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第一章 课题相关知识介绍2.1散热片知识散热片是一种给电器中的易发热电子元件散热的装置，多由铝合金，黄铜或青铜做成板状，片状，多片状等，如电脑中CPU 中央处理器要使用相当大的散热片，电视机中电源管，行管，功放器中的功放管都要使用散热片。
一般散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂，使元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。
2.1.1散热片的材质比较就散热片材质来说，每种材料其导热性能是不同的，按导热性能从高到低排列，分别是银，铜，铝，钢。
不过如果用银来作散热片会太昂贵，故最好的方案为采用铜质。
虽然铝便宜得多，但显然导热性就不如铜好（大约只有铜的50%左右）。
目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有其优缺点。
铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大（很多纯铜散热器都超过了CPU 对重量的限制），热容量较小，而且容易氧化。
而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。
有些散热器就各取所长，在铝合金散热器底座上嵌入一片铜板。
对于普通用户而言，用铝材散热片已经足以达到散热需求了。
北方冬季取暖的暖气片也叫散热片。
散热片在散热器的构成中占有重要的角色，除风扇的主动散热以外，评定一个散热器的好坏，很大程度上取决于散热片本身的吸热能力和热传导能力 2.1.2散热片结构的设计 1. 肋片的散热量肋基导入的热量向肋端传递，经肋片传给流体，因此肋片得热平衡方程为： 肋基导入的热量Φ=Φ流体带走的热量λ所以肋片向流体的传热量恒等于肋基截面上导入的热量，根据傅立叶定律得 每片等截面直肋散热量的计算式为：)(1)(0mH th m h m h mH th m A H Hλλθλ++=Φ （2—1）式中：Φ ——散热量，W ；λ ——肋片导热率，W/（m.K ）；A ——肋片的横截面积，2m ；0θ——肋基过余温度，C 0；m —— 肋片组合参数，Azm λα=H h ——肋端处的对流换热系数，W/（2m ·K ）；H ——肋高，m 。
焦炭塔筒体和裙座连接部位热力耦合分析【摘要】本文以中石油独山子石化分公司某焦炭塔的结构和原始操作参数为依据，以焦炭塔筒体和裙座连接部位为研究对象，应用ANSYS和Workbench有限元分析软件建立有限元模型，模拟分析主要操作阶段的瞬态温度场变化及相对应下的热力耦合应力。
结果表明：焦炭塔筒体和裙座连接部位热应力主要由轴向温差变化引起，整个循环周期中的峰值应力均出现在筒体和裙座连接处。
【关键词】焦炭塔Ansys 温度场热-力耦合1 前言焦炭塔是典型的承受复杂热循环载荷的设备，生产过程中温度急剧变化引起的交变热应力是导致设备纹开裂和塔节膨胀的主要原因，其中筒体和裙座连接处焊缝开裂现象尤为严重[1]。
由于焦炭塔的生产环境苛刻，尺寸大，给传统的计算分析方法带来很多的不便。
有限元法是以电子计算机为手段的“电算”方法，它以大型问题为对象，未知数的个数可以成千上万，因而为解决复杂的力学问题提供了一个有效的工具，尤其是热应力分析中的场问题，成了这一领域主要的分析方法。
本文基于有限元理论，应用ANSYS和Workbench有限元分析软件，以中石油独山子石化分公司某焦炭塔结构和原始操作参数为依据，以焦炭塔筒体和裙座连接部位为研究对象，建立有限元模型，模拟焦炭塔主要操作阶段的瞬态温度场，并分析计算瞬态温度变化下的应力分布。
2 建立有限元模型2.1 焦炭塔的结构参数容器规格为：Φ9000×38728mm。
整个筒体由裙座支撑，筒体和裙座为堆焊型连接方式，裙座厚度为26mm，筒体和裙座材质分别为：15CrMoR和Q-235A。
保温层厚度为200mm，材质为复合硅酸盐。
塔内介质对流传热系数在模拟过程中取2500W？m-2？K-1，保温层导热系数取0.117 W？m-1？K-1，空气对流传热系数取12.5 W？m-2？K-1。
