ПЕЧЬ ДЛЯ НАГРЕВА ТРУБ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к устройствам нагрева и может быть использована для нагрева труб из сталей и сплавов в различных технологических процессах.
Наиболее распространенными способами нагрева печей для обработки металлических длинномерных изделий являются конвективный нагрев.
Известна печь для нагрева труб, содержащая корпус, охватывающий радиационных и конвективную части, горелки, размещенные в радиационной части, выполненной в виде усеченного конуса, и дымосос с каналом, оборудованный шибером (ссылка: http://ru-patent.info/20/40-44/2040749.html).
Недостаток известного устройства заключается в его низком КПД из-за ухудшенных условий теплообмена в конвективной части печи.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является «Способ отопления двухкамерной печи и печь для нагрева заготовок» (патент РФ 2022035, заявка №5038258/02 от 25.02.1992, Би №16, 1994 г, C21D 9/00). Печь для нагрева заготовок содержит две рабочие камеры в одном блоке. Они разделены стенкой, оборудованы сводовыми горелками и дымовыми каналами. В разделяющей камеры стенке выполнен дымовой канал, размещенный на уровне пода у переднего торца. Способ осуществляют следующим образом. В камерах 1 и 2 и разжигают горелки на газе и подают топливовоздушную смесь (с коэффициентом расхода воздуха α=0,5-0,6, что предохраняет нагреваемые заготовки от окисления и обезуглероживания), разогревая обе камеры печи до температуры 750°C. После разогрева обеих камер печи ее отопление ведут предлагаемым способом, т.е. попеременным сжиганием топливовоздушной смеси и ее дожиганием вторичным воздухом. В одной из камер, например первой камере, горелки продолжают работать, питаемые упомянутой смесью, закрывая управляющие задвижки системы снабжения топливовоздушной смесью. Шибер первой камеры закрывают, чем направляют продукты распада смеси из первой камеры через дымовой канал во вторую камеру для рекуперации. При закрывании задвижки открывается задвижка системы дожигания продуктов неполного горения для подачи во вторую камеру вторичного воздуха с расходом, необходимым для дожигания продуктов неполного горения. Поданный с указанным расходом во вторую камеру вторичный воздух дожигает продукты неполного горения, чем обеспечивается атмосфера, предохраняющая металл от окисления и обезуглероживания, а газы через дымовой канал с открытым шибером уходят в боровную систему цеха.
К недостаткам данного устройства можно отнести:
- неравномерный нагрев по всей площади нагреваемого изделия, за счет ламинарного движения потока нагретых газов, что снижает качество нагрева;
- малая производительность из-за долгого ожидания нагрева изделия до заданной температуры;
- неэффективное использование выделяемого потока нагретого воздуха, так как теплообмен при нагревании изделия происходит при ламинарном движении потоков нагретого воздуха, что так же уменьшает время нагрева, а в целом и производительность;
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение недостатков, присущих аналогам и прототипу.
Решаемой задачей полезной модели является повышение качества, скорости нагрева изделия и снижение энергозатрат на нагрев.
Техническим результатом от использования заявляемой полезной модели является создание высокоэнергоэффективной печи с качественным, быстрым нагревом по всей площади изделия, использующей выделяемый поток нагретого газа от автономного источника.
Технический результат достигается тем, что в печь для нагрева труб, содержащую рабочую камеру, с дымоотводом в дымовом канале, введены подвесной конвейер для транспортировки труб, специальные оснастки, выполненные с возможностью вращения и установлены на концы труб для перемещения по подвесному конвейеру, воздуховод боковой и воздуховод нижний, боковые сопла, которые установлены равномерно с одной из торцевых сторон камеры печи для направления потока нагретых газов на внутреннюю поверхность труб и выполнены с возможностью регулирования угла атаки потока нагретых газов на внутреннюю поверхность их, обеспечивая теплообмен при турбулентном движении потока нагретых газов, а нижние жалюзийные решетки установлены у основания камеры печи для направления потока нагретых газов на наружную поверхность труб и выполнены с возможностью регулирования угла атаки потока нагретых газов на наружную поверхность их, обеспечивая теплообмен при турбулентном движении потока нагретых газов, причем для создания необходимой тяги - площадь поперечного сечения дымоотвода выполнена больше суммы площадей поперечных сечений воздуховода бокового и воздуховода нижнего.
