Электрическая печь для обжига вермикулита

Полезная модель относится к области строительных материалов, а именно к технологическому оборудованию для получения вспученного вермикулита из вермикулитовых концентратов.
Известна электрическая печь для обжига вермикулита (RU № 161281, МПК F27B 15/00, опубликовано 20.04.2016), содержащая противни с крышками; противни выполнены из огнеупорного материала и установлены по отношению другу к другу под углом, обеспечивающим пересыпание вспучиваемого вермикулита с одного на другой, и электрические нагреватели, размещенные под крышкам противней продольно и закрепленные на головках с параллельными гранями, электрические нагреватели,  выполненные с консолями и расположены над поверхностью противней с зазором, при этом консоли электрических нагревателей подвешены в нижней части противней на серьгах, закрепленных через керамические втулки шарнирно на стержнях, установленных на крышках противней.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противни из огнеупорного материала, крышка, электрические нагреватели, размещенные с зазором вдоль противня под крышками, головки для крепления нагревателей и серьги.
Указанная печь обладает следующим недостатком.
Противни печи работают как гравитационные спуски – движение по ним осуществляется за счет сил тяжести вспучивающихся зерен вермикулита, которые движутся ускоренно и средний интервал между ними все время увеличивается на каждом противне: в верхней части модуля средний интервал практически равен нулю, а в нижней возрастает до максимума.
На верхнем фрагменте каждого противня зерна расположены плотно и их концентрация максимальна, поэтому средний интервал близок к нулю и между ними практически нет пустот: здесь вся мощность потока падающего теплового излучения приходится на вермикулит. По мере движения зерен скорость возрастает, из-за их разгона время прохождения последующих фрагментов сокращается, средние интервалы увеличиваются, концентрация зерен снижается, на нижнем фрагменте противня она становится минимальной, а средний интервал между зернами становится максимальным.
2
2
На верхнем фрагменте площадью, например, 0,2 м, отношение суммарной площади проекции зерен на поверхность противня к площади фрагмента составляет примерно, в зависимости от фракции и средних размеров вспучивающихся зерен, около 0,785. Это же отношение на нижнем фрагменте той же площади (0,2 м) снижается до значения около 0,046. Концентрация зерен уменьшается в 17 и более раз.
Из-за образовавшихся больших пустот лишь малая часть лучистой энергии поглощается непосредственно вермикулитом. Основная мощность теплового потока приходится на поверхность огнеупорного основания противня, поглощается им, и далее через кондукцию и конвекцию рассеивается, в значительной мере, безвозвратно теряясь для основного процесса.
Эти очевидные потери тепловой энергии существенно увеличивают энергоемкость процесса обжига и могут быт сокращены только путем снижения средней скорости и увеличения времени продвижения вспучивающихся зерен по противням печи при той же подаче сырьевого материала – вермикулитового концентрата и сниженном потреблении электроэнергии, что невозможно для данной печи, так как средняя скорость и время движения определяется тяготением, трением и заданным постоянным углом наклона противня к горизонту.
Известна так же электрическая печь для обжига вермикулита (RU № 179055, МПК F27B 9/00, опубликовано 25.04.2018), содержащая противни с крышками, выполненные из огнеупорного материала и установленные по отношению другу к другу под углом, обеспечивающем пересыпание вермикулита в процессе обжига с одного на другой, и электрические нагреватели, размещенные под крышкам противней продольно над поверхностью противней с зазором, закрепленные на головках с параллельными гранями для обеспечения их параллельной установки и выполненные с консолями, подвешенными в нижней части противней на поворотных серьгах, закрепленных через керамические электроизолирующие втулки шарнирно на стержнях, установленных на крышках противней, серьги выполнены в виде Г-образных рычагов, одни плечи которых удерживают консоли электрических нагревателей, а другие снабжены грузиками, обеспечивающими натяжение электрических нагревателей и постоянство зазора.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются противень из огнеупорного материала, термокрышка, электрические нагреватели, размещенные под ней, головки для крепления нагревателей и серьги.
Указанная печь обладает тем же недостатком: из-за больших пустот лишь малая часть лучистой энергии поглощается непосредственно вермикулитом. Основная мощность теплового потока приходится на поверхности огнеупорных оснований противней, поглощается ими, и далее через кондукцию и конвекцию рассеивается, безвозвратно теряясь для основного процесса.
