劉友利，李映輝，袁繼禹

(1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都　610031；

2.東方電氣集團(tuán) 東方鍋爐股份有限公司，成都　611731)

?

鍋爐膜式壁管屏的結(jié)構(gòu)參數(shù)對溫度分布的影響

劉友利1,2，李映輝1，袁繼禹1,2

(1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都610031；

2.東方電氣集團(tuán) 東方鍋爐股份有限公司，成都611731)

采用大型通用有限元軟件ANSYS 對膜式壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)溫度場研究，分析了管子節(jié)距、管子厚度、扁鋼厚度、銷釘長度、耐火耐磨層厚度等參數(shù)對結(jié)構(gòu)溫度的影響。結(jié)果表明：在溫度邊界不變的情況下，結(jié)構(gòu)尺寸變化對管子壁溫的影響較??；扁鋼中心溫度受節(jié)距影響很大；銷釘端部溫度對銷釘長度和耐火耐磨層厚度較為敏感。

膜式壁；溫度場；有限元分析

鍋爐膜式壁管屏從內(nèi)向外分別由耐火耐磨層、鰭片管屏和保溫層組成[1](如圖1所示)，分離器內(nèi)部煙氣溫度通過耐火耐磨層與管屏進(jìn)行熱交換，管屏再進(jìn)一步將熱量傳遞給管內(nèi)蒸汽，實(shí)現(xiàn)熱量的高效利用。在實(shí)際工程中，鰭片管的結(jié)構(gòu)尺寸因結(jié)構(gòu)布置和性能設(shè)計(jì)的需要而不同，鰭片管屏的溫度作為材料和結(jié)構(gòu)尺寸選取的依據(jù)之一，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要影響。

圖1　管屏結(jié)構(gòu)示意

國內(nèi)學(xué)者對膜式壁管屏結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行了研究，但大多是不帶銷釘?shù)哪な奖诮Y(jié)構(gòu)。戚光澤等[2]對鍋爐螺旋管水冷壁在管內(nèi)強(qiáng)迫換熱和壁面非均勻熱流密度情況的壁溫進(jìn)行了研究；范謹(jǐn)?shù)萚3]用解析方法對膜式水冷壁溫度場進(jìn)行了分析；付成雙等[4]采用數(shù)值模擬和理論分析的方法研究了壁面降溫對旋風(fēng)分離器溫度場及液滴分離規(guī)律的影響。

數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的進(jìn)步，特別是現(xiàn)代大型有限元程序的商業(yè)化推廣，為解決鍋爐設(shè)計(jì)中復(fù)雜的力學(xué)和傳熱問題提供了便利。通過有限元軟件，可以方便、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)分離器管屏溫度場計(jì)算。本文采用ANSYS[5]軟件對鰭片管屏結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)傳熱[6]分析，并通過參數(shù)化系列計(jì)算對管屏溫度與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。

1　膜式壁管屏溫度場分布

1.1計(jì)算模型

由于主要關(guān)心爐內(nèi)向火面的情況，為簡化分析，將膜式壁管屏爐外側(cè)保溫層簡化為絕熱邊界層?？紤]管子軸向方向溫度梯度較小，進(jìn)一步將模型簡化為二維熱傳導(dǎo)模型。采用8節(jié)點(diǎn)4變形網(wǎng)格劃分模型，幾何模型及網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。

圖2　幾何模型和網(wǎng)格劃分情況

煙氣與耐火耐磨層、管子與管內(nèi)蒸汽均采用對流換熱邊界，對稱邊界和分離器外側(cè)管子表面采用絕熱邊界。

管子材料為20G，扁鋼材料為20，材料熱導(dǎo)率見表1[7]。耐火耐磨層為耐磨可塑料，材料熱傳導(dǎo)率取1.5 W/(m·K)。

表1　材料熱傳導(dǎo)率　(W·(m·K)-1)

1.2鰭片管結(jié)構(gòu)溫度場分布

經(jīng)有限元分析計(jì)算，鰭片管屏及耐火耐磨層溫度分布如圖3所示。

從圖3中可以看出:高溫度區(qū)域集中在耐火耐磨層煙氣側(cè)表面，在該表面靠近銷釘位置的溫度比其他位置偏低，且在銷釘角度較小的位置比銷釘角度較大的位置溫度低。這是由于耐火耐磨材料的熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼的熱傳導(dǎo)率(約為1∶30)，銷釘越接近耐火耐磨層表面，其溫度梯度[8]越大，傳遞的熱量越多，導(dǎo)致該區(qū)域溫度相對較低。由于材料熱傳導(dǎo)率差異大，在管內(nèi)介質(zhì)對管屏結(jié)構(gòu)的冷卻和鋼材的快速熱傳導(dǎo)共同作用下，使得管子和扁鋼上的溫度梯度較小。

