基于ANSYS的輻射管高溫變形及熱應力分析

蘆利軍，張玉寶，高耀東，賈 欣，李占國，王 偉

（1.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭014010；2.包鋼薄板坯連鑄連軋廠，內蒙古包頭014010）

基于ANSYS的輻射管高溫變形及熱應力分析

蘆利軍1，張玉寶1，高耀東1，賈 欣2，李占國2，王 偉2

（1.內蒙古科技大學機械工程學院，內蒙古包頭014010；2.包鋼薄板坯連鑄連軋廠，內蒙古包頭014010）

本文采用F lu e n t軟件模擬計算，在充分燃燒條件下輻射管內部流體溫度分布和輻射管管體溫度分布，并在計算結果基礎上應用ANSYS流固耦合模擬計算輻射管在900℃爐溫環境中，輻射管的高溫變形和熱應力分布．

Fluent；輻射管；流固耦合；高溫變形；熱應力

輻射管廣泛應用于工業加熱爐，是加熱爐的主要加熱元件.現在主要使用的輻射管有燃氣輻射管和電加熱輻射管.燃氣輻射管的熱效率比電加熱輻射管的熱效率高一倍以上．因此，燃氣輻射管的應用最為廣泛[1].燃氣輻射管里的氣體燃料在輻射管內燃燒，以熱輻射的形式把熱量傳遞給被加熱物體，燃燒產物不與被加熱物體接觸，避免被加熱物體的氧化，并且不會造成氣氛污染，使爐膛內的氣氛便于控制和調節，非常適合于產品表面質量要求較高的場合使用．

輻射管內的氣體通過燃燒將熱量傳遞給輻射管，輻射管在高溫環境下連續工作，在交變熱應力和自身重力的作用下，極易產生變形和損壞，造成輻射管的失效，輻射管失效是工業生產中備受關注的焦點[2]． 許多專家學者對輻射管進行研究，Y.Orcan,Cardella.A和Ahmet N.Eraslan研究了輻射管的熱應力[3-5]，也有部分專家學者對輻射管的內部燃燒流場以及溫度分布做了研究[6]．本文采用Fluent模擬計算輻射管內部流體在充分燃燒條件下流體的溫度分布和輻射管管體溫度分布[7]，并在計算結果基礎上使用ANSYS流固耦合模擬計算輻射管在900℃爐溫環境中，輻射管的高溫變形和熱應力分布．既研究了輻射管的燃燒情況，又研究了輻射管的結構特性，對輻射管下一步研究有一定參考價值[8-10]．

1 輻射管的工作原理

輻射管由燒嘴（包含換熱器）、內管、輻射管外管等組成，如圖1．

圖1 輻射管工作原理

冷助燃空氣經燒嘴助燃空氣入口進入金屬換熱器，沿換熱器內壁進入燒嘴燃燒室，高溫廢氣沿換熱器外壁以相反的方向流出，冷助燃空氣和高溫廢氣之間通過換熱器進行熱交換，熱交換后助燃空氣溫度預熱到650℃；天然氣經燒嘴天然氣入口進入燒嘴燃燒室，兩種氣體在燒嘴燃燒室內充分混合，點火電極點燃后燃燒，火焰主要在陶瓷內管里燃燒，燃燒產生的高溫廢氣沿陶瓷內管經輻射管尾部沿輻射管內壁與陶瓷內管外壁之間的縫隙流出，高溫廢氣沿金屬換熱器外壁預熱助燃空氣后，高溫廢氣降到200℃經高溫廢氣出口排出．

2 計算模型的建立

本文研究的計算模型包括輻射管內流體、輻射管．輻射管幾何模型具有對稱性，各加載與約束條件同樣具有對稱性，因此，其有限元分析中的模型可對稱處理，如圖2.

圖2 輻射管和內管幾何模型

輻射管變形和熱應力不僅受到流體熱的影響，還受到爐溫結構熱的影響，因此，建立流體有限元模型和輻射管有限元模型，如圖3.

