ЦЕПЬ ДЛЯ ЦЕПНОЙ ЗАВЕСЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ Российский патент 2012 года по МПК F16G13/00 F16G15/12 F27B7/18 

Изобретение относится к области теплообменных устройств, в частности к цепным завесам для вращающихся печей промышленности строительных материалов.

Наиболее распространенными конструктивными элементами, применяемыми при изготовлении цепных теплообменных устройств, являются или круглозвенные, или овальные цепи, изготовленные из прутка цилиндрической формы. В печах промышленности строительных материалов на настоящий момент используют преимущественно круглозвенные цепи, как сварные, так и литые. (Вальберг Г.С., Гринер И.К., Мефодовский В.Я. Интенсификация производства цемента. - М.: Стройиздат, 1971 г., стр.145.)

По патенту RU 2285217 известна цепь для цепной завесы вращающейся печи, состоящая из соединенных между собой звеньев, где звенья выполнены любой геометрической формы полыми или с, по меньшей мере, одним углублением, расположенным на поверхности звена, при этом отношение массы удаленного материала в полом звене и в звене, выполненном с углублениями, к исходной массе звена составляет 3-60% при площади наименьшего поперечного сечения звена с углублениями, составляющей не менее 70% от площади поперечного сечения исходного звена, а полые звенья и звенья с углублениями выполнены разного размера с расположением звеньев от большего к меньшему к свободному концу цепи.

Недостатками известной цепи по патенту RU 2285217 являются:

- низкий запас прочности у цепи с полыми звеньями, так как сопротивление растяжению у звена в виде трубки значительно снижается;

- низкое пылеулавливание цепной завесы вследствие плохо развитой поверхности звеньев цепи;

- повышенный износ сопрягаемой части поверхности звеньев цепи вследствие малой площади поверхности контакта;

- не очень высокий эффект от интенсификации теплообмена вследствие недостаточно развитой поверхности звеньев цепи.

Наиболее близкой к заявленному техническому решению является известная по патенту RU 2413106 цепь для цепной завесы вращающейся печи, содержащая соединенные между собой звенья с криволинейной внутренней торцевой поверхностью каждого из них, выполненной по радиусу, при том, что поперечное сечение каждого звена со стороны его внешней поверхности выполнено с оребрением, а со стороны внутренней поверхности - с радиусом, равным половине шага цепи или радиусу криволинейной внутренней торцевой поверхности звена.

Недостатками известной цепи являются:

- низкое пылеулавливание цепной завесы вследствие плохо развитой поверхности звеньев цепи;

- не очень высокий эффект от интенсификации теплообмена вследствие недостаточно развитой поверхности звеньев цепи.

Техническим результатом заявляемого изобретения является:

- повышение пылеулавливания цепной завесы;

- интенсификация теплообмена с более высоким эффектом, обусловленным высокой степенью развития поверхности теплообмена, быстрым прогревом цепи по всей толщине тела звена, а также сохранением высоких теплонакопительных свойств цепи в процессе ее эксплуатации;

- снижение расхода тепла на обжиг;

- повышение запаса прочности цепи.

Технический результат достигается тем, что поперечное сечение каждого звена заявляемой цепи для цепной завесы вращающейся печи, состоящей из соединенных между собой звеньев, выполнено с отношением его вертикального габаритного размера к горизонтальному габаритному размеру, равным 0,5-0,9, и с оребрением поверхности каждого звена ребрами, имеющими контур сечения в виде вогнутых дуг окружности.

При этом в месте контакта звеньев цепи часть контура поперечного сечения каждого звена выполнена в виде дуги окружности с радиусом, равным половине шага цепи (половине диаметра внутреннего кольца звена) либо радиусу криволинейной части шага цепи (радиусу криволинейной части внутреннего кольца звена).

Внутри поперечного сечения каждого звена цепи вписан круг, имеющий площадь не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена.

