布袋除尘器的温度场数值模拟

赵鹏，陈宝锋，李强

(1.浙江省天正设计工程有限公司，浙江杭州310012;2.中国石油大学(华东)化学工程学院，山东青岛266580)

布袋除尘器的温度场数值模拟

赵鹏1，陈宝锋1，李强2

(1.浙江省天正设计工程有限公司，浙江杭州310012;2.中国石油大学(华东)化学工程学院，山东青岛266580)

利用有限元分析软件ANSYS建立了布袋除尘器的钢结构温度场模型，模拟了正常工况和旁路工况下布袋除尘器的温度场分布，计算结果清晰、直观地反映了两种工况下除尘器的温度分布情况，为布袋除尘器的优化设计和热应力分析提供了理论依据。

布袋除尘器;有限元;温度场;数值模拟

0 引言

随着国民经济的快速增长，环境保护工作力度的加大，越来越多的环保设备投入使用［1］。布袋除尘器作为一种重要的环保设备，广泛应用于煤矿、电厂、水泥厂和钢铁厂等场合［2－5］。

本文主要通过建立布袋除尘器的三维有限元模型对其进行温度场模拟，分析正常工况和旁路工况下布袋除尘器的温度分布，为布袋除尘器的优化设计和热应力分析提供理论依据。

1 数学模型

温度场的有限元计算实质上是对温度场微分方程相应的泛函求极值的过程。布袋除尘器的温度场分析属于瞬态热分析。在三维情况下，瞬态温度场的场变量T(x，y，z，t)在直角坐标系中应满足微分方程，如下式所示:

式中:Kx、Ky、Kz为布袋除尘器材料三维方向的导热系数，随温度而变化;T为温度;t为时间;q为单位容积中由于电流通过而产生的焦耳热，在不导电的部位为0;C为材料的比热容。

2 有限元模型

布袋除尘器主要由中箱体、上箱体、烟道、封板、底梁、灰斗、钢支架和吹灰装置等部件组合而成。本文为了分析布袋除尘器的温度场，因此只需建立中箱体、上箱体、烟道、封板和底梁的有限元模型即可。

2.1 单元选择

立柱和横梁采用BEAM188梁单元，梁截面形状有工字钢、槽钢、角钢和方钢。上箱体支撑圆管采用PIPE16单元。封板、隔板和盖板采用SHELL63壳单元。具体参数可以通过实常数来定义。

2.2 材料参数

材料采用普通热轧钢Q235B，高温弹性模量取为1.57×1011Pa，密度7850kg/m3，泊松比0.3，屈服强度235MPa，导热系数50.2W/(m·K)，热膨胀系数1.4×10－5/K。

2.3 网格划分

对模型的线划分网格，跨度较大的梁节点间距取为0.4m，跨度较小的梁节点间距取为0.08m，跨度最小的梁节点间距取为0.01m，可以保证每根梁上都有一定数量的单元，又不至于部分区域网格过密导致计算量巨大。整个有限元模型共有4895个BEAM188梁单元，192个PIPE16单元，13939个SHELL63壳单元，15189个节点。利用参数化语言建立布袋除尘器的有限元模型如图1所示。

图1 布袋除尘器有限元模型

3 温度场分析

3.1 正常工况下温度场分析

利用Fluent软件在正常工况下对布袋除尘器有限元模型进行温度场计算后将所得到的各结构部件的温度结果导入ANSYS软件，温度以体载荷的形式施加于布袋除尘器有限元模型。正常工况下布袋除尘器的温度场分布如图2所示。

图2 正常工况下布袋除尘器温度场分布

布袋除尘器中间为烟道，左进右出。烟道两侧各有4个气室，气室之间由隔板分开。从图2中可知，箱体的前后封板处温度较高，且从左向右呈现逐渐升高的趋势，左侧箱体封板最高温度为370℃左右，且高温区域较少，而右侧箱体封板温度已达410℃，几乎全部处于高温区域。布袋除尘器盖板的烟道上方区域温度较高，几乎均达到400℃。

总之，除柱脚外，布袋除尘器整体温度基本在370～410℃的范围内，分布较均匀，温差较小。

3.2 旁路工况下温度场分析

旁路保护是在布袋除尘器的进出口烟道上设置旁路阀门。当烟温超过滤袋所能承受的温度范围或滤袋压差大于设定值时，旁路阀门自动打开，布袋除尘器的进出口阀门关闭，烟气不经过气室而是直接经过引风机排到烟囱，对布袋除尘器起到有效的保护作用。但是旁路只能起到瞬间的保护作用，应该将锅炉尽快停用。利用Fluent软件对旁路工况下温度场进行模拟，模拟结果可知，由于烟气未流通于气室，气室箱体外侧封板温度很低，均为300℃左右。烟道区域的封板和盖板温度很高，全部达到412℃。为了更清晰地反映布袋除尘器的温度场分布，现将气室隔板温度场提取如图3所示。

图3 旁路工况下气室隔板温度场分布

从图3中可知，隔板的温度呈现从烟道侧向气室外侧板逐渐降低的规律(412℃→300℃)，且每块气室隔板的温度分布基本相同。

4 结语

利用ANSYS软件建立了布袋除尘器的三维有限元模型，并对其在正常工况和旁路工况下的温度场进行了计算和分析，计算结果比较清晰、直观地反映了布袋除尘器构件温度的分布和变化情况，为下一步对布袋除尘器钢结构的优化和热应力计算提供了理论参考。

［1］中国网数据库.“十二五”国家战略性新兴产业发展规划［EB/ OL］.http://www.china.com.cn/policy/txt/2012－07/20/content _25968625.htm，2012－07－09.

［2］喻俊霖，潘伶，陈金兴.基于ANSYS的布袋除尘器钢架有限元分析［J］.计算机应用技术，2009，36(10):26－28.

［3］赵欣华，梁冬.布袋除尘器技术在火电厂锅炉烟气除尘的应用［J］.吉林电力，2005，27(2):154－157.

［4］王鸿合，张斌.布袋除尘器技术及其应用［J］.黑龙江电力，2004，174(5):14－17.

［5］方华.浅谈布袋除尘器在电厂锅炉烟气除尘中的应用［J］.装备应用与研究，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

赵鹏(1984-)，男，山东德州人，工程师，主要从事化工机械和环保设备设计工作。E－mail:zhaopeng@zpcdi.com