（材料學(xué)專業(yè)論文）篦式冷卻機(jī)的換熱理論研究.pdf

西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 篦式冷卻機(jī)的換熱理論研究 專業(yè) 材料學(xué) 碩士生 馮紹航 指導(dǎo)老師 徐德龍?jiān)菏?教授 李輝講師 陳延信講師 摘要 本文在合理的假設(shè)前提下 以日產(chǎn)1 0 0 0 噸熟料的篦冷機(jī)為研究對象 建立了 篦式冷卻機(jī)內(nèi)部換熱的數(shù)學(xué)模型 開發(fā)出用于該模型計(jì)算的f o r t r a n 程序 并利用現(xiàn) 場實(shí)際標(biāo)定結(jié)果對模型的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證 利用該程序研究了驟冷區(qū)篦下風(fēng)速 后冷卻區(qū)篦下風(fēng)速 篦床推動(dòng)速度 熟料顆粒粒徑和床層空隙率等因素對篦冷機(jī)工 作特性的影響 通過對計(jì)算結(jié)果的分析 得出了如下結(jié)論 驟冷區(qū)和后冷卻區(qū)篦下風(fēng)速對熟料冷卻效果的影響最大 它們對排出熟料 溫度的影響呈指數(shù)衰減規(guī)律 篦床推動(dòng)速度和熟料顆粒粒徑對熟料的冷卻影響較大 它們對排出熟料溫 度的影響呈線性增加規(guī)律 床層空隙率對熟料的冷卻影響最小 溫度的波動(dòng)范圍僅為 2 0 k 可以忽略 不計(jì) 利用以上研究結(jié)果 針對日產(chǎn)1 0 0 0 噸熟料的篦冷機(jī)系統(tǒng)可以提出以下優(yōu)化操 作參數(shù) 合理的驟冷區(qū)篦下氣體流速應(yīng)當(dāng)控制在1o 1 5 m s 之間 后冷卻區(qū)篦下氣 體流速應(yīng)當(dāng)控制在o 5 o 7 5 m s 之間 篦床推動(dòng)速度應(yīng)當(dāng)在o 0 0 7 00 1 0 m s 之間 顆粒粒徑 體面積平均徑 應(yīng)當(dāng)小于o0 2 5 m 關(guān)鍵詞 篦冷機(jī) 數(shù)學(xué)模型 風(fēng)速 推動(dòng)速度 粒徑 堆積狀態(tài) 論文類型 應(yīng)用研究 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 s t u d y o nm e c h a n i s mo fh e a tt r a n s f e ri nt h eg r a t ec o o l e r s p e c i a l t y m a t e r i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y n a m e f e n gs h a o h a n g i n s t r u c t o r p r o f x ud e l o n g l e c t u r e rl i h u i l e c t u r e rc h e ny a n x i n a b s t r a c t b a s e do nr e a s o n a b l eh y p o t h e s e s am a t h e m a t i c a lm o d e lo fh e a tt r a n s f e rb e t w e e ng a s s t r e a ma n dc l i n k e ri na g r a t ec o o l e rw i t ha no u t p u to f 10 0 0 t di se s t a b l i s h e d ac o m p u t e r p r o g r a mf o rt h i sm o d e li sw o r k e do u ti n f o r t r a n t h em e a s u r e m e n td a t ac o l l e c t e d f r o mar e a l10 0 0 t dg r a t ec o o l e rs e r v e sf o rv a l i d a t i n gt h es o u n d n e s so ft h em o d e la n d p r o g r a m u s i n gt h i sp r o g r a m s e v e r a lf a c t o r sw h i c hm a y h a v ei n f l u e n c eo nt h eo p e r a t i o n o fg r a t ec o o l e ra r ei n v e s t i g a t e d t h e ya r ea i rv e l o c i t yu n d e rg r a t ei nq r cz o n e a i r v e l o c i t yu n d e rg r a t ei ncz o n e d r i v i n gv e l o c i t yo fg r a t eb e d c l i n k e rs i z ea n dp a c k i n g s t a t eo fc l i n k e r s b ya n a l y z i n gt h er e s u l t so fc a l c u l a t i o n as e r i e so f c o n c l u s i o na r ea c h i e v e d t h ea i rv e l o c i t i e si nq r cz o n ea n di ncz o n ea r ei m p o a a n tf a c t o r sa f f e c t i n go n c l i n k e rc o o l i n g t h et e m p e r a t u r eo fd i s c h a r g e dc l i n k e rd e c r e a s e se x p o n e n t i a l l yw i t ha i r v e l o c i t ya n de q u a t i o n sa r eg i v e ni nt h i sr e g a r d t h e d r i v i n gv e l o c i t yo fg r a t eb e d a n dt h ec l i n k e rs i z eh a v es o m ee f f e c to nc l i n k e r c o o l i n g t h et e m p e r a t u r eo fc l i n k e rl e a v i n gt h ec o o l e re x i t i n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h e d r i v i n gv e l o c i t yo fg r a t eb e da n d t h ec l i n k e rs i z ea n dt h ee q u a t i o n sa r es