ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ОБЖИГА ВЕРМИКУЛИТА

Полезная модель относится к области строительных материалов, а именно к технологическому оборудованию для производства 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 электрическими нагревателями и крышками со съемными элементами, а электрические нагреватели выполнены в виде лент, установлены 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 противни, выполненные из огнеупорного материала и установленные под углом, электрические нагреватели, выполненные в виде лент и размещенные под крышкой продольно, и крышки.
Указанная печь обладает следующим недостатком. Поток зерен вспучивающегося вермикулита по наклонным противням движется за счет сил тяжести ускоренно. В верхней части противней средний шаг между зернами δ примерно равен диаметру вспучивающегося зерна D, а зазор между ними примерно равен нулю. В средней части противня и на выходе из него шаг δ значительно возрастает и тепловое поле, формируемое электрическими нагревателями здесь, испускает лучистую энергию в основном в пространство между поверхностью противня и его крышкой, нагревая воздух, основание, стенки и крышку, лишь частично попадая на зерна вспучивающегося вермикулита.
Из-за ускорения невозможно создать движение вспучивающихся зерен плотным потоком с минимальным и не увеличивающимся по мере движения шагом δ между ними. Это ограничивает производительность печи, так как при движении плотным однослойным потоком через поперечное сечение противней на выходе из них проходило бы большее количество вермикулита за единицу времени.
3
Например, для опытно-промышленной печи, описанной в монографии [Нижегородов А.И. Технологии и оборудование для переработки вермикулита: оптимальное фракционирование, электрический обжиг, дообогащение - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, - 2011. - 172 с.] время обжига t (время прохождения вермикулита по трем противням печи) составляет 2,84 с при производительности по вспученному вермикулиту П (1,75 м/час). При ширине противня 96 см и его длине 89 см в пересчете на вспученный вермикулит суммарный объем зерен, одновременно находящихся на трех противнях печи, равен:
Σ
пор
3
3
V=П⋅t⋅(1-к)/3600=0,0008766 м=876600 мм,
пор
3
2
где к - коэффициент пористости вспученного вермикулита в массиве (~ 0,365). Объем одного зерна, вспученного из частицы со средним условным диаметром D=4 мм, равен 33,5 мм. Тогда количество таких зерен, одновременно находящихся в печи, равно 876600/33,5=26167 шт, а на одном модуле: 26167/3=8722 шт. Концентрация вермикулита на одном модуле в среднем равна 8722/(96×89)=1,0208 шт/см. Такая низкая концентрация обусловлена как раз тем, что расстояние между зернами δ по мере их движения все время возрастает. Повысить среднюю концентрацию и производительность печи можно было бы за счет увеличения подачи вермикулитового концентрата дозатором. Но увеличить его подачу невозможно, так как в верхних частях противней вермикулит начинает скапливаться и образовывать несколько слоев, которые постепенно перекрывают электрические нагреватели по высоте. Это приводит к их локальной термоизоляции, отвод тепла с их поверхностей в верхних частях противней резко снижается, они перегреваются и, наконец, перегорают, а это приводит к отказу печи.
Известна также электрическая печь для обжига вермикулита (RU №108128, МПК F27B 15/14, опубликовано 10.09.2011), содержащая противни, выполненные из огнеупорного материала и установленные по отношению друг к другу под углом, обеспечивающим пересыпание сырья в процессе обжига с одного противня на другой, снабженные нагревателями, выполненными в виде лент, установленными на ребро и размещенными под крышками на поверхности противней продольно. Печь снабжена головками с параллельными гранями для крепления нагревателей, установленными на панелях в задних частях противней.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противни, выполненные из огнеупорного материала и установленные под углом, нагреватели, выполненные в виде лент и размещенные под крышками продольно противням, сама крышка и головки с параллельными гранями для крепления нагревателей.
Указанная печь в полной мере обладает недостатком первого аналога, рассмотренного выше.
За прототип принята электрическая печь для обжига вермикулита (RU №141915, МПК F27B 15/14, опубликовано 20.06.2014), содержащая противни, выполненные из огнеупорного материала, установленные по отношению друг к другу под углом, имеющие нагреватели, выполненные в виде лент, установленные на ребро и размещенные под крышками продольно противням, при этом нагреватели закреплены на крепежных головках, имеющих параллельные грани для обеспечения их параллельной установки, сами головки размещены на панелях, при этом противни имеют возможность изменения положения от наклонного до горизонтального.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противни, выполненные из огнеупорного материала и установленные наклонно с возможностью изменения их положения от горизонтального до наклонного, нагреватели, выполненные в виде лент, установленные на ребро и размещенные под крышками продольно и сами крышки; при этом нагреватели закреплены на головках, имеющих параллельные грани.
Рассмотренная печь в полной мере обладает вышеуказанным недостатком первого и второго аналогов.
