АППАРАТ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК F26B11/04 

Изобретение относится к тепломассообменному оборудованию, а более конкретно к вращающимся барабанам с конвективно-кондуктивным подводом (отводом) тепла, и может быть использовано для термической обработки сыпучих материалов в химической, металлургической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности.

Известны тепломассообменные аппараты [1] представляющие собой вращающийся барабан, на части длины которого смонтированы трубчатые зигзагообразные элементы (каналы). Материал перемещается по этим каналам, теплоноситель (хладагент) идет в межтрубном пространстве. Для забора материала из конвективной зоны в зигзагообразные каналы последние оснащены специальными коробами, поперечные размеры которых, превышающие диаметр каналов, выбираются таким образом, чтобы их пропускная способность не лимитировала производительность всего аппарата.

Для минимизации пылеуноса при обратном высыпании материала из зигзагообразного канала, происходящем во время подъема его в верхнее положение, загрузочные короба имеют ограничительные воронки.

Недостатками этого аппарата является малая пропускная способность трубчатых зигзагообразных элементов, которые можно укладывать в хордовых плоскостях барабана, а также сложность изготовления, высокая точность в соблюдении соосности, центровки) и как результат невысокая эксплуатационная надежность. Эти недостатки устранены в наиболее близком к предлагаемому аппарате [2] представляющем собой вращающийся барабан с размещенной в нем коаксиально цилиндрической вставкой, в кольцевом пространстве между которыми размещены зигзагообразные пластины, образующие каналы для перемещения материала. Теплоноситель или хладагент подается в аппарат через патрубки и контактирует с материалом через стенку вставки.

На входе концевые участки зигзагообразных пластин могут выполняться параллельными образующей барабана для снижения пылеуноса при обратном высыпании и на выходе материала для повышения степени заполнения аппарата. Недостатком этого аппарата является то, что в нем не реализовывается максимальная производительность, соответствующая пропускной способности зигзагообразных каналов.

Данный аппарат является комбинацией трех частей, обладающих разной пропускной способностью. Это полый барабан, вставка с зигзагобразными пластинами и вставка с прямыми каналами, параллельными образующей.

Экспериментальные данные и расчеты пропускной способности этих трех частей показывают, что пропускная способность вставки с зигзагообразными пластинами значительно превышает таковую для двух других частей аппарата.

Целью данного изобретения является повышение суммарной производительности аппарата путем увеличения пропускной способности его частей до пропускной способности вставки с зигзагообразными пластинами.

Цель достигается тем, что на входе и выходе цилиндрической вставки соосно с ней дополнительно установлены обечайки, причем диаметр первой по ходу движения материала равен 0,46-0,81 диаметра барабана, а диаметр второй 0,60 0,91 диаметра цилиндрической вставки.

Наличие первой обечайки на входе во вставку с зигзагообразными пластинами позволяет повысить производительность полого барабана путем увеличения коэффициента его заполнения. Кроме того, позволяет также повысить производительность вставки с зигзагообразными пластинами, так как при отсутствии первой обечайки во избежание прохождения материала вне каналов приходится поддерживать коэффициент заполнения на входе во вставку ниже 1,00 (оптимальный коэффициент заполнения зигзагообразных каналов меняется по длине от 1,00 до 0,20 0,50).

В случае, когда диаметр первой обечайки равен диаметру вставки с зигзагообразными пластинами, заполнение входного сечения вставки также меньше 1,00 вследствие наличия уклона слоя материала, и общий коэффициент заполнения также ниже оптимального. Длина первой обечайки определяется свойствами конкретного материала (углом естественного откоса, текучестью), а диаметр (D_ц) составляет 0,46 0,81 диаметра барабана (D_б). Нижний предел соответствует случаю с максимальной производительностью аппарата, при этом коэффициент заполнения полой части Φ_ц=0,20 (Φ=124^°).. Верхний предел соответствует случаю с минимальной производительностью аппарата при коэффициенте заполнения полой части Φ_ц=0,07 (Φ=84^°)..

Как известно, повышение коэффициента заполнения барабана в полой части более 0,2 не используется из-за образования "почки" в слое и ухудшения условий тепло- и массообмена. Коэффициент заполнения полого барабана менее 0,07 обычно не используется из-за крайне низкого КПД.

Влияние предвключенного цилиндра и его характеристик на производительность аппарата представлено в табл. 1.

Производительность прямых каналов можно повысить до производительности каналов с зигзагоообразными пластинами, увеличив их размеры, путем установки второй дополнительной обечайки на выходе из цилиндрической вставки с зигзагообразными пластинами, диаметр второй обечайки составляет 0,60 0,91 диаметра цилиндрической вставки. При этом нижний предел соответствует минимальному коэффициенту заполнения прямых каналов Φ_п=0,3, обеспечивающему эффективный коэффициент заполнения зигзагообразных каналов. Верхний предел соответствует максимальному коэффициенту заполнения Φ_п=0,7,, превышение которого для барабанных конструкций, как известно, приводит к ухудшению качества перемешивания и, следовательно, тепломассообмена (переход от коэффициентов заполнения к диаметрам сделан для того, чтобы оперировать легкозамеряемыми характеристиками).

