一种针对水泥篦冷机的三维流热耦合建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种针对水泥篦冷机的三维流热耦合建模方法，该建模方法将篦冷机内水泥熟料层视为多孔介质，应用渗流力学理论进行建模，包括以下步骤：根据熟料在篦冷机内的冷却情况建立水泥篦冷机的三维流热耦合物理模型，根据物理模型与质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律建立篦冷机的三维流热耦合数学模型。本发明的有益效果是：考虑到篦床速度、供风风速、边壁散热、进料温度、熟料粒径等因素，可以方便准确的计算出熟料的三维温度分布，并通过调整各工况参数模拟不同的冷却策略，从而获得使篦冷机高效、合理运行的最优策略，提高篦冷机的热回收效率，达到节能减排的目的。本发明是应用于确定篦冷机出料温度相对较低而回收风温相对较高的最佳熟料冷却策略。
【专利说明】一种针对水泥篦冷机的三维流热耦合建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水泥熟料烧成系统建模【技术领域】，具体涉及一种针对水泥篦冷机的三 维流热耦合建模方法。 技术背景
[0002] 我国是水泥生产和消耗大国，年产量达到24. 1亿吨，接近世界水泥产量的50%， 国产水泥装备在国际水泥贸易中的比重已经达到1/3以上。随着各国对低碳化要求的不断 提高，水泥生产中的能耗、污染及热能回收问题已逐渐成为全球水泥工业关注的焦点。水泥 生产线主要分为粉磨和烧成两大系统，烧成系统中水泥熟料的冷却过程是进行热能回收和 减少污染粉尘排放的一个重要环节，篦冷机是完成熟料冷却和热量回收的关键设备。
[0003] 篦冷机是一种性能优良的固体和气体接触装置，使熟料颗粒和冷却气体间的接触 效率大大提高，强化了熟料层内的传热效果，其主要作用是通过篦板对水泥回转窑卸出的 高温熟料进行输送、冷却与热量回收。通过篦板的往复推动进行熟料的输送，在输送过程中 通过篦板下部风机垂直向上吹入冷却空气对高温熟料进行冷却，冷却空气在料层内渗透扩 散与熟料进行热交换，热交换后空气其热量一部分以二次风和三次风的形式进入回转窑和 分解炉内重新利用，另一部分余风进入余热发电系统。现今水泥生产过程中，对篦冷机内热 能回收工作机理研究的不完备，无法对篦冷机的操作进行优化，导致目前冷却效率和余热 回收率均较低。因此，深入进行熟料冷却换热机理的研究，对增加篦冷机内熟料的热交换效 率、提高热回收率及减少粉尘排放具有重要的理论意义和实用价值。
[0004] 目前对水泥篦冷机研究包括对篦冷机机械结构的改进、篦冷机控制方法的研究 和篦冷机的建模研究。在对篦冷机机械结构方面的改进，王利君的一种篦冷机，中国专利 号：CN201110337865. 3,提供了"一种以篦冷机模块组成的篦冷机"，可改变纵向长度或横 向宽度以适应不同产量的生产线；高玉宗的"一种篦冷机用冷却系统及其篦冷机"，中国 专利号：CN200920109193. 9,该申请案不受个别风机的工作状态影响，能保证不间断的提 供冷却空气。在对篦冷机的控制方法研究方面，有中国专利号：CN200910193434. 7,发明 名称为"用于水泥余热发电系统的篦冷机抽风温度控制方法及装置"，该申请案通过控制 器对篦冷机中的余风风阀的开度、一段主传转轴的转速、二段主传转轴的转速进行控制， 从而减少篦冷机余热利用抽风温度的波动，保证抽风温度维持在较高水平；中国专利号： CN201110428990. 5,刘荣金提出的"一种篦冷机的控制系统"，它包括分别控制一段篦床、二 段篦床和三段篦床。对篦冷机的建模研究分为数据辨识建模与机理建模，数据辨识建模是 将篦冷机视为"黑箱"系统，通过对数据进行分析辨识得到与数据拟合较好的模型，如中国 专利号为CN200810011325. 4,乔景慧提出的"熟料篦式冷却机冷却过程智能控制方法"专利 申请，建立了基于案例推理的篦冷机模型；还有中国专利号为CN201310277878. 5,于海斌 提出的"一种水泥熟料篦冷机控制方法"专利申请，建立熟料冷却过程的紧格式动态线性化 模型，通过篦下压力对篦速进行控制；在《仪器仪表学报》2005年S2期上刊载的"基于模糊 神经网络的篦式冷却机熟料流动建模"中，李海滨建立了基于模糊神经网络的篦冷机模型； 在《中国水泥》2007年05期刊载的"先进控制在熟料冷却系统中的应用"中，王孝红建立了 基于灰色预测控制的篦冷机模型。对于这些模型其优点是无需对篦冷机内换热机理进行了 解，建模过程简单，但是因篦冷机系统工艺复杂，关联因素较多，采用数据建模只是通过少 数几个变量的数据进行建立，使得所建模型无法准确的反应篦冷机的工作过程。因此出于 提高熟料冷却效率、热回收效率、优化运行的目的，需建立篦冷机的机理模型，以便对篦冷 机内熟料冷却机理进行深刻了解和透明把握。
