高温电加热过程模拟分析

论文摘要

工业电炉是普遍使用的加热设备,对其进行优化设计的研究具有重要意义。本文对电阻炉核心加热元件的传热特性进行了较细致的模拟计算和分析,具体研究工作有以下几个方面:1、对电加热体材料的研究。本文从电热体结构、尺寸、表面温度三个方面对电加热体进行研究,得出圆管状的电热体的内外温度分布比较均匀。当电热体的直径D>5cm时,棒状及方棒电加热体的内外温差比较高,而管状电加热体则相对比较低。电加热体外表面温度对电加热体的影响也比较明显,半径一定时,温差与电热体外表面温度近似成平方关系,当外表面温度一定时,电加热体温差随着半径的增大而升高。2、高温电加热条件下,对于含有大分子碳化硅杂质颗粒的石墨电加热材料进行三维稳态模拟,得知电流对碳化硅颗粒与石墨电加热体之间的温差影响最大,当电流密度达到20A/mm2时,温差达到35℃。而且,碳化硅颗粒的存在,也使石墨体的温度升高,碳化硅颗粒粒度越大,石墨体内部升温越高。3、研究了非稳态情况下各种电加热元件的传热特性。对于管状电热元件,内部绝热材料的压紧对应着密度的变化,它对电热体升温及内部温度分布都有很大的影响,压紧的绝热材料比未压紧的升温快而且内部温差较低。对于J GQ型电加热元件,在压紧的状态下加热元件外表面达到70℃所用的时间明显少于未压紧状态下所用的时间。另外,在未压紧时加热元件内部的温度明显高于压紧情况下的温度对于石墨电热体。研究了石墨体非稳态电加热升温过程中,电加热体的升温速率与石墨体的密度有直接关系,根据模拟得知在电加热过程中石墨体温度分布均匀,因此反推出升温速率与电热体密度的关系,关系式为:,当密度较小时计算结果与模拟结果相吻合。对于有裂纹存在的棒状及管状石墨电热体,裂纹的存在对石墨电加热体升温过程中的影响非常严重,由于裂纹的存在,棒状石墨电热体升温速率下降,对于10mm的棒状电加热体,对于直径为10mm的棒状电加热体,无裂纹时,1s钟后的温度为524.95℃,而有裂纹时的最高温度才为434.587℃,并且温度的最高点和最低点都集中在裂缝附近,这就会在裂缝处产生很大的热应力。对于厚度为10mm管状电热体由于裂纹的存在,使电热体温度分布极不均匀,电热体温度为1000℃左右时,裂纹处的温度就已经达到2400℃,这样继续加热下去,石墨体未达到工作温度,就会超过石墨体熔点,造成石墨体的烧结。在辐射和热传导耦合情况下模拟了直径随轴向逐渐减小石墨体的温度场和应力场分布状况,结果表明,直径越小升温速率越高,但是轴向上温度梯度却是逐渐减小的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 文献综述
• 1.1 电加热炉分类
• 1.1.1 固体电阻炉的发展状况
• 1.1.2 气体电加热炉的发展状况
• 1.1.3 循环式电加热器的研究进展
• 1.2 电加热元件
• 1.2.1 碳纤维材料研究进展
• 1.2.2 碳化硅电加热体研究进展
• 1.3 ANSYS 软件介绍
• 1.3.1 ANSYS 软件的发展过程
• 1.3.2 ANSYS 软件的使用环境
• 1.3.3 ANSYS 在热分析中的应用现状
• 1.3.4 存在的问题及发展趋势
• 1.4 本文的研究内容
• 2 高温条件下电加热体特性的研究
• 2.1 高温下导热系数和传导率对电热体特性的影响
• 2.1.1 物理问题和数学模型
• 2.1.2 计算结果
• 2.1.2.1 石墨电加热体
• 2.1.2.2 碳化硅电加热体
• 2.1.2.3 钼电加热体
• 2.2 高温下直径变化对电热体的影响
• 2.2.1 有限元模型的建立
• 2.2.2 模拟结果与分析
• 2.3 本章小结
• 3 含杂质石墨材料电加热条件下热传导过程模拟
• 3.1 引言
• 3.2 颗粒大小对电加热体的影响
• 3.3 电流对石墨电加热体影响
• 3.4 石墨体尺寸影响
• 3.5 本章总结
• 4 电加热体非稳态条件下的导热模拟
• 4.1 问题的提出
• 4.1.1 管状电加热元件
• 4.1.1.1 计算结果及结论
• 4.1.2 石墨棒状电加热元件
• 4.1.2.1 有限元模拟原理
• 4.1.2.2 计算结果及分析
• 4.2 石墨电加热体裂纹处温度场及应力场模拟
• 4.2.1 有限元模拟原理
• 4.2.1.1 热传导方程
• 4.2.1.2 电传导方程
• 4.2.1.3 温度场有限元求解
• 4.2.1.4 热应力有限元求解
• 4.2.2 算例及计算结果
• 4.2.2.1 棒状石墨电热体温度场分布及热应力分析
• 4.2.2.2 模拟结果与分析
• 4.2.3 管状石墨加热体温度场分布
• 4.2.3.1 计算结果及分析
• 4.2.4 石墨电加热体截面发生变化时温度场及热应力场分布
• 4.3 本章总结
• 5 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果