ЭЛЕМЕНТ НАСАДКИ

Полезная модель относится к черной и цветной металлургии, к конструктивным элементам воздухонагревателей доменных печей, в частности, регенеративных нагревателей, в которых насадка формируется из упорядочение 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.
Известен шестиугольный в плане элемент для неупорядоченной насыпной насадки, имеющий треугольные сквозные проходы (каналы для прохода газа) [патент РФ 2288778]. Недостатками такого элемента являются его пониженная прочность, обусловленная наличием острых углов в стенках каналов и пониженная эффективность теплообмена вследствие неконтролируемости взаимного расположения элементов в насадке.
Известен элемент насадки [авторское свидетельство СССР 1622721] в виде прямоугольного параллелепипеда с фиксирующими выступами и впадинами, расположенными на параллельных друг другу первой и второй поверхностях параллелепипеда, имеющий определенное количество, а именно, сто пять сквозных цилиндрических каналов одинакового радиуса (19 мм), расположенных в теле элемента насадки и параллельных четырем другим поверхностям (сторонам, граням) параллелепипеда. Каналы расположены в параллелепипеде на одинаковых расстояниях друг от друга.
В указанной публикации элемента насадки в виде параллелепипеда не приведены соотношения размеров внутренних конфигураций элемента, которые, как установлено авторами, влияют на параметры теплообмена насадки. Поэтому недостатком этого аналога полезной модели является неоптимальность параметров теплообмена насадки.
Известным является элемент насадки [патент США 3549136, фигура 4 описания к патенту] в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу плоскими поверхностями и пятью перпендикулярными им плоскими боковыми поверхностями. Такой элемент насадки имеет форму неправильной прямоугольной призмы и предназначен для укладки в насадку в местах прилегания элементов к футеровке воздухонагревателя. Рассматриваемый элемент насадки содержит фиксирующие выступы и впадины, расположенные на параллельных друг другу плоских поверхностях, имеет семь сквозных цилиндрических каналов одинакового радиуса, параллельных боковым поверхностям, и девять расположенных на четырех смежных боковых поверхностях полуцилиндрических каналов одинакового с цилиндрическими каналами радиуса, также параллельных боковым поверхностям. Пятая боковая поверхность элемента не содержит полуцилиндрических каналов. Все указанные каналы расположены в элементе на определенных одинаковых расстояниях друг от друга.
В публикации этого элемента насадки не указаны соотношения размеров внутренних конфигураций элемента, влияющие, как установлено авторами, на параметры теплообмена насадки, поэтому недостатком рассмотренного аналога является неоптимальность параметров теплообмена.
Известен также шестиугольный в плане элемент насадки с четырьмя, семью или девятнадцатью расположенными в теле элемента сквозными цилиндрическими каналами, связанными между собой в группы радиальными щелями [патент США 2172714, фигуры 3 и 3а, 5 и 5а, 6 и 6а]. На двух противоположных, параллельных друг другу плоских поверхностях (сторонах, гранях) элемента, на которые выходят отверстия каналов,
выполнены фиксирующие выступы и углубления, предназначенные для взаимного совмещения элементов при их упорядоченном размещении в слоях насадки. На шести боковых плоских поверхностях элемента, перпендикулярных вышеуказанным параллельным друг другу поверхностям, имеются углубления, образующие полу цилиндрические каналы, которые составляют полные каналы при соответствующем взаимном размещении элементов в слое насадки. Недостатком элемента является сложность конструкции и пониженная прочность, так как части массы элемента между каналами и группами каналов образуют выступы, каждый из которых соединяется с основной массой элемента на длине, меньшей периметра выступа.
В описании к патенту США 2172714 не указаны соотношения размеров внутренних конфигураций элементов насадки, которые, как установлено авторами, влияют на параметры теплообмена насадки. То-есть, недостатком этого аналога является неоптимальность параметров теплообмена.
В стандарте [ГОСТ 20901-75, стр 9, изделие №80] и в описании к патенту США 3549136 (фигуры 2, 3) представлен шестиугольный в плане элемент насадки с семью сквозными цилиндрическими каналами в теле элемента и двенадцатью полуцилиндрическими каналами на шести боковых поверхностях.
