一种高温碳化炉中石墨棒加热性能的模拟方法与流程

[0001]
本发明涉及到碳纤维生产过程中所用高温碳化炉的设计分析方法技术领域。


背景技术：

[0002]
碳纤维生产属于高耗能产业，其中的高温碳化炉是碳纤维生产设备中的耗能大户之一，同时，高温碳化炉也是碳纤维生产的关键设备，主要用于对预氧丝进行高温碳化，使其转化为碳元素含量大于90％的碳纤维。高温碳化炉是高温技术和高温设备的集成，使用温度一般在1000℃-1600℃。高温碳化炉的加热原理是，使用电能加热位于高温碳化炉的石墨马弗周围的石墨棒使之产生热能，然后通过热辐射和对流的形式加热与之相近的石墨马弗，热量再以热传导的方式传递到石墨马弗的内部，石墨马弗的不同区域温度应当呈现均一。温度控制合理有着很多的优势，首先不仅能够提高产品的合格率，提高生产效率，而且可以延长设备的使用寿命。将高温碳化炉不同位置对温度要求与相应位置马弗的结构结合起来，保证在满足工艺需求的同时能够达到优化结构的目的。由此可见，无论是从性能还是经济性的角度出发，加热棒性能设计是高温碳化炉整体设计的重要环节之一。
[0003]
在实际控制高温碳化炉内温度时，均以石墨马弗外部的气体温度作为测量点，这会有较大的误差，所以，当加热区达到平衡时，测量石墨马弗内相应区域的温度，并对石墨马弗的温度场进行分析，得到合理的控制温度。因此需要选择合理的设计方法，使高温碳化炉内部温度能达到符合规范的温度。


