[發明專利]一種高溫碳化爐中石墨棒加熱性能的模擬方法

有效

• 申請號: 202011276073.5
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112270109B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 張毅鵬;孫中心
• 申請（專利權）人: 天華化工機械及自動化研究設計院有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/08
• 代理公司: 深圳市千納專利代理有限公司 44218
• 代理人: 胡堅;黃良寶

一種高溫碳化爐中石墨棒加熱性能的模擬方法，涉及到碳纖維生產過程中所用高溫碳化爐的設計分析方法技術領域。針對現有高溫碳化爐的設計過程中無法得到合理的控制溫度的模擬分析方法，包括：(1)建立三維仿真模型；(2)、三維仿真模型傳遞到ICEM軟件的Blocking模塊中，進行網格劃分；(3)、三維仿真模型導入ANSYS軟件的FLUENT模塊，并對FLUENT模塊進行設置；(4)、進行仿真運算得到結果，以此作為判定高溫碳化爐石墨加熱棒加熱性能的指標；(5)設置不同參數并重復步驟(1)?(4)，多次模擬計算，由溫度分布特性云圖，以此確定石墨棒的材料參數與加熱功率。可直觀判定高溫碳化爐內部的加熱效果，為提高加熱效率，降低設計成本提供理論依據。

技術領域

本發明涉及到碳纖維生產過程中所用高溫碳化爐的設計分析方法技術領域。

背景技術

碳纖維生產屬于高耗能產業，其中的高溫碳化爐是碳纖維生產設備中的耗能大戶之一，同時，高溫碳化爐也是碳纖維生產的關鍵設備，主要用于對預氧絲進行高溫碳化，使其轉化為碳元素含量大于90％的碳纖維。高溫碳化爐是高溫技術和高溫設備的集成，使用溫度一般在1000℃-1600℃。高溫碳化爐的加熱原理是，使用電能加熱位于高溫碳化爐的石墨馬弗周圍的石墨棒使之產生熱能，然后通過熱輻射和對流的形式加熱與之相近的石墨馬弗，熱量再以熱傳導的方式傳遞到石墨馬弗的內部，石墨馬弗的不同區域溫度應當呈現均一。溫度控制合理有著很多的優勢，首先不僅能夠提高產品的合格率，提高生產效率，而且可以延長設備的使用壽命。將高溫碳化爐不同位置對溫度要求與相應位置馬弗的結構結合起來，保證在滿足工藝需求的同時能夠達到優化結構的目的。由此可見，無論是從性能還是經濟性的角度出發，加熱棒性能設計是高溫碳化爐整體設計的重要環節之一。

在實際控制高溫碳化爐內溫度時，均以石墨馬弗外部的氣體溫度作為測量點，這會有較大的誤差，所以，當加熱區達到平衡時，測量石墨馬弗內相應區域的溫度，并對石墨馬弗的溫度場進行分析，得到合理的控制溫度。因此需要選擇合理的設計方法，使高溫碳化爐內部溫度能達到符合規范的溫度。

發明內容

綜上所述，本發明針對現有高溫碳化爐的設計過程中，缺少在加熱區達到平衡時，測量石墨馬弗內相應區域的溫度，并對石墨馬弗的溫度場進行分析，得到合理的控制溫度的模擬分析方法，而提出一種高溫碳化爐中石墨棒加熱性能的模擬方法。

為解決本發明所提出的技術問題，采用的技術方案為：

一種高溫碳化爐中石墨棒加熱性能的模擬方法，其特征在于所述方法包括有如下步驟：

(1)、采用三維CAD軟件SOLIDWORKS軟件建立高溫碳化爐石墨加熱棒和爐內腔體的三維仿真模型，并設定高溫碳化爐石墨加熱棒和爐內腔體的三維仿真模型的相關參數；

(2)、將步驟(1)建立的高溫碳化爐石墨加熱棒和爐內腔體的三維仿真模型傳遞到ICEM軟件的Blocking模塊中，在Blocking模塊中采用O-Block方式對高溫碳化爐石墨加熱棒和爐內腔體的三維仿真模型進行網格劃分,網格劃分策略采用BiGeometric方式，控制比率因子為默認值1.2，根據軟件中網格質量的判斷標準，同時保證整體結構的網格質量大于0.9，同時，定義所有三維仿真模型的進出口與壁面邊界名稱，包括加熱管壁面和爐腔壁面邊界名稱；

(3)、將步驟(2)中劃分好網格的三維仿真模型導入ANSYS軟件的FLUENT模塊，并對FLUENT模塊進行設置；

(4)、在ANSYS軟件中的FLUENT模塊里設置溫度檢測面，并進行仿真運算得到結果，以此作為判定高溫碳化爐石墨加熱棒加熱性能的指標；

(5)、在相同設置條件下，通過將高溫碳化爐石墨加熱棒和爐內腔體的三維仿真模型設置不同參數并重復步驟(1)-(4)，以進行多次模擬計算，由高溫碳化爐爐腔內溫度分布特性云圖，以此確定石墨棒的材料參數與加熱功率。

作為對本發明作進一步限定的技術方案包括有：