ЭЛЕМЕНТ НАСАДКИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к черной и цветной металлургии, к конструктивным элементам воздухонагревателей доменных печей, в частности, регенеративных нагревателей, в которых насадка формируется из упорядоченно расположенных элементов определенной формы, имеющих сквозные каналы для прохода газов. Полезная модель может быть использована также в других областях техники, где используются процессы теплообмена между протекающими через насадку нагревающими и нагреваемыми газами, например, при тепловой обработке металлов в пламенных печах прямого и косвенного нагрева, в котельных установках тепловых электростанций и промышленных предприятий.
В стандарте [ГОСТ 20901-75, стр 9, изделие №80] представлен элемент насадки (кирпич насадочный шестигранный) в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми поверхностями, содержащего семь параллельных боковым поверхностям сквозных отверстий (каналов), выполненных диаметром 40 мм, и содержащий три пары фиксирующих элементов. Каждая пара фиксирующих элементов включает выступ и углубление, при этом фиксирующий выступ расположен на одном конце сквозного канала, а соответствующее ему углубление расположено на другом конце этого же канала.
Используемый в указанном аналоге увеличенный диаметр каналов не является наилучшим для получения оптимальных параметров теплообмена насадки воздухонагревателя, составленной их таких элементов насадки. Это является недостатком аналога.
Наиболее близким к полезной модели (прототипом) является элемент насадки [патент России 80126] в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми поверхностями, содержащий тридцать семь сквозных каналов, параллельных боковым поверхностям, выполненных диаметром 17÷23 мм, и включающий три пары фиксирующих элементов, каждая из которых состоит из выступа и углубления, расположенных на параллельных друг другу поверхностях вокруг концов одного из сквозных каналов, не затрагивая соседних каналов. Все сквозные каналы в элементе насадки по прототипу расположены относительно друг друга в соответствии с взаимосвязью расстояния между каналами и их радиусом, выраженной соотношением
t=10+25/R,
(1)
где:
t - расстояние между цилиндрическим поверхностями соседних каналов, измеренное по линии, соединяющей центры их поперечных сечений, мм;
R - радиус каждого канала, находящийся в пределах от 8,5 до 11,5 мм.
Использование в прототипе элемента насадки каналов с диаметром 17÷23 мм и соотношения (1) обеспечивает достижение оптимального отношения между массой элемента насадки и поверхностью каналов элемента насадки, соприкасающейся с газами, повышение удельной поверхности нагрева этого элемента насадки и эффективности теплообмена. Обеспечивается возможность создания воздухонагревателей с меньшей массой насадки и уменьшенными габаритами. При использовании соотношения (1) расстояние между каналами составляет 12÷13 мм.
Недостатком прототипа является пониженная прочность фиксирующих выступов вследствие уменьшенных расстояний между каналами.
Задачей создания предложенной полезной модели является обеспечение повышения прочности фиксирующих выступов.
Задача решена тремя вариантами полезной модели, прототипом каждого из которых является указанный выше элемент насадки по патенту России 80126.
Для решения поставленной задачи в элементе насадки по первому варианту в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми поверхностями, включающием не менее семи параллельных боковым поверхностям сквозных каналов, шесть из которых выполнены диаметром 20 мм, и содержащем по крайней мере одну пару фиксирующих элементов, состоящую из выступа и углубления, расположенных на параллельных друг другу поверхностях вокруг концов одного из сквозных каналов, каждый из сквозных каналов, вокруг концов которого расположены фиксирующие элементы, выполнен диаметром 18 мм.
Для решения поставленной задачи в элементе насадки по второму варианту в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми поверхностями, содержащем тридцать семь сквозных каналов, параллельных боковым поверхностям, тридцать четыре из которых выполнены диаметром 20 мм, и три пары фиксирующих элементов, каждая из которых состоит из выступа и углубления, расположенных на параллельных друг другу поверхностях вокруг концов одного из сквозных каналов, каждый из трех сквозных каналов, вокруг которого расположены фиксирующие выступ и впадина, выполнен диаметром 18 мм.
