布袋除塵器的溫度場數(shù)值模擬

趙鵬，陳寶鋒，李強(qiáng)

(1.浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江杭州310012;2.中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580)

布袋除塵器的溫度場數(shù)值模擬

趙鵬1，陳寶鋒1，李強(qiáng)2

(1.浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江杭州310012;2.中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院，山東青島266580)

利用有限元分析軟件ANSYS建立了布袋除塵器的鋼結(jié)構(gòu)溫度場模型，模擬了正常工況和旁路工況下布袋除塵器的溫度場分布，計(jì)算結(jié)果清晰、直觀地反映了兩種工況下除塵器的溫度分布情況，為布袋除塵器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱應(yīng)力分析提供了理論依據(jù)。

布袋除塵器;有限元;溫度場;數(shù)值模擬

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，環(huán)境保護(hù)工作力度的加大，越來越多的環(huán)保設(shè)備投入使用［1］。布袋除塵器作為一種重要的環(huán)保設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煤礦、電廠、水泥廠和鋼鐵廠等場合［2－5］。

本文主要通過建立布袋除塵器的三維有限元模型對其進(jìn)行溫度場模擬，分析正常工況和旁路工況下布袋除塵器的溫度分布，為布袋除塵器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和熱應(yīng)力分析提供理論依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

溫度場的有限元計(jì)算實(shí)質(zhì)上是對溫度場微分方程相應(yīng)的泛函求極值的過程。布袋除塵器的溫度場分析屬于瞬態(tài)熱分析。在三維情況下，瞬態(tài)溫度場的場變量T(x，y，z，t)在直角坐標(biāo)系中應(yīng)滿足微分方程，如下式所示:

式中:Kx、Ky、Kz為布袋除塵器材料三維方向的導(dǎo)熱系數(shù)，隨溫度而變化;T為溫度;t為時(shí)間;q為單位容積中由于電流通過而產(chǎn)生的焦耳熱，在不導(dǎo)電的部位為0;C為材料的比熱容。

2 有限元模型

布袋除塵器主要由中箱體、上箱體、煙道、封板、底梁、灰斗、鋼支架和吹灰裝置等部件組合而成。本文為了分析布袋除塵器的溫度場，因此只需建立中箱體、上箱體、煙道、封板和底梁的有限元模型即可。

2.1 單元選擇

立柱和橫梁采用BEAM188梁單元，梁截面形狀有工字鋼、槽鋼、角鋼和方鋼。上箱體支撐圓管采用PIPE16單元。封板、隔板和蓋板采用SHELL63殼單元。具體參數(shù)可以通過實(shí)常數(shù)來定義。

2.2 材料參數(shù)

材料采用普通熱軋鋼Q235B，高溫彈性模量取為1.57×1011Pa，密度7850kg/m3，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度235MPa，導(dǎo)熱系數(shù)50.2W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)1.4×10－5/K。

2.3 網(wǎng)格劃分

對模型的線劃分網(wǎng)格，跨度較大的梁節(jié)點(diǎn)間距取為0.4m，跨度較小的梁節(jié)點(diǎn)間距取為0.08m，跨度最小的梁節(jié)點(diǎn)間距取為0.01m，可以保證每根梁上都有一定數(shù)量的單元，又不至于部分區(qū)域網(wǎng)格過密導(dǎo)致計(jì)算量巨大。整個(gè)有限元模型共有4895個(gè)BEAM188梁單元，192個(gè)PIPE16單元，13939個(gè)SHELL63殼單元，15189個(gè)節(jié)點(diǎn)。利用參數(shù)化語言建立布袋除塵器的有限元模型如圖1所示。

圖1 布袋除塵器有限元模型

3 溫度場分析

3.1 正常工況下溫度場分析

利用Fluent軟件在正常工況下對布袋除塵器有限元模型進(jìn)行溫度場計(jì)算后將所得到的各結(jié)構(gòu)部件的溫度結(jié)果導(dǎo)入ANSYS軟件，溫度以體載荷的形式施加于布袋除塵器有限元模型。正常工況下布袋除塵器的溫度場分布如圖2所示。

