本文關(guān)鍵詞：篦冷機內(nèi)傳熱機理與實驗研究　出處：《山東大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：篦冷機是新型干法水泥生產(chǎn)工藝流程中的重要設(shè)備,其主要作用是快速冷卻熟料和余熱空氣的回收再利用。其底部由固定篦板和活動篦板組成,由回轉(zhuǎn)窯煅燒的高溫熟料落在篦床上,在活動篦板的帶動下形成一定厚度的料層,冷卻空氣垂直吹過熟料層對其進行冷卻,由此形成的余熱空氣由回轉(zhuǎn)窯、分解爐、余熱鍋爐、煤磨等設(shè)備進行梯級利用。降低熟料冷卻過程的功耗,減小能量傳遞過程中的不可逆損失,提高回收的余熱品質(zhì),是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。因此通過數(shù)值模擬獲得篦冷機內(nèi)部傳熱過程溫度場,提高篦冷機冷卻系統(tǒng)效率對于篦冷機運行節(jié)能降耗有重要意義。篦冷機內(nèi)部的傳熱過程是顆粒堆積移動床的強制對流換熱問題,熟料在移動冷卻過程中受變邊界條件影響,因此本文基于運動流體能量微分方程、固定床內(nèi)能量雙方程模型、熵產(chǎn)分析法和遺傳算法等對篦冷機內(nèi)傳熱過程開展理論和實驗研究,并對冷卻配風系統(tǒng)開展多目標優(yōu)化研究。首先,以某5000t/d水泥廠所用篦冷機為實驗研究平臺,對其運行工況下的熱工參數(shù)進行測定。實驗測定內(nèi)容包括各風室冷卻配風的分布、熟料的質(zhì)量流量、出入篦冷機的熟料溫度以及熟料冷卻形成的余熱空氣的溫度和流量,對篦冷機內(nèi)溫度場的分布以及相關(guān)運行參數(shù)有了初步了解,為數(shù)學模型的建立提供了相應的邊界條件值,為模型的有效性驗證提供了參考依據(jù);對實驗測定結(jié)果以單位質(zhì)量熟料為基準對實驗結(jié)果進行了熱平衡校核,驗證了實驗結(jié)果的有效性;對熱量流向和熱效率的計算表明了篦冷機仍具有很大的研究潛力。然后以單相運動流體能量微分方程為基礎(chǔ),結(jié)合顆粒堆積固定床內(nèi)傳熱過程能量雙方程模型,建立考慮熟料顆粒運動過程中受變邊界條件影響的篦冷機內(nèi)熟料冷卻過程能量雙方程數(shù)學模型,該數(shù)學模型適用于大部分顆粒堆積移動床內(nèi)的氣固換熱過程,在盡可能符合實際運行工況的情況下對邊界條件進行了相應定義。采用基于Taylor展開法的有限差分方法,對能量雙方程中各導數(shù)項離散化處理,對流項離散為一階迎風格式,擴散項離散為中心差分格式;采用熱平衡法對邊界條件進行離散化,由此得到了五點格式的差分代數(shù)方程組。根據(jù)實驗測定的參數(shù)以及經(jīng)驗公式對方程組中相應的系數(shù)以及邊界條件進行賦值,以Matlab2015a軟件平臺為編程平臺,應用Jacobi迭代方法法對差分代數(shù)方程組進行編程迭代求解,得到了篦冷機內(nèi)部熟料冷卻過程的數(shù)值解,得到了穩(wěn)態(tài)時熟料層內(nèi)熟料顆粒和冷卻空氣的溫度場分布,將數(shù)值結(jié)果與實驗值對比驗證了模型的有效性。對熟料冷卻過程數(shù)值解的分析結(jié)果表明,在所求解的矩形熟料冷卻區(qū)域內(nèi)的氣固溫差均在200℃以上,部分區(qū)域在400℃左右且越靠近左下角區(qū)域溫差越大,最高處在矩形區(qū)域的左下角,溫差達1200℃,說明了研究熟料冷卻過程應用非熱平衡條件的必要性;對熟料層厚度相同工況下的不同熟料運動速度進行模擬的結(jié)果表明,熟料顆粒和冷卻空氣高溫區(qū)范圍隨熟料運動速度的增加而增大,當熟料顆粒運動速度為0.008m/s時最合理,此時既能保證二三次風的溫度以及熟料的冷卻要求,又能保證正常的熟料產(chǎn)量;基于堆積床內(nèi)氣固換熱和流動經(jīng)驗公式,依據(jù)錯流換熱器比擬,應用熵產(chǎn)分析法和遺傳算法,建立篦冷機內(nèi)傳熱和流動過程的熵產(chǎn)分析模型,以不同風室的表觀空氣流速和熟料層厚度為優(yōu)化變量,提出了基于改進熵產(chǎn)數(shù)的篦冷機冷卻配風系統(tǒng)多參數(shù)優(yōu)化方法。對熵產(chǎn)公式的定性分析和數(shù)量級分析表明,表觀空氣流速對傳熱引起的改進熵產(chǎn)數(shù)和粘性耗散引起的改進熵產(chǎn)數(shù)的作用效果是相互沖突的,而且粘性耗散引起的改進熵產(chǎn)數(shù)的數(shù)量級遠小于傳熱引起的改進熵產(chǎn)數(shù),粘性耗散引起的熵產(chǎn)在優(yōu)化過程中很容易被"湮沒"。