Для создания дополнительной тяги на выходе из дымоотвода установлен дефлектор.
Новизной данного изобретения является конструкция печи, позволяющая направлять поток нагретых газов, как нанаружную, так и на внутреннюю поверхности изделия, при этом регулируя угол атаки потока нагретых газов.
Техническая сущность способа поясняется чертежом.
Устройство печи для нагрева труб показано на фиг. 1, где:
1 - рабочая камера печи;
2 - воздуховод боковой;
3 - воздуховод нижний;
4 - боковые сопла;
5 - нижние жалюзийные решетки;
6 - стальная труба;
7 - дымоотвод;
8 - специальная оснастка;
9 - подвесной конвейер;
10 - дефлектор
11 - шлюз
Камера печи 1 - это помещение для нагрева изделия (трубы 6).
Воздуховод боковой 2 направляет поток нагретых газов газотурбинного двигателя в камеру печи 1 через боковое сопло 4.
Воздуховод нижний 3 направляет поток нагретых газов газотурбинного двигателя в камеру печи 1 через нижние жалюзийные решетки 5.
Боковое сопло 4 установлено на одной из торцевых сторон камеры печи 1 и направляет поток нагретых газов на внутреннюю поверхность трубы 6 и регулирует угол атаки потока нагретых газов на внутреннюю поверхность трубы 6.
Нижние жалюзийные решетки 5 установлены у основания камеры печи 1 и направляют поток нагретых газов на наружную поверхность трубы 6 и регулирует угол атаки потока нагретых газов на наружную поверхность трубы 6.
Стальная труба 6 - нагреваемое изделие.
Дымоотвод 7 направляет поток использованных для нагрева изделия (труба 6) газов в дымовой канал (на фиг. не показан).
Специальная оснастка 8 предназначена для предания вращательного движения трубе 6 и для сохранения наружной поверхности трубы 6 от внешних контактов.
Подвесной конвейер 9 предназначен для транспортировки трубы 6.
Дефлектор 10 предназначен для создания дополнительной (искусственной) тяги в камере печи 1.
Шлюз 11 предназначен для открытия/закрытия входа в камеру печи 1.
Рабочий режим печи для нагрева труб:
В камеру печи 1 на подвесном конвейере 9, с помощью специальной оснастки 8, установленной на оба конца стальной трубы 6, транспортируют стальную трубу 6.
После того, как стальная труба 6 установилась в камере печи 6, стальную трубу 6 подвергают вращению, с помощью специальной оснастки 8, предающей стальной трубе 6 вращательное движение.
Затем, через воздуховод боковой 2, боковое сопло 4, и воздуховод нижний 3, нижние жалюзийные решетки 5, поток нагретых газов газотурбинного двигателя направляют в камеру печи 1, где уже установлена и вращается стальная труба 6.
Боковое сопло 4 направляет поток нагретых газов, поступающий с воздуховода бокового 2, на внутреннюю поверхность стальной трубы 6. Одновременно регулируя угол атаки потока нагретых газов для создания турбулентного движения потока нагретых газов во внутренней части стальной трубы 6.
Нижние жалюзийные решетки 5 направляют поток нагретых газов, поступающий с воздуховода нижнего 3, на наружную поверхность стальной трубы 6. Одновременно регулируя угол атаки потока нагретых газов для создания турбулентного движения потока нагретых газов на наружной поверхности стальной трубы 6.
Теплообмен осуществляемый при турбулентном движении потока нагретых газов, с помощью бокового сопла 4 и жалюзийных решеток 5,обеспечивает:
1. Уменьшение времени нагрева стальной трубы 6, так как коэффициент теплоотдачи при турбулентном режиме выше, чем при ламинарном;
2. Качественный нагрев стальной трубы 6, что делает нагрев более равномерным, так как идет постоянное смешивание газов, что положительно влияет на температуру среды (т.е. температура одинакова по всему объему камеры печи 1).
Направление потока нагретых газов непосредственно на изделие (стальную трубу 6), с помощью бокового сопла 4, нижних жалюзийных решеток 5, обеспечивает:
1. Эффективное использование потока нагретых газов, так как основной объем нагретого газа будет использоваться непосредственно для нагрева стальной трубы 6, а не камеры печи 1;
2. Уменьшает время нагрева стальной трубы 6, так как нет необходимости ожидания нагрева камеры печи 1 до заданной температуры.
