趙鵬，陳寶鋒，李強

(1.浙江省天正設計工程有限公司，浙江杭州310012;2.中國石油大學(華東)化學工程學院，山東青島266580)

布袋除塵器的溫度場數值模擬

趙鵬1，陳寶鋒1，李強2

(1.浙江省天正設計工程有限公司，浙江杭州310012;2.中國石油大學(華東)化學工程學院，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構溫度場模型，模擬了正常工況和旁路工況下布袋除塵器的溫度場分布，計算結果清晰、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)化設計和熱應力分析提供了理論依據。

布袋除塵器;有限元;溫度場;數值模擬

0 引言

隨著國民經濟的快速增長，環(huán)境保護工作力度的加大，越來越多的環(huán)保設備投入使用［1］。布袋除塵器作為一種重要的環(huán)保設備，廣泛應用于煤礦、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)化設計和熱應力分析提供理論依據。

1 數學模型

溫度場的有限元計算實質上是對溫度場微分方程相應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)在直角坐標系中應滿足微分方程，如下式所示:

式中:Kx、Ky、Kz為布袋除塵器材料三維方向的導熱系數，隨溫度而變化;T為溫度;t為時間;q為單位容積中由于電流通過而產生的焦耳熱，在不導電的部位為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。具體參數可以通過實常數來定義。

2.2 材料參數

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，屈服強度235MPa，導熱系數50.2W/(m·K)，熱膨脹系數1.4×10－5/K。

2.3 網格劃分

對模型的線劃分網格，跨度較大的梁節(jié)點間距取為0.4m，跨度較小的梁節(jié)點間距取為0.08m，跨度最小的梁節(jié)點間距取為0.01m，可以保證每根梁上都有一定數量的單元，又不至于部分區(qū)域網格過密導致計算量巨大。整個有限元模型共有4895個BEAM188梁單元，192個PIPE16單元，13939個SHELL63殼單元，15189個節(jié)點。利用參數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行溫度場計算后將所得到的各結構部件的溫度結果導入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，左進右出。煙道兩側各有4個氣室，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，且從左向右呈現逐漸升高的趨勢，左側箱體封板最高溫度為370℃左右，且高溫區(qū)域較少，而右側箱體封板溫度已達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，分布較均勻，溫差較小。

3.2 旁路工況下溫度場分析

旁路保護是在布袋除塵器的進出口煙道上設置旁路閥門。當煙溫超過濾袋所能承受的溫度范圍或濾袋壓差大于設定值時，旁路閥門自動打開，布袋除塵器的進出口閥門關閉，煙氣不經過氣室而是直接經過引風機排到煙囪，對布袋除塵器起到有效的保護作用。但是旁路只能起到瞬間的保護作用，應該將鍋爐盡快停用。利用Fluent軟件對旁路工況下溫度場進行模擬，模擬結果可知，由于煙氣未流通于氣室，氣室箱體外側封板溫度很低，均為300℃左右。煙道區(qū)域的封板和蓋板溫度很高，全部達到412℃。為了更清晰地反映布袋除塵器的溫度場分布，現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，隔板的溫度呈現從煙道側向氣室外側板逐漸降低的規(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行了計算和分析，計算結果比較清晰、直觀地反映了布袋除塵器構件溫度的分布和變化情況，為下一步對布袋除塵器鋼結構的優(yōu)化和熱應力計算提供了理論參考。

［1］中國網數據庫.“十二五”國家戰(zhàn)略性新興產業(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］.計算機應用技術，2009，36(10):26－28.

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

［4］王鴻合，張斌.布袋除塵器技術及其應用［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用［J］.裝備應用與研究，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，主要從事化工機械和環(huán)保設備設計工作。E－mail:zhaopeng@zpcdi.com