论文总字数：15830字

摘 要

高温高压闪蒸槽等设备失效的原因有很多，但其中最主要的是因为应力超出抗拉强度导致的破坏。本文借助有限元分析软件ANSYS对高温高压闪蒸槽在不同工况下的工作状态进行模拟，校核各材料层的强度，所得结果对闪蒸槽的安全性有着重要指导意义。

本文以陶砖衬里的高压闪蒸槽为研究对象，建立了闪蒸槽的平面应变模型和轴对称模型，分别在压力工况，温度工况和温压组合工况下对闪蒸槽各材料层进行有限元应力分析，主要分析了三层陶砖和两种砖缝胶泥在不同工况下的径向、轴向和环向的应力分布情况。平面应变模型分析结果表明：陶砖大多数区域都是以受压为主，仅在内层陶砖的局部表面尖点处出现拉应力的最大值超出了陶砖的抗拉强度的情况，在组合工况下陶砖的外层大范围区域环向应力最大值已经逼近了抗拉强度设计值。轴对称模型分析结果表明：在三种工况下闪蒸槽大部分区域还是以受压为主，材料界面小范围出现拉应力集中，没有超过其抗拉强度，陶砖和胶泥的内侧拉应力出现局部超出其抗拉强度的情况。针对闪蒸槽工作的危险区域，提出了改进陶砖和胶泥危险区域受力状态的措施和方法。

关键词：陶砖衬里；闪蒸槽；有限元；应力分析

Abstract

There are many reasons for the failure of equipment such as high temperature and high pressure flash tanks, but the most important reason is the damage caused by the stress exceeding the tensile strength. In this paper, the finite element analysis software ANSYS is used to simulate the working state of the high temperature and high pressure flash tank under different working conditions, and to check the strength of each material layer. The results obtained have important guiding significance for the safety of the flash tank.

In this paper, the high-pressure flash tank with refractory brick lining is used as the research object, and the plane strain model and the axisymmetric model of the flash tank are established. The layer is subjected to finite element stress analysis, which mainly analyzes the radial, axial and hoop stress distribution of three-layer ceramic tiles and two kinds of brick joint mortar under different working conditions. The analysis results of the plane strain model show that most areas of ceramic tiles are mainly under compression, and the maximum tensile stress at the local surface apex of the inner ceramic tiles only exceeds the tensile strength of the ceramic tiles. Under the combined working conditions, the maximum value of the hoop stress in the large area of the outer layer of the ceramic tile has approached the design value of the tensile strength. The analysis results of the axisymmetric model show that under most of the three working conditions, most areas of the flash tank are still under compression, and there is a small concentration of tensile stress at the material interface, which does not exceed its tensile strength. There are cases where the tensile strength is partially exceeded. Aiming at the dangerous area where the flash tank is working, measures and methods to improve the stress state of the dangerous areas of ceramic tiles and mortar are proposed.

Key Words：refractory brick lining；flash tank；finite element method；stress analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容及技术方案 2

第2章 闪蒸槽筒体的平面应变模型 4

2.1 问题描述 4

2.2 计算参数与有限元模型 4

2.3 结果与讨论 6

2.3.1 陶砖的应力分析 6

2.3.2 胶泥的应力分析 7

2.4 本章小结 10

第3章 闪蒸槽的轴对称模型 11

3.1 问题描述 11

3.2 计算参数与有限单元模型 11

3.3 结果与讨论 12

3.3.1 管口的应力分析 12

3.3.2 封头的应力分析 14

3.3.3 筒体的应力分析 15

3.4 本章小结 17

第4章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 20

致谢 21

1. 绪论

1.1研究的背景及意义

作为一种古老的防腐蚀技术，砖板衬里在化工、有色冶金等行业中应用广泛。砖板衬里可适用于许多传统防腐蚀方法无效的腐蚀环境，也可替用于代价格较贵的耐腐蚀金属材料。陶砖衬里设备是一种复合结构，由耐酸陶砖、胶泥、铅、隔离层、钢壳等材料组成，由于这些材料的线膨胀系数、热导率等都有较大差别，所以在不同工况下，各种材料表现出的应力、应变状态也不相同。而陶砖和胶泥材料的抗压强度远高于抗拉强度，若衬里层出现拉应力超出了陶砖或胶泥的抗拉强度的情况，将会造成陶砖和胶泥出现破损、断裂或塌方等现象，最后导致陶砖衬里设备的失效。因此需要在陶砖衬里设备设计时,进行模拟和应力分析，找出陶砖和胶泥在不同工况下的应力分布规律，然后再对结构和材料等进行调整，降低陶砖和胶泥内层的拉应力，进一步提高设备的安全性。此过程是高温、高压砖板衬里设备设计的重要环节^[1]。

