基于AnsysWorkbench软件热分析的复拌机烟气管道结构设计

关键词：烟气管道 稳态热分析 热应力
1 复拌机烟气管道结构概述
内筒的热 量 相等 时， 各零 件 的 温 度 不 再上 升， 烟 气管
复拌机上的烟气管道是连接热风炉与加热装置的 道达到了热平衡，此后进入了稳态传热状态，温度与
重要部件，用来引导烟气加热路面。由于烟气流量大， 热流量均不随时间变化。每一段烟气管道的热平衡过
其中雷诺数 ：
（普通钢板材料），自然对流换热则需要设定环境温度
Re = 4V π ⋅ d1 ⋅ν
=
4 × 3.35 3.14 × 0.18 × 7.63 ×10−5
= 3.11 ×105
和 确定烟气管 道 的 表面 形 状与 换 热 状 态， 在 外 表面的 Convection 分支下导入 Stagnant air—Horizontal cyl 参
边界条件是获得热分析结果的定解条件，A nsys workbench 热分析的边界 条件有温度、对流、辐射、 热 流 量、 绝 热、 热 流 密度、 内热 源等 七项。 根 据 热 传 导情况，进行选取、设定，可以单独一项或几项组合， 边界条件的准确性对热分析结果有很大的影响。
内筒 的内表面换 热 是 烟 气与内壁 进 行 辐 射与强制 对 流换热，其边界 条件有三类，按第一类 边界 条件，
保温层
内筒 固定法兰
模 型 结 构 进行优化 改 进 后， 利用软件进行验 证， 最终 确定管道的结构符合设计要求。
图1 烟气管道初始结构示意图
工作时，大约 500℃的烟气从管道入口进入，一部 分热量由烟气携带从出口出去，进入下一段管道，另一 部分热量由高温烟气通过辐射与强制对流方式传递到 内筒，内筒升温并向保温层传热，热量在保温层内自内 向外传导，传递到外筒，在外筒的外表面通过辐射与自 然 对 流的 方 式向环 境 散 热， 外 表面温 度 越高， 其 对 流 与辐射的热量越大。当外表面的散热量与烟气传递给
温度高，且管道是由薄壁圆筒构成，在大的热负荷作用 程都是相似的，并且瞬态传热过程只占很少部分。
下，管道要承受的热应力和产生的热变形很大。因此，
本文 主要 针对一段 烟气管 道 的稳 态 传 热 状 态 进行
确保管道在热载荷作用下的应力不超过材料的极限值， 研究。先设定管道的表面温度，用理论方法计算出保
3.3 网格划分
对模型进行网格划分，采用智能化网格划分，最后
得到模型的单元总数 5 928 个，节点数据总数 38 210 个， 网格如图 2 所示。
图4 取消法兰后烟气管道表面温度及热流密度分布云图
取消法兰后表面温度与热流密度的分布很均匀一
致，表面温度比理论设定的温度高 4℃左右，表面热流 密度均值为 202.6W/m2，理论计算的结果是 q4=208.8 W/m2，两者相差为 3% 左右，证明了烟气管道传热的
安装等因素，管道设计成四段，每段之间通过法兰连接， 流密度的分布，将软件仿真的结果与理论计算的结果
在高温烟气的作用下，管道可以从高温端向低温端伸长， 进行比较。将温度载荷施加到烟气管道模型上进行热
每一段管道的法兰与内、外筒之间通过焊接方式联接。 应力分析，得到管道的热应力与热变形，根据结果对
活动法兰 外筒
= 0.023 × 0.0656 × 0.630.4 × (3.11 ×105 )0.8 0.18
出的换热系数 h=172.7 W（/ m2•K），并且设定烟气温度。 外筒的外 表面换 热 是 辐 射与自然 对 流 换 热， 辐 射
=172.7 [W/(m2 ⋅ K)]
换热条件是环境温度 th=30℃和外壁的表面黑度ε2=0.65
（4）烟气管道外表面的温度设计值初步定为 50℃。 2.2 烟气管道的传热设计计算
烟气管道的传热设计，是在一定的结构尺寸的基础
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产品 ● 技术 Product & Technology
上计 算出保温 材料 的 导热 系数， 从而 确定保温 材料 的 种 类， 并计 算出在 此 状 态下的 散 热 损 失和内筒与烟 气 的对 流 换 热 系数。 烟 气管 道 的外筒 表面是以自然 对 流
式中 ：
= 0.023 [W/(m ⋅ K)]
可以设定内筒壁为等壁温，由于进入稳态传热状态后， 温 度变化很小，内筒壁的温 度与烟气温 度近似相等，

d2、d3—保温层内、外径，d2=0.184 m，d3=0.266 m； 因此 t1=500℃。按第二类边界条件，可以设定内筒壁为
t2、t3— 保 温 层内、 外 壁 温 度， 近 似 取 t2=500℃， 等热流密度条件，将理论计算的管道表面散热量作为
2 烟气管道稳态传热设计计算
2.1 计算简化与设定 由于实际工况是复杂多变的，要进行稳态传热计
