專利名稱：一種強化對流換熱過程的熱態(tài)顆粒物料冷卻方法及冷卻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諸如水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)窯爐設(shè)備所生產(chǎn)的熱態(tài)熟料顆粒物料的冷卻方法及冷卻器，通過使用該冷卻器可以使熱態(tài)顆粒物料在基于對流換熱的過程中，強化對流換熱過程的效果，達到高效冷卻熱態(tài)顆粒物料的目的，從而可以減少熱量及電能損失，本方法及冷卻器可廣泛適用于建材、化工、冶金等行業(yè)，例如用于水泥生產(chǎn)中的高溫熟料顆粒冷卻，是屬于高效節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在諸如水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)窯爐設(shè)備生產(chǎn)運行時，常以對流換熱的方式來利用冷卻空氣對熱態(tài)顆粒物料進行冷卻，在冷卻過程中，當(dāng)熱態(tài)顆粒物料由回轉(zhuǎn)窯進入冷卻機時，由于重力作用及機械旋轉(zhuǎn)運動使顆粒在篦床上的粒度分布和顆粒層厚度都不可能很均勻，粒度的不均也導(dǎo)致了料層阻力的差異，相應(yīng)目前采用先進技術(shù)的冷卻換熱方法基本是依靠篦床下的空氣流量自動調(diào)節(jié)閥被動的適應(yīng)料層阻力的變化，料層顆粒粒度及阻力不均的狀況仍然客觀存在，冷卻空氣在整個篦床上達不到均布的效果，換熱效率的提高有限。同時，目前冷卻機中熱態(tài)顆粒物料的運動基本上是隨篦床的前后推動而單一的近似直線運動，并未存在強制提高其換熱效率的有效手段和方法，因此其換熱效率也難達到預(yù)期的效果。由于對流換熱是流體流經(jīng)固體時流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，是在流體流動進程中發(fā)生的熱量傳遞，它是依靠流體質(zhì)點的移動進行熱量傳遞的，與流體的流動情況密切相關(guān)。流體流動狀態(tài)在其他條件一定時，紊流換熱強度較層流強烈，同時，換熱表面的幾何因素，例如換熱表面的形狀、大小、狀態(tài)、幾何布置等因素都影響換熱效率。在不同的情況下，換熱強度會發(fā)生明顯的變化，所以對流換熱是一個受許多因素影響且其強度變化幅度又很大的復(fù)雜過程。而熱態(tài)顆粒物料的流動性較差，因此為了進一步提高熱態(tài)顆粒物料的冷卻效果， 高效合理地進行氣與物料之間的氣固熱交換，減少冷卻空氣消耗量，有效降低冷卻過程的熱耗和系統(tǒng)電耗，必須在基于對流換熱的原理下，來改變熱態(tài)顆粒物料的運動方式及冷卻空氣的流動狀態(tài)，增加強化冷卻的手段和方法，以此來提高換熱效率，從而達到顯著提高冷卻效率的目的。而現(xiàn)有類似技術(shù)和相關(guān)冷卻機基本都是以近似直線運動推動物料前移，基本沒有形成物料的交錯混合作用，由于料層阻力不均，很大程度主要是被動依賴空氣流量調(diào)節(jié)裝置來平衡用風(fēng)差異，而本發(fā)明從主動的角度消除了料層的不均衡因素，為高效率的冷卻提供了有利條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對目前熱態(tài)顆粒物料冷卻過程所存在的問題，在分析了對流換熱原理的基礎(chǔ)上，提供一種強化對流換熱過程的熱態(tài)顆粒物料冷卻方法及冷卻器。使用該方法的冷卻器可提高熱態(tài)顆粒物料的冷卻效果，減少冷卻空氣用量，降低流出冷卻器顆粒物料的溫度。
