Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ МАТЕРИАЛА В КОЛОСНИКОВОМ КЛИНКЕРНОМ ХОЛОДИЛЬНИКЕ

Украинский В.А. 1 Трубаев П.А. 1
1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Целью работы являлся анализ влияния режимных параметров на эффективность работы клинкерного колосникового холодильника с переталкивающей решеткой методами компьютерного моделирования. Для моделирования процесса охлаждения материала в колосниковом клинкерном холодильнике с переталкивающей решеткой была использована сиcтема Ansys Fluent. Расчетная сетка представляет собой поли- или монодисперсный слой гранул, перемещающийся с постоянной скоростью по горизонтальному направлению. Воздух проходит через слой вертикально вверх. Каждая гранула представляет собой отдельную область, разбитую расчетной сеткой на контрольные объемы. Это позволяет учесть влияние теплопроводности и тепловой инерции гранул на общий теплообмен. Разработанная компьютерная модель позволяет исследовать режимы работы колосникового холодильника при различном фракционном составе охлаждаемого материала. Установлено, что при диаметре гранул до 2…3 см показатели работы колосникового холодильника меняются мало, таким образом, этот диапазон является интервалом устойчивой работы.
гранулированный слой
теплообмен
цементный клинкер
колосниковый холодильник
CFD
ANSYS Fluent
1. Исследование теплообмена в слое клинкерных гранул при принудительной фильтрации воздуха / В.А. Украинский, П.А. Трубаев, Б.М. Гришко, П.В. Беседин // Цемент и его применение. – 2011. – № 6. – С. 95–99.
2. Классен В.К. Основные принципы и способы управления цементной вращающейся печью // Цемент и его применение. – 2004. – № 2. – С. 39–42.
3. Классен В.К. Технология и оптимизация производства цемента. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. – 308 с.
4. Некоторые направления энергосбережения в производстве цемента / П.В. Беседин, П.А. Трубаев, О.А. Панова, Б.М. Гришко // Цемент и его применение. – 2011. – № 2. – С. 130–134.
5. Украинский В.А., Трубаев П.А. Компьютерное моделирование охлаждения слоя гранулированного материала. // Научное обозрение. – 2013. – № 8. – С. 59–64.
6. Bentz D.P., Bognacki C.J., Riding K.A., Villareal V.H., Hotter Cements, Cooler Concretes // Concrete International. – 2011. – № 33 (1). – Р. 41–48.
7. Harder J. Latest Trends in Clinker Cooling // ZKG International. – 2011. – Vol. 3. – Р. 32–42.
8. Heat Exchange Modeling of a Grate Clinker Cooler and Entropy Production Analysis // Touil D., Belabed H.F., Frances C., Belaadi S // International Journal of Heat and Technology. – 2005. – Vol. 23 (№ 1). – Р. 61–68.
9. Khurana S., Banerjee R., Gaitonde U. Energy balance and cogeneration for a cement plant // Applied Thermal Engineering. – 2002 – Vol. 22, № 5. – Р. 485–494.
10. Tsamatsoulis D. Simplified Modeling of Clinker Cooling Based on Long Term Industrial Data // World Scientific and Engineering Academy and Society (WSEAS), Stevens Point, Wisconsin, USA, 2011. – Р. 143–147.
11. Turnell Victor J. CFD Modelling in the Cement Industry. – 2012 [Электронный ресурс]. Доступ: http://turnellcorp.com/Publications/WorldCement2012-CFD-Duct Optimization.pdf.

В колосниковых цементных холодильниках через слой клинкерных гранул, обожженных в печи, продувается поток воздуха, который охлаждает клинкер, рекуперируя его теплоту для возврата в печь. Эффективность работы холодильника влияет на расход топлива для обжига и коэффициент полезного действия печного агрегата [2–4, 6, 9]. Целью работы являлся анализ влияния режимных параметров на эффективность работы клинкерного колосникового холодильника с переталкивающей решеткой методами компьютерного моделирования.

Описание модели

Для моделирования процесса охлаждения материала в колосниковом клинкерном холодильнике с переталкивающей решеткой [7, 8, 10, 11] с использованием сиcтемы Ansys Fluent была построена упрощенная двумерная компьютерная модель горячей секции колосникового клинкерного холодильника [5].

Расчетная сетка представляет собой поли- или монодисперсный слой гранул, перемещающийся с постоянной скоростью по горизонтальному направлению, над которым расположена воздушная камера (рис. 1).

pic_7.tif

Рис. 1. Распределение температурного поля в камере горячей секции при установившемся режиме: 1 – слой клинкера; 2 – воздушная камера; 3 – шахта, соединяющая холодильник и печь

Воздух с температурой 300 К поступает под колосники, проходит через слой клинкерных гранул в воздушную камеру и через шахту подается в печь. Модель двумерная, каждая гранула представляет собой отдельную область, разбитую расчетной сеткой на контрольные объемы, что позволяет представить гранулу как отдельный объект со своим температурным полем, изменение которого в общем случае нелинейно и позволяет учесть влияние тепловой инерции гранул на общий теплообмен. Расход воздуха, проходящего через слой клинкерных гранул, задавался в виде граничных условий – массового расхода в нижнем сечении модели (под слоем). Моделирование охлаждения слоя несколькими дутьевыми машинами осуществляется установлением отдельных граничных условий на каждом участке секции. Теплофизические свойства материала и коэффициенты теплообмена в слое были приняты согласно данным работы [1]. Расчет проводился до стабилизации расчетных полей. На рис. 2 представлены участки слоя для некоторых вариантов, использованных в расчетах для различной высоты слоя и диаметра гранул.

