СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА И ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ, ИЗГОТОВЛЕННЫЙ ТАКИМ СПОСОБОМ Российский патент 2010 года по МПК F28F13/18 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Изобретение относится к теплообменникам и, в особенности, к теплоаккумулирующим элементам с покрытием для увеличения теплопередачи.

Уровень техники

[0002] Теплообменники широко используются в таких областях промышленности, как металлургия, машиностроение и переработка сельскохозяйственной продукции. Основная функция теплообменника - нагревать воздух и/или газ. Теплообменники одного вида используют уголь, газ, нефть или электричество в качестве прямого источника энергии. Теплообменники другого вида используют дополнительные источники энергии. Изначально тепловой источник подает энергию в тепловой аккумулятор, через который затем пропускают воздух или газ, подлежащие нагреванию. Во время теплообмена между тепловым аккумулятором и воздухом или газом тепло передается к ним от теплового аккумулятора, и таким образом воздух или газ нагреваются. Как правило, теплоаккумулирующий элемент изготавливается из огнеупорного материала, керамики, железа или стали. Способность материала, из которого изготовлен теплоаккумулирующий элемент, поглощать и выделять тепло является определяющим фактором для выполнения теплообменником функции теплообмена и напрямую связана с экономией энергии. Множество патентов, таких как CN 2462326 Y и CN 2313197 Y, предложили конструктивные усовершенствования для повышения эффективности теплообмена. В известных источниках информации не раскрыт теплообменник с улучшенными возможностями теплоаккумуляции и повышенной эффективностью теплообмена путем покрытия теплоаккумулирующих элементов материалом с высокой теплоизлучательной способностью (далее - высокоизлучающим материалом).

Раскрытие изобретения

[0003] Главная задача изобретения - предложить высокоэффективный теплоаккумулирующий элемент с покрытием, который восполнил бы недостатки известного устройства.

[0004] Предложен способ изготовления теплоаккумулирующего элемента с покрытием из высокоизлучающего материала, по меньшей мере, на одной из поверхностей основной части элемента, состоящей из следующих операций:

первая операция - обработка указанных поверхностей жидкостью, представляющей собой водный раствор, содержащий высокотемпературное связующее и полиаминовый отвердитель или силикат щелочного металла;

и вторая операция - нанесение путем намазывания, напыления или погружения на указанные предварительно обработанные поверхности покрытия из материала, коэффициент теплового излучения которого в дальней инфракрасной области выше, чем у материала, из которого изготовлена основная часть элемента.

[0005] Указанный материал покрытия наносят слоем толщиной от 0,02 до 3 мм.

[0006] Предложен также теплоаккумулирующий элемент с покрытием из высокоизлучающего материала, изготовленный по вышеуказанному способу, при этом материал, из которого изготовлена основная часть элемента, выбран из группы, включающей огнеупорный материал, керамический материал железо или сталь.

[0007] Теплоаккумулирующий элемент может иметь форму соты, трубки с прямоугольным поперечным сечением, шара, эллипсоида или пластины.

[0008] Внутри теплоаккумулирующего элемента может быть выполнено одно или несколько внутренних отверстий. Сечение указанных отверстий может быть круглым, квадратным, прямоугольным, ромбовидным, шестиугольным или многоугольным.

[0009] Поперечное сечение теплоаккумулирующего элемента может быть круглым, квадратным, прямоугольным, ромбовидным, шестиугольным или многоугольным.

[0010] В качестве высокоизлучающего материала может использоваться любой материал, обладающий способностью излучать большое количество тепловой энергии в дальней инфракрасной области, пригодный для покрытия теплоаккумулирующего элемента, изготовленного из огнеупорного материала, керамики, железа или стали.

[0011] Покрытие высокоизлучающим материалом может быть нанесено путем намазывания, напыления или погружения. Теплоаккумулирующий элемент, обладающий слоем такого покрытия, может использоваться непосредственно после нанесения покрытия или же после термообработки.

[0012] Для усиления адгезии слоя высокоизлучающего материала к основной части теплоаккумулирующего элемента поверхность основной части предварительно обрабатывается жидкостью, содержащей высокотемпературное связующее, перед тем, как на нее наносят путем намазывания, напыления или погружения высокоизлучающий материал.

[0013] Жидкость, используемая для предварительной обработки, представляет собой водный раствор, который содержит полиамидный отвердитель, например РА80, или силикат щелочного металла.

