ОГНЕУПОРНЫЙ БЛОК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК F27D1/04 

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и могут быть использованы для изготовления насадок регенераторов, применяемых в различных отраслях промышленности для высокотемпературного нагрева воздуха, а также для изготовления теплоаккумулирующих элементов при строительстве бытовых печей.

Известны огнеупорные блоки, предназначенные для изготовления насадки регенераторов, включающие установленные с одинаковыми промежутками один от другого вертикальные или наклонные призматические элементы, соединенные между собой [1-3]. В зависимости от конструкции блоки имеют различную удельную поверхность нагрева и обеспечивают ту или иную степень интенсивности теплообмена.

Наиболее близким из числа известных к изобретению является огнеупорный блок, включающий установленные с одинаковыми промежутками один от другого вертикальные параллельные друг другу призматические элементы, соединенные между собой. При этом призматические элементы выполнены в виде ребер, размещенных на одной широкой боковой грани блока, и соединены между собой посредством основания блока. Ширина (толщина) ребер равна ширине основания блока, а высота ребер и расстояние между соседними ребрами (ширина промежутка) - диаметру отверстия вертикального канала. Ребра и узкая боковая грань блока выполнены с косыми срезами или вертикальными вырезами на их торцах, причем средняя по длине ребра глубина косого среза или глубина вертикального выреза равна 0,1-0,25 ширины основания блока [1].

Известная конструкция огнеупорного блока имеет недостаточную удельную поверхность нагрева, так как ребра выполнены лишь вполовину ширины блока. Помимо этого по длине блока размещено от двух до пяти ребер, толщина которых, как и ширина промежутка между ребрами, составляет 0,5 ширины блока, а сумма толщины ребра и ширины промежутка относится к длине блока как 1:1,5 (при наличии у блока двух ребер) или 1:4,5 (при наличии пяти ребер), что недостаточно для эффективного теплообмена.

Кроме того, известный блок не имеет конструктивных элементов для фиксации с соседними блоками, что может привести в насадках высотой более двух метров к сдвигу блоков и перекрытию вертикальных каналов насадки.

Задачей изобретений является создание конструкции огнеупорного блока, обеспечивающей интенсивный теплообмен в печных регенеративных устройствах за счет более развитой поверхности нагрева.

Технический результат, который может быть достигнут при использовании изобретения, заключается в увеличении удельной поверхности нагрева огнеупорного блока.

Указанный технический результат достигается тем, что в огнеупорном блоке, включающем установленные с одинаковыми промежутками один от другого вертикальные параллельные друг другу призматические элементы, соединенные между собой, согласно первому варианту изобретения, призматические элементы выполнены в виде пластин, размещенных по длине блока так, что внешними поверхностями крайних пластин образованы две противолежащие боковые грани блока, а торцами пластин - другие его грани, длина каждой из пластин равна ширине блока, высота пластин совпадает с высотой блока, толщина каждой из пластин составляет от 0,1 до 0,2 ширины блока, а ширина каждого из промежутков составляет от 0,05 до 0,2 ширины блока, сумма толщины пластины и ширины промежутка между пластинами относится к длине блока как 1:(5-10), пластины соединены между собой посредством цилиндрических перемычек, суммарная площадь сечения перемычек, соединяющих две соседние пластины, составляет от 10 до 15% от площади поверхности пластины.

Также, согласно первому варианту изобретения, цилиндрические перемычки смещены между двумя соседними пластинами по высоте одна относительно другой так, что расстояние между осями соседних перемычек, а также смещение перемычек от близлежащих торцев пластин составляет не менее величины диаметра перемычки.

Первый вариант изобретения предназначен для кладки высотой не более двух метров, например, в бытовых печах, в насадках регенераторов горелочных устройств.

Выполнение призматических элементов в виде пластин, размещенных указанным образом и имеющих указанные габариты, установленных с промежутками указанной ширины, и соединение пластин посредством цилиндрических перемычек указанной площади позволяет создать конструкцию со сквозными щелевыми промежутками между пластинами, открытыми в вертикальном и горизонтальном направлениях, обладающую высокой удельной поверхностью нагрева.

Одним из преимуществ блока по первому варианту изобретения является использование призматических элементов меньшей толщины по сравнению с известными. Тонкие пластины быстрее прогреваются горячим теплоносителем на всю толщину стенки и быстрее отдают аккумулируемое тепло нагреваемому воздуху, интенсифицируя теплообмен.

Уменьшение как толщины каждой из пластин до значений, составляющих 0,1-0,2 от ширины блока, так и ширины каждого из промежутков между пластинами до значений, составляющих 0,05-0,2 от ширины блока, позволяет разместить по длине блока большее количество пластин, образующих в блоке, соответственно, большее количество промежутков для прохода газов, длина каждого из которых распространяется на всю ширину блока, тем самым увеличивается поверхность блока, непосредственно контактирующая с теплоносителем в процессе эксплуатации, без изменения объема, занимаемого блоком в кладке.

