可以仿真暖起、怠速、正常運轉以及加載等不同工況，精確預測壓力、流量、溫度和其它性能參數。
Flowmaster V7汽車版元件庫
V7汽車版在Flowmaster V7通用版標準流體及熱元件庫的基礎上，為用戶定制了種類豐富的汽車工業專用元件庫。汽車版系統模型可以進行穩態和瞬態，可壓縮和不可壓縮流體的計算，達到精確預知系統性能的目的。
展開 