CN111814296A - 一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法及装置，所述方法包括以下步骤：针对埋管外侧的高温气粒两相流与内侧的循环水之间的各种传热过程，分别建立传热方程；根据能量守恒原理建立约束条件；获取数据，并将获取的数据代入各个传热方程，联立各传热方程求解，得出埋管外壁温度/埋管换热量。本发明能直接计算埋管外壁温度，从而提高了埋管换热量计算结果的精确性。

Description

一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法及装置

技术领域

本发明属于沸腾焙烧炉热平衡计算领域，具体涉及一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法及装置。

背景技术

埋管(冷却管)是沸腾焙烧炉的重要部件之一。埋管中的循环水通过对流传热与汽化带走沸腾层中的部分热量，以控制沸腾层的温度，使其满足生产的工艺要求。埋管结构设计以及炉膛温度预测的主要依据是沸腾焙烧炉的热平衡计算，其中埋管换热量是热平衡计算的重要组成。针对沸腾层与埋管外壁渣皮的对流换热及辐射换热过程

埋管换热量通常指埋管外壁与沸腾层的总换热量，通过埋管外壁面与沸腾层间的对流换热公式和辐射换热公式进行计算。但是由于缺乏检测数据或理论计算数据，埋管外壁温度的值只能基于经验进行假设，不能确保假设的壁温与实际壁温一致，导致埋管换热量计算精确性得不到保障，直接影响着埋管的结构设计以及焙烧炉操作的精细化控制。

因此，有必要设计一种准确性更高的沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量(埋管外壁温度和 /或埋管换热量)计算方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法及装置，能直接计算埋管外壁温度，从而提高了埋管换热量计算结果的精确性。

为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案如下：

一方面，提供一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法，包括以下步骤：

针对埋管外侧的高温气粒两相流与内侧的循环水之间的各种传热过程，分别建立传热方程；

根据能量守恒原理建立约束条件；

获取数据，并将获取的数据代入各个传热方程，联立各传热方程求解，得出埋管外壁温度/埋管换热量。

进一步地，所述传热过程包括：沸腾层与埋管外壁渣皮的对流换热及辐射换热、埋管外壁渣皮由外向内的导热、埋管外壁向内壁的导热、埋管内壁上水垢由内壁侧向工质侧的导热、循环水的沸腾换热。

进一步地，约束条件为：

Q_fs＝Q_s＝Q_p＝Q_w＝Q_b

其中，Q_fs为沸腾层向埋管外壁渣皮的总传热，即埋管换热量；Q_s为埋管外壁渣皮由外向内的导热量；Q_p为埋管外壁向内壁的导热量；Q_w为埋管内壁水垢由管壁侧向工质侧的导热量； Q_b为循环水的沸腾传热量。

进一步地，采用二分方法，对建立的传热方程进行求解，得到埋管外壁温度/埋管换热量，具体过程如下：

1)根据沸腾层温度及循环水温度，初始化埋管外壁温度区间[T_low，T_high]，其中T_low等于埋管内的循环水温度T_f,i，T_high等于沸腾层温度T_f,o；

2)计算埋管外壁温度区间的中点T_m，T_m＝(T_low，T_high)/2；将其作为埋管外壁温度T_p,o当前取值；

3)按照Q_s＝Q_p＝Q_w＝Q_fs计算埋管换热量Q_fs，以及埋管内壁水垢工质侧的温度T_w,i；

4)根据步骤3)得到的埋管内壁水垢工质侧的温度T_w,i代入针对循环水的沸腾换热过程建立的传热方程，计算得到循环水的沸腾传热Q_b；

5)判断是否满足任一循环终止条件，若满足，则结束循环，输出埋管外壁温度T_p,o/埋管换热量Q_fs的当前取值；所述循环终止条件包括：①Q_b与Q_fs的差值小于设定值；②埋管外壁温度区间的长度小于设定值；

否则，进入步骤6)；

6)若Q_b<Q_fs，则埋管外壁温度T_p,o当前取值偏低，将埋管外壁温度区间下限更新为埋管外壁温度T_p,o当前取值，即令T_low＝T_m；否则将埋管外壁温度区间上限更新为埋管外壁温度 T_p,o当前取值，即令T_high＝T_m，并返回2)。

另一方面，提供一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算装置，包括以下模块：

数据获取模块，用于获取求解模块对传热方程进行求解所需的参数值；

传热方程构建模块，用于针对埋管外侧的高温气粒两相流与内侧的循环水之间的各种传热过程建立传热方程及约束条件；

求解模块，用于对传热方程进行求解，得出埋管外壁温度/埋管换热量。

另一方面，提供一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现上述沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法。

