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电除尘器壳体工作过程中的流固耦合分析

2017-10-18张钰阳何玉灵孟庆发

电力科学与工程 2017年9期
关键词:壁板电除尘器除尘器

张钰阳, 王 凯, 何玉灵, 孟庆发

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院,河北 保定 071003;2.长沙凯天环保科技有限公司,湖南 长沙 410100)

电除尘器壳体工作过程中的流固耦合分析

张钰阳1, 王 凯2, 何玉灵1, 孟庆发1

(1.华北电力大学 能源动力与机械工程学院,河北 保定 071003;2.长沙凯天环保科技有限公司,湖南 长沙 410100)

以电除尘器工作过程中的烟气-壳体为研究对象,进行了单向流固耦合分析。建立了烟气及除尘器壳体的三维模型,导入至ANSYS Workbench有限元平台进行了流体分析,得到了壳体内表面所受到的烟气压力及热传递数据;对除尘器壳体进行了结构力学响应分析,获取了壳体在工作过程中烟气冲击作用下的变形、应力及应变数据。分析发现,壳体最大变形在烟气进出口顶部壁板与侧面壁板连接处以及侧面壁板中部处,侧面与顶面连接处会出现较大应力值。研究结果对实际工程运行中电除尘器的预防及保护具有借鉴意义。

电除尘器; 壳体; 流固耦合; 力学响应; ANSYS

0 引言

静电除尘器作为一种高效、新型的环保设备,已广泛用于电厂、水泥厂、钢铁厂等容易产生较多粉尘的工业环境[1]。随着环境标准的不断提高,对设备的可靠性要求也越来越严,对除尘器各关键部件工作过程中的力学性能进行分析,保证其安全稳定工作具有重要意义。

国内外学者针对除尘器受力,结构,运行影响因素,效率,性能及应用等方面做了不同的研究与探讨,也取得了很多的成果。在对静电除尘器力学分析的研究方面,文献[1]采用工程实际数据,利用有限元分析软件ANSYS,对除尘器钢架进行了模态分析,并根据实际工程数据进行载荷工况分析,计算出不同工况下的应力分布和应变情况。文献[2]就其中的电压控制部分提出了一种自动控制的理论与方法,该方法虽然提出时间较早,在当下早已实现,但对本文研究对象的探讨仍具有很好的参考意义。文献[3-7]针对除尘器的部件(主要是钢构部分),采用ANSYS软件分析除尘器钢结构在不同形式、不同大小载荷下的应力及应变情况,确定危险截面,通过计算,确定合理的安全系数。以上文献为本文进行除尘器受力分析及计算提供了参考文献[8]详细概括了静电除尘器在洁净空气和带尘空气条件下的性质,给出了几种不同的数学模型,并对模拟结果和实验结果进行对比。文献[9]采用实验与计算相结合的方法,利用有限元分析方法,分析电场对电晕电流的影响,探究电场与除尘器性能的相互影响关系,并给出了几种电场性能较好的电极配置形式和几何参数调整范围。文献[10]采用多孔介质模型研究电除尘器电厂内部气流分布特性,通过调整气流分布板不同区域开孔率分布,改变电除尘器本体结构,计算相应工况下除尘器内部流场压力速度分布,提出了最佳斜气流优化方案。以上文献通过多种方法研究了静电除尘器的影响因素和性能,而对其进行流固耦合分析的却很少。

本文在参考以上文献的基础上,根据电除尘器在工作过程中壳体的实际受力情况,通过有限元软件ANSYS中对其进行流固耦合分析,获取额定工况下壳体的应力、应变及总体变形等力学响应数据,找出危险位置并进行校核分析。

1 烟气-壳体流固耦合理论分析

1.1烟气激励分析

除尘器壳体在工作过程中将受到烟气冲击及热应力作用。烟气在流动过程中的力学平衡方程为[11]:

(1)

流体连续性方程为:

(2)

能量平衡方程为:

(3)

1.2壳体在烟气作用下的响应分析

壳体在烟气冲击及热应力作用下的力学响应平衡方程可写为如下形式:

(4)

式中:[M]为质点质量矩阵;[C]为阻尼矩阵;[K]为刚度矩阵;{F}为力矢量矩阵,即来自于烟气冲击作用于壳体的冲击压力及热应力合成矩阵;{x}为质点位移矢量矩阵;体现的是壳体在烟气冲击和热应力作用下的变形位移。

2 有限元数值计算

2.1除尘器壳体三维建模及模型前处理

依次建立底梁、立柱、进出口顶梁、中间顶梁、上层顶盖及壁板的模型。将各个零部件全部建立三维模型后,最终装配成为壳体,如图1所示。

在ANSYS中创建有限元分析类型“Fluid Flow(CFX)”和“Static Structure”,分别将三维流体模型和壳体模型导入,然后施加边界条件。烟气流速为6 m/s,温度为140 ℃,相对压强为1 Pa,气体温度设为100 ℃。壳体结构选用钢材为Q235,其许用应力为215 MPa[12],杨氏模量为210 MPa,密度为7 850 kg/m3,泊松比为0.3。最后,对模型进行剖分。如图2。