由此,本文提出了以由傳熱引起的改進熵產(chǎn)數(shù)和由粘性耗散引起的改進熵產(chǎn)數(shù)為兩個單獨目標函數(shù)的篦冷機冷卻配風系統(tǒng)多目標優(yōu)化新方法。多目標優(yōu)化后得到了一系列Pareto最優(yōu)解,對Pareto front的分析表明,采用多目標優(yōu)化方法之后,由傳熱引起的熵產(chǎn)和由粘性耗散引起的熵產(chǎn)在優(yōu)化過程中具有相同的作用,從Pareto最優(yōu)解中選擇使冷卻風機功耗最小的最優(yōu)配風方案,比運行工況進行對比,冷卻風機功耗下降約45.52%。并且,多目標優(yōu)化得到的是一系列最優(yōu)解,在選擇優(yōu)化結(jié)果方面比單目標優(yōu)化更靈活。對篦冷機冷卻配風系統(tǒng)的多目標優(yōu)化模型分別進行熟料顆粒平均直徑、風室數(shù)量和入口冷卻風溫度等參數(shù)的敏感度分析,其中對于入口冷卻風溫度的分析是基于兩種余熱回收的方案來選擇改變空氣溫度的風室,兩種余熱回收方案分別是將煙囪內(nèi)的廢熱空氣重新引入篦冷機前端和中部進行冷卻熟料;對不同參數(shù)下的多目標優(yōu)化模型進行計算,從各自的Pareto最優(yōu)解中選擇使冷卻風機功耗最小的適用于不同參數(shù)下的最優(yōu)配風方案;然后對得到的最優(yōu)配風方案分別從冷卻風機功耗、回收熱量和篦冷機熱效率三方面進行對比分析,并討論了冷卻風機功耗隨顆粒平均直徑變化的原因、冷卻風機功耗和回收熱量隨風室數(shù)量變化的原因以及冷卻風機功耗隨入口冷卻風溫度變化的原因;對不同參數(shù)下的最優(yōu)配風方案進行對比分析的目的是獲得對篦冷機最有利的運行參數(shù),對比分析的結(jié)果表明,熟料顆粒直徑為0.02m時對篦冷機運行時最有利的;風室數(shù)量為9個時是最有效且最經(jīng)濟的;在所研究的冷卻空氣溫度范圍內(nèi),將廢熱空氣引入到篦冷機前端更經(jīng)濟。搭建了考慮壁面效應的水泥顆粒堆積通道對流換熱實驗臺,通過對不同尺寸水泥顆粒和不同雷諾數(shù)下的對流換熱過程進行實驗測定,擬合出顆粒填充通道內(nèi)考慮壁面效應的對流換熱準則關(guān)系式,并與已有文獻中的關(guān)聯(lián)式進行對比討論了其合理性與差異性;通過對通道壁溫的測定討論不同顆粒直徑填充時的強化換熱效果,實驗結(jié)果表明,填充較小顆粒的強化換熱效果更好。
[Abstract]:This paper studies the heat transfer process in grate cooler by means of numerical simulation , which is based on energy differential equation of moving fluid , mass flow of clinker , the clinker temperature of the grate cooler and the heat transfer process of clinker cooling . In this paper , an entropy production model based on the modified entropy production is presented . The results show that the entropy production caused by heat transfer and entropy production caused by viscous dissipation are more flexible than single objective optimization . The enhanced heat transfer effect of different particle diameters was discussed by measuring the temperature of the channel wall , and the experimental results show that the enhanced heat transfer effect of filling smaller particles is better .

【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ051.5;TK124

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本文編號：1405048