本發(fā)明通過安裝在水平篦床上的推料刮板裝置，實現(xiàn)熱態(tài)顆粒物料的強制前進運動，而來自篦床下風(fēng)室的冷卻空氣經(jīng)由篦床上低阻力無漏料篦板的風(fēng)翅開口處通過熱態(tài)顆粒物料層，完成換熱過程以冷卻熱態(tài)顆粒物料。熱態(tài)顆粒物料由安裝在水平篦床上的單端驅(qū)動刮板以掃擺式弧線運動推動前進，這將有別于目前的單一近似直線推動運動，而此時由交錯的刮板弧線運動使熱態(tài)顆粒物料形成攪動均化，顆粒間進行了交錯混合。通過這種弧線運動，熱態(tài)顆粒物料在整個篦床寬度上被均化布置，顆粒物料層粒度分布均勻，厚度趨向一致，顆粒間的接觸機會及面積增加。冷卻空氣的分布也更加均衡，冷卻空氣與熱態(tài)顆粒物料形成的動態(tài)換熱方式使換熱效率明顯提高。更重要的是，熱態(tài)顆粒物料在掃擺式弧線運動過程中，被強制攪動，因此冷卻空氣的流動狀態(tài)也發(fā)生了變化，形成局部的紊流形態(tài)， 相比對流換熱效率較穩(wěn)定的層流形態(tài)有所提高，同時顆粒間的碰撞也增加了熱傳導(dǎo)速率， 有助于整個篦床上顆粒層的冷卻換熱過程。本發(fā)明的冷卻方法，通過利用具有近似三角形形狀(其前沿斜面較陡而后沿斜面較為平緩)的刮板進行掃擺式弧線運動，使得水平篦床上的熱態(tài)顆粒物料在運行中受到不同方向的輪流推擠和抽空的作用力。在冷卻器工作狀態(tài)時，隨著熱態(tài)顆粒物料層厚度的增加以及刮板帶動顆粒物料的連續(xù)運動，篦床上的熱態(tài)顆粒物料，隨上述作用力形成上下翻滾、曲線前移的運動。這兩種運動的疊加使得位于物料層表面的物料會與中下層的物料相互翻轉(zhuǎn)，橫向兩側(cè)的物料與中間的物料也相互交錯，并在三維空間上形成交錯曲線的運行軌跡，使得整個料層顆粒分布和阻力分布都保持均衡，顆粒表面呈動態(tài)的變換與冷卻空氣接觸，強化了冷卻空氣與熱顆粒物料的換熱過程，單位時間內(nèi)換熱速率急速增加，從根本上強化了熱態(tài)顆粒物料的冷卻速度和冷卻效果。同時，這種方式具有主動平衡料層阻力的作用，因此對被動調(diào)節(jié)冷卻空氣流量的依存度降低，冷卻空氣的有效利用率提高，同時具有明顯的節(jié)能降耗作用。使用本發(fā)明冷卻方法的冷卻器，除通過利用上述兩種運動的疊加作用，使熱態(tài)顆粒物料表面接觸冷卻空氣的機會增加，換熱效率提高外，同時，安裝在水平篦床上的低阻力無漏料篦板具有斜向開口的風(fēng)翅，當(dāng)冷卻空氣經(jīng)由風(fēng)翅開口而與熱態(tài)顆粒物料進行換熱時，形成了一定的傾斜角度，改變了以往冷卻空氣直接沿著與物料層垂直的方向經(jīng)過的換熱方式，從而延長了冷卻空氣通過熱態(tài)顆粒物料層的時間，進一步強化了換熱過程和冷卻效果。本發(fā)明所使用的冷卻器，在冷卻器入口階梯篦床段，從回轉(zhuǎn)窯的出口自由下落的熱態(tài)顆粒物料，進入冷卻器入口沒有設(shè)置推料刮板裝置的階梯篦床段時，此處的階梯篦板具有一定傾角，便于熱態(tài)顆粒物料滑動前移進入水平篦床，而冷卻空氣的流量則由安裝在階梯篦板下的自動流量控制閥調(diào)節(jié)。由于沒有刮板的強制運動，此處顆粒物料層厚度變化最明顯，因此冷卻空氣的流量是由每塊篦板下的流量控制閥，根據(jù)顆粒物料厚度變化引起的壓力變化來自動控制，確保冷卻空氣的流量穩(wěn)定，降低冷卻空氣用量，盡量避免冷卻空氣在低阻力區(qū)短路流失的情況發(fā)生，充分提高了冷卻空氣的利用效率。同時，冷卻空氣的流量曲線在冷卻器運行期間是可調(diào)節(jié)的，其中流量曲線調(diào)節(jié)隨篦床上層熱態(tài)顆粒物料厚度變化而改變。


