高温熟料非稳态非热平衡渗流换热模型
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ＢＪ２０１７００１）；河北省教育厅青年基金（ＱＮ２０１６１８２）
第 ４０卷 第 ３期
王美琪等：高温熟料非稳态非热平衡渗流换热模型
４３３
有学者开展了大量研究。 早期的熟料层气固换热机理研究是基于热力
学，如 Ｌｏｃｈｅｒ［４］将 能 量 分 析 的 概 念 应 用 到 篦 冷 机 中 ，建 立 了 气 固 横 流 充 分 接 触 的 熟 料 冷 却 模 型 ，其 方程 揭 示 了 各 种 情 况 下 篦 冷 机 内 熵 的 变 化； Ｔｏｕｉｌ［５］研 究 高 温 熟 料 冷 却 过 程 中 损 失 热 量 与 冷 却 气体吸收热 量 之 间 的 关 系，从 而 给 出 篦 冷 机 气 固 换热的热效率评价方法。但是基于热力学的研究 假设系统内 处 于 热 力 学 平 衡 态，其 中 不 存 在 温 差 和 压 力 差 ，无 法 描 述 水 泥 熟 料 层 的 温 度 变 化 规 律 。 为此 Ｍｕｊｕｍｄａｒ［６］应用热传导理论分析气固之间的 传 热 机 理 ，并 基 于 热 力 学 定 律 建 立 能 量 平 衡 方 程 ， 研究料层 中 水 泥 熟 料 的 温 度 分 布 情 况；冯 绍 航［７］ 根据热焓平衡原理与对流换热理论建立了篦冷机 内部的换热 模 型，并 分 析 了 熟 料 粒 径 等 因 素 对 篦 冷机工 作 的 影 响；刘 彬 基 ［８，９］ 于 气 固 交 叉 换 热 理 论，采用网格 划 分 法 将 篦 冷 机 篦 床 上 的 高 温 熟 料 进行单元划 分，建 立 了 篦 冷 机 熟 料 多 通 道 冷 却 气 固热交换模型。但是篦冷机内的高温水泥熟料层 是 由 堆 积 颗 粒 构 成 ，具 有 多 孔 介 质 特 性 ，以 上 研 究 本质上是采用热力学和对流换热理论对水泥熟料 进行换热分 析，并 没 有 考 虑 多 孔 介 质 特 性 带 来 的 热弥散与强 化 传 热 效 应，因 此 难 以 准 确 揭 示 高 温 熟料层的内在换热规律。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｅｍｅｎｔｃｌｉｎｋｅｒｃａｎｂｅｒｅｇａｒｄｅｄａｓｇｌｏｗｉｎｇｒｅｄａｎｄｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｗｈｅｎｉｔ ｉｓｄｉｓｃｈａｒｇｅｄｆｒｏｍｒｏｔａｒｙｋｉｌｎｔｏｇｒａｔｅｃｏｏｌｅｒＩｔｂｒｉｎｇｓｇｒｅａｔｅｒｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｔｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｇｒａｔｅｃｏｏｌｅｒｓｉｎｃｅｔｈｅ ｇａｓｓｏｌｉｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓｃｏｍｐｌｅｘＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅｇｌｏｗｉｎｇｒｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｃａｎｂｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｏ ｏｐｔｉｃａｌｌｙｔｈｉｃｋｍｅｄｉｕｍ，ｔｈｅｎａｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｄｅｒｉｖｅｄｆｏｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｌｉｎｋｅｒｐａｒｔｉｃｌｅｗｈｅｎｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｒｍａｌｒａｄｉａｔｉｎｇＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｏｒｙ，ａｎｕｎｓｔｅａｄｙｓｅｅｐａｇｅｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅｌｗｉｔｈｔｈｅｒｍａｌｎｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｏｆｃｅｍｅｎｔｃｌｉｎｋｅｒｉｓｂｕｉｌｔｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｈｅａｔｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｌｉｎｋｅｒｐａｒｔｉｃｌｅＢｙｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｌｉｎｋｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｇａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｓｉｄｅｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｌａｙｅｒａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｇｉｏｎｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｔｏ ｇａｉｎｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｒａｄｉａｔｉｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｆａｃｔｏｒｏｎｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｌａｙｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ；ｓｅｅｐａｇｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ；ｃｅｍｅｎｔｃｌｉｎｋｅｒ；ｇｒａｔｅｃｏｏｌｅｒ；ｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａ；ｔｈｅｒｍａｌｒａｄｉａｔｉｏｎ
１ 引 言
新型干法水泥篦冷机内高温水泥熟料与冷却气 体的热交换过程直接决定着热回收效率，是水泥生 产线节能降耗、减少尾气排放的关键［１］。由于水泥
ＷＡＮＧＭｅｉｑｉ１， ＣＨＥＮＥｎｌｉ１， ＧＵＯＷｅｎｗｕ１， ＬＩＵＰｅｎｇｆｅｉ１， ＱＩＺｈｕａｎｇ１， ＨＯＵＳｈｕａｎｇ２
