固定床射流角度影響因素的研究

篦冷機的運行中，存在回收二、三次風溫低，熟料冷卻效果差等問題，導致生產(chǎn)能耗居高不下并對熟料質(zhì)量產(chǎn)生負面影響。這些問題主要是由于冷卻空氣在熟料層內(nèi)流動時存在分布不均勻，從而產(chǎn)生風短路現(xiàn)象。在熱交換效率高的篦冷機中，回收的二、三次風溫度可達1?200℃、1?050℃。研究表明，二次風量0.32Nm3/kg.cl，溫度由1?050℃升至1?150℃，熱量回收增加1.7kgce/t.cl；三次風量0.48Nm3/kg.cl，溫度由950℃升至1?050℃，熱量回收增加2.5kgce/t.cl。因此，研究熟料層的氣流分布對降低水泥生產(chǎn)能耗和減少碳排放具有重要的現(xiàn)實意義。在篦冷機內(nèi)，熟料被周期性地推動，空氣穿過料層進行熱交換。在此過程中，穿過熟料的氣流表觀速度較低，可近似為固定床進行研究。當達到顆粒極限流化速度后，熟料被氣流夾帶走。實際上，出窯熟料的粒徑大小不一，在篦冷機內(nèi)分布不均，從而使氣體流動產(chǎn)生流速差異，引發(fā)局部射流現(xiàn)象，導致氣體擴散受到限制，嚴重阻礙熱量傳遞過程。這種復雜的運動過程對熟料的熱交換和冷卻效果具有重要影響，因此，對冷卻空氣在熟料層內(nèi)的射流進行研究至關重要。固定床中氣體射流的研究是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，因為湍流區(qū)域被致密的固體包圍。眾多學者已經(jīng)通過各類探頭研究了流體進入流化床的分布情況，M.Rüdisüli展示和討論了光學探針在測量流化床中流場的適用性。Federica研究了噴嘴幾何形狀對射流和氣固流化床的影響。JikaiH采用電容探針方法研究了噴射流化床中氣流的詳細性質(zhì)。然而，對于篦冷機料層這種特殊的固定床內(nèi)射流分布，國內(nèi)的研究相對較少。因此，本文針對具有單個中心射流的固定床進行了試驗研究。采用自制的壓力探針獲取了固定床內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，并與空氣射流進行對比，定義了固定床內(nèi)射流的邊界。研究內(nèi)容包括通孔速度、顆粒粒徑以及通孔形狀對射流角度的影響。這些試驗研究有助于深入了解篦冷機料層中的氣流分布情況，進一步提高篦冷機的熱交換效率，降低能耗和碳排放。

1、試驗設置1.1試驗裝置圖1是本研究中使用的具有單個中心射流的固定床射流試驗系統(tǒng)的示意圖。固定床是規(guī)格0.14m×0.14m，高度0.5m的有機玻璃柱。在試驗中，床層高度0.2m，三種粒徑組合的水泥熟料被放置在兩個相同開孔面積、形狀不同的孔板上用作固定床的固體，材料特性見表1。噴射氣體由能夠輸出0~145m3/h流量的變頻風機提供，通過孔板中心的孔口進入固定床，在風機出口管道使用皮托管測量通過氣體的流量。壓力探針安裝在測試區(qū)域周圍，側(cè)面穿透入料層中，采集料層截面壓力。圖1具有單個中心射流的固定床射流試驗系統(tǒng)表1熟料的材料特性注：數(shù)據(jù)測量方法參照GB/T14685—2022《建筑用卵石、碎石》。1.2壓力采集壓力采集系統(tǒng)用于采集料層內(nèi)的壓力，如圖2所示。該系統(tǒng)由壓力探針、壓力傳感器、A/D信號轉(zhuǎn)換器和計算機四個組件組成，5個直徑5mm的壓力探針連接MPXV7002DP壓差傳感器用于采集固定床的截面壓力；壓力傳感器量程為±2?000Pa，精度為0.2%，采集數(shù)據(jù)點分布如圖3所示；A/D信號轉(zhuǎn)換器將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；計算機用于儲存和分析數(shù)據(jù)。Maurer等人2015年進行了一項試驗研究，以兩個外徑為5mm的光學傳感器尖端水平安裝，垂直相距1cm，在內(nèi)徑為14cm的冒泡流化床反應器中進行試驗，結果表明，氣流運動幾乎不受光學探針的影響。圖2壓力采集系統(tǒng)