Для решения поставленной задачи в элементе насадки по третьему варианту в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми поверхностями, содержащем тридцать семь сквозных каналов, параллельных боковым поверхностям, тридцать четыре из которых выполнены диаметром 20 мм, и три пары фиксирующих элементов, каждая из которых состоит из выступа и углубления, расположенных на параллельных друг другу поверхностях вокруг концов одного из сквозных каналов, не затрагивая соседних каналов, каждый из трех сквозных каналов, вокруг концов которого расположены фиксирующие элементы, выполнен диаметром 18 мм, при этом каналы с диаметром 20 мм расположены в элементе насадки на расстояниях друг от друга, находящихся в диапазоне от 13 до 15 мм и измеренных по линии, соединяющей центры поперечных сечений соседних каналов, а каналы с диаметром 18 мм расположены в элементе насадки на расстояниях от соседних каналов диаметром 20 мм, находящихся в диапазоне от 16 до 17 мм и измеренных по линии, соединяющей центры поперечных сечений соседних каналов.
Технический результат предложенной полезной модели по каждому из трех предложенных вариантов заключается в обеспечении повышения прочности фиксирующих выступов. Уменьшенный в сравнении с прототипом диаметр сквозного канала (18 мм вместо 20 мм), вокруг которого расположены фиксирующие выступ и углубление, позволяет соответственно увеличить площадь и массивность выступа, а, значит, и его прочность. Указанный полезный технический результат больше всего значим для третьего варианта полезной модели, в котором выступ и соответствующее ему углубление не затрагивают сквозных каналов, соседних с каналом, на котором расположены выступ и углубление. При этом выступ занимает ограниченное пространство между соседними сквозными каналами и его массивность увеличивается только за счет уменьшения диаметра канала, вокруг которого расположен этот выступ.
При уменьшении диаметра сквозного канала от 20 до 18 мм площадь и массивность фиксирующего выступа 8 увеличиваются на 20÷40 процентов, в зависимости от величины максимального диаметра выступа, одинакового для прототипа и для предложенной полезной модели.
Полезная модель поясняется чертежами:
фиг.1 - элемент насадки в виде шестиугольной прямой правильной призмы, вид в плане;
фиг.2 - сечение элемента насадки в виде шестиугольной прямой правильной призмы.
Элемент насадки 1 (фиг.1, 2) представляет собой шестиугольную прямую правильную призму, имеющую первую, верхнюю по чертежу плоскую поверхность 2, параллельную ей вторую, нижнюю по чертежу плоскую поверхность 3 и шесть других, тоже плоских боковых поверхностей 4, перпендикулярных поверхностям 2, 3. В объеме (теле) элемента насадки 1 выполнены тридцать семь сквозных цилиндрических каналов 5 диаметром 20 мм, параллельных боковым поверхностям 4. Соседние боковые поверхности 4 элемента насадки 1 расположены относительно друг друга под углом 120 градусов.
На шести боковых поверхностях 4 расположены двадцать четыре полуцилиндрических канала 6, радиус которых одинаков с радиусами цилиндрических каналов 5. Полуцилиндрические каналы 6 параллельны боковым поверхностям 4. Все указанные каналы 5, 6 расположены в элементе насадки 1 на расстояниях t-1 друг от друга. Полуцилиндрические каналы 6, принадлежащие соседним элементам насадки, размещенным в одном слое насадки воздухонагревателя, образуют цилиндрические каналы для прохода газов (на чертежах не показано).
На первой и второй поверхностях 2, 3 элемента насадки 1 выполнены фиксирующие углубления 7 и выступы 8, имеющие цилиндрическое поперечное сечение и конический уклон, размещенные вокруг трех цилиндрических каналов 9, 10, 11 симметрично относительно центра поверхности 2. углубления 7 расположены на верхней поверхности 2 элемента насадки, а выступы 8 - на нижней поверхности 3. Выступ и углубление, расположенные на концах одного и того же сквозного канала, составляют пару фиксирующих элементов. Расположение фиксирующих элементов обеспечивает требуемую фиксацию элементов насадки 1 относительно друг друга при составлении из них насадки воздухонагревателя. Фиксацией элементов насадки 1 друг с другом достигается пространственное совпадение между собой цилиндрических и полуцилиндрических каналов 5, 6 элементов насадки, располагаемых в соседних слоях насадки воздухонагревателя (на чертежах не показано), и формирование каналов прохода газа в объеме насадки.
Три цилиндрических канала 9, 10, 11, вокруг которых расположены выступы 8 и углубления 7, имеют диаметры 18 мм.