圖3　鰭片管屏及耐火耐磨層溫度分布

管子內(nèi)壁溫度沿管子周向從背火面到向火面的分布曲線如圖4所示(角度的起始點(diǎn)為背火面象限1號點(diǎn))。由于靠近耐火耐磨層表面近的銷釘溫度梯度稍大，熱量傳遞快，在管子靠近分離器內(nèi)側(cè)，焊有銷釘A的管子溫度比焊有銷釘B的管子溫度低。

圖4　管子內(nèi)壁溫度分布

從扁鋼中性層起，管子及扁鋼靠近分離器內(nèi)側(cè)表面溫度分布如圖5所示。

2　不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)溫度的影響

2.1扁鋼厚度對結(jié)構(gòu)溫度的影響

在直接受熱的鰭片管中，扁鋼厚度對扁鋼中心溫度的影響明顯。由于膜式壁內(nèi)側(cè)敷設(shè)了耐火耐磨材料，因此管屏不直接受煙氣熱流作用。以下分析了分離器鰭片管屏在耐火耐磨層隔離下間接受熱時(shí)扁鋼厚度對溫度分布的影響。

將扁鋼厚度范圍設(shè)置為4～8 mm，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)和溫度邊界保持一致，得到管屏上不同位置溫度隨扁鋼厚度的變化，如圖6所示。

圖5　管子及扁鋼靠分離器內(nèi)側(cè)表面溫度分布

圖6　不同位置溫度隨扁鋼厚度的變化

從分析結(jié)果得知：扁鋼厚度變化對管子溫度、銷釘端部溫度的影響很小(小于1 ℃)，扁鋼中心溫度受扁鋼厚度變化的影響稍大，但影響幅度也較小(約5 ℃)。

2.2管子厚度對結(jié)構(gòu)溫度的影響

以下計(jì)算了管子厚度為4～8 mm情況下管屏上各位置溫度隨管子厚度的變化。計(jì)算過程中，管子外徑和其他尺寸均不變，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

隨著管子厚度增加，結(jié)構(gòu)上各位置的溫度隨之增加。這是由于計(jì)算過程中管子外徑保持不變，厚度增加后管子內(nèi)徑減小，管壁與管內(nèi)介質(zhì)之間的換熱面積減少。

圖7　不同位置溫度隨管子厚度的變化

2.3管子節(jié)距對結(jié)構(gòu)溫度的影響

在鰭片管溫度場分析中，節(jié)距對溫度場分布存在影響。為了考察管子節(jié)距變化對結(jié)構(gòu)溫度場[8]的影響趨勢，計(jì)算了節(jié)距為110～190 mm的溫度分布情況。

圖8顯示了節(jié)距為11，150，190 mm時(shí)結(jié)構(gòu)的溫度場分布。隨著節(jié)距增大，扁鋼溫度不斷升高，結(jié)構(gòu)上最大溫度位置也發(fā)生變化，小節(jié)距時(shí)溫度最大位置在銷釘端部，而節(jié)距增大后溫度最大位置移到扁鋼中心。

圖8　3種不同節(jié)距下結(jié)構(gòu)溫度場分布

圖9顯示了結(jié)構(gòu)上不同位置溫度隨節(jié)距的變化曲線。隨著節(jié)距增大，每個(gè)節(jié)距之間耐火耐磨層受熱表面積增大，每根管子所需要吸收的總熱量增加，結(jié)構(gòu)上各位置的溫度也都隨之升高。從圖9可以看出：隨著節(jié)距增加，管子和銷釘溫度升高的幅度不大(10 ℃以內(nèi))，但扁鋼中心溫度升高幅度非常明顯(約60 ℃)。節(jié)距增加后，管子和銷釘與耐火耐磨層的接觸面積不變，扁鋼與耐火耐磨層的接觸面積大幅增加，扁鋼吸熱量明顯增大，而扁鋼與管子之間的傳熱面積保持不變，因此，扁鋼中心溫度大幅升高。

圖9　不同位置溫度隨節(jié)距的變化

2.4銷釘長度對結(jié)構(gòu)溫度的影響

以上計(jì)算表明，銷釘端部離耐火耐磨層表面越近，其溫度越高。為了進(jìn)一步研究銷釘布置對結(jié)構(gòu)溫度的影響，本文計(jì)算了銷釘長度在15～23 mm 變化時(shí)，結(jié)構(gòu)上溫度隨銷釘長度的變化情況，結(jié)果如圖10所示。

