CN105160073A - 一种基于ansys的确定管壳式废热锅炉整体温度场分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于ANSYS的确定管壳式废热锅炉整体温度场分布的方法，包括以下步骤：步骤1：建立管壳式废热锅炉的整体有限元分析模型；步骤2：对管壳式废热锅炉的整体有限元分析模型施加温度边界条件；步骤3：求解温度场；步骤4：温度场结果分析与评价。本发明方法由于建立了管壳式废热锅炉整体有限元分析模型，可以得到整体温度场分布，了解废热锅炉内部温度场分布情况。通过对比不同参数下的计算结果可以确定最佳的管板耐火隔热浇注料材料性能及厚度、陶瓷保护套管的厚度与长度，定量分析管板热防护措施的效果。整个分析过程提高了分析效率，减少了分析成本，温度场分析准确度较高。

Description

一种基于ANSYS的确定管壳式废热锅炉整体温度场分布的方法

技术领域

本发明涉及一种基于ANSYS的确定管壳式废热锅炉整体温度场分布的方法，属于利用有限元数值计算方法进行温度场模拟的技术领域。

背景技术

管壳式废热锅炉是一种对1000℃以上高温烟气的热能回收产生蒸汽的设备。对高温烟气入口侧管板要采取热防护措施确保管板温度分布不超过设计限定范围。如果管板出现超温会对设备的安全运行带来严重隐患。可见温度是影响废热锅炉可靠性的重要的因素之一。

以往工程设计中大多采用简单公式加经验系数来估算管板温度，结果只能作为参考。以往如果采用有限元法进行温度场计算，由于设备结构复杂，建立完整的几何模型非常困难，往往建立局部简化模型进行温度场计算，对影响温度场的因素考虑不够系统，不够全面，结果存在较大误差，同时也无法得到完整的温度场分布。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于ANSYS的确定管壳式废热锅炉整体温度场分布的方法，具体是一种建立管壳式废热锅炉整体有限元分析模型并进行温度场分布数值确定的方法。该方法解决了不对称结构难以采用镜像操作生成整体模型的问题。同时通过参数化建模，自动完成几何建模、网格划分、施加参数化边界条件、求解、后处理的全过程分析。在参数化的分析过程中可以修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案达到最优化设计目标，提高分析效率，减少分析成本。

为实现上述目的，本发明所采用以下技术方案：

一种基于ANSYS的确定管壳式废热锅炉整体温度场分布的方法，包括以下步骤：

步骤1：建立管壳式废热锅炉的整体有限元分析模型；

步骤2：对管壳式废热锅炉的整体有限元分析模型施加温度边界条件；

步骤3：求解温度场；

步骤4：温度场结果分析与评价。

所述步骤1中所述管壳式废热锅炉的整体有限元分析模型的建立过程包括以下步骤：

步骤1.1：建立废热锅炉入口侧几何模型；

步骤1.2：对已建立的废热锅炉入口侧几何模型定义材料导热系数；

步骤1.3：对已建立的废热锅炉入口侧几何模型定义材料实常数；

步骤1.4：对已建立的废热锅炉入口侧几何模型进行网格划分；

步骤1.5：由废热锅炉入口侧几何模型中选择需进行镜像操作的实体单元通过镜像操作生成废热锅炉出口侧几何模型；

步骤1.6：废热锅炉入口侧几何模型与出口侧几何模型进行合并生成废热锅炉整体有限元分析模型。

所述步骤2中施加温度边界条件的过程包含如下步骤：

步骤2.1：耐火隔热浇注料外表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数及烟气入口温度；

步骤2.2：陶瓷保护内套管的内表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数及烟气入口温度；

步骤2.3：换热管内表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数及烟气平均温度，所述的烟气平均温度假定从换热管入口至出口温度均匀下降，按函数关系式在换热管内表面施加；

步骤2.4：烟气出口侧管板外表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数及烟气出口温度；

步骤2.5：换热管外表面施加热对流边界条件，包括锅炉给水对流传热膜系数及锅炉给水平均温度；

步骤2.6：锅壳筒体内表面施加热对流边界条件，包括锅炉给水对流传热膜系数及锅炉给水平均温度；

步骤2.7：锅壳筒体外保温层外表面施加热对流边界条件，包括空气对流传热膜系数及环境温度；

步骤2.8：包括耐火隔热浇注料、陶瓷保护外套管、陶瓷保护内套管、换热管、烟气入口侧管板、锅壳筒体、外保温层和烟气出口侧管板的固体内部及固体之间的热量传递属于热传导，步骤1.2中已给定了以上固体材料的导热系数；

