РЕЦИРКУЛЯЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1995 года по МПК C21D9/00 

Изобретение относится к нагреву и может быть использовано в различных отраслях промышленности для равномерного и интенсивного нагрева, в частности в строительной индустрии для термообработки бетонных изделий.

Рециркуляционные нагревательные установки нашли широкое применение в процессах нагрева, термообработки и сушки различных материалов и изделий (Тевис П. И. Ананьев В.А. Шадек Е.Г. Рециркуляционные установки аэродинамического нагрева./Под ред. Е.Н.Шадека. М. Машиностроение, 1986, с.208). Сущность принципа их работы заключается в реализации теплового эффекта аэродинамических потерь, образующихся при работе ротора центробежного вентилятора в замкнутом циркуляционном контуре проточной части ротора и в вентиляционном тракте. Преимущества установок аэродинамического нагрева по сравнению с электрическими или пламенными заключаются в высокой равномерности нагрева изделий по всему их рабочему объему и в тепловой экономичности.

Известны рециркуляционные нагревательные установки, содержащие теплоизолирующий корпус, центробежный вентилятор, служащий генератором теплоты, циркуляционные экраны и рабочую камеру, в которой помещаются нагреваемые изделия. У различных установок в рабочих камерах пpямоугольного поперечного сечения количество циркуляционных экранов изменяется от одного до четырех. В камерах круглого сечения используются кольцевые экраны. (Тевис П.И. и др. Рециркуляционные установки аэродинамического нагрева./Под ред.Е.Г.Шадека. М. Машиностроение, 1986, с.151-185).

Общим недостатком этих нагревательных установок является малая производительность, обусловленная низкой интенсивностью теплообмена между греющим газом (воздухом) и нагреваемыми изделиями.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретению является сушильная рециркуляционная установка, состоящая из теплоизолирующего корпуса, ротора центробежного вентилятора и двух тангенциальных воздушных каналов, смещенных ко входному сечению ротора. Воздух, подаваемый через воздушные каналы тангенциально внутренней поверхности, засасывается ротором с торца рабочей камеры круглого поперечного сечения. Таким образом в объеме устройства циклонной камеры создается закрученное течение теплоносителя.

Недостатком известной установки является неравномерная и низкая интенсивность теплоотдачи к нагреваемым изделиям вследствие того, что в ней не используются возможности интенсификации рабочего процесса за счет повышения уровня конвективного теплообмена, которые открывает применение закрученных вихревых потоков. Кроме того для циклонных камер характерно высокое значение гидравлического сопротивления, значительно превосходящее все остальные составляющие воздушного тракта известной нагревательной установки.

Задача изобретения повышение тепловой эффективности нагревательной установки и снижение ее гидравлического сопротивления.

Для этого у рециркуляционной нагревательной установки, имеющей теплоизолирующий корпус, ротор центробежного вентилятора, циркуляционный экран, образующий рабочую камеру, выполнен в форме эллиптического цилиндра с коэффициентом сжатия, равным 0,5-0,7. Для подачи воздуха в камеру равномерно по ее длине установлены в шахматном порядке тангенциальные воздушные каналы.

Отличием от прототипа является то, что рециркуляционная установка снабжена циркуляционным экраном в форме эллиптического цилиндра с коэффициентом сжатия 0,5-0,7, а тангенциально внутренней поверхности циркуляционного экрана в шахматном порядке равномерно по длине установлены тангенциальные воздушные каналы.

На фиг. 1 представлена рециркуляционная нагревательная установка, вид сбоку; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.4 разрез В-В на фиг.2; на фиг.5-6 сравнительные данные тепловой эффективности и гидравлического сопротивления для рабочих камер с различными коэффициентами сжатия поперечного сечения.

Рециркуляционная нагревательная установка содержит теплоизолирующий корпус 1, ротор центробежного вентилятора 2 и циркуляционный экран 3. По оси рабочей камеры, образуемой циркуляционным экраном, располагается нагреваемое изделие 4. У всасывающего отверстия роторного нагревателя установлен регулятор мощности в виде жалюзийной решетки 5, подключенный к приводу 6. Тангенциально внутренней поверхности рабочей камеры равномерно по ее длине в шахматном порядке установлены тангенциальные воздушные каналы 7. Ротор центробежного вентилятора 2 соединен с электродвигателем 8 с помощью подшипниковой опоры 9. Циркуляционный экран выполнен из двух частей верхней и нижней, соединенных вместе уплотнением 10. Верхняя часть циркуляционного экрана жестко соединена с теплоизолирующим корпусом, а нижняя с опорами 11. С торца установки, расположенного противоположно ротору, имеется загрузочная дверь 12 на шарнире 13. Вся рециркуляционная нагревательная установка перемещается по колее 14 на колесах 15. Для предотвращения подсосов холодного воздуха в рабочую камеру по периметру теплоизолирующего корпуса в нижней части установлен затвор 16.

Ниже описывается работа рециркуляционной нагревательной установки, предназначенной для термообработки бетонных изделий.