圖3 流體有限元模型和輻射管有限元模型

3 Fluent流體分析

本文采用Fluent計算流體分析過程，考慮流體在管道內的湍流，選擇k-ε兩方程湍流模型[11]，天然氣與助燃空氣燃燒后的主要成分為二氧化碳和水，其中二氧化碳含量更高，因此本文假設內管內的流體為二氧化碳，在充分燃燒情況下，天然氣燃燒會產生2300℃的高溫，天然氣和助燃空氣入口的壓力為分別為75 m bar和65 m bar，輻射管外壁邊界條件設置為：對流散熱系數12 w/m^2-K，爐溫900℃；輻射率0.95，爐溫900℃，經模擬計算輻射管內流體壓力分布（圖4）、流體溫度分布（圖5）．

圖4 輻射管內流體壓力分布

圖5 輻射管內流體溫度分布

4 ANSYS流固耦合分析

通過ANSYS Workbench的熱應力模塊將Fluent里氣體邊界層即流體的溫度傳到輻射管管體上，輻射管將熱應力模塊得到的管體溫度分布傳遞到結構分析模塊進行不均勻溫度場及自重下的變形和熱應力分析．

邊界條件設定：圖6為輻射管在爐內的安裝圖，爐墻外輻射管的端面與燒嘴用螺栓連接，限制輻射管端面徑向、垂直方向和軸向位移，因此在輻射管端面施加全約束；爐墻處，輻射管與爐墻之間存在足夠的間隙，允許輻射管自由膨脹；中部用吊架浮動托起輻射管，限制輻射管在徑向、垂直方向上的位移，只允許沿軸向自由膨脹，因此在吊架處施加徑向、垂直方向上的約束，另外施加輻射管內流體壓力載荷（圖4），輻射管管壁溫度載荷（圖7），模擬計算輻射管在900℃爐溫環境中的高溫變形和熱應力分布[12]．

圖6 輻射管在爐內的安裝圖

圖7 輻射管溫度載荷

4 模擬結果

圖8 輻射管沿X方向的變形量

圖9 輻射管沿Y方向的變形量

圖10 輻射管沿Z方向的變形量

圖11 輻射管等效熱應力分布

6 結論

輻射管的安裝結構是合理的,輻射管端部法蘭和燒嘴用螺栓連接在爐墻上,限制了輻射管端部在徑向、垂直方向、軸向3個方向上的自由度，因此，輻射管端部變形量幾乎為0；中部兩個吊架浮動托住輻射管，限制了輻射管在徑向和垂直方向2個方向上的自由度，因此，輻射管在徑向、垂直方向上變形量較小，徑向方向最大變形量5.5816 m m，垂直方向最大變形量3.2957 m m；輻射管軸向上沒有任何約束，因此，輻射管沿軸向變形量較大，最大變形量84.125 m m，因此安裝時需要在軸向上留出足夠的距離，保證輻射管在軸向上的最大變形量，以防輻射管變形后撞到爐墻上．

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[12]高耀東,劉學杰.ANSYS機械工程應用精華50例[M].北京:電子工業出版社,2011.

Deformation and Thermal Stress Analysis of Radiant Tube in High Temperature Field Based on ANSYS

Luli jun1,Zhangyu bao1,Gaoyao dong1,Jia xin2,Lizhan guo2,Wang wei2
（1. Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou Inner Mongolia 014010;2. Baogang CSP plant, Baotou Inner Mongolia 014010）

The temperature distribution of the fluid and the radiant tube in high temperature were computed by Fluent software. In view of computing results, the deformation and thermal stress distribution of the radiant tube at 900 oC were studied by fluid-structure interaction of ANSYS.

Fluent; Radiant tube; Fluid-structure interaction; High temperature deformation;Thermal stress

X 703

A

1672-2094（2017）04-0143-04

責任編輯：張隆輝

2017-06-15

蘆利軍（1982-），男，河北淶水人，內蒙古科技大學在讀工程碩士，工程師。研究方向：軋鋼設備維護。張玉寶（1962-），男，內蒙古科技大學教授，博士。研究方向：虛擬技術與儀器。