Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

ТеМП 2012. Проект команды ЦНИИТМАШ

485 views

Published on

Published in: Education
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

ТеМП 2012. Проект команды ЦНИИТМАШ

  1. 1. ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" Снижение термических напряжений в пластинчатом теплообменнике на нестационарных режимах работы Москва, 2012
  2. 2. Цели и задачи проектаРассмотреть решение прочностных проблем пластинчатого воздухо-воздушноготеплообменника, применяемого в системах кондиционирования воздуха кабинлетательных аппаратов, на нестационарных режимах работы. Разработать схемуконструктивной доработки изделия, провести необходимые расчеты и доказатьпреимущества предлагаемой конструкции теплообменника.Опыт эксплуатации пластинчатого воздухо-воздушного теплообменника показываетпоявление в его матрице трещин и, соответственно, наличия проблем с прочностьюна переходных режимах работы. Основной причиной растрескиваниятеплообменника является значительная температурная неравномерность между егокорпусом и матрицей и отсутствие в конструкции теплообменника компенсациитермических расширений.Один из наиболее напряженных для теплообменника является режим пуска стемпературами горячего и холодного (продувочного) воздуха плюс 2100С и минус400С соответственно. Выбор режима предопределяется максимальной разностьютемператур. Этот режим и был взят в качестве рассматриваемого расчетного режимадля моделирования течения теплоносителей в теплообменнике на режиме запускасистемы кондиционирования.
  3. 3. Решение поставленной задачиВ качестве предложений по решению существующей проблемы предлагаетсяусовершенствованная модель теплообменника с заблокированными крайнимиканалами течения горячего теплоносителя.Все расчеты проводились в конечно-элементном программном комплексе Ansys вовременном интервале 0-25 сек. Слева – расчетная модель матрицы теплообменника с блокированными крайними каналами течения горячего теплоносителя
  4. 4. Решение в упругой постановкеВ модель расчета температурных полейвходит теплообменник с входным ивыходным коллекторами, а в модельрасчета термонапряжений – матрицатеплообменника двух видов – исходноймодели теплообменника и предложенной крассмотрению.Первоначально расчеты напряженийпроводились в упругой постановке.Модуль упругости и коэффициенттемпературного расширения материалатеплообменника в расчетах принималисьравными:Е=7∙1010 Па и α=1.96∙10-5 1/KВ результате решения поставленной задачибыли получены картины температурного Расчетная модель теплообменникасостояния и распределение напряжений вматрице в интервале 0-25сек с шагом 2,5сек.
  5. 5. Решение в упругой постановкеПо данным проанализированного расчета был построен график поведениямаксимальных эквивалентных напряжений в матрице теплообменника в зависимостиот времени прогрева матрицы. 700 600 630 График зависимости значений 612 625 628 625 541 600 максимальных эквивалентных Напряжения, МПа 500 490 400 412 напряжений в матрице 300 263 теплообменника от текущего времени 200 испытаний 100 0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 Время, секКак видно из графика, с течением времени напряжения существенно растут идостигают максимума через 15-20сек от начала запуска. В это же времятемпературное поле теплообменника (матрицы и корпуса) практически достигаетстационарного при работе системы.Для дальнейшего анализа и наглядного изображения полученных результатоввыбираем временную точку 10сек.
  6. 6. Решение в упругой постановкеНа рисунках представлено сравнение температурных полей и распределениеэквивалентных напряжений в существующей конструкции теплообменника сконструкцией с заблокированными каналами. Распределение температур в теплообменнике Распределение температур в исходной конструкции через 10 сек после начала теплообменнике новой конструкции моделирования через 10 сек после начала моделирования
  7. 7. Решение в упругой постановкеМестами максимальных напряжений во всех случаях являются концы ближайших кбоковым стенкам корпуса брусков. Объясняется это имеющейся существеннойразностью средних температур уже прогретых брусков и холодных боковин корпусана переходных режимах, а также конструкцией теплообменника, в которой непредусмотрена компенсация термических расширений. Эквивалентные напряжения в теплообменнике Эквивалентные напряжения в теплообменнике новой исходной конструкции через 10 сек после начала конструкции через 10 сек после начала моделирования моделирования
  8. 8. Решение в упругой постановкеПо мере отдаления от боковых стенок В результате принятого решения о блокировании крайних каналов горячего теплоносителя - ближайшиекорпуса уменьшается его жесткость к боковинам бруски, при их блокировании, имеют( хорошо видно увеличение прогибов по низкую температуру, т.к. в них нет расхода горячегооси Y средней части корпуса) воздуха. Как следствие – снижен эффект большой разности средних температур брусков и боковини, соответственно, снижаются напряжения корпуса, описанный выше.в матрице. Снижение напряжений по сравнению с существующей конструкцией теплообменника 6615А составляет 14% (максимальные напряжения - 541 и 627 МПа соответственно). Блокировка двух каналов течения горячего теплоносителя приводит к небольшому увеличению гидравлического сопротивления, по результатам решения оно составляет 2,57 кПа (против 1,52 кПа – в исходной конструкции) при допустимом максимальном значении 15 кПа (данные из технических условий). Однако вести речь о реальном значении гидравлического сопротивления теплообменника невозможно ввиду упрощения расчетной модели матрицы (отсутствуют гофрированные пластины). Но видно, что Деформации в теплообменнике блокирование каналов приводит лишь к исходной конструкции по оси Y через незначительному приросту гидравлического 10 сек после начала моделирования сопротивления.
