НАСАДКА РЕГЕНЕРАТОРА Российский патент 1998 года по МПК C21B9/06 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам для высокотемпературного нагрева воздуха и других газообразных теплоносителей.

Известна насадка, выполненная из огнеупорных кирпичей, боковые поверхности которых выполнены цилиндрическими, а верхняя и нижняя по всей длине - в виде узких горизонтальных поверхностей с поперечными пазами [1]. Эта насадка характеризуется низким объемным коэффициентом теплоотдачи конвекцией, повышенным гидравлическим сопротивлением, наличие верхних горизонтальных поверхностей является причиной отложения пыли и уменьшения проходного сечения горизонтальных каналов.

Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности является насадка регенератора из огнеупорных кирпичей с полуцилиндрической формой верхней грани элементов и поперечными пазами [2]. Эта насадка характеризуется повышенным объемным коэффициентом теплоотдачи по сравнению с аналогом, но одновременно и высоким гидравлическим сопротивлением при движении теплоносителя навстречу плоской нижней грани элементов. Кроме того, часть вертикальных поверхностей нагрева (в пазах) не участвует в теплообмене, а горизонтальные нижние грани с точки зрения интенсивности теплообмена малоэффективны.

Предлагается насадка регенератора, содержащая огнеупорные кирпичи, установленные один над другим горизонтальными рядами со смещением на 90^o в каждом последующем ряду и образованием вертикальных и горизонтальных проходов, причем верхняя и нижняя части кирпичей выполняются полуцилиндрическими и с поперечными пазами, нижние из которых в меридиональном сечении имеют форму равнобедренной трапеции с большим основанием снизу, расстояние между пазами в верхней части кирпича и между меньшими основаниями трапецеидальных пазов в нижней части кирпича равно гидравлическому диаметру насадки, а расстояние от торцевых боковых поверхностей до пазов в верхней части кирпича и до нижних оснований трапецеидальных пазов в нижней части кирпича равно половине гидравлического диаметра насадки; глубина пазов в верхней части кирпича минимальна и выбирается из условий предупреждения скольжения кирпичей по цилиндрической поверхности, расположенных ниже элементов, а их ширина сверху и снизу на уровне меньших оснований трапецеидальных вырезов равна толщине кирпича, глубина пазов в нижней части кирпича составляет 0,3-0,45 высоты кирпича.

Кроме того, с целью дальнейшей интенсификации теплообмена торцевые боковые грани кирпича могут быть наклонены под углом к плоскости нижнего основания кирпича, тангенс которого (отношение полуразности верхнего и нижнего оснований меридионального сечения кирпича и его высоты) равен 0,02-0,06, при этом длина верха кирпича равна удвоенной сумме толщины и гидравлического диаметра насадки, расстояние между пазами сохраняется тем же, что и без наклона торцевых поверхностей; либо насадка выполняется с развернутыми торцевыми боковыми гранями так, что длина одной широкой боковой грани кирпича равна удвоенной сумме толщины и гидравлического диаметра насадки, а длина второй широкой боковой грани кирпича уменьшается со сторон торцевых боковых граней кирпича на 0,01-0,03 от его высоты. При этом расстояние между пазами сохраняется тем же, что и без развертки торцевых граней.

На фиг. 1 показан элемент насадки с горизонтальными пазами 1: a - с перпендикулярным к плоскости основания торцевыми гранями; б - с наклонными к плоскости нижнего основания торцевыми боковыми гранями; в - с укороченной длиной одной из широких боковых граней кирпича. На фиг. 2 показан продольный разрез и вид сверху насадки в сборе из элементов 1б.

Насадка регенератора состоит из элементов (кирпичей) 1, установленных друг над другом горизонтальными рядами со смещением на 90^o в каждом последующем ряду и образующих вертикальные каналы 2 и горизонтальные проходы 3.

Устройство работает следующим образом.

Греющий газ (продукты сгорания), проходя через насадку сверху вниз, отдает тепло элементам насадки. В следующий период работы регенератора снизу вверх поступает нагреваемый газ (например воздух), который получает тепло от нагретой насадки. Затем процесс циклически повторяется.

