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回转窑竖式预热器的结构特点与热流场分析点击：1775 日期：[ 2014-04-26 21:35:39 ] |
| 回转窑竖式预热器的结构特点与热流场分析 廖志明1 李济顺1 刘永刚1 鲁 俊2 弓 洁2 1.河南科技大学河南省机械设计及传动系统重点实验室,洛阳,4710002.洛阳矿山机械工程设计研究院,洛阳,471000 摘要:根据活性石灰回转窑竖式预热器的结构特点和工作原理,建立了竖式预热器的有限元模型,采用传热学理论,推导了换热器的对流换热系数。利用有限元软件ANSYS的Flotran模块,对预热器的热流场分布进行仿真分析,得到了石灰石颗粒排列方式和空隙率对预热器内部温度场、气体的速度和石灰石颗粒温升的影响规律,同时分析了预热器结构形状对温度场的影响。分析结果表明,影响石灰石颗粒温升的主要参数是对流换热系数,在难以大幅度改变对流换热系数时,改变预热器结构能有效地提高预热器的加热效率。 关键词:ANSYS/Flotran;热分析;温度场;竖式预热器 中图分类号:TF066.2;TQ177.25 文章编号:1004—132X(2010)17—2074—05 0 引言 活性石灰回转窑是当前钢厂炼钢所用活性石灰的主要生产设备。带预热器和冷却器的回转窑不仅能锻烧出高质量的活性石灰,还能选用较大料粒度范围的生产原料,从而提高了矿山原料的资源利用率[1-2]。窑内物料和气体逆向流动,物料受热均匀、充分,热量得到充分利用。废气通过窑尾的预热器,其热量进一步用于烘干物料,成品石灰带出的热量经窑头下的冷却器转换成热气重新进入窑内,大大提高了窑的热效率[3]。对回转窑预热器和冷却器进行研究,能为设备创新改造提供理论依据,进而提高整个系统的热效率[4-5]。由于预热器内物料和气体逆向流动,参数多,温度变化大,不利于数值计算,故目前对其内部温度场的研究较少。作为一种通用的有限元分析软件,ANSYS已被广泛应用于力学、电学、温度场和流场等分析中[5-9]。本文以传热学理论为基础,采用温度场和流场耦合的方式,建立竖式预热器的有限元模型,研究能够计算气固两相流温度场的方法,并对计算结果进行对比分析,以期为预热器的优化设计提供理论指导。 1 有限元模型 竖式预热器内部石灰石颗粒从上往下运动,高温气体从下往上运动,形成一种逆向的气固两相流。目前用于描述气固两相流的模型主要有三种:连续介质模型、离散颗粒模型和流体拟颗粒模型。根据预热器内部实际情况,石灰石颗粒之间存在较大空隙且被热气包围,两者逆向运动,因此选用离散颗粒模型,分别建立每个石灰石颗粒的模型,颗粒之间的空隙为热气。竖式预热器内部容纳石灰石颗粒的空间被划分为12个小料仓,料仓之间由隔板隔开,石灰石颗粒从顶部进入料仓后进行预热,料仓底部有一液压推杆,待系统稳定后,每隔一定时间将预热过的石灰石颗粒推出预热器,被推出的石灰石颗粒从预热器底部中心部分进入回转窑体,该实物模型如图1所示。 整个预热器料仓沿中心对称分布,因此可取轴向二维平面进行计算研究。建立有限元平面模型如图2所示,其中,圆形部分代表石灰石颗粒,颗粒之间的空隙代表热气,x为颗粒圆心之间的距离,r为颗粒的半径,A、B、C指向不同部位的三个石灰石颗粒体。竖式预热器内实际空隙率约为0·35,在二维模型中,石灰石颗粒外围接触的热气在相同圆心距x时要比实际值少,因此将此模型中空隙率扩大至0·4,以保证加热石灰石颗粒的气体量更接近实际情况。本文在x=0·34m,r分别取0·125m、0·135m、0·14m、0·15m和0·16m,保证空隙率在0·4附近的条件下,观察不同空隙率下石灰石颗粒的加热情况。 进入预热器内的石灰石颗粒主要成分为碳酸钙,质量分数一般在96%以上,因此石灰石可以采用碳酸钙的材料属性,即热导率λ= 0·05W/(m·K);质量热容c=0·84kJ/(kg·K);密度ρ=2·93×103kg/m3。 进入预热器内的高温气体主要由氮气、二氧化碳和水蒸气组成,它们的体积分数分别为75%、11%和9·5%。不同温度下的混合高温气体的平均属性如表1所示。 石颗粒进行加热,对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式: 式中,q为热流密度;h为对流换热系数;tf、tw分别为流体温度和壁面温度。 因此,确定高温气体与石灰石颗粒之间的对流传热系数在整个计算中起至关重要的作用。根据石灰石颗粒在预热器内的排列规则,可选用横掠管束实验关联式计算,即 式中,Nu为奴塞尔数;d为管径即石灰石颗粒直径;λ为流体热导率;Re为流体的雷诺数;C、m的值由流体横掠顺排管束平均表面计算参数表[10]确定。 所谓横掠管束,就是流体沿垂直于管子轴线方向流过管子表面,分为顺排管束和叉排管束。在此次计算中,石灰石颗粒为圆形模型,符合式(2)的计算条件。 下面以气体在高温900℃时,石灰石颗粒顺排为例,计算其对流换热系数。 由表1知,t=900℃时,λ=0·1W/(m·K),ν=1·52×10-4m2/s。另外,已知高温烟气在预热器内的平均流速u =4m/s,又 计算得Re =6578。