[0014] Твердые частицы, входящие в состав слоя покрытия, изготавливаемого из высокоизлучающего материала, в результате сверхтонкой обработки достигают размеров 20-900 нм, что способствует более эффективному взаимодействию этого материала с основной частью теплоаккумулирующего элемента.

[0015] Поверхность теплоаккумулирующего элемента покрывают слоем высокоизлучающего материала, коэффициент теплового излучения которого выше, чем у материала, из которого изготавливается основная часть аккумулятора. Способность теплообменника поглощать и выделять тепло увеличивается, что позволяет быстрее поглощать, выделять, больше сберегать тепло и намного повышать температуру по сравнению с аналогичными технологиями, и в итоге мощность теплового аккумулятора усиливается.

[0016] Кроме того, повышение эффективности теплообменника позволяет экономить энергию. В особенности, когда насадочные кирпичи горячего дутья доменной печи, используемые как теплоаккумулирующие элементы, покрыты высокоизлучающими материалами, температура внутри горячего дутья распределяется равномерно, и производительная мощность теплового аккумулятора заметно увеличивается. Это повышает температуру циркулирующего воздуха, уменьшает период запуска аккумулятора в работу, сокращает количество используемого газа и расход воздуха. Снижение количества используемого газа и расхода воздуха в итоге экономит энергию, делает возможным выбирать другую модель применяемого вентилятора и тем самым понижает стоимость самого устройства. Слой покрытия теплоаккумулирующего элемента также обеспечивает защиту его основной части.

[0017] Когда поверхность теплоаккумулирующих элементов регенеративной печи покрыта высокоизлучающим материалом, внутренняя температура значительно возрастает.

Краткое описание чертежей

[0018] Фиг.1 - аксонометрический вид теплоаккумулирующего элемента в форме соты с покрытием из высокоизлучающего материала.

[0019] Фиг.2 - аксонометрический вид теплоаккумулирующего элемента прямоугольного поперечного сечения с покрытием из высокоизлучающего материала.

[0020] Фиг.3 - аксонометрический вид теплоаккумулирующего элемента в форме трубки с прямоугольным поперечным сечением с покрытием из высокоизлучающего материала.

[0021] Фиг.4 - поперечное сечение теплоаккумулирующего элемента в форме пластины с покрытием из высокоизлучающего материала.

[0022] Фиг.5 - поперечное сечение теплоаккумулирующего элемента в форме шара с покрытием из высокоизлучающего материала.

[0023] Фиг.6 - вид сбоку теплоаккумулирующего элемента в форме эллипсоида с покрытием из высокоизлучающего материала.

[0024] Фиг.7 - поперечное сечение неметаллического теплоаккумулирующего элемента с покрытием из высокоизлучающего материала.

[0025] Позиции: 1 - круглое внутреннее отверстие; 2 - слой высокоизлучающего материала; 3 - круглое внутреннее отверстие; 4 - слой высокоизлучающего материала; 5 - прямоугольное внутреннее отверстие; 6 - слой высокоизлучающего материала; 7 - слой высокоизлучающего материала; 8 - основная часть теплоаккумулирующего элемента; 9 - теплообменная поверхность; 10 - основная часть теплоаккумулирующего элемента; 11 - слой высокоизлучающего материала; 12 - теплообменная поверхность; 13 - основная часть теплоаккумулирующего элемента; 14 - слой высокоизлучающего материала; 15 - теплообменная поверхность.

Осуществление изобретения

Схема 1

[0026] Как показано на фиг.1, теплоаккумулирующий элемент, который используется для горячего дутья доменной печи, представляет собой насадочный кирпич. Насадочный кирпич (теплоаккумулирующий элемент) обладает множеством круглых внутренних отверстий 1, и все поверхности (включая поверхности внутренних отверстий) насадочного кирпича (теплоаккумулирующего элемента) покрыты слоем высокоизлучающего материала 2, толщина которого составляет 0,02 мм. Основная часть теплоаккумулирующего элемента изготавливается из огнеупорного материала. Материал, используемый для покрытия, является высокоизлучающим, коэффициент теплового излучения которого в дальней инфракрасной области выше, чем у материала, из которого изготовлена основная часть теплоаккумулирующего элемента. Состав высокоизлучающего материала 2 выражается в весовых единицах: 110 единиц Cr₂O₃, 80 единиц глины, 90 единиц монтмориллонита, 30 единиц бурого корунда, 400 единиц отвердителя РА80 и 100 единиц воды. Их твердые частицы подвергаются сверхтонкой обработке, что делает их размеры на уровне 25-700 нм. По сравнению с аналогичными известными теплообменниками данное изобретение позволяет сэкономить более 20% энергии.