Согласно заявляемому изобретению выполнение поперечного сечения каждого звена цепи с отношением его вертикального габаритного размера к горизонтальному габаритному размеру, равным 0,5-0,9, позволяет увеличить внешний диаметр звена при сохранении внутреннего диаметра (шага цепи), а также площадь поверхности каждого звена, следовательно, тем самым повышает пылеулавливание цепной завесы. Снижение уноса пыли из зоны завесы, а вместе с ней и тепла, приводит также и к интенсификации теплообмена в печи. Увеличение площади внешней поверхности звена, т.е. поверхности теплообмена, приводит к интенсификации теплопередачи от газового потока к материалу. Снижение пылевыноса из печи приводит к уменьшению потерь тепла с отходящими газами и экономии топлива. Отношение вертикального габаритного размера (малый размер) поперечного сечения звена к горизонтальному габаритному размеру (большой размер) представляет собой, по аналогии с эллипсом, коэффициент сжатия этого сечения. Верхний предел отношения габаритных размеров поперечного сечения звена в виде значения, равного 0,9, определяется тем, что, если коэффициент сжатия буде равен 1, то сжатие будет равно 0, следовательно, площадь поверхности звена будет минимальной. Нижний предел отношения габаритных размеров поперечного сечения звена в виде значения, равного 0,5, определяется тем, что при меньших значениях этого отношения, т.е. при чрезмерно низком и чрезмерно широком профиле, цепь быстрее теряет запас прочности. Это связано с тем, что сечение каждого звена цепи с чрезмерно низким профилем быстрее ослабевает из-за выгорания материала. Более того, возрастает износ цепи из-за того, что при чрезмерно широком профиле сечения каждого звена цепи происходит касание или пересечение звеньев цепи, что, в свою очередь, подвергает цепь влиянию дополнительных нагрузок (ударной нагрузке, трению и т.п.).

Согласно заявляемому изобретению отношение габаритных размеров поперечного сечения звена, характеризующее степень сжатия сечения, лимитируется возможностью вписывания в это сечение круга с площадью, равной не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена. Поэтому оптимальным значением отношения габаритных размеров поперечного сечения звена, так сказать, коэффициентом сжатия, можно считать значение, близкое 0,5, т.е. равное ≈0,5. При меньших значениях отношения габаритных размеров поперечного сечения звена вписать в это сечение круг с площадью 60% от площади всего поперечного сечения звена становится затруднительно.

Например, при построении сечения звена цепи, представляющего собой замену звена с круглым сечением диаметром 25 мм, максимально развитая поверхность каждого звена цепи получается при отношении габаритных размеров поперечного сечения звена, равном 0,48-0,5. При таком сжатии поперечного сечения поверхность каждого звена данной цепи увеличивается на ≈40-50%, что в значительной мере повышает теплообмен во вращающейся печи, снижается расход тепла на обжиг, так как увеличение ширины сечения каждого звена цепи с 25 мм до 40 мм приводит к значительному снижению пылевыноса.

В связи с тем что коэффициент теплоотдачи от газового потока к цепям меньше, чем от цепей к материалу, то существует необходимость того, чтобы цепи дольше находились в газовом потоке - над поверхностью материала. (Ю.И. Дешко, М.Б. Креймер, Т.А. Огаркова. Наладка и теплотехнические испытания вращающихся печей на цементных заводах. Издание второе, переработанное и дополненное. - М.: Стройиздат, 1966 г., стр.28.) Применение сжатия сечения каждого звена цепи дает возможность быстрее прогревать цепь в газовом потоке, следовательно, пропадает необходимость в задержке ее над поверхностью материала.

Согласно заявляемому изобретению выполнение оребрения поверхности каждого звена ребрами, имеющими контур сечения в виде вогнутых дуг окружности, позволяет еще более развить поверхность звена цепи и интенсифицировать теплообмен, не завышая веса каждого звена цепи. Количество ребер может быть любым. Уменьшение размеров сечения каждого звена цепи у основания ребер способствует более быстрому прогреву всей цепи.

Контур сечения ребер в виде дуг окружности позволяет еще более развить поверхность звена цепи и интенсифицировать теплообмен, так как длина дуги окружности всегда больше длины стягивающей ее хорды. Оребрение каждого звена путем чередования впадин и выступов позволяет регулировать массу цепи. Регулирование площади сечения, а значит, и массы звена, производится увеличением или уменьшением радиусов этих окружностей. Для построения контура сечения ребра можно использовать любую часть окружности. Дуги окружности могут и не пересекаться, например, при усилении торцевого ребра.

