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

本发明专利技术公开一种基于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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于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

技术介绍
管壳式废热锅炉是一种对KKKTC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。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术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，本专利技术所采用以下技术方案： -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I. 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： 式中：q" 一热流密度，w/m2 k为导热系数w/m · °C (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： 式中：q" 一热流密度，w/m2 h-对流换热系数（或称膜传热系数、膜系数等），WAm2 · K) Ts-固体表面的温度，°C Tb-周围流体的温度，°C (3) ANSYS稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示） {T} = {Q} 式中：为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数； {Τ}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、{Τ} 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，本专利技术的有益效果为： 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专利技术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I. 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，局部放大图本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：叶增荣，
申请(专利权)人：南京金凌石化工程设计有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32