ГАЗОПЛОТНЫЙ НАСЫПНОЙ КОМПЕНСАТОР Российский патент 2007 года по МПК F22B37/02 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для более надежного газоплотного соединения элементов паровых котлов и других теплотехнических агрегатов с обеспечением компенсации их температурных перемещений.

Известен компенсатор [1], содержащий прикрепленный к перемещающимся узлам компенсирующий элемент из гибкого теплостойкого полотнища, которое охватывает камеру с объемной пружиной и подключенный к ним источник сжатого воздуха. Недостатком данного компенсатора является потребность в дополнительной энергии для наполнения камеры воздухом и относительно малый срок службы.

Известен компенсатор температурных перемещений [2], в котором отверстия в полосе выполнены в виде треугольников, обращенных своими вершинами с чередованием к противоположным краям полосы, причем одна из сторон отверстия примыкает к продольным гофрам и выполнена гофрированной, а поперечные гофры расположены с противоположных относительно упомянутых отверстий краев пластины, примыкая своим основанием к элементам теплообменника. Недостатком настоящей конструкции компенсатора является значительная металлоемкость устройства.

Известен песочный компенсатор [3], содержащий желоб с песком, прикрепленный к нижней части конвективной шахты, и погружной нож, расположенный по периметру верхней части конвективной шахты. Недостатком этого устройства является то, что при заполнении желоба компенсатора отмытым речным песком, как это требует заводская инструкция, ухудшаются газоплотные характеристики слоевого затвора устройства особенно на границе "материал - стенка", так как этот участок затвора характеризуется минимальной длиной лабиринта и соответственно минимальным аэродинамическим сопротивлением.

Наиболее близким к заявленному изобретению является насыпной компенсатор [4], содержащий погружной нож, установленный по периметру верхней части конвективной шахты, и желоб, прикрепленный к нижней части конвективной шахты и заполненный уплотняющим сыпучим материалом, уложенным в желобе слоями, при этом материал нижнего придонного слоя имеет наибольшую крупность с наименьшим коэффициентом неоднородности и в него заглублен торец погружного ножа, а частицы в последующих слоях меньше частиц материала соответствующего подстилающего слоя. Недостатком данного конструктивного решения также является неполное исключение пристеночной инфильтрации воздуха, а использование очень тонкодисперсного материала в верхнем слое компенсатора с возникновением пульсаций разряжения в конвективной шахте котла может привести к поршневому движению этого слоя с последующей разгерметизацией всего устройства.

Экспериментальные исследования, выполненные на стендовой модели насыпного компенсатора, показали, что для испытуемых групп крупностей наполнителя существует следующая зависимость вида:

...где U_ф - условная скорость фильтрации воздуха, отнесенная ко всему сечению между погружным ножом и стенкой желоба компенсатора, мм/с;

k_ф - коэффициент фильтрации воздуха, мм/с;

J=H/h_s - гидравлический уклон;

Н - разряжение в конвективной шахте котла, мм вод. ст.;

h_s - заглубление погружного ножа в слой сыпучего материала, мм;

K_d - постоянная, учитывающая физико-механические, аутогезионные и когезионные характеристики используемых сыпучих материалов, мм/с.

В первом члене уравнения (1) коэффициент "k_ф" интегрально характеризует процессы фильтрации в слое материала и находится в экспоненциальной зависимости от средневзвешенного диаметра частиц в довольно широком диапазоне (для d_о=0,051-1,150 мм, соответственно k_ф=2,67÷110,45 мм/с). Во втором члене уравнения (1) постоянный коэффициент "К_d" полностью определяет степень герметичности пневмослоевого затвора компенсатора и зависит от многих факторов, в частности от плотности контакта материала с поверхностями конструктивных элементов компенсатора.

Техническим эффектом предлагаемого устройства является повышение надежности работы и исключение присосов воздуха в газоходы котла. Указанный эффект достигается тем, что газоплотный насыпной компенсатор котла содержит желоб, прикрепленный к нижней части конвективной шахты и заполненный уплотняющим сыпучим материалом, и погружной нож, установленный по периметру верхней части конвективной шахты, при этом сыпучий материал уложен в желобе слоями, причем материал нижнего придонного слоя имеет наибольшую крупность с наименьшим коэффициентом неоднородности и в него заглублен торец погружного ножа, а частицы в последующих слоях меньше частиц материала соответствующего подстилающего слоя. Вся внутренняя поверхность желоба и верхняя часть поверхностей погружного ножа снабжены выступами шероховатости, расположенными в шахматном порядке по вершинам ромбов, одна из диагоналей которых имеет горизонтальную ориентацию с высотой выступов, равной максимальному диаметру частиц материала верхнего слоя, и с диаметрами впадин шероховатости, равными или более наибольшего диаметра частиц материала этого же слоя, при этом нижняя часть поверхностей погружного ножа лишена выступов шероховатости на величину L=L_o+L_t, где L_o - участок погружного ножа, постоянно заглубленный в нижний придонный слой материала; L_t - участок погружного ножа, дополнительно заглубляемый в нижний придонный слой материала при максимальном прогреве газоходов котла.