Указанные в ГОСТ 20901-75 базовые размеры элемента насадки в плане (расстояние между боковыми поверхностями шестиугольной призмы 228 мм, радиус каналов 20 мм при диаметре 40 мм) позволяют определить имеющееся в рассматриваемом аналоге соотношение размеров внутренней конфигурации элемента, а именно, соотношение между радиусом поперечного сечения каждого из каналов и минимальным расстоянием между любыми каналами. В материалах патента США 3549136 не указано соотношение размеров внутренних конфигураций элемента насадки, но можно предполагать, исходя из конструкции элемента, что эти размеры близки к размерам элемента насадки по стандарту ГОСТ 20901-75. Авторами
установлено, что имеющее место в элементе насадки по ГОСТ 20901-75 соотношение не является наилучшим для получения оптимальных параметров теплообмена насадки, составленной их таких элементов. Это является недостатком рассмотренных аналогов.
Наиболее близким к полезной модели (прототипом) является изделие огнеупорное шамотное для насадки воздухонагревателей доменных печей [http://www.ogneupory.ru/94.htm], представляющее собой элемент насадки в виде шестиугольной прямой правильной призмы с фиксирующими выступами и впадинами, расположенными на параллельных друг другу плоских первой и второй поверхностях (гранях, сторонах) призмы. Элемент насадки имеет девятнадцать сквозных цилиндрических каналов одинакового радиуса, параллельных шести другим, плоским боковым поверхностям призмы, а также содержит восемнадцать расположенных на упомянутых боковых поверхностях полуцилиндрических каналов одинакового с цилиндрическими каналами радиуса, также параллельных боковым поверхностям. Все указанные каналы расположены в элементе насадки на определенных одинаковых расстояниях друг от друга.
Указанные для прототипа размеры элемента насадки в плане (радиус цилиндрических и полуцилиндрических каналов 14,5 мм, расстояние между боковыми поверхностями шестиугольной призмы 238 мм) позволяют определить имеющееся в прототипе соотношение размеров внутренней конфигурации элемента, а именно, соотношение между радиусом поперечного сечения каждого из каналов и минимальным расстоянием между каналами. Сравнительными испытаниями и расчетами установлено, что имеющееся в прототипе соотношение не является наилучшим для получения оптимальных параметров теплообмена элемента насадки, а также самой насадки, составленной их таких элементов. Это является недостатком прототипа полезной модели.
Задачей при создании полезной модели является повышение эффективности теплообмена элемента насадки.
Для решения поставленной задачи в элементе насадки в виде тела, ограниченного двумя параллельными друг другу поверхностями и несколькими перпендикулярными им боковыми поверхностями, содержащем фиксирующие выступы и впадины, расположенные на параллельных друг другу поверхностях, имеющем не менее трех сквозных цилиндрических каналов одинакового радиуса, параллельных боковым поверхностям, и не менее семи расположенных по крайней мере на некоторых боковых поверхностях полуцилиндрических каналов одинакового с цилиндрическими каналами радиуса, также параллельных боковым поверхностям, причем все указанные каналы расположены в элементе насадки на определенных расстояниях друг от друга, каналы расположены относительно друг друга в соответствии с взаимосвязью расстояния между каналами и их радиусом, выраженной соотношением
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.
Кроме того, элемент насадки отличается тем, что он выполнен в виде шестиугольной прямой правильной призмы, имеет не менее семи сквозных цилиндрических каналов и не менее двенадцати полуцилиндрических каналов.
Еще элемент насадки отличается тем, что он выполнен в виде прямой неправильной призмы, имеющей пять боковых поверхностей, имеет не менее четырех цилиндрических каналов, полуцилиндрические каналы расположены на четырех смежных плоских боковых поверхностях, соседние из которых размещены относительно друг друга под углом сто двадцать градусов, а пятая боковая поверхность является плоской или имеет форму части цилиндрической поверхности.
Далее, элемент насадки отличается тем, что он выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, имеющего не менее восьми полуцилиндрических каналов.
Наконец, элемент насадки отличается тем, что он выполнен в виде прямой призмы, имеющей четыре боковых поверхности, полуцилиндрические каналы расположены на трех смежных плоских боковых поверхностях, соседние из которых размещены относительно друг друга под углом девяносто градусов, а четвертая боковая поверхность является плоской или имеет форму части цилиндрической поверхности.
Технический результат предложенной полезной модели по независимому пункту формулы заключается в повышении эффективности теплообмена по сравнению с прототипом. Это обеспечено за счет реализации в предложенном элементе насадки обнаруженной авторами взаимосвязи расстояния между каналами и их радиусом, выраженной вышеуказанным соотношением (1).
Использование в конструкции предложенного элемента насадки 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.