2、試驗數(shù)據(jù)與結果分析垂直射流是使氣體通過軸對稱床孔板中位于中心的孔口產(chǎn)生的，射流在橫向脈動時，與周圍的介質(zhì)進行能量交換，使得周圍介質(zhì)卷進流場，導致流場斷面面積不斷增加，形成錐體形狀的射流場。圖3截面壓力采集點2.1射流角度的計算圖4是床層中的射流，床層中的射流包括兩個區(qū)域：內(nèi)部稀薄核心和外部邊界區(qū)域，其中外部邊界區(qū)域固體濃度與床層致密相中的固體濃度相似。在J.A.S.Cleaver的研究中，這個邊界層的厚度可以高達總射流寬度的30%。圖4床層中的射流示意射流外邊界呈直線擴散，直線與出風口中心軸線的夾角θ稱為極角，即射流角度θ。對于空氣射流，從射流場的幾何結構上有：式中：K——試驗系數(shù)，圓斷面K=3.4，條縫送風口K=2.44；a——紊流系數(shù)，由試驗決定，是射流的特征系數(shù)。在試驗中選取壓力等于截面平均壓力時為射流邊界，將試驗采集的數(shù)據(jù)處理后繪制成等高線圖，根據(jù)值為平均壓力的等高線參數(shù)得到射流邊界的坐標，即可得到射流的有效半徑，射流角度與射流有效半徑公式為：式中：Rh——距離管嘴高度h時的射流有效半徑，m；R0——孔板開孔半徑，m；h——射流至管嘴出口的距離，m。2.2通孔速度對射流角度的影響利用試驗裝置，選取孔板中心開孔孔徑Φ25mm以及條縫為5mm×98mm的孔板分別插入管道，開啟風機使通孔風速達到10m/s防止漏料，管道中填充粒徑4.75~9.5mm顆粒，調(diào)節(jié)風機頻率，改變通孔風速（28、32、36、40、44、48、52、56、60m/s）進行試驗。得到18組試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（2）計算出不同通孔風速的射流角度，計算結果見圖5。由圖5看出，通孔風速與射流角度呈負相關關系，隨著通孔風速的增大，射流角度減小。在相同的風速與通風面積情況下，通孔風速小于44m/s時，圓孔的射流角度大于條縫的射流角度，之后在達到60m/s前條縫射流角度則大于圓孔的射流角度。圖5通孔風速對射流角度的影響2.3粒徑對射流角度的影響試驗中選取孔徑Φ25mm的孔板插入管道，將3種不同粒徑范圍的熟料顆粒依次填充在管道中，使其緊密填充，調(diào)節(jié)風機頻率，將過孔風速控制在40m/s，測得各組壓力數(shù)據(jù)，圖6為4.75~9.5mm粒徑壓力數(shù)據(jù)處理后繪制成的等高線圖。從圖6可以看出氣流從小孔中流出后，擴散的面積隨著高度增加而增大。高度15cm時，截面面積略小于高度在10cm時，考慮為氣流擴散面積較大，射流邊界與管道邊壁接觸，邊壁效應加深，導致中心的流量略減少，射流面積減小。提取等高線的參數(shù)得到各個高度擴散面的坐標，繪出實際測量的擴散邊界如圖7所示，可以看出射流截面在5cm高度前分布較為均勻，在5~10cm高度內(nèi)運動時，擴散半徑明顯減小，在10~15cm時，擴散半徑基本不變，＜4.75mm的顆粒有減小趨勢。分析其原因是射流中的總動量由兩部分組成，氣芯區(qū)域的動量和固體邊界層中的動量，兩個部分的總和等于噴嘴處的原始氣體射流動量。垂直射流向上運動時，氣芯區(qū)域的動量不斷橫向傳遞給固體邊界層，在達到平衡時，不再向固體邊界層傳遞，而由于邊壁效應存在，顆粒與邊壁的間隙大于顆粒間的孔隙，此時，氣流更趨于向邊壁流動，致使中心區(qū)域速度減小，動量減小。圖64.75~9.5mm粒徑壓力分布圖7不同粒徑的擴散邊界

通過求出相應高度的等效擴散半徑Rh，即可得出不同高度射流角度隨粒徑的變化，如圖8所示。在不同高度都具有相同的規(guī)律，即隨著粒徑的增大，射流角度也增大。圖8粒徑對射流角度的影響2.4回歸方程的建立為了簡化對射流運動特性的研究，假設射流從孔口流出后，屬于紊流流動，且在孔口斷面的速度分布保持均勻一致。根據(jù)試驗得出的射流角度，計算出各個截面的平均速度，即可根據(jù)阿勃拉莫維奇公式求出各組試驗的紊流系數(shù)，計算公式如下：式中：d0——孔口直徑，m；v0——孔口初始速度，m/s；vh——距離孔口h的射流截面速度，m/s。計算得到的數(shù)據(jù)如表2所示。表2紊流系數(shù)計算數(shù)據(jù)基于表2數(shù)據(jù)，繪制了tgθ與紊流系數(shù)a之間的關系圖，對紊流系數(shù)與tgθ的散點圖進行相關分析，如圖9和圖10所示。使用最小二乘法得到圓孔紊流系數(shù)與tgθ之間的回歸方程為tgθ=0.651?589a，條縫紊流系數(shù)與tgθ之間的回歸方程tgθ=0.677?928a。圖9圓孔紊流系數(shù)與tgθ的關系圖10條縫紊流系數(shù)與tgθ的關系

3、結論通過對射流從不同孔板射入熟料后的特性研究，得出了如下結論：（1）氣流通過孔板射入熟料后，擴散面積隨著高度不斷增加。對于不同粒徑的料床，氣流在料床內(nèi)的射流角度隨著熟料粒徑的增大而增大；對于同一粒徑組成的料床，射流角度與風速整體呈負相關關系；在低通孔風速下，通過條縫氣流的射流角度略小于通過圓孔氣流的射流角度。（2）通過實測數(shù)據(jù)計算得出的紊流系數(shù)和射流角度，擬合得出了射流角與紊流系數(shù)之間的試驗系數(shù)，圓孔送風口系數(shù)為0.65、條縫送風口系數(shù)為0.68。結合射流經(jīng)驗公式，得出了氣流通過孔板后任意截面的速度和流量與通孔孔徑之間的函數(shù)關系。針對射流從不同孔板射入熟料后的特性研究，對設計及改造篦