Схема 2

[0027] В основном так же, как описано в схеме 1, но в отличие от нее поперечное сечение теплоаккумулирующего элемента имеет прямоугольную форму; слой покрытия из высокоизлучающего материала 4 распределяется по круглым внутренним отверстиям 3 (как показано на Фиг.2).

Схема 3

[0028] Как показано на Фиг.3, теплоаккумулирующий элемент в форме трубки с прямоугольным поперечным сечением имеет множество прямоугольных внутренних отверстий 5, и все поверхности (включая поверхности отверстий) теплоаккумулирующего элемента покрыты высокоизлучающим материалом 6, толщина слоя которого составляет 0,03 мм. Основная часть теплоаккумулирующего элемента керамическая, а материал, которым покрыты поверхности, является высокоизлучающим материалом 4, коэффициент теплового излучения которого в дальней инфракрасной области выше, чем у материала, из которого изготовлена основная часть аккумулятора. Состав высокоизлучающего материала выражается в весовых единицах: 15 единиц диоксида циркония ZrO, 8 единиц Cr₂O₃, 10 единиц TiO₂, 2 единицы монтмориллонита, 15 единиц Al₂O₃, 10 единиц карборунда, 20 единиц отвердителя РА80 и 10 единиц воды. По сравнению с аналогичными теплообменниками данное изобретение позволяет сэкономить более 10% энергии.

Схема 4

[0029] Как показано на Фиг.4, теплоаккумулирующий элемент согласно данной схеме имеет форму пластины, и все его поверхности покрыты высокоизлучающим материалом 7, толщина слоя которого составляет 0,1 мм. Основная часть теплоаккумулирующего элемента 8 изготовлена из железа или стали. Материал, которым покрыты поверхности, является высокоизлучающим материалом, коэффициент теплового излучения которого в дальней инфракрасной области выше, чем у материала, из которого изготовлена основная часть теплоаккумулирующего элемента. Состав высокоизлучающего материала выражается в весовых единицах: 60 единиц Cr₂O₃, 200 единиц бурого корунда, 50 единиц глины, 30 единиц монтмориллонита, 200 единиц карбида кремния, 200 единиц геля гидратизированного силиката натрия, 100 единиц воды. Внешний слой покрытия 7 является теплообменной поверхностью 9. Поверхности теплоаккумулирующего элемента предварительно обрабатывают жидкостью перед тем, как их покрывают высокоизлучающим материалом. Жидкость для обработки содержит гель гидратированного силиката натрия в размере 10 весовых процентов от водного раствора. По сравнению с аналогичными теплообменниками данное изобретение позволяет сэкономить более 10% энергии.

Схема 5

[0030] Теплоаккумулирующий элемент на Фиг.5 имеет форму шара, и на его поверхности нанесен высокоизлучающий материал 11, толщина слоя которого составляет 2 мм. Внешняя поверхность слоя покрытия является теплообменной поверхностью 12. Основная часть теплоаккумулирующего элемента 10 изготовлена из огнеупорного материала, а материал 11, которым обработаны поверхности, является высокоизлучающим материалом, коэффициент теплового излучения которого в дальней инфракрасной области выше, чем у материала, из которого изготовлена основная часть. Состав высокоизлучающего материала выражается в весовых единицах: 5 единиц диоксида циркония ZrO, 10 единиц карбида кремния, 5 единиц титана, 3 единицы глины, 40 единиц бурого корунда, 10 единиц гидроокиси алюминия, 15 единиц фосфорной кислоты, 12 единиц воды. По сравнению с аналогичными теплообменниками относительная температура нагрева в данной схеме выше более чем на 15°С. Данная схема пригодна для регенеративной печи, в которой теплообмен обеспечивают теплоаккумулирующие элементы в форме шара.

Схема 6

[0031] В основном так же, как описано в схеме 5, за исключением того, что основная часть теплоаккумулирующего элемента имеет форму эллипсоида (как показано на Фиг.6)

Схема 7

[0032] На поверхности теплоаккумулирующего элемента, имеющего форму шара, напыляется высокоизлучающий материал. Нанесенный слой покрытия имеет толщину 2,5 мм и содержит в весовых единицах: 15 единиц карбида кремния, 2 единицы корунда, 35 единиц циркониевого ангидрида, 2 единицы монтмориллонита, 6 единиц оксида хрома, 27 единиц отвердителя РА80 и 13 единиц воды.