В качестве прототипа принята электрическая печь для обжига вермикулита (RU № 196899, МПК F27B 9/00, опубликовано 19.03.2020), содержащая дозатор, противни, выполненные из огнеупорного материала и установленные под углом 45° к горизонту с возможностью пересыпания вермикулита с одного на другой, крышки противней, выполненные из керамовермикулитовых плит, нагреватели, серьги и крепежные головки, установленные на крышках для закрепления нагревателей, нижний противень соединен с не электрифицированным модулем, предназначенным для пересыпания по нему вермикулита до его окончательного вспучивания, при этом в каждом противне размещен только один нагреватель, выполненный из проволочного нихрома в виде зигзагообразного змеевика с двумя концами, соединенными с двумя крепежными головками, установленными по краям крышки, а серьги выполнены в виде плоских зацепов в верхней части для фиксации на крышке и округлых зацепов с замками, которыми они удерживают нагреватель под всей поверхностью крышки.
Общими признаками с заявляемой полезной моделью являются дозатор, противни из огнеупорного материала, крышки из керамовермикулитовых плит, зигзагообразные нагреватели из проволочного нихрома, размещенные под крышками, головки и серьги для удержания нагревателей под крышками.
Рассмотренная печь обладает тем же недостатком.
На верхнем фрагменте каждого противня зерна расположены плотно, а их концентрация максимальна, поэтому средний интервал близок к нулю и между ними почти нет пустот. Здесь вся мощность падающего теплового излучения приходится на вермикулит. По мере движения зерен скорость возрастает, из-за разгона время прохождения ими последующих фрагментов сокращается, средние интервалы увеличиваются, концентрация зерен снижается, на нижнем фрагменте противня она становится наибольшей, а средний интервал между зернами становится максимальным.
2
2
На верхнем фрагменте противня площадью 0,2 м, отношение суммарной площади проекции зерен на поверхность противня к площади фрагмента составляет примерно 0,785. Это же отношение на нижнем фрагменте той же площади (0,2 м) снижается до значения примерно 0,046. Концентрация зерен уменьшается в 17 и более раз.
Из-за образовавшихся больших пустот лишь малая часть лучистой энергии поглощается непосредственно вермикулитом. Основная мощность теплового потока приходится на поверхность огнеупорного основания противня, поглощается им, и далее через кондукцию и конвекцию рассеивается, в значительной мере, безвозвратно теряясь для основного процесса.
Эти очевидные потери тепловой энергии существенно увеличивают энергоемкость процесса обжига и могут быт сокращены только путем снижения средней скорости и увеличения времени продвижения вспучивающихся зерен по противням печи при той же подаче сырьевого материала – вермикулитового концентрата и сниженном потреблении электроэнергии, что невозможно для данной печи, так как средняя скорость и время движения определяется тяготением, трением и заданным постоянным углом наклона противня к горизонту.
Заявляемая полезная модель направлена на уменьшение энергоемкости процесса обжига вермикулита путем снижения средней скорости и увеличения суммарного времени продвижения вспучивающихся зерен по противням печи при той же подаче сырьевого материала и сниженном потреблении электроэнергии.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении энергоемкости процесса обжига вермикулита путем снижения средней скорости и увеличения суммарного времени продвижения вспучивающихся зерен по противням печи при той же подаче сырьевого материала и сниженном потреблении электроэнергии.
1
2
3
Указанный технический результат достигается тем, что электрическая печь для обжига вермикулита, содержит дозатор, противни, выполненные из огнеупорного материала, крышки из керамовермикулитовых плит с зигзагообразными нагревателями из проволочного нихрома, размешенные под каждой из них, крепежные головки, закрепленные на крышках и серьги, удерживающие нагреватели под крышками. При этом противни установлены один под другим, с возможностью пересыпания вермикулита с одного противня на другой, огнеупорные поверхности противней выполнены криволинейными и состоят из трех частей – плоской верхней части длиной l, наклоненной к вертикали под углом 45°, округлой средней части длиной l  и плоской нижней части длиной l, располагающейся горизонтально, а крышки своей формой точно соответствуют форме противней, поэтому зазор между противнем и прилегающей крышкой неизменен по всей криволинейной длине противней. Противни и крышки имеют металлическую окантовку и ребра жесткости.
