基于旋转窑热回收系统热阻分析的优化设计外文翻译资料

 2022-06-24 11:06

Optimization design based on the thermal resistance analyses of heat recovery systems for rotary kilns

Qian Yin, Wen-Jing Du, Xing-Lin Ji, Lin Cheng uArr;

Institute of Thermal Science and Technology, Shandong University, Jinan 250061, Shandong Province, China

a r t i c l e

i n f o

a b s t r a c t

Article history:

Received 3 June 2016

Revised 18 August 2016

Accepted 23 August 2016 Available online 26 August 2016

Keywords:

Energy conservation

Rotary kiln

Heat recovery system

Thermal resistance

Optimization

Heat loss from the rotary kiln accounts for a certain amount of the total energy input in cement production. In order to reduce the heat loss, a heat recovery system with nine heat recovery exchangers is proposed in this paper. Experimental measurements are carried out to investigate the heat transfer characteristics of each heat recovery exchanger. Then, integration of thermal resistance and fluid flow performance analyses yields the mathematic relations connecting the heat transfer areas and the mass flow rates of heat recovery exchangers to the system requirements. Based on the relations, two optimization problems are formed to deduce the optimization equation groups by the conditional extremum principles. Solving the equation groups gives the optimal arrangement of the structural and operating parameters of the heat recovery exchangers. Finally, the optimization cases of a series-parallel system with practical heat recovery exchangers are studied. The results illustrate that the optimization method based on thermal resistance analyses can obtain the optimal area allocation and mass flow rate distribution of each heat recovery exchanger compared with the traditional method such as the control variate method. The total heat transfer area and power consumption are reduced by 10.8% and 12.1%, respectively.

2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

1. Introduction

Cement production is one of the most energy-intensive sectors in industries. Some conventional plants consume about 3.6–3.8 GJ to

uArr; Corresponding author. produce one ton of cement [1–3]. The energy consumption occurs

E-mail address: cheng@sdu.edu.cn (L. Cheng). mainly in raw mills [4], grate clinker coolers [5], pyroprocessing

http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.08.148 1359-4311/ 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

towers [6] and rotary kilns [7], where about 27% of the total energy input is lost by exhaust gas, cooler and radiation from kiln surfaces [5–7]. Therefore, to achieve the efficient use of energy has become one of the key issues in cement industry.

In order to reduce heat loss in cement plants, some theoretical analyses and practical applications are proposed. Khurana et al. [8] studied the energy balance of a cement plant and proposed a waste heat recovery steam generator system to utilize the exhaust gas. Engin and Ari [5] use the waste heat to preheat the raw material for energy conservation. Madlool et al. [9] summarized some energy saving measures from previous literatures, which include improving grinding media and high efficiency classifier. Engin and Ari [5] proposed an energy analysis method for a cement plant and found that the total energy input was lost mainly through kiln shell and hot flue gas. Although the energy analysis method was used to reduce heat loss, it did not reflect the degradation of energy in the cement production. The energy degradation was assessed through exergy analyses methods [10] for the trass mill [11], the raw mill [4,12] and the pyroprocessing system [6]. Some researchers [2,7] used energy and exergy analyses to investigate the energy consumption and exergy efficiency in practical cement plants, respectively. These studies indicate that the rotary kilns, pyroprocessing towers and raw mills have larger amount of energy and exergy losses than other components. Atmaca and Yumrutas [7] studied a cement plant in Turkey and found that the highest energy and exergy losses occur in the rotary kiln. Therefore, to improve the thermal performance of the rotary kiln could be a potential way for saving the energy consumption. The heat loss from the surface of a kiln accounts for a certain proportion of the total energy input. Atmaca and Yumrutas [13] calculated the heat loss from kiln shell which was 11.3% of the total energy consumption. Some other studies [5,14] also showed that this loss accounted for 5–15%. Therefore, heat recovery from the surfaces of kiln shell could be an effective way for saving the energy consumption.

