高温水泥熟料筒仓进行热分析温度折减探究

许 志 争

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉　430070)



高温水泥熟料筒仓进行热分析温度折减探究

许 志 争

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430070)

以某水泥熟料筒仓为例，对仓壁稳态传热和仓顶散热两种温度传递过程进行了研究探讨，在现有算法的基础上，结合有限元的计算结果，提出了一种可行的温度折减解决方案，确保筒仓设计的安全性和经济性。

筒仓，热传递，温度差，温度折减

0　引言

筒仓是非常重要的一种建筑形式，近些年随着我国工业和农业的飞速发展，对于筒仓的需求越来越大。早期的筒仓研究主要集中在筒仓的静力荷载分析上。但是随着研究的深入，我们发现一些用来储存高温贮料的筒仓其温度荷载对仓壁应力的影响是不可忽视的。很多相关的文献[1-3]运用了各种数值模拟的方法对高温贮料筒仓进行了考虑温度荷载的研究，但是都没有一个相对准确的计算方法提出如何计算和估量贮料的温度值对仓壁的影响。

本文以一个水泥熟料筒仓为例进行分析，筒仓高度H=40 m，内径R=5.9 m,壁厚δ=0.3 m，仓壁采用C35混凝土，仓顶采用3 mm厚压型钢板，日产量3 000 t。筒仓用于热分析计算的其他参数见表1。

表1　筒仓用于热分析计算的参数

水泥熟料是一种高温散料(根据工程人员现场检测，由于实际中筒仓在一个高效率运转状态下，贮料温度高达200 ℃～300 ℃)。从进入筒仓到堆积在筒仓的整个过程中，熟料与仓壁之间的热传递过程包括热传导、热对流和热辐射。实际上整个热交换过程是发生了两阶段的热交换，首先当水泥熟料以一定速率落入筒仓的时候，散料与仓内温度相对低的空气发生了对流传热，这部分先落入的水泥熟料温度发生一定降低之后在筒仓下层堆积，堆积的贮料与仓壁之间会发生一定程度稳态热传导。

1　只考虑仓壁稳态传热

在上面分析过，实际上筒仓在这个运转过程中，高温贮料的热交换过程是热对流、热辐射和热传导兼而有之，由于仓顶面积有限并且在实际运转中下料的速度非常快，我们把熟料与仓壁发生的稳态传热过程当作主要的热传递，采用文献[4]介绍的方法，贮料满仓时取厚度与仓壁相等的贮料作为隔热层，计算简图如图1所示。

总热阻：

R=1/he+1/hi+δ/λk+δ/λc

(1)

热通量：

q=(ty-tk)/R

(2)

仓内到隔热层内表面温度差：

ty-t1=q·(1/hi)

(3)

隔热层内外温度差：

t1-t2=q·(δ/λk)

(4)

仓壁内外温度差：

t2-t3=q·(δ/λc)

(5)

联立式(1)，式(2)得出热通量q的值，依次根据式(3)～式(5)求得t1=242 ℃，t2=39 ℃，t3=5 ℃，则仓壁内外温差Δt=t2-t3=34 ℃。

2　只考虑仓顶散热

熟料的下落是一个缓慢的过程，可以认为主要的温度在熟料下落的过程中已经与仓内的空气发生交换，因此在落入仓底堆积后我们认为之后熟料与仓壁的稳态热交换过程可以忽略不计。设满仓时，仓内空气温度为tg，不考虑仓底死料的影响，仍然对上例工程进行计算:

仓顶面积：

A=πR2/cosβ=171 m2

(6)

屋面钢板热阻非常小可忽略不计，则仓顶传热系数：

k1=1/(1/hi+1/he)=5.83 J/(m2·s·K)

(7)

因为只考虑仓顶散热，则当系统达到热平衡状态时，仓顶散发的热量与水泥熟料散发的热量满足：

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

(8)

其中，G为仓顶的下料量，根据该筒仓的产量可以计算：

G=(3 000×1 000)÷(24×3 600)=34.7 kg/s。

联立式(6)～式(8)可得tg=241 ℃。

仓壁热流通量：

q′=(tg-tk)/(1/he+1/hi+δ/λk+δ/λc)

