[发明专利]一种空气预冷、预热混凝土骨料瞬态温度的确定方法

说明书

技术领域

本发明属于工程传热、传热学领域，特别涉及一种空气预冷、预热混凝土骨料瞬态温度的确定方法。

背景技术

混凝土骨料预冷、预热的目的是控制混凝土的浇筑温度，防止浇筑体产生裂缝。混凝土骨料预冷、预热技术具有温度控制严、强度大、系统布置复杂等特点，是关系到水利水电工程特别是大型水利水电工程安全、经济和保证施工进度的关键因素。

混凝土浇筑前在料仓内对混凝土骨料进行空气预冷、预热，是目前工程上普遍采用的控温方式。空气预冷、预热骨料是在相对封闭料仓内，通过冷风/热风与堆积的骨料进行热交换，以达到骨料由常温降低/提高到所需要温度的目的。在这个过程中，冷风/热风由料仓侧壁下部的进风口进入料仓，与由料仓顶部下卸的骨料进行热交换，升温/降温后的空气由料仓侧壁上部的回风口返回冷风机/暖风机，再次循环进入骨料仓。

由于预冷、预热整个热交换过程中受进口风温、风速、骨料粒径、空隙率、料仓结构以及风道布置等诸多参数影响，其传热过程十分复杂，导致常规数学、理论方法难以准确计算骨料的温度，因此工程中多依赖经验方法对骨料温度进行预测。目前，在工程设计中，都是基于孔隙流假设，采用单体骨料来近似代表料仓内的堆积骨料(翁定伯，大体积混凝土预冷技术[M].中国电力出版社，2011)，根据单体骨料表面的第一类换热边界条件(骨料表面温度为空气温度)来近似计算堆积骨料在空气预冷、预热过程中的瞬态温度。具体处理方法和计算过程如下所述。

冷/热空气进入料仓后，可贯穿骨料之间的间隙由下而上流动，如图2(a)，形成大致平行而竖直的孔隙通道，将堆积的颗粒状骨料假设为以孔隙为中心的空心六面棱柱体，如图2(c)所示，则料仓内颗粒状骨料与间隙内空气的对流换热过程可近似等效为空心棱柱体的内表面和中空通道内流动的空气产生的热交换。

空心棱柱体相同截面积的等效圆柱体的外径D和内径d，可由骨料粒径等参数，通过图2所示的几何结构特征计算得到，等效圆柱体外径D约等于骨料直径，内径d＝D/4.4(翁定伯，大体积混凝土预冷技术[M].中国电力出版社，2011)。

骨料与空气进行热交换时，换热表面处于对流换热的第三类边界条件，而不是处于换热表面温度等于空气温度的第一类边界条件。假设骨料外部有厚度为ΔR的虚拟层，使得虚拟层换热表面温度与空气温度相等，则虚拟层的厚度根据平板的导热定律计算为(翁定伯，大体积混凝土预冷技术[M].中国电力出版社，2011)：

式中，λ_s为骨料导热系数，α_kx为空隙处空气的对流换热系数。

则虚拟圆柱体的当量直径D_x为：

无限长空心圆柱体在第一类边界条件下(柱体换热表面温度等于流体温度)的瞬态换热过程有经典的理论解。图3为空心圆柱体水冷瞬态换热的诺谟图，由于水流速度高，换热系数很大，可近似认为空心圆柱体换热内表面处于壁温等于水温的第一类边界条件。根据孔隙流假设得到的虚拟空心柱体的瞬态传热过程可参考图3所示的规律。

图3中横坐标为傅里叶数Fo，纵坐标为柱体对比过余温度θ，计算方法如下：

式中，a_f为圆柱体导温系数，τ为换热时间，D_x为虚拟圆柱体外径，T₀为圆柱体初始温度，T为圆柱体历时τ之后的平均温度，T_a为流体温度。

根据图3，可拟合出空心圆柱体在第一类边界条件下的瞬态换热规律：

T＝T_a+(T₀-T_a)e^{-0.0065-2.065Fo} (6)

根据式(6)，可以计算出不同时刻的虚拟空心圆柱体平均温度。

图3所示的空心圆柱体内水冷瞬态诺谟图，是建立在空心圆柱体外内径比等于100(D/d＝100)的基础上的。若堆积骨料所对应的等效虚拟圆柱体外内径比不等于100时，则采用美国垦务局建议的近似公式计算等效导温系数(朱伯芳，大体积混凝土温度应力与温度控制[M].中国电力出版社，1999)：

式中为a为骨料的导温系数，D_x为堆积骨料所对应的等效虚拟圆柱体的外径，d为等效虚拟圆柱体内径。