使用WELSIM对高温锅炉砖墙结构的热分析

锅炉是工业中最常用的设备之一。锅炉燃烧室燃烧后的气体是通过炉墙围城的通道而排出的，锅炉炉墙将锅炉中燃烧的火焰、高温气体以及各受热面部件与外界隔绝起来，它是锅炉本体的重要组成部分。炉墙不但可以防止锅炉内热量散失，同时可以防止火焰和气体喷出，确保运行人员的工作安全和环境卫生。

工业热处理锅炉

为了能够起到上述作用，炉墙应具有良好的绝热性，良好的密封性，以及足够的耐热性能。炉墙的上述要求，不仅需要有好的耐火材料，炉墙的设计与尺寸也显得极为重要。今天我们来通过有限元仿真技术，来了解炉墙的设计是否合理，并直观地了解炉墙的温度分布情况。

为了更好地满足各项热力学与结构的要求，锅炉炉墙通常设计成几层组成，内层重质耐火砖墙，外层绝热砖墙，各层采用不同的耐火材料。原理图如下：

工业锅炉墙体结构示意

今天我们就来对类似这样的墙体进行热分析。为减少计算量和提高设计速度，我们取炉墙截面的一小部分来进行分析，得到结果和整体墙面的分析是一样的。炉墙的理论示意图如下，这里以两种不同的材料组成，一种是耐火砖，一种是绝缘砖，两边有着不同的热对流参数，不同的材料之间是直接连接的。

为了更好的模拟工况并检验数值的正确性，下面给出一个具体的结构尺寸，材料属性，和边界热参数：

下面打开仿真软件WELSIM。新建2个材料节点，这里我们要进行的是稳态热分析，所以添加传热系数，如图所示：

耐火砖墙的材料定义

绝热砖墙的材料定义

下面来定义几何体。添加两个长方体结构，根据尺寸设置好几何体的大小，并添加一个接触节点，将两个具有不同材料的长方体结合起来。如图所示：

接着划分网格。简单设置一下单元大小，点击自动划分按钮，很快就可以得到高精度的高阶4四面体网格了。划分好的网格如下，共有5383个节点，和2891个单元。

整个模型具有5383个节点，和2891个单元

接下来，分别添加两个热对流边界条件。一个用来模拟锅炉端的热条件，一个来模拟绝热层外墙的热条件。

锅炉端的热对流边界条件：对流系数h=2.315e-5，环境温度T=3000

绝热墙外端的热对流边界条件：对流系数h=3.858e-6，环境温度T=80

设置就已经全部完成了，点击求解按钮，很快就可以得到计算结果了。计算完毕后，加入一个温度结果节点，并读取显示。结果如图所示：

具有两种不同材料装配墙体的温度分布，最高温2957，最低温335.7

接下来我们来验证温度的最大最小值结果，计算结果还是非常接近理论值的。

通过这热分析结果，我们的工程人员就可以很快的了解墙面的热分布情况，墙厚度的是否满足工作要求。这里我们使用WELSIM对两层炉墙进行分析，实际工程中，对3层乃至多层炉墙的分析方法也是一致的。

这个算例也保存在了WELSIM软件的安装目录中，用户可以直接打开名为VM_WELSIM_005B.wsdb的文件来进行计算，并验证。