算，必须做适当的简化和设定。
（1） 假 定 烟 气 的 温 度 及流 速分布已充分发 展， 从 入口到出口的烟气温度均保持在 500℃且流速稳定。
（2）不考虑温度及热量的轴向传递。 （3） 假 设保温 层 与内、 外筒 都 接 触良 好， 不 考虑 接触热阻。
aT = 9.4+0.052(t4 － th)=9.4+0.052(50×30) = 10.44 [W/(m2 · K)]
3 烟气管道热分析
用 pro/ E 软件建立烟气管道模型，通过接口将模
外筒表面的热流密度 : q4 = aT（t4 － th）= 10.44×20 = 208.8 W/m2 烟气管道的散热损失 ( 未考虑法兰传热 ) ：
型数据传送到 Ansys workbench 软件中进行稳态热分 析。热分析是根据能量守恒原理的热平衡方程，用有 限元法计算各节点的温度，并导出其他热物理参数的过
Q =d4Lq4=3.14×0.272×1.16×208.8=206.9 W 式中 ：
程。模型的能量平衡方程为 ： [ K ] { T }={ Q }
密度不同，但是热流量是恒定的，所以 ：Q 推导出保温层的导热系数 ：
=
t2 1
− t3 ln
d
，
3
2πλL d2
λ
=
Q（lnd 3
−
lnd
）
2
2πL（t 2
−
t
）
3
= 206.9 × (ln 0.266 − ln 0.184) 2 × 3.14 ×1.16 × (500 − 50)
{ Q } — 节点热流率向量 。 3.1 确定边界条件
长沙中联重工科技发展股份有限公司 卜 伟/Bu Wei
摘 要：利用 Ansys workbench 软件对复拌机烟气管道进行稳态热分析，求解出管道的温度场分布和热流密度， 用热-结构耦合方法将热载荷施加到结构中，得出了热应力与应变的分布规律。验证了热传导理论计算的准确性，分析 了结构上不合理之处，并依据计算结果对结构进行了优化改进。再次求解的结果表明，结构改进的方法是正确的，获得 了明显的效果。
表明筒内的烟气是处于紊流状态。式中，定性温 数，即自然空气状态下的水平圆柱形的对流换热，程序
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将自动计算出换热系数，并应用于后序的求解过程。 分热量没有经过保温层的隔断，虽然传热面积不大，但
3.2 材料及坐标设定
t3=50℃。
内筒的热流量 Q =206.9 W。第三类边界条件需要确定
计算烟气与内筒的强制对流换热系数 ：
辐 射与强制 对 流 换 热 的参 数， 辐 射 换 热 需设 定 烟气温
h
=
0.023 ×
λ d1
⋅
P 0.4 r
⋅
Re 0.8
度 t y =500℃和内壁的表面黑度 ε1=0.7（不锈钢材料）； 强制对流换热则需要设定根据对流换热经验公式计算
以及尽量减少管道的散热损失，是管道设计的关键。 温层的导热系数和管道表面的热流密度，然后将保温
烟气管道初始设计如图 1 所示，管道为夹层结构，出 层的导热系数作为已知条件，用 Ansys workbench 软件
于保温的需要，在内、外筒之间设有保温层，考虑制造、 对烟气管道模型进行热分析，获得管道表面温度及热
能、热性能、电磁性能等参数都已确定，不需要改动。 热面，再进行求解，结果如图 4 所示。
保温层材料则需要重新建立，将导热系数设为 0.023W/
(m•K)，弹性模量设为 40 000 Pa，其他参数对计算结
果不会造成影响，均设为 0。
由于分析模 型 呈圆柱状， 因此创 建一 个 圆柱 坐标
系能更好的显示计算结果。
理论 计 算 方 法 是 正确的， 计 算结果与 软件 仿真的结果
基本相符合。根据图 4 与图 3 显示的结果比较可以确定，
图2 烟气管道网格图
烟 气管 道中对保温不利的 结 构需 要进 行 改 进。 内筒 按 三类 边界 条 件 分别 设 定后， 计 算结果如 表 一所 示， 三
3.4 求解
类 边界 条 件的计 算结果都 很 接 近， 说明热 分析 边界 条
度 为 烟 气温 度 t y =500℃， 内筒 直径 d1=0.18 m， 管 长 L=1.16 m，烟气的流量 V=3.35 m3/s。烟气的物性参数 ： 运 动 粘 度 v =7.63×10-5 m2/s， 导 热 系 数 λ=0.0656 W/
和辐射两种形式向外散热，辐射—对流联合传热系数 （m•K），普朗特数 Pr=0.63。 按经验公式计算 ：
由于 钢的 导热 系数 大， 其传 热 量已 不能 忽 略， 传 热 量
材料的设定是完成热应力分析的必要过程，内筒 的不均匀造成了表面温度分布不均匀。在理论计算时
设定为不锈钢材料，外筒和法兰设定为普通结构钢材 没有考虑这部分传热量的影响，为了使热分析与理论计