h o w e d t h e p a c k i n gs t a t eo fc l i n k e r sh a sal i t t l e e f f e c to nc l i n k e rc o o l i n g s u c he f f e c t c o u l db en e g l e c t e df o rt h ef l u c t u a t i o nr a n g eo fa l lt e m p e r a t u r e si sn o tm o r et h a n 2 0 k a no p t i m i z e do p e r a t i n gs c h e m ef o rt h eg r a t ec o o l e rw i t hac o o l i n gc a p a c i t yo f 10 0 0 t di sg i v e na sf o l l o w s t h ep r o p e ra i rv e l o c i t yu n d e rg r a t ei nq r c z o n es h o u l db e 1 0 1 5 r r d s t h eo n ei ncz o n es h o u l db e0 5 0 7 5 m s t h ed r i v i n gv e l o c i t yo fg r a t eb e d s h o u l db eo 0 0 7 0 0 1 0 m s a n dc l i n k e rs i z es h o u l db el e s st h a n0 0 2 5 m k e y w o r d s t h eg r a t ec o o l e r m a t h e m a t i c a lm o d e l a i rv e l o c i t y d r i v i n gv e l o c i t y c l i n k e r s i z e p a c k i n gs t a t e t h e t y p e o f t h e s i s a p p l i e dr e s e a r c h 聲明 y6 1 7 0 0 s 本人鄭重聲明我所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 怍及取得的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 淪文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含本人或其他 人在其它單位已申請學(xué)位或?yàn)槠渌猛臼褂眠^的成果 與我一同工作的同 志對本研究所做的所有貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了致謝 申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處 本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任 論文作者簽名 7 馬鄉(xiāng)礙航日期 瑚瑭6 w 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安建筑科技大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 目 學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件 允許論文被查閱和借閱 學(xué)?？梢怨?論文的全部或部分內(nèi)容 可以采用影印 縮印或者其它復(fù)制手段保存論文 保密的論文在論文解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 論文作者簽名 撇 導(dǎo)師簽名 鴦輝 日期 m b 沖 注 請將此頁附在論文首頁 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 符號 爿 h 日 世 m n p r q r r r e p e i p 礦 血 a p h q a 主要符號表 意義 換熱面積 比熱容 網(wǎng)格單元高度 顯熱焓 氣固問綜合換熱系數(shù) 質(zhì)量流量 努謝爾準(zhǔn)數(shù) 氣體絕對壓強(qiáng) 普朗特準(zhǔn)數(shù) p r i t g c 2 p 熱量 氣體常數(shù) 8 3 1 4 熟料導(dǎo)熱熱阻 雷諾準(zhǔn)數(shù) r e p 墮 飛 溫度 在d f 時(shí)間內(nèi)固氣間平均溫差 網(wǎng)格單元壓降 單元網(wǎng)格的體積 單位體積床層內(nèi)顆粒的有效表面積 熟料平均粒徑 本文中取熟料顆粒體面積平均徑 重力加速度 氣體對流換熱系數(shù) 篦冷機(jī)壁厚 熱流量 熱量 單位 m 2 j k g k m w w m z k k g s k j k gc 1 j m o l k m 2 k w k k p a m m 2 m 3 m m s 2 w m k m w k j k g c n 西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 v 運(yùn)動(dòng)速度m s 顆粒透熱深度 用其半徑坐標(biāo)表示m 斯蒂芬一波爾茨曼常數(shù) 5 6 7 x 1 0 1 w m 2 k 4 1 熟料床層空隙率或黑度 效率 導(dǎo)熱系數(shù) w m k 動(dòng)力粘度pa s 氣體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) m 2 s 密度 k g m 顆粒形狀校正系數(shù) 圓柱狀m 1 5 圓球狀 1 4 平板狀m l 3 對流換熱 輻射換熱 平均值 熟料 由熟料傳遞給氣體 冷卻機(jī) 由熟料傳遞給篦冷機(jī)壁面 帶懸浮熟料粉的氣體 氣體 氣固之間 由氣體傳遞給篦冷機(jī)壁面 網(wǎng)格入口 壁內(nèi)側(cè) 損失 網(wǎng)格出口 壁外側(cè) 懸浮在氣流中的熟料粉末 環(huán)境 篦冷機(jī)的壁 x 占 s 玎 旯 y p 妒 壞一 體嘴 曙一州卻g護(hù) 炳 p w 西安建筑科技大學(xué)碩士研究生論文 1 前言 作為三大基礎(chǔ)材料之一 水泥在國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用 同時(shí) 作為高能耗行業(yè)之一 在能源危機(jī)l i 趨嚴(yán)峻的今天 水泥工業(yè)的節(jié)能降耗被賦予了 更為重要的意義 為適應(yīng)這種趨勢 幾十年來人們不斷對水泥工藝和設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn) 以實(shí) 現(xiàn)高產(chǎn)低耗 作為影響整個(gè)工藝系統(tǒng)熱效率的關(guān)鍵設(shè)備之一 篦冷機(jī)一直是人們研 究和改造的重點(diǎn) 然而 由于其系統(tǒng)的復(fù)雜性 