Во время нагрева стальной трубы 6 поток использованных для нагрева изделия газов утилизируется через дымоотвод 7 в дымоход, с помощью дефлектора 10.
Для создания естественной необходимой тяги в камере печи 1 площадь сечения дымоотвода должно быть больше суммы площадей сечений воздуховода бокового 2 и воздуховода нижнего 3.
Для создания дополнительной (искусственной) тяги в камере печи 1 после дымоотвода 7 устанавливают дефлектор 10, создающий в камере печи 1 дополнительную тягу.
В качестве примера был взят технологический процесс способа нагрева стальной трубы 6 перед нанесением покрытия, где, один из этапов технологического процесса подразумевает нагрев в печи стальной трубы 6 до температуры 390-420°C и выдержки около часа.
Данный диапазон температур позволяет удалить с поверхностей изделия (стальной трубы 6) среды, уменьшающие адгезионную прочность, в частности масляные включения. Так же при данном диапазоне температур материал изделия не подвергается структурным изменениям.
Работа устройства:
Перед началом работы, на концы стальной трубы устанавливают специальные оснастки 8, предусмотренные данным устройством, предающие стальной трубе 6 вращательное движение во время их нагрева.
В рабочем режиме потоки нагретых газов газотурбинного двигателя направляют в камеру печи 1 через воздуховод боковой 2 и воздуховод нижний 3, боковое сопло 4 и нижние жалюзийные решетки 5. Боковое сопло 4 регулирует направление потока нагретых газов, поступающих через воздуховод боковой 2, и регулирует угол атаки потока нагретых газов на внутреннюю поверхность стальной трубы 6. Нижние жалюзийные решетки 5 регулируют направление потока нагретых газов, поступающих через воздуховод нижний 5, и регулирует угол атаки потока нагретых газов на наружную поверхность стальной трубы 6.
Во время нагрева стальной трубы 6 поток нагретых газов от автономного источника, например газотурбинного двигателя, поступающий через боковое сопло 4 в камеру печи 1, направляют на внутреннюю поверхность стальной трубы 6, получая турбулентное движение потока нагретых газов по спирали. Это уменьшает время нагрева стальной трубы 6, способствуя повышению производительности печи и эффективному использованию тепла потока нагретых газов.
Во время нагрева стальной трубе 6 предают вращательное движение с помощью специальных оснасток 8, установленных на концы стальной трубы 6, исключающих контакт наружной поверхности стальной трубы 6 с иными поверхностями, что делает нагрев стальной трубы 6 более качественным.
После того, как стальную трубу 6 нагрели до заданной температуры, ее выдерживают при заданной температуре в камере печи 1 около часа («выдержка») для удаления с поверхностей масляных включений и других веществ уменьшающие адгезионную прочность.
Расчет времени нагрева труб
Нагрев металла в печах является очень важной операцией. Металл желательно нагревать быстро, т.к. в этом случае уменьшается его угар, увеличивается производительность печи и уменьшает удельный расход топлива на нагрев. Из этих соображений целесообразно выбирать оптимальный температурный режим печи, обеспечивающий с одной стороны, быстрый нагрев металла, а с другой, не создающий в нагреваемом металле чрезмерных механических напряжений, которые могут привести к образований трещин.
Продолжительность нагрева металла до заданной температуры является важным параметром, определяющим производительность печи и ее габаритные размеры.
Дано:
N(кол-во труб)=10 шт.
Материал - Сталь 10; Сталь 20
об.
m(общая масса)≈8880 кг /ГОСТ 20295-85/
l(длина трубы)=12 м
C(длина окружности трубы)=1,0205 м
нар.
d(наружный диаметр)=0,325 м
3
V(объем 1ой трубы)=0,12246 м
S(толщина стенки трубы)=10 мм = 0,01 м
(средняя удельная теплоемкость)=512 Дж/(кг·°C) /при ; при /
1
(средняя удельная теплоемкость)=497 Дж/(кг·°C) /при ; при /
3
ρ(плотность стальной трубы)=7800 кг/м
2
2
α - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∗°C) /при турбулентном движении в трубах или между ними находится в интервале - 12-115 Вт/(м∗°C)/;
Расчет нагрева металла начинается с определения критерия Bi.
Критерий Bi проводит границу «тонких» и «массивных» тел.
