ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ С ВИБРАЦИОННОЙ ПОДОВОЙ ПЛАТФОРМОЙ

Полезная модель относится к области строительных материалов, а именно к технологическому оборудованию для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов.
Известна электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов (RU №2351862, МПК F27B 9/00, опубликовано 10.04.2009), содержащая плоские противни, выполненные из огнеупорного материала и установленные друг по отношению к другу под углом, снабженные электрическим нагревателями и крышками со съемными элементами, а электрические нагреватели выполнены в виде лент, установленных на ребро и размещены под крышками на поверхностях противней продольно, так что пространства между соседними нагревателями образуют продольные камеры.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются плоский противень, выполненный из огнеупорного материала, электрические нагреватели, размещенные под крышкой и крышка.
Указанная печь обладает следующими недостатками.
Первый недостаток. Вспучивающийся вермикулит движется по наклонным противням под действием сил тяжести, поэтому скорость его зерен в верхней части противней практически равна нулю, а в нижней части становится максимальной. В верхней части противня концентрация зерен максимальна и между ними практически нет пустот. Здесь они плотно заполняют пространство между соседними нагревателями, и те, что находятся непосредственно у нагревателей, получают максимум теплового излучения, а зерна в центральной части пространства, получают минимум теплового излучения: одни зерна затеняют другие. По мере движения скорость зерен возрастает, а пустоты между ними увеличиваются в размерах, концентрация зерен снижается, в нижней части противня она становится минимальной, а среднее расстояние между ними становится значительно больше условных диаметров самих зерен. Поэтому в средней, а особенно в нижней частях противня, зерна не только не затеняют друг друга, но, наоборот, удаляясь друг от друга, создают пустоты, в которых существенная часть теплового излучения нагревателей не поглощается вермикулитом, а нагревает воздух, движущийся в пространстве под крышкой навстречу потоку вермикулита из-за перепада температур в нижней и верхней частях противня, нагревает огнеупорное основание и крышку. Эта часть теплового излучения большей частью рассеивается за пределы пространств между соседними нагревателями, за пределы пространства между крышкой и противнем и рассеивается в пространство корпуса печи, а потом и в окружающую среду. Таким образом, ускоренное движение вспучивающихся зерен вермикулита под действием сил тяжести, вызывающее образование все возрастающих пустот между зернами, является причиной потерь тепловой энергии, причиной снижения коэффициента полезного действия печи и увеличения удельной энергоемкости обжига.
Вторым недостатком является то, что в данной печи невозможно управлять скоростью движения вспучиваемых вермикулитовых зерен по причине их ускоренного движения, предопределяемого действием сил тяжести. А это исключает возможность управления временем (продолжительностью) обжига.
Третьим недостатком является то, что большинство вермикулитовых зерен на значительных отрезках своего движения находятся в непосредственном контакте (скольжении) с нагревателями, а это приводит к постепенному (в зависимости от температуры нагревателей) налипанию мельчайших частиц различных не тугоплавких минералов, входящих в незначительных количествах в состав природного вермикулита. При этом на стенках нагревателей постепенно образуется нагар, который постепенно приводит к их локальному перегреву, перегоранию, отказу печи, ее вынужденному простою и необходимости ремонта.
Известна также электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов (RU №101789, МПК F27B 9/06, опубликовано 27.01.2011), содержащая плоские противни, выполненные из огнеупорного материала, установленные под углом друг к другу, снабженные электрическими нагревателями, расположенными на поверхности противней под крышками, перфорированные всасыватели, закрепленные продольно по отношению к верхним торцевым частям противней и бункер-осадитель с вытяжным вентилятором.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются плоский противень из огнеупорного материала, электрические нагреватели, размещенные под крышкой и крышка.
Указанная печь обладает и первым и вторым недостатками аналога, рассмотренного выше, но частично лишена третьего недостатка из-за наличия перфорированных всасывателей, «вытягивающих» мелкодисперсный вермикулит, а вместе с ним и мельчайшие частицы различных не тугоплавких минералов, входящих в состав природного вермикулита. Из-за этого нагар образуется существенно реже и отказы печи из-за перегорания нагревателей уменьшаются.
За прототип принята электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов (RU №154263, МПК F27B 9/06, опубликовано 20.08.2015), содержащая установленные под углом друг к другу электрифицированные противни из огнеупорного материала с электрическими нагревателями и термокрышками, снабженные рекуператорами тепловой энергии с перфорированными всасывателями, дополнительный не электрифицированный противень, перфорированные всасыватели, соединенные трубопроводами с тепловыми камерами упомянутого противня, которые в его нижней части соединены с вытяжным вентилятором и бункером-осадителем.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень из огнеупорного материала, электрические нагреватели и термокрышка.
