一种自控式流量调节装置的研究

闻 岩 刘 彬 李 娜

燕山大学,秦皇岛,066004

一种自控式流量调节装置的研究

闻 岩 刘 彬 李 娜

燕山大学,秦皇岛,066004

为补偿由于熟料厚度变化而引起的篦冷机床面冷却风量分布不均,基于流体力学圆柱坐标系下的连续方程,建立了水泥熟料蓖冷机冷却气体流量调节器的模型,并给出了分析方法及设计计算公式。以变刚度片弹簧为控制元件,设计了一种新型机械自控式流量调节器。实验表明,利用所设计的机械流量调节器可以实现每个篦元上空气流量的自适应调节,达到均化冷却风量分布的目的。

篦冷机;流量调节;自适应;片簧

0 引言

蓖冷机完成旋窑煅烧后高温熟料的冷却和热能回收任务,它是水泥生产线上节能降耗的关键设备[1-2]。提高该设备的性能,可以进一步提高热能回收率,降低能耗,同时减少废气的排放,减少污染。FL.Sm idth公司的SF Cross-Bar篦冷机采用蓖元方式供风,在每个蓖元下装有空气流量调节器[3],较大地改善了熟料均衡冷却问题,它可以随蓖板上料层的厚度变化自动调节送风量,Brugan等[4]应用流体力学的能量方程,给出了上述空气流量调节器的工作原理,但其描述方程中的流体能量损失系数需要根据不同的结构尺寸参数通过实验而获得。因此,有必要进一步对流量调节器的理论进行探讨,开发出新型结构的流量调节器。本文以流体力学的连续性方程为基础,建立了新的流量调节器的模型,并给出了分析设计方法,新方法省去了实验系数测定的过程,设计了一种新型的机械流量调节器。

1 篦冷机的工作原理

篦冷机工作原理如图1所示,由回转窑卸出的大约1450℃的热熟料进入冷却机后,在推动机构驱动下流向出口,熟料在此过程中,由篦床下的风室吹入的冷风进行冷却。

在风室1～6上面,纵横密布着矩形蓖元,每个蓖元下装有一个流量调节器,每个流量调节器可以根据物料的厚度变化自动调节通过该蓖元的冷却空气流量。

图1 篦冷机工作原理

2 圆板式流量调节器结构及工作原理

新型蓖元及其流量调节器结构如图2所示,为简化结构,本调节器与蓖元形成一个整体结构,调节器由圆板、片弹簧和靠板三部分组成。在水泥熟料的移动过程中,某一蓖元上熟料层的厚度或粒度时刻会发生变化,这些变化将引起流阻发生变化。平板式流量调节器的作用就是根据熟料的变化,自动调节其流阻,以达到风室和冷却机腔体之间流阻力不变的目的,进而使通过蓖元的冷却气体流量恒定。

图2 蓖元及流量调节器结构图

由于熟料表面处的压力p2(即冷却机腔体内的压力)和风室内的压力p0分别由不同风机控制而保持不变,因此,当料变细变厚时,料阻增加,蓖元下部冷却空气入口处的压力p1和风室压力p0之间的压差Δp=p0-p1减小,则流量调节器圆板在片簧回复力作用下,向下移动,由此增大了圆板与蓖元之间的间隙δ,即增大通风面积,从而保证提供足够的冷却风量。同理,当料变粗变薄时,流量调节器圆板向上移动,减小通风面积,保证提供一定的冷却风。按照冷却机的一般工艺要求,处于不同位置蓖元处的冷却气体流量qV具有不同的固定值,为保证这个流量值不随料阻变化而变化,关键就是找出压差Δp与间隙δ的关系,设计出符合要求的变刚度片簧,以控制圆板与蓖元之间的间隙δ。

3 圆板式流量调节器模型

3.1 压差Δp与间隙δ的关系

考虑到蓖元空气入口和浮动圆板的形状皆为圆形,宜采用图3所示的圆柱坐标进行推导。

根据实际工艺需求,冷却机腔体内的压力p2和风室内压力p0之间的差值不会大于0.004MPa,所以空气密度变化不大。为了简化计算,将其视为不可压缩流体进行计算,同时忽略气体的质量力。