目前對篦冷機(jī)的研究尚處于半經(jīng)驗(yàn) 階段 如何從其內(nèi)在機(jī)理上研究篦冷機(jī) 從而為篦冷機(jī)的優(yōu)化操作 設(shè)計(jì)和改進(jìn)提 供依據(jù) 是一個(gè)重要而有意義的課題 1 1 熟料冷卻機(jī)的作用與評價(jià)方式 水泥生產(chǎn)工藝可概括為 兩磨一燒 由礦山開采的原料磨細(xì)后經(jīng)預(yù)熱器預(yù)熱 和分解爐分解后 被送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)煅燒 燒成的熟料從回轉(zhuǎn)窯內(nèi)排出時(shí) 其溫度高達(dá) 1 2 5 0 1 4 0 0 c 在這樣的高溫下 是不能運(yùn)輸與放置的 必須將其冷卻 熟料冷卻 機(jī)因此應(yīng)運(yùn)而生 在水泥工業(yè)中篦冷機(jī)的主要作用如下 快速冷卻熟料 急冷有利于提高水泥的質(zhì)量 l 防止熟料中礦物晶體的長 大 增強(qiáng)水泥抗硫酸鹽的性能 2 改善熟料的易磨性 回收熟料中所含大量的熱量 約 2 5 0 1 6 5 0 k j k gc 1 并用于加熱二 三 次風(fēng) 烘干煤粉和余熱發(fā)電等 這是降低熟料燒成熱耗與企業(yè)生產(chǎn)成本的重要途徑 高溫熟料冷卻后 以便于熟料的輸送儲存與處理 自第一臺熟料冷卻機(jī)問世以來 對冷卻機(jī)的改造 研制與開發(fā)始終圍繞著以上 幾個(gè)方面來進(jìn)行 因此需要一個(gè)統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 來衡量一臺熟料冷卻機(jī)的優(yōu)劣 為其改進(jìn)提供方向 一般采用以下指標(biāo)來評價(jià)熟料冷卻機(jī)1 3 j 1 1 熱效率 即從出窯熟料中回收并用于熟料煅燒過程的熱量與出窯熟料所帶 入冷卻機(jī)的熱量之比 熱效率越高 冷卻機(jī)的性能越好 水泥熟料的燒成 熱耗也相應(yīng)越低 通常用下式表達(dá) 枷 絲燁 1 0 0 1 1 或 瀘墮 亟型 1 0 0 既 擴(kuò) 蠢 刈0 0 1 2 西安建筑科技大學(xué)碩士研究生論文 式中 拂 0 脅 熟料冷卻機(jī)熱效率 o c o l e 一出窯熟料帶入冷卻機(jī)熱量 k j k g e l i f 熟料冷卻機(jī)總熱損失 k j k g c l q g一出熟料冷卻機(jī)氣體所帶走熱量 k j k g c l 吼 出熟料冷卻機(jī)熟料所帶走熱量 f k j k g c l g f 一熟料冷卻機(jī)散熱損失 k j k gc l 通常各種熟料冷卻機(jī)熱效率在4 0 一8 0 之間 2 冷卻機(jī)排出熟料的溫度 該溫度越低 熟料帶走的熱損失越少 則熱效率 與冷卻效率就越高 3 1 入窯二次風(fēng) 入分解爐三次風(fēng)溫度與烘干用風(fēng)溫度 該溫度越高 回收用 于熟料燒成的熱量越多 熱效率就越高 4 冷卻機(jī)及其附屬設(shè)備電耗 一臺好的冷卻機(jī)要求其電耗應(yīng)盡可能地小 在以上四個(gè)指標(biāo)中 熱效率無疑是最主要的評價(jià)指標(biāo) 而篦冷機(jī)的熱效率與窯 系統(tǒng)的熱耗有密切關(guān)系 因此脫離窯的熱耗來談冷卻機(jī)的熱效率是沒有意義的 為 了比較不同冷卻機(jī)的熱效率 德國水泥工廠協(xié)會(huì) v s z 冷卻機(jī)研究小組提出 3 取1 1 5 k g k g c l 相當(dāng)于熱耗為3 1 3 5k j k g c l 窯用空氣量和1 8 c 空氣溫度為基準(zhǔn) 建立熱平衡 該情況下冷卻機(jī)的熱量損失為標(biāo)準(zhǔn)冷卻機(jī)損失 對不同冷卻機(jī)的比較 應(yīng)當(dāng)換算成為標(biāo)準(zhǔn)冷卻機(jī)損失后再比較 1 2 熟料冷卻機(jī)的發(fā)展 在回轉(zhuǎn)窯誕生之初 熟料的冷卻為堆放自然冷卻 沒有專門的冷卻設(shè)備 1 9 世 紀(jì)9 0 年代單筒冷卻機(jī)研制成功 隨后在2 0 世紀(jì)2 0 年代又開發(fā)出多筒冷卻機(jī) 1 9 2 9 年 德國伯力鳩斯公司生產(chǎn)出回轉(zhuǎn)篦式冷卻機(jī) 1 9 3 7 年 美國富勒公司推出推動(dòng)篦 式冷卻機(jī) 此后到1 9 8 0 年前 冷卻機(jī)技術(shù)處于 百花齊放 的時(shí)期 在此期間 推動(dòng)篦式冷卻機(jī)逐漸脫穎而出 1 9 8 0 年后 推動(dòng)篦式冷卻機(jī)逐漸占據(jù)市場的主要地 位 其他型式的冷卻機(jī)則逐漸退出市場 在目前新建的水泥廠中 推動(dòng)篦式冷卻機(jī) 的使用比例高達(dá)9 5 以上 縱觀冷卻機(jī)發(fā)展的百多年歷史 其型式主要分為三類 一是筒式 包括單筒 多筒冷卻機(jī) 二是篦式 包括震動(dòng) 回轉(zhuǎn) 推動(dòng)篦式冷卻機(jī) 三是其他型式 包 括立筒式 g 式冷卻機(jī) 分別詳述于下 一 單筒冷卻機(jī) 西安建筑科技大學(xué)碩士研究生論文 單筒冷卻機(jī)是最老式的熟料冷卻 機(jī) 由設(shè)在回轉(zhuǎn)窯窯頭下端的一個(gè)轉(zhuǎn)筒 組成 其結(jié)構(gòu)如圖1 1 所示 單筒冷卻機(jī)屬于逆流式氣固換熱 裝置 其熟料的冷卻主要靠冷卻空氣的 對流與穿流結(jié)合帶走熱量而完成 具有 工藝流程簡單 無廢氣與粉塵排放 不 配風(fēng)機(jī)等優(yōu)點(diǎn) 不足之處在于 冷卻風(fēng) 量受限制 在保證燃料充分燃燒的情況 下回轉(zhuǎn)窯的過?？諝饬繎?yīng)盡可能小 出冷卻機(jī)熟料的溫度較高 散熱損失較 大 對熟料難以起到急冷的作用 冷卻 宥奇令 冉 圖1 1 單筒冷卻機(jī)工藝圖 效果受熟料顆粒尺寸影響大 其主要技術(shù)指標(biāo)如表1 1 川所示 查 里墮翌塑塑塑墊查塑堡 名稱囂瓣翟 紫r 速 r a 度i n 警攀熱菱率 t m 2 d n m k g c l 搿瑚o o 1 6 2 00 8 1 1 噸s 1 嘉2 0 0 5 6 7 0 單筒冷卻機(jī)的產(chǎn)量與簡體直徑的平方成正比 而n s p 窯的產(chǎn)量與簡體直徑的三 次方成正比 隨著工廠的規(guī)模擴(kuò)大 產(chǎn)量增高 單筒冷卻機(jī)的簡體直徑不斷擴(kuò)大并 超過窯的直徑 見表1 2 5 j 世界上最大的單筒冷卻機(jī)產(chǎn)量為3 0 0 0 t d 而其直徑己 達(dá)5 6 m 這樣揚(yáng)起的熟料從5 m 多高處砸下 很容易砸壞揚(yáng)料裝置 目前世界上水 泥熟料的單線產(chǎn)量已突破1 0 0 0 0t d 單筒冷卻機(jī)已經(jīng)難以適應(yīng)水泥工業(yè)生產(chǎn)大型化 的要求 表1 2 新型干法窯與單筒冷卻機(jī)規(guī)格 二 多筒冷卻機(jī) 多筒冷卻機(jī)誕生于1 9 2 3 年 由9 1 1 