Указанная печь в полной мере обладает и первым и вторым недостатками первого и второго аналогов, рассмотренных выше. Но она лишена третьего недостатка:
- во-первых из-за перфорированных всасывателей, «вытягивающих» мельчайшие частицы различных не тугоплавких минералов, входящих в состав природного вермикулита, из-за которых образовывается нагар;
- во-вторых, из-за наличия дополнительного неэлектрического противня, который позволяет снизить температурный режим основных электрифицированных противней и, тем самым, устранить налипание мельчайших частиц различных не тугоплавких минералов, входящих в состав вермикулита и образование нагара.
Задача заявляемой полезной модели направлена на создание движения вспучиваемого вермикулита в тепловом поле плотным потоком без существенных пустот между зернами с постоянной, но регулируемой скоростью и, как следствие, на уменьшение потерь теплового излучения электрических нагревателей, повышение к.п.д. печи и снижение удельной энергоемкости обжига.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении потерь теплового излучения за счет движения вспучиваемого вермикулита плотным потоком без пустот между зернами в тепловом поле на противне вибрационной подовой платформы.
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов, содержащая противень из огнеупорного материала, электрические нагреватели и термокрышку, дополнительно снабжена вибрационной подовой платформой, крепежными головками с зажимами для электрических нагревателей, блоками с проточками, термостойкими втулками из диэлектрического материала и вертикально висящими грузами, при этом вибрационная подавая платформа выполнена горизонтальной с эксцентриковым приводом, цилиндрическими и коническими пружинами, установленными с противоположных сторон платформы, оснащенной роликами, размещенными в направляющих рамы, противень установлен на платформе, а термокрышка закреплена на раме шарнирно над противнем с возможностью открывания до 180°, крепежные головки с зажимами для электрических нагревателей закреплены на одной стороне термокрышки, а блоки с проточкам из жаростойкой стали для удержания электрических нагревателей в натянутом состоянии установлены на другой ее стороне в горизонтальной плоскости и посажены на термостойкие втулки, которые через траверсы и стальные канатики соединены с вертикально висящими грузами, при этом канатики пропущены через другие блоки с проточками, имеющие диэлектрические втулки, посаженные на горизонтальную ось, закрепленную на термокрышке.
Уменьшение потерь теплового излучения и, как следствие, повышение к.п.д. печи и снижение удельной энергоемкости обжига вермикулита обеспечено тем, что вспучивающийся вермикулит движется в тепловом поле, создаваемом нагревателями, с постоянной по поверхности противня и максимальной концентрацией практически без пустот между зернами. Поэтому, из-за практически полного отсутствия указанных пустот, вся лучистая энергия от электрических нагревателей, падающая на противень, поглощается вспучивающимся вермикулитом. При этом скорость движения вермикулита по противню хотя и имеет пульсирующий характер из-за колебаний подовой платформы, средняя скорость потока вермикулитовых зерен на противне постоянна, но при необходимости может регулироваться, за счет изменения амплитуды виброскорости и амплитуды виброускорения управляемой вибрационной подовой платформы.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются вибрационная подовая платформа, крепежные головки с зажимами для электрических нагревателей, блоки с проточками, термостойкие втулки из диэлектрического материала и вертикально висящие грузы, при этом вибрационная подавая платформа выполнена горизонтальной с эксцентриковым приводом, цилиндрическими и коническими пружинами, установленными с противоположных сторон платформы, оснащенной роликами, размещенными в направляющих рамы, противень установлен на платформе, а термокрышка закреплена на раме шарнирно над противнем с возможностью открывания до 180°, крепежные головки с зажимами для электрических нагревателей закреплены на одной стороне термокрышки, а блоки с проточкам из жаростойкой стали для удержания электрических нагревателей в натянутом состоянии установлены на другой ее стороне в горизонтальной плоскости и посажены на термостойкие втулки, которые через траверсы и стальные канатики соединены с вертикально висящими грузами, при этом канатики пропущены через другие блоки с проточками, имеющие диэлектрические втулки, посаженные на горизонтальную ось, закрепленную на термокрышке.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 схематично показана электрическая печь с вибрационной подовой платформой (вид сбоку с вырезом в защитном щитке).
