[发明专利]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

说明书

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：