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余热利用集热器性能分析与优化设计

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摘要

符号说明

1.1 引言

1.2 国外回转窑余热回收装置

1.2.1 对流式余热回收装置

1.2.2 辐射式余热回收装置

1.3 国内回转窑余热回收装置

1.3.1 半封闭式余热回收装置

1.3.2 全封闭式余热回收装置

1.4 余热回收装置的实验研究

1.5 辐射与对流耦合换热研究

1.6 本文主要研究内容

第2章 集热器性能理论计算与结果分析

2.1 集热器结构简介

2.2 理论计算的公式选择

2.3 理论计算结果及分析

2.3.1 理论计算准确性验证

2.3.2 入口空气温度影响

2.3.3 入口空气速度影响

2.4 本章小结

第3章 集热器性能数值模拟方法

3.1 引言

3.2 集热器模型

3.3 数值模拟参数选择

3.3.1 控制方程

3.3.2 传热模型

3.3.3 湍流模型

3.3.4 基本假设与边界条件

3.3.5 求解器设置

3.3.6 网格独立性验证

3.3.7 数值模拟准确性验证

3.4 本章小结

第4章 集热器性能数值模拟结果及分析

4.1 引言

4.2 发射率的影响

4.3 空气流速的影响

4.4 水流量与窑体温度的影响

4.5 空气流动特性

4.6 本章小结

第5章 集热器优化设计

5.1 引言

5.2 单目标优化设计

5.2.1 优化目标和参数

5.2.2 优化方法

5.2.3 优化结果

5.3 多目标优化设计

5.3.1 方法简介

5.3.2 设计变量、目标函数和约束条件

5.3.3 优化结果

5.4 设计方法

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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摘要

回转窑是广泛应用在新型干法水泥生产中的重要设备之一。通常其内部温度保持在1300℃左右,外表面温度约为100℃-450℃,集中分布在280℃-350℃。为防止回转窑表面超温,传统做法是设置冷却风机,降低表面温度。回转窑的高温表面热量具有较高的利用价值,传统降温方式造成了能源的较大浪费。本文以回转窑外表面余热回收用集热器为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,研究了相关运行参数对集热器余热回收特性的影响,并对其结构参数进行了设计。主要研究工作如下:
  1、理论分析了集热器运行参数对于熵增、(炽)耗散和有效度的影响。分析集热器中传热和流动过程,建立数学方程,使用Matlab软件编程、求解。选择集热器运行实验中的四个不同工况,将实验值与计算值比较,误差在允许范围内,验证了理论计算的准确性。在维持工质流量、入口水温、发射率、角系数等参数不变的前提下,改变窑体表面温度、入口空气温度和入口空气速度,模拟不同季节的120种运行工况,分析并总结了熵增、(炽)耗散和有效度的变化规律,为工程实际中选择集热器运行参数提供了参考。
  2、使用数值模拟的方法,探究了不同运行参数对集热器运行效果的影响。使用Pro/E软件建立了集热器的物理模型,选择数值模拟的控制方程、传热模型和湍流模型,设定求解器参数,进行求解。选取了集热器各壁面表面发射率、空气流速、工质流量和窑体外表面温度为变量,模拟不同工况下的集热器的出口水温、空气温度,研究不同变量对于集热器运行性能的影响。
  3、基于理论分析和数值模拟结果,使用单目标优化和多目标优化方法对集热器结构参数进行优化。使用最小面积法、最小熵产法和(炽)耗散极值原理进行单目标优化设计。最小面积法优化后,换热面积减小了33.82%;最小熵产法优化后,熵增减小了3.6%;(炽)耗散极值原理优化后,阻力下降了16.36%,优化效果明显。多目标函数优化设计中,选择面积和(熘)耗散作为目标函数,使用遗传算法得到了Pareto前沿,并进行分析。结果表明,多目标优化设计兼顾了集热器的经济性和运行中的传热性能,并总结了集热器结构设计的一般方法。

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