邱 楠，韓嘉誠

（武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 項目背景

粉體工程是對粉體及其制備、加工、處理和應(yīng)用的一門新興學(xué)科。2010 年以來，中國的粉體工業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)值占到中國第一、二產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值總和的50%以上，在整個國民經(jīng)濟中具有十分重要的戰(zhàn)略地位[1]。球磨機作為粉體加工設(shè)備，在處理礦石、電力、冶煉等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)階段輥壓機和球磨機所組成的粉磨系統(tǒng)市場占有率已達68%，而含球磨機系統(tǒng)高達80%[2]。

據(jù)統(tǒng)計[3]，全世界用于粉磨作業(yè)消耗的電能占到了全世界總耗電量3%～4%，但實際中粉碎物料的電能利用率僅為2%～7%，其中絕大部分能量以熱量的形式耗散掉了。球磨機出料常常擁有較高的溫度，原因有研磨體與襯板之間的沖擊和摩擦產(chǎn)生的大量熱量、物料細度要求過細而導(dǎo)致散熱變差、球磨機通風(fēng)不夠好或入磨物料溫度過高等等。本項目設(shè)計了一種能夠回收球磨機出料熱量的裝置，在不影響球磨機的工作的情況下獲得大量可以利用的熱源。

2 項目設(shè)計方案

2.1 總體方案設(shè)計

根據(jù)功能，本項目的設(shè)計要求為：①采用合理的處理方案，讓裝置可以在盡量不影響球磨機工作的前提下，對球磨機出料熱能進行回收；②設(shè)計合理的換熱轉(zhuǎn)移模塊，使裝置能夠在獲取足夠的熱量之后再應(yīng)用在其他場景；③優(yōu)化實現(xiàn)方案，降低工作人員的操作煩瑣性，提高工作人員使用的舒適度。

基于以上要求，本項目設(shè)計的對球磨機出料熱能的回收利用裝置如圖1 所示。該裝置包含4 大功能模塊，分別為熱能回收模塊、熱能存儲模塊、水溫檢測控制模塊和熱能轉(zhuǎn)移使用模塊。

圖1 裝置整體及各模塊分布示意圖

整體安裝在球磨機的出料口（球磨機出料口支撐裝置、保溫覆蓋膜以及管道加強筋緊固部分圖中并未給出），研磨產(chǎn)物流出時經(jīng)過裝置達到換熱回收熱量的目的。裝置應(yīng)用場景示意圖如圖2 所示。

圖2 裝置應(yīng)用場景示意圖

2.2 熱能回收模塊

熱能回收模塊主要由換熱管道與循環(huán)管道構(gòu)成，整體材料采用304 不銹鋼，管道外部均采用聚氨酯硬泡噴涂的保溫管道，研究表明[4]，此材料具有良好的保溫和防水密封功效。管道剖面如圖3 所示。

圖3 管道剖面圖

2.2.1 換熱管道

換熱壁面采用圓筒結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的球磨機絕大多數(shù)出料口為圓形，因此本裝置為了普適性[5]，采用圓筒狀換熱結(jié)構(gòu)，全方位回收球磨機出料余熱。

2.2.2 循環(huán)管道

換熱管道整體為如圖4 所示的特殊結(jié)構(gòu)，內(nèi)部充滿水進行循環(huán)換熱。外側(cè)循環(huán)管道與換熱管道的同心筒形管道相切，保證了液體形成對流現(xiàn)象產(chǎn)生自循環(huán)的流暢。水流通過進水口來到管道內(nèi)，經(jīng)過換熱管道時溫度升高，密度減小，有向上運動的趨勢，因中間管道開始時處于進水狀態(tài)，溫度高的水流從兩邊向上運動，再經(jīng)由中間管道回到下半部分，停止進水后，形成的自然對流仍可繼續(xù)，輔助加熱管道內(nèi)的水。

圖4 管道截面圖

管道頂端為進水口，可進行投放相變蓄熱球和充水。上部中心管道內(nèi)有氣墊作為軟性阻力機構(gòu)，以此來減緩相變蓄熱球體下落時的沖擊力，減少對管道內(nèi)部的破壞。氣墊示意圖如圖5 所示。管道底端為排水口和排球口，出口處有一挑球裝置即防卡死裝置，如圖6 所示，與裝置內(nèi)殼鉸連接，外手柄的轉(zhuǎn)動將改變換熱管道內(nèi)部蓄熱球的靜止位置，防止在出球過程中出現(xiàn)兩球相碰恰好堵住出口的現(xiàn)象。