а pic_8.tif б pic_9.tif

Рис. 2. Модель охлаждения монодисперсого (а) и полидисперсного (б) слоя

Упрощение модели заключается в отсутствии перемешивания слоя гранул, производимого в холодильнике колосниковыми решетками, и задании непрерывного движения слоя, тогда как в отличие от этого в колосниковом холодильнике происходит циклическое движение групп колосников. Реализация перемешивания в рамках данной модели возможна, однако требует её усложнения – включения в модель подвижных колосников, использование динамической перестраиваемой сетки между перемещающимися гранулами и колосниками, подключения уравнений взаимодействия гранул между собой и элементами холодильника (подвижными колосниками и неподвижной решеткой), что усложнит расчет и снизит его точность. Такая задача, тем не менее, может быть решена даже в трехмерной постановке благодаря возможности распараллеливания вычислений в Ansys Fluent на кластере или распределенной сети из нескольких компьютеров.

Следует отметить, что по мере переталкивания слоя подвижными колосниками мелкие гранулы просыпаются вниз, что также может влиять на аэродинамику слоя и на теплообмен. Также в модели не учтено пыление, возникающее вследствие разрушения гранул.

Адекватность разработанной модели подтверждает соответствие результатов моделирования параметрам работы промышленных колосниковых холодильников [3, 6].

Результаты моделирования

Для исследования были смоделированы случаи, представленные в таблице.

В численных экспериментах величина массового расхода воздуха принималась равной 2 кг/кг клинкера, скорость колосников определяла высоту слоя. Расход материала является фиксированным значением, высота слоя является вычисляемым параметром, определяемым через расход материала и скорость движения слоя.

На рис. 3 представлены полученные значения средних температур материала по длине секции, воздуха на выходе из слоя, перепад давления в слое при установившемся режиме и расходе воздуха 2 кг/кг клинкера. На рис. 4 показаны температура воздуха на выходе из слоя, средняя температура материала и массовый расход по длине секции для характерных случаев.

Варианты для моделирования

№ п/п

Диаметр гранул, мм

Тип засыпки

Высота слоя, м

Температура клинкера на входе в холодильник, K

Средняя температура воздуха на выходе из слоя в начале секции, К

Средняя температура материала на выходе из холодильника, K

Средняя температура воздуха в конце секции, К

1

13

Монодисперсная

0,1

1470

908

667

464

2

13

0,15

1470

1248

682

523

3

17

0,1

1470

1086

739

566

4

17

0,15

1470

1200

760

607

5

13, 17

Слой из гранул двух диаметров

0,15

1470

1230

690

530

6

10…25

Полидисперсная (диаметры гранул с нормальным распределением фракций, крупные гранулы расположены вверху)

0,15

1470

1187

653

460

pic_10.wmf

Рис. 3. Параметры слоя по длине секции: 1 – средняя температура материала; 2 – средняя температура воздуха на выходе из слоя; 3 – сопротивление слоя

а pic_11.wmf бpic_12.wmf

Рис. 4. Температура воздуха (а) и клинкера (б) по длине секции, обозначения кривых соответствуют нумерации в таблице

Анализ результатов

В результате моделирования можно сделать выводы, что сопротивление слоя обратно пропорционально температуре материала и диаметру гранул (доле мелкой фракции) и прямо пропорционально высоте слоя. Полидисперсный слой материала характеризуется сопротивлением, лежащим между сопротивлением монодисперсных слоев из самых крупных и самых мелких гранул. Следовательно, упрощенная модель с принятыми допущениями адекватна и результаты моделирования для моно- и полидисперсного слоя клинкера можно использовать для оценки эффективности и оптимизации режимов работы клинкерного холодильника.

В результате моделирования получены зависимости, характеризующие различные режимы охлаждения слоя клинкера (рис. 5).

pic_13.wmf

Рис. 5. Характеристики работы колосникового холодильника при различном диаметре клинкерных гранул d и высоте слоя h (расход вторичного воздуха во всех случаях 1,8 нм3/кг∙кл; высота слоя одинакова во всех секциях)

Объем воздуха, подаваемого в холодильник, равен сумме объемов вторичного и избыточного воздуха. Из рис. 5 видно, что при увеличении этого объема температура клинкера после холодильника значительно снижается, но при этом из-за роста потерь теплоты с избыточным воздухом происходит снижение КПД.

С увеличением диаметра гранул клинкера процесс теплопередачи в слое ухудшается и эффективность охлаждения падает. Но при этом необходимо отметить, что при диаметре гранул до 2…3 см показатели работы холодильника меняются мало, таким образом этот диапазон является интервалом его устойчивой работы.

Выводы

Разработанная компьютерная модель позволяет исследовать режим работы колосникового холодильника при разном фракционном составе охлаждаемого материала. Установлено, что при диаметре гранул до 2…3 см показатели работы колосникового холодильника меняются мало, таким образом, этот диапазон является интервалом устойчивой работы.

Рецензенты:

Беседин П.В., д.т.н., профессор кафедры технологии стекла и керамики, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород;

Носов О.А., д.т.н., профессор, проректор по научной работе, НОУ ВПО «Белгородский инженерно-экономический институт», г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 09.10.2013.


Библиографическая ссылка

Украинский В.А., Трубаев П.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОХЛАЖДЕНИЯ МАТЕРИАЛА В КОЛОСНИКОВОМ КЛИНКЕРНОМ ХОЛОДИЛЬНИКЕ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-7. – С. 1431-1435;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=32600 (дата обращения: 30.05.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074