Зигзагообразные пластины рационально выполнять с продолжением в виде прямых, параллельных образующей участков, что дает возможность повысить коэффициент заполнения вставки. Без них коэффициент обычно не превышает 0,3, самая высокая точка слоя материала располагается примерно по вершинам зигов (фиг. 3, а). При наличии прямых участков коэффициент заполнения значительно выше (фиг. 3, б), так как профиль слоя формируется с разгрузочного конца.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых конструктивных элементов дополнительных обечаек на входе и выходе цилиндрической вставки, установленных соосно с ней, со строгими относительными размерами. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение решения с другими техническими решениями показывает, что использование дополнительных обечаек во вращающихся барабанах известно. Однако в данном техническом решении введение дополнительных обечаек на входе и выходе цилиндрической вставки с зигзагообразными пластинами при строгом соответствии их относительных размеров проявляет новые свойства позволяет привести в соответствие производительность всех частей аппарата и реализовать его максимальную пропускную способность.

На фиг. 1 представлена схема поперечного разреза аппарата с соотношением диаметров всех его частей; на фиг. 2 схема продольного разреза аппарата; на фиг. 3 развертка цилиндрической вставки.

Аппарат для термообработки сыпучих материалов представляет собой вращающийся барабан 1 с загрузочной 2 и разгрузочной 3 камерами и питателем 4. Внутри него коаксиально встроена вставка с зигзагообразными каналами 5 с первой дополнительной обечайкой меньшего диаметра 6 на входе.

Зигзагообразные каналы 5 образованы в кольцевом пространстве между поверхностью барабана 1 и цилиндрической вставкой 7 путем расположения вдоль корпуса зигзагообразных пластин 8, которые обычно изготавливаются путем сгибания через определенные промежутки плоской ленты под определенным углом (60 120^o). Далее эти пластины 8 привариваются либо к барабану 1, либо к цилиндрической вставке 7 перпендикулярно образующей.

Прямые участки 9 пластин 8 на выходе из вставки с зигзагообразными пластинами образуют прямые каналы в кольцевом пространстве между барабаном 1 и второй дополнительной обечайкой 10 диаметром, меньшим диаметра цилиндрической вставки. Теплоноситель подводится и выводится через патрубки 11 и 12.

Аппарат работает следующим образом.

Материал подается через загрузочную камеру 2 питателем 4 в полую часть барабана 1, где происходит конвективная термообработка. За счет вращения и наклона барабана он перемещается в кольцевое пространство между барабаном 1 и первой дополнительной обечайкой 6 и далее в зигзагообразные каналы 5, образованные барабаном 1, цилиндрической вставкой 7 и зигзагообразными пластинами 8. Здесь при интенсивном перемешивании осуществляется кондуктивная термообработка материала теплоносителем, подаваемым через патрубки 11 или 12. Затем материал попадает в прямые каналы, образованные барабаном 1, второй дополнительной обечайкой 10 и прямыми участками 9 на концах зигзагообразных пластин 8. После чего он высыпается в разгрузочную камеру 3.

Пример. Пусть необходимо подобрать характеристики аппарата для термообработки фтористого алюминия производительностью 5,5 м³/ч.

Расчетные формулы следующие:
для цилиндрической полой части

для части с зигзагообразными каналами

для части с прямыми каналами

где Q объемная производительность, Φ коэффициент заполнения, D - диаметр, d эквивалентный диаметр канала, w частота вращения, i угол наклона оси к горизонтали, b_д динамический угол естественного откоса, α - угол в зигзагообразном канале, F центральный угол сегмента, заполненный материалом, N число каналов.

Принимая w=1 об/мин, i=2^o, β_д=45^°,, определим характеристики барабана с зигзагообразными каналами: при N 16 Д_б 1,7 м, d₃= 0,4 м.

В табл. 2 приведены данные расчетов производительности для всех трех частей аппарата при разных коэффициентах заполнения. Указанная производительность 5,5 м³/ч будет обеспечена при Φ_з=0,36, при Φ_ц=0,20 (D_ц 0,46 D_б и при Φ_п=0,6(Д_п=0,85Д_з).о

Использование: для термической обработки сыпучих материалов в химической, металлургической, строительной, пищевой и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: в аппарате, содержащем вращающийся барабан 1 с размещенной в нем коаксиально цилиндрической вставкой 7, на входе и выходе последней соосно с ней дополнительно установлены обечайки 6, 10, причем диаметр первой по ходу движения материала обечайки равен 0,46 - 0,81 диаметра барабана 1, а диаметр второй - 0,60 - 0,91 диаметра цилиндрической вставки 7. 1 з. п. ф-лы, 3 ил., 2 табл.

1. Аппарат для термообработки сыпучих материалов, содержащий вращающийся барабан с размещенной в нем коаксиально цилиндрической вставкой, а в пространстве между корпусом барабана и вставкой по всей длине - зигзагообразные пластины, установленные вдоль корпуса с образованием каналов, камеры загрузки и выгрузки материала, патрубки подачи и отвода теплоносителя, отличающийся тем, что на входе и выходе цилиндрической вставки соосно с ней дополнительно установлены обечайки, причем диаметр первой по ходу движения материала обечайки равен 0,46 0,81 диаметра барабана, а диаметр второй - 0,60 0,91 диаметра цилиндрической вставки. 2. Аппарат для термообработки по п. 1, отличающийся тем, что зигзагообразные пластины выполнены с продолжением в виде прямых участков, размещенных в пространстве между корпусом и второй обечайкой.