Оптимальная форма сечения ребра, имеющего наименьший вес при заданной величине теплового потока, образуется вогнутыми дугами окружности, что впервые было обнаружено Ф. Вейнигом, а доказательство этого положения было дано Е. Шмидтом. (Э.Р. Эккерт и P.M. Дрейк. Теория тепло- и массообмена. Перевод с английского Э.М. Фурмановой, Г.Р. Малявской и Л.Б. Шашковой под редакцией акад. АНБССР А.В. Лыкова, - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961 г., стр.78-79.)

Цепь, имея пониженную массу, находясь в материале, меньше его разрушает, истирает, и соответственно снижается количество пыли, выносимой газовым потоком из печи. Снижение пылевыноса из печи приводит к уменьшению потерь тепла с отходящими газами и экономии топлива.

Выполнение поверхности каждого звена цепи с оребрением позволяет увеличить теплоотдачу от газа к цепи и от цепи к материалу, поскольку за счет увеличения поверхности теплообмена уменьшается термическое сопротивление теплоотдачи. (А.П. Баскаков, Б.В. Берг, O.K. Витт и др. Теплотехника. Изд. 2-е, перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991 г., стр.100-101.) Эффективность поверхностного оребрения становится более значимой в процессе теплоотдачи от газа к цепи, так как здесь имеет место наибольшее термическое сопротивление.

При оребренной поверхности звена заявляемой цепи налипающая на нее пленка шлама легче отделяется от поверхности звеньев, поскольку в рельефе пленки, повторяющем рельеф звеньев, возникают разнонаправленные усилия ее разлома и отделения от звеньев, что способствует быстрой самоочистке цепей перед зоной декарбонизации и сохранению гранулометрического состава материала, поступившего из цепной зоны, и не повышает запыленности газового потока.

Для того чтобы ребра быстро не истирались и не обгорали при эксплуатации в горячей зоне, в заявленной цепи они могут быть сглажены скруглением.

Согласно заявляемому изобретению выполнение в месте контакта звеньев цепи части контура поперечного сечения каждого звена цепи в виде дуги окружности с радиусом, равным половине шага цепи (половине диаметра внутреннего кольца звена) либо радиусу криволинейной части шага цепи (радиусу криволинейной части внутреннего кольца звена), увеличивает контактную поверхность между звеньями цепи и вследствие уменьшения нагрузки на внутреннюю поверхность звена снижает ее износ.

Согласно заявляемому изобретению выполнение поперечного сечения каждого звена цепи с необходимостью вписывания внутри сечения круга, имеющего площадь не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена, позволяет увеличить запас прочности цепи.

Отношение предельного напряжения к максимальному рабочему напряжению называют коэффициентом запаса прочности. Для надежной работы цепи нельзя допустить, чтобы рабочие (расчетные) напряжения в процессе эксплуатации стали близки к предельным (технологические воздействия: выгорание материала, истирание, растяжение, кручение и т.п.), т.е. нужно обеспечить запас прочности. В процессе эксплуатации цепи при приближении площади поперечного сечения ее звеньев к величине, равной 60% от площади исходного сечения, запас прочности теряется. Значит, от того, как быстро цепь потеряет запас прочности, зависит срок ее эксплуатации.

Опыт эксплуатации известных цепей со звеньями круглого сечения показывает, что цепи с площадью поперечного сечения тела звена менее 60% от площади начального сечения стремительно изнашиваются, теряя прочность. При этом изменяется отношение поверхности к объему (массе), что приводит к потере энергонакопительных свойств цепи.

Согласно заявляемому изобретению предусмотрена защита критической площади (площади круга) сечения тела каждого звена цепи в виде ребер, что позволяет продлить срок эксплуатации цепи.