Выполнение верхней и нижней частей в виде полуцилиндрических поверхностей с поперечными пазами, глубина которых в нижней части кирпичей составляет 0,3-0,45 их высоты, а также трапецеидальная форма этих пазов с большим основанием снизу для нижних пазов позволяют интенсифицировать теплообмен путем раскрытия дополнительных вертикальных поверхностей (общая поверхность нагрева при прочих равных условиях по сравнению с прототипом увеличивается на ≈ 20%) и исключить горизонтальные поверхности, обладающие пониженной интенсивностью теплообмена. При этом снижается гидравлическое сопротивление насадки, особенно при движении теплоносителя снизу вверх. Оптимальная величина относительной глубины пазов h/H (H - высота кирпичей) в нижней части элементов обусловлена следующим: с увеличением относительной глубины пазов h/H до 0,3 как в насадке с полуцилиндрической формой верхней грани элементов (прототип), так и в предлагаемой насадке происходит примерно одинаковое увеличение интенсивности (по сравнению с аналогом), что объясняется увеличением относительной поверхности нагрева и поверхностного коэффициента теплоотдачи конвекцией (за счет большой турбулизации потока теплоносителя). При увеличении h/H более 0,3 в прототипе увеличение интенсивности теплообмена по сравнению с предлагаемой насадкой меньше, т.к. при продолжающемся повышении турбулизации потока происходит увеличение сопротивления, образование застойных зон в горизонтальных каналах, что приводит к снижению эффективности горизонтальных поверхностей. В предлагаемой насадке, благодаря обтекаемой форме нижней грани элементов, образования пограничной зоны у торцевой нижней поверхности элементов не происходит.

При относительной глубине паза h/H больше 0,4 в прототипе наблюдается резкое снижение интенсивности теплообмена, что объясняется тем, что резко повышается гидравлическое сопротивление горизонтальных проходов, и верхняя, и нижняя грани элементов исключаются из теплообмена. В предложенной насадке данный эффект наступает при h/H большем 0,45.

Таким образом, предложенная насадка отличается повышенной интенсивностью теплообмена при глубине пазов 0,3-0,45 высоты кирпича.

Величина глубины пазов в верхней части кирпича минимальна (≈ 5 мм) и выбирается из условий предупреждения скольжения кирпичей по цилиндрической поверхности расположенных ниже элементов и технологии изготовления.

Дальнейшее повышение интенсивности теплообмена достигается за счет раскрытия торцевых боковых граней кирпича (фиг. 1б). Для увеличения их количества с учетом требований перевязки элементов при сборке насадки длина кирпича равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки. Оптимальная величина тангенса угла наклона торцевых боковых граней кирпича к плоскости их нижнего основания (δ/H) составляет 0,02 - 0,06 и обусловлена следующим: с увеличением тангенса угла наклона торцевых боковых граней кирпича (δ/H) от 0 до 0,02, несмотря на раскрытие торцевых граней, интенсивность теплообмена в предложенной насадке практически не меняется, что объясняется повышенным гидравлическим сопротивлением образуемой пыли в отсутствии движения теплоносителей в ней. С увеличением δ/H более 0,02 наблюдается увеличение интенсивности теплообмена в насадке, связанное с увеличением относительной поверхности нагрева. При δ/H , равном 0,06, значение интенсивности теплообмена максимально, при дальнейшем же увеличении δ/Η происходит резкое снижение интенсивности теплообмена. Это связано с тем, что с повышением одновременно с увеличением поверхности нагрева торцевых граней происходит и снижение наиболее эффективной с точки зрения теплообмена поверхности нагрева широких боковых граней кирпичей. При δ/Η > 0,06 уменьшение поверхности нагрева широких боковых граней кирпичей сказывается сильнее, чем прирост интенсивности теплообмена за счет дополнительного раскрытия менее эффективных с точки зрения теплообмена торцевых поверхностей кирпичей. Наклонная форма торцевых боковых граней кирпичей позволяет повысить интенсивность теплообмена в основном при движении теплоносителя снизу вверх, т.к. в противоположном направлении узкие боковые грани в теплообмене практически не участвуют.