В рассмотренных аналогах и прототипе нагреватели каждого противня подключены к одной фазе трехфазной электросети.
Задача заявляемой полезной модели, благодаря созданию движения вспучивающегося вермикулита по поверхности противней в тепловом поле электрических нагревателей плотным потоком с не увеличивающимся по мере движения шагом δ между его зернами, направлена на увеличение производительности при неизменном уровне потребления электрической энергии и, в конечном итоге, на уменьшение удельной энергоемкости обжига вермикулита.
2
-9
3
3
Σ
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении удельной энергоемкости обжига вермикулита путем увеличения производительности, достигаемого за счет создания его движения в тепловом поле электрических нагревателей плотным потоком с минимальным шагом δ между зернами. Движение вермикулитового потока организовано так, что соблюдается примерное равенство δ≈D (например, D=4 мм), при котором зерна практически прилегают друг к другу и занимают всю поверхность противня в один слой. Если его размеры 960×890 мм, то количество зерен по ширине и длине противня будет равно соответственно 960/4=240 шт. и 890/4=222 шт., а их общее количество на поверхности противня будет равно 53280 шт. При этом концентрация вермикулита на противне определится отношением 53280/(96×89)=6,23 шт/см (в шесть раз больше), а объем V будет равен 53280⋅33,5⋅10 м. При времени движения t=2,84 с. производительность только одного противня печи будет равна, м/час:
Σ
пор
-9
3
П=(V⋅3600)/t⋅(1-к)=(53280⋅33,5⋅10⋅3600)/2,84⋅(1-0,365)=3,56 м/час.
3
Для печи, состоящей из трех противней, производительность составит 10,68 м/час, что в шесть раз больше, чем производительность опытно-промышленной печи, рассмотренной выше.
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая печь для обжига вермикулита, содержащая противни, выполненные из огнеупорного материала и установленные с возможностью изменения угла установки от горизонтального до наклонного положения, крышки и нагреватели, выполненные в виде лент, установленные на ребро, размещенные под крышками продольно противням и закрепленные на головках, имеющих параллельные грани, дополнительно содержит бункеры, установленные один за другим и единое подвижное подпружиненное с обеих сторон основание, благодаря эксцентриковому приводу совершающее продольные колебания и вызывающее пульсирующее движение вермикулитовых зерен в одну сторону с постоянной средней скоростью плотным однослойным потоком, с минимальным и не увеличивающимся шагом между зернами, вспучивающимися в тепловом поле электрических нагревателей. Противни с крышками расположены на упомянутом основании один за другим, электрические нагреватели, закрепленные на упомянутых головках консольно, установлены продольно над поверхностями противней с регулируемым зазором, изменяемым при настройке печи на различные по крупности фракции обжигаемого вермикулитового концентрата. На противнях со стороны консолей электрических нагревателей закреплены лотки с двумя параллельными друг другу стенками, параллельными поверхностям противней, каждый бункер со стороны лотков имеет прорезь и вертикальную заслонку, регулирующую высоту откоса вермикулитового концентрата, высыпающегося из прорези на горизонтальную пластину, являющуюся днищем бункера и входящую своим концом в пространство между параллельными верхней и нижней стенками соответствующего лотка. Верхняя поверхность верхней стенки каждого лотка выполнена с направленной в сторону противней насечкой, обеспечивающей одностороннее движение частиц вермикулитового концентрата в сторону упомянутых противней. При колебаниях лотков противней, происходящих совместно с колебаниями единого подвижного основания, верхние поверхности верхних стенок лотков входят в откосы вермикулитового концентрата, высыпающегося из прорезей в бункерах на горизонтальные пластины их днищ так, что насечки верхних пластин захватывают при каждом колебании некоторое количество вермикулитового концентрата, чем обеспечивают его движение к поверхностям противней со стороны упомянутых консолей в сторону упомянутых головок, где он подвергается обжигу, проходя под электрическими нагревателями. Изменение положения вертикальных заслонок, регулирующих высоту упомянутых откосов, позволяет увеличивать или уменьшать количество вермикулитового концентрата, поступающего на поверхности противней. Для минимизации тепловых потерь единое подвижное основание выполнено в местах расположения противней из полых балок прямоугольного сечения в виде решетки с термоизоляционным материалом, размещенным меду балками и внутри них. Крышки противней также покрыты термоизоляционным материалом. Как и в рассмотренных аналогах и прототипе, нагреватели каждого противня подключены к одной фазе трехфазной электросети.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются бункеры, единое подвижное подпружиненное с обеих сторон основание, снабженное эксцентриковым приводом, противни, расположенные на упомянутом основании один за другим, нагреватели, закрепленные на головках консольно и установленные продольно над поверхностями противней с регулируемым зазором, лотки с двумя стенками, параллельными поверхностям противней, закрепленные на них со стороны консолей нагревателей, бункеры имеют прорези и вертикальные заслонки со стороны лотков и горизонтальные пластины, являющиеся днищами бункеров и входящие своими концами в пространство между параллельными стенками соответствующих лотков, верхние поверхности верхних стенок которых выполнены с направленной в сторону противней насечкой, а единое подвижное основание состоит из полых балок прямоугольного сечения, собранных в виде решетки с термоизоляционным материалом, размещенным меду балками и внутри них.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Электрическая печь для обжига вермикулита поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана электрическая печь для обжига вермикулита.