2
3
2
3
Сравнение с прототипом проведено при одинаковой для сравниваемых элементов высоте элемента - 80 мм. Высотой считается расстояние по перпендикуляру между параллельными друг другу поверхностями элемента насадки. Для предложенной полезной модели значение удельной поверхности нагрева равно 64±5 м/м. В то время, как для прототипа [элемент насадки воздухонагревателей доменных печей http://www.ogneupory.ru/94.htm], значение удельной поверхности нагрева составляет 48 м/м., что хуже на 25%. Дополнительно можно отметить, что
2
3
для известного элемента насадки по ГОСТ 20901-75 значение удельной поверхности нагрева в два раза меньше, чем для предложенного элемента и составляет 32,7 м/м.
Использование предложенной полезной модели обеспечивает возможность создания воздухонагревателей, масса и габариты которых на 20÷25 процентов меньше, чем при использовании элемента насадки по прототипу.
2
3
Изложенные в зависимых пунктах формулы элементы насадки при значении удельной поверхности нагрева, равной 64±5 м/м, отличаются друг от друга геометрическими формами и обеспечивают возможность вариации типов элементов насадки при проектировании и изготовлении воздухонагревателей для различных конкретных условий применения.
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;
фиг.3 - элемент насадки в виде параллелепипеда, вид в плане;
фиг.4 - элемент насадки в виде прямой неправильной призмы, вид в плане.
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 одинакового радиуса, 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 одинаковых расстояниях t друг от друга.
Каждый из цилиндрических каналов 5 на фигурах 1, 2, 3 и 4 имеет цилиндрическую форму. Каналы 5 в соседних (по чертежу) горизонтальных рядах расположены со смещением относительно друг друга. Все каналы 5 и 6 размещены симметрично относительно центральной точки верхней и нижней поверхностей (2, 3). Каждый из полуцилиндрических каналов 6 на фигурах 1, 2, 3 и 4 представляет собой канал, поверхность которого является частью цилиндрической поверхности, меньшей, чем половина цилиндрической поверхности. Однако каждый из каналов 6 может иметь поверхность, составляющую ровно половину цилиндрической поверхности (на чертежах не показано). Полуцилиндрические каналы (5), 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 впадины 7 и выступы 8, имеющие цилиндрическое поперечное сечение и конический уклон, размещенные вокруг трех цилиндрических каналов 9, 10, 11 симметрично относительно центра поверхности 2. Впадины 7 расположены на верхней поверхности 2 элемента насадки, а выпуклости 8 - на нижней поверхности 3. Это 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.
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 расположены относительно друг друга в соответствии с взаимосвязью расстояния между каналами и их радиусом, выраженной соотношением
где:
t - расстояние между цилиндрическим поверхностями соседних цилиндрических каналов 5 или соседних каналов 5 и 6, измеренное по линии, соединяющей центры поперечных сечений каналов, мм;
R - радиус каждого канала (5, 6), находящийся в пределах от 8,5 до 11,5 мм.
2
3
Представленный на фиг.1 и 2 элемент насадки 1 в виде прямой правильной шестиугольной призмы, содержит тридцать семь цилиндрических каналов 5 и двадцать четыре полуцилиндрических канала 6, радиус R каждого канала равен 10±0,1 мм. Все каналы 5 и 6 расположены друг от друга на одинаковом расстоянии t, равном 12,5±0,1 мм. При этом элемент насадки 1 в виде прямой правильной шестиугольной призмы при высоте элемента L (фиг.2), равной 80±0,5 мм, имеет рассчитанное значение удельной поверхности нагрева, равное 64 м/м.
Значение радиуса R каналов 5, 6 элемента насадки 1 (фиг.1, 2) должно находиться в пределах от 8,5±0,1 мм до 11,5±0,1 мм, так как при меньших значениях радиуса недопустимо возрастает сопротивление прохождению газов в насадке, а при больших значениях этого радиуса недопустимо
2
3
снижается прочность стенок между каналами 5 и 6 элемента насадки. В зависимости от величины радиуса R в соответствии с соотношением (1) расстояние t между каналами 5, 6 находится в пределах от 12,2±0,1 мм до 12,9±0,1 мм. Указанные возможные соотношения размеров t и R не отражены на фиг.3. При этом для рассматриваемого элемента насадки 1 высотой 80±0,5 мм рассчитанное значение удельной поверхности нагрева находится в пределах от 59 до 69 м/м.