Предложенная насадка из элементов с разной длиной широких боковых граней (фиг. 1в) одинаково эффективна с точки зрения интенсивности при движении теплоносителей в обоих направлениях. При этом длина одной широкой боковой грани равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки и выбирается из условий точного формирования необходимого гидравлического диаметра, с одной стороны, и для увеличения количества торцевых боковых граней кирпичей с учетом перевязки элементов при сборке насадки, с другой стороны. Длина второй широкой боковой грани кирпича уменьшена со стороны торцевых боковых граней кирпича на 0,01-0,03 от его высоты (Δl/H). Величина указанного диапазона обоснована аналогично предыдущему варианту насадки. При уменьшении указанной величины (Δl/H) менее 0,01 величина образуемых щелевых каналов между боковыми торцевыми поверхностями недостаточна для прохода теплоносителей; при Δl/H более 0,03 уменьшение интенсивности теплообмена от снижения поверхности нагрева укороченной широкой боковой грани элемента сильнее, чем ее увеличение от дополнительного раскрытия торцевых боковых граней.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам для высокотемпературного нагрева воздуха и других газообразных теплоносителей. Насадка регенератора содержит огнеупорные кирпичи, верхняя и нижняя грани которых выполнены полуцилиндрическими и с поперечными пазами, расстояние между которыми в средней части кирпича равно гидравлическому диаметру насадки, а расстояние от торцевых поверхностей до пазов равно половине гидравлического диаметра насадки, глубина пазов в верхней части кирпича выбрана из условий предупреждения скольжения кирпичей по цилиндрической поверхности, расположенных ниже элементов, а их ширина равна толщине кирпича, глубина пазов в нижней части кирпича составляет 0,3 - 0,45 высоты кирпича, пазы в меридиональном сечении имеют форму равнобедренной трапеции с большим основанием снизу. Торцевые боковые грани кирпича могут быть наклонены под углом к плоскости нижнего основания кирпича, тангенс которого равен 0,02 - 0,06, причем длина верха кирпича равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки, а длина узкой широкой боковой грани кирпича равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки, при этом длина второй широкой боковой грани кирпича уменьшена со стороны торцевых боковых граней кирпича на 0,01 - 0,03 от его высоты. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Насадка регенератора, содержащая огнеупорные кирпичи, установленные один над другим горизонтальными рядами со смещением на 90^o в каждом последующем ряду и образованием вертикальных и горизонтальных проходов, причем верхняя грань огнеупорных кирпичей выполнена полуцилиндрической с поперечными пазами, отличающаяся тем, что нижняя грань огнеупорных кирпичей выполнена полуцилиндрической с поперечными пазами, которые в меридианальном сечении имеют форму равнобедренной трапеции с большим основанием снизу, расстояние между пазами в верхней части кирпича и между меньшими основаниями трапецеидальных пазов в нижней части кирпича равно гидравлическому диаметру насадки, а расстояние от торцевых боковых поверхностей до пазов в верхней части кирпича и до нижних оснований трапецеидальных пазов в нижней части кирпича равно половине гидравлического диаметра насадки, глубина пазов в верхней части кирпича минимальна и выбрана из условий предупреждения скольжения кирпичей по цилиндрической поверхности расположенных ниже элементов, а их ширина сверху и снизу на уровне меньших оснований трапецеидальных вырезов равна толщине кирпича, глубина пазов в нижней части кирпича составляет 0,3 - 0,45 высоты кирпича. 2. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что торцевые боковые грани кирпича наклонены под углом к плоскости нижней грани кирпича, тангенс которого равен 0,02 - 0,06, при этом длина верхней грани кирпича равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки. 3. Насадка по п. 1, отличающаяся тем, что длина одной широкой боковой грани кирпича равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки, а длина второй широкой боковой грани кирпича уменьшена со сторон торцевых боковых граней кирпича на 0,01 - 0,03 от его высоты.