篦冷機(jī)的運(yùn)行中，存在回收二、三次風(fēng)溫低，熟料冷卻效果差等問題，導(dǎo)致生產(chǎn)能耗居高不下并對(duì)熟料質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。這些問題主要是由于冷卻空氣在熟料層內(nèi)流動(dòng)時(shí)存在分布不均勻，從而產(chǎn)生風(fēng)短路現(xiàn)象。在熱交換效率高的篦冷機(jī)中，回收的二、三次風(fēng)溫度可達(dá)1?200℃、1?050℃。研究表明，二次風(fēng)量0.32Nm3/kg.cl，溫度由1?050℃升至1?150℃，熱量回收增加1.7kgce/t.cl；三次風(fēng)量0.48Nm3/kg.cl，溫度由950℃升至1?050℃，熱量回收增加2.5kgce/t.cl。因此，研究熟料層的氣流分布對(duì)降低水泥生產(chǎn)能耗和減少碳排放具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在篦冷機(jī)內(nèi)，熟料被周期性地推動(dòng)，空氣穿過料層進(jìn)行熱交換。在此過程中，穿過熟料的氣流表觀速度較低，可近似為固定床進(jìn)行研究。當(dāng)達(dá)到顆粒極限流化速度后，熟料被氣流夾帶走。實(shí)際上，出窯熟料的粒徑大小不一，在篦冷機(jī)內(nèi)分布不均，從而使氣體流動(dòng)產(chǎn)生流速差異，引發(fā)局部射流現(xiàn)象，導(dǎo)致氣體擴(kuò)散受到限制，嚴(yán)重阻礙熱量傳遞過程。這種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程對(duì)熟料的熱交換和冷卻效果具有重要影響，因此，對(duì)冷卻空氣在熟料層內(nèi)的射流進(jìn)行研究至關(guān)重要。固定床中氣體射流的研究是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)橥牧鲄^(qū)域被致密的固體包圍。眾多學(xué)者已經(jīng)通過各類探頭研究了流體進(jìn)入流化床的分布情況，M.Rüdisüli展示和討論了光學(xué)探針在測(cè)量流化床中流場(chǎng)的適用性。Federica研究了噴嘴幾何形狀對(duì)射流和氣固流化床的影響。JikaiH采用電容探針方法研究了噴射流化床中氣流的詳細(xì)性質(zhì)。然而，對(duì)于篦冷機(jī)料層這種特殊的固定床內(nèi)射流分布，國(guó)內(nèi)的研究相對(duì)較少。因此，本文針對(duì)具有單個(gè)中心射流的固定床進(jìn)行了試驗(yàn)研究。采用自制的壓力探針獲取了固定床內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)，并與空氣射流進(jìn)行對(duì)比，定義了固定床內(nèi)射流的邊界。研究?jī)?nèi)容包括通孔速度、顆粒粒徑以及通孔形狀對(duì)射流角度的影響。這些試驗(yàn)研究有助于深入了解篦冷機(jī)料層中的氣流分布情況，進(jìn)一步提高篦冷機(jī)的熱交換效率，降低能耗和碳排放。

1、試驗(yàn)設(shè)置1.1試驗(yàn)裝置圖1是本研究中使用的具有單個(gè)中心射流的固定床射流試驗(yàn)系統(tǒng)的示意圖。固定床是規(guī)格0.14m×0.14m，高度0.5m的有機(jī)玻璃柱。在試驗(yàn)中，床層高度0.2m，三種粒徑組合的水泥熟料被放置在兩個(gè)相同開孔面積、形狀不同的孔板上用作固定床的固體，材料特性見表1。噴射氣體由能夠輸出0~145m3/h流量的變頻風(fēng)機(jī)提供，通過孔板中心的孔口進(jìn)入固定床，在風(fēng)機(jī)出口管道使用皮托管測(cè)量通過氣體的流量。壓力探針安裝在測(cè)試區(qū)域周圍，側(cè)面穿透入料層中，采集料層截面壓力。圖1具有單個(gè)中心射流的固定床射流試驗(yàn)系統(tǒng)表1熟料的材料特性注：數(shù)據(jù)測(cè)量方法參照GB/T14685—2022《建筑用卵石、碎石》。1.2壓力采集壓力采集系統(tǒng)用于采集料層內(nèi)的壓力，如圖2所示。