下面通過示意性的附圖來更加詳細的描述本發(fā)明附圖1是本發(fā)明冷卻器的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是本發(fā)明刮板的掃擺式弧線運動結(jié)構(gòu)示意圖。(A、B、C、D分別表示一個運動周期內(nèi)刮板四個位置的狀態(tài)；黑色粗箭頭表示物料運動方向)附圖3是本發(fā)明的熱態(tài)顆粒物料翻滾前進運動示意圖。(A、B分別表示刮板1的兩個極限位置的狀態(tài))附圖4是本發(fā)明冷卻空氣流經(jīng)低阻力無漏料篦板風(fēng)翅的運動示意圖。附圖5是本發(fā)明的流量控制閥剖視和俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行說明由附圖1所示，本發(fā)明的強化對流換熱過程的熱態(tài)顆粒物料冷卻方法及其冷卻器，使用在諸如水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)窯爐設(shè)備所生產(chǎn)的熟料顆粒物料的冷卻過程，來自回轉(zhuǎn)窯8的高溫顆粒物料被輸送到冷卻器9入口階梯篦床10后再進入水平篦床11，來自篦床下的冷卻空氣Q穿過篦床與熱態(tài)顆粒物料層進行換熱，達到冷卻熱態(tài)顆粒物料的作用，在物料進入水平篦床11后，用一種往復(fù)擺掃式推料刮板1裝置可以使熱態(tài)顆粒物料在換熱的過程中，產(chǎn)生強制攪動均化和翻滾前進兩種運動疊加，顆粒形成三維空間的曲線運行軌跡，使冷卻空氣分布更加均勻，換熱效率及換熱速度提高。附圖2為本發(fā)明掃擺式弧線運動推料刮板1的實施案例，由方案1和方案2兩種布置結(jié)構(gòu)可供選擇，冷卻器在正常工作期間，冷卻空氣Q由篦床下的風(fēng)室供入，通過篦床上的低阻力無漏料篦板2斜向開口的風(fēng)翅3來通過料層冷卻物料。整個篦床上的刮板1采用雙列交錯排列方式，每列按設(shè)計規(guī)模的不同劃分為多組標準模塊組合，而每個模塊都具有獨立的驅(qū)動，在驅(qū)動裝置的驅(qū)動下，所有刮板進行擺掃弧線運動，其動作順序為A-B-C-D是一個循環(huán)，由此連續(xù)不斷運行。每個刮板都是在向后擺掃過程中接住其后一個刮板推上來的顆粒物料，并在向前擺掃過程中將顆粒物料推到其前一個刮板的擺掃范圍內(nèi)，并形成有效的強化攪動均化效果，顆粒間的碰撞也增加了熱傳導(dǎo)速率，有助于整個篦床上顆粒層的冷卻散熱過程。同時，冷卻空氣Q的流動狀態(tài)發(fā)生變化，形成局部的紊流形態(tài)，相比對流換熱效率較穩(wěn)定的層流形態(tài)有所提高。附圖3為本發(fā)明的熱態(tài)顆粒物料上下翻滾、曲線前移的運動示意圖，當(dāng)刮板1在A、 B限位間運動時，熱態(tài)顆粒物料受到不同方向的輪流推擠和抽空的作用力。這兩種運動的疊加使得位于物料層表面的物料會與中下層的物料相互翻轉(zhuǎn)，同時橫向兩側(cè)的物料與中間的物料也相互交錯運動(附圖1的物料運動示意)，并在三維空間上形成交錯曲線的運行軌跡，顆粒表面呈動態(tài)的變換與冷卻空氣Q接觸，單位時間內(nèi)換熱速率急速增加，從根本上強化了熱態(tài)顆粒物料的冷卻速度和冷卻效果。同時，這種方式具有主動平衡料層阻力的作用， 因此對依靠流量閥自動調(diào)節(jié)冷卻空氣Q流量的依存度降低，冷卻空氣Q的有效利用率提高， 同時具有明顯的節(jié)能降耗作用。