Элемент насадки 12 в виде прямоугольного параллелепипеда (фиг.3) имеет первую, верхнюю по чертежу плоскую поверхность 13, параллельную ей вторую, нижнюю плоскую поверхность (на чертеже не видна) и четыре других, тоже плоских боковых поверхности 14, перпендикулярные верхней и нижней поверхностям. Соседние боковые поверхности этого элемента 12 расположены друг относительно друга под углом девяносто градусов. В объеме (теле) элемента насадки 12 выполнены восемнадцать сквозных цилиндрических каналов 15 одинакового радиуса, параллельных боковым поверхностям 14. Каналы 15 в соседних (по чертежу) горизонтальных рядах расположены строго друг под другом. На боковых поверхностях 14 расположены двадцать два полуцилиндрических канала 16, радиус которых одинаков с радиусами цилиндрических каналов 15. Полуцилиндрические каналы 16 параллельны боковым поверхностям 4. Все указанные каналы 15, 16 расположены в элементе насадки 12 на одинаковых расстояниях t друг от друга.
Цилиндрические каналы 15 элемента насадки 12 в виде параллелепипеда (фиг.3) имеют цилиндрическую форму. Поверхность каждого из полуцилиндрических каналов 16 является частью цилиндрической поверхности, меньшей, чем половина цилиндрической поверхности, особенно для четырех угловых каналов 17.
На первой и второй параллельных поверхностях элемента насадки 12 выполнены фиксирующие впадины 18 и выступы (на чертеже не видны) с цилиндрическим поперечным сечением и коническим уклоном для
обеспечения требуемой фиксации элементов насадки 12 относительно друг друга при составлении из них насадки воздухонагревателя. Элемент насадки 12 имеет высоту L (на чертеже не показана), равную расстоянию между параллельными друг другу поверхностями элемента, обычно находящуюся в пределах от 40 до 180 мм.
Каналы 15, 16 в конструкции элемента насадки 12 (фиг.3) расположены относительно друг друга в соответствии с взаимосвязью расстояния между каналами и их радиусом, выраженной приведенным выше соотношением (1).
В других исполнениях элемента насадки 12 в виде параллелепипеда каналы 15 и 16 могут быть расположены в соседних рядах со смещением относительно друг друга, а каждый из каналов 16 может иметь поверхность, составляющую ровно половину цилиндрической поверхности (на чертежах не показано). Вдоль каждой из боковых сторон элемента насадки 12 может быть расположено любое необходимое количество полуцилиндрических каналов, большее или равное семи, что определяется необходимостью размещения на элементе насадки 12 фиксирующих выступов и впадин. В случае, когда длины боковых сторон элемента насадки 12 одинаковы и равны высоте L элемента, такой элемент насадки имеет форму куба.
Одна из боковых поверхностей 14 элемента насадки 12 в виде прямоугольного параллелепипеда, например, правая по чертежу, может не содержать полуцилиндрических каналов 16 и быть выполнена полностью плоской (показано пунктиром 26 на фиг.3), а также может иметь цилиндрическую форму с образующей цилиндра, параллельной другим боковым сторонам элемента насадки (на чертежах не показано). Указанная плоская боковая поверхность 26 может быть расположена относительно других боковых поверхностей 14 элемента 12 под любым углом, как равным девяноста градусам, так и отличающимся от девяноста градусов. Линия или плоскость, построенная на точках стыка плоских боковых поверхностей 14 с рассматриваемой боковой поверхностью, имеющей цилиндрическую форму, также может располагаться под любым углом относительно плоских боковых
поверхностей элемента насадки 12. Рассмотренный элемент насадки представляет собой прямую неправильную призму и предназначен для использования в области воздухонагревателя, непосредственно примыкающей к цилиндрической поверхности футеровки воздухонагревателя.
На фиг.4 показан элемент насадки 19, выполненный в виде прямой призмы, имеющей первую (верхнюю) поверхность 20 и параллельную ей вторую (нижнюю), не видимую на чертеже поверхность. Элемент 19 имеет пять перпендикулярных верхней поверхности 20 боковых поверхностей 21 и 22. Соседние из четырех смежных плоских боковых поверхностей 21 размещены относительно друг друга под углом сто двадцать градусов, а пятая боковая поверхность 22 является плоской (фиг.4) или имеет форму части цилиндрической поверхности с образующей цилиндра, параллельной другим боковым сторонам элемента насадки (на чертежах не показано). В теле элемента 19 имеются цилиндрические каналы 23, а на четырех боковых поверхностях 22 выполнены полуцилиндрические каналы 24. Каналы 23 и 24 расположены в конструкции элемента 19 в соответствии с взаимосвязью расстояния между каналами и их радиусом, выраженной приведенным выше соотношением (1). Показаны фиксирующие впадины 25.