個(gè)單獨(dú)的冷卻筒組成 其結(jié)構(gòu)如圖1 2 所 示 此圖為1 9 6 5 年史密斯公司制造的u n a x 新型多筒冷卻機(jī) 用于預(yù)熱器窯 睜斜跫 西安建筑科技大學(xué)碩士研究生論文 圖1 2u n a x 多筒冷卻機(jī)工藝圖 多筒冷卻機(jī)也屬于逆流式氣固換熱裝置 其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單 不需要另設(shè)傳動(dòng) 裝置 無廢氣與粉塵排放 不配風(fēng)機(jī)等 缺點(diǎn)是 因?yàn)榕c窯連成一體 使窯頭筒體機(jī) 械負(fù)荷大 高溫下易損壞 二次風(fēng)溫度較低 無法抽取三次風(fēng) 其主要技術(shù)指標(biāo)見 表1 3 表1 3 多筒冷卻機(jī)的技術(shù)指標(biāo) 名稱囂舉鬻警r 速 m 度i n 攀攀熱蓑率 名稱 詈 積負(fù)荷空氣量 麓 0 8 料溫度料溫度 1 t m 2 d n m k g e l 專黧 i j隆i 翻斌 訊rr 剮 弋 少 g 型冷卻機(jī)簡圖 g 型冷卻機(jī)與篦冷機(jī)聯(lián)結(jié)布置圖 圖i 5 g 型冷卻機(jī)工藝圖 1 3 篦式冷卻機(jī)技術(shù)的發(fā)展 i 3 1 篦式冷卻機(jī)的發(fā)展歷史 自從誕生以來的六十年間 篦式冷卻機(jī)隨水泥工業(yè)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代 根 據(jù)篦板 篦床形式與篦下供風(fēng)系統(tǒng)的變化 其發(fā)展大致可以分為三代 在2 0 世紀(jì) 4 0 年代到6 0 年代 以早期f u l l e r 型往復(fù)推動(dòng)式篦冷機(jī)為代表 稱之為第一代篦冷 機(jī) 這一代篦冷機(jī)的活動(dòng)篦床具有許多縱向分布的梁 故在每一段下難以分室 而 且篦下密封很差 只能鼓以很低的風(fēng)壓 屬于大風(fēng)量 低風(fēng)壓 薄料層的原始推動(dòng) 型篦冷機(jī) 一室風(fēng)壓為 6 2 6 5 9 8 p a 二室風(fēng)壓為 4 9 5 3 x 9 s p a 這就決 定了篦床上的料層只能很薄 僅有1 8 0 1 8 5 m m 單位篦床面積的產(chǎn)量也很低 小 于2 0 t i m 2 d 從2 0 世紀(jì)6 0 年代到8 0 年代中期 與n s p 窯配套使用的往復(fù)推動(dòng)式篦冷機(jī)稱 為第二代篦冷機(jī) 其篦板高度有所增加 篦板通風(fēng)由長縫改為均勻園孔 降低了漏 料 篦下分室可實(shí)現(xiàn)密閉供風(fēng) 密封性能大大提高 從而保證篦上的料層厚度可以 增加至4 0 0 5 0 0 m m 同時(shí)單位篦床面積的產(chǎn)量也增加到2 5 4 0t m l d 自2 0 世紀(jì)8 0 年代中期 i k n 公司創(chuàng)始人馮 韋特開發(fā)出新型的阻力篦板后 各 種新技術(shù)相繼問世 篦冷機(jī)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的階段 這種具有阻力篦板和空氣梁 西安建筑科技大學(xué)碩士研究生論文 芒尸曙 圖1 6i k n 阻力篦板 圖1 8 自動(dòng)升降的隔熱擋板 圖1 7 富勒低漏料篦板 圖1 9 液壓輥式破碎機(jī) 圖1 1 0 篦冷機(jī)入口供風(fēng)系統(tǒng) 圖1 1 1 篦冷機(jī)進(jìn)口布料裝置 西安建筑科技大學(xué)碩士研究生論文 從2 0 世紀(jì)9 0 年代開始 篦式冷卻機(jī)技術(shù)又有了新的發(fā)展 雖然從總體上來講 此時(shí)的篦冷機(jī)還處于第三代 但在局部上又有了較大的改進(jìn) 尤其是傳動(dòng)裝置 以 前篦冷機(jī)的傳動(dòng)方式都是往復(fù)推動(dòng)式的 而新近的發(fā)展趨勢則變?yōu)轶鞔膊辉傧鄬σ?動(dòng) 如i k n 公司的懸擺式篦冷機(jī) j 州 整段篦床懸掛起來擺動(dòng) 熟料在篦床的來回?cái)[ 動(dòng)中移動(dòng) 固定篦板與活動(dòng)篦板問的摩擦非常小 再如史密斯一富勒公司的s f 一交 叉棒式篦冷機(jī) l2 j 整段篦床完全固定 無固定篦板與活動(dòng)篦板之分 全部采用機(jī)械 氣流調(diào)節(jié)閥篦板 篦床只承擔(dān)冷卻任務(wù) 由推動(dòng)棒承擔(dān)輸送任務(wù) 這種冷卻機(jī)的固 定篦板與活動(dòng)篦板之間沒有相對移動(dòng) 這兩種新型冷卻機(jī)都具有自動(dòng)調(diào)節(jié)的氣流分 布機(jī)制和獨(dú)立的熟料驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 盡管第三代篦冷機(jī)較之前兩代篦冷機(jī)進(jìn)步很大 但在提高熱效率 降低單位熟 料冷卻用風(fēng) 簡化結(jié)構(gòu)和降低能耗等方面依然有很大的潛力可挖 1 3 2 篦冷機(jī)的研究 直以來 對篦冷機(jī)的研究大致可分為兩種類型 一是針對實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的 問題進(jìn)行改造與試驗(yàn)研究 在不斷解決問題中發(fā)展篦冷機(jī) 一是針對篦冷機(jī)建立數(shù) 學(xué)模型 從理論研究上尋求突破點(diǎn) 以指導(dǎo)篦冷機(jī)的改造研發(fā) 這兩種方法各有千 秋 在篦冷機(jī)的發(fā)展中都做出了很大的貢獻(xiàn) 在對篦冷機(jī)改造的過程中 篦板型式 供風(fēng)系統(tǒng)與進(jìn)料口的布料等一直是關(guān)注 的重點(diǎn) 篦冷機(jī)運(yùn)行中所出現(xiàn)的各種問題 如堆 雪人 紅河 等現(xiàn)象 都與這 幾方面有關(guān) v o n w e d e l 和r w a g n e r t 指出 顆粒分布不均勻的厚料層要實(shí)現(xiàn)均勻送風(fēng)需 要增加篦板的阻力以抵消料層阻力對通風(fēng)的影響 并以實(shí)驗(yàn) 1 4 證明 對于不同篦板 要使篦上床層壓降增加相同值 阻力篦板下風(fēng)速只需增加3 0 而標(biāo)準(zhǔn)篦板下風(fēng)速 需要增加3 0 0 而且還會(huì)導(dǎo)致料層吹穿 顆粒離析等不良現(xiàn)象 i k n 公司研制成 學(xué)目 a1 k n 阻力篦板與充氣粱 bc p 公司凹槽篦板 cf l s 公司控流篦板 圖1 1 2 各種型式阻力篦板 西安建筑科技大學(xué)碩士研究生論文 功的阻力篦板卜懈決了這個(gè)問題 隨后針對這一問題c l a u d i u sp e t e r s 公司研制出凹 槽篦板 i f l s m i d t h 公司也推出控流篦板 c f g 1 6 1 如圖1 1 2 所示 