При эксплуатации цепи важен такой параметр, как отношение поверхности звена цепи к его массе. Он характеризует теплонакопительные свойства цепи. Количество аккумулируемой (затем отданной материалу) теплоты звеньями цепи зависит от их массы, так как между массой тела и количеством теплоты, необходимым для его нагревания, существует прямая пропорциональная зависимость. Согласно заявляемому изобретению сосредоточение массы в центре тела звена цепи позволяет аккумулировать большее количество тепла в звеньях на протяжении всей работы цепи. В процессе износа заявляемой цепи отношение поверхности звена цепи к его массе будет изменяться медленно вследствие сосредоточения основной массы в центральной части сечения тела каждого звена цепи, удаленной от границ сечения. Сущность изобретения поясняется рисунками:

на фиг.1 показан фрагмент разреза цепи в варианте со звеньями круглой формы;

на фиг.2 показан фрагмент разреза цепи в варианте со звеньями овальной формы;

на фиг.3 показано поперечное сечение звена цепи.

Цепь для цепной завесы вращающейся печи, состоящая из соединенных между собой звеньев 1 любой геометрической формы, например овала или круга, с поперечным сечением каждого звена, также любой формы, контур которого выполнен с оребрением за исключением в месте контакта 2 звеньев цепи части контура, которая выполнена в виде дуги окружности с радиусом r, равным половине шага цепи t/2 либо радиусу R криволинейной части шага цепи t, отличающаяся тем, что поперечное сечение каждого звена выполнено с отношением его вертикального габаритного размера а к горизонтальному габаритному размеру b, равным 0,5-0,9, т.е. (а/b)=0,5-0,9, и все ребра 3 каждого звена цепи имеют контур сечения в виде вогнутых дуг окружности. Количество ребер 3 может быть любым. Для построения контура сечения ребра можно использовать любую часть окружности.

Внутри поперечного сечения каждого звена цепи вписан круг 4, имеющий площадь не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена.

Цепь для цепной завесы вращающейся печи используется следующим образом.

Цепи используются в качестве внутреннего теплообменного устройства. Во время вращения печи часть цепей находится в потоке газов, а остальная часть погружена в материал. В начале цепной зоны шлам налипает на цепи, находящиеся в газовом потоке. Цепи в этой части зоны увеличивают поверхность соприкосновения шлама с горячими газами, а в результате улучшается теплообмен. Когда шлам подсыхает, он теряет пластичность и уже не налипает на цепи. С этого момента тепло материалу передается цепями по регенеративному принципу: цепи нагреваются в газовом потоке и при погружении в материал передают ему тепло. Наряду с этим материал воспринимает тепло от газов и футеровки.

Оптимальная конструкция цепей должна обеспечивать эффективную теплопередачу, быть устойчивой к действию высокой температуры, иметь высокий запас прочности, сохранять гранулометрический состав материала и не повышать запыленности газового потока.

Изобретение относится к области теплообменных устройств, в частности к цепным завесам для вращающихся печей промышленности строительных материалов. Цепь состоит из соединенных между собой звеньев с поперечным сечением каждого звена, контур которого выполнен с оребрением за исключением в месте контакта звеньев цепи части контура. Часть контура выполнена в виде дуги окружности с радиусом, равным половине шага цепи либо радиусу криволинейной части шага цепи. Поперечное сечение каждого звена выполнено с отношением его вертикального габаритного размера к горизонтальному габаритному размеру, равным 0,5-0,9. Все ребра каждого звена цепи имеют контур сечения в виде вогнутых дуг окружности. В результате обеспечивается повышение пылеулавливания цепной завесы, интенсификация теплообмена с более высоким эффектом, снижение расхода тепла на обжиг и повышение запаса прочности цепи. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Цепь для цепной завесы вращающейся печи, состоящая из соединенных между собой звеньев с поперечным сечением каждого звена, контур которого выполнен с оребрением за исключением в месте контакта звеньев цепи части контура, которая выполнена в виде дуги окружности с радиусом, равным половине шага цепи либо радиусу криволинейной части шага цепи, отличающаяся тем, что поперечное сечение каждого звена выполнено с отношением его вертикального габаритного размера к горизонтальному габаритному размеру, равным 0,5-0,9, и все ребра каждого звена цепи имеют контур сечения в виде вогнутых дуг окружности.

2. Цепь по п.1, отличающаяся тем, что внутри поперечного сечения каждого звена цепи вписан круг, имеющий площадь не менее 60% от площади всего поперечного сечения звена.