2.2 模型建立及网格划分为了便于分析和计算，将焦炭塔实体模型加以简化：忽略所有侧壁接管，将实际模型视为轴对称模型，取焦炭塔关键支撑截面的1/2实际模型进行分析；视保温层为一层简单的复合硅酸盐材料，并单独建模；筒体与裙座之间的焊缝视为裙座材质，省略热箱结构。
热力耦合有限元算法流程一、基础概念先了解一下。
热力耦合就是把热的影响和力的影响放在一起考虑的一种方法。
有限元呢，就像是把一个大的东西分成好多小的部分来分析，这样每个小部分就比较好处理啦。
这个算法流程就是按照一定的步骤，把热力耦合在有限元这个框架下进行计算的过程。
二、模型建立。
咱们得先建立一个合适的模型。
这就像是盖房子要先画个蓝图一样。
要考虑这个模型的形状、大小、材料特性等好多东西呢。
比如说，要是研究一个金属零件在受热和受力情况下的变化，就得把这个零件的形状准确地在电脑里构建出来。
这个模型可不是随便弄弄的，它要尽可能地接近真实情况。
材料的热传导系数、弹性模量这些参数都得设置好，这就像是给这个模型注入灵魂一样。
要是这些参数不对，那后面算出来的结果可就差得远啦。
三、网格划分。
模型有了，接下来就该给这个模型划分网格啦。
这就像是把一块大蛋糕切成好多小块。
网格划分得好不好，直接影响到计算的准确性和速度呢。
网格太粗了，计算可能就不准确；网格太细了，计算速度又会超级慢。
所以得找到一个合适的度。
一般来说，在应力和温度变化比较大的地方，网格就要划分得细一点，就像在关键的地方要格外小心一样。
而在那些变化比较小的地方，网格就可以粗一点，没必要在那些地方浪费太多的计算资源嘛。
四、边界条件设定。
这一步也很重要哦。
边界条件就像是给这个模型设定一些规则。
比如说，在模型的某个面上，是固定的，不能动，这就是一种边界条件；或者在某个面上，施加了一定的热量，这也是边界条件。
要根据实际的情况来设定这些边界条件。
如果是研究一个发动机的部件，可能在和其他部件连接的地方就是固定的，而在燃烧的那一面就有热量传入。
这些边界条件设定好了，模型才知道该怎么按照实际情况去“表现”。
五、求解计算。
前面的工作都做好了，就可以开始求解计算啦。
这个过程就像是让模型开始按照我们设定的规则和条件“动”起来。
计算机会根据有限元的算法，把模型分成的那些小单元一个个地进行计算，考虑热和力的相互作用。
深冷空分塔故障分析与维修方法探讨发布时间：2021-12-13T09:08:50.513Z 来源：《建筑设计管理》2021年8期作者：段晋飞[导读] 深冷空气分离塔是分离氧气、氮气、氩气等惰性气体的专用设备。
随着现代工业生产水平的不断提高，该设备在现代生产中的应用越来越广泛。
段晋飞新疆八一钢铁股份有限公司能源中心制氧分厂, 新疆乌鲁木齐 830000摘要：深冷空气分离塔是分离氧气、氮气、氩气等惰性气体的专用设备。
随着现代工业生产水平的不断提高，该设备在现代生产中的应用越来越广泛。
客观地说，该设备承担着现代工艺生产中的许多指标任务，包括液化、分离、换热等。
此外，其运行效率将直接决定空分质量，进而影响车间空分塔的运行环境。
如果管理不善，会导致运行过程中出现大面积结霜和冷量损失。
通过分析相关技术原因，提出相应的维修方案，可以有效解决上述问题。
关键词：深冷空分塔；故障分析；维修策略；深冷空分塔是现代工业生产中的重要生产设备。
根据空分设备的组成特点和技术原理，选择空气为原料，在压缩循环中通过深度冷冻处理达到气液处理的效果，然后通过精馏的方式分离出液态空气。
一、设备的概况研究中选择了KDON-3200/8000空分塔。
设备氧含量和氮产量分别为3 200 m3/h和8 000 m3/h，达到一定标准，经技术调试后投入生产。
经过多年使用，具有良好的技术稳定性，提供高纯氮气，为企业获得可观的经济效益。
经过两年的使用，维修人员发现低温空分塔存在一些局部故障，包括多次结霜，主要分布在疏水沙孔、仪表柜、电磁阀根部等。
，并通过技术分析和现场处理进行了修复。
二、分析深冷空分塔的故障深冷空分塔的失效分析主要是解决结霜问题。
结霜是低温空分塔的常见故障类型。
一般来说，该问题与设备长期高负荷运行时内部珠光体下沉有关。