1
0
1
2
1
2
2
1
2
3
3
Благодаря такой конструкции противней и крышек, зерна вспучивающегося вермикулита по поверхности плоской верхней части противня движутся под углом 45° ускоренно на длине l, с начальной скоростью vпримерно равной нулю, достигая в конце этой части противня наибольшей скорости v. На этом участке на зерна действуют силы тяжести и силы трения. Далее зерна вспучивающегося вермикулита переходят на округлую среднюю часть и на длине l движутся постепенно замедляясь от скорости v до скорости v (v< v). На этом участке силы тяжести, заставляющие зерна двигаться, все менее способствуют разгону зерен, а силы трения, наоборот, возрастают и тормозят их. При скорости vзерна вспучивающегося вермикулита переходят на плоскую нижнюю часть противня длиной l, где продолжают замедляться до скорости vна сходе с противня за счет сил трения, которые на этом участке максимальны, а силы тяжести направлены перпендикулярно движению и не оказывают ускоряющего действия на зерна.
1
2
3
При верном подборе длин l, lи l остановки зерен вермикулита при их сходе с поверхностей противней не происходит.
ср1
0
1
Средняя скорость на плоской верхней части равна v = (v+ v)/2.
ср2
1
2
Средняя скорость на округленной средней части меньше и равна v = (v+ v)/2.
ср3
2
3
Средняя скорость на плоской нижней части еще меньше и равна v = (v+ v)/2.
ср
ср1
ср2
ср3
Тогда средняя скорость движения вспучивающихся зерен вермикулита для всего противня в целом равна v = (v+ v+ v)/3.
ср
кр
1
2
3
ср
Очевидно, что средняя скорость v движения зерен по криволинейной составной огнеупорной поверхности рассматриваемых противней будет меньше, чем по плоским противням аналогов и прототипа, на которых зерна вспучивающегося вермикулита все время движутся ускоренно и на выходе достигают своего максимума. Поэтому время движения по криволинейному противню станет больше, чем время движения по плоскому противню и будет равно t = (l+ l+ l)/v.
кр
1
2
3
1
2
3
пл
кр
Увеличение времени движения t по криволинейному противню при его общей длине l+ l+ l = l будет зависеть от правильного подбора длин l, lи l и всегда будет больше, чем время движения t по плоскому противню той же длины l. Следовательно в рассматриваемой печи с криволинейными противнями при бóльшем суммарном времени обжига, равном 3·t при той же подаче вермикулитового концентрата дозатором, как и в печи с плоскими противня, получить хорошо вспученный вермикулит можно при меньшем потреблении электроэнергии за счет бóльшей длительности обжига.
При этом очевидно, что средняя по частям криволинейного противня концентрация вермикулитовых зерен будет значительно выше, чем в печах с плоскими противнями, а следовательно потери тепловой энергии значительно сократятся.
1
2
3
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются криволинейные огнеупорные поверхности противней, противни состоят из трех частей, плоская верхняя часть имеет длину l и наклонена к вертикали под углом 45°, округлая средняя часть имеет длину l, плоская нижняя часть имеет длину l и располагается горизонтально, крышки по форме точно соответствуют форме противней, зазор между криволинейными огнеупорными поверхностями противней и прилегающих крышек неизменен по всей длине прилегания. Противни и крышки имеют металлическую окантовку и ребра жесткости.
Наличие отличительных признаков доказывает соответствие заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 схематично показана электрическая печь для обжига вермикулита.
На фиг. 2 схематично показан противень печи для обжига вермикулита (вид сбоку).
Электрическая печь для обжига вермикулита, фиг. 1, содержит барабанный дозатор вермикулитового концентрата с бункером 1, приводом 2, барабаном 3 и спусковым лотком 4, сопряженным с верхним противнем 5, который нижней частью сопряжен с противнем 6, который, в свою очередь, нижней частью сопряжен с противнем 7. Под нижним противнем 7 установлен лоток 8, направляющий вспученный вермикулит в приемный бункер (на фиг. 1 не показан).
1
2
3
Противни 5, 6 и 7 содержат крышки 9, 10 и 11, плотно прилегающие к противням 5, 6 и 7, огнеупорные поверхности которых выполнены криволинейными и состоят из трех частей (см. фиг. 2), – плоской верхней части длиной l, наклоненной к вертикали под углом 45°, округлой средней части длиной l и плоской нижней части длиной l, располагающейся горизонтально, а крышки 9, 10 и 11 своей формой точно соответствуют форме противней 5, 6 и 7, обеспечивая зазор z между противнем и прилегающей крышкой неизменным по всей криволинейной длине прилегания.