技术实现要素：

[0004]
综上所述，本发明针对现有高温碳化炉的设计过程中，缺少在加热区达到平衡时，测量石墨马弗内相应区域的温度，并对石墨马弗的温度场进行分析，得到合理的控制温度的模拟分析方法，而提出一种高温碳化炉中石墨棒加热性能的模拟方法。
[0005]
为解决本发明所提出的技术问题，采用的技术方案为：
[0006]
一种高温碳化炉中石墨棒加热性能的模拟方法，其特征在于所述方法包括有如下步骤：
[0007]
(1)、采用三维cad软件solidworks软件建立高温碳化炉石墨加热棒和炉内腔体的三维仿真模型，并设定高温碳化炉石墨加热棒和炉内腔体的三维仿真模型的相关参数；
[0008]
(2)、将步骤(1)建立的高温碳化炉石墨加热棒和炉内腔体的三维仿真模型传递到icem软件的blocking模块中，在blocking模块中采用o-block方式对高温碳化炉石墨加热棒和炉内腔体的三维仿真模型进行网格划分,网格划分策略采用bigeometric方式，控制比率因子为默认值1.2，根据软件中网格质量的判断标准，同时保证整体结构的网格质量大于0.9，同时，定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称，包括加热管壁面和炉腔壁面边界名称；
[0009]
(3)、将步骤(2)中划分好网格的三维仿真模型导入ansys软件的fluent模块，并对fluent模块进行设置；
[0010]
(4)、在ansys软件中的fluent模块里设置温度检测面，并进行仿真运算得到结果，以此作为判定高温碳化炉石墨加热棒加热性能的指标；
[0011]
(5)、在相同设置条件下，通过将高温碳化炉石墨加热棒和炉内腔体的三维仿真模型设置不同参数并重复步骤(1)-(4)，以进行多次模拟计算，由高温碳化炉炉腔内温度分布特性云图，以此确定石墨棒的材料参数与加热功率。
[0012]
作为对本发明作进一步限定的技术方案包括有：
[0013]
步骤(1)中设定的相关参数包括：内部炉腔几何形状和几何尺寸、石墨加热棒几何形状和几何尺寸。
[0014]
步骤(4)中，对ansys软件中的fluent模块进行设置的过程如下：
[0015]
(4.1)、在user defined选项导入根据设备运行工艺参数编制的自定义温度参数；
[0016]
(4.2)、在general选项中，将y方向gravitational acceleration根据要求设定为预设值，time选项设置为transient瞬态传热；
[0017]
(4.3)、将models选项中的energy勾选energy equation，viscous models选项中选取laminar模型，为了判断炉腔内气流运动状态，引入雷诺数进行描述，雷诺数的计算公式为：
[0018][0019]
其中，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为特征长度。通过雷诺数的计算，进而选择湍流模型为laminar模型；
[0020]
(4.4)将models选项中的radiation model勾选surface to surface，并在view factor and clustering选项点击compute/write/read进行保存；
[0021]
(4.5)、在materials fluid选项部分选择氧气和氮气，在materials solid选项部分新建加热棒材料，材料的属性包括有密度、比热容和导热系数，然后分别选择每种新建的石墨材料；
[0022]
(4.6)、在cell zone conditions选项中将fluid1、fluid2部分设为氮气；将solid1、solid2部分设为石墨材料；
[0023]
(4.7)、在boundary conditions选项中设置保温材料之间的传热方式为coupled，加热管表面设置为udf定义每小时内热生成率，炉腔内与加热棒、加热棒与氮气之间传热方式为coupled；
[0024]
(4.8)、选择check case后进行计算；计算所用的高温碳化炉传热计算的三维数学模型，包含的三维连续性方程、动量方程和能量方程分别如下所示：
[0025][0026]
式中，ρ-流体密度；t-时间；v-速度矢量，其中u、v、w为v在x、y及z三个方向上的分量；
[0027]
动量方程的navier-stokes方程：
[0028][0029]
其中，μ是动力黏度，f
b
是微元上的体积力；
[0030]
能量守恒方程：
[0031][0032]
其中，h为炉内气体的比焓；λ为炉内气体的导热系数；gradt为气体传热面法向温度梯度；s
h
为气体内部的热源；φ为气体的耗散函数；
[0033][0034]
热传导问题的控制方程根据fourier传热定律和能量守恒方程来建立，对固体而言，其瞬态温度场t(x,y,z,t)满足以下方程:
[0035][0036]
其中，ρ代表材料密度，c
t
代表材料比热，κ
x
，κ
y
，κ
z
分别代表沿x，y，z方向的热传导系数，q(x,y,z,t)代表物体内部热源强度。
[0037]
步骤(4)中，选择高温碳化炉石墨加热棒的三维仿真模型的监测面为过中心点的y方向平面。
[0038]
步骤(4)中，仿真运算得到结果包括有监测面的温度变化云图。
[0039]
本发明的有益效果为：本发明通过对高温碳化炉设计过程中，炉腔内部的温度分布特性进行模拟从而合理确定石墨加热棒的物理参数与几何尺寸的选择，可直观判定高温碳化炉内部的加热效果，可以更好的实现加热棒材料的选择并确定加热棒的几何参数，从而为提高加热效率，降低设计成本提供理论依据。
附图说明
[0040]
图1是本发明模拟方法中建立的加热棒模型示意图。
[0041]
图2是本发明模拟方法中建立的加热棒模型计算网格示意图。
[0042]
