一種自控式流量調(diào)節(jié)裝置的研究

聞 巖 劉 彬 李 娜

燕山大學(xué),秦皇島,066004

一種自控式流量調(diào)節(jié)裝置的研究

聞 巖 劉 彬 李 娜

燕山大學(xué),秦皇島,066004

為補償由于熟料厚度變化而引起的篦冷機床面冷卻風(fēng)量分布不均,基于流體力學(xué)圓柱坐標系下的連續(xù)方程,建立了水泥熟料蓖冷機冷卻氣體流量調(diào)節(jié)器的模型,并給出了分析方法及設(shè)計計算公式。以變剛度片彈簧為控制元件,設(shè)計了一種新型機械自控式流量調(diào)節(jié)器。實驗表明,利用所設(shè)計的機械流量調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)每個篦元上空氣流量的自適應(yīng)調(diào)節(jié),達到均化冷卻風(fēng)量分布的目的。

篦冷機;流量調(diào)節(jié);自適應(yīng);片簧

0 引言

蓖冷機完成旋窯煅燒后高溫熟料的冷卻和熱能回收任務(wù),它是水泥生產(chǎn)線上節(jié)能降耗的關(guān)鍵設(shè)備[1-2]。提高該設(shè)備的性能,可以進一步提高熱能回收率,降低能耗,同時減少廢氣的排放,減少污染。FL.Sm idth公司的SF Cross-Bar篦冷機采用蓖元方式供風(fēng),在每個蓖元下裝有空氣流量調(diào)節(jié)器[3],較大地改善了熟料均衡冷卻問題,它可以隨蓖板上料層的厚度變化自動調(diào)節(jié)送風(fēng)量,Brugan等[4]應(yīng)用流體力學(xué)的能量方程,給出了上述空氣流量調(diào)節(jié)器的工作原理,但其描述方程中的流體能量損失系數(shù)需要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)通過實驗而獲得。因此,有必要進一步對流量調(diào)節(jié)器的理論進行探討,開發(fā)出新型結(jié)構(gòu)的流量調(diào)節(jié)器。本文以流體力學(xué)的連續(xù)性方程為基礎(chǔ),建立了新的流量調(diào)節(jié)器的模型,并給出了分析設(shè)計方法,新方法省去了實驗系數(shù)測定的過程,設(shè)計了一種新型的機械流量調(diào)節(jié)器。

1 篦冷機的工作原理

篦冷機工作原理如圖1所示,由回轉(zhuǎn)窯卸出的大約1450℃的熱熟料進入冷卻機后,在推動機構(gòu)驅(qū)動下流向出口,熟料在此過程中,由篦床下的風(fēng)室吹入的冷風(fēng)進行冷卻。

在風(fēng)室1～6上面,縱橫密布著矩形蓖元,每個蓖元下裝有一個流量調(diào)節(jié)器,每個流量調(diào)節(jié)器可以根據(jù)物料的厚度變化自動調(diào)節(jié)通過該蓖元的冷卻空氣流量。

圖1 篦冷機工作原理

2 圓板式流量調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及工作原理

新型蓖元及其流量調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖2所示,為簡化結(jié)構(gòu),本調(diào)節(jié)器與蓖元形成一個整體結(jié)構(gòu),調(diào)節(jié)器由圓板、片彈簧和靠板三部分組成。在水泥熟料的移動過程中,某一蓖元上熟料層的厚度或粒度時刻會發(fā)生變化,這些變化將引起流阻發(fā)生變化。平板式流量調(diào)節(jié)器的作用就是根據(jù)熟料的變化,自動調(diào)節(jié)其流阻,以達到風(fēng)室和冷卻機腔體之間流阻力不變的目的,進而使通過蓖元的冷卻氣體流量恒定。