На фиг. 2 схематично показана электрическая печь с вибрационной подовой платформой (вид А).
На фиг. 3 показана схема закрепления электрических нагревателей на крепежных головках и их запасовка на блоках.
На фиг. 4 показан увеличенный фрагмент выреза на защитном щитке термокрышки печи.
На фиг. 5 показана амплитудно-частотная характеристика вибрационной подовой платформы с противнем.
На фиг. 6. показан график виброперемещения колебательной системы «пружины - платформа».
Электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов, показанная на фигурах 1, 2, 3 и 4 содержит противень 1 из огнеупорного материала (например из жаростойкой легированной стали), электрические нагреватели 2, термокрышку с защитным щитком 3, горизонтальную вибрационную подовую платформу (в дальнейшем платформа) с эксцентриковым приводом, содержащим эксцентрик 4, корпус с цилиндром 5, пустотелый плунжер 6 и пружину 7, вставленную внутрь плунжера 6. Цилиндрические 8 и конические 9 пружины (их может быть несколько) установлены с противоположных сторон платформы, снабженной осями 10 и роликами 11, размещенными в направляющих 12 рамы. На осях 10 закреплены продольные балки 13, к ним приварены поперечные пустотелые балки 14, а на них закреплены продольные пустотелые балки 15. Противень 1 закреплен на продольных балках 15 через термоизоляционные прокладки 16 винтами 17 и гайками 18. Между продольными 15 и поперечными балками 14 размещен термоизоляционный материал 19.
Термокрышка установлена на раме с помощью шарнира 20 и поперечных балок 21 над противнем 1 с возможностью открывания при повороте на угол до 180° для получения доступа к электрическим нагревателям 2. Крепежные головки 22 жестко закреплены на термокрышке через диэлектрические прокладки и имеют зажимы в виде пластин 23 и 24 с помощью которых резьбовыми соединениями 25 электрические нагреватели 2 закреплены на одной стороне термокрышки. С другой стороны термокрышки размещены блоки 26 с проточкам из жаростойкой стали, которые служат для удержания электрических нагревателей 2, размещенных в проточках, в натянутом состоянии силой F, равной весу грузов 27, подвешенных через стальные канатики 28, пропущенные через блоки 29, имеющие диэлектрические втулки 30, посаженные на горизонтальную ось 31, закрепленную на термокрышке. Блоки 29 благодаря диэлектрическим распорным втулкам 32 установлены относительно друг друга так, что расстояния r между полосами электрических нагревателей 2 является одинаковым на любом участке термокрышки. Ширина крепежных головок 22 и расстояние между ними в любой части термокрышки также имеют значение r. Этим достигается параллельность полос электрических нагревателей (вместо полос могут быть установлены проволочные электрические нагреватели круглого сечения).
Блоки 26 установлены в горизонтальной плоскости и посажены на термостойкие оси 33 из диэлектрического материала, которые через траверсы 34 соединены со стальными канатиками 28.
Термокрышка имеет термоизоляционный слой 35 и отражательную пластину 36 из полированной жаростойкой легированной стали, обладающей высокой отражательной способностью. Упомянутая пластина закреплена на термокрышке винтами 37, с помощью которых и благодаря втулкам 38 обеспечивается параллельность пластины 36 термокрышке и противню 1.
Чтобы под действием высокой температуры не происходило коробление противня 1 и отражательной пластины 36 они могут быть выполнены составными.
Электрическая печь для обжига вермикулитовых концентратов работает следующим образом. Электрические нагреватели 2 подключают к сети и прогревают рабочее пространство печи, находящееся между противнем 1 и отражательной пластиной 36 термокрышки. Быстрому прогреву печи, дальнейшему поддержанию высокой температуры в рабочем пространстве и минимизации потерь тепловой энергии способствует высокая отражательная способность отражательной пластины 36, низкая теплопроводность ее термоизоляционного слоя 35, термоизоляционные прокладки 16 и термоизоляционный материал 19, также обладающий низкой теплопроводностью. При нагревании электрические нагреватели 2, закрепленные на крепежных головках 22, из-за температурной деформации вытягиваются. Блоки 26, в проточки которых запасованы электрические нагреватели 2, через термостойкие оси 33, траверсы 34 и стальные канатики 28, пропущенные через блоки 29 с диэлектрическими втулками 30, посаженными на горизонтальной оси 31, соединены с вертикально висящими грузами 27, которые обеспечивают постоянное натяжение блоков 26 и электрических нагревателей 2 с силой F, чем исключается провисание электрических нагревателей 2.