另一方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)无需对埋管外壁温度进行假设，而是直接通过能量守恒原理进行计算；避免了由假设的埋管外壁温度所引起的误差，为沸腾炉热平衡计算提供更精确的理论依据，从而有利于提高埋管结构设计的精确性，指导沸腾焙烧炉生产过程中埋管数量的合理使用；

2)避免了不同的计算人员将产生不同结果的状况，提高了埋管换热量计算结果的精确性。

附图说明

图1为本发明实施例中利用二分法求解的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。

实施例1：

本实施例公开了一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法，包括以下步骤：

综合考虑埋管外侧的高温气粒两相流与内侧的循环水之间的各种传热过程，针对各种传热过程，分别建立传热方程；

根据能量守恒原理建立约束条件；

获取数据，并将获取的数据代入各个传热方程，联立各传热方程求解，得出埋管换热量。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，所述传热过程包括：沸腾层与埋管外壁渣皮的对流换热及辐射换热、埋管外壁渣皮由外向内的导热、埋管外壁向内壁的导热、埋管内壁上水垢由内壁侧向工质侧的导热、循环水的沸腾换热。

实施例3：

本实施例在实施例1的基础上，以圆形埋管为例，针对各种传热过程，分别建立传热方程具体如下：

a)针对沸腾层与埋管外壁渣皮的对流换热及辐射换热过程，建立以下传热方程：

式中，Q_fs为沸腾层向埋管外壁渣皮的总传热，即埋管换热量，其单位为W，为待解参数；A_s为埋管外壁渣皮与沸腾层接触的表面积，通过A_s＝2πr_sl计算得到，其单位为m²，其中l为埋管总长度，可以测量或根据其设计数据确定，其单位为m；r_s为埋管外壁渣皮外半径，一般取埋管外半径，其单位为m；T_f,o为沸腾层温度，生产中可通过热电偶测得，其单位为℃；T_s,o为埋管外壁渣皮表面温度，为待求参数，其单位为℃；C₀为黑体辐射系数，为5.67 W/(m²·K⁴)；ε为埋管外壁渣皮的发射率，一般取0.9；h_o为沸腾层与埋管外壁渣皮的对流换热系数，其单位为W/(m²·K)，由下式计算：

式中，Nu为埋管外壁渣皮与沸腾层对流换热的准则数；d为埋管外径，可以测量或根据其设计数据确定，其单位为m；λ_流化介质为流化介质的导热系数，可查询流化介质物性参数表得；C和n为常数，若

C取2.56，n取0.3，若

C取14.1，n取0.5；

其中s₁、s₂分别为沿气流方向及垂直气流方向埋管的中心距，可以测量或根据其设计数据确定；Re_管为埋管外壁渣皮附近沸腾层的雷诺数，

u为流化介质流速，

单位为m/s；Q_V为在实际温度下沸腾层的流化介质体积流量，

单位为m³/s；

为标况下的流化介质体积流量，为生产中的操作变量，可以测量或根据其设计数据确定，单位为Nm³/s；d_f为沸腾层直径，可以测量或根据其设计数据确定，单位为m；v为流化介质的运动粘度，可查流化介质物性参数表得到，单位为m²/s；ε_层为沸腾层的孔隙率，近似取

其中未通风时料层的堆积高度生产前测得，沸腾层高度约为溢流口高度；Pr为流化介质的普朗特数，可查流化介质物性参数表得到；c_料为料层的比热容，可查询料层物性参数表得，其单位为J/(kg·K)；Ar为沸腾层的阿基米德数，

其中g为重力加速度；d_粒为料层颗粒粒径，可通过取样进行粒度检测获得，单位为m；ρ_气为流化介质的密度，查流化介质物性参数表可得，单位为 kg/m³；ρ_粒为料层颗粒密度，可通过取样检测获得；c_气为流化介质的比热容，可查流化介质物性参数表得到，其单位为J/(kg·K)；

b)针对埋管外壁渣皮由外向内的导热过程，建立以下传热方程：

式中，Q_s为埋管外壁渣皮由外向内的导热量，为待求参数，单位为W；λ_s为埋管外壁渣皮的导热系数，可查询渣层物性参数表得，单位为W/(m·K)；T_s,i为埋管外壁渣皮内侧温度，为待求参数，其单位为℃；r_p,o为埋管外半径，r_p,o＝d/2，其单位为m；