По сути своей в газоплотном насыпном компенсаторе предлагается использовать эффект лабиринтовых уплотнений, позволяющих в зависимости (1) увеличить по абсолютной величине значения "К_d" и сдвинуть участок начала развития интенсивной фильтрации по оси абсцисс вправо, тем самым повысить степень герметичности пневмослоевого затвора компенсатора без изменения фракционного состава материала слоев. Если же для достиженияэтого же эффекта газоплотности устройства без использования шероховатостей применить в верхних слоях более мелкодисперсный материал, который, как правило, будет обладать повышенными аутогезионными характеристиками, то при перемещениях погружного ножа не исключено слипание и зависание материала в слое с образованием плоских фильтрационных щелей. Введенная искусственная шероховатость не только выравнивает аугогезионные и когезионные силы в объеме сыпучего, но и в процессе компенсационных перемещений разрушает своими выступами конгломераты частиц на плоской границе контакта слоя и погружного ножа, следовательно, техническое решение обладает новизной.

На фиг.1 схематически показан газоплотный насыпной компенсатор, поперечный разрез, на фиг.2 - вид А фиг.1, на фиг.3 - вид Б фиг.2.

Компенсатор содержит желоб 1 с воронками 2, прикрепленный к нижней перемещающейся части конвективной шахты 3, и погружной нож 4, установленный по периметру верхней перемещающейся части конвективной шахты 5. Желоб 1 послойно заполнен сыпучим материалом 6, 7, 8 таким образом, что торец ножа 4 погружен в 1-ый слой материала 6 на величину L_o, a частицы материала в последующих слоях меньше частиц материала соответствующего подстилающего слоя в 4÷5 раз, что создает эффект обратного фильтра [5]. Вся внутренняя поверхность желоба и верхняя часть погружного ножа с обеих сторон снабжены шероховатыми выступами, расположенными в шахматном порядке по вершинам ромбов "abcd", одна из диагоналей которых имеет горизонтальную ориентацию ("ас", фиг.3). На поперечном разрезе компенсатора (фиг.1) области, занятые шероховатостями, затенены. Нижняя часть ножа на расстоянии "L" вверх от его торца выполнена гладкой и складывается из двух составляющих: L=L_o+L_t, где L_o - участок погружного ножа, постоянно заглубленный в нижний придонный слой материала; L_t - участок погружного ножа, дополнительно заглубляемый в нижний придонный слой материала при максимальном прогреве газоходов котла. Геометрические параметры выступов и впадин шероховатости подбирают таким образом, чтобы создать максимальное число контактов частиц материала со стенками ножа в верхнем слое с обеспечением возможности захвата материала и перемещения его из верхнего слоя в пристеночную зону "К" второго слоя (фиг.2), при этом исключается заклинивание частиц материала во впадинах шероховатости, т.к. для верхнего слоя они велики, а для нижнего чрезмерно малы.

Геометрические характеристики частиц материала и шероховатостей находятся в следующих соотношениях:

...где D₁ - средний диаметр частиц нижнего придонного слоя;

D₂ - средний диаметр частиц вышележащего над ним слоя;

D₃ - средний диаметр частиц верхнего замыкающего слоя;

h - средняя высота выступов шероховатости;

t - диаметр впадин шероховатости;

s - диаметр основания выступов шероховатости;

- наибольший диаметр частиц верхнего замыкающего слоя.

По фронту и тылу конвективной шахты нож и стенки желоба компенсатора имеют наклонную компоновку, по бортам шахты эти элементы устройства расположены вертикально.

Компенсатор работает следующим образом: в исходном положении перед растопкой котла погружной нож 4 находится в крайнем верхнем положении (фиг.1). Гладкая плоскость его расположена в слоях 6 и 7, шероховатая плоскость в слое 8 и частично в слое 7. Частицы материала слоя 8 свободно размещаются во впадинах шероховатости и любая из них свободно перекрывается проекцией выступов вдоль оси ножа и по мере его перемещения могут увлекаться выступами в нижележащий слой (фиг.2), а частицы материала слоя 7 не имеют возможности переноситься в слой 8, т.к. диаметры их значительно превышают размеры выступов. Для гладких же плоскостей ножа обмен фракциями между слоями 7 и 6 практически исключен.