Под крышками 9, 10 и 11, фиг. 1, на серьгах 12 подвешены нагреватели 13 из проволочного нихрома, закрепленные на крепежных головках 14.
Противни 5, 6 и 7 и крышки 9, 10 и 11 имеют металлическую окантовку 15 и 16 и ребра жесткости 17 и 18.
Электрическая печь для обжига вермикулита работает следующим образом. Запускается привод 2 и вращающийся барабан 3 из бункера 1 подает вермикулитовый концентрат по спусковому лотку 4 на верхний противень 5. Вермикулитовый концентрат начинает двигаться под крышкой противня в пространстве размером z,  вспучиваться под действием теплового излучения, идущего от нагревателей 13 и пересыпаться на средний противень 6, а потом на нижний противень 7, откуда выходит вспученный вермикулит и по лотку 8 ссыпается в приемный бункер (на фиг. 1 не показан).
1
0
1
Зерна вспучивающегося вермикулита по поверхности плоской верхней части  каждого противня 5, 6 и 7, фиг. 1, движутся под углом 45° к горизонту от т. а до т. b ускоренно на длине l, фиг. 2, с начальной скоростью vблизкой к нулю, достигая в конце этой части противня (в т. b) наибольшей скорости v. На этом участке на зерна действуют силы тяжести и силы трения, причем движущая сила, равная mg sin 45°здесь максимальна, а сила трения, равная f mg cos 45° – минимальна (f – коэффициент трения вермикулита по огнеупорной поверхности).
2
1
2
2
1
Далее зерна вспучивающегося вермикулита переходят на округлую среднюю часть b – с и на длине l, фиг. 2, движутся постепенно замедляясь от скорости v до скорости v (v< v). На этом участке b – с силы тяжести, заставляющие зерна двигаться, уменьшаются и все менее способствуют их разгону, а силы трения, наоборот, возрастают и сильнее тормозят их.
2
3
3
При скорости vзерна вспучивающегося вермикулита переходят на плоскую нижнюю часть с – d противня длиной l, где продолжают замедляться до скорости vна сходе с противня за счет сил трения, которые на этом участке максимальны и равны f mg, а силы тяжести mg направлены перпендикулярно движению и уже не оказывают ускоряющего действия на зерна.
1
2
3
При верном подборе длин l, lи l остановки зерен вермикулита при их сходе с поверхностей противней не происходит.
Средняя скорость на плоской верхней части a – b равна:
ср1
0
1
v = (v+ v)/2.
Средняя скорость на округленной средней части b – c меньше и равна:
ср2
1
2
v = (v+ v)/2.
Средняя скорость на плоской нижней части еще меньше и равна:
ср3
2
3
v = (v+ v)/2.
ср
ср1
ср2
ср3
Тогда средняя скорость движения вспучивающихся зерен вермикулита для всего противня в целом равна v = (v+ v+ v)/3.
ср
кр
1
2
3
ср
Очевидно, что средняя скорость v движения зерен по криволинейной составной огнеупорной поверхности рассматриваемых противней 5, 6 и 7 будет меньше, чем по плоским противням аналогов и прототипа, на которых зерна вспучивающегося вермикулита все время движутся ускоренно и на выходе достигают своего максимума. Поэтому время движения по криволинейному противню станет больше, чем время движения по плоскому противню и будет равно t = (l+ l+ l)/v.
кр
1
2
3
1
2
3
пл
кр
Увеличение времени движения t по криволинейным противням при общей длине каждого из них l+ l+ l = l будет зависеть от правильного подбора длин l, lи l и всегда будет больше, чем время движения t по плоскому противню той же длины l. Следовательно в рассматриваемой печи, фиг. 1, с криволинейными противнями 5, 6 и 7 при бóльшем суммарном времени обжига, равном 3·t при той же подаче вермикулитового концентрата дозатором, как и в печи с плоскими противня, получить хорошо вспученный вермикулит можно при меньшем потреблении электроэнергии за счет бóльшей длительности обжига при одновременном понижение энергоемкости обжига.
При этом очевидно, что средняя по частям криволинейного противня концентрация вермикулитовых зерен будет значительно выше, чем в печах с плоскими противнями, а следовательно потери тепловой энергии значительно сократятся.
Так достигается технический результат полезной модели – уменьшение энергоемкости процесса обжига вермикулита путем снижения средней скорости и увеличения суммарного времени продвижения вспучивающихся зерен по противням печи при той же подаче сырьевого материала и сниженном потреблении электроэнергии.