回轉(zhuǎn)窯的轉(zhuǎn)動(dòng)卸料 造成進(jìn)入冷卻機(jī)的熟料顆粒偏析 從而使得細(xì)料側(cè)通風(fēng)變 差 出現(xiàn) 紅河 現(xiàn)象 第一 二代的篦冷機(jī)對這個(gè)問題的解決都不盡人意 而 阻力篦板與空氣梁通風(fēng)技術(shù)通過改造冷卻機(jī)的進(jìn)料方式獲得了較好的熟料分布 從 而使冷卻用風(fēng)量減少 熱回收區(qū)延長 有效地消除了進(jìn)料端堆 雪人 并防止 了 紅河 現(xiàn)象的發(fā)生1 1 7 0 對篦冷機(jī)各部件的改造和新設(shè)備開發(fā)所取得的輝煌成就 使得篦冷機(jī)的產(chǎn)量與 熱效率不斷提高 目前最大的篦冷機(jī)單機(jī)產(chǎn)量已經(jīng)超過1 0 0 0 0 t d 熱效率高于8 0 與此同時(shí) 許多研究者從理論上建立數(shù)學(xué)模型 對篦冷機(jī)進(jìn)行研究 以輔助和指導(dǎo) 篦冷機(jī)的工程改進(jìn)與開發(fā) 也取得了顯著的成績 在龐以訓(xùn) 1 i j 的譯文中 作者給出整個(gè)預(yù)熱預(yù)分解和回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)與各個(gè)單元的平 衡方程式 然后用計(jì)算機(jī)進(jìn)行逐項(xiàng)求解 從而確定溫度對熱耗的影響 文中給出了 求解步驟與計(jì)算框圖 但沒有具體的計(jì)算結(jié)果和分析 h 0 g a r d e i k 等 2 2 1 針對整個(gè)篦冷機(jī)建立模型 給出了熟料冷卻機(jī)的熱效率評價(jià) 方法 借用能量損失 冷卻機(jī)效率和冷卻區(qū)域效率 提出了評估冷卻機(jī)的標(biāo)準(zhǔn) 但 是沒有進(jìn)一步討論與求解 h e e l k j a e r 和t e n k e g a a r d i l 提出了評價(jià)冷卻機(jī)中熟料與空氣換熱能力的方法 引出了兩個(gè)概念 k 因子與標(biāo)準(zhǔn)冷卻機(jī)損失 并給出了k 因子的值與冷卻機(jī)熱損失 和熱回收之間的關(guān)系 但是建模較簡單 未考慮顆粒粒徑等因素的影響 v o n g l b e r u s t e i n 和f d m o l e s l 2 4 l 研究了熟料冷卻機(jī)內(nèi)發(fā)生的物理現(xiàn)象與影響 冷卻機(jī)熱回收的因素 建立了基于熱力學(xué)第一定律和能量 動(dòng)量 質(zhì)量守恒定律的 數(shù)學(xué)模型 并利用軟件f l o w 3 d 計(jì)算了熟料層上的氣體流場與溫度分布 指出熟 料與空氣沿篦冷機(jī)長度方向的溫度分布符合指數(shù)衰減規(guī)律 但沒有給出具體的方 程 同時(shí)還考慮了不同風(fēng)室的影響 但沒有考慮在不同區(qū)域里 熟料的冷卻方式各 有不同的情況 s a u m i t r ap a l l 2 5 l 也利用軟件m a t h c e m e n tp y r o 計(jì)算了包括篦冷機(jī)在內(nèi)的整個(gè)窯 系統(tǒng)的熱平衡 氣體平衡和質(zhì)量平衡 但是沒有給出任何評論與結(jié)果 只是對 m a t h c e m e n tp y r o 做了一個(gè)介紹 g l o c h e r1 2 6 在氣體通過顆粒床的傳熱方程式和靜止體非穩(wěn)態(tài)傳熱方程式的基 礎(chǔ)上 建立了數(shù)學(xué)模型 并利用計(jì)算楓求解 他研究了熟料粒徑分布 篦床速度 冷卻風(fēng)分布等對傳熱的影響 但是沒有給出每一個(gè)參數(shù)對傳熱影響的具體規(guī)律 以 及如何利用這些關(guān)系來改善篦冷機(jī)的操作 綜上所述 無論是設(shè)備的開發(fā)研制 還是理論研究 科技工作者所做的工作都 西安建筑科技大學(xué)碩士研究生論文 越來越深入 篦冷機(jī)的發(fā)展也越來越快 然而 在實(shí)際生產(chǎn)中人們發(fā)現(xiàn) 雖然第三 代篦冷機(jī)在改善空氣分布方式 傳動(dòng)方式等方面取得了突破性進(jìn)展 但在熱回收效 率提高方面 仍有許多工作可做 1 4 本研究的主要內(nèi)容 針對上述研究現(xiàn)狀 本論文擬建立篦冷機(jī)系統(tǒng)的熱平衡模型 研究各種因素對 傳熱的影響 找出其影響規(guī)律 為此 將開展如下工作 以篦冷機(jī)系統(tǒng)為研究對象 在合理假設(shè)的前提下 研究系統(tǒng)內(nèi)氣 料 壁 之間的傳熱機(jī)理 并建立數(shù)學(xué)模型 運(yùn)用f o r t r a n 語言對所建模型編程求解 針對不同情況 提出不同的經(jīng)驗(yàn)公式 以用來預(yù)測熟料在篦冷機(jī)長度方向 上的溫度分布 研究顆粒堆積狀態(tài) 冷卻用風(fēng)量及其分布 篦床推動(dòng)速度 熟料顆粒粒徑 和床層空隙率等對冷卻機(jī)換熱效果的影響 找出其影響規(guī)律 提出改善篦 冷機(jī)換熱的優(yōu)化操作參數(shù) 2 篦式冷卻機(jī)換熱過程的研究與模型建立 蓖冷機(jī)內(nèi)的換熱過程包括了傳導(dǎo) 對流 輻射三種方式 但因沒有內(nèi)熱源 較 回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的換熱要簡單 本章在細(xì)致分析篦冷機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上 將著重研究其 基本換熱過程和各單元換熱特征 并在合理假設(shè)的前提下建立數(shù)學(xué)模型 給出模型 的控制方程組 2 1 篦冷機(jī)的基本換熱過程 圖2l 篦冷機(jī)料流 氣流運(yùn)動(dòng)圖 篦冷機(jī)內(nèi)料流 氣流運(yùn)動(dòng)圖如圖2 1 所示 出窯熟料進(jìn)入篦式冷卻機(jī)后向右運(yùn) 動(dòng) 最后從篦冷機(jī)的尾部卸出 同時(shí) 氣體由篦板下的布風(fēng)孔進(jìn)入篦冷機(jī)豎直上行 與熟料形成錯(cuò)流換熱 理論上講 這種換熱方式的換熱效果不如逆流換熱的好 2 但在實(shí)際生產(chǎn)中 換熱效果主要由換熱面積與換熱速率兩者決定 在窯系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn) 定 篦冷機(jī)內(nèi)顆粒堆積均勻的情況下 篦冷機(jī)中氣體同每一個(gè)顆?；旧隙寄艹浞?