圖5 氣墊示意圖

圖6 底部結(jié)構(gòu)圖

2.3 熱能儲存模塊

熱能儲存模塊主要采用相變蓄熱球儲熱。相變蓄熱球表面為不銹鋼，內(nèi)部封裝PCM（相變材料）[6]。通過查閱現(xiàn)有可選相變材料及其熱物性參數(shù)[7]，選用石蠟（添加膨脹石墨）為相變材料。其熔點較高，能在相變釋放熱量過程中能將水溫提升至40 ℃左右，可供于洗澡用的熱水以及寒冷天氣的取暖。不僅如此，其溶解熱較多，導(dǎo)熱系數(shù)較高，密度較低且變化量不大。以上熱物性均能保證熱量釋放較多，釋放熱量較快，能增強能量的可利用性。

相變蓄熱球采用2 種規(guī)格，球徑分別為100 mm和160 mm。采用小直徑的蓄熱球體放熱快，但是無法長久將水溫維持在一定溫度。采用大直徑的相變蓄熱球，可以長時間釋放熱量，但是無法快速將水溫提升到所需溫度。因此，本裝置內(nèi)的相變蓄熱球投放大小2種，彌補各種規(guī)格的相變蓄熱球的不足，保證實際供暖既能較為迅速，又能保溫持久。

2.4 水溫監(jiān)測控制模塊

控制電路模塊嵌入在換熱壁內(nèi)靠近入水處，內(nèi)有溫敏元件，當(dāng)系統(tǒng)檢測到換熱管道上方水域的溫度達到所設(shè)目標(biāo)值（根據(jù)產(chǎn)物溫度，釋放熱量位置所需溫度綜合設(shè)置），則開始計時。當(dāng)換熱時間達到相變蓄熱球完全相變的理論值時，系統(tǒng)輸送高電平信號，觸發(fā)警示燈。

2.5 熱能轉(zhuǎn)移使用模塊

熱能轉(zhuǎn)移使用模塊采用移動水箱來改變熱水與相變蓄熱球釋放熱量的位置。移動水箱示意圖如圖7 所示，其壁面材料使用聚氨酯泡沫塑料，其具有質(zhì)量輕、比強度高、防水性能優(yōu)秀、保溫性能極佳的優(yōu)良特性。箱體上方有一四棱臺形的進水口及進球口，表面有聚氨酯內(nèi)充氣的氣墊用于緩沖從換熱模塊出口落下的相變蓄熱球。移動水箱用于容納相變蓄熱球和換熱模塊內(nèi)的熱水。箱體上部為帶有密封橡膠圈的柜門，保證裝置的密封性。箱體下部有可鎖定的移動裝置，方便運輸、接收熱水和相變蓄熱球[8]。

圖7 移動水箱示意圖

2.6 裝置工作流程

如圖8 所示，裝置的具體工作流程為：首先球磨機正常運作，產(chǎn)物自然流出。裝置內(nèi)流水自動與碾磨后產(chǎn)物進行換熱并在換熱模塊內(nèi)部產(chǎn)生對流現(xiàn)象。與此同時，相變蓄熱球吸熱?？刂齐娐穼崟r檢測換熱管道上部的水溫，若是達到設(shè)定的理論值便開始計時。當(dāng)暫存時間達到設(shè)定周期時，觸發(fā)指示燈，提醒工作人員打開換熱管道下部的出口獲得相變蓄熱球以及高溫?zé)崴?/p>

圖8 工作流程示意圖

3 項目的研究基礎(chǔ)和可行性分析

3.1 研究基礎(chǔ)

有文獻指出[9]，對于使用鋼珠作為碾磨介質(zhì)的球磨機，在其碾磨過程中，球磨機內(nèi)鋼珠自身的機械能一部分轉(zhuǎn)化為破碎礦石的有用功，還有很大一部分轉(zhuǎn)化成了熱能和噪聲。濕式球磨機熱量耗散現(xiàn)象更為明顯，其出口的氣流溫度較高。而大型球磨機的功率較高，型號規(guī)格為Φ900 mm×1 800 mm 的球磨機消耗功率為18.5 kW。若能部分利用如此龐大的熱能，則裝置的收益性較強。

設(shè)使用的物料為水泥，根據(jù)相關(guān)要求[10]，出料的水泥溫度不宜超過110 ℃，否則會對球磨機和水泥自身的品質(zhì)產(chǎn)生影響。因此設(shè)水泥的出料溫度為80 ℃。由導(dǎo)熱傅里葉定律可得：

式（1）中：Φ為熱通量，W；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，表征材料導(dǎo)熱性能優(yōu)劣的熱物性參數(shù)，W/（m·K）；A為接觸面積，m2；ΔT為換熱表面上下面溫度差，K；δ為換熱表面厚度，m。