【发明内容】
[0005] 针对水泥篦冷机三维机理建模技术存在的空白，本发明的目的在于提供一种针 对水泥篦冷机的三维流热耦合建模方法，建立水泥篦冷机的三维流热耦合模型，可根据已 知的工况数据准确的计算出熟料层与冷却气体的温度分布，从而根据此模型来调整冷却策 略，使篦冷机更加高效合理地运行。
[0006] 为了解决上述存在的技术问题实现发明目的，本发明是通过以下技术方案实现 的：
[0007] -种针对水泥篦冷机的三维流热耦合建模方法，其内容包括如下步骤：
[0008] 步骤1，将篦冷机内的熟料冷却过程抽象为三维多孔介质的流热耦合物理模型；
[0009] 步骤2,根据所建物理模型建立水泥篦冷机的三维多孔介质流热耦合数学模型，数 学模型包括：渗流场方程组、温度场方程组、边界条件；
[0010] 首先建立所述篦冷机数学模型的渗流场方程组：
[0011] a、根据物理模型、质量守恒定律建立篦冷机数学模型的三维连续性方程：
[0012]
【权利要求】
1. 一种针对水泥篦冷机的三维流热耦合建模方法，其特征在于该方法内容包括如下步 骤： 步骤1，将篦冷机内的熟料冷却过程抽象为三维多孔介质的流热耦合物理模型； 步骤2,根据所建物理模型建立水泥篦冷机的三维多孔介质流热耦合数学模型，数学模 型包括：渗流场方程组、温度场方程组、边界条件； 首先建立所述篦冷机数学模型的渗流场方程组： a、 根据物理模型、质量守恒定律建立篦冷机数学模型的三维连续性方程：
式中：P g为熟料层内的冷却空气密度，小为熟料层孔隙率，vgx、vgy、V gz分别为x、y、z 方向上的冷却空气在熟料层内的实际流动速度； b、 根据物理模型、达西定律建立篦冷机数学模型的三维动量守恒方程：
式中：Vx、Vy、Vz别为x、y、z方向上的冷却空气在熟料层内的渗流速度，S惯性湍流修 正系数，K为熟料层的渗透率，ii g为冷却空气的气体动力粘度，P为熟料层内的气体压力， 其中： 熟料层渗透率：
c、 对于可压缩渗流，为使方程组封闭，建立冷却气体状态方程以反映状态变量之间关 系：
式中：M为空气分子量，R为气体常数，Zg为气体压缩因子； 步骤3,采用局部非热平衡理论，即把堆积熟料颗粒和流体分别看成两种不同的连续介 质，建立篦冷机数学模型的温度场方程组： a、三维气体能量方程：
式中：Cg、Cs为气体与熟料比热容，Tg、Ts为气体与熟料的温度，入 g、入s为气体与熟料导 热系数，Ad为热弥散导热系数，S为堆积熟料颗粒的比表面积，a为气固综合换热系数，其 中：
式中：Pr为普朗特数，Re为雷诺数； 步骤4,建立篦冷机数学模型的边界条件： a、篦冷机入料口处，熟料的入料温度为Tsin，即X = O时的边界条件为：
b、篦冷机出料口处，外界环境温度为Tgtl，气体温度梯度为边界气体温度与环境温度之 差，熟料外部空气进行对流换热，L为篦冷机长度，即X = L时的边界条件为：
e、篦冷机壳体内壁材料主要为耐火砖，外壁材料为钢板，气体与耐火砖为对流换热，熟 料与耐火砖为传导传热，耐火砖与钢板为传导传热，钢板与外界换热包括自然对流换热和 福射换热；料层两侧即z = 0与z = L时，由篦冷机壳体向外散热的边界条件为：
式中：Tgtl为环境温度，Rto为熟料与耐火砖的接触热阻，Rst为耐火砖与钢板的接触热 阻，耐火砖厚度，Sst为钢板厚度，为耐火砖导热系数，Xst为钢板导热系数； 空气与耐火砖内壁的传热系数为：
【文档编号】G06F19/00GK104361195SQ201410468343
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】刘彬, 王美琪, 闻岩, 郝晓辰, 孙超 申请人:燕山大学