图3 圆柱坐标系

由文献[5]知,圆柱坐标系下流体分量形式的运动方程为

由式(7)可以看出,为保证qm不变,当 Δp变化时,可通过调整间隙δ达到新的平衡状态。

3.2 压力p在圆板与蓖元间的分布函数

式(9)即为压力p在圆板与蓖元间的分布函数。

3.3 圆板的受力分析

图4为圆板的受力简图,圆板与蓖元间隙处的分布压力的合力为

图4 圆板受力图

图4中,Fp为板间分布压力的合力;Fp0为风室内压力的合力;Fp1为蓖元入口压力的合力;F为片弹簧回复力;f为圆板的位移;δ0为圆板与蓖元之间的初始间隙。

此式即为圆板与蓖元间间隙为δ时所需的片簧回复力。

3.4 弹簧所需的刚度及靠板曲线方程

在图4中δ=δ0-f,代入式(16)得

式中,E为弹簧的弹性模量;I为弹簧的惯性矩;μ为弹簧的泊松比;l为片弹簧的长度。

图5 片弹簧靠板曲线

按工作要求给定流量qm,并且按照蓖元尺寸设计出片簧的材料尺寸以及板孔直径后,式(21)可转化为带有常数 A、l和δ0的一个二阶微分方程:

利用数值方法解式(22),可得出靠板的曲线。

4 算例及实验

某蓖冷机蓖床面要求的流量 qm为 0.9 kg/(m2◦s),蓖元的尺寸为300mm ×300mm,冷却空气的密度ρ为1.29kg/m3。

根据蓖元的尺寸设计的蓖元孔半径r1为50mm,圆板的半径r2为100mm,圆板与蓖板初始间距δ0为10mm 。片簧的长度L为120mm,截面的宽度b为 15mm,高度 h为 5mm,弹性模量 E为120GPa,泊松比 μ为0.2。

将上述设计结构参数代入式(22),利用MA TLAB计算软件对方程进行求解,得出片簧靠板的求解曲线如图6所示。

图6 片簧靠板计算曲线

采用按照图6靠板曲线加工出的靠板轮廓,即可满足保持所要求调节器流量恒定的片簧刚度。

为验证以上方法的正确性,笔者设计制造出了一台“双层三风室双通道流量调节实验台”,如图7所示。实验台下风室上部开出两个通道,气体由下风室鼓风到上风室,每个通道中安装一个气体流量调节器。下风室用风机供给冷却空气,上风室的两个通道上部各安装一个流阻变化器以模拟现场的料厚变化。

图7 双层三风室双通道流量调节实验台

右侧通道上放置按本文设计的流量调节器,左侧通道空置。分别调整两个水泥熟料流阻模拟器的开度,将左风道调整约三分之一开度,右风道调整到二分之一开度位置后启动实验台。

调整实验台入风阀门开度,直到入风流量表显示达到待实验流量调节器的设计流量的2～3倍为止。待实验台初始化稳定后,取右风道流阻器不同开度,分别记录各个压力表和流量表的参数。实验数据见表1,表1中料阻模拟器开度为0时为全开状态,5为全闭状态;实验过程中左风道料阻模拟器开度不变。

图8所示为依据实验数据绘制的流量调节器在不同料阻下的流量变化曲线。

表1 流量调节器实验数据

图8 实验曲线

由图8实验曲线可以看出,当模拟料阻开度变化即熟料阻力变化时,本文流量调节器可以自动调节本身流阻以保证气体通过流量基本稳定。

5 结论

针对篦冷机内高温熟料厚度多变、料阻复杂的情况,以流体力学的连续方程为基础,给出了流量调节器的分析方法及设计计算公式,同时以变刚度片弹簧为自动控制元件,设计了一种新型的自适应式机械流量调节器。实验表明,新型调节器的原理和实现是可行的,可以取代原有机械流量调节器,并且相比原有产品具有无机械磨损和设计加工简单的优点。

[1] 崔源声.中国水泥工业可持续发展研究[J].中国水泥,2002,6(11):15-17.

[2] 刘彬,郝晓辰.篦冷机熟料多通道冷却气固热交换模型研究[J].硅酸盐通报,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.流体力学[M].北京:高等教育出版社,2000.

[6] 张英会.弹簧[M].北京:机械工业出版社,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

国家自然科学基金资助项目(51076135)

(编辑 何成根)

闻 岩,男,1963年生。燕山大学机械工程学院副教授。主要研究方向为机械设计理论及水泥机械。获省级科技进步三等奖1项。发表论文30余篇。刘 彬,男,1953年生。燕山大学电气工程学院教授、博士研究生导师。李 娜,女,1982年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。