Достаточная строительная прочность блока обеспечивается цилиндрическими перемычками, площадь сечения которых составляет 10-15% от площади поверхности пластины. Указанная площадь соизмерима с площадью боковой цилиндрической поверхности перемычек, соприкасающейся с теплоносителем, в связи с чем перемычки практически не влияют на снижение поверхности нагрева.

Выбор предельных значений толщины каждой из пластин и ширины каждого из промежутков между пластинами обусловлен следующим. Уменьшение толщины пластины менее 0,1 ширины блока, а также сужение промежутка между пластинами до значений менее 0,05 ширины блока технологически трудновыполнимо, в то же время увеличение толщины пластины до значений более 0,2 ширины блока, как и выполнение более широкого промежутка (более 0,2 ширины блока) приведут к снижению удельной поверхности нагрева.

Изменение отношения суммы толщины пластины и ширины промежутка между пластинами к длине блока менее чем 1:5 снижает удельную поверхность нагрева блока до значений, характерных для известной конструкции. Увеличение же указанного отношения более чем 1:10 приведет к увеличению массы блока, что повысит трудоемкость при транспортировке и изготовлении кладки.

Смещение перемычек, расположенных между двумя соседними пластинами, по высоте на указанную величину сохраняет живое сечение канала по всей его высоте.

Смещение перемычек от близлежащих торцев пластин на величину не менее диаметра перемычки обусловлено строительной прочностью блока.

Указанный технический результат достигается тем, что в огнеупорном блоке, включающем установленные с одинаковыми промежутками один от другого вертикальные параллельные друг другу призматические элементы, соединенные между собой, согласно второму варианту изобретения, призматические элементы выполнены в виде пластин, размещенных по длине блока так, что внешними поверхностями крайних пластин образованы две противолежащие боковые грани блока, а торцами пластин - другие его грани, часть пластин, в том числе крайние, выполнены укороченными и имеют длину, равную ширине блока, остальные пластины выполнены удлиненными на величину выступов со стороны одной из образованных торцами пластин боковых граней блока, высота пластин совпадает с высотой блока, толщина каждой из пластин составляет от 0,1 до 0,2 ширины блока, удлиненные пластины размещены группами между укороченными пластинами, на боковых гранях, образованных внешними поверхностями крайних пластин, выполнены вертикальные пазы, ширина каждого из которых соответствует ширине группы удлиненных пластин с учетом температурного расширения, глубина пазов составляет 0,04-0,05 ширины блока, величина выступов удлиненных пластин превышает глубину пазов на ширину промежутка между пластинами с учетом температурного расширения, ширина каждого из промежутков составляет от 0,05 до 0,2 ширины блока, сумма толщины пластины и ширины промежутка между пластинами относится к длине блока как 1:(5-10), ширина блока относится к его длине как 1:2, пластины соединены между собой посредством цилиндрических перемычек, суммарная площадь сечения перемычек, соединяющих две соседние пластины, составляет от 10 до 15% от площади поверхности укороченной пластины.

Также, согласно второму варианту изобретения, цилиндрические перемычки смещены между двумя соседними пластинами по высоте одна относительно другой так, что расстояние между осями соседних перемычек, а также смещение перемычек от близлежащих торцев укороченных пластин составляет не менее величины диаметра перемычки.

Огнеупорный блок по второму варианту изобретения предназначен для насадок регенераторов высотой более двух метров, например, для насадок кауперов доменных печей, в которых предъявляются требования к устойчивости огнеупорных блоков в насадке, предотвращению их сдвигов, приводящих к перекрытию вертикальных каналов.

В связи с этим конструктивные отличительные особенности огнеупорного блока по второму варианту позволяют достичь при его использовании не только повышения удельной поверхности нагрева блока, но и обеспечить его более устойчивое положение в насадке, что является дополнительным техническим результатом.

Повышение удельной поверхности нагрева огнеупорного блока, согласно второму варианту изобретения, обусловлено аналогичными отличительными признаками как и в первом варианте, поэтому все пояснения, изложенные в первом варианте, применимы и для второго варианта."

Обеспечение устойчивости огнеупорного блока в насадке достигается за счет выполнения части пластин удлиненными на величину выступов со стороны одной из боковых граней, образованных торцами пластин, величина каждого из которых превышает глубину пазов, выполненных на боковых гранях, образованных внешними поверхностями крайних пластин, на ширину промежутка между пластинами с учетом температурного расширения. Это делает возможным при изготовлении насадки не только фиксировать блоки один относительно другого для повышения устойчивости кладки, но и дистанцировать один блок от другого на величину, равную ширине промежутка между пластинами, и, тем самым, открыть боковые грани блока для теплообмена, и при изготовлении насадки организовать дополнительные вертикальные проходы между блоками, что также дополнительно увеличивает поверхность нагрева и способствует равномерному распределению теплоносителя по поперечному сечению насадки.

