高溫水泥熟料筒倉進行熱分析溫度折減探究

許 志 爭

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢　430070)

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高溫水泥熟料筒倉進行熱分析溫度折減探究

許 志 爭

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430070)

以某水泥熟料筒倉為例，對倉壁穩(wěn)態(tài)傳熱和倉頂散熱兩種溫度傳遞過程進行了研究探討，在現(xiàn)有算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元的計算結(jié)果，提出了一種可行的溫度折減解決方案，確保筒倉設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性。

筒倉，熱傳遞，溫度差，溫度折減

0　引言

筒倉是非常重要的一種建筑形式，近些年隨著我國工業(yè)和農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，對于筒倉的需求越來越大。早期的筒倉研究主要集中在筒倉的靜力荷載分析上。但是隨著研究的深入，我們發(fā)現(xiàn)一些用來儲存高溫貯料的筒倉其溫度荷載對倉壁應(yīng)力的影響是不可忽視的。很多相關(guān)的文獻[1-3]運用了各種數(shù)值模擬的方法對高溫貯料筒倉進行了考慮溫度荷載的研究，但是都沒有一個相對準確的計算方法提出如何計算和估量貯料的溫度值對倉壁的影響。

本文以一個水泥熟料筒倉為例進行分析，筒倉高度H=40 m，內(nèi)徑R=5.9 m,壁厚δ=0.3 m，倉壁采用C35混凝土，倉頂采用3 mm厚壓型鋼板，日產(chǎn)量3 000 t。筒倉用于熱分析計算的其他參數(shù)見表1。

表1　筒倉用于熱分析計算的參數(shù)

水泥熟料是一種高溫散料(根據(jù)工程人員現(xiàn)場檢測，由于實際中筒倉在一個高效率運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，貯料溫度高達200 ℃～300 ℃)。從進入筒倉到堆積在筒倉的整個過程中，熟料與倉壁之間的熱傳遞過程包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。實際上整個熱交換過程是發(fā)生了兩階段的熱交換，首先當(dāng)水泥熟料以一定速率落入筒倉的時候，散料與倉內(nèi)溫度相對低的空氣發(fā)生了對流傳熱，這部分先落入的水泥熟料溫度發(fā)生一定降低之后在筒倉下層堆積，堆積的貯料與倉壁之間會發(fā)生一定程度穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)。

1　只考慮倉壁穩(wěn)態(tài)傳熱

在上面分析過，實際上筒倉在這個運轉(zhuǎn)過程中，高溫貯料的熱交換過程是熱對流、熱輻射和熱傳導(dǎo)兼而有之，由于倉頂面積有限并且在實際運轉(zhuǎn)中下料的速度非?？?，我們把熟料與倉壁發(fā)生的穩(wěn)態(tài)傳熱過程當(dāng)作主要的熱傳遞，采用文獻[4]介紹的方法，貯料滿倉時取厚度與倉壁相等的貯料作為隔熱層，計算簡圖如圖1所示。

總熱阻：

R=1/he+1/hi+δ/λk+δ/λc

(1)

熱通量：

q=(ty-tk)/R

(2)

倉內(nèi)到隔熱層內(nèi)表面溫度差：

ty-t1=q·(1/hi)

(3)

隔熱層內(nèi)外溫度差：

t1-t2=q·(δ/λk)

(4)

倉壁內(nèi)外溫度差：

t2-t3=q·(δ/λc)

(5)

聯(lián)立式(1)，式(2)得出熱通量q的值，依次根據(jù)式(3)～式(5)求得t1=242 ℃，t2=39 ℃，t3=5 ℃，則倉壁內(nèi)外溫差Δt=t2-t3=34 ℃。

2　只考慮倉頂散熱

熟料的下落是一個緩慢的過程，可以認為主要的溫度在熟料下落的過程中已經(jīng)與倉內(nèi)的空氣發(fā)生交換，因此在落入倉底堆積后我們認為之后熟料與倉壁的穩(wěn)態(tài)熱交換過程可以忽略不計。設(shè)滿倉時，倉內(nèi)空氣溫度為tg，不考慮倉底死料的影響，仍然對上例工程進行計算:

倉頂面積：

A=πR2/cosβ=171 m2

(6)

屋面鋼板熱阻非常小可忽略不計，則倉頂傳熱系數(shù)：

k1=1/(1/hi+1/he)=5.83 J/(m2·s·K)

(7)

因為只考慮倉頂散熱，則當(dāng)系統(tǒng)達到熱平衡狀態(tài)時，倉頂散發(fā)的熱量與水泥熟料散發(fā)的熱量滿足：

CG(ty-tg)=kA(tg-tk)

(8)

其中，G為倉頂?shù)南铝狭浚鶕?jù)該筒倉的產(chǎn)量可以計算：

G=(3 000×1 000)÷(24×3 600)=34.7 kg/s。

聯(lián)立式(6)～式(8)可得tg=241 ℃。

倉壁熱流通量：

q′=(tg-tk)/(1/he+1/hi+δ/λk+δ/λc)

(9)

與倉內(nèi)空氣和內(nèi)壁的溫度差：

tg-t2=q·(δ/λk)

(10)