然而高温高压闪蒸槽是一种陶砖和胶泥层相互嵌套的复合结构，其轴向、径向和环向上交错分布着胶泥层。若想要计算各层、各个部位的应力，采用传统解析法往往是行不通的， 而有限元分析法经过多次实践，已经成为了工程上普遍用来计算应力分布的有效方法之一。本文借助有限元分析软件ANSYS对高温高压闪蒸槽在不同工况下的工作状态进行模拟，校核各材料层的强度，所得结果对闪蒸槽的安全性有着重要指导意义。

1.2国内外研究现状

闪蒸技术发展至今，得到了国内外各领域学者的广泛关注和研究。闪蒸技术广泛应用于海水淡化、余热发电等领域，因为自身具有：速度快，耗能低，气液分离效果好等优点，所以如何提高闪蒸效率以及如何推动闪蒸技术更广泛地应用在工程中成为了国内外学者的研究的热门话题^[2]。

陈海平，郭欣欣等学者设计并测试了一个低浓度光电/热（FT-LCPVT）系统之闪蒸槽。该系统包括一个用于发电和预热盐水的LCPVT模块、一个与LCPVT模块串联以进一步加热盐水的太阳能集热器（STC）、一个在真空压力下工作以获得水蒸气的闪蒸罐，用于冷凝蒸汽的冷凝器和收集淡水的淡水罐。为了研究系统的性能（蒸发系数、电功率和效率、淡水产量和获得的输出比）和可行性，在工作压力20kpa和闪蒸罐入口温度90°C下进行了实验。实验结果表明：蒸发系数和平均电效率分别达到5%和13.28%。此外，试验中9:00～17:00的最大电功率和累计产水量分别为447.55W和23.65L^[16]。

齐洪杰等学者们提出了一种用于空气源热泵的新型的带有过冷器和闪蒸罐的混合气喷射循环装置（HVIC）。在HVIC可以实现过冷器和闪蒸罐蒸汽喷射的优点，特别是在低环境温度条件下，可以有效地减少不可逆的热力学损失并改善系统性能。使用循环仿真将HVIC的性能增强潜力与传统的过冷器蒸汽喷射循环（SVIC）和闪蒸罐蒸汽喷射循环（FTVC）进行了比较。仿真结果表明：对于使用R290作为制冷剂的HVIC，与SVIC系统相比，性能系数（COP）和容积热容量可以分别提高2.8-3.3％和6.4-8.8％，与FTVC系统相比分别为-6.0％。同时分析表明，由于使用了喷射器，HVIC的损坏率低于SVIC和FTVC，因此有更高的热效率。总体而言，HVIC可以更有效地提高供热能力和系统效率^[17]。

Mohammad Arefi等学者基于一阶剪切变形理论（FSDT），对功能梯度碳纳米管增强复合材料（FG-CNTRC）圆柱形压力容器与压电面板作为传感器和执行器进行了二维电弹性分析。圆柱形压力容器停在Pasternak的地基上时会承受热，电和机械载荷。芯由具有不同分布的碳纳米管的FG-CNTRC制成。有效材料属性是根据钢筋分布不同的混合规则来计算的。该问题的控制方程是根据虚功原理推导出来的，并使用特征值-特征向量法对夹紧边界条件进行求解。通过在特殊情况下将当前数值结果与先前工作的结果进行比较，证明了本方法的准确性和正确性。数值结果包括径向和轴向位移，旋转，法向和剪切应力，这些问题的输入依据是问题的大量输入，例如CNT模式，CNT的体积分数，施加的电势和Pasternak系数^[18]。

左安达等学者通过建立有限单元模型，对一台压力容器的结构和载荷不连续处、应力集中处等高应力区进行了疲劳强度分析，并与其疲劳强度的设计值进行比较。最终提出了一系列提高压力容器疲劳寿命的措施，例如：降低应力集中，消除残余应力热处理，机械超载自增强处理，开孔补强等^[4]。

而国内对于陶砖衬里闪蒸槽工作状态的研究，由于缺乏相关的规范，许多研究人员和设计师只能利用自身的经验来大概判断其工作状态的稳定性和安全性。即有限元技术在该领域内研究不够透彻，应用不够广泛。而目前在国外的工程公司中，在闪蒸槽设计之前，必须提供其的应力分析的安全性报告，否则将不承认设计方案。

1.3 研究内容与技术方案

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