После приготовления бетонной смеси и укладки ее в опалубку рециркуляционная нагревательная установка по колее 14 накатывается на формовочный пост, основными элементами которого являются опалубка с бетоном 4, опоры 11 и нижняя часть циркуляционного экрана 3. Закрывается загрузочная дверь 12 и уплотняется теплоизолирующий корпус 1 с помощью гидравлического (летом) или песочного (зимой) затворов 16. Включается электродвигатель 8 привода ротора центробежного вентилятора. Воздух роторным нагревателем нагнетается в два верхних канала, между теплоизолирующим корпусом и циркуляционным экраном, после чего он равномерно распределяется по тангенциальным воздушным каналам 7, установленным в шахматном порядке. Вращаясь в рабочей камере эллиптического поперечного сечения, воздух интенсивно и равномерно обогревает бетон в опалубке 4. Из рабочей камеры воздух поступает, минуя жалюзийную решетку, во всасывающее отверстие ротора 2. При этом основная часть теплоты, необходимой для термообработки, генерируется в роторе центробежного вентилятора. Благодаря ступенчатому изменению числа оборотов асинхронного двигателя 8 и регулятору мощности жалюзийной решетке 6 можно эффективно управлять температурой в рабочей камере и осуществлять термообработку по различным температурным режимам с высокой точностью.

Использование предлагаемой рециркуляционной нагревательной установки позволяет значительно повысить качество термообработки и производительность.

Исследования теплоотдачи показывают, что закрутка теплоносителя значительно увеличивает теплоотдачу на внешней поверхности за счет активного влияния центробежных сил и снижает теплоотдачу на внутренней (в рассматриваемом примере это нагреваемые изделия) за счет консервативного влияния этих сил. Изменение формы поперечного сечения рабочей камеры с круглой на эллиптическую приводит к нарушению устойчивости течения потока у нагреваемых изделий и снижению консервативного влияния центробежных сил. На фиг.5 представлен анализ экспериментальных данных и показана зависимость изменения коэффициента теплоотдачи к нагреваемому изделию от коэффициента сжатия поперечного сечения при относительном диаметре выходного отверстия = 0,4 (= d_вых/D_к, где d_вых диаметр всасывающего отверстия роторного нагревателя; D_к эквивалентный диаметр поперечного сечения рабочей камеры ).

На фиг. 5 обозначено: α средний коэффициент теплоотдачи; К коэффициент сжатия рабочего объема (К a/b, где а и b соответственно малая и большая оси эллипса); α_к=1 средний коэффициент теплоотдачи к изделию, расположенному в рабочей камере круглого поперечного сечения.

Как следует из представленных данных, уменьшение коэффициента сжатия приводит к значительному росту теплоотдачи, которая достигает максимального значения при К 0,6-0,7. При дальнейшем уменьшении К интенсивность теплоотдачи начинает снижаться. Наибольшая же равномерность теплоотдачи по длине нагреваемых изделий наблюдается при К 0,5-0,7.

На фиг. 6 представлен анализ опытных данных и показана обобщающая зависимость изменения коэффициента сопротивления рабочей камеры от коэффициента сжатия ее поперечного сечения.

На фиг. 6 обозначено: ζ и ζ_к=1 коэффициенты сопротивления рабочих камер соответственно эллиптического и круглого поперечного сечения. Из приведенных данных следует, что с уменьшением К коэффициент сопротивления резко снижается и достигает практически минимального значения при К 0,5-0,6. Уменьшение коэффициента сопротивления, не связанного с генерацией теплоты устройством, является положительным фактором, так как при этом снижаются непроизводительные потери энергии на перемещение греющего воздуха по тракту и повышается КПД нагревательной установки.

Дальнейшее уменьшение К (К < 0,5) нецелесообразно, так как при этом падает уровень скоростей воздуха в средней части камеры там, где расположены нагреваемые изделия и интенсивность теплоотдачи к ним снижается. При увеличении К больше 0,7 резко возрастает сопротивление рабочей камеры, а теплоотдача к изделиям понижается. Если проанализировать влияние изменения формы поперечного сечения рабочего объема по коэффициенту тепловой эффективности
η показывающему, во сколько раз предлагаемое техническое решение эффективнее известного, то при К 0,5-0,7 коэффициент η имеет наибольшее значение и составляет 5,2-6,4. Тогда как при К 0,8 η равен всего лишь 2,2.

Таким образом с точки зрения максимальной тепловой эффективности рециркуляционной нагревательной установки и наименьшего коэффициента сопротивления воздушного тракта оптимальной можно считать рабочую камеру эллиптического поперечного сечения с коэффициентом сжатия 0,5-0,7.

При сосредоточенном вводе воздуха в рабочую камеру эллиптического сечения аэродинамические характеристики потока существенно различаются по ее длине. Эта неравномерность, как показывают исследования, может быть устранена за счет распределенного по длине камеры ввода воздуха. Поэтому для камер эллиптического поперечного сечения, особенно при большой их относительной длине, для равномерной раздачи теплоносителя по рабочему объему и, следовательно, равномерной теплоотдачи, наиболее целесообразной является распределенная по длине подача воздуха при помощи тангенциальных каналов, установленных в шахматном порядке.

Сущность изобретения: установка включает теплоизолирующий корпус, ротор центробежного вентилятора, тангенциальные воздушные каналы. При этом установка снабжена циркуляционным экраном, образующим рабочую камеру и выполненным в форме эллиптического цилиндра с коэффициентом сжатия поперечного сечения равным 0,5 0,7, а тангенциальные воздушные каналы установлены равномерно по длине циркуляционного экрана в шахматном порядке. 6 ил.

РЕЦИРКУЛЯЦИОННАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, содержащая теплоизолирующий корпус, ротор центробежного вентилятора, тангенциальные воздушные каналы, отличающаяся тем, что она снабжена образующим рабочую камеру циркуляционным экраном, выполненным в форме эллиптического цилиндра с коэффициентом сжатия поперечного сечения 0,5-0,7, а тангенциальные воздушные каналы установлены равномерно по длине циркуляционного экрана в шахматном порядке.