Nomenclature

A

C0, k0 cp

D

F, F0

f

G

g

H h

K k L

l

m

Nu

P

Q

R

Re

S T u v X

heat transfer area (m2) undetermined coefficient constant pressure specific heat (J/(kgK))

pipe diameter (m) Lagrange function Darcy friction-factor equation group acceleration of gravity (m/s2)

head loss (m)

installation height of the pipelines (m) or the heat transfer coefficient of the tube-side or shell-side

(W/(m2K))

minor loss coefficient

The total heat transfer coefficient (W/(m2K)) characteristic length (m) pipeline length (m) mass flow rate (kg/s) Nusselt number power consumption (W) heat transfer rate (W) entransy dissipation-based thermal resistance (K/W) Reynolds number cross-sectional area of the pipelines (m2) temperature (C)

cold fluid velocity of water tubes (m/s) fluid velocity in pipelines (m/s) variable matrix

x distribution ratio

Subscript

  1. the cross-section area of the water tubes
  2. d

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    基于旋转窑热回收系统热阻分析的优化设计

    1采用热阻分析方法对串联热回收系统进行了分析。

    2在优化模型中考虑了管道压降问题。

    3推导出优化方程组的两个优化问题。

    4对典型的热回收系统进行了分析,优化设计参数

    热回收系统原理图

    摘要

    回转窑的热量损失是水泥生产中总能量投入的一部分。为了减少热损失,本文提出了一种具有9个热回收交换器的热回收系统。对各热回收换热器的传热特性进行了实验测量。然后,将热阻和流体流动性能分析相结合,得出传热面积和热回收交换器的质量流量与系统要求之间的数学关系。在此基础上,根据条件极值原理,建立了两种优化问题的求解方法。求解方程组给出了热回收交换器结构和运行参数的最优配置。最后,研究了具有实用热回收交换器的串联并联系统的优化问题。结果表明,基于热阻分析的优化方法可以得到各换热换热器的最优面积分配和质量流量分配,与传统的控制变量法相比。总传热面积和功耗分别降低10.8%和12.1%。

    介绍

    1水泥生产是工业中能源密集的行业之一。一些传统的植物消耗约3.6-3.8 GJ来生产1吨水泥[1-3]。能量消耗主要发生在粗磨机[4]、格栅熟料冷却器[5]、高温处理。

    命名

    A 传热面积(m)

    C0,K0, 待定系数

    Cp 恒压比热容(J/(Kg*k))

    D 管直径(m)