图1 壳体整体装配模型

图2 三维模型剖分结果

然后采用有限元通用分析软件ANSYS进行壳体整体的力学分析,求解其力学响应。

2.2CFX流体分析

有限元软件求解结束后,可调取显示流体对应区域的压力分布和流速分布情况。本文所对应的除尘器壳体内部烟气流体表面(与壳体接触部分)压力分布如图3(a)所示;流速分布如图3(b)所示。

图3 CFX流体分析结果

由图3(a)可看出,烟气的表面压力分布其数值范围为0.841 8至1.452 Pa,压力在入口端较大,往出口端逐级递减;由图3(b)可看出,烟气流速从入口的6 m/s向出口的5.654 m/s逐级递减。

2.3流固耦合分析边界及加载

得到流体表面的压力分布数据后,需将此数据导入至后续的结构力学分析模块中,以求取壳体的总体变形、应力、应变等力学响应数据。

选择壳体与流体相接触的面,将流体分析的温度与压力导入结构分析,如图4(a)与图4(b)所示。

计算过程中固定壳体下方支撑柱底面,以模拟除尘器壳体的实际约束情况,如图4(b)所示。

图4 边界与载荷施加

导入流体温度后,壳体表面温度为140 ℃。导入流体压力后,最小压力为0.400 33 Pa,最大压力为17.651 Pa。

2.4流固耦合响应结果分析

2.4.1 总体变形

单向流固耦合作用下壳体总体变形分布情况如图5所示。由图中可以看出,最大变形处在烟气进出口的顶部壁板与侧面壁板连接处以及侧面壁板中部,最大值为0.021 191 m,这主要是由于壁板较薄,承受烟气热应力导致的。

2.4.2 等效应力

单向流固耦合作用下壳体等效应力如图6所示。由图中可以看出,最大值为1 160.3 MPa,出现在底部支撑柱与地面相连接处,这实际是不合理的,此数据为一畸形数据点,出现这种情况的原因是底梁实际是与灰斗相连,计算过程中将其直接与地面固接,从而产生了不合理的应力集中;壳体工作面域的应力范围介于0.199 3 MPa至129 MPa之间,侧面与顶面连接处会出现较大应力值。

图6 壳体等效应力图

2.4.3 应变

壳体总应变分布如图7(a),从图中可以看出,最大应变在壳体与地面相接触的地方,最大值为0.005 935 2,壳体外壁应变值约为0.001 980 8。

图7 壳体总应变和热应变分布图

壳体热应变分布如图7(b),从图中可以看出,壳体热应力的分布情况,从壳体内壁向壳体外壁逐渐减小,内壁最大值为0.001 416,这主要是由散热规律导致的,即壳体内壁直接与高温烟气相接触,而外壁与大气相接,外壁受烟气温度影响较小,同时通过大气直接散热。

由图7(b)看出,进出口底梁与顶梁的热应变也是最大的,这是由于这两部份都与烟箱连接,从而受到烟箱的影响。本文由于忽略了烟箱的影响,同时也未考虑顶梁保温材料对散热的影响,导致了图示的结果,但对本文结论影响不大。

3 结论

本文对除尘器烟气-壳体进行了单向流固耦合分析,主要结论如下:

(1)壳体最大变形量为0.022 869 m,在烟气进出口的顶梁棱边处和壁板处。

(2)壳体工作面域应力范围为0.199 3 MPa至129 MPa,侧面与顶面连接处会出现较大应力值。

(3)最大应变在壳体与地面相接触的地方,最大应变值为0.005 935 2。

(4)工程运行中应适当关注烟气进出口顶部壁板与侧面壁板连接处以及侧面壁板中部,此部分区域是相对而言较可能发生损坏及失效情况的区域。

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Fluid-Solid Interaction Analysis on Electric Precipitator Shell during Performance

ZHANG Yuyang1, WANG Kai2, HE Yuling1, MENG Qingfa1

(1. Department of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China;2. Changsha Kaitian Environmental Technology Co. Ltd., Changsha 410100, China)

The undirectional fluid-solid interaction of the smoke gas and electric precipitator shell under operation is analyzed in this paper. The 3D models of the smoke and precipitator shell are established firstly. Then, these models are loaded into the finite element software ANSYS for fluid calculation to obtain the stress and thermal data caused by the smoke acting on the inner surface of the precipitator shell. Finally, the mechanical structural analysis is carried out to obtain the total deformation, von-stress, and von-strain of the shell under the impact of smoke gas. It is found that the maximum deformation and stress appear at the joint position between the upper shell and the lateral shell. The research results can be used as a reference for the prevention and protection of electric precipitators in practical engineering.

electric precipitator; shell; fluid-solid interaction; mechanical response; ANSYS

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.09.010

TM621.7

A

1672-0792(2017)09-0064-05

2017-06-12。

国家自然科学基金项目(51307058)。

张钰阳(1991-),女,硕士研究生,研究方向为电站设备状态监测与故障诊断。

何玉灵(1984-),男,博士,副教授,研究方向为电站设备状态监测、控制与节能。

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