经实际调查，发现顶部运行可靠性降低，导致冷箱上部结霜。
然后，随着设备运行时间的延长，冷箱内的珠光砂设备受到影响，其他部件无法顺利打开。
热力耦合有限元算法流程一、啥是热力耦合有限元算法呀。
热力耦合有限元算法呢，就是把热学和力学这两个方面结合起来用有限元方法去分析问题的一种超酷的算法。
你可以想象成是给物体的热和力的关系做一个超级详细的“体检”。
在实际生活里呀，很多东西都会涉及到热和力的相互作用呢。
比如说发动机工作的时候，它又发热又受力，这时候热力耦合有限元算法就能大显身手啦。
二、算法开始前的准备工作。
1. 模型建立。
我们得先建立一个能代表我们要研究的物体或者结构的模型。
这个模型就像是那个物体的一个小替身。
要尽可能准确地反映物体的形状、尺寸这些基本信息哦。
要是模型建得不好，后面的计算就可能会出岔子。
这就好比给一个人画像，如果画得不像，那后面根据画像做的分析肯定也是不准确的。
而且这个模型还不能太复杂，要适合用有限元方法去计算，就像给画像找一个合适的纸张大小一样。
2. 材料属性确定。
知道了模型长啥样，还得搞清楚这个模型是用啥材料做的呢。
不同的材料有不同的热学和力学属性。
比如说金属和塑料，它们的导热系数、比热容、弹性模量这些都不一样。
这些属性就像是这个材料的“身份证”，我们要把这些信息准确地告诉算法，这样算法才能知道这个物体在受热和受力的时候会怎么表现。
要是搞错了材料属性，那就像认错了人一样，计算结果肯定是错得离谱啦。
三、热力耦合的实现。
1. 离散化。
这一步就像是把一个大蛋糕切成小块一样。
我们要把建立好的模型离散成好多小的单元。
这些小单元就像拼图的小块，组合起来就是原来的模型。
这样做的好处是方便我们用有限元的方法去计算。
每个小单元都有自己的特性，然后我们就可以通过研究这些小单元来了解整个模型的热力耦合情况。
2. 热分析。
接下来就是热分析啦。
我们要考虑热量是怎么在这个离散化后的模型里传递的。
是通过传导、对流还是辐射呢？这就需要根据实际情况来确定。
比如说在一个散热器里，热量主要是通过传导和对流传递的。
我们要把这些热传递的方式用数学方程表示出来，然后计算出每个小单元的温度变化。
控制工程C ontrol Engineering of China Jul .2008V ol.15,N o.42008年7月第15卷第4期文章编号:167127848(2008)0420389203 收稿日期:2008203228; 收修定稿日期:2008204202基金项目:国家十一五863计划基金资助项目(2006AA05Z 226);浙江省自然科学基金资助项目(Y 105370);浙江大学引进人才基金资助项目(1110002581645)作者简介:闫正兵(19832),男,湖北枣阳人,博士,主要研究方向为热耦合空分塔,精馏塔非平衡级建模,健康监控等。
内部热耦合空分塔的建模与操作分析闫正兵1,刘兴高1,毛邵融2,周智勇2(1.浙江大学工业控制技术国家重点实验室,浙江杭州 310027; 2.杭州杭氧股份有限公司,浙江杭州 310027)摘 要:建立了内部热耦合空分精馏塔(IT C ASC )的数学模型,采用高斯2牛顿法迭代求解,选用液相组成作为迭代变量,氧、氮、氩三元物系的物性计算采用PR 状态方程。
仿真结果表明,在保证分离效果不下降的条件下,IT C ASC 高压塔的塔压可以从传统空分塔的680kPa 降低到500kPa ,能耗降低约26147%;操作分析为以后的理论研究和实际应用提供了定性和定量分析。
该模型可以用于进一步的流程设计、优化和控制。