接觸 氣固換熱接觸面積相當(dāng)大 氣體通過熟料層的速度較快 氣固間的溫差較大 因而換熱推動(dòng)力較大 篦冷機(jī)的熱交換性能較好 在篦冷機(jī)中除了氣固換熱外 還 存在其它一些形式的換熱 如熟料與篦冷機(jī)壁面之間的換熱 氣體與篦冷機(jī)壁面間 的換熱 篦冷機(jī)的表面散熱等 在本研究中 把篦冷機(jī)內(nèi)部分為兩個(gè)區(qū)域 熟料堆積層區(qū) 圖2 2 中的i i 區(qū) 和氣 體空腔層區(qū) 圖2 2 中的i 區(qū) 前者中的換熱介質(zhì)包括堆積的熟料和穿過熟料的氣 體 后者僅包括加熱后的氣體 區(qū)為篦冷機(jī)的工作區(qū)域 熟料的冷卻 熱量的回 收 以及熟料冷卻后的輸送均在該區(qū)進(jìn)行 故該區(qū)域是篦冷機(jī)換熱研究的重點(diǎn) i 區(qū)為氣體運(yùn)動(dòng)區(qū)域 完成加熱后的高溫氣體向分解爐和窯中的輸送及低溫廢氣的排 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 除 其換熱主要在高溫氣體和篦冷機(jī)壁面間進(jìn)行 鑒于區(qū)域i i 換熱過程復(fù)雜 無現(xiàn) 成的數(shù)學(xué)模型可利用 擬建立相關(guān)模型并編程計(jì)算求解 區(qū)域i 換熱情況較簡單 可直接用商業(yè)軟件求解 m g 1 h g 圖2 2 冷卻機(jī)系統(tǒng)質(zhì)量 熱量平衡圖 為簡化問題 在研究篦冷機(jī)的換熱過程 建立數(shù)學(xué)模型之前 對整個(gè)篦冷機(jī)系 統(tǒng)做了如下假設(shè) 1 篦冷機(jī)與整個(gè)窯系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)穩(wěn)定 篦冷機(jī)內(nèi)熟料的分布均勻 2 熟料顆粒為球形顆粒 3 熟料顆粒與氣體之間的傳熱為穩(wěn)態(tài) 4 懸浮于氣流中的熟料粉 d p 氣體流動(dòng) 熟料流動(dòng) 圖2 3 熟料層的網(wǎng)格劃分示意圖 對劃分后的每一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行熱平衡計(jì)算 求解出每一個(gè)網(wǎng)格的參數(shù) 把各個(gè)網(wǎng) 格的數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來 就可以準(zhǔn)確描述區(qū)域里的換熱狀態(tài) 在本研究中將區(qū)域i i 劃分 為2 7 0 0 個(gè)網(wǎng)格 每一網(wǎng)格均為矩形 網(wǎng)格線與物理區(qū)域的邊界線正交 以利于準(zhǔn) 確計(jì)算 如圖2 3 所示 以每一個(gè)網(wǎng)格為基本控制單元做質(zhì)量平衡和熱平衡計(jì)算 取前一網(wǎng)格的輸出值作后一網(wǎng)格的輸入值 如圖2 4 所示 逐次按順序?qū)γ恳粋€(gè)網(wǎng) 格進(jìn)行求解 最后得到整個(gè)篦冷機(jī)斷面上各點(diǎn)熟料和氣體的溫度分布 以及熱損失 根據(jù)假設(shè) 在每一個(gè)網(wǎng)格中 熟料水平向右運(yùn)動(dòng) 氣體垂直向上運(yùn)動(dòng) i 碰j f m s i i j 1 m i j 慨 一1 圖2 4 單元平衡圖 i 葉1 j i t o i i l j 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 2 2 2 質(zhì)量平衡 圖2 4 所示單元的氣 固相質(zhì)量平衡方程如下所示 其熱平衡將在后面給出 1 熟料 在篦冷機(jī)推動(dòng)速度不變 料層穩(wěn)定的情況下 熟料的流量不會(huì)發(fā)生改變 其質(zhì) 量平衡方程如下式所示 蜂 f d m f d 2 1 式中 峨 f 一網(wǎng)格單元進(jìn)口的熟料質(zhì)量流量 k g s m i 一網(wǎng)格單元出口的熟料質(zhì)量流量 k g s 2 氣體 通過熟料層的氣體滿足連續(xù)性方程 穩(wěn)態(tài)下可壓縮流的連續(xù)性方程式如下 v 州 0 2 2 由于氣體垂直向上運(yùn)動(dòng) 可將 2 2 式簡化為如下一維連續(xù)性方程 l j v g i j o i j v s 0 f c o n s t 2 3 其中 加2 號慧紫 億 式中 f 一網(wǎng)格單元進(jìn)口的氣體密度 k g m 3 以 f 一網(wǎng)格單元出v i 的氣體密度 k g m 3 v g f 一網(wǎng)格單元進(jìn)e l 的氣體速度 r i l s v g o i 一網(wǎng)格單元出口的氣體速度 州s 乓 i 一網(wǎng)格單元進(jìn) 出 口氣體密度 k g m 3 只加 f 一網(wǎng)格單元進(jìn) 出 口氣體絕對壓強(qiáng) p a 毛 f 一網(wǎng)格單元進(jìn) 出 口氣體溫度 k r 氣體常數(shù) 8 31 4 j m o l k 每 個(gè)網(wǎng)格的出口氣體壓強(qiáng) 可以由經(jīng)典的e r g u n 公式求出 由于每一網(wǎng)格迸 出口壓差即是床層的壓降 可以根據(jù)e r g u n 公式將氣 f j 和0 f j n n n 來 并 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 求出各點(diǎn)壓強(qiáng) a p h 避竽警t i p 鼉字監(jiān)d p 眨s 一 s 7 式中 p 一網(wǎng)格單元壓降 p a 一網(wǎng)格單元高 m s 一熟料床層空隙率 心一氣體動(dòng)力粘度 p a s 戊一氣體密度 k g m 3 咖一熟料平均粒徑 本文中取熟料顆粒體面積平均徑 m 2 2 3 熱量平衡 2 2 3 1 控制單元熱平衡分析 一個(gè)網(wǎng)格單元的能量衡算示意圖如圖2 5 所示 其中 在圖a 所示的焓流圖中 下腳標(biāo)的第一個(gè)字符表示物相的類別 c 表示熟料 g 表示氣體 p 表示氣體中懸浮 的熟料粉末 第二個(gè)字符表示方向 位置 i 為進(jìn)網(wǎng)格單元 內(nèi)側(cè) 0 為出網(wǎng)格單元 外側(cè) 在圖b 所示的熱流圖中 逗號前的腳標(biāo)表示給出能量的物體 逗號后的 腳標(biāo)表示接受能量的物體 其中 w 一表示篦冷機(jī)的壁 一表示環(huán)境 a 焓流 y d y 圖2 5 各焓流與熱流的示意圖 對于任一網(wǎng)格單元 其焓流與熱流具有如下的平衡關(guān)系 a 對氣流和懸浮物 h 糾 口鋁 以 h 窖 0 口 日心 2 6 b 對冷卻的熟料 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 日 月 口 口 2 7 c 對篦冷機(jī)壁 q 2 2 8 d 對環(huán)境 0 口 2 9 2 2 3 2 各部分焓流及熱流求解 1 各種焓流的確定 基于假設(shè) 計(jì)算焓流的基準(zhǔn)溫度為3 0 3 k 各物料的顯熱焓為 h g2 m g c g 乏一咒 2 1 0 h m c 疋一瓦 2 1 1 式中 h g 一氣體的顯熱焓 w 也一熟料的顯熱焓 w m 一氣體質(zhì)量流量 k g s m 一熟料質(zhì)量流量 k g s q一氣體熱容 j k g k c一熟料熱容 