Фиксация блоков позволяет также предотвратить сдвиг и перекрытие вертикальных каналов при эксплуатации и, тем самым, повысить устойчивость кладки.

Выбор пределов величины выступов удлиненных пластин и глубины вертикальных пазов на боковых гранях, образованных внешними поверхностями крайних пластин, связан с перевязкой блоков между собой (с учетом температурного расширения) и с образованием дополнительных вертикальных проходов между огнеупорными блоками в кладке.

Удлиненные пластины блока по второму варианту изобретения размещены группами для более надежного сцепления с пазами соседних блоков.

Ширина блока относится к его длине как 1:2 для осуществления перевязки кладки.

Как и в первом варианте, смещение перемычек, расположенных между двумя соседними пластинами, по высоте на указанную величину сохраняет живое сечение канала по всей его высоте.

Смещение перемычек от близлежащих торцев укороченных пластин на величину не менее диаметра перемычки обусловлено строительной прочностью блока.

Варианты изобретений поясняются чертежами, где:

- на фиг.1 изображен огнеупорный блок (вариант 1), вид спереди;

- на фиг.2 - то же, вид сверху;

- на фиг.3 - то же, разрез А-А с фиг.2;

- на фиг.4 - фрагмент кладки бытовой печи, выполненной из огнеупорных блоков (вариант 1), вид спереди;

- на фиг.5 изображен огнеупорный блок (вариант 2), вид спереди;

- на фиг.6 - то же, вид сверху;

- на фиг.7 - то же, разрез Б-Б с фиг.6;

- на фиг.8 - фрагмент насадки из огнеупорных блоков(вариант 2), вид сверху.

Огнеупорный блок по первому варианту изобретения (фиг.1 и 2) длиной L, шириной В и высотой Н включает вертикальные и параллельные друг другу призматические элементы в виде пластин 1 толщиной α и высотой равной высоте блока Н, размещенных по длине блока так, что внешними поверхностями 2 крайних пластин 1 образованы две противолежащие боковые грани 3, а торцами 4 пластин - верхняя 5, нижняя 6 и две другие боковые грани 7 блока. Пластины размещены между собой с промежутками 8 шириной b для прохода газов и соединены друг с другом цилиндрическими перемычками 9 диаметром d и длиной, равной ширине промежутка между пластинами. Перемычки 9 между соседними пластинами смещены по высоте одна относительно другой так, что расстояние между осями 10 соседних перемычек составляет не менее диаметра d перемычки (фиг.3). Расстояние перемычек от близлежащих торцев 4 пластин, образующих грани 5, 6 и 7 блока, не менее диаметра перемычки.

Огнеупорный блок (вариант 1), установленный в качестве теплоаккумулирующего элемента в бытовой печи (фиг.4), работает следующим образом. Горячий теплоноситель (дымовые газы) поступает снизу из топки печи и, проходя через промежутки 8 между пластинами 1, нагревает их. После полного сгорания топлива и закрытия заслонки нагретые пластины постепенно отдают аккумулированное тепло в отапливаемое помещение.

Огнеупорный блок (вариант 2) (фиг.5 и 6) длиной L, шириной В (B/L относится как 1:2) и высотой Н включает вертикальные и параллельные друг другу призматические элементы в виде пластин 1 и 2 толщиной α и высотой, равной высоте блока Н, размещенных по длине блока так, что внешними поверхностями 3 крайних пластин 1 образованы две противолежащие боковые грани 4, а торцами 5 пластин 1 и 2 - верхняя 6, нижняя 7 и две другие боковые грани 8 блока. Пластины 2 выполнены удлиненными на величину выступов 9 размером h со стороны одной из боковых граней 8 и размещены между пластинами 1 двумя группами 10 (по три пластины в каждой группе). На боковых гранях 4 выполнены вертикальные пазы 11 глубиной h₁. Ширина пазов с соответствует ширине группы 10 удлиненных пластин 2 с учетом температурного расширения. Пластины 1 и 2 огнеупорного блока размещены между собой с одинаковыми промежутками 12 шириной b для прохода газов. Размер h выступов 9 превышает глубину h₁ пазов 11 на величину, равную ширине промежутка b. Пластины соединены между собой цилиндрическими перемычками 13 диаметром d и длиной, равной ширине промежутка между пластинами. Перемычки 13 между соседними пластинами