步骤2.9：对称边界的表面作为完全绝热处理。

所述步骤3中的求解温度场为利用有限元分析软件ANSYS中的求解器进行稳态温度场求解。所述管壳式废热锅炉温度场计算涉及到如下传热问题包括：热传导、热对流、ANSYS稳态热分析的能量平衡方程。

(1)热传导可以定义为完全接触的两个物体之间及一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能交换。热传导遵循傅立叶定律：

$q^{\′\′}=-k\frac{dT}{dx}$

式中：q”—热流密度，w/m²

k为导热系数w/m·℃

(2)热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流用牛顿冷却方程来描述：

q”＝h(T_s-T_B)

式中：q”—热流密度，w/m²

h—对流换热系数(或称膜传热系数、膜系数等)，W/(m²·K)

T_s—固体表面的温度，℃

T_B—周围流体的温度，℃

(3)ANSYS稳态热分析的能量平衡方程为(以矩阵形式表示)

[K]{T}＝{Q}

式中：[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；

{T}为节点温度向量；

{Q}为节点热流率向量，包含热生成；

ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[K]、{T}以及{Q}。

所述步骤4中温度场结果分析与评价过程包含如下步骤：

步骤4.1：得到废热锅炉整体温度场分布；

步骤4.2：得到废热锅炉烟气入口侧沿耐火隔热浇注料及烟气入口侧管板厚度方向温度梯度变化曲线；

步骤4.3：得到废热锅炉烟气出口侧沿管板厚度方向温度梯度变化曲线；

步骤4.4：将温度梯度变化曲线与设计限定范围比较评价温度场分析结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

由于建立了管壳式废热锅炉整体有限元分析模型，可以得到整体温度场分布，了解废热锅炉内部温度场分布情况。通过对比不同参数下的计算结果可以确定最佳的管板耐火隔热浇注料材料性能及厚度、陶瓷保护套管的厚度与长度，定量分析管板热防护措施的效果。整个分析过程提高了分析效率，减少了分析成本，温度场分析准确度较高。

附图说明

图1为管壳式废热锅炉结构示意图

图2为废热锅炉入口侧几何模型图

图3为废热锅炉入口侧几何模型放大图

图4为废热锅炉入口侧几何网格划分图

图5为通过镜像操作生成的废热锅炉整体有限元分析模型

图6为废热锅炉整体有限元分析模型施加边界条件示意图

图7为废热锅炉整体温度场分布

图8为废热锅炉烟气入口侧沿耐火隔热浇注料及管板厚度方向温度梯度曲线(管板转角过渡处)

图9为废热锅炉烟气入口侧沿耐火隔热浇注料及管板厚度方向温度梯度曲线(管板孔桥处)

图10为废热锅炉烟气入口侧沿耐火隔热浇注料及管板厚度方向温度梯度曲线(管板管孔处)

图11为废热锅炉烟气出口侧管板厚度方向温度梯度曲线(管板转角过渡处)

图12为废热锅炉烟气出口侧管板厚度方向温度梯度曲线(管板孔桥处)

图13为废热锅炉烟气出口侧管板厚度方向温度梯度曲线(管板管孔处)

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做更进一步的详细描述和说明。

步骤1：本实施例中根据管壳式废热锅炉结构示意图(如图1所示)，利用APDL参数化语言进行几何建模，建立管壳式废热锅炉整体有限元分析模型。

步骤1.1：先建立废热锅炉入口侧几何模型。

包括：废热锅炉烟气入口侧管板1、换热管5、锅壳筒体7、外保温层6、管板热防护结构(耐火隔热浇注料3、陶瓷保护内套管4、陶瓷保护外套管8)。

入口侧几何模型取该废热锅炉周向的四分之一，轴向的二分之一。

建立的废热锅炉入口侧几何模型如图2所示，局部放大图如图3所示。

步骤1.2：对已建立的废热锅炉入口侧几何模型定义材料的导热系数。

本实施例中各种材料的导热系数如表1所示。

表1材料导热系数

步骤1.3：对已建立的废热锅炉入口侧几何模型定义材料的实常数。

本实施例中定义的各种材料的实常数如表2所示。

所定义的各种材料的实常数对温度场计算无实际物理意义，其目的仅仅是对各种材料的实体单元进行赋值编号，为下一步进行镜像操作生成废热锅炉出口端几何模型选择实体单元提供条件。