关 键 词:内部热耦合空分精馏塔;建模;操作分析中图分类号:TP 273 文献标识码:AM odeling and Operation Behavior of Internal Thermal C ouplingAir Separation C olumnY AN Zheng 2bing 1,LIU Xing 2gao 1,MAO Shao 2rong 2,ZHOU Zhi 2yong2(1.S tate K ey Lab of Industrial C ontrol T echnology ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027,China ;2.Hangyang Lim ited C om pany of Hangzhou ,Hangzhou 310027,China )Abstract :A numeric m odel of internal thermal coupling air separation column (IT C ASC )is established.G auss 2Newton πs method is used to s olve the m odel ,when liquid phase com positions are taken as variables.Physical properties of O 2,N 2,Ar are com puted from Peng 2R obins on state equation.The simulation results show that the pressure of IT C ASC can be reduced to 500kPa from traditional air separation column pres 2sure 680kPa ,i. e.about 26147%energy is saved.A series of operation behavior analyses are carried out to provide qualitative and quanti 2tative analysis for further research and practice application.The m odel can be used for further design ,optimization and control.K ey w ords :IT C ASC ;m odeling ;operation behavior1 引 言内部热耦合精馏(IT C DIC )技术是20世纪中,4大节能精馏技术中节能效能最高的,由美国西北大学的Mah 教授在1977年提出[1],在世界范围内得到了巨大的重视。
美国、日本、巴西等国许多大学的科研小组都开展了广泛的研究[2]。
国内在过程控制、优化以及过程操作分析研究上取得了巨大的突破[3～5]。
在低温空分过程中,空分塔是一个重要的操作单元,也是能耗最大的操作单元。
研究发现,内部热耦合技术可以被应用到空气分离过程,改变传统空分塔结构,可达到良好的节能效果[6]。
本文首次建立了内部热耦合空分塔的数学模型,给出求解算法,并进行了操作分析。
2 数学模型的建立与求解内部热耦合空分塔结构,如图1所示。
图1 内部热耦合空分精馏塔结构Fig 11Structure of ITCASC为了实现内部的热量从精馏部分到提馏部分的传递,精馏部分必须在比提馏部分更加高的压强和温度条件下工作。
整个过程中还装配了压缩机和节流阀,用来调整精馏和提馏两个部分不同的压强。
内部热耦合传递的热量可以产生精馏部分的下降液体流和提馏部分的上升气相流,大量的能量被再利用,从而大幅度地降低了精馏塔的能耗。
在推导数学模型之前,做如下的简化假设:每块塔板上的汽液两相处于平衡状态;每块塔板上汽液两相充分混合温度均一;忽略汽相滞留量;忽略热损失。
塔顶塔板标记为1,塔底塔板标记为n 。
氧、氮、氩三元物系的物性计算采用PR 状态方程[7],形式如下:P =RT V -b -a (T )V 2+2b V -b 2(1)式中,P ,V ,T 分别为压强、体积和温度;R 为气体常数。