Элемент насадки 1 имеет высоту L (фиг.2), равную расстоянию между параллельными друг другу поверхностями 2 и 3 элемента, определенному перпендикулярно этим поверхностям. Высота L элементов насадки по фигурам 1, 2, 3 и 4 может находиться в пределах от 40 до 180 мм, например, 80 мм или 120 мм.
В конструкции элемента насадки 1 (фиг.1, 2) каналы 5, 6 диаметром 20 мм расположены относительно друг друга на расстояниях t-1, находящихся в диапазоне 13÷15 мм. Каналы 9, 10 и 11 диаметром 18 мм расположены относительно каналов 5 диаметром 20 мм на расстояниях t-2, равных 16÷17 мм. Такие расстояния обеспечивают оптимальные параметры теплообмена насадки воздухонагревателя, составленной из элементов насадки 1.Расстояния t-1 и t-2 между соседними каналами измеряются по линии, соединяющей центры поперечных сечений соседних каналов. В других исполнениях элемента насадки 1 расстояния t-1 и t-2 между соседними каналами могут выходить за указанные пределы в сторону их расширения, например, t-1 может быть равно 16 мм, а t-2 равно 18 мм.
Показанные на фиг.1, 2 фиксирующие выступы 8 и углубления 7 расположены вокруг сквозных каналов 9-11 диаметром 18 мм так, что выступы и углубления не затрагивают соседних каналов 5 диаметром 20 мм. При этом максимальный диаметр каждого выступа 8, измеренный на уровне плоской поверхности 3 элемента насадки 1, находится в пределах от 46 до 50 мм.
В других исполнениях выступы 8 и углубления 7 могут иметь такие размеры поперечного сечения, что они затрагивают соседние каналы 5 диаметром 20 мм. Например, при максимальном диаметре выступов 8 на уровне поверхности 3, находящемся в пределах 89÷91 мм, указанные выступы (и углубления) охватывают каналы, соседние с каналами 9,10 и 11 (на чертежах не показано).
Боковые каналы 6 могут отсутствовать, например, в периферических элементах насадки, примыкающих к стенкам воздухонагревателя (на чертежах не показано).
Сквозные каналы 5, 6, 9, 10, 11 могут быть выполнены конической формы (на чертежах не показано). В частности, коническая форма указанных каналов определяется технологией изготовления элементов насадки. При конической форме сквозных каналов их диаметр определяется как средний диаметр по высоте (длине) канала, расположенного между плоскими поверхностями 2 и 3 элемента насадки 1.
Элемент насадки по фиг.1, 2 правильной шестиугольной формы с тридцатью семью сквозными каналами представляет полезную модель по второму и третьему вариантам. Элемент насадки по первому варианту может содержать меньше или больше сквозных каналов, чем элемент насадки, показанный на фиг.1 и 2, а также может иметь другую форму в плане, например, прямоугольную или неправильную многоугольную (на чертежах не показано).
Элемент насадки может быть изготовлен из природной или синтетической глины, неолита, кордиерита, глинозема, циркониевого ангидрида, кремнезема или их смесей, а также из чугуна, стали, сплавов алюминия и других металлов и сплавов, обладающих достаточно высокой температурой плавления. Воздухонагреватели с металлическими элементами насадки позволяют нагревать воздух до 450-600°С, воздухонагреватели с керамической насадкой - до 900-1200°С и более. Воздухонагреватель для доменной печи с керамическими элементами насадки может содержать более трехсот тысяч элементов насадки, иметь общую высоту до 25 метров и вес до 2500 тонн. Работа при больших значениях температуры и давления предъявляет особо повышенные требования к прочности элементов насадки и их фиксирующих элементов.
Элементы насадки 1 работают следующим образом. Через уложенные в насадке воздухонагревателя элементы насадки в одном цикле работы воздухонагревателя пропускают нагретый до соответствующей температуры газ (продукты горения). Проходя через каналы 5, 6, 9, 10 и 11, газ отдает тепло каждому элементу насадки. В другом цикле работы воздухонагревателя через каналы 5, 6, 9, 10 и 11 пропускают нагреваемый газ (воздух), который отбирает тепло от каждого элемента насадки при соприкосновении с поверхностями каналов. При этом фиксирующие выступы 8, более прочные в сравнении с прототипом вследствие увеличенных размеров, обеспечивают повышенную надежность работы воздухонагревателя.