j k g k 乙一熟料溫度 k 瓦一氣體溫度 k 瓦一基準(zhǔn)溫度 3 0 3 k 對高溫氣體和水泥熟料而言 其熱容又往往是溫度的函數(shù) 可用下式 2 7 3 表示 c g 9 5 5 0 1 4 3 8 7 3 8 5 2 5 1 0 5 毛2 2 1 0 3 6 l o l o x 3 1 2 0 5 2 1 0 1 3 x 毛4 2 1 2 c 6 9 9 5 0 3 1 8 1 2 t 一6 2 3 0 8 1 0 t 2 1 3 7 5 3 1 0 1 0 t 3 5 1 3 8 8 x 1 0 1 4 瓦4 2 1 3 2 各種熱流的確定 1 熟料與氣體間的換熱 在熟料堆積層中 熟料與氣體間的換熱方式主要為對流換熱 由于熟料的運(yùn)動(dòng) 速度緩慢 約為氣體運(yùn)動(dòng)速度的千分之一 在討論熟料層氣固間換熱時(shí) 可以將 熟料層視為靜止不動(dòng)體 把熟料和氣體間的換熱簡化為固定床的氣固換熱 這樣可 用下式剛計(jì)算 6 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 尊 k a l t g a v 2 1 4 式中 呱一熟料與氣體問換熱的熱流量 w 一氣固問綜合換熱系數(shù) w m 2 k a 一單位體積床層內(nèi)顆粒的有效表面積 m 2 m 3 1 瓦一乏一在咖時(shí)間內(nèi)固氣間平均溫差 k a v 一單元網(wǎng)格的體積 m 3 a 氣固間綜合換熱系數(shù)的求解 根據(jù)文獻(xiàn)f 2 7 氣固間綜合換熱系數(shù)可用下式確定 1 k 2 r 互 2 1 5 h 五 式中 h 一氣體對流換熱系數(shù) w m 2 k 五一熟料導(dǎo)熱系數(shù) w m k 一顆粒形狀校正系數(shù) 圓柱狀十 l 5 圓球狀m 1 4 x 一顆粒透熱深度 用其半徑坐標(biāo)表示 m 式 2 1 5 中的氣體對流換熱系數(shù)可用下式 2 9 1 求解 訛 墮 2 1 8 p j 1 r e 乒i 1 式中 平板狀m 1 3 2 1 6 友一氣體導(dǎo)熱系數(shù) w m k p r 一普朗特準(zhǔn)數(shù) p f 盟f 3 0 k r 印一雷諾準(zhǔn)數(shù) r o p v g d l 1 3 0 1 咚 n u 一努謝爾準(zhǔn)數(shù) 心一氣體動(dòng)力粘度 p a s c g 一氣體比熱 j k g k v 2 一氣固相對運(yùn)動(dòng)速度 m s 一氣體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù) m 2 s 由于熟料層相對于氣體視為靜止不動(dòng)體 可用氣體的運(yùn)動(dòng)速度v 來代替氣固相 對運(yùn)動(dòng)速度v 有 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 月印 娑 2 1 7 u g 把 2 1 7 式代入 2 1 6 式 得 2 o 十1 8 冬霉 一v d p i z gu g 解得打 1 9 n u 拿 2 o 1 t 8 絲霉 一v d p 1 印印以pu p 令b 孥 c 一v a p j 1 z 飛咋 得 拿 2 o 1 8 b c 解得綜合換熱系數(shù)k 為 k 2 18 2 1 9 2 2 0 2 2 1 塑 墮 2 2 2 2 9 2 0 1 8 b c 五 b 單位體積床層內(nèi)顆粒有效受熱表面積a 的求解 在堆積狀態(tài)下 可根據(jù)其空隙率占及料塊尺寸按下式求得單位體積床層內(nèi)顆粒 有效受熱表面積口1 2 7 1 皇 塑 2 2 3 咖 式中 s 一熟料床層空隙率 c d r 時(shí)間內(nèi)固氣間平均溫差的求解 氣固之間平均溫差可以用下式表示 i 一弓 t c t o o i 一一i 么 2 2 4 式中 i 一網(wǎng)格單元的入口熟料溫度 k t 一網(wǎng)格單元的出口熟料溫度 k t 一網(wǎng)格單元的入口氣體溫度 k t 一網(wǎng)格單元的出口氣體溫度 k 2 1 熟料和氣體與篦冷機(jī)壁面間的換熱 a 熟料與壁面間的換熱 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 熟料與篦冷機(jī)之間的換熱方式主要為輻射換熱和傳導(dǎo)換熱 由于設(shè)定熟料為球 形顆粒 顆粒與壁面間的接觸方式為點(diǎn)接觸 因而換熱面積很小 在一個(gè)網(wǎng)格單元 中 可以將這種接觸面積忽略不計(jì) 故在研究時(shí)可忽略傳導(dǎo)換熱的作用 僅考慮高 溫顆粒對壁面的輻射換熱即可 輻射換熱 g 可用下式計(jì)算求得 二一占 t 4 一巧 爿 9 一 z 1 1 r 2 2 5 s wc e 式中 口 一熟料與篦冷機(jī)壁面間的輻射換熱的熱流量 w 占一斯蒂芬一波爾茨曼常數(shù) 5 6 7 x 1 0 w m 2 k 4 4 一輻射換熱面積 m 2 t 一熟料溫度 k 瓦一篦冷機(jī)壁面溫度 k 釓一篦冷機(jī)壁面的黑度 0 9 一熟料的黑度 o 9 1 b 氣體與壁面間的換熱 氣體與壁面間的換熱以對流換熱為主 其對流換熱可由下式 2 8 1 計(jì)算 站 h w a 氣一巧 甕c 爭氣芻 n 式中 口 高溫氣體與內(nèi)壁面間的對流換熱的熱流量 w k 一氣體與壁面間的對流換熱系數(shù) w m 2 k a 一每一網(wǎng)格與壁面問接觸氣固換熱面積 m 2 瓦一氣體溫度 k l 一壁面溫度 k 以一氣體導(dǎo)熱系數(shù) w m k 丘一熟料比熱 j k g k p 一帶有懸浮顆粒的氣體密度 k g m 3 成一熟料的密度 k g m 3 1 9 f 2 2 6 2 2 7 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 k 一氣流中熟料顆粒的速度 在此處與氣體的流速相同 州s g 一重力加速度 m s 2 1 3 壁面與環(huán)境間的換熱 壁面與環(huán)境間的換熱過程分為兩步 首先是內(nèi)壁與外壁問的換熱 然后是外壁 與環(huán)境問的換熱 a 內(nèi)壁面與外壁面問的換熱 這部分換熱屬穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)換熱 可由下式得出 口 型掣 2 2 8 q 2 一 2 2 8 w 式中 0 一內(nèi)壁面與外壁面間的換熱熱流量 w 九一為壁的導(dǎo)熱系數(shù) w m k l 一內(nèi)壁面溫度 i q l 一外壁面溫度 k b 乙一篦冷機(jī)壁厚 m b 外壁面與環(huán)境間的換熱 在一段連續(xù)的時(shí)間內(nèi) 這部分換熱隨環(huán)境溫度的變化而變化 屬于非穩(wěn)態(tài)換熱 但本研究討論的是瞬間換熱情況 在很小的d r 時(shí)間內(nèi) 可近似認(rèn)為環(huán)境溫度不會(huì)隨 時(shí)問變化而發(fā)生改變 將其按穩(wěn)態(tài)換熱處理 對流換熱可由下式得出 