一種基于ansys的確定管殼式廢熱鍋爐整體溫度場分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于ANSYS的確定管殼式廢熱鍋爐整體溫度場分布的方法，屬于 利用有限元數(shù)值計算方法進行溫度場模擬的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 管殼式廢熱鍋爐是一種對KKKTC以上高溫煙氣的熱能回收產(chǎn)生蒸汽的設(shè)備。對高 溫煙氣入口側(cè)管板要采取熱防護措施確保管板溫度分布不超過設(shè)計限定范圍。如果管板出 現(xiàn)超溫會對設(shè)備的安全運行帶來嚴重隱患。可見溫度是影響廢熱鍋爐可靠性的重要的因素 之一。
[0003] 以往工程設(shè)計中大多采用簡單公式加經(jīng)驗系數(shù)來估算管板溫度，結(jié)果只能作為參 考。以往如果采用有限元法進行溫度場計算，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立完整的幾何模型非常 困難，往往建立局部簡化模型進行溫度場計算，對影響溫度場的因素考慮不夠系統(tǒng)，不夠全 面，結(jié)果存在較大誤差，同時也無法得到完整的溫度場分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于ANSYS的確定管殼式廢 熱鍋爐整體溫度場分布的方法，具體是一種建立管殼式廢熱鍋爐整體有限元分析模型并進 行溫度場分布數(shù)值確定的方法。該方法解決了不對稱結(jié)構(gòu)難以采用鏡像操作生成整體模型 的問題。同時通過參數(shù)化建模，自動完成幾何建模、網(wǎng)格劃分、施加參數(shù)化邊界條件、求解、 后處理的全過程分析。在參數(shù)化的分析過程中可以修改其中的參數(shù)達到反復(fù)分析各種尺 寸、不同載荷大小的多種設(shè)計方案達到最優(yōu)化設(shè)計目標，提高分析效率，減少分析成本。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用以下技術(shù)方案：
[0006] -種基于ANSYS的確定管殼式廢熱鍋爐整體溫度場分布的方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :建立管殼式廢熱鍋爐的整體有限元分析模型；
[0008] 步驟2 :對管殼式廢熱鍋爐的整體有限元分析模型施加溫度邊界條件；
[0009] 步驟3 :求解溫度場；
[0010] 步驟4 :溫度場結(jié)果分析與評價。
[0011] 所述步驟1中所述管殼式廢熱鍋爐的整體有限元分析模型的建立過程包括以下 步驟：
[0012] 步驟I. 1 :建立廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型；
[0013] 步驟1. 2 :對已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型定義材料導熱系數(shù)；
[0014] 步驟1. 3 :對已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型定義材料實常數(shù)；
[0015] 步驟1. 4 :對已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型進行網(wǎng)格劃分；
[0016] 步驟1. 5 :由廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型中選擇需進行鏡像操作的實體單元通過鏡 像操作生成廢熱鍋爐出口側(cè)幾何模型；
[0017] 步驟1.6 :廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型與出口側(cè)幾何模型進行合并生成廢熱鍋爐整 體有限元分析模型。
[0018] 所述步驟2中施加溫度邊界條件的過程包含如下步驟：
[0019] 步驟2. 1 :耐火隔熱澆注料外表面施加熱對流邊界條件，包括煙氣對流傳熱膜系 數(shù)及煙氣入口溫度；
[0020] 步驟2. 2 :陶瓷保護內(nèi)套管的內(nèi)表面施加熱對流邊界條件，包括煙氣對流傳熱膜 系數(shù)及煙氣入口溫度；
[0021] 步驟2. 3 :換熱管內(nèi)表面施加熱對流邊界條件，包括煙氣對流傳熱膜系數(shù)及煙氣 平均溫度，所述的煙氣平均溫度假定從換熱管入口至出口溫度均勻下降，按函數(shù)關(guān)系式在 換熱管內(nèi)表面施加；
[0022] 步驟2. 4 :煙氣出口側(cè)管板外表面施加熱對流邊界條件，包括煙氣對流傳熱膜系 數(shù)及煙氣出口溫度；
[0023] 步驟2. 5 :換熱管外表面施加熱對流邊界條件，包括鍋爐給水對流傳熱膜系數(shù)及 鍋爐給水平均溫度；
[0024] 步驟2. 6 :鍋殼筒體內(nèi)表面施加熱對流邊界條件，包括鍋爐給水對流傳熱膜系數(shù) 及鍋爐給水平均溫度；
[0025] 步驟2. 7 :鍋殼筒體外保溫層外表面施加熱對流邊界條件，包括空氣對流傳熱膜 系數(shù)及環(huán)境溫度；
[0026] 步驟2. 8 :包括耐火隔熱澆注料、陶瓷保護外套管、陶瓷保護內(nèi)套管、換熱管、煙氣 入口側(cè)管板、鍋殼筒體、外保溫層和煙氣出口側(cè)管板的固體內(nèi)部及固體之間的熱量傳遞屬 于熱傳導，步驟1. 2中已給定了以上固體材料的導熱系數(shù)；
[0027] 步驟2. 9 :對稱邊界的表面作為完全絕熱處理。
[0028] 所述步驟3中的求解溫度場為利用有限元分析軟件ANSYS中的求解器進行穩(wěn)態(tài) 溫度場求解。所述管殼式廢熱鍋爐溫度場計算涉及到如下傳熱問題包括：熱傳導、熱對流、 ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程。
[0029] (1)熱傳導可以定義為完全接觸的兩個物體之間及一個物體的不同部分之間由于 溫度梯度而引起的內(nèi)能交換。熱傳導遵循傅立葉定律：
[0030]
[0031] 式中：q" 一熱流密度，w/m2
[0032] k為導熱系數(shù)w/m · °C
[0033] (2)熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱 量的交換。熱對流用牛頓冷卻方程來描述：
[0034]
[0035] 式中：q" 一熱流密度，w/m2
[0036] h-對流換熱系數(shù)（或稱膜傳熱系數(shù)、膜系數(shù)等），WAm2 · K)
[0037] Ts-固體表面的溫度，°C
[0038] Tb-周圍流體的溫度，°C
[0039] (3) ANSYS穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為（以矩陣形式表示）
[0040] [K] {T} = {Q}
[0041] 式中：[Κ]為傳導矩陣，包含導熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射率和形狀系數(shù)；
[0042] {Τ}為節(jié)點溫度向量；
[0043] {Q}為節(jié)點熱流率向量，包含熱生成；
[0044] ANSYS利用模型幾何參數(shù)、材料熱性能參數(shù)以及所施加的邊界條件，生成[Κ]、{Τ} 以及{Q}。
[0045] 所述步驟4中溫度場結(jié)果分析與評價過程包含如下步驟：
[0046] 步驟4. 1 :得到廢熱鍋爐整體溫度場分布；
[0047] 步驟4. 2 :得到廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)沿耐火隔熱澆注料及煙氣入口側(cè)管板厚度方 向溫度梯度變化曲線；
[0048] 步驟4. 3 :得到廢熱鍋爐煙氣出口側(cè)沿管板厚度方向溫度梯度變化曲線；
[0049] 步驟4. 4 :將溫度梯度變化曲線與設(shè)計限定范圍比較評價溫度場分析結(jié)果。
[0050] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0051] 由于建立了管殼式廢熱鍋爐整體有限元分析模型，可以得到整體溫度場分布，了 解廢熱鍋爐內(nèi)部溫度場分布情況。通過對比不同參數(shù)下的計算結(jié)果可以確定最佳的管板耐 火隔熱澆注料材料性能及厚度、陶瓷保護套管的厚度與長度，定量分析管板熱防護措施的 效果。整個分析過程提高了分析效率，減少了分析成本，溫度場分析準確度較高。
【附圖說明】
[0052] 圖1為管殼式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖
[0053] 圖2為廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型圖
[0054] 圖3為廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型放大圖
[0055] 圖4為廢熱鍋爐入口側(cè)幾何網(wǎng)格劃分圖