倉壁內(nèi)外溫度差同樣滿足公式要求。

由式(9)求得倉壁熱通量q′，然后分別由式(9)，式(5)求得t2=45 ℃，t3=12 ℃，則倉壁內(nèi)外溫差Δt=t2-t3=33 ℃。

可以看到方法1和方法2的內(nèi)外壁溫差的計算結(jié)果是基本吻合的，區(qū)別就在于內(nèi)外壁實際維持的溫度有所區(qū)別。

3　ANSYS有限元傳熱分析

實際中在應(yīng)用ANSYS進行有限元分析時，不可能同時考慮到以上兩種溫度傳遞的過程。因此在進行有限元分析時有必要對溫差進行一個事先的近似計算分析。忽略倉頂傳熱的部分，以貯料堆積后與倉壁的穩(wěn)態(tài)傳熱為主。首先根據(jù)《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范》[5]計算筒倉的貯料荷載作用，考慮貯料給倉壁的水平壓力和豎向摩擦力，建立有限元模型，見圖2，然后不考慮貯料荷載溫度，使用Solid70單元進行穩(wěn)態(tài)傳熱分析，熱分析后得到倉壁節(jié)點溫度，重新進入前處理，轉(zhuǎn)化單元類型并做其他調(diào)整，讀入熱分析的*.th結(jié)果文件完成熱—結(jié)構(gòu)耦合分析。

當(dāng)直接用貯料的初始溫度(250 ℃)進行熱—結(jié)構(gòu)耦合迭代計算發(fā)現(xiàn)，筒倉已經(jīng)發(fā)生破壞。這說明實際中料體對倉壁的傳熱溫度并沒有達到這么高，否則筒倉根本無法維持正常運轉(zhuǎn)。因此進行有限元分析時，并不能直接使用貯料的入倉溫度，而是需要進行一個折減考慮。

在進行筒倉設(shè)計時我們對溫度的考慮應(yīng)該是從應(yīng)力和應(yīng)變的角度去考慮的。其中環(huán)向應(yīng)力對環(huán)向配筋和筒倉主要開展的豎向裂縫影響很大。這里分別取60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃，100 ℃五種貯料溫度進行耦合計算，此時其對倉壁應(yīng)力的影響峰值約為不考慮溫度荷載的2倍～3倍(見表2)。

表2　各溫度下倉壁環(huán)向應(yīng)力最大值

符合文獻[1]的計算結(jié)果。此時有限元分析的結(jié)果也表明倉壁沒有出現(xiàn)0.200 mm的裂縫，也沒有發(fā)生強度上的破壞?？梢园l(fā)現(xiàn)內(nèi)壁基本屬于受壓狀態(tài)，外壁屬于受拉狀態(tài)，隨著溫度的增加環(huán)向壓力或者環(huán)向拉力都變大，如圖3，圖4所示。

根據(jù)以上的分析結(jié)果，本筒倉進行有限熱點分析建議采用溫度折減的方法進行，可取熟料溫度60 ℃進行，此時t2=49.7 ℃，t3=9.4 ℃,Δt=t2-t3=40.3 ℃,見圖5。

4　結(jié)語

對于存放高溫貯料的鋼筋混凝土筒倉而言，溫度荷載對于倉壁的內(nèi)力影響是不可忽略的，這將直接影響到筒倉設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性。本文通過分析后得出以下結(jié)論：

1)貯料在進入筒倉到堆積的過程中，熱交換的過程是比較復(fù)雜的，如何衡量溫度的折減要考慮多方面因素，考慮過度可能得到與實際不相符合的結(jié)論，考慮不足又將直接影響到筒倉的安全性。2)本例中的筒倉在對比有限元分析和手算的結(jié)果之后建議使用60 ℃～80 ℃的貯料溫度進行計算，此時有限元分析與熱分析的結(jié)果吻合。3)高溫貯料筒倉設(shè)計時應(yīng)該充分考慮高溫環(huán)境這一要素，在條件允許的情況下盡量選用高溫耐久性材料，如倉壁混凝土選用玄武巖耐熱混凝土。

[1]郭洪盛.溫度作用下大直徑水泥熟料筒倉有限元分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2012.

[2]孫巍巍,孟少平,欒文彬.大直徑混凝土筒倉溫度應(yīng)力研究[J].工程力學(xué),2011(7):91-97.

[3]王瑞.大型貯煤筒倉在考慮溫度應(yīng)力影響下的優(yōu)化設(shè)計方案[D].武漢：武漢科技大學(xué),2009.

[4]曲軍彪.港口直徑40 m混凝土儲煤筒倉溫度應(yīng)力分析[J].水運工程,2014(7):58-63.

[5]GB 50077—2003，鋼筋混凝土筒倉設(shè)計規(guī)范[S].

On thermal analysis of temperature derating at high-temperatuer cement clinker silo

Xu Zhizheng

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Taking some cement clinker silo as the example, the paper researches the temperature transmission process of the silo steady-state heat transfer and silo top heat dissipation, and puts forward the feasible the temperature derating solution by combining with the calculation results of the finite element based on the current calculation method, so as to ensure the safety and money-saving of the silo design.

silo, heat transmission, temperature difference, temperature derating

1009-6825(2016)08-0049-02

2016-01-05

許志爭(1992- )，男，在讀碩士

TU318

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