Плоская боковая поверхность 22 может быть расположена относительно других боковых поверхностей 21 элемента 19 под любым углом, как равным девяноста градусам, так и отличающимся от девяноста градусов. Касательная к рассматриваемой боковой поверхности 22, имеющей цилиндрическую форму, также может располагаться под любым углом относительно других боковых поверхностей 21 элемента насадки 19. Такой элемент насадки, представляющий собой прямую неправильную призму, также предназначен для использования в области примыкания к цилиндрической поверхности футеровки воздухонагревателя.
Элементы насадки 1, 12, 19 (фиг.1, 3, 4) могут содержать нижеуказанное различное количество каналов, определяемое требованиями
изготовления и применения элементов насадки. Количество каналов не изменяет значение удельной поверхности нагрева описанных элементов насадки.
Элемент насадки 1 (фиг.1), выполненный в виде шестиугольной прямой правильной призмы, имеет не менее семи сквозных цилиндрических каналов и не менее двенадцати полуцилиндрических каналов. Элемент насадки 19 (фиг.4), выполненный в виде прямой неправильной призмы с пятью боковыми поверхностями, одна из которых является плоской или имеет форму части цилиндрической поверхности, может содержать не менее четырех цилиндрических и семи полуцилиндрических каналов. Элемент насадки 12 (фиг.3), выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, имеет не менее трех цилиндрических и не менее восьми полуцилиндрических каналов. Элемент насадки 12 в виде прямой призмы, имеющей четыре боковых поверхности, три соседние из которых размещены относительно друг друга под углом девяносто градусов и содержат все полуцилиндрические каналы, четвертая боковая поверхность является плоской или имеет форму части цилиндрической поверхности, включает не менее трех цилиндрических и семи полуцилиндрических каналов.
Значение радиуса R каналов 5, 6, 15, 16, 23 и 24 для всех описанных элементов насадки (фиг.1, 2, 3 и 4) должно находиться в пределах от 8,5±0,1 мм до 11,5±0,1 мм, так как при меньших значениях радиуса недопустимо возрастает сопротивление прохождению газов в насадке, а при больших значениях этого радиуса недопустимо снижается прочность стенок между каналами элемента насадки. Следует отметить, что цилиндрические каналы (5, 6, 15, 16, 23 и 24) могут иметь технологический уклон 1-2 градуса, при этом их внутренняя поверхность имеет соответствующую коническую форму, а величина R является средним по высоте значением радиуса такого канала.
В зависимости от величины радиуса R в соответствии с соотношением (1) расстояние t между каналами 5, 6, а также между каналами 15, 16 и
2
3
каналами 23, 24 описанных элементов насадки (фиг.1, 2, 3, 4) находится в пределах от 12,2±0,1 мм до 12,9±0,1 мм. При этом для предложенных элементов насадки 1, 12 и 19 высотой 80±0,5 мм рассчитанное значение удельной поверхности нагрева находится в пределах от 59 до 69 м/м. Указанные возможные соотношения размеров t и R на фигурах не отражены.
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 достаточной температурой плавления. Воздухонагреватели с металлическими элементами насадки позволяют нагревать воздух до 450-600°С, воздухоподогреватели с керамической насадкой - до 900-1200°С и более.
Элементы насадки 1, 12 и 19 работают следующим образом. Через уложенные в насадке воздухонагревателя указанные элементы насадки в одном цикле работы воздухонагревателя пропускают нагретый до соответствующей температуры газ (продукты горения). Проходя через каналы 5, 6, 15, 16, 23 и 24, газ отдает тепло каждому элементу насадки. В другом цикле работы воздухонагревателя через каналы 5, 6, 15, 16, 23 и 24 пропускают нагреваемый газ (воздух), который отбирает тепло от каждого элемента насадки при соприкосновении с поверхностями каналов. Взаимодействие газов с поверхностями каналов предложенного элемента насадки, выполненных по вышеуказанному соотношению (1), при оптимальном соответствии между массой каждого элемента насадки и контактирующей с газами поверхностью каналов, обеспечивает повышенную эффективность теплообмена, что позволяет создавать воздухонагреватели с меньшей массой насадки и уменьшенными габаритами.