На фиг. 2 показана электрическая печь для обжига вермикулита (вид сверху).
На фиг. 3 показан узел сопряжения лотка с пластиной-днищем бункера при открытой заслонке.
На фиг. 4 показан узел сопряжения лотка с пластиной-днищем бункера при частично прикрытой заслонке.
На фиг. 5 показан узел сопряжения лотка с пластиной-днищем бункера при частично прикрытой заслонке и при наклонном положении электрической печи для обжига вермикулита.
На фиг. 6 показан лоток.
Электрическая печь для обжига вермикулита, фиг. 1 и 2, имеет раму 1 с опорами 2 и регулируемыми опорами 3, снабженными винтами. На раме 1 с помощью подшипников 4 установлено единое подвижное основание 5, подпружиненное слева цилиндрическими пружинами 6 с регулировочными винтами 7 и справа - коническими пружинами 8. Единое подвижное основание 5 через цилиндрическую пружину 9 и плунжер 10, размещенный в цилиндре 11, связано с эксцентриковым приводом 12. На едином подвижном основании 5 закреплены пустотелые балки противней 13, 14 и 15, промежутки между ними, пространство внутри них, а также крышки противней заполнены термоизоляционным материалом 16. Противни 13, 14 и 15 выполнены из огнеупорного материала, например из жаростойкой стали.
На раме 1 установлены панели 17, на которых закреплены головки 18 с параллельными гранями, удерживающие консольно закрепленные на головках 18 электрические нагреватели 19, выполненные из нихрома в виде лент. Электрические нагреватели 19 закреплены на головках 18 так, что по всей длине противней 13, 14 и 15 зазор между ними и поверхностями противней постоянен, но может регулироваться в пределах 3…8 мм за счет прокладок, которые устанавливаются между панелями 17 и головками 18. Электрические нагреватели 19 каждого из противней 13, 14 и 15 подключены к одной фазе трехфазной электросети. На едином подвижном основании 5 закреплены вертикальные лотки 20, плотно присоединенные к противням 13, 14 и 15 справа. На торцевых частях противней 13, 14 и 15 слева со стороны консолей электрических нагревателей 19 закреплены термоизолирующие панели 21, а на них, параллельно основаниям противней 13, 14 и 15 закреплены лотки 22 с двумя параллельными стенками, параллельными поверхностям противней 13, 14 и 15, фиг. 1, 2, 3, 4 и 5. Рядом с лотками 22 на раме 1 установлены бункеры 23, которые имеют прорези и вертикальные заслонки 24, регулирующие высоту откоса вермикулитового концентрата, высыпающегося из прорезей бункеров 23 на горизонтальные пластины 25, входящие своими концами в пространство между параллельными верхней и нижней стенками соответствующих лотков 22. Верхняя поверхность верхней стенки каждого лотка 22 выполнена с направленной в сторону противней насечкой, фиг. 6.
Электрическая печь для обжига вермикулита работает следующим образом. Рама 1 с помощью опор 2 и регулируемых опор 3 может быть выставлена как в горизонтальное, так и наклонное (с уклоном вправо) положение в зависимости от требуемой средней скорости движения вспучивающегося вермикулита по противням 13, 14 и 15.