通過查詢可得，304 不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為15W（/m·K）。根據(jù)以上的球磨機規(guī)格可估算得本裝置換熱的接觸面積為0.212 m2，δ取0.01 m。從而可以算與20 ℃的介質(zhì)進行換熱時，其熱通量Φ可達到19.08 kW。可見裝置可回收的熱量較多，球磨機又有較佳的能量回收必要性，且市面上并沒有回收球磨機的余熱的裝置，本裝置的獨創(chuàng)性較強。

3.2 可行性分析

3.2.1 相變蓄熱時間分析

以規(guī)格為Φ900 mm×1 800 mm 的球磨機為例，本裝置換熱管道內(nèi)的蓄水量約為5.18 m3。根據(jù)公式可得理論加熱水時間t0為：

式（2）中：C為比熱容，J/（kg·K）；ρ為密度，kg/m3；V為體積，m3；ΔT為溫度差，K。

將水的物理參數(shù)代入計算，假定常溫水為20 ℃。則可得理論加熱水時間t0為7.6 h。由于換熱管道內(nèi)部存在著對流現(xiàn)象，實際加熱時間將會極小于理論加熱水時間。由上述可知，石蠟（添加膨脹石墨）的導(dǎo)熱系數(shù)較高，在理論時間內(nèi)足以接近完全相變并且自身溫度與水溫相等。而工廠內(nèi)球磨機的工作時間近乎為全天候運作，1 d 內(nèi)便能加熱至少3 個周期的量的相變蓄熱球。

3.2.2 放熱可行性分析

不同直徑相變蓄熱球的出口水溫-時間如表1 所示。實驗表明，采用直徑100 mm 的相變蓄熱球由于其小直徑，放熱效率高，浸泡于流速為0.15 m/s 的水流中，將水溫提升至40 ℃僅需31.23 min，但其保溫持續(xù)時間僅為4.73 h。而直徑160 mm 的相變蓄熱球，放熱效率低，但其保溫持續(xù)時間能達到8.33 h。因此分析可得，將上述獲得球磨機產(chǎn)物大量余熱的相變蓄熱球釋放出的熱量可供長時間作為地板下取暖水管內(nèi)的循環(huán)水使用。人體適宜洗澡水溫度為34～36 ℃，而本裝置中的相變蓄熱球能夠?qū)崿F(xiàn)此溫度，可見本裝置具有放熱可行性。

表1 不同直徑相變蓄熱球的出口水溫-時間表[11]

4 項目創(chuàng)新點

4.1 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

采用類三頸結(jié)構(gòu)的換熱管道，根據(jù)水溫度及密度的變化在管道內(nèi)實現(xiàn)液體的自然對流達到循環(huán)效果。結(jié)合相變蓄熱球的使用，通過將不同規(guī)格的相變蓄熱球混搭，彌補各自規(guī)格的缺陷，實現(xiàn)更好的放熱效果。通過移動水箱的設(shè)計，實現(xiàn)回收熱能在不同地點的靈活釋放使用。

4.2 功能創(chuàng)新

利用對流換熱，實現(xiàn)了對球磨機出料攜帶廢熱的高效回收，利用相變蓄熱技術(shù)，通過蓄熱球內(nèi)相變材料轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過程吸收大量熱量，實現(xiàn)了對回收熱能的有效存儲，并通過移動水箱將回收儲存的熱能轉(zhuǎn)移到其他地方使用。

4.3 應(yīng)用創(chuàng)新

該裝置不僅可以用于球磨機出料的高熱回收利用，還可進一步拓展應(yīng)用于其他有相似結(jié)構(gòu)的器械廢熱的回收利用，如水泥回轉(zhuǎn)窯余熱回收等。

5 應(yīng)用前景

本裝置設(shè)計了一種使用相變蓄熱技術(shù)的球磨機出料的余熱回收裝置。目前中國科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，隨之而來的是對能源的大量需求，因此怎樣更好地提高能量利用率成了新的時代話題。現(xiàn)有的球磨機運行效率極低，存在大量的能源浪費，熱氣多，導(dǎo)致工廠溫度上升等問題?；诒狙b置能夠有效轉(zhuǎn)移球磨機出料余熱的特點，在未來將更為重視能源利用率的社會環(huán)境下，本裝置會在工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并提供大量可用于取暖和洗澡的熱源。此外，本裝置拓展使用領(lǐng)域廣泛，符合國家相關(guān)的扶持政策，具有良好的應(yīng)用前景。