該系統(tǒng)由壓力探針、壓力傳感器、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)四個(gè)組件組成，5個(gè)直徑5mm的壓力探針連接MPXV7002DP壓差傳感器用于采集固定床的截面壓力；壓力傳感器量程為±2?000Pa，精度為0.2%，采集數(shù)據(jù)點(diǎn)分布如圖3所示；A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換器將電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；計(jì)算機(jī)用于儲(chǔ)存和分析數(shù)據(jù)。Maurer等人2015年進(jìn)行了一項(xiàng)試驗(yàn)研究，以兩個(gè)外徑為5mm的光學(xué)傳感器尖端水平安裝，垂直相距1cm，在內(nèi)徑為14cm的冒泡流化床反應(yīng)器中進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，氣流運(yùn)動(dòng)幾乎不受光學(xué)探針的影響。圖2壓力采集系統(tǒng)

2、試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析垂直射流是使氣體通過軸對(duì)稱床孔板中位于中心的孔口產(chǎn)生的，射流在橫向脈動(dòng)時(shí)，與周圍的介質(zhì)進(jìn)行能量交換，使得周圍介質(zhì)卷進(jìn)流場(chǎng)，導(dǎo)致流場(chǎng)斷面面積不斷增加，形成錐體形狀的射流場(chǎng)。圖3截面壓力采集點(diǎn)2.1射流角度的計(jì)算圖4是床層中的射流，床層中的射流包括兩個(gè)區(qū)域：內(nèi)部稀薄核心和外部邊界區(qū)域，其中外部邊界區(qū)域固體濃度與床層致密相中的固體濃度相似。在J.A.S.Cleaver的研究中，這個(gè)邊界層的厚度可以高達(dá)總射流寬度的30%。圖4床層中的射流示意射流外邊界呈直線擴(kuò)散，直線與出風(fēng)口中心軸線的夾角θ稱為極角，即射流角度θ。對(duì)于空氣射流，從射流場(chǎng)的幾何結(jié)構(gòu)上有：式中：K——試驗(yàn)系數(shù)，圓斷面K=3.4，條縫送風(fēng)口K=2.44；a——紊流系數(shù)，由試驗(yàn)決定，是射流的特征系數(shù)。在試驗(yàn)中選取壓力等于截面平均壓力時(shí)為射流邊界，將試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)處理后繪制成等高線圖，根據(jù)值為平均壓力的等高線參數(shù)得到射流邊界的坐標(biāo)，即可得到射流的有效半徑，射流角度與射流有效半徑公式為：式中：Rh——距離管嘴高度h時(shí)的射流有效半徑，m；R0——孔板開孔半徑，m；h——射流至管嘴出口的距離，m。2.2通孔速度對(duì)射流角度的影響利用試驗(yàn)裝置，選取孔板中心開孔孔徑Φ25mm以及條縫為5mm×98mm的孔板分別插入管道，開啟風(fēng)機(jī)使通孔風(fēng)速達(dá)到10m/s防止漏料，管道中填充粒徑4.75~9.5mm顆粒，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，改變通孔風(fēng)速（28、32、36、40、44、48、52、56、60m/s）進(jìn)行試驗(yàn)。得到18組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（2）計(jì)算出不同通孔風(fēng)速的射流角度，計(jì)算結(jié)果見圖5。由圖5看出，通孔風(fēng)速與射流角度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著通孔風(fēng)速的增大，射流角度減小。在相同的風(fēng)速與通風(fēng)面積情況下，通孔風(fēng)速小于44m/s時(shí)，圓孔的射流角度大于條縫的射流角度，之后在達(dá)到60m/s前條縫射流角度則大于圓孔的射流角度。圖5通孔風(fēng)速對(duì)射流角度的影響2.3粒徑對(duì)射流角度的影響試驗(yàn)中選取孔徑Φ25mm的孔板插入管道，將3種不同粒徑范圍的熟料顆粒依次填充在管道中，使其緊密填充，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率，將過孔風(fēng)速控制在40m/s，測(cè)得各組壓力數(shù)據(jù)，圖6為4.75~9.5mm粒徑壓力數(shù)據(jù)處理后繪制成的等高線圖。