（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＴｉｅｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，Ｈｅｂｅｉ０５００４３，Ｃｈｉｎａ； ２ＨｅｂｅｉＥｘｔｅｎｓｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＨｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，Ｈｅｂｅｉ０５００００，Ｃｈｉｎａ）
关键词：计量学；渗流换热；水泥熟料；篦冷机；多孔介质；热辐射 中图分类号：ＴＢ９４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１１５８（２０１９）０３０４３２０８
ＳｅｅｐａｇｅＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｄｅｌｗｉｔｈＴｈｅｒｍａｌＮｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｏｆＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｌｉｎｋｅｒ
第４０卷 第３期 ２０１９年 ５月
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１１５８．２０１９．０３．１４
计 量 学 报 ＡＣＴＡ ＭＥＴＲＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．４０，№ ３ Ｍａｙ，２０１９
高温熟料非稳态非热平衡渗流换热模型
Байду номын сангаас
王美琪１， 陈恩利１， 郭文武１， 刘鹏飞１， 戚 壮１， 侯 爽２
（１石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 ０５００４３； （２河北省水资源研究与水利技术试验推广中心，河北 石家庄 ０５００００）
摘要：回转窑卸入篦冷机的高温水泥熟料为红热半透明的多孔介质，其复杂的气固换热机理给篦冷机的工艺 改进带来较大难度。针对这一问题，将高温红热颗粒等效为光学厚介质，推导了一种高温熟料颗粒间传导与辐射 综合换热系数，基于渗流力学与传热学理论，建立了考虑高温熟料颗粒间热辐射效应的水泥熟料非稳态非热平衡 渗流换热模型。通过对所建模型进行求解，得到了料层内熟料温度与气体温度的分布规律，比较了不同区域冷却 速率的差异，获得了辐射传热因素对料层温度分布的影响。
篦冷机内部处于高温与大量粉尘的状态，各种接触 与非接触测温装置［２］难以实现熟料温度的测量，因 此目前篦冷机内没有安装测量料层温度的传感器， 仅依靠操作员的经验进行高温熟料的冷却控制。通 过对换热过程进行机理建模，实现温度的预测，也是 热学计量的一个重要方法［３］，在水泥篦冷机方面已
收稿日期：２０１７１１１６；修回日期：２０１８１２２５ 基金项目：国 家 重 点 研 发 计 划 （２０１７ＹＦＣ０７０４００３）；国 家 自 然 科 学 基 金 （５１６４１６０９）；河 北 省 高 等 学 校 科 学 技 术 研 究 （ＢＪ２０１６０４７，
第 ４０卷 第 ３期
王美琪等：高温熟料非稳态非热平衡渗流换热模型
４３３
有学者开展了大量研究。 早期的熟料层气固换热机理研究是基于热力
学，如 Ｌｏｃｈｅｒ［４］将 能 量 分 析 的 概 念 应 用 到 篦 冷 机 中 ，建 立 了 气 固 横 流 充 分 接 触 的 熟 料 冷 却 模 型 ，其 方程 揭 示 了 各 种 情 况 下 篦 冷 机 内 熵 的 变 化； Ｔｏｕｉｌ［５］研 究 高 温 熟 料 冷 却 过 程 中 损 失 热 量 与 冷 却 气体吸收热 量 之 间 的 关 系，从 而 给 出 篦 冷 机 气 固 换热的热效率评价方法。但是基于热力学的研究 假设系统内 处 于 热 力 学 平 衡 态，其 中 不 存 在 温 差 和 压 力 差 ，无 法 描 述 水 泥 熟 料 层 的 温 度 变 化 规 律 。 为此 Ｍｕｊｕｍｄａｒ［６］应用热传导理论分析气固之间的 传 热 机 理 ，并 基 于 热 力 学 定 律 建 立 能 量 平 衡 方 程 ， 研究料层 中 水 泥 熟 料 的 温 度 分 布 情 况；冯 绍 航［７］ 根据热焓平衡原理与对流换热理论建立了篦冷机 内部的换热 模 型，并 分 析 了 熟 料 粒 径 等 因 素 对 篦 冷机工 作 的 影 响；刘 彬 基 ［８，９］ 于 气 固 交 叉 换 热 理 论，采用网格 划 分 法 将 篦 冷 机 篦 床 上 的 高 温 熟 料 进行单元划 分，建 立 了 篦 冷 机 熟 料 多 通 道 冷 却 气 固热交换模型。但是篦冷机内的高温水泥熟料层 是 由 堆 积 颗 粒 构 成 ，具 有 多 孔 介 质 特 性 ，以 上 研 究 本质上是采用热力学和对流换热理论对水泥熟料 进行换热分 析，并 没 有 考 虑 多 孔 介 质 特 性 带 来 的 热弥散与强 化 传 热 效 应，因 此 难 以 准 确 揭 示 高 温 熟料层的内在换热规律。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｅｍｅｎｔｃｌｉｎｋｅｒｃａｎｂｅｒｅｇａｒｄｅｄａｓｇｌｏｗｉｎｇｒｅｄａｎｄｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｗｈｅｎｉｔ ｉｓｄｉｓｃｈａｒｇｅｄｆｒｏｍｒｏｔａｒｙｋｉｌｎｔｏｇｒａｔｅｃｏｏｌｅｒＩｔｂｒｉｎｇｓｇｒｅａｔｅｒｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｔｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｇｒａｔｅｃｏｏｌｅｒｓｉｎｃｅｔｈｅ ｇａｓｓｏｌｉｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓｃｏｍｐｌｅｘＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅｇｌｏｗｉｎｇｒｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｃａｎｂｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｏ ｏｐｔｉｃａｌｌｙｔｈｉｃｋｍｅｄｉｕｍ，ｔｈｅｎａｎｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｓｄｅｒｉｖｅｄｆｏｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｌｉｎｋｅｒｐａｒｔｉｃｌｅｗｈｅｎｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｒｍａｌｒａｄｉａｔｉｎｇＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｅｐａｇｅｍｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｏｒｙ，ａｎｕｎｓｔｅａｄｙｓｅｅｐａｇｅｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅｌｗｉｔｈｔｈｅｒｍａｌｎｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｏｆｃｅｍｅｎｔｃｌｉｎｋｅｒｉｓｂｕｉｌｔｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｈｅａｔｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｌｉｎｋｅｒｐａｒｔｉｃｌｅＢｙｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｌｉｎｋｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｇａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎｓｉｄｅｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｌａｙｅｒａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｃｏｏｌｉｎｇｒａｔｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｇｉｏｎｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｔｏ ｇａｉｎｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｒａｄｉａｔｉｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｆａｃｔｏｒｏｎｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｌａｙｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ；ｓｅｅｐａｇｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ；ｃｅｍｅｎｔｃｌｉｎｋｅｒ；ｇｒａｔｅｃｏｏｌｅｒ；ｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａ；ｔｈｅｒｍａｌｒａｄｉａｔｉｏｎ
１ 引 言
新型干法水泥篦冷机内高温水泥熟料与冷却气 体的热交换过程直接决定着热回收效率，是水泥生 产线节能降耗、减少尾气排放的关键［１］。由于水泥
ＷＡＮＧＭｅｉｑｉ１， ＣＨＥＮＥｎｌｉ１， ＧＵＯＷｅｎｗｕ１， ＬＩＵＰｅｎｇｆｅｉ１， ＱＩＺｈｕａｎｇ１， ＨＯＵＳｈｕａｎｇ２
（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇＴｉｅｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，Ｈｅｂｅｉ０５００４３，Ｃｈｉｎａ； ２ＨｅｂｅｉＥｘｔｅｎｓｉｏｎＣｅｎｔｅｒｏｆＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＨｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ，Ｈｅｂｅｉ０５００００，Ｃｈｉｎａ）
关键词：计量学；渗流换热；水泥熟料；篦冷机；多孔介质；热辐射 中图分类号：ＴＢ９４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００１１５８（２０１９）０３０４３２０８
ＳｅｅｐａｇｅＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｄｅｌｗｉｔｈＴｈｅｒｍａｌＮｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｏｆＨｉｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｌｉｎｋｅｒ
第４０卷 第３期 ２０１９年 ５月
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１１５８．２０１９．０３．１４
计 量 学 报 ＡＣＴＡ ＭＥＴＲＯＬＯＧＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．４０，№ ３ Ｍａｙ，２０１９
高温熟料非稳态非热平衡渗流换热模型
Байду номын сангаас
王美琪１， 陈恩利１， 郭文武１， 刘鹏飞１， 戚 壮１， 侯 爽２
（１石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 ０５００４３； （２河北省水资源研究与水利技术试验推广中心，河北 石家庄 ０５００００）
摘要：回转窑卸入篦冷机的高温水泥熟料为红热半透明的多孔介质，其复杂的气固换热机理给篦冷机的工艺 改进带来较大难度。针对这一问题，将高温红热颗粒等效为光学厚介质，推导了一种高温熟料颗粒间传导与辐射 综合换热系数，基于渗流力学与传热学理论，建立了考虑高温熟料颗粒间热辐射效应的水泥熟料非稳态非热平衡 渗流换热模型。通过对所建模型进行求解，得到了料层内熟料温度与气体温度的分布规律，比较了不同区域冷却 速率的差异，获得了辐射传热因素对料层温度分布的影响。
篦冷机内部处于高温与大量粉尘的状态，各种接触 与非接触测温装置［２］难以实现熟料温度的测量，因 此目前篦冷机内没有安装测量料层温度的传感器， 仅依靠操作员的经验进行高温熟料的冷却控制。通 过对换热过程进行机理建模，实现温度的预测，也是 热学计量的一个重要方法［３］，在水泥篦冷机方面已
收稿日期：２０１７１１１６；修回日期：２０１８１２２５ 基金项目：国 家 重 点 研 发 计 划 （２０１７ＹＦＣ０７０４００３）；国 家 自 然 科 学 基 金 （５１６４１６０９）；河 北 省 高 等 学 校 科 学 技 术 研 究 （ＢＪ２０１６０４７，