[0056] 圖5為通過鏡像操作生成的廢熱鍋爐整體有限元分析模型
[0057] 圖6為廢熱鍋爐整體有限元分析模型施加邊界條件示意圖
[0058] 圖7為廢熱鍋爐整體溫度場分布
[0059] 圖8為廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)沿耐火隔熱澆注料及管板厚度方向溫度梯度曲線（管 板轉(zhuǎn)角過渡處）
[0060] 圖9為廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)沿耐火隔熱澆注料及管板厚度方向溫度梯度曲線（管 板孔橋處）
[0061] 圖10為廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)沿耐火隔熱澆注料及管板厚度方向溫度梯度曲線 (管板管孔處）
[0062] 圖11為廢熱鍋爐煙氣出口側(cè)管板厚度方向溫度梯度曲線（管板轉(zhuǎn)角過渡處）
[0063] 圖12為廢熱鍋爐煙氣出口側(cè)管板厚度方向溫度梯度曲線（管板孔橋處）
[0064] 圖13為廢熱鍋爐煙氣出口側(cè)管板厚度方向溫度梯度曲線（管板管孔處）
【具體實施方式】
[0065] 下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做更進一步的詳細描述和說明。
[0066] 步驟1 :本實施例中根據(jù)管殼式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖（如圖1所示），利用APDL參 數(shù)化語言進行幾何建模，建立管殼式廢熱鍋爐整體有限元分析模型。
[0067] 步驟I. 1 :先建立廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型。
[0068] 包括：廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)管板1、換熱管5、鍋殼筒體7、外保溫層6、管板熱防護 結(jié)構(gòu)（耐火隔熱澆注料3、陶瓷保護內(nèi)套管4、陶瓷保護外套管8)。
[0069] 入口側(cè)幾何模型取該廢熱鍋爐周向的四分之一，軸向的二分之一。
[0070] 建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型如圖2所示，局部放大圖如圖3所示。
[0071] 步驟1. 2 :對已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型定義材料的導熱系數(shù)。
[0072] 本實施例中各種材料的導熱系數(shù)如表1所示。
[0073] 表1材料導熱系數(shù)
[0074]
[0075] 步驟1. 3 :對已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型定義材料的實常數(shù)。
[0076] 本實施例中定義的各種材料的實常數(shù)如表2所示。
[0077] 所定義的各種材料的實常數(shù)對溫度場計算無實際物理意義，其目的僅僅是對各種 材料的實體單元進行賦值編號，為下一步進行鏡像操作生成廢熱鍋爐出口端幾何模型選擇 實體單元提供條件。
[0078] 表2材料實常數(shù)
[0080] 步驟1. 4 :對已建立的廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型進行網(wǎng)格劃分。
[0081] 選擇8節(jié)點六面體熱分析單元S0LID70進行映射網(wǎng)格劃分，本實施例中共劃分單 元290769個，共劃分節(jié)點472239個。
[0082] 廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型網(wǎng)格劃分圖如圖4所示。
[0083] 步驟1. 5 :由廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型中選擇需進行鏡像操作的實體單元通過鏡 像操作生成廢熱鍋爐出口側(cè)幾何模型。
[0084] 由于出口側(cè)幾何模型沒有管板熱防護結(jié)構(gòu)（耐火隔熱澆注料3、陶瓷保護內(nèi)套管 4、陶瓷保護外套管8)，因此不能把廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型全部進行鏡像操作生成出口側(cè) 幾何模型，而要選擇廢熱鍋爐入口側(cè)幾何模型中的廢熱鍋爐煙氣入口側(cè)管