1
2
2
Включают привод эксцентрика 4 (сам привод на фиг. не показан). Вращение эксцентрика 4 создает возвратно-поступательное движение пустотелого плунжера 6 в цилиндре корпуса 5, сжимающего-разжимающего пружину 7 с частотой возбуждения ƒ (Гц), благодаря чему возбуждаются колебания х горизонтальной вибрационной подовой платформы с противнем 1 и находящимся на нем вермикулитовым концентратом, подаваемым барабанным дозатором (на фиг. не показан) на левую часть поверхности противня 1. Горизонтальная вибрационная подовая платформа совершает однонаправленные колебания благодаря роликами 11, размещенным в направляющих 12 рамы. Совокупная жесткость цилиндрических 7, 8 и конических 9 пружин и масса горизонтальной вибрационной подовой платформы с противнем 1 (вес вермикулита не учитывается) определяют собственную частоту колебаний ƒ (Гц) колебательной системы «пружины - платформа».
1
2
1
2
1
2
При вращении эксцентрика 4 с частотой ƒ, равной частоте собственных колебаний ƒ, колебательной системы «пружины - платформа», противень 1 с горизонтальной подовой платформой вводится в резонанс и совершает несимметричные колебания, формирующиеся за счет переменной жесткости конических пружин 9. Любая колебательная система, имеющая конические пружины с одной стороны обладает, так называемой «мягкой» амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Данная колебательная система «пружины - платформа» также имеет мягкую АЧХ, показанную на фиг. 5. Вход в резонансный режим происходит в точке а в момент, когда частота возбуждения ƒ станет равной частоте собственной ƒ. В этот момент колебательная система «пружины - платформа» начнет совершать колебания с амплитудой, соответствующей точке А. После входа в резонанс можно изменять амплитуду резонансных колебаний системы «пружины - платформа» за счет расстройки частоты вращения эксцентрика (частоты возбуждения ƒ) с собственной частотой ƒ. При этом амплитуда колебаний А системы «пружина - платформа» будет определяться положением точек б, в, А и г на АЧХ, показанной на фиг. 5. График изменения виброперемещения для колебательной системы, находящейся в резонансе и имеющей конические пружины только с одной стороны, в том числе и рассматриваемой системы «пружина - платформа», имеет вид, показанный на фиг. 6.
Очевидно, что это несимметричные колебания, при которых, как известно, создается односторонний транспортный эффект (Бауман И.И., Быховский В.А. Вибрационные машины и процессы в строительстве. М., «Высш. школа», 1977, стр. 74), характеризуются тем, что максимальное абсолютное ускорение, направленное вправо не равно максимальному абсолютному ускорению, направленному влево. Если максимум ускорения вправо  больше (как в данном случае), чем максимум ускорения влево , и при этом будет выполняться условие:
где f - действительный коэффициент трения вермикулита по металлической поверхности противня 1, m - масса вермикулитовой частицы (кг) и G - вес вермикулитовой частицы (Н), то частица и весь поток вермикулитовых зерен будет двигаться вправо без отрыва от поверхности противня 1, при этом движение будет иметь однонаправленный пульсирующий характер. Это подтверждается и экспериментом с тележкой, подпружиненной конической и цилиндрической пружинами. Движение любого предмета относительно поверхности тележки при ее колебаниях направлено в сторону конической пружины.
1
2
2
Изменяя частоту возбуждения эксцентрика ƒ после начала резонансных колебаний в пределах от точки 6 до точки г, можно управлять виброперемещением х, амплитудой виброскорости ωА и амплитудой виброускорения ωА колебательной системы «пружина - платформа» (где ω=2πƒ), обеспечивая изменение средней скорости движения вермикулита по противню 1 горизонтальной вибрационной подовой платформы и управление временем (продолжительностью) обжига.
Так как вермикулитовые зерна находятся под непосредственным тепловым излучением, идущим от электрических нагревателей 2, то они поглощая эту энергию вспучиваются и в готовом виде выходят из печи.
Подбирая время обжига и температуру электрических нагревателей, можно настроить работу печи на требуемый режим в зависимости от размерности вермикулитового концентрата и его вида.
Так достигается технический результат полезной модели, заключающийся в уменьшении потерь теплового излучения за счет движения вспучиваемого вермикулита плотным потоком без пустот между зернами в тепловом поле на противне вибрационной подовой платформы.