圖2 正常工況下布袋除塵器溫度場分布

布袋除塵器中間為煙道，左進(jìn)右出。煙道兩側(cè)各有4個(gè)氣室，氣室之間由隔板分開。從圖2中可知，箱體的前后封板處溫度較高，且從左向右呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢，左側(cè)箱體封板最高溫度為370℃左右，且高溫區(qū)域較少，而右側(cè)箱體封板溫度已達(dá)410℃，幾乎全部處于高溫區(qū)域。布袋除塵器蓋板的煙道上方區(qū)域溫度較高，幾乎均達(dá)到400℃。

總之，除柱腳外，布袋除塵器整體溫度基本在370～410℃的范圍內(nèi)，分布較均勻，溫差較小。

3.2 旁路工況下溫度場分析

旁路保護(hù)是在布袋除塵器的進(jìn)出口煙道上設(shè)置旁路閥門。當(dāng)煙溫超過濾袋所能承受的溫度范圍或?yàn)V袋壓差大于設(shè)定值時(shí)，旁路閥門自動打開，布袋除塵器的進(jìn)出口閥門關(guān)閉，煙氣不經(jīng)過氣室而是直接經(jīng)過引風(fēng)機(jī)排到煙囪，對布袋除塵器起到有效的保護(hù)作用。但是旁路只能起到瞬間的保護(hù)作用，應(yīng)該將鍋爐盡快停用。利用Fluent軟件對旁路工況下溫度場進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果可知，由于煙氣未流通于氣室，氣室箱體外側(cè)封板溫度很低，均為300℃左右。煙道區(qū)域的封板和蓋板溫度很高，全部達(dá)到412℃。為了更清晰地反映布袋除塵器的溫度場分布，現(xiàn)將氣室隔板溫度場提取如圖3所示。

圖3 旁路工況下氣室隔板溫度場分布

從圖3中可知，隔板的溫度呈現(xiàn)從煙道側(cè)向氣室外側(cè)板逐漸降低的規(guī)律(412℃→300℃)，且每塊氣室隔板的溫度分布基本相同。

4 結(jié)語

利用ANSYS軟件建立了布袋除塵器的三維有限元模型，并對其在正常工況和旁路工況下的溫度場進(jìn)行了計(jì)算和分析，計(jì)算結(jié)果比較清晰、直觀地反映了布袋除塵器構(gòu)件溫度的分布和變化情況，為下一步對布袋除塵器鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和熱應(yīng)力計(jì)算提供了理論參考。

［1］中國網(wǎng)數(shù)據(jù)庫.“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃［EB/ OL］.http://www.china.com.cn/policy/txt/2012－07/20/content _25968625.htm，2012－07－09.

［2］喻俊霖，潘伶，陳金興.基于ANSYS的布袋除塵器鋼架有限元分析［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2009，36(10):26－28.

［3］趙欣華，梁冬.布袋除塵器技術(shù)在火電廠鍋爐煙氣除塵的應(yīng)用［J］.吉林電力，2005，27(2):154－157.

［4］王鴻合，張斌.布袋除塵器技術(shù)及其應(yīng)用［J］.黑龍江電力，2004，174(5):14－17.

［5］方華.淺談布袋除塵器在電廠鍋爐煙氣除塵中的應(yīng)用［J］.裝備應(yīng)用與研究，2013，372(18):42－43.

Temperature field numerical simulation of bag precipitator

The steel structure temperature field model of bag precipitator is set up with ANSYS，and the temperature distribution subjected to normal working condition and bypass condition are simulated.The corresponding temperature distribution regular is clearly and intuitively reflected by calculation results.The theoretical basis of optimization design and thermal stress analysis is provided.

bag precipitator;finite element;temperature field;numerical simulation

X701.2

B

:1674－8069(2015)06－023－02

2015-06-12;

:2015-08-20

趙鵬(1984-)，男，山東德州人，工程師，主要從事化工機(jī)械和環(huán)保設(shè)備設(shè)計(jì)工作。E－mail:zhaopeng@zpcdi.com