c)针对埋管外壁向内壁的导热过程，建立以下传热方程：

式中，Q_p为埋管外壁向内壁的导热量，为待求参数，其单位为W；λ_p为埋管的导热系数，可查询埋管材料的物性参数表得，其单位为W/(m·K)；T_p,o为埋管外壁温度，为待求参数，其单位为℃，忽略接触热阻时可取T_p,o＝T_s,i；T_p,i为埋管内壁温度，为待求参数，其单位为℃； r_p,i为埋管内半径，可以测量或根据其设计数据确定，其单位为m；

d)针对埋管内壁水垢由管壁侧向工质侧的导热过程，建立以下传热方程：

式中，Q_w为埋管内壁水垢由管壁侧向工质侧的导热量，为待求参数，其单位为W；λ_w为埋管内水垢的导热系数，可查询水垢的物性参数表获得，其单位为W/(m·K)；T_w,o为埋管内壁水垢管壁侧的温度，取T_w,o＝T_p,i，其单位为℃；T_w,i为埋管内壁水垢工质侧的温度，为待求参数，其单位为℃；r_w为埋管内壁水垢工质侧半径，近似取r_w＝r_p,i，其单位为m；

e)针对循环水的沸腾传热过程，建立以下传热方程：

Q_b＝h_iA_i(T_f,i-T_w,i)

式中，Q_b为循环水的沸腾传热量，为待求参数，其单位为W；A_i为沸腾传热面积， A_i＝2πr_wl，其单位为m²；T_f,i为埋管内的循环水温度，生产中通过汽包中的热电偶测得，其单位为℃；h_i为埋管内沸腾传热的换热系数，其单位为W/(m²·K)，由下式计算：

h_i＝143Δt^2.33p^0.5

式中，Δt为沸腾传热的温差，Δt＝T_f,i-T_w,i，其单位为℃；p为埋管内循环水的饱和蒸汽压，根据循环水温度查饱和水蒸气物性参数表得，其单位为MPa。

实施例4：

本实施例在实施例3的基础上，约束条件为：

Q_fs＝Q_s＝Q_p＝Q_w＝Q_b

根据该约束条件，可以获得埋管外壁温度关于埋管内的循环水温度的隐函数，将无法直接检测的埋管外壁温度与埋管内的循环水温度建立关联模型。在设计过程及生产实践中，埋管内的循环水在进入汽包时为气液混合状态，通过汽包检测值可以计算出循环水的温度和压力。埋管内循环水状态可以间接反映埋管换热量。以往汽包中的检测信息往往仅用于判断汽包运行状况，而其在计算埋管换热量上的潜力则被忽视。本发明上述技术方案进一步发挥了汽包检测信息的作用。

实施例5：

本实施例在实施例3的基础上，采用二分方法，对建立的传热方程进行求解，得到埋管外壁温度和埋管换热量，具体过程如下：

1)根据沸腾层温度及循环水温度，初始化埋管外壁温度区间[T_low，T_high]，其中T_low等于埋管内的循环水温度T_f,i，T_high等于沸腾层温度T_f,o；

2)计算埋管外壁温度区间的中点T_m，T_m＝(T_low，T_high)/2；将其作为埋管外壁温度T_p,o当前取值；

3)按照Q_s＝Q_p＝Q_w＝Q_fs计算埋管换热量Q_fs，以及埋管内壁水垢工质侧的温度T_w,i；

4)根据步骤3)得到的埋管内壁水垢工质侧的温度T_w,i计算循环水的沸腾传热Q_b；

5)判断是否满足任一循环终止条件，若满足，则结束循环，输出埋管外壁温度T_p,o/埋管换热量Q_fs的当前取值；所述循环终止条件包括：①Q_b与Q_fs的差值小于设定值；②埋管外壁温度区间的长度小于设定值；

否则，进入步骤6)；

6)若Q_b<Q_fs，则埋管外壁温度T_p,o当前取值偏低，将埋管外壁温度区间下限更新为埋管外壁温度T_p,o当前取值，即令T_low＝T_m；否则将埋管外壁温度区间上限更新为埋管外壁温度 T_p,o当前取值，即令T_high＝T_m，并返回2)。