從圖6可以看出氣流從小孔中流出后，擴(kuò)散的面積隨著高度增加而增大。高度15cm時(shí)，截面面積略小于高度在10cm時(shí)，考慮為氣流擴(kuò)散面積較大，射流邊界與管道邊壁接觸，邊壁效應(yīng)加深，導(dǎo)致中心的流量略減少，射流面積減小。提取等高線的參數(shù)得到各個(gè)高度擴(kuò)散面的坐標(biāo)，繪出實(shí)際測(cè)量的擴(kuò)散邊界如圖7所示，可以看出射流截面在5cm高度前分布較為均勻，在5~10cm高度內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，擴(kuò)散半徑明顯減小，在10~15cm時(shí)，擴(kuò)散半徑基本不變，＜4.75mm的顆粒有減小趨勢(shì)。分析其原因是射流中的總動(dòng)量由兩部分組成，氣芯區(qū)域的動(dòng)量和固體邊界層中的動(dòng)量，兩個(gè)部分的總和等于噴嘴處的原始?xì)怏w射流動(dòng)量。垂直射流向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣芯區(qū)域的動(dòng)量不斷橫向傳遞給固體邊界層，在達(dá)到平衡時(shí)，不再向固體邊界層傳遞，而由于邊壁效應(yīng)存在，顆粒與邊壁的間隙大于顆粒間的孔隙，此時(shí)，氣流更趨于向邊壁流動(dòng)，致使中心區(qū)域速度減小，動(dòng)量減小。圖64.75~9.5mm粒徑壓力分布圖7不同粒徑的擴(kuò)散邊界

通過求出相應(yīng)高度的等效擴(kuò)散半徑Rh，即可得出不同高度射流角度隨粒徑的變化，如圖8所示。在不同高度都具有相同的規(guī)律，即隨著粒徑的增大，射流角度也增大。圖8粒徑對(duì)射流角度的影響2.4回歸方程的建立為了簡(jiǎn)化對(duì)射流運(yùn)動(dòng)特性的研究，假設(shè)射流從孔口流出后，屬于紊流流動(dòng)，且在孔口斷面的速度分布保持均勻一致。根據(jù)試驗(yàn)得出的射流角度，計(jì)算出各個(gè)截面的平均速度，即可根據(jù)阿勃拉莫維奇公式求出各組試驗(yàn)的紊流系數(shù)，計(jì)算公式如下：式中：d0——孔口直徑，m；v0——孔口初始速度，m/s；vh——距離孔口h的射流截面速度，m/s。計(jì)算得到的數(shù)據(jù)如表2所示。表2紊流系數(shù)計(jì)算數(shù)據(jù)基于表2數(shù)據(jù)，繪制了tgθ與紊流系數(shù)a之間的關(guān)系圖，對(duì)紊流系數(shù)與tgθ的散點(diǎn)圖進(jìn)行相關(guān)分析，如圖9和圖10所示。使用最小二乘法得到圓孔紊流系數(shù)與tgθ之間的回歸方程為tgθ=0.651?589a，條縫紊流系數(shù)與tgθ之間的回歸方程tgθ=0.677?928a。圖9圓孔紊流系數(shù)與tgθ的關(guān)系圖10條縫紊流系數(shù)與tgθ的關(guān)系

3、結(jié)論通過對(duì)射流從不同孔板射入熟料后的特性研究，得出了如下結(jié)論：（1）氣流通過孔板射入熟料后，擴(kuò)散面積隨著高度不斷增加。對(duì)于不同粒徑的料床，氣流在料床內(nèi)的射流角度隨著熟料粒徑的增大而增大；對(duì)于同一粒徑組成的料床，射流角度與風(fēng)速整體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在低通孔風(fēng)速下，通過條縫氣流的射流角度略小于通過圓孔氣流的射流角度。（2）通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得出的紊流系數(shù)和射流角度，擬合得出了射流角與紊流系數(shù)之間的試驗(yàn)系數(shù)，圓孔送風(fēng)口系數(shù)為0.65、條縫送風(fēng)口系數(shù)為0.68。結(jié)合射流經(jīng)驗(yàn)公式，得出了氣流通過孔板后任意截面的速度和流量與通孔孔徑之間的函數(shù)關(guān)系。針對(duì)射流從不同孔板射入熟料后的特性研究，對(duì)設(shè)計(jì)及改造篦