Рассмотрим работу электрической печи для обжига вермикулита в горизонтальном положении. При запуске эксцентрикового привода 12 плунжер 10 совершает возвратно-поступательное движение в цилиндре 11 с амплитудой, равной величине эксцентриситета. Плунжер 10, сжимая пружину 9, возбуждает колебания единого подвижного основания 5 вместе с противнями 13, 14 и 15 относительно положения статического равновесия. Частота и амплитуда этих колебаний регулируются при изменении частоты вращения эксцентрикового привода 12, с помощью которого единое подвижное основание 5 может вводиться в резонансный режим или частично отводиться от него, в зависимости от степени близости частоты возвратно-поступательного движения плунжера 10 и собственной частоты колебаний единого подвижного основания 5 с противнями 13, 14 и 15. Вспучивающиеся зерна вермикулита, находящиеся на поверхностях указанных противней благодаря несимметричным колебаниям из-за конических пружин 8 (при горизонтальном положении рамы 1), а так же благодаря наклону рамы 1 (при ее уклоне вправо), движутся слева направо под электрическими нагревателями 19 в их тепловом поле в течение 2,5…3,5 с. и, вспученные, выпадают в лотки 20, а затем в неподвижный бункер 26. Движение вермикулита по поверхностям противней 13, 14 и 15 имеет пульсирующий характер, но движутся они с постоянной средней скоростью, которая может регулироваться за счет изменения амплитуды и частоты колебаний, а так же угла наклона единого подвижного основания 5. В моменты реверсирования движения единого подвижного основания 5, когда его скорость проходит через нулевые значения (в крайнем правом и крайнем левом положениях), ускорения единого подвижного основания 5 максимальны. Но из-за конических пружин 8 колебания единого подвижного основания 5 несимметричны, поэтому его ускорение в крайнем правом положении больше, чем в крайнем левом положении. Поэтому частицы вспучивающегося вермикулита за счет сил инерции, направленных вправо, которые больше сил инерции, направленных влево, имеют постоянное пульсирующее движение слева направо. Это так называемый «транспортный эффект» при не симметричных колебаниях, хорошо известный и описанный в литературе, например в [Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. / Под ред. В.Н. Челомей - М.: Машиностроение, 1981. - Т. 4. Вибрационные процессы и машины / под. ред. Э.Э. Лавендела. 1981. 509 с.].
Подача вермикулитового концентрата из бункеров 23 на противни 13, 14 и 15 осуществляется следующим образом. На термоизолирующих панелях 21 противней 13, 14 и 15 со стороны консолей электрических нагревателей 19 закреплены лотки 22 с двумя параллельными друг другу стенками, параллельными поверхностям противней 13, 14 и 15, а каждый бункер 23, со стороны лотков имеет прорезь и вертикальную заслонку 24, регулирующую высоту откоса вермикулитового концентрата, высыпающегося из прорези на горизонтальную пластину 25, являющуюся днищем бункера и входящую своим концом в пространство между параллельными верхней и нижней стенками соответствующего лотка 22. Верхняя поверхность верхней стенки каждого лотка 22 выполнена с направленной в сторону противней насечкой, обеспечивающей одностороннее движение частиц вермикулитового концентрата в сторону противней 13, 14 и 15. При колебаниях лотков 22, происходящих совместно с колебаниями единого подвижного основания 5, верхние поверхности верхних стенок лотков 22 входят в откосы вермикулитового концентрата, высыпающегося из прорезей в бункерах на горизонтальные пластины 25 их днищ так, что насечки верхних пластин захватывают при каждом колебании некоторое количество вермикулитового концентрата и обеспечивают его движение к поверхностям противней 13, 14 и 15 со стороны консолей электрических нагревателей 19. Нижние поверхности верхних пластин лотков 22 также за счет трения захватывают незначительное количество вермикулитового концентрата, который по верхним поверхностям нижних пластин поступает на поверхности противней 13, 14 и 15. Изменение положения вертикальных заслонок 24, регулирующих высоту откосов вермикулитового концентрата, позволяет увеличивать или уменьшать его количество, поступающее на поверхности противней 13, 14 и 15. Таким образом, происходит настройка на режим движения вспучивающихся зерен вермикулита в тепловом поле электрических нагревателей 19 с минимальным и не увеличивающимся по мере движения шагом δ между ними в один слой. За счет движения вспучивающихся вермикулитовых зерен в тепловом поле электрических нагревателей 19 плотным потоком с минимальным и не увеличивающимся по мере движения шагом δ между ними за единицу времени через поперечное сечение противней 13, 14 и 15 проходит значительно большее количество вермикулита, чем в выше рассмотренных аналогах и прототипе. Так как противни 13, 14 и 15 расположены на едином подвижном основании 5 один за другим, вспучивающийся вермикулит не пересыпается с одного противня на другой, как у рассмотренных аналогов и в прототипе, а его потоки на каждом противне 13, 14 и 15 суммируются, производительность электрической печи для обжига вермикулита увеличивается примерно втрое, уровень теплового излучения электрических нагревателей 19 остается прежним, при этом большая часть теплового излучения, идущего от электрических нагревателей 19, не рассеивается, как в выше рассмотренных аналогах и прототипе, а поглощается зернами вспучивающегося вермикулита и тепловые потери становятся минимальными. Уменьшению тепловых потерь способствуют также термоизоляция 16.
Из-за шестикратного повышения производительности, сохранения уровня теплового излучения нагревателей практически не возрастающим (по сравнению с аналогами и прототипом) и снижения тепловых потерь удельная энергоемкость обжига вермикулита значительно уменьшается.
Так достигается технический результат полезной модели, а именно уменьшение удельной энергоемкости обжига вермикулита путем увеличения производительности, достигаемого за счет создания его движения в тепловом поле электрических нагревателей плотным потоком с минимальным шагом между зернами.