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蓄热式烧嘴的有限元分析及结构优化

发布于:2018-02-26 18:00
有限元分析

       蓄热式燃烧是通过蓄热体的蓄热与放热进行烟气余热极限回收,将燃烧介质预热到800-1100℃,同时减少CO和NO排放量,实现了既节能又环保的燃烧。蓄热式烧嘴是蓄热式加热炉的重要组成部分,由于换向频繁,导致烧嘴内衬耐火材料的工作环境恶劣,是加热炉炉衬最先破损且破损最严重的部位,也是炉墙冒火、串火的根源,严重影响了其使用寿命、节能效果。文献中提到,将传统的蓄热式烧嘴边缘的喷口由尖锐改为圆滑且渐缩渐扩的喷口形式,可以使流道的排烟能力比传统蓄热式烧嘴有较大提高。但其对蓄热式烧嘴的具体尺寸、结构形式及热应力分布没有深入研究。在本研究中,结合工艺特点并基于以上结构设想,对蓄热式烧嘴结构进行了有限元分析与结构改进。
       蓄热式烧嘴是由莫来石浇注料浇注而成的,分为煤气进出口、空气进出口两部分。为了满足火焰的组织情况,烧嘴的煤气出口和空气出口与水平线的夹角均为50°。
       根据实际测定的数据和文献手册,所取蓄热式烧嘴内衬莫来石耐火浇注料的主要物性参数如下:弹性模量14.5 GPa;泊松比0.2;热膨胀系数4.5 x10-6;抗拉强度94 MPa;热导率,600℃时1.79W·(m·K),900℃时1.43 W·(m·K)。
       采用ANSYS热结构直接藕合分析法对优化前的蓄热式烧嘴进行热应力分析。根据材料的特性和力学性能及ANSYS模型单元的属性特点,采用ScalarBrick 5和Scalar Tet 98两种单元。在划分网格时根据实际情况,兼顾计算的精确性及计算时间,采用不同的网格形式及不同的网格尺寸控制好网格的疏密,最终得到99397个单元。结合相关内容,将蓄热式烧嘴内壁表面(即耐火衬工作面)的热传导等效为1320℃的温度自由度约束施加在烧嘴面向炉膛外表面有限元模型的各个节点上,其外壁施加与空气的对流换热载荷,其值为10W·m·K,空气温度设定为30℃。燃烧阶段烧嘴喷口内表面与空气和煤气的热交换系数分别为45.5,37W·m,入口温度为800℃;排烟阶段烧嘴喷口内表面与空气和煤气的热交换系数均为36W·m,烟气入口温度为1320℃。
       在ANSYS中完成模型前处理和加载后进入求解器求解,得到结构优化前的蓄热式烧嘴在燃烧和排烟两种工况下的计算结果。
       由热应力分析结果可以看出,传统蓄热式烧嘴在燃烧阶段和排烟阶段的最大应力值分别为28.4,46.4MPa,均未超过烧嘴耐火浇注料的最大抗拉强度(94MPa)。可见,传统蓄热式烧嘴的破损原因不是由于耐火材料的强度不够。由于蓄热式烧嘴在燃烧和排烟阶段存在交变应力,而且交变应力远小于材料的强度极限破坏就有可能发生。因此,蓄热式烧嘴的破损可能是由于热疲劳引起的。

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