表2材料实常数

步骤1.4：对已建立的废热锅炉入口侧几何模型进行网格划分。

选择8节点六面体热分析单元SOLID70进行映射网格划分，本实施例中共划分单元290769个，共划分节点472239个。

废热锅炉入口侧几何模型网格划分图如图4所示。

步骤1.5：由废热锅炉入口侧几何模型中选择需进行镜像操作的实体单元通过镜像操作生成废热锅炉出口侧几何模型。

由于出口侧几何模型没有管板热防护结构(耐火隔热浇注料3、陶瓷保护内套管4、陶瓷保护外套管8)，因此不能把废热锅炉入口侧几何模型全部进行镜像操作生成出口侧几何模型，而要选择废热锅炉入口侧几何模型中的废热锅炉烟气入口侧管板1、换热管5、锅壳筒体7、外保温层6实体单元进行镜像操作。

利用步骤1.3中已完成的材料实常数编号，选择废热锅炉入口侧几何模型中实常数编号1-4号的实体单元(即排除入口侧管板热防护结构(耐火隔热浇注料3、陶瓷保护内套管4、陶瓷保护外套管8)实常数编号为5-7号的实体单元)进行镜像操作生成废热锅炉出口侧几何模型。

步骤1.6：废热锅炉入口侧几何模型与出口侧几何模型进行合并生成废热锅炉整体有限元分析模型。

对废热锅炉入口侧几何模型与出口侧几何模型进行合并生成的废热锅炉整体有限元分析模型如图5所示。

步骤2：对管壳式废热锅炉整体有限元分析模型施加温度边界条件。温度边界条件施加包含如下子步骤：

步骤2.1：耐火隔热浇注料3外表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数a及烟气入口温度b；

步骤2.2：陶瓷保护内套管4的内表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数a及烟气入口温度b；

步骤2.3：换热管5内表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数a及烟气平均温度g，烟气平均温度g假定从换热管5入口至出口温度均匀下降，按函数关系式在换热管5内表面施加；

步骤2.4：烟气出口侧管板2外表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数a及烟气出口温度h；

步骤2.5：换热管5外表面施加热对流边界条件，包括锅炉给水对流传热膜系数e及锅炉给水平均温度f；

步骤2.6：锅壳筒体7内表面施加热对流边界条件，包括锅炉给水对流传热膜系数e及锅炉给水平均温度f；

步骤2.7：锅壳筒体7外保温层6外表面施加热对流边界条件，包括空气对流传热膜系数c及环境温度d；

步骤2.8：耐火隔热浇注料3、陶瓷保护外套管4、陶瓷保护内套管8、换热管5、烟气入口侧管板1、锅壳筒体7、外保温层6、烟气出口侧管板2等固体内部与固体之间的热量传递属于热传导，步骤1.2中已给定了以上固体材料的导热系数。

步骤2.9：对称边界的表面作为完全绝热处理；

废热锅炉整体有限元分析模型施加边界条件如图6所示。

本实施例中对流传热膜系数按表3取值。

本实施例中介质温度按表4取值。

换热管内烟气温度按函数关系式℃在换热管内表面施加，其中1035为烟气入口温度、380为烟气出口温度、8000为换热管长度、Z为沿换热管轴向的距离。

表3传热膜系数取值范围

	传热膜系数W·(m2·℃)-1
		高温烟气	20～100
锅炉给水	1700～3000
		环境空气	5～25

表4介质温度取值

	管程	壳程
			操作介质	高温烟气	锅炉给水，中压饱和蒸汽
操作温度(进口/出口)℃	1035/380	257

步骤3：求解温度场

利用有限元分析软件ANSYS中的求解器进行稳态温度场求解。所述管壳式废热锅炉温度场计算涉及到如下传热问题包括：热传导、热对流、ANSYS稳态热分析的能量平衡方程。

(1)热传导可以定义为完全接触的两个物体之间及一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能交换。热传导遵循傅立叶定律：

$q^{\′\′}=-k\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}$

式中：q”—热流密度，w/m²

k为导热系数w/m·℃

(2)热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。热对流用牛顿冷却方程来描述：

q”＝h(T_s-T_B)

式中：q”—热流密度，w/m²

h—对流换热系数(或称膜传热系数、膜系数等)，W/(m²·K)

T_s—固体表面的温度，℃

T_B—周围流体的温度，℃

(3)ANSYS稳态热分析的能量平衡方程为(以矩阵形式表示)