图3-图6是本发明中监测面的不同加热功率时炉腔内温度分布特性云图。
具体实施方式
[0043]
以下结合附图和本发明优选的具体实施例对本发明的方法作进一步地说明。
[0044]
本发明公开的一种高温碳化炉中石墨棒加热性能的模拟方法，包括有如下步骤：
[0045]
(1)、采用三维cad(computer aided design计算机辅助设计)软件solidworks软件建立高温碳化炉石墨加热棒和炉内腔体的三维仿真模型，如图1中所示，从外至内依次为：氮气层一1、加热棒2、氮气层二3、马弗炉4及氮气层三5；并设定高温碳化炉石墨加热棒和炉内腔体的三维仿真模型的相关参数；设定的相关参数至少包括：内部炉腔几何形状和几何尺寸、石墨加热棒几何形状和几何尺寸。
[0046]
(2)、将步骤(1)建立的碳化炉石墨加热棒和炉内腔体的三维仿真模型分别传递到icem软件的blocking模块中，在blocking模块中采用o-block方式对三维仿真模型进行网格划分，如图2所示；网格划分策略采用bigeometric方式，控制比率因子为默认值1.2，根据软件中网格质量的判断标准，同时保证整体结构的网格质量大于0.9，同时为了便于后期设
置计算条件，定义所有三维仿真模型的进出口与壁面边界名称，主要包括加热管壁面和炉腔壁面的边界名称。
[0047]
(3)、将步骤(2)中划分好网格的三维仿真模型导入ansys软件的fluent模块，并对fluent模块进行设置。
[0048]
(4)、在ansys软件中的fluent模块里设置温度检测面，并进行仿真运算得到结果，以此作为判定高温碳化炉石墨加热棒加热性能的指标；具体选择高温碳化炉石墨加热棒的三维仿真模型的监测面为过中心点的y方向平面；仿真运算得到结果包括有监测面的温度变化云图。
[0049]
对ansys软件中的fluent模块进行设置的具体过程如下：
[0050]
(4.1)、在user defined选项导入根据设备运行工艺参数编制的自定义温度参数；
[0051]
(4.2)、在general选项中，将y方向gravitational acceleration根据要求设定为预设值，time选项设置为transient瞬态传热；
[0052]
(4.3)、将models选项中的energy勾选energy equation，viscous models选项中选取laminar模型，为了判断炉腔内气流运动状态，引入雷诺数进行描述，雷诺数的计算公式为：
[0053][0054]
其中，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，d为特征长度。通过雷诺数的计算，进而选择湍流模型为laminar模型；
[0055]
(4.4)将models选项中的radiation model勾选surface to surface,并在view factor and clustering选项点击compute/write/read进行保存。
[0056]
(4.5)、在materials fluid选项部分选择氧气和氮气，在materials solid选项部分新建加热棒材料，材料的属性主要有密度、比热容、导热系数，然后分别选择每种新建的石墨材料；
[0057]
(4.6)、在cell zone conditions选项中将fluid1、fluid2部分设为氮气；将solid1、solid2部分设为石墨材料；
[0058]
(4.7)、在boundary conditions选项中设置保温材料之间的传热方式为coupled，加热管表面设置为udf定义每小时内热生成率，炉腔内与加热棒、加热棒与氮气之间传热方式为coupled；
[0059]
(4.8)、选择check case后进行计算。而计算所用的高温碳化炉传热计算的三维数学模型，包含的三维连续性方程、动量方程和能量方程分别如下所示：
[0060][0061]
式中，ρ-流体密度；t-时间；v-速度矢量，其中u、v、w为v在x、y及z三个方向上的分量；
[0062]
动量方程的navier-stokes方程：
[0063][0064]
其中，μ是动力黏度，f
b
是微元上的体积力；
[0065]
能量守恒方程：
[0066][0067]
其中，h为炉内气体的比焓；λ为炉内气体的导热系数；gradt为气体传热面法向温度梯度；s
h
为气体内部的热源；φ为气体的耗散函数；
[0068][0069]
热传导问题的控制方程根据fourier传热定律和能量守恒方程来建立，对固体而言，其瞬态温度场t(x,y,z,t)满足以下方程:
[0070][0071]
其中，ρ代表材料密度，c
t
代表材料比热，κ
x
，κ
y
，κ
z
分别代表沿x，y，z方向的热传导系数，q(x,y,z,t)代表物体内部热源强度。
[0072]
(5)、在相同设置条件下，通过将高温碳化炉石墨加热棒和炉内腔体的三维仿真模型设置不同参数并重复步骤(1)-(4)，以进行多次模拟计算，由高温碳化炉炉腔内温度分布特性云图，以此确定石墨棒的材料参数与加热功率。
[0073]
通过修改加热管的功率可以得出不同加热温度时高温碳化炉内部温度分布特性，对比监测面处不同加热温度时炉腔内的温度变化云图可以看出，如图3-图6所示，炉腔内温度分布不均匀，加热管附近温度最高，石墨管加热效果明显，采用导热系数高的石墨棒加热效果明显，温度随着加热功率的增加逐渐升高。为验证ansys的仿真结果，应多次模拟，比较分析结果，得出高温碳化炉加热管功率与几何尺寸的最佳方案。本发明可直观判定高温碳化炉石墨棒的加热性能，可以更好的实现高温碳化炉石墨棒加热性能的判定，并合理的选择石墨棒的物理参数与加热功率，从而为提高高温碳化炉的加热性能与降低设计成本提供理论依据。
[0074]
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。