一种空气预冷、预热混凝土骨料瞬态温度的确定方法

文档序号:9631685阅读:777来源:国知局
一种空气预冷、预热混凝土骨料瞬态温度的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于工程传热、传热学领域,特别涉及一种空气预冷、预热混凝土骨料瞬态 温度的确走方法。
【背景技术】
[0002] 混凝土骨料预冷、预热的目的是控制混凝土的浇筑温度,防止浇筑体产生裂缝。混 凝土骨料预冷、预热技术具有温度控制严、强度大、系统布置复杂等特点,是关系到水利水 电工程特别是大型水利水电工程安全、经济和保证施工进度的关键因素。
[0003] 混凝土浇筑前在料仓内对混凝土骨料进行空气预冷、预热,是目前工程上普遍采 用的控温方式。空气预冷、预热骨料是在相对封闭料仓内,通过冷风/热风与堆积的骨料进 行热交换,以达到骨料由常温降低/提高到所需要温度的目的。在这个过程中,冷风/热风 由料仓侧壁下部的进风口进入料仓,与由料仓顶部下卸的骨料进行热交换,升温/降温后 的空气由料仓侧壁上部的回风口返回冷风机/暖风机,再次循环进入骨料仓。
[0004] 由于预冷、预热整个热交换过程中受进口风温、风速、骨料粒径、空隙率、料仓结构 以及风道布置等诸多参数影响,其传热过程十分复杂,导致常规数学、理论方法难以准确计 算骨料的温度,因此工程中多依赖经验方法对骨料温度进行预测。目前,在工程设计中,都 是基于孔隙流假设,采用单体骨料来近似代表料仓内的堆积骨料(翁定伯,大体积混凝土 预冷技术[M].中国电力出版社,2011),根据单体骨料表面的第一类换热边界条件(骨料 表面温度为空气温度)来近似计算堆积骨料在空气预冷、预热过程中的瞬态温度。具体处 理方法和计算过程如下所述。
[0005] 冷/热空气进入料仓后,可贯穿骨料之间的间隙由下而上流动,如图2 (a),形成大 致平行而坚直的孔隙通道,将堆积的颗粒状骨料假设为以孔隙为中心的空心六面棱柱体, 如图2(c)所示,则料仓内颗粒状骨料与间隙内空气的对流换热过程可近似等效为空心棱 柱体的内表面和中空通道内流动的空气产生的热交换。
[0006] 空心棱柱体相同截面积的等效圆柱体的外径D和内径d,可由骨料粒径等参数, 通过图2所示的几何结构特征计算得到,等效圆柱体外径D约等于骨料直径,内径d= D/4. 4 (翁定伯,大体积混凝土预冷技术[Μ].中国电力出版社,2011)。
[0007] 骨料与空气进行热交换时,换热表面处于对流换热的第三类边界条件,而不是处 于换热表面温度等于空气温度的第一类边界条件。假设骨料外部有厚度为ΛR的虚拟层, 使得虚拟层换热表面温度与空气温度相等,则虚拟层的厚度根据平板的导热定律计算为 (翁定伯,大体积混凝土预冷技术[Μ].中国电力出版社,2011):
[0008]
( 1 )
[0009] 式中,λs为骨料导热系数,akx为空隙处空气的对流换热系数。
[0010] 则虚拟圆柱体的当量直径DXS:
[0011] ⑵.
[0012] 无限长空心圆柱体在第一类边界条件下(柱体换热表面温度等于流体温度)的 瞬态换热过程有经典的理论解。图3为空心圆柱体水冷瞬态换热的诺谟图,由于水流速度 高,换热系数很大,可近似认为空心圆柱体换热内表面处于壁温等于水温的第一类边界条 件。根据孔隙流假设得到的虚拟空心柱体的瞬态传热过程可参考图3所示的规律。
[0013] 图3中横坐标为傅里叶数Fo,纵坐标为柱体对比过余温度Θ,计算方法如下:
[0014] ⑶
[0015] (4)
[0016] 式中,af为圆柱体导温系数,τ为换热时间,Dx为虚拟圆柱体外径,T。为圆柱体初 始温度,T为圆柱体历时τ之后的平均温度,Ta为流体温度。
[0017] 根据图3,可拟合出空心圆柱体在第一类边界条件下的瞬态换热规律:
[0018]
(5)
[0019]T=Ta+(T〇-Ta)e°·00652-065Fo (6)
[0020] 根据式(6),可以计算出不同时刻的虚拟空心圆柱体平均温度。
[0021] 图3所示的空心圆柱体内水冷瞬态诺谟图,是建立在空心圆柱体外内径比等于 100 (D/d= 100)的基础上的。若堆积骨料所对应的等效虚拟圆柱体外内径比不等于100时, 则采用美国垦务局建议的近似公式计算等效导温系数(朱伯芳,大体积混凝土温度应力与 温度控制[M]·中国电力出版社,1999):
[0022]
(7)
[0023] 式中为a为骨料的导温系数,Dx为堆积骨料所对应的等效虚拟圆柱体的外径,d为 等效虚拟圆柱体内径。
[0024] 料仓内骨料的大小和排列是随机的,空气在骨料间隙内的流动复杂多变,骨料与 空气之间的换热表面也形状多变且极不光滑,因此,基于孔隙流的假设所得到的等效虚拟 空心圆柱体,并不能完全代表骨料与空气的换热。为了弥补此假设带来的误差,工程上通常 对等效导温系数进行修正,如式(8)所示:
[0025]
後)_
[0026] 式中ξ为修正系数。目前工程设计中,取ξ=6(水利电力部水利水电建设总局, 水利水电工程施工组织设计手册-第四卷辅助企业,中国水利水电出版社)。
[0027] 根据上述的假设及计算处理方法,结合式(8)、式(3)及式(6),可得到空气预冷、 预热条件下,料仓内骨料温度随时间的瞬态变化。这种方法是目前水利水电辅助企业内普 遍采用的设计计算方法。
[0028] 目前工程设计中都采用上述基于孔隙流假设得到的经验算法对空气预冷、预热过 程中料仓内骨料的瞬态温度进行计算。这种方法虽然简单,但有明显的缺点:
[0029] (1)将料仓内堆积的骨料假设为空心柱体,与实际情况不符。骨料在料仓内随机离 散堆积,结构更接近于多孔介质,而非圆柱体排列。孔隙流假设,一方面忽略了空气在骨料 间隙内的曲折、贯通、扰流等的流动复杂性,另一方面忽略了骨料与空气之间的换热表面 的凹凸不平、形状多变所带来的强化效果。为了减少这些误差,式(6)引入了修正系数ξ。 目前不论预冷、预热工况如何,都取ξ=6,显然修正系数的取值太粗糙,在实际工程中造 成了大量的能源浪费。
[0030] (2)该计算方法是基于空心圆柱体在第一类边界条件下的瞬态换热规律得到的, 第一类边界条件是指换热表面的温度始终等于流体温度。但骨料在预冷、预热过程中,换热 条件属于第三类边界条件,即骨料外表面与流体进行对流换热,外表面温度并不等于空气 的温度。为了消除此误差,该计算方法设定虚拟层厚度,使得虚拟层换热表面温度等于流体 温度。但一方面设置虚拟层与实际情况不符,进一步带来计算误差,另一方面此虚拟层是按 照平板的导热规律计算得到的,与骨料的近球体形状相差较大,因此虚拟层厚度的计算有 明显误差。
[0031] (3)该计算方法中空气的温度始终不变,没有反映出空气温度随换热时间而变化 的真实情况。
[0032] (4)骨料的空气预冷、预热过程影响因素众多,如料仓结构尺寸、堆积空隙率、风 速等,该计算方法都没有考虑到这些因素的影响,也没有明确的适用工程范围,计算精度不 商。