(9)

与仓内空气和内壁的温度差：

tg-t2=q·(δ/λk)

(10)

仓壁内外温度差同样满足公式要求。

由式(9)求得仓壁热通量q′，然后分别由式(9)，式(5)求得t2=45 ℃，t3=12 ℃，则仓壁内外温差Δt=t2-t3=33 ℃。

可以看到方法1和方法2的内外壁温差的计算结果是基本吻合的，区别就在于内外壁实际维持的温度有所区别。

3　ANSYS有限元传热分析

实际中在应用ANSYS进行有限元分析时，不可能同时考虑到以上两种温度传递的过程。因此在进行有限元分析时有必要对温差进行一个事先的近似计算分析。忽略仓顶传热的部分，以贮料堆积后与仓壁的稳态传热为主。首先根据《钢筋混凝土筒仓设计规范》[5]计算筒仓的贮料荷载作用，考虑贮料给仓壁的水平压力和竖向摩擦力，建立有限元模型，见图2，然后不考虑贮料荷载温度，使用Solid70单元进行稳态传热分析，热分析后得到仓壁节点温度，重新进入前处理，转化单元类型并做其他调整，读入热分析的*.th结果文件完成热—结构耦合分析。

当直接用贮料的初始温度(250 ℃)进行热—结构耦合迭代计算发现，筒仓已经发生破坏。这说明实际中料体对仓壁的传热温度并没有达到这么高，否则筒仓根本无法维持正常运转。因此进行有限元分析时，并不能直接使用贮料的入仓温度，而是需要进行一个折减考虑。

在进行筒仓设计时我们对温度的考虑应该是从应力和应变的角度去考虑的。其中环向应力对环向配筋和筒仓主要开展的竖向裂缝影响很大。这里分别取60 ℃，70 ℃，80 ℃，90 ℃，100 ℃五种贮料温度进行耦合计算，此时其对仓壁应力的影响峰值约为不考虑温度荷载的2倍～3倍(见表2)。

表2　各温度下仓壁环向应力最大值

符合文献[1]的计算结果。此时有限元分析的结果也表明仓壁没有出现0.200 mm的裂缝，也没有发生强度上的破坏。可以发现内壁基本属于受压状态，外壁属于受拉状态，随着温度的增加环向压力或者环向拉力都变大，如图3，图4所示。

根据以上的分析结果，本筒仓进行有限热点分析建议采用温度折减的方法进行，可取熟料温度60 ℃进行，此时t2=49.7 ℃，t3=9.4 ℃,Δt=t2-t3=40.3 ℃,见图5。

4　结语

对于存放高温贮料的钢筋混凝土筒仓而言，温度荷载对于仓壁的内力影响是不可忽略的，这将直接影响到筒仓设计的安全性和经济性。本文通过分析后得出以下结论：

1)贮料在进入筒仓到堆积的过程中，热交换的过程是比较复杂的，如何衡量温度的折减要考虑多方面因素，考虑过度可能得到与实际不相符合的结论，考虑不足又将直接影响到筒仓的安全性。2)本例中的筒仓在对比有限元分析和手算的结果之后建议使用60 ℃～80 ℃的贮料温度进行计算，此时有限元分析与热分析的结果吻合。3)高温贮料筒仓设计时应该充分考虑高温环境这一要素，在条件允许的情况下尽量选用高温耐久性材料，如仓壁混凝土选用玄武岩耐热混凝土。

[1]郭洪盛.温度作用下大直径水泥熟料筒仓有限元分析[D].合肥：合肥工业大学,2012.

[2]孙巍巍,孟少平,栾文彬.大直径混凝土筒仓温度应力研究[J].工程力学,2011(7):91-97.

[3]王瑞.大型贮煤筒仓在考虑温度应力影响下的优化设计方案[D].武汉：武汉科技大学,2009.

[4]曲军彪.港口直径40 m混凝土储煤筒仓温度应力分析[J].水运工程,2014(7):58-63.

[5]GB 50077—2003，钢筋混凝土筒仓设计规范[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

许志争(1992- )，男，在读硕士

TU318

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