    F,F 拉格朗日函数

    F 达西摩擦系数

    G 方程组

    g 重力加速度

    H 水头损失

    h 管道安装高度(m)或管侧或壳体的传热系数。

    K 小损失系数

    k 总传热系数

    L 特征长度

    L 管道长度

    m 质量流率

    Nu 努塞尔特数

    P 电力消耗

    Q 传热速率

    R 基于熵耗散的热阻

    Re 雷诺数

    S 管道的横截面积

    T 温度

    U 水管冷流体速度

    V 管道内流体速度

    X 可变矩阵

    x 分配比

    下标

    c 水管的横截面积

    d 动压头

    i 第i个分支或管侧

    in 入口

    i1 第一类热回收交换器在第i个分支

    i2 第二类热回收换热器在第i个分支

    i3 第三类热回收换热器在第i个分支

    O 换热器或壳体的出口

    outi 第i个分支的出口

    s 静压头

    t 总数

    希腊符号

    alpha; 待定指数

    △t 对数平均温差

    delta; 函数允许误差

    lambda; 流体导热系数

    mu; 流体的粘滞性

    rho; 密度

    sigma; 变量允许误差

    Phi; 熵耗散率

    psi; 水泵效率

    拉格朗日乘法

    塔[6]和旋转窑[7],其中约27%的总能量输入是通过废气、冷却器和窑表面的辐射损失[5-7]。因此,实现能源的高效利用已成为水泥行业的关键问题之一。

    为了减少水泥厂的热损失,库拉纳等人提出了一些理论分析和实际应用。对某水泥厂的能量平衡进行了研究,提出了一种余热回收蒸汽发生器系统来利用废气。Engin和Ari [ 5 ]利用余热预热原材料以实现节能。马杜勒等人[ 9 ]总结了以往文献中的一些节能措施,包括改进磨矿介质和高效分级机。Engin和Ari [ 5 ]提出了一种水泥厂的能量分析方法,发现总能量输入主要通过窑壳和热烟气损失。虽然采用能量分析法来减少热损失,但并未反映水泥生产过程中能量的降解情况。通过火用分析方法[ 10]对火山灰磨机[11]、生料磨机[4,12]、高温处理系统[6]的能量退化进行了评估。一些研究人员[ 2,7 ]分别用能量和火用分析方法研究了实际中水泥厂的能耗和火用效率。这些研究表明,回转窑、火处理塔和生料磨比其它部件具有更大的能量和火用损失。Atmaca和Yumrutas [ 7 ]研究了土耳其的一家水泥厂,发现回转窑的能量和火用损失最高。因此,提高回转窑的热工性能是一种潜在的节能途径。窑炉表面的热损失占总能量输入的一定比例,Atmaca和Yumrutas [ 13 ]计算了窑壳的热损失,占总能耗的11.3 %。其他一些研究[ 5,14 ]也表明,这一损失占5 - 15 %。因此,从窑壳表面回收热量是节约能源的有效途径。

    一些研究者已经提出了一些用于回收热损失的热回收装置。wang等人[ 15 ]设计了一个废热回收装置,沿回转窑覆盖。杜和程[16]发明了一种六角六管束换热器,有利于生产。苏格等人[ 17 ]使用热回收装置预热水,节省了燃料消耗。卡普托等人[ 18 ]提出了两种不同的辐射热回收换热器管布置类型,即轴向管布置和弯管布置。分析了结构参数对热回收性能的影响。卡拉马科维克等人[ 14 ] 提出了一种同流换热器,用于预热燃料燃烧的空气。采用这种换热器的装置有效地降低了燃料消耗,投资回收期短。这些讨论的重点是调节热回收装置的操作和结构参数以提高传热速率.。然而,窑壳的热损失应在适当值。尹等人[ 19 ]提出了一个数学模型来分析具有9个热回收交换器的热回收系统所需的传热速率。通过优化实例,对结构参数进行了优化,使传热面积最小化。本文以某水泥厂的并联系统为研究对象。此外,类似的分析方法可以应用于一些其它形式的热回收系统,例如串并联系统。

    有很多合成方法用于优化HEN(热交换器网络),例如,夹点分析[20,21],数学规划方法[22,23]和遗传算法[24]。这些方法设定了各种目标函数,并在具体要求和约束条件下获得了最优解。然而,以前文献中的优化模型是用许多中间参数构成的,例如,压力和对数平均温差。鉴于其局限性,Chen和他的同事[25]提出了一种基于热迁移的热阻(EDTR)方法来优化热电材料。该方法直接推导出需求与设计参数之间的数学关系。他们将这种方法应用于中央冷水机组[26],分布式热网[27]和航天器中的[28]HENs等一些HENs。然后,考虑到流体流动性能,扩展了EDTR方法来优化变水量HEN [29,30]。优化结果还表明,可以优化泵的总功耗以达到最低值。在上述讨论的基础上,建立了文献[ 1 ]中的数学模型[ 19 ],仅分析了热回收交换器中的传热过程并优化了质量流量的布置。优化实例缺少对热回收系统中流体流动的性能分析。然而,对于母鸡的优化设计,换热和流体流动性能将同时影响换热器结构参数和运行参数的选择。

    因此,本文的贡献在于为回转窑余热回收系统提供一种基于热阻分析的优化方法,在不引入任何中间参数的情况下,获得最优设计参数。同时,该方法还考虑了系统的传热和流体流动性能。热回收系统包括九个热回收交换器,它们形成串并联系统。通过实验研究了各换热器的传热特性。在陈和他的同事[ 31提出的热阻分析的基础上,对热回收系统进行了分析,推导出传热过程的数学关系。此外,还根据管道压降特性研究了系统的流体流动特性。建立优化模型,将各换热器的传热面积和质量流量等设计参数与系统要求联系起来。应用拉格朗日乘子法,得到了热回收系统的最优设计参数。最后,进一步讨论了各种设计参数对优化结果的影响。