[0033] Поверхности теплоаккумулирующего элемента предварительно обрабатывают жидкостью перед тем, как на них напыляют высокоизлучающий материал. Жидкость для обработки содержит гель гидратированного силиката натрия в размере 10 весовых процентов от водного раствора.

Схема 8

[0034] Как показано на Фиг.7, на поверхность керамической основной части теплоаккумулирующего элемента 13 наносится высокоизлучающий материал 14, толщина слоя которого составляет 3 мм. Внешняя поверхность слоя покрытия является теплообменной поверхностью 15. Слой покрытия содержит в весовых единицах 60 единиц Fe₂O₃, 5 единиц циркониевого ангидрида, 20 единиц геля гидратированного силиката натрия и 15 единиц воды. Поверхности теплоаккумулирующего элемента предварительно обрабатывают жидкостью перед тем, как на них напыляют высокоизлучающий материал. Жидкость для обработки содержит гель гидратированного силиката натрия в размере 8 весовых процентов от водного раствора.

[0035] В качестве высокоизлучающего материала для слоя покрытия могут быть использованы другие вещества. Приведенные выше схемы имеют иллюстративный характер и не призваны ограничить изобретение.

Изобретение относится к теплообменникам и может быть использовано в таких областях промышленности, как металлургия, машиностроение и переработка сельскохозяйственной продукции. Предложен способ изготовления теплоаккумулирующего элемента с покрытием из высокоизлучающего материала, по меньшей мере, на одной из поверхностей основной части элемента, состоящий из обработки поверхностей жидкостью, представляющей собой водный раствор, содержащий высокотемпературное связующее и полиаминовый отвердитель или силикат щелочного металла, и нанесения путем намазывания, напыления или погружения на указанные предварительно обработанные поверхности покрытия из материала, коэффициент теплового излучения которого в дальней инфракрасной области выше, чем у материала, из которого изготовлена основная часть элемента. При этом указанный материал покрытия наносят слоем толщиной от 0,02 до 3 мм. Предложен также теплоаккумулирующий элемент с покрытием из высокоизлучающего материала, изготовленный по описываемому способу, при этом материал, из которого изготовлена основная часть элемента, выбран из группы, включающей огнеупорный материал, керамический материал, железо или сталь, поперечное сечение элемента может быть круглым, квадратным, прямоугольным, ромбовидным, шестиугольным или многоугольным, а сам элемент может быть выполнен в виде соты, трубки с прямоугольным поперечным сечением, шара, эллипсоида или пластины, с одним или несколькими внутренними отверстиями, а поперечное сечение указанных отверстий может быть круглым, квадратным, прямоугольным, ромбовидным, шестиугольным или многоугольным. Обладая относительно высокой теплоизлучающей способностью, предлагаемый теплоаккумулирующий элемент способствует повышению функции теплообмена и тем самым энергосбережению. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ изготовления теплоаккумулирующего элемента с покрытием из высокоизлучающего материала, по меньшей мере, на одной из поверхностей основной части элемента, состоящий из следующих операций:
первая операция - обработка указанных поверхностей жидкостью, представляющей собой водный раствор, содержащий высокотемпературное связующее и полиаминовый отвердитель или силикат щелочного металла;
и вторая операция - нанесение путем намазывания, напыления или погружения на указанные предварительно обработанные поверхности покрытия из материала, коэффициент теплового излучения которого в дальней инфракрасной области выше, чем у материала, из которого изготовлена основная часть элемента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный материал покрытия наносят слоем толщиной от 0,02 до 3 мм.

3. Теплоаккумулирующий элемент с покрытием из высокоизлучающего материала, изготовленный по п.1 или 2, отличающийся тем, что материал, из которого изготовлена основная часть элемента, выбран из группы, включающей огнеупорный материал, керамический материал, железо или сталь.

4. Теплоаккумулирующий элемент по п.3, отличающийся тем, что его поперечное сечение может быть круглым, квадратным, прямоугольным, ромбовидным, шестиугольным или многоугольным.

5. Теплоаккумулирующий элемент по п.3, отличающийся тем, что он выполнен в виде соты, трубки с прямоугольным поперечным сечением, шара, эллипсоида или пластины.

6. Теплоаккумулирующий элемент по п.3, отличающийся тем, что он выполнен с одним или несколькими внутренними отверстиями.

7. Теплоаккумулирующий элемент по п.6, отличающийся тем, что поперечное сечение указанных отверстий может быть круглым, квадратным, прямоугольным, ромбовидным, шестиугольными или многоугольными.