煤质分析仪加热炉温度场分析及ANSYS模拟

　　1 引 言

　　当前基于重红外技术的煤质分析仪器基本上都是采用双炉膛加热[1]。其中低温炉膛进行水分和灰分的测量;而高温炉膛进行挥发分的测量，但是挥发分测量只能进行单个试样的加热。也就是说在进行多试样检测时，需要按顺序将试样送入高温炉膛，这种工艺流程不满足快速测试的要求。煤质分析仪器中还没有多试样同时检测的产品，若能将多个试样的挥发分检测同时进行的话，将缩短时间 120min 以上。基于快速检测的思想提出一种多试样同时检测的新型煤质分析仪加热炉设计，应用 A N S Y S 软件对该加热炉进行分析，旨在为快速煤质分析仪器的研制提供理论指导。

　　2 快速煤质分析仪的基本架构设计

　　2.1 基本结构

　　为加快煤质分析的速度,我们所设计的煤质快速分析仪的基本思路是: 加热炉采用双层炉膛整体结构设计,下炉膛进行水分测试,上炉膛进行挥发分和灰分测试。其最大的优点是:多试样同步测试。快速煤质分析仪的基本架构包括:加热炉和机电传动系统。如图 1 所示,主要部件有:1流量控制阀,2热电偶,3电子天平,4旋转电机,5升降电机,6、7光电开关,8试样盘,9加热炉。

　　2.2 工艺流程简介

　　首先进行水分测试，工作炉膛为下炉膛，测试气氛为氮气，t1时间后，通过 M2 的旋转和电子天平 3 进行试样称量;随后通过 M 1 传动，试样盘上升至上炉膛进行挥发分测试，测试气氛为氮气，t2时间后，试样盘下降至下炉膛进行试样称量;待上炉膛达到测试条件后，进行灰分测试，测试气氛为氧气，t3时间后，试样盘下降至下炉膛进行试样称量，整个测试结束。

　　3 加热炉温度场有限元分析

　　3.1 加热炉导热微分方程

　　根据热力学第一定律及付立叶定律，得到结构热平衡方程[3]为：

　　其中, kx,ky,kz分别为三个坐标轴方向上热传导系数;q 为单位体积生热率;c 为比热容。该热平衡方程的边界条件为：(1) 已知某些边界上温度条件(Ts);(2) 已知某些边界上热流密度(Qs);(3) 已知某些边界上对流(h)和辐射条件。

　　3.2 温度场有限元分析方程

　　温度场有限元分析方法核心为：将复杂结构离散成互不重叠的形状简单的单元，在单元局域内选取近似函数进行插值，然后叠加成最后控制方程，确定温度场。由此得到有限元方程：

　　根据单元平衡控制方程进行扩展,并依据节点号进行组集,得到总体平衡方程;求解该方程组,从而得到瞬

　　态温度场;(2)式中温度 T 为常数时,该式变为稳态温度场方程。