  9. 9. Решение в упругопластинчатой постановкеОпыт решения подобных прочностных задач, учитывающих температурные поля и полянапряжений, показывает, что учет пластических деформаций значительно усложняет задачу, но, в то жевремя, позволяет реалистичнее смоделировать задачу в среде Ansys и, соответственно, получить качественноболее точные численные результаты из-за более точно смоделированного поведения материала матрицы.Для отработки методики решения была построена экспериментальная упрощенная модель воздухо-воздушноготеплообменника, содержащая все типовые элементы.При проведении последующих расчетов данные по поведению материала в термонапряженном состояниибрались в соответствии с кривой деформирования сплава АМц-М. 100 σ, МПа 50 0 0 0.075 0.1 0.15 0.2 0.3 δ, % Экспериментальная модель теплообменника после Кривая деформирования сплава АМц-М задания граничных условий задачиВ модель расчета температурных полей и термонапряжений входила матрица теплообменника.Экспериментальные расчеты проводились в стационарном режиме работы теплообменника. Начальныймодуль упругости и коэффициент температурного расширения материала теплообменника в расчетахпринимались равными:Е=7∙1010 Па и α=1.96∙10-5 1/K
  10. 10. Решение в упругопластинчатой постановкеРасчет упругопластической задачи проводится по тем Описанный метод расчета - метод переменныхже зависимостям, что и упругой. Основная разница в параметров упругости.расчетах в том, что при расчете упругой задачи По результатам сравнительного анализа двух решенийвеличина модуля упругости E известна до начала экспериментальной задачи (в упругой ирасчета (зависит от материала и температуры) и не упругопластической постановке) при одинаковыхменяется по его ходу (задача решается в области входных данных можно сделать следующие заключения:действия закона Гука). В случае пластических результирующие максимальные эквивалентныедеформаций - модуль упругости зависит еще от напряжения в задаче с упругопластической постановкойотносительной деформации ε, которая перед снижены на 29% (92МПа и 64 МПа соответственно) ирасчетом остается неизвестной, поэтому решение значительно более близки к реальным значениямупругопластической задачи производится методом напряжений в матрице.последовательных приближений(итераций), используя кривую деформацииматериала .Полученные при первом приближении и начальномзаданном модуле упругости Е1 значения напряженияσ1 подставляются в кривуюдеформирования, проецированием получаем точкуна кривой деформирования и проводим прямуючерез точку начала координат и полученнуюточку, второе приближение считается по тем жезависимостям исходя из условия: E=tg (B2). Расчетведется до тех пор, пока относительная погрешностьпоследующего расчета не приметудовлетворительные значения (3-5% в зависимости от Итерационное решение упругопластической задачицелей расчета).
  11. 11. Решение в упругопластинчатой постановкеПоследним этапом задачи является применениеотработанной методики решения задач вупругопластической постановке на предложенной моделитеплообменника воздухо-воздушного. Расчетыпроводились в конечно-элементном программномкомплексе Ansys.В результате расчета получаем поля напряжений матрицытеплообменника.Снижение максимальных эквивалентных напряжений в Поле скоростей на выходе из матрицы в моделизадаче с упругопластической постановкой составляет 26% с блокированными каналами(427 МПа и 318 МПа, соответственно).При решении задачи также было установлен фактснижения скоростной неравномерности в матрицетеплообменника. Скоростная неравномерность считаласьпо данной формуле для поперечных сечений каналовтечения горячего теплоносителя (V мин=0 ввиду учетапограничного слоя):D= Vср/ V максВ сечении на выходе из матрицы теплообменникаскоростная неравномерность снижена на 3%. Средняяскорость в каналах исходной модели: V ср = 17, 5 м/c, а в Поле скоростей на выходе из матрицы исходнойпредлагаемой модели: V ср = 19, 5 м/c. моделиРаспределение скоростей на выходе из матрицыизображено на рис.13-14.
  12. 12. Выводы1. Блокировка крайних каналов течения горячего теплоносителя приводит кзначительному (26%) снижению температурных напряжений в теплообменнике.2. Блокировка крайних каналов течения горячего теплоносителя приводит к снижениюскоростной неравномерности (3%) в матрице теплообменника.3. Применение методики расчета в упругопластической постановке позволяет болееточно оценивать результаты расчетов.4. Блокировка крайних каналов целиком подразумевается как некий идеальныйслучай, и представлялся для демонстрации улучшений характеристик теплообменника.На самом деле, этот метод может быть интерпретирован разными способами, в томчисле и частичном перекрытии каналов.

×