水泥熟料冷却过程换热模型的研究

篦冷机内熟料的冷却过程直接决定着热回收效率, 是水泥生产线节能降耗的关键[1]。本文通过研究其基本换热过程和各单元换热特征, 将熟料进行三维网格划分, 对每一网格进行质量平衡及热平衡分析, 准确描述出整个区域内熟料的换热过程, 建立熟料的的三维网络换热模型, 实验结果验证了换热模型。

1 基本换热过程分析

篦冷机内料流、气流运动如图1所示。

换热研究重点为熟料堆积层区, 熟料冷却、热量回收均在该区进行[3]。换热介质包括熟料、气体及空气悬浮物。熟料冷却过程发生的换热包括熟料与气体, 熟料、气体与壁面, 内外壁面及外表面换热等几部分。熟料在篦冷机内流动不存在化学变化, 因此主要是单纯的气固两相流换热物理过程。

将熟料按照熟料流动方向 (定义为x方向) , 冷却风流动方向 (定义为y方向) , 篦冷机的横向 (定义为z方向) 对其进行三维网格划分, 依据熟料的外部几何特征和物理特征得到熟料的三维网络分布。将划分后的每一网格作为一个单元节点。各单元节点能量及热传递示意图如图2所示。

前一单元节点输出值即为后一单元节点输入值, 最终可获得熟料三维温度分布及热交换模型。

2 质量平衡及热平衡

2.1 质量平衡

图2所示单元质量平衡方程为:

通过熟料层气体的质量方程为:

2.2 热量平衡

对于单元网格焓流和热流具有如下关系方程:

气体:

熟料:H&ci=H&co+qc, g+q&c, w

2.3 熟料与气体间换热

在篦冷机中热交换主要发生在熟料与冷却气体之间, 所以熟料、气体与壁面, 内外壁等之间的热交换不作考虑。

熟料与冷却气体的热交换为对流换热。两者之间热交换可由下式计算:

利用上述质量平衡方程和换热方程可针对每一个单元网格建立质量平衡和热平衡方程组, 最后

得到如下方程组:

3 实验验证

选区某4000t/d水泥生产线生产数据代入本文换热模型迭代计算, 所选取熟料网格划分为150×201×12个网格单元, 温度测量所得熟料层如图3所示, 换热模型计算所得熟料温度如图4所示。

由图3和图4对比可知, 在区域前端模型计算的温度曲线较实测的更为精细, 而在后端模型误差变化较大, 实际生产工艺可知, 后端区域接近二次风口, 受其影响冷却空气的垂直向上运动在此处发上了变化, 因此对模型应该进行局部区域的修正是下一步的研究工作。

4 结语

本文首先阐述了篦冷机内熟料冷却过程的换热特征。通过对熟料进行三维网格划分, 分析了每个单元网格熟料的质量平衡与热平衡方程, 建立篦冷机熟料换热模型。通过实验验证模型的有效性及存在的问题。这将为进一步研究篦冷机的冷却风控制奠定了科学依据。

图4温度计算所得等温线图3温度测量等温线

摘要：通过分析篦冷机熟料换热过程物性特征, 将熟料进行三维网格划分;对每一个网格单元节点建立质量平衡方程和热平衡方程;研究网格节点之间的热流动, 建立三维网络模型表征篦冷机熟料冷却过程熟料、气体及两者之间的热交换。实验表明本文的换热模型能真实反映出熟料换热过程中各特征参数的关系。

关键词：熟料,网格划分,换热模型,热平衡

参考文献

[1] Von wedel, J.A single stage IKNpendulum cooler for 6000 TPD.Ce-ment Industry Technical Conference, 2005 (5) :15～20.

[2] 李海滨, 闻严, 刘彬.篦冷机机械流量调节器的设计方法研究[J].机械工程学报, 2004, 40 (9) :171～174.

[3] 金涌, 祝京旭.流态化工程原理[J].清华大学出版社, 2001:294～323.