При включении дымососа котла возникшими за счет вакуума в газоходе фильтрационными потоками воздуха происходит кольматаж пор сыпучего материала на границах слоев 6-7 и 7-8 с возрастанием аэродинамического сопротивления в объеме слоя компенсатора. Фильтрационные потоки в поисках возможных выходов устремляются в пристеночные области, где лабиринтные уплотнения, созданные шероховатостью на стенках желоба компенсатора, полностью гасят их. Единственное фильтрационное "окно" существует на участке погружного ножа, часть поверхности которого выполнена гладкой и сам нож находится в крайнем верхнем положении. По мере прогрева горизонтальных и вертикальных газоходов конвективной части котла его элементы под воздействием температурных расширений перемещаются в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Погружной нож 4 по расчетной результирующей направляющей, параллельной его плоскости, заглубляется в слои сыпучего материала и выступами шероховатости увлекает за собой частицы слоя 8 в пристеночную область слоя 7. Для нижней гладкой части ножа 4 на границе слоев 6-7 такое перемещение частиц отсутствует и подвижность придонного слоя 6 не теряется. При максимальном прогреве газоходов котла погружной нож 4 занимает самое нижнее положение (пунктирные линии на фиг.1), участки выступов шероховатости находятся на уровне слоев 7 и 8, а увлеченный материал из слоя 8 в слой 7 создает дополнительную зону "К", что расширяет противофильтрационную завесу в подвижной части устройства и в целом повышает герметизирующие характеристики компенсатора.

Таким образом, при соблюдении условий (2) предлагаемое техническое решение позволяет на всех аэродинамических режимах работы котла обеспечить газоплотность компенсатора без непроизводительных присосов воздуха в конвективную шахту.

Источники информации

1. Компенсатор. А.Д.Постников и др. Авторское свидетельство СССР №816234, кл. F 22 В 37/36, заявка №2448239/24-06 от 04.02.77 г.

2. Компенсатор температурных перемещений. Л.П.Яковлев. Патент Российской Федерации №2024792, кл. F 22 В 37/02, заявка №4939706 от 28.05.91.

3. Чертеж БКЗ-500-140 №03.8680.013 МЧ, Компенсатор песочный.

4. Насыпной компенсатор. Собачкин В.Б. и др. Патент Российской Федерации №2241903, кл. F 22 В 37/02, заявка №2001131248/06 от 19.11.01 г.

5. Справочник по земляному полотну эксплуатируемых железных дорог/ М.В.Аверочкина и др.; под ред. А.Ф.Подпалова и др. М.: Транспорт, 1978. - 766 с. ил. табл.

Использование: в теплоэнергетике для более надежного газоплотного соединения элементов паровых котлов и других теплотехнических агрегатов с обеспечением компенсации их температурных перемещений. Сущность изобретения: в предлагаемом устройстве вся внутренняя поверхность желоба и верхняя часть поверхностей погружного ножа в многослойном компенсаторе снабжены выступами шероховатости, расположенными в шахматном порядке по вершинам ромбов, одна из диагоналей которых имеет горизонтальную ориентацию с высотой выступов, равной максимальному диаметру частиц материала верхнего слоя, и с диаметрами впадин шероховатости, равными или более наибольшего диаметра частиц материала этого же слоя, при этом нижняя часть поверхностей погружного ножа лишена выступов шероховатости на величину L=L_o+L_t, где L_o - участок погружного ножа, постоянно заглубленный в нижний придонный слой материала; L_t - участок погружного ножа, попеременно заглубляемый в нижний придонный слой материала при максимальном прогреве газоходов котла. 3 ил.

Газоплотный насыпной компенсатор котла, содержащий желоб, прикрепленный к нижней части конвективной шахты и заполненный уплотняющим сыпучим материалом, и погружной нож, установленный по периметру верхней части конвективной шахты, при этом сыпучий материал уложен в желобе слоями, причем материал нижнего придонного слоя имеет наибольшую крупность с наименьшим коэффициентом неоднородности и в него заглублен торец погружного ножа, а частицы в последующих слоях меньше частиц материала соответствующего подстилающего слоя, отличающийся тем, что вся внутренняя поверхность желоба и верхняя часть поверхностей погружного ножа снабжены выступами шероховатости, расположенными в шахматном порядке по вершинам ромбов, одна из диагоналей которых имеет горизонтальную ориентацию, с высотой выступов, равной максимальному диаметру частиц материала верхнего слоя, и с диаметрами впадин шероховатости, равными или более наибольшего диаметра частиц материала этого же слоя, при этом нижняя часть поверхностей погружного ножа лишена выступов шероховатости на величину L=L_o+L_t, где L_o - участок погружного ножа, постоянно заглубленный в нижний придонный слой материала; L_t - участок погружного ножа, дополнительно заглубляемый в нижний придонный слой материала при максимальном прогреве газоходов котла.