圖10　不同位置溫度隨銷釘長度的變化

從圖10可以看出：銷釘長度對管子溫度影響很小，而對銷釘自身溫度影響較大。銷釘越長，其端部溫度越高，銷釘上溫度梯度也越大。由于銷釘傾斜布置，其長度變化會干擾扁鋼吸熱量，扁鋼中心溫度隨銷釘長度增加而降低。

2.5耐火耐磨層厚度對結(jié)構(gòu)溫度的影響

在其他因素不變的情況下，耐火耐磨層厚度由45～55 mm變化時(shí)，結(jié)構(gòu)上各位置的溫度變化如圖11所示。

隨著耐火耐磨層厚度增加，其表面與銷釘端部的距離增大，因此，銷釘溫度受其變化的影響較為明顯。結(jié)構(gòu)上其他部位的溫度也隨耐火耐磨層厚度增加而降低，但其變化幅度不大(約2 ℃)。

圖11　不同位置溫度隨耐火耐磨層厚度的變化

3　結(jié)論

1) 由于膜式壁內(nèi)部敷設(shè)有耐火耐磨層，其受熱情況與直接受熱的管屏不同，該鰭片管結(jié)構(gòu)上管子與扁鋼之間的溫度梯度很??；

2) 節(jié)距對管屏上扁鋼中心的溫度影響很大，在膜式壁管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以重視。節(jié)距對管壁和銷釘溫度影響較?。?/p>

3) 扁鋼和管子厚度變化對分離器管屏上各位置的溫度影響較??；

4) 銷釘長度和耐火耐磨層厚度對銷釘端部溫度影響較大，對管壁和扁鋼溫度影響較小。

[1]車得福,莊正寧,李軍，等.鍋爐 [M].2版.西安：西安交通大學(xué)出版社,2008：243-249.

[2]戚光澤,朱國楨,周一工.600MW超臨界壓力鍋爐螺旋管圈水冷壁壁溫計(jì)算程序的研制 [J].鍋爐技術(shù)，1997(11)：1-4.

[3]范謹(jǐn),賈鴻祥,陳聽寬.膜式水冷壁溫度場解析 [J].熱力發(fā)電，1996(3)：10-17.

[4]付雙成,袁惠新,鄒鑫，等.冷壁旋風(fēng)分離器溫度場的數(shù)值模擬研究 [J].礦山機(jī)械，2012(10)：84-86.

[5]黃志新,劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京：人民郵電出版社，2013.

[6]黃厚誠,王秋良.熱傳導(dǎo)問題的有限元分析[M].北京：科學(xué)出版社,2011.

[7]GB/T16507—2013，水管鍋爐 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014：44-45.

[8]沈維道,童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社,2007.

(責(zé)任編輯劉舸)

Influence of Structural Parameters on Temperature Distribution at Boiler Membrane Wall

LIU You-li1,2，LI Ying-hui1，YUAN Ji-yu1,2

(1.School of Mechanics and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2.Dongfang Boiler Group Co., Ltd., Dongfang Electric Corporation, Chengdu 611731, China)

The steady temperature field of boiler membrane wall has been calculated and analyzed by using the general finite element calculation program ANSYS, including influence of structural parameters such as tube pitch, tube thickness, fin thickness, pin length, and thickness of fire/wear resistant material, and the results of which indicate that under the condition of constant boundary temperature, the structural parameters have relatively small influence on tube temperature, and the temperature at a fin center is much affected by tube pitch, and the temperature at the end of a pin is relatively sensitive to pin length and thickness of fire/wear resistant material.

boiler membrane wall; temperature field; finite element analysis

2016-05-22

國家科技支撐計(jì)劃(2011BAC05B01)

劉友利(1980—)，男，陜西咸陽人，高級工程師，主要從事工程力學(xué)研究；通訊作者 李映輝(1964—)，男，四川南江人，教授，主要從事結(jié)構(gòu)振動(dòng)與控制，工程結(jié)構(gòu)數(shù)值仿真，結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力學(xué)方面的研究，E-mail:yinghui.li@home.swjtu.edu.cn。

format：LIU You-li，LI Ying-hui，YUAN Ji-yu.Influence of Structural Parameters on Temperature Distribution at Boiler Membrane Wall [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(9):38-42.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.09.006

TG48

A

1674-8425(2016)09-0038-05

引用格式：劉友利，李映輝，袁繼禹.鍋爐膜式壁管屏的結(jié)構(gòu)參數(shù)對溫度分布的影響[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(9):38-42.