对于纯物质: a (T c )=0145724R 2T 2c ΠP c(2) b =0107780RT c ΠP c (3) a (T )=a (T c )a (T r ,ω)(4)对于混合物,采用Harmens 混合规则: a =∑i∑j x i x ja ij(5) b =∑ix i b i(6)式中,a ij 由以下各式求算得到:a ij =(1-δij )a 1Π2i a 1Π2j(7)令:A =aP Π(R 2T 2)(8)B =bP Π(RT )(9)将上式代入下面的一元三次方程,可得到压缩因子的解:Z 3+αZ 2+βZ +γ=0(10)且有:α=B -1(11)β=A -2B -3B 2(12)γ=B 3+B 2-AB (13)汽液两相的逸度系数由如下公式求算:ln Фi =b i (Z -1)Πb -ln (Z -B )-A2×21Π2B×[2∑jx j a jia-b i b ]ln (Z +21414BZ -01414B)(14)根据质量守恒,在每块板上进行质量衡算,得到如下的物料平衡方程:V j +1y i ,j +1+L j -1x i ,j -1+F V j z V i ,j +F L j z Li ,j - (V j +S V j )y i ,j -(L j +S Lj )x i ,j =0(15)式中,F 为进料量;V ,L 分别为气相和液相流量;x ,y 分别为液相和气相组成;z 为进料组成;S 为侧提量;下标i 为第i 个组分;下标j 为第j 块塔板;上标L ,V 分别为气相和液相。
根据能量守恒,在每块板上进行能量衡算,得到如下的能量平衡方程,其中H 表示相应流股的焓值,Q 表示塔板的热耦合量:V j +1H V j +1+L j -1H L j -1+F V j H F V j +F L j H F Lj - (V j +S V j )H V j -(L j +S L j )H Lj -Q j =0(16)空分塔的热耦合量采用如下方程进行计算:Q j =UA (T j -T j +f -1),(j =1,…,f -1)(17)式中,UA 为传热系数;T 为塔板温度。
根据摩尔分数加和,得到如下方程:∑Ci =1xi ,j=1; ∑Ci =1yi ,j=1(18)根据相平衡,得到:y i ,j =k i ,j x i ,j(19)式中,汽液平衡常数K 由下式计算:K i =y i Πx i =ΦLi ΠΦV i(20)焓由以下公式计算: h =b 10+b 11T +b 12T 2+b 13T 3+b 14T 4(21)计算焓所需的参数值[4],见表1。
表1 计算焓所需的参数值T able 1The p arameters of enth alpy calculation 气体b 10b 11b 12×103b 13×106b 14×109氮-36.27.440-1.62000 2.133000-0.698氩0.2 4.969-0.003840.004113 0氧8.76.713-0.439501.390000-0.636 式(1)～式(21)构成IT C ASC 机理模型的非线性方程组,可采用高斯2牛顿法[8]迭代求解,选用X 作为迭代变量,求解过程,如图2所示。
图2 ITCASC 求解流程Fig 12Diagram of solving process of ITCASC3 仿真结果与操作分析以经典72板常规空分塔(上塔压强680kPa ,下塔130kPa )作为参考比较基准,内部热耦合塔精馏段、提馏段各取为36块塔板,精馏段塔压500kPa ,・093・ 控 制 工 程 第15卷提馏段塔压130kPa 。
内部热耦合空分塔的其他操作参数,见表2。
表2 ITCASC 的操作参数T able 2Specificafions for the ITCASC流股位置流量(m ol Πs )温度(K )压强(kPa )组成(氮氩氧)状态空 气36281005000.7812 0.0093 0.2095q =0.9膨胀空气4761181300.7812 0.0093 0.2095气相污 氮4610气相 IT C ASC 氮氩氧在各塔板上的浓度分布情况,如图3所示。
图3 液相组成Fig 13Liquid ph ase composition可以看出,塔顶氮的纯度和塔底氧的纯度都较高,其中,氮浓度达到991993%,氧浓度达到99134%。
作为参考基准的具有同等分离效果的常规空分塔的高压塔的塔压是680kPa ,这里IT C ASC 的高压塔的塔压降低为500kPa ,分离效果基本不变,能耗降低约26147%。
研究表明,在保证分离效果不下降的条件下,IT C ASC 高压塔的塔压可以进一步降低,节约大量能源,进一步的节能潜力优化研究正在进行中。
