一種針對水泥篦冷機的三維流熱耦合建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種針對水泥篦冷機的三維流熱耦合建模方法，該建模方法將篦冷機內(nèi)水泥熟料層視為多孔介質(zhì)，應用滲流力學理論進行建模，包括以下步驟：根據(jù)熟料在篦冷機內(nèi)的冷卻情況建立水泥篦冷機的三維流熱耦合物理模型，根據(jù)物理模型與質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律建立篦冷機的三維流熱耦合數(shù)學模型。本發(fā)明的有益效果是：考慮到篦床速度、供風風速、邊壁散熱、進料溫度、熟料粒徑等因素，可以方便準確的計算出熟料的三維溫度分布，并通過調(diào)整各工況參數(shù)模擬不同的冷卻策略，從而獲得使篦冷機高效、合理運行的最優(yōu)策略，提高篦冷機的熱回收效率，達到節(jié)能減排的目的。本發(fā)明是應用于確定篦冷機出料溫度相對較低而回收風溫相對較高的最佳熟料冷卻策略。
【專利說明】一種針對水泥篦冷機的三維流熱耦合建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水泥熟料燒成系統(tǒng)建?！炯夹g(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種針對水泥篦冷機的三 維流熱耦合建模方法。 技術(shù)背景
[0002] 我國是水泥生產(chǎn)和消耗大國，年產(chǎn)量達到24. 1億噸，接近世界水泥產(chǎn)量的50%， 國產(chǎn)水泥裝備在國際水泥貿(mào)易中的比重已經(jīng)達到1/3以上。隨著各國對低碳化要求的不斷 提高，水泥生產(chǎn)中的能耗、污染及熱能回收問題已逐漸成為全球水泥工業(yè)關(guān)注的焦點。水泥 生產(chǎn)線主要分為粉磨和燒成兩大系統(tǒng)，燒成系統(tǒng)中水泥熟料的冷卻過程是進行熱能回收和 減少污染粉塵排放的一個重要環(huán)節(jié)，篦冷機是完成熟料冷卻和熱量回收的關(guān)鍵設(shè)備。
[0003] 篦冷機是一種性能優(yōu)良的固體和氣體接觸裝置，使熟料顆粒和冷卻氣體間的接觸 效率大大提高，強化了熟料層內(nèi)的傳熱效果，其主要作用是通過篦板對水泥回轉(zhuǎn)窯卸出的 高溫熟料進行輸送、冷卻與熱量回收。通過篦板的往復推動進行熟料的輸送，在輸送過程中 通過篦板下部風機垂直向上吹入冷卻空氣對高溫熟料進行冷卻，冷卻空氣在料層內(nèi)滲透擴 散與熟料進行熱交換，熱交換后空氣其熱量一部分以二次風和三次風的形式進入回轉(zhuǎn)窯和 分解爐內(nèi)重新利用，另一部分余風進入余熱發(fā)電系統(tǒng)?，F(xiàn)今水泥生產(chǎn)過程中，對篦冷機內(nèi)熱 能回收工作機理研究的不完備，無法對篦冷機的操作進行優(yōu)化，導致目前冷卻效率和余熱 回收率均較低。因此，深入進行熟料冷卻換熱機理的研究，對增加篦冷機內(nèi)熟料的熱交換效 率、提高熱回收率及減少粉塵排放具有重要的理論意義和實用價值。
[0004] 目前對水泥篦冷機研究包括對篦冷機機械結(jié)構(gòu)的改進、篦冷機控制方法的研究 和篦冷機的建模研究。在對篦冷機機械結(jié)構(gòu)方面的改進，王利君的一種篦冷機，中國專利 號：CN201110337865. 3,提供了"一種以篦冷機模塊組成的篦冷機"，可改變縱向長度或橫 向?qū)挾纫赃m應不同產(chǎn)量的生產(chǎn)線；高玉宗的"一種篦冷機用冷卻系統(tǒng)及其篦冷機"，中國 專利號：CN200920109193. 9,該申請案不受個別風機的工作狀態(tài)影響，能保證不間斷的提 供冷卻空氣。在對篦冷機的控制方法研究方面，有中國專利號：CN200910193434. 7,發(fā)明 名稱為"用于水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)的篦冷機抽風溫度控制方法及裝置"，該申請案通過控制 器對篦冷機中的余風風閥的開度、一段主傳轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、二段主傳轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速進行控制， 從而減少篦冷機余熱利用抽風溫度的波動，保證抽風溫度維持在較高水平；中國專利號： CN201110428990. 5,劉榮金提出的"一種篦冷機的控制系統(tǒng)"，它包括分別控制一段篦床、二 段篦床和三段篦床。對篦冷機的建模研究分為數(shù)據(jù)辨識建模與機理建模，數(shù)據(jù)辨識建模是 將篦冷機視為"黑箱"系統(tǒng)，通過對數(shù)據(jù)進行分析辨識得到與數(shù)據(jù)擬合較好的模型，如中國 專利號為CN200810011325. 4,喬景慧提出的"熟料篦式冷卻機冷卻過程智能控制方法"專利 申請，建立了基于案例推理的篦冷機模型；還有中國專利號為CN201310277878. 