连续式石墨化电炉冷却系统的优化设计及数值模拟

论文摘要

随着现代工业的发展以及技术的改进,新型碳素材料特别是石墨化焦的市场需求量日益增大,而现如今国内外石墨化生产技术远远的不能达到要求,并且会产生大量的硫分、挥发分等污染气体。针对目前石墨化焦生产过程中存在的技术问题,本课题小组研发出的新型连续式石墨化技术,不仅能够生产出品质高、价格低的石墨化焦,而且还能达到节能减排的目的。在传统的石墨化设备中,例如艾奇逊石墨化电炉和内接串热石墨化炉,对石墨制品的冷却主要是通过自然冷却,即放置在空气中自然冷却,所需要的时间较长,占用空间较大。有时为了加快冷却,在石墨制品上喷淋冷却水,这样会导致石墨制品局部过冷,产生裂纹,而且水中的杂质会使石墨制品的质量下降。本课题小组所研发的连续式石墨化电炉生产高纯的高温石墨化焦经出料口进入到冷却器中冷却。目前主要存在的问题是,石墨化焦在进入到冷却器前,温度在2600℃左右,并且不得与空气接触,在这些条件下,如何将其快速冷却下来,是连续石墨化焦生产过程中至关重要的问题。因此需要一套冷却装置,将出炉的高温石墨化焦冷却到一定温度,使之排出炉膛后不会在空气中发生氧化。冷却效果的好坏直接影响石墨化焦的质量,冷却装置若达不到工艺要求,则会发生氧化,从而减少石墨化焦的产量及质量。本文主要以连续式石墨化电炉冷却系统为研究对象,对冷却器进行初步设计。并以其中一根水管为研究对象,分析其传热过程,计算出石墨化焦由2600℃降低到300℃时所需要的换热面积。在此基础上,综合实际生产因素,对冷却器进行进一步的优化设计。然后建立了连续式石墨化冷却器的数学模型,并利用Gambit对其计算模型进行了网格划分,借助于Fluent模拟计算软件对连续式石墨化电炉冷却器流场及温度场进行了数值模拟计算。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 石墨化方法简介
• 1.2.1 石墨化过程及目的
• 1.2.2 石墨化方法
• 1.3 传统石墨化设备及冷却方式
• 1.3.1 艾奇逊石墨化炉
• 1.3.2 内热式串接石墨化炉
• 1.3.3 传统石墨化设备的冷却方式
• 1.4 连续式石墨化电炉
• 第2章 连续式石墨化电炉冷却系统的设计及传热计算
• 2.1 冷却器冷却方式的选择
• 2.1.1 几种冷却方式的比较
• 2.1.2 循环水强制冷却设计方案
• 2.2 冷却器的传热计算
• 2.2.1 冷却器的传热过程
• 2.2.2 冷却器的传热计算
• 2.2.3 冷却器结构初步设计
• 2.3 冷却器结构的优化设计
• 第3章 连续式石墨化电炉冷却器的数值模拟
• 3.1 Fluent软件的简介
• 3.2 Fluent程序求解问题的步骤
• 3.3 利用Gambit建立计算模型
• 3.3.1 建立连续式石墨化炉冷却器的三维几何模型
• 3.3.2 冷却器模型的网格划分
• 3.4 冷却器数学模型边界类型及边界条件的设置
• 3.4.1 边界类型设置
• 3.4.2 边界条件的设置
• 3.4.3 区域类型设置
• 3.5 冷却器数学模型的建立
• 3.5.1 冷却器数学模型的假设条件
• 3.5.2 冷却器数学模型的基本控制方程
• 第4章 连续式石墨化电炉冷却器数学模拟的结果分析
• 4.1 冷却器内冷却水流速分布云图及矢量图
• 4.2 冷却器内石墨化焦的流场分布
• 4.3 冷却器内温度场的分布
• 4.4 入口速度对各参数的影响
• 4.4.1 石墨化焦入口（in）速度对各参数的影响
• 4.4.2 第一级、第二级冷却入口（inlet1、inlet2）速度对各参数的影响
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文