    2 .热回收系统和热回收交换器的物理模型

    2.1 .热回收系统的物理模型

    图1示出了安装在回转窑上的热回收系统的示意图。在该系统中,来自给水泵的冷水流入每个支路,并从三个热交换器吸收热量,然后流入热电联产系统。该系统包括九个串并联的热回收交换器,形成三个分支: ( 1 )第一个串联分支,包括1号、2号和4号热回收交换器,其中a0a 1、a1a 2、a2a3和a3a4分别表示热回收系统入口与1号热交换器出口、1号和2号热交换器出口、2号和4号热交换器出口以及4号热交换器出口和系统出口之间的管线长度( 2 ) 第二个串联支路包括3号、6号、7号热回收换热器,其中a0b1、b1b2、b2b3、b3b4分别代表3号换热器系统进出口、3号、6号换热器出口、6号、7号换热器出口、7号换热器出口与系统出口之间的管路长度,

    图1 串并联热回收系统示意图

    ( 3 )第三串联支路包括5号、8号、9号热回收换热器,其中a0c 1、c1c 2、C2C 3、c3c 4为系统入口与5号换热器出口、5号和8号换热器出口、8号和9号换热器出口、9号换热器出口和系统出口。

    2.2 .热回收交换器的物理模型

    图2显示了本文研究的热回收交换器的结构,这也适用于参考文献。 [19]。水管分成六部分。收集管用于将一部分水管连接到另一部分水管。每个部分沿回转窑有38个管。通过基于参考文献的实验测量来确定热回收交换器的传热特性。 [19]。实验系统包含九个并联的热交换器。测量入口质量流量,入口温度,壳体温度和出口温度以获得热回收交换器的传热系数。实验设施包含一个UH50量热计和一个阀门。质量流量由阀门调节至表1所示的值。质量流量和流体温度通过量热仪测量,质量流量范围为0.6-60m3 / h,温度范围为5-130℃ ,准确度等级为2.0。几个Testo835T1红外温度计均匀分布在外壳的内侧,以测量热回收交换器的外壳温度。壳温的测量结果是重复实验产生的算术平均值。每个红外测温仪都有一个范围:50至600℃,误差为plusmn;0.5℃。

    1. 回转窑,2.水管,3.外壳,4.收集管道,5.入口,6.出口

    图2热回收交换器的结构图[19]。

    测量结果包括第i个热回收交换器的质量流量mi,入口温度Tin,出口温度Touti和外壳温度Ti。 热回收交换器Ai的总传热面积为56.24平方米。 传热率Qi可以表示为[19]

    (1)

    (2)

    其中是比热容,ki是ith热回收交换器的传热系数,表示为

    (3)

    将测量数据代入方程。( 1 ) - ( 3 )给出每个热回收交换器的传热系数。通过忽略热传导电阻,努塞尔数可以表示为[ 32 ]

    表1
    实验测量中的质量流量。

    案例编号

    质量流率(m3/h)

    案例编号

    质量流率 (m3/h)

    1

    1.1

    6

    5.0

    2

    1.5

    7

    6.2

    3

    2.1

    8

    7.0

    4

    3.0

    9

    8.3

    5

    4.7

    10

    9.0

    (4)

    其中Li、ki和Rei分别为特征长度、流体热导率和雷诺数,a为待定指数。所以有[ 33 ]

    (5)

    其中h1是管侧的传热系数。因为壳侧ho的传热系数由辐射传热决定,并且由于某些结构细节和几何形状而为常数。热回收交换器ki的总传热系数可以表示为[ 32 ]

    (6)

    其中C0是待定系数。Re与水管u的冷流体速度成正比。如果给定了垂直于流动方向Ac的冷流体的横截面积,则存在[ 32 ]

    (7

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