g h w o a i l 2 2 9 輻射換熱可由下式得出 g 氓爿 l 4 一l 4 2 3 0 式中 q 一篦冷機(jī)外壁面與環(huán)境問對流換熱的熱流量 w q 一篦冷機(jī)外壁面與環(huán)境間輻射換熱的熱流量 w h 一篦冷機(jī)外壁面氣體對流換熱系數(shù) w m 2 k 式 2 2 9 與 2 3 0 2 和即為外壁面與環(huán)境間的換熱口 2 2 4 控制方程組的建立 利用上述質(zhì)量平衡方程和換熱方程 可針對每一個(gè)單元網(wǎng)格建立質(zhì)量平衡和熱 平衡方程組 最后得到如下控制方程組 亙室堡墮型墊奎堂墮至堂垡笙莖 篙篆警w 偽2 鼉警警 艫一 億s h 糾 4 昭 h p j h g 口g 月p h h 一 日嚯 0 q g 2 9 尊 尊 其中 p g o i j m 加刪鼉掣等 半等 h 剖2 嗨 c g 一毛 h 即 c g 一l h m 川q 廠瓦 砟 m 即c p 一瓦 也 收 e t i l 也 m t e 一瓦 萬1 p 6 1 印 e t 一毛 血緲 z 塑 絲印 以 2 0 i s b c 以 驢等譬廣毒嚴(yán)1 c i 吲 驢警鷥 巷 h w 0 4 瓦 t d a a t 4 一正4 q 2 6 2 7 2 8 2 9 r 2 4 0 f 2 2 5 f 2 4 1 生生 玉 j 二墨 2 2 8 l 在本模型中 共有四個(gè)未知數(shù) t f t f j u g o i 名 f 已建立的與 這些未知數(shù)相關(guān)的獨(dú)立方程數(shù)為五個(gè) 線形無關(guān)的方程為四個(gè) 故從理論上來講是 完備可解的 動(dòng) q 回乃鼬 3 3 3 3 3 3 3 億 但q 0 0 q 口 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 2 2 5 方程組求解 圖 建立了平衡方程之后 就可以根據(jù)方程編寫程序 程序見附錄 程序求解框 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 2 3 氣體空腔區(qū)換熱分析與換熱模型的建立 氣體穿越熟料層 在上層空腔中混合后 高溫氣體進(jìn)入窯頭和分解爐中 低溫 氣體進(jìn)入除塵器經(jīng)除塵后排入環(huán)境 空謐中存在的換熱主要是高溫熟料與篦冷機(jī)壁 面間的輻射換熱和高溫氣體與壁面間的對流換熱 在篦冷機(jī)頭部 熟料溫度很高 輻射換熱占主要地位 隨著熟料的冷卻 熟料溫度逐漸降低 到篦冷機(jī)后部 輻射 換熱的影響逐漸減小 對流換熱開始占據(jù)主要地位 由于該區(qū)域換熱模式相對簡單 可直接利用商業(yè)軟件來計(jì)算這部分換熱量 入窯氣體 余風(fēng) 圖2 6 氣體空腔層網(wǎng)格圖示意圖 根據(jù)假設(shè) 整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài) 且可把氣體空腔區(qū)視為二維區(qū)域來研究 其網(wǎng) 格如圖2 6 所示 網(wǎng)格大小 劃分原則及方法同熟料堆積層區(qū) 2 3 1 控制方程組 在該區(qū)域中 氣體流動(dòng)模型采用標(biāo)準(zhǔn)r 一占兩方程模型 下面為其控制方程組川 知 曇c 盹 鄰 刳針q 竹臚即甌 2 4 2 曇c 伊 毒c 伊 毒睜 簀 考 q 詈c q g q 一 戶譬 蓮 2 4 3 式中 g 一由平均速度梯度導(dǎo)致的是湍動(dòng)能 q 一p 4 7 麟 g 一由浮升力導(dǎo)致的湍動(dòng)能 q 盧島元1 2 磊 t 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 l 2 h 一是紊流粘度 1 p 巴生 6 q 一常數(shù) 一高馬赫數(shù)下耗散率產(chǎn)生的膨脹貢獻(xiàn) 2 群 m t 是紊流馬赫數(shù) 氣體流動(dòng)模型中的常數(shù)見表2 1 表2 i 標(biāo)準(zhǔn)f s 兩方程模型中的常數(shù) 對氣體間換熱采用下式 v v p e p v k 礦v 丁 s h 式中 e 一內(nèi)能 小與 孚川 鋤一有效導(dǎo)熱系數(shù) k k t w m k 品一源項(xiàng) 對于頂層熟料與篦冷機(jī)壁面間的輻射換熱采用 如下式 口 盯霉 1 一 口 式中 口 一離開表面的熱 w 口 一進(jìn)入表面的熱 w f 2 4 4 2 s 模型 面一面輻射模型 2 4 4 2 3 2 邊界條件的處理 邊界條件的處理對于方程組的求解非常重要 本研究中的邊界條件包括入口邊 界條件和出口邊界條件 設(shè)定的邊界條件如下 1 入口條件 入口氣體流速為出熟料堆積層的氣體流速 入口氣體溫度為出熟料堆積層的氣 體溫度 湍動(dòng)能 按入口平均動(dòng)能的1 計(jì)算 湍動(dòng)能耗散率s 按湍動(dòng)能生成量等于 耗散量確定 2 出口條件 在本模型中 出口分篦冷機(jī)前端出口后篦冷機(jī)尾部出口兩個(gè) 出口邊界條件見 西安建筑科技大學(xué)所示學(xué)位論文 表2 2 表2 2 出口邊界條件 將熟料層的輸出數(shù)據(jù) 如氣體的壓強(qiáng) 溫度 速度等值 作為氣體層的入口邊 界條件輸入到軟件中去 經(jīng)過計(jì)算 可以得到氣體在該層中的速度 溫度和壓力的 等值圖及矢量圖等 2 4 小結(jié) 本章主要完成了以下工作 針對熟料堆積層區(qū)域劃分網(wǎng)格 并給出每一個(gè)網(wǎng)格的熱平衡和質(zhì)量平衡方 程式 建立起熟料層的換熱數(shù)學(xué)計(jì)算模型 給出計(jì)算程序的求解框圖 寫出熟料層計(jì)算模型的求解程序 程序見附錄 針對氣體空腔區(qū)域計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格 并利用商業(yè)軟件求解該區(qū)域的流場 和溫度場 西安建筑科技大學(xué)碩士研究生論文 3 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證 為驗(yàn)證前章所建模型的正確性 選用日產(chǎn)1 0 0 0 噸熟料的第三代篦式冷卻機(jī)的 生產(chǎn)操作參數(shù)作為己知參數(shù)代入所編程序求解 并將計(jì)算值與現(xiàn)場標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行比 較 3 1 計(jì)算邊界條件 輸入程序的已知條件如表31 所示f 3 表31 邊界條件 這里選做比較對象的篦冷機(jī) 其篦床屬于一段式傳動(dòng)篦床 整段篦床水平放置 而且篦床寬度在整個(gè)長度方向上一致 即篦冷機(jī)的幾何形狀是規(guī)則的長方體 標(biāo)定 中二 三次風(fēng)溫度在熟料層上方2 m 處的高度測定 余風(fēng)溫度在余風(fēng)煙囪處測得 將表3 的初始值代入程序中求解氣體在熟料層的流速 濕度 壓強(qiáng)和熟料的