圖2 蓖元及流量調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖

由于熟料表面處的壓力p2(即冷卻機腔體內(nèi)的壓力)和風(fēng)室內(nèi)的壓力p0分別由不同風(fēng)機控制而保持不變,因此,當料變細變厚時,料阻增加,蓖元下部冷卻空氣入口處的壓力p1和風(fēng)室壓力p0之間的壓差Δp=p0-p1減小,則流量調(diào)節(jié)器圓板在片簧回復(fù)力作用下,向下移動,由此增大了圓板與蓖元之間的間隙δ,即增大通風(fēng)面積,從而保證提供足夠的冷卻風(fēng)量。同理,當料變粗變薄時,流量調(diào)節(jié)器圓板向上移動,減小通風(fēng)面積,保證提供一定的冷卻風(fēng)。按照冷卻機的一般工藝要求,處于不同位置蓖元處的冷卻氣體流量qV具有不同的固定值,為保證這個流量值不隨料阻變化而變化,關(guān)鍵就是找出壓差Δp與間隙δ的關(guān)系,設(shè)計出符合要求的變剛度片簧,以控制圓板與蓖元之間的間隙δ。

3 圓板式流量調(diào)節(jié)器模型

3.1 壓差Δp與間隙δ的關(guān)系

考慮到蓖元空氣入口和浮動圓板的形狀皆為圓形,宜采用圖3所示的圓柱坐標進行推導(dǎo)。

根據(jù)實際工藝需求,冷卻機腔體內(nèi)的壓力p2和風(fēng)室內(nèi)壓力p0之間的差值不會大于0.004MPa,所以空氣密度變化不大。為了簡化計算,將其視為不可壓縮流體進行計算,同時忽略氣體的質(zhì)量力。

圖3 圓柱坐標系

由文獻[5]知,圓柱坐標系下流體分量形式的運動方程為

由式(7)可以看出,為保證qm不變,當 Δp變化時,可通過調(diào)整間隙δ達到新的平衡狀態(tài)。

3.2 壓力p在圓板與蓖元間的分布函數(shù)

式(9)即為壓力p在圓板與蓖元間的分布函數(shù)。

3.3 圓板的受力分析

圖4為圓板的受力簡圖,圓板與蓖元間隙處的分布壓力的合力為

圖4 圓板受力圖

圖4中,Fp為板間分布壓力的合力;Fp0為風(fēng)室內(nèi)壓力的合力;Fp1為蓖元入口壓力的合力;F為片彈簧回復(fù)力;f為圓板的位移;δ0為圓板與蓖元之間的初始間隙。

此式即為圓板與蓖元間間隙為δ時所需的片簧回復(fù)力。

3.4 彈簧所需的剛度及靠板曲線方程

在圖4中δ=δ0-f,代入式(16)得

式中,E為彈簧的彈性模量;I為彈簧的慣性矩;μ為彈簧的泊松比;l為片彈簧的長度。

圖5 片彈簧靠板曲線

按工作要求給定流量qm,并且按照蓖元尺寸設(shè)計出片簧的材料尺寸以及板孔直徑后,式(21)可轉(zhuǎn)化為帶有常數(shù) A、l和δ0的一個二階微分方程:

利用數(shù)值方法解式(22),可得出靠板的曲線。

4 算例及實驗

某蓖冷機蓖床面要求的流量 qm為 0.9 kg/(m2?s),蓖元的尺寸為300mm ×300mm,冷卻空氣的密度ρ為1.29kg/m3。

根據(jù)蓖元的尺寸設(shè)計的蓖元孔半徑r1為50mm,圓板的半徑r2為100mm,圓板與蓖板初始間距δ0為10mm 。片簧的長度L為120mm,截面的寬度b為 15mm,高度 h為 5mm,彈性模量 E為120GPa,泊松比 μ為0.2。

將上述設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式(22),利用MA TLAB計算軟件對方程進行求解,得出片簧靠板的求解曲線如圖6所示。

圖6 片簧靠板計算曲線

采用按照圖6靠板曲線加工出的靠板輪廓,即可滿足保持所要求調(diào)節(jié)器流量恒定的片簧剛度。

為驗證以上方法的正確性,筆者設(shè)計制造出了一臺“雙層三風(fēng)室雙通道流量調(diào)節(jié)實驗臺”,如圖7所示。實驗臺下風(fēng)室上部開出兩個通道,氣體由下風(fēng)室鼓風(fēng)到上風(fēng)室,每個通道中安裝一個氣體流量調(diào)節(jié)器。下風(fēng)室用風(fēng)機供給冷卻空氣,上風(fēng)室的兩個通道上部各安裝一個流阻變化器以模擬現(xiàn)場的料厚變化。

