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

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【摘要】：篦冷機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)內(nèi)部傳熱過程溫度場,提高篦冷機(jī)冷卻系統(tǒng)效率對于篦冷機(jī)運(yùn)行節(jié)能降耗有重要意義。篦冷機(jī)內(nèi)部的傳熱過程是顆粒堆積移動床的強(qiáng)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(yùn)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(jī)內(nèi)傳熱過程開展理論和實驗研究,并對冷卻配風(fēng)系統(tǒng)開展多目標(biāo)優(yōu)化研究。首先,以某5000t/d水泥廠所用篦冷機(jī)為實驗研究平臺,對其運(yùn)行工況下的熱工參數(shù)進(jìn)行測定。實驗測定內(nèi)容包括各風(fēng)室冷卻配風(fēng)的分布、熟料的質(zhì)量流量、出入篦冷機(jī)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(jī)內(nèi)溫度場的分布以及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)有了初步了解,為數(shù)學(xué)模型的建立提供了相應(yīng)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(zhǔn)對實驗結(jié)果進(jìn)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(jī)仍具有很大的研究潛力。然后以單相運(yùn)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(yùn)動過程中受變邊界條件影響的篦冷機(jī)內(nèi)熟料冷卻過程能量雙方程數(shù)學(xué)模型,該數(shù)學(xué)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(yùn)行工況的情況下對邊界條件進(jìn)行了相應(yīng)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(dǎo)數(shù)項離散化處理,對流項離散為一階迎風(fēng)格式,擴(kuò)散項離散為中心差分格式;采用熱平衡法對邊界條件進(jìn)行離散化,由此得到了五點(diǎn)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(yīng)的系數(shù)以及邊界條件進(jìn)行賦值,以Matlab2015a軟件平臺為編程平臺,應(yīng)用Jacobi迭代方法法對差分代數(shù)方程組進(jìn)行編程迭代求解,得到了篦冷機(jī)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(dá)1200℃,說明了研究熟料冷卻過程應(yīng)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(yùn)動速度進(jìn)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(yùn)動速度的增加而增大,當(dāng)熟料顆粒運(yùn)動速度為0.008m/s時最合理,此時既能保證二三次風(fēng)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(yīng)用熵產(chǎn)分析法和遺傳算法,建立篦冷機(jī)內(nèi)傳熱和流動過程的熵產(chǎn)分析模型,以不同風(fēng)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(jìn)熵產(chǎn)數(shù)的篦冷機(jī)冷卻配風(fēng)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(jìn)熵產(chǎn)數(shù)和粘性耗散引起的改進(jìn)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(jìn)熵產(chǎn)數(shù)的數(shù)量級遠(yuǎn)小于傳熱引起的改進(jìn)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(jìn)熵產(chǎn)數(shù)和由粘性耗散引起的改進(jìn)熵產(chǎn)數(shù)為兩個單獨(dú)目標(biāo)函數(shù)的篦冷機(jī)冷卻配風(fēng)系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化新方法。多目標(biāo)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(biāo)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(fēng)機(jī)功耗最小的最優(yōu)配風(fēng)方案,比運(yùn)行工況進(jìn)行對比,冷卻風(fēng)機(jī)功耗下降約45.52%。并且,多目標(biāo)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(biāo)優(yōu)化更靈活。對篦冷機(jī)冷卻配風(fēng)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化模型分別進(jìn)行熟料顆粒平均直徑、風(fēng)室數(shù)量和入口冷卻風(fēng)溫度等參數(shù)的敏感度分析,其中對于入口冷卻風(fēng)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(fēng)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(jī)前端和中部進(jìn)行冷卻熟料;對不同參數(shù)下的多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行計算,從各自的Pareto最優(yōu)解中選擇使冷卻風(fēng)機(jī)功耗最小的適用于不同參數(shù)下的最優(yōu)配風(fēng)方案;然后對得到的最優(yōu)配風(fēng)方案分別從冷卻風(fēng)機(jī)功耗、回收熱量和篦冷機(jī)熱效率三方面進(jìn)行對比分析,并討論了冷卻風(fēng)機(jī)功耗隨顆粒平均直徑變化的原因、冷卻風(fēng)機(jī)功耗和回收熱量隨風(fēng)室數(shù)量變化的原因以及冷卻風(fēng)機(jī)功耗隨入口冷卻風(fēng)溫度變化的原因;對不同參數(shù)下的最優(yōu)配風(fēng)方案進(jìn)行對比分析的目的是獲得對篦冷機(jī)最有利的運(yùn)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(jī)運(yùn)行時最有利的;風(fēng)室數(shù)量為9個時是最有效且最經(jīng)濟(jì)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(jī)前端更經(jīng)濟(jì)。搭建了考慮壁面效應(yīng)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(jìn)行實驗測定,擬合出顆粒填充通道內(nèi)考慮壁面效應(yīng)的對流換熱準(zhǔn)則關(guān)系式,并與已有文獻(xiàn)中的關(guān)聯(lián)式進(jìn)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(qiáng)化換熱效果,實驗結(jié)果表明,填充較小顆粒的強(qiáng)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(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ051.5;TK124

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