附圖4是冷卻空氣Q流經(jīng)低阻力無漏料篦板2的風(fēng)翅3的運動示意圖，安裝在篦床上的低阻力無漏料篦板2具有斜向開口的風(fēng)翅3，當(dāng)冷卻空氣Q經(jīng)由風(fēng)翅3而與熱態(tài)顆粒物料進行換熱時，沿斜向開口的風(fēng)翅3結(jié)構(gòu)形成了一定的傾斜角度，避免了以往冷卻空氣Q 直接沿著與物料層垂直方向迅速經(jīng)過的方式，從而延長了冷卻空氣Q通過熱態(tài)顆粒物料層的時間，強化了換熱過程和冷卻效果 使用本發(fā)明冷卻方法的冷卻器，在利用上述運動作用的同時，為了更明顯的降低冷卻空氣用量，穩(wěn)定入口階梯篦板處熱態(tài)顆粒物料層厚度的劇烈變化，在入口階梯篦床下安裝了自動流量控制閥，如附圖5所示。在供應(yīng)源頭壓力一定的情況下，冷卻空氣Q的通過流量是由流速和開口面積共同決定的，而流速又與殼體內(nèi)外的壓差(即調(diào)節(jié)器阻力)相關(guān)。 在密封環(huán)7的作用下，閥芯4上的開口 5只有在殼體以外的部分才能供流體通過，這部分開口面積為有效開口面積。當(dāng)下游負載即熱態(tài)顆粒物料層阻力降低時，引起流速上升，將使殼體內(nèi)外的壓差增大，壓差作用于閥芯4底面形成的作用力增大，推動閥芯4向殼體內(nèi)部移動，迫使彈簧6產(chǎn)生長度位移后作用于閥芯4的反向作用力隨之增大，當(dāng)與壓差作用于閥芯 4底面形成的作用力達到平衡后，閥芯4停止在新的位置上，此時閥芯4側(cè)壁上供冷卻空氣 Q通過的有效開口面積已減小，抵消了流速上升的影響，使冷卻空氣Q的通過流量仍然保持在這一系列變化之前的水平，達到控制流量的作用。反之則相反，當(dāng)下游負載即熱態(tài)顆粒物料層阻力增大時，閥芯4將向殼體外部移動，有效開口面積增大，抵消了流速降低的影響使流量保持在控制范圍內(nèi)。另外，冷卻空氣Q的流量曲線在冷卻器運行期間是可調(diào)節(jié)的，其中流量曲線調(diào)節(jié)隨篦床上層熱態(tài)顆粒物料厚度變化而改變。
權(quán)利要求
1.用于冷卻諸如水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)窯爐設(shè)備所生產(chǎn)的熱態(tài)熟料顆粒物料的方法，通過該方法，來自回轉(zhuǎn)窯的高溫?zé)釕B(tài)熟料顆粒物料被輸送到冷卻器入口階梯篦床后再進入水平篦床，來自篦床下各風(fēng)室的冷卻空氣穿過篦床與熱態(tài)顆粒物料層進行換熱作用，達到冷卻熱態(tài)顆粒物料的作用。其特征在于，熱態(tài)顆粒物料經(jīng)過階梯篦床時，冷卻空氣經(jīng)由安裝在階梯篦床下的流量自動調(diào)節(jié)器控制，以確保冷卻空氣的流量穩(wěn)定，當(dāng)熱態(tài)顆粒物料進入水平篦床后，熱態(tài)顆粒物料由安裝在水平篦床上的單端驅(qū)動刮板以往復(fù)擺掃的弧線運動推動前進，而此時由交錯的刮板弧線運動使熱態(tài)顆粒物料形成強制攪動均化，不同粒度的顆粒間進行交錯混合，使篦床上物料層粒度分布均勻，整個料床的溫度分布及料層阻力都趨于均衡，顆粒間換熱接觸表面呈動態(tài)變化而顯著增加，冷卻空氣的分布也更加均衡，冷卻空氣與熱態(tài)顆粒物料形成的動態(tài)換熱方式使換熱效率明顯提高，同時有效消除了形成“紅河”的條件，使冷卻器工作更為可靠。
2.用于實現(xiàn)權(quán)利要求1的冷卻方法的冷卻器，其特征在于，該冷卻器從入口到出口由有一定斜度的階梯篦床和水平篦床組成，階梯篦床用自動空氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻空氣， 水平篦床上裝有往復(fù)擺掃式推料裝置，篦床下可用或不用自動空氣流量調(diào)節(jié)閥，篦床出口端裝有新型強力輥式破碎機，整個篦床無活動篦板，完全無漏料，對于篦床下的零部件可在設(shè)備運行過程中進行在線維護檢修。