圖7 雙層三風(fēng)室雙通道流量調(diào)節(jié)實驗臺

右側(cè)通道上放置按本文設(shè)計的流量調(diào)節(jié)器,左側(cè)通道空置。分別調(diào)整兩個水泥熟料流阻模擬器的開度,將左風(fēng)道調(diào)整約三分之一開度,右風(fēng)道調(diào)整到二分之一開度位置后啟動實驗臺。

調(diào)整實驗臺入風(fēng)閥門開度,直到入風(fēng)流量表顯示達到待實驗流量調(diào)節(jié)器的設(shè)計流量的2～3倍為止。待實驗臺初始化穩(wěn)定后,取右風(fēng)道流阻器不同開度,分別記錄各個壓力表和流量表的參數(shù)。實驗數(shù)據(jù)見表1,表1中料阻模擬器開度為0時為全開狀態(tài),5為全閉狀態(tài);實驗過程中左風(fēng)道料阻模擬器開度不變。

圖8所示為依據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制的流量調(diào)節(jié)器在不同料阻下的流量變化曲線。

表1 流量調(diào)節(jié)器實驗數(shù)據(jù)

圖8 實驗曲線

由圖8實驗曲線可以看出,當模擬料阻開度變化即熟料阻力變化時,本文流量調(diào)節(jié)器可以自動調(diào)節(jié)本身流阻以保證氣體通過流量基本穩(wěn)定。

5 結(jié)論

針對篦冷機內(nèi)高溫熟料厚度多變、料阻復(fù)雜的情況,以流體力學(xué)的連續(xù)方程為基礎(chǔ),給出了流量調(diào)節(jié)器的分析方法及設(shè)計計算公式,同時以變剛度片彈簧為自動控制元件,設(shè)計了一種新型的自適應(yīng)式機械流量調(diào)節(jié)器。實驗表明,新型調(diào)節(jié)器的原理和實現(xiàn)是可行的,可以取代原有機械流量調(diào)節(jié)器,并且相比原有產(chǎn)品具有無機械磨損和設(shè)計加工簡單的優(yōu)點。

[1] 崔源聲.中國水泥工業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究[J].中國水泥,2002,6(11):15-17.

[2] 劉彬,郝曉辰.篦冷機熟料多通道冷卻氣固熱交換模型研究[J].硅酸鹽通報,2008,27(2):247-253.

[3] Bentsen B.The SFCross Bar-cooler for Modernization of K iln at the A ssiut Cement W orks[J].ZKG International,2003,56(2):35-40.

[4] Brugan J M,Keefe B P.Cross-bar Cooling[J].Coo ler Technology,2001,21(8):37-43.

[5] 周光炯.流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2000.

[6] 張英會.彈簧[M].北京:機械工業(yè)出版社,1982.

Research on a K ind of Adaptive Flow Regulator

Wen Yan Liu Bin Li Na
Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

To compensate for the uneven distribution of cooling air volume on the bed surface of grate cooler caused by the thickness change of clinker,based on the hydromechanical continuity equation in the cy lindrical coordinates,an analysis and design com putation formula of flow regulator for clinker grate cooler were established.Using the variable stiffness leaf springs as the control elements,a new type ofmechanical self-controlled flow regulatorwas designed.The tests indicate that the new regu lator can achieve adap tive ad justment o f the air flow on every grate element and the pu rpose o f homogenizing the distribution of the coo ling air volume.

grate cooler;flow regulation;adap tive;leaf sp ring

TH 12

1004—132X(2011)12—1480—04

2010—08—13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51076135)

(編輯 何成根)

聞 巖,男,1963年生。燕山大學(xué)機械工程學(xué)院副教授。主要研究方向為機械設(shè)計理論及水泥機械。獲省級科技進步三等獎1項。發(fā)表論文30余篇。劉 彬,男,1953年生。燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。李 娜,女,1982年生。燕山大學(xué)機械工程學(xué)院碩士研究生。