除了采用二分法进行求解之外，还可以采用其它方法(如迭代法)进行求解。但本实施例中采用二分法进行求解，准确，快速。

实施例6：

本实施例提供一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算装置，包括以下模块：

传热方程构建模块，用于针对埋管外侧的高温气粒两相流与内侧的循环水之间的各种传热过程，分别建立传热方程，并根据能量守恒原理建立约束条件；

数据获取模块，用于获取求解模块对传热方程进行求解所需的参数值；

求解模块，用于对传热方程进行求解，得出埋管换热量。

所述装置中各个模块的工作原理参见上述方法实施例中各个步骤的具体实现方式。

实施例7：

本实施例提供一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现上述沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法。

实施例8：

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法。

实施例9：

本实施例假设在沸腾焙烧炉运行过程中，流化介质为空气，沸腾层温度为T_f,o＝952℃，空气流速为0.57m/s，料层比热容为c_料＝600J/(kg·K)，料层颗粒密度为ρ_料＝2400kg/m³，料层颗粒粒径(直径)为d_料＝0.00015m，沸腾层孔隙率为ε_层＝0.6，埋管外壁无结渣，内壁无水垢，导热系数为λ_p＝43.75W/(m·K)，沿管束方向及垂直气流方向的埋管中心距分别为 0.2m、0.22m，埋管外径为0.08m，内径为0.06m，埋管内的循环水温度为T_f,i＝241℃。

采用上述实施例中提出的技术方案，可以计算出埋管外壁温度以及埋管换热量。循环终止条件即收敛判据为区间长度小于1℃，主要求解过程如下表。

表1求解过程

输出埋管外壁温度为317.5℃，埋管换热量为4.58MW。

Claims (7)

1.一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

针对埋管外侧的高温气粒两相流与内侧的循环水之间的各种传热过程，分别建立传热方程；

根据能量守恒原理建立约束条件；

获取数据，并将获取的数据代入各个传热方程，联立各传热方程求解，得出埋管外壁温度/埋管换热量。

2.根据权利要求1所述的沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法，其特征在于，所述传热过程包括：沸腾层与埋管外壁渣皮的对流换热及辐射换热、埋管外壁渣皮由外向内的导热、埋管外壁向内壁的导热、埋管内壁上水垢由内壁侧向工质侧的导热、循环水的沸腾换热。

3.根据权利要求2所述的沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法，其特征在于，约束条件为：

Q_fs＝Q_s＝Q_p＝Q_w＝Q_b

其中，Q_fs为沸腾层向埋管外壁渣皮的总传热，即埋管换热量；Q_s为埋管外壁渣皮由外向内的导热量；Q_p为埋管外壁向内壁的导热量；Q_w为埋管内壁水垢由管壁侧向工质侧的导热量；Q_b为循环水的沸腾传热量。

4.根据权利要求3所述的沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算方法，其特征在于，采用二分方法，对建立的传热方程进行求解，得到埋管外壁温度和埋管换热量，具体过程如下：

1)根据沸腾层温度及循环水温度，初始化埋管外壁温度区间[T_low，T_high]，其中T_low等于埋管内的循环水温度T_f,i，T_high等于沸腾层温度T_f,o；

2)计算埋管外壁温度区间的中点T_m＝(T_low，T_high)/2；将其作为埋管外壁温度T_p,o当前取值；

3)按照Q_s＝Q_p＝Q_w＝Q_fs计算埋管换热量Q_fs，以及埋管内壁水垢工质侧的温度T_w,i；

4)根据步骤3)得到的埋管内壁水垢工质侧的温度T_w,i代入针对循环水的沸腾换热过程建立的传热方程，计算得到循环水的沸腾传热Q_b；

5)判断是否满足任一循环终止条件，若满足，则结束循环，输出当前的埋管换热量Q_fs；所述循环终止条件包括：①Q_b与Q_fs的差值小于设定值；②埋管外壁温度区间的长度小于设定值；

否则，进入步骤6)；

6)若Q_b<Q_fs，则令T_low＝T_m；否则令T_high＝T_m，并返回2)。

5.一种沸腾焙烧炉埋管外壁温度/换热量计算装置，其特征在于，包括以下模块：

传热方程构建模块，用于针对埋管外侧的高温气粒两相流与内侧的循环水之间的各种传热过程，分别建立传热方程，并根据能量守恒原理建立约束条件；

数据获取模块，用于获取求解模块对传热方程进行求解所需的参数值；

求解模块，用于对传热方程进行求解，得出埋管外壁温度/埋管换热量。

6.一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现如权利要求1～4中任一项所述的方法。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～4中任一项所述的方法。

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