5,于海斌 提出的"一種水泥熟料篦冷機控制方法"專利申請，建立熟料冷卻過程的緊格式動態(tài)線性化 模型，通過篦下壓力對篦速進行控制；在《儀器儀表學報》2005年S2期上刊載的"基于模糊 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的篦式冷卻機熟料流動建模"中，李海濱建立了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的篦冷機模型； 在《中國水泥》2007年05期刊載的"先進控制在熟料冷卻系統(tǒng)中的應用"中，王孝紅建立了 基于灰色預測控制的篦冷機模型。對于這些模型其優(yōu)點是無需對篦冷機內(nèi)換熱機理進行了 解，建模過程簡單，但是因篦冷機系統(tǒng)工藝復雜，關(guān)聯(lián)因素較多，采用數(shù)據(jù)建模只是通過少 數(shù)幾個變量的數(shù)據(jù)進行建立，使得所建模型無法準確的反應篦冷機的工作過程。因此出于 提高熟料冷卻效率、熱回收效率、優(yōu)化運行的目的，需建立篦冷機的機理模型，以便對篦冷 機內(nèi)熟料冷卻機理進行深刻了解和透明把握。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對水泥篦冷機三維機理建模技術(shù)存在的空白，本發(fā)明的目的在于提供一種針 對水泥篦冷機的三維流熱耦合建模方法，建立水泥篦冷機的三維流熱耦合模型，可根據(jù)已 知的工況數(shù)據(jù)準確的計算出熟料層與冷卻氣體的溫度分布，從而根據(jù)此模型來調(diào)整冷卻策 略，使篦冷機更加高效合理地運行。
[0006] 為了解決上述存在的技術(shù)問題實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn) 的：
[0007] -種針對水泥篦冷機的三維流熱耦合建模方法，其內(nèi)容包括如下步驟：
[0008] 步驟1，將篦冷機內(nèi)的熟料冷卻過程抽象為三維多孔介質(zhì)的流熱耦合物理模型；
[0009] 步驟2,根據(jù)所建物理模型建立水泥篦冷機的三維多孔介質(zhì)流熱耦合數(shù)學模型，數(shù) 學模型包括：滲流場方程組、溫度場方程組、邊界條件；
[0010] 首先建立所述篦冷機數(shù)學模型的滲流場方程組：
[0011] a、根據(jù)物理模型、質(zhì)量守恒定律建立篦冷機數(shù)學模型的三維連續(xù)性方程：
[0012]

【權(quán)利要求】
1. 一種針對水泥篦冷機的三維流熱耦合建模方法，其特征在于該方法內(nèi)容包括如下步 驟： 步驟1，將篦冷機內(nèi)的熟料冷卻過程抽象為三維多孔介質(zhì)的流熱耦合物理模型； 步驟2,根據(jù)所建物理模型建立水泥篦冷機的三維多孔介質(zhì)流熱耦合數(shù)學模型，數(shù)學模 型包括：滲流場方程組、溫度場方程組、邊界條件； 首先建立所述篦冷機數(shù)學模型的滲流場方程組： a、 根據(jù)物理模型、質(zhì)量守恒定律建立篦冷機數(shù)學模型的三維連續(xù)性方程：
式中：P g為熟料層內(nèi)的冷卻空氣密度，小為熟料層孔隙率，vgx、vgy、V gz分別為x、y、z 方向上的冷卻空氣在熟料層內(nèi)的實際流動速度； b、 根據(jù)物理模型、達西定律建立篦冷機數(shù)學模型的三維動量守恒方程：
式中：Vx、Vy、Vz別為x、y、z方向上的冷卻空氣在熟料層內(nèi)的滲流速度，S慣性湍流修 正系數(shù)，K為熟料層的滲透率，ii g為冷卻空氣的氣體動力粘度，P為熟料層內(nèi)的氣體壓力， 其中： 熟料層滲透率：
c、 對于可壓縮滲流，為使方程組封閉，建立冷卻氣體狀態(tài)方程以反映狀態(tài)變量之間關(guān) 系：
式中：M為空氣分子量，R為氣體常數(shù)，Zg為氣體壓縮因子； 步驟3,采用局部非熱平衡理論，即把堆積熟料顆粒和流體分別看成兩種不同的連續(xù)介 質(zhì)，建立篦冷機數(shù)學模型的溫度場方程組： a、三維氣體能量方程：
式中：Cg、Cs為氣體與熟料比熱容，Tg、Ts為氣體與熟料的溫度，入 g、入s為氣體與熟料導 熱系數(shù)，Ad為熱彌散導熱系數(shù)，S為堆積熟料顆粒的比表面積，a為氣固綜合換熱系數(shù)，其 中：
式中：Pr為普朗特數(shù)，Re為雷諾數(shù)； 步驟4,建立篦冷機數(shù)學模型的邊界條件： a、篦冷機入料口處，熟料的入料溫度為Tsin，即X = O時的邊界條件為：
b、篦冷機出料口處，外界環(huán)境溫度為Tgtl，氣體溫度梯度為邊界氣體溫度與環(huán)境溫度之 差，熟料外部空氣進行對流換熱，L為篦冷機長度，即X = L時的邊界條件為：
e、篦冷機殼體內(nèi)壁材料主要為耐火磚，外壁材料為鋼板，氣體與耐火磚為對流換熱，熟 料與耐火磚為傳導傳熱，耐火磚與鋼板為傳導傳熱，鋼板與外界換熱包括自然對流換熱和 福射換熱；料層兩側(cè)即z = 0與z = L時，由篦冷機殼體向外散熱的邊界條件為：
式中：Tgtl為環(huán)境溫度，Rto為熟料與耐火磚的接觸熱阻，Rst為耐火磚與鋼板的接觸熱 阻，耐火磚厚度，Sst為鋼板厚度，為耐火磚導熱系數(shù)，Xst為鋼板導熱系數(shù)； 空氣與耐火磚內(nèi)壁的傳熱系數(shù)為：

【文檔編號】G06F19/00GK104361195SQ201410468343
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】劉彬, 王美琪, 聞巖, 郝曉辰, 孫超 申請人:燕山大學