3.按權(quán)利要求1中所述的冷卻方法，其特征在于，從回轉(zhuǎn)窯的出口自由下落的熱態(tài)顆粒物料，進入冷卻器入口沒有設(shè)置推料刮板裝置的階梯篦床段時，此處的階梯篦板具有一定傾角，便于熱態(tài)顆粒物料滑動前移而進入第二段水平篦床，而冷卻空氣的流量則由安裝在階梯篦板下的流量自動調(diào)節(jié)器控制，由于沒有刮板的強制運動，此處顆粒物料層厚度變化最明顯，冷卻空氣的流量由流量自動調(diào)節(jié)器根據(jù)物料層厚度變化引起的壓力變化來自動控制，確保冷卻空氣的流量穩(wěn)定，避免冷卻空氣短路流失的情況發(fā)生，同時，冷卻空氣的流量曲線在冷卻器運行期間是可調(diào)節(jié)的，其中流量曲線調(diào)節(jié)隨熱態(tài)顆粒物料層厚度變化而改變。
4.按權(quán)利要求1中所述的冷卻方法，其特征在于，以機械方法強化了對流換熱的作用，隨著安裝在水平篦床上的刮板進行的弧線運動，使得篦床上的熱態(tài)顆粒物料，受到不同方向的輪流推擠和抽空的作用力而形成上下翻滾、曲線前移的運動，并在三維空間上形成交錯曲線的運行軌跡，強制攪動和翻滾前進兩種運動的疊加使其整個料層顆粒粒度分布和阻力分布都保持均衡，顆粒表面與冷卻空氣接觸的機會增加，強化了冷卻空氣與熱態(tài)顆粒物料的換熱過程，換熱速率急速增加，從而使得熱態(tài)顆粒物料的冷卻速度和冷卻效果顯著提高。
5.按權(quán)利要求1中所述的冷卻方法，其特征在于，由單端驅(qū)動刮板構(gòu)成的往復(fù)擺掃式推料裝置運行所形成的料層運動，具有物料顆粒粒度分布均勻、料層阻力均衡的效果，而且整個料床上的物料顆粒都呈動態(tài)方式與冷卻空氣接觸，這種方式具有主動平衡料層阻力的作用，因此對借助流量閥調(diào)節(jié)冷卻空氣流量分布均勻性的依存度降低，冷卻空氣的有效利用率提高，同時具有明顯的節(jié)能降耗作用。
6.按權(quán)利要求1中所述的冷卻方法，其特征在于，安裝在水平篦床上的低阻力無漏料篦板具有斜向開口的風(fēng)翅，當(dāng)冷卻空氣經(jīng)由風(fēng)翅開口而與熱態(tài)顆粒物料進行 換熱時，形成了一定的傾斜角度，從而延長了冷卻空氣通過顆粒物料層的時間，強化了換熱過程和冷卻效果。
全文摘要
本發(fā)明提供一種強化對流換熱過程的熱態(tài)顆粒物料冷卻方法及冷卻器，該方法涉及諸如水泥回轉(zhuǎn)窯等工業(yè)窯爐設(shè)備所生產(chǎn)的熟料顆粒物料的冷卻過程，通過該方法，來自回轉(zhuǎn)窯的高溫顆粒物料被輸送到冷卻器入口階梯篦床后再進入水平篦床，來自篦床下的冷卻空氣穿過篦床與熱態(tài)顆粒物料層進行換熱，達到冷卻熱態(tài)顆粒物料的作用，在物料進入水平篦床后，用一種往復(fù)擺掃式推料刮板可以使熱態(tài)顆粒物料在換熱的過程中，產(chǎn)生強制攪動均化和翻滾前進兩種運動疊加，顆粒形成三維空間的曲線運行軌跡，物料層溫度分布相應(yīng)趨于均衡，顆粒的均布主動平衡了整個料層阻力，使冷卻空氣分布更加均勻，降低了對篦床下自動空氣流量調(diào)節(jié)閥的依存度，換熱效率及換熱速度明顯提高。
文檔編號F27D15/02GK102374789SQ20101026135
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者敬清海, 文柏鳴, 朱戰(zhàn)嶺, 蔡順華 申請人:成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司