【发明内容】

[0033] 为了克服现有确定方法中,计算精度不高和能源的浪费,本发明提供一种空气预 冷、预热混凝土骨料瞬态温度的确定方法,空气预冷、预热骨料过程中,骨料在料仓内呈自 然堆积状态,与空隙形成了相互共存的组合体,所以可认为料仓内的骨料与空隙形成一种 多孔介质。料仓内骨料与空隙处空气的对流换热过程,可视为骨料+空隙多孔介质在进风 截面处的对流换热作用下产生的非稳态导热过程。
[0034] 本发明采用的技术方案为:
[0035] 1) -种空气预冷、预热混凝土骨料瞬态温度的确定方法,具体步骤为:获得参数, 计算出多孔介质有效导温系数虚拟对流换热系数αν,测出多孔介质导热系数λε,进 回风高差I换热时间τ;通过温度传感器获得骨料初始温度Τ。,进口空气温度Ta;
[0036] 2)根据步骤1)中得到的参数,计算傅里叶数Fo、毕渥数Bi;通过等效立方体非稳 态导热无量纲参数计算模块得到,
[0037]
[0038]
[0039] 3)根据步骤1)中获得的参数骨料初始温度T。,进口空气温度Ta和步骤2)中得出 的傅里叶数Fo,通过骨料瞬态温度计算模块计算得到瞬时温度T,
[0040]T=T0+{A_B·exp[_1·C·(Fo-Fo*) ]}· (Ta_T0)
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