[K]{T}＝{Q}

式中：[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；

{T}为节点温度向量；

{Q}为节点热流率向量，包含热生成；

ANSYS利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件，生成[K]、{T}以及{Q}。

步骤4：温度场结果分析与评价

步骤4.1：得到废热锅炉整体温度场分析结果。

本实施例中得到废热锅炉整体温度场分布如图7所示。

步骤4.2：得到废热锅炉烟气入口侧沿耐火隔热浇注料及烟气入口侧管板厚度方向温度梯度变化曲线；

本实施例中得到废热锅炉烟气入口侧沿耐火隔热浇注料及管板厚度方向温度梯度曲线(管板转角过渡处)如图8所示。

本实施例中得到废热锅炉烟气入口侧沿耐火隔热浇注料及管板厚度方向温度梯度曲线(管板孔桥处)如图9所示。

本实施例中得到废热锅炉烟气入口侧沿耐火隔热浇注料及管板厚度方向温度梯度曲线(管板管孔处)如图10所示。

步骤4.3：得到废热锅炉烟气出口侧沿管板厚度方向温度梯度变化曲线；

本实施例中得到废热锅炉烟气出口侧管板厚度方向温度梯度曲线(管板转角过渡处)如图11所示。

本实施例中得到废热锅炉烟气出口侧管板厚度方向温度梯度曲线(管板孔桥处)如图12所示。

本实施例中得到废热锅炉烟气出口侧管板厚度方向温度梯度曲线(管板管孔处)如图13所示。

步骤4.4：将温度梯度变化曲线与设计限定范围比较评价温度场分析结果。

利用温度梯度曲线可以得到管板温度分布范围，以此评估管板温度分布是否超过设计限定范围，同时评价管板热防护措施的效果。

本实施例中高温烟气入口温度1035℃，经过管板热防护结构(耐火隔热浇注料3、陶瓷保护内套管4、陶瓷保护外套管8)的隔热，烟气入口侧管板1的温度范围为380℃～302℃。管板热防护措施的效果为温度从1035℃降低到380℃。烟气出口侧管板2的温度范围为326℃～264℃。

Claims (5)

1.一种基于ANSYS的确定管壳式废热锅炉整体温度场分布的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：建立管壳式废热锅炉的整体有限元分析模型；

步骤2：对管壳式废热锅炉的整体有限元分析模型施加温度边界条件；

步骤3：求解温度场；

步骤4：温度场结果分析与评价。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1中所述管壳式废热锅炉的整体有限元分析模型的建立过程包括以下步骤：

步骤1.1：建立废热锅炉入口侧几何模型；

步骤1.2：对已建立的废热锅炉入口侧几何模型定义材料导热系数；

步骤1.3：对已建立的废热锅炉入口侧几何模型定义材料实常数；

步骤1.4：对已建立的废热锅炉入口侧几何模型进行网格划分；

步骤1.5：由废热锅炉入口侧几何模型中选择需进行镜像操作的实体单元通过镜像操作生成废热锅炉出口侧几何模型；

步骤1.6：废热锅炉入口侧几何模型与出口侧几何模型进行合并生成废热锅炉整体有限元分析模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2中施加温度边界条件的过程包含如下步骤：

步骤2.1：耐火隔热浇注料外表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数及烟气入口温度；

步骤2.2：陶瓷保护内套管的内表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数及烟气入口温度；

步骤2.3：换热管内表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数及烟气平均温度，所述的烟气平均温度假定从换热管入口至出口温度均匀下降，按函数关系式在换热管内表面施加；

步骤2.4：烟气出口侧管板外表面施加热对流边界条件，包括烟气对流传热膜系数及烟气出口温度；

步骤2.5：换热管外表面施加热对流边界条件，包括锅炉给水对流传热膜系数及锅炉给水平均温度；

步骤2.6：锅壳筒体内表面施加热对流边界条件，包括锅炉给水对流传热膜系数及锅炉给水平均温度；

步骤2.7：锅壳筒体外保温层外表面施加热对流边界条件，包括空气对流传热膜系数及环境温度；

步骤2.8：包括耐火隔热浇注料、陶瓷保护外套管、陶瓷保护内套管、换热管、烟气入口侧管板、锅壳筒体、外保温层和烟气出口侧管板的固体内部及固体之间的热量传递属于热传导；

步骤2.9：对称边界的表面作为完全绝热处理。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤3中的求解温度场为利用有限元分析软件ANSYS中的求解器进行温度场求解。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤4中温度场结果分析与评价过程包含如下步骤：

步骤4.1：得到废热锅炉整体温度场分布；

步骤4.2：得到废热锅炉烟气入口侧沿耐火隔热浇注料及烟气入口侧管板厚度方向温度梯度变化曲线；

步骤4.3：得到废热锅炉烟气出口侧沿管板厚度方向温度梯度变化曲线；

步骤4.4：将温度梯度变化曲线与设计限定范围比较评价温度场分析结果。