Bi≤0,25 - тело «тонкое»
Bi>0,5 - тело «массивное»
Bi=α∗S/λ
где «S - прогреваемая толщина стенки трубы, м.
S=0,01 м
λ - средний коэффициент теплопроводности, Вт/(м∗°C)
20
λ=51,9 Вт/(м∗°C)
400
λ=45 Вт/(м∗°C)
cp
20
400
λ=(λ+λ)/2=(51,9+45)/2=48,45 Вт/(м∗°C)
2
2
2
α - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∗°C) /при турбулентном движении в трубах или между ними находится в интервале - 12-115 Вт/(м∗°C)/; возьмем значение ближе к максимальному ≈100 Вт/(м∗°C).
Bi=100∗0,01/48,45=0,02 - тело «тонкое»
Расчет нагрева «тонких» тел в камере печи 1:
При расчете времени тонкостенных труб следует использовать формулу -
где S - прогреваемая толщина стенки трубы, м;
нар.
d - наружный диаметр трубы, м;
нар.
нар
K′ - коэффициент, учитывающий способ укладки труб и зависящий от относительного расстояния между центрами труб m/d /где m - расстояние между центрами труб =0,475 м, для одностороннего нагрева при m/d. составляющем 1,0; 1,5; 2,0, коэффициент K′ равен соответственно 0,5; 0,8; 1,0/;
нар.
m/d=0,475/0,325≈1,5⇒K′=0,8
2
2
2
α - коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м∗°C) /при турбулентном движении в трубах или между ними находится в интервале - 12-115 Вт/(м∗°C)/; возьмем значение ближе к максимальному - 100 Вт/(м∗°C).
Так как нагрев производят наружной и внутренней поверхностей стальной трубе, то время уменьшиться примерно 1,5-2,0 раза (среднее 1,75).
факт.
τ≈τ/1,75≈17 мин
Таблица времени нагрева наиболее часто применяемых стальной трубе.
№
Диаметртрубы,мм
Толщина стенки трубы, мм
Время нагрева до 420°C, мин (обычная печь)
Время нагрева до 420°C, мин (заявляемая на полезную модель печь для нагрева труб)
1
57
3,5
≈14
≈8,0
2
76
4
≈15
≈8,6
3
89
5
≈17,5
≈10,0
4
114
6
≈20
≈11,4
5
159
7
≈22
≈12,8
6
219
8
≈25
≈14,2
7
273
9
≈28
≈15,6
8
325
10
≈30
≈17
Из таблицы видно, что производительность заявляемой печи для нагрева труб будет выше на 45-75% относительно известных аналогов.
Преимущества предлагаемой полезной модели по сравнению с известными аналогами.
Конструкция предлагаемой печи для нагрева труб по сравнению с аналогами:
1. Повышает качество нагрева наружной и внутренней поверхности стальной трубы, за счет:
1.1. Предания вращательного движения стальной трубе специальными оснастками;
1.2. Направления потока нагретых газов на наружную и внутреннюю поверхности стальной трубы при помощи бокового воздуховода, бокового сопла и нижних жалюзийных решеток;
1.3. Исключения контакта наружной поверхности стальной трубы с иными поверхностями при помощи специальных оснасток, предающих вращательное движение;
2. Уменьшает время нагрева стальной трубы, за счет:
2.1. Предания вращательного движения стальной трубе специальными оснастками;
2.2. Направления потока нагретых газов на наружную и внутреннюю поверхности стальной трубы при помощи бокового воздуховода, бокового сопла и нижних жалюзийных решеток;
2.3. Турбулентного движения потока нагретых газов в камере печи, что в целом повышает производительность печи.
3. Повышает эффективность нагрева стальной трубы, за счет увеличения площади контакта стальной трубы с потоком нагретых газов, которое достигается, за счет направления нижними жалюзийными решетками потока нагретых газов непосредственно на наружную и направления боковым соплом потока нагретых газов на внутреннюю поверхности стальной трубы;
4. Повышает эффективность за счет сокращения время нагрева стальной трубы, путем направления потока нагретых газов от автономно работающего газотурбинного двигателя, что исключает необходимость ожидания нагрева камеры печи до заданной температуры.
Все эти конструктивные составляющие позволяют получить высокоэнергоэффективную заявляемую печь для нагрева труб.