由式(2)及流体横掠顺排管束平均表面计算参数表中C =0·348、m =0·592,计算得石灰石颗粒顺排时,Nu =63·37,h =28·8W/(m2·K)。 同理,分别计算出气体温度在300℃、500℃、700℃,石灰石颗粒直径为0·25m、0·27m、0·28m、0·3m和0·32m时,石灰石颗粒顺排的对流换热系数,如表2所示,颗粒直径为0·25m时,石灰石颗粒叉排的对流换热系数如表3所示。 2 计算及结果分析 本文研究内容涉及气固两相流运动,并需要分析高温气体的压力场和流速场,因此选用ANSYS的Flotran模块来进行计算。采用ANSYS进行热分析的过程是:先将待处理的对象划分为有限个单元,其中包括若干个节点,然后基于传热学经典理论———能量守恒原理的热平衡方程,求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程,由此计算出各节点的温度,进而求解出其他相关量。计算过程如下: (1)定义单元类型,建立模型。这里选用FLUID141二维单元,该单元可划分为4节点四边形或3节点三角形,具有速度、压力、温度、湍流动能及湍流能量耗散等自由度。模型如图2所示。 (2)必须定义流体材料即高温气体的属性号为1,石灰石颗粒的材料属性号为2,并根据表1定义材料属性。 (3)划分网格。为保证计算结果的收敛性和精度,采用四边形单元,手动控制单元密度,经反复尝试,单元边界长度最终定义为0·008m。 (4)施加边界条件和载荷。在分析中,分别加载气体入口压力pin=4000Pa、气体出口压力pout=0,气体入口温度tin=1050℃、气体出口温度tout=0,流体速度u=4m/s;定义4个绝热壁面X、Y方向速度为0;石灰石初始温度定义为自然温度20℃,石灰石颗粒与热气之间的对流换热系数如表2、表3所示。 (5)设置瞬态热分析参数。分析类型改为瞬态热分析,流动模型为湍流,计算流动方程,分析时间为3600s,每个载荷步为300s,迭代次数为15次。湍流模型采用Zero equation湍流模型,该模型对于曲度变化较大的几何图形有很好的计算效果。 (6)后处理。进入通用后处理器及时间历程后处理器,对瞬态热分析的结果进行查看分析,分别得到r=0·125m时颗粒顺排的温度场(图3)、压力场(图4)、流速场(图5)和r=0·125m时颗粒叉排的温度场(图6)、压力场(图7)、流速场(图8)以及r=0·135m时颗粒顺排的温度场(图9)、流速场(图10)、压力场(图11)。 由图3、图6可以看出,在石灰石颗粒粒径和颗粒间隙相等而排列顺序不同的情况下,其温度场分布差别较小;从图4、图5、图7和图8可以看出,不同的石灰石颗粒排列方式下预热器内部的压力场、速度场有较大的差异。以上说明,不同的石灰石颗粒排列方式对温度场影响很小,对压力场和速度场影响较大,同时说明在不同压力场和流速场内的石灰石颗粒温升速度基本相同。 图9~图11显示的是石灰石颗粒粒径r=0·135m、而颗粒圆心之间距离不变时的温度场、流速场和压力场,可以看出,颗粒直径增大时,其温度场有较小变化,石灰石颗粒温度略微降低,压力场和流速场也有较小变化。同时,分别计算了r=0·14m、r=0·15m、r=0·16m时预热器内的温度场、压力场、流速场,其结果和r=0·135m时的结果相似,随着粒径的逐渐增大,对流换热系数逐渐降低,石灰石升温效果降低。 综上所述,石灰石颗粒的排列方式对预热器的压力场和流速场影响较大,对温度场和升温曲线影响较小;石灰石颗粒的粒径对温度场、流速场和压力场均有影响,随着粒径的增大石灰石的升温效果降低;石灰石颗粒与热气之间的对流换热系数是影响石灰石颗粒温升的主要因素。 对流换热系数主要取决于材料性质,在竖式预热器内不易改变对流换热系数,可以考虑适当改变预热器结构来增加高温区内石灰石颗粒个数来提高预热器的热效率。在保持材料参数不变的情况下分三种情况继续计算并观察结果:仅增加高温区域时的温度场见图12a,增加高温区域同时减少低温区域时的温度场见图12b,只减少低温区域时的温度场见图12c,原始结构的温度场见图12d。 图12a、图12b中高温区域的石灰石颗粒数多于图12c;图12a中左下角区域石灰石颗粒的温度略低于图12d中左下角区域石灰石颗粒的温度,但同时加热的石灰石颗粒总数增加;图12b中石灰石颗粒数量与图12d相等,但受热情况略好;图12c中的石灰石颗粒数量及受热效果均略差一些。说明改变预热器结构,适当增加高温区域面积,使经过高温区域面积的石灰石颗粒数量增加,能有效改善预热器内石灰石颗粒的受热情况,提高整体温度,进而提高加热效率。 3 结论 (1)预热器内不同的颗粒排列方式对压力场及流速场影响较大,而对温度场影响较小。 (2)石灰石颗粒粒径逐渐增大时,流速场变化较大,压力场和升温曲线变化较小,对流换热系数逐渐减小,石灰石颗粒升温效果逐渐降低。 (3)改变预热器的结构,增加高温区域面积,能有效改善预热器内石灰石颗粒的受热情况,提高整体温度,进而提高加热效率。 参考文献: [1]戚天明,鲁俊,张永福.钢厂用活性石灰回转窑的发展概况[J].水泥·石灰, 1995(6):34-36. 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