基于数值模拟的隧道窑能耗优化方法研究

摘要

隧道窑是卫生洁具陶瓷生产的重要设备之一，其烧成质量将直接影响生产成本和效率。传统烧成质量主要通过人工经验来控制，而这种方式无法满足陶瓷工业生产的要求，主要因为着眼于保证燃烧质量而忽略能耗问题。尽管有学者研究了隧道窑的燃烧热平衡问题，但未直接指出与能耗的关系，且未考虑燃烧质量。然而，陶瓷企业的节能减排迫切需要从质量和能耗两个方面综合实现隧道窑的节能优化。
　　本文以卫生陶瓷隧道窑为研究对象，以提高燃烧质量和降低能源消耗为目标，分别建立以燃气速度、助燃风速度和炉内高度为自变量的燃烧质量模型和能耗模型，提出一种基于数值模拟的隧道窑能耗优化方法。因此本文的主要研究内容如下:
　　1、针对隧道窑工艺特性及燃烧过程能耗特性，分析隧道窑燃烧过程热量吸收和支出方式，建立一种基于热平衡分析的隧道窑能源消耗模型，揭示能源消耗与燃气速度、助燃风速度和炉内高度等因素的关系。
　　2、提出一种基于数值模拟的隧道窑燃烧模型，针对隧道窑结构及生产特点，将生产过程抽象为连续工艺，并建立三维模型，确定隧道窑热工特性边界条件，基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)分析隧道窑燃烧过程。
　　3、提出一种基于数值模拟的质量与能耗多目标优化模型，利用隧道窑燃烧数值模拟揭示不同组合参数下窑内温度变化规律，面向温度参数定义一种均匀性系数，评价数值模拟燃烧质量，并基于神经网络建立燃烧质量模型，结合隧道窑能源消耗模型，利用遗传算法实现燃烧质量和能耗多目标优化。
　　综合以上研究，利用Matlab搭建了“隧道窑能耗优化仿真系统”，包括能源消耗模块、燃烧质量模块和能耗优化模块，为基于数值模拟进行隧道窑能耗优化提供理论和方法支撑。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 窑炉数值模拟研究现状

1．2．2 窑炉节能优化研究现状

1．3 本文研究思路、内容与框架

1．4 本章小结

第二章 隧道窑工艺及能耗特性分析

2．1 隧道窑结构特性分析

2．2 隧道窑工艺特性分析

2．3 隧道窑能耗特性分析

2．4 本章小结

第三章 隧道窑燃烧数值模型构建方法研究

3．1 隧道窑几何模型构建

3．2 隧道窑几何模型网格划分

3．3 隧道窑边界条件确定

3．3．1 固体壁面边界条件确定

3．3．2 气流边界条件确定

3．4 燃烧数学模型构建

3．4．1 基本湍流模型

3．4．2 PDF燃烧反应模型

3．4．3 DO辐射传热模型

3．5 本章小结

第四章 基于数值模拟分析的能耗优化方法研究

4．1 隧道窑数值模拟分析

4．1．1 隧道窑荷载时温度场分布情况

4．1．2 隧道窑荷载时速度场分布情况

4．1．3 不同炉内高度的数值模拟

4．2 隧道窑燃烧质量分析

4．2．1 燃烧质量评价指标

4．2．2 燃烧质量模型的建立

4．3 燃烧质量与能耗多目标优化模型研究

4．3．1 优化变量的选择与约束条件

4．3．2 燃烧质量和能耗多目标优化模型

4．3．3 优化目标函数的确定

4．3．4 多目标优化概念及遗传算法简介

4．3．5 多目标优化实验设计及结果分析

4．4 本章小结

第五章 隧道窑能耗优化仿真系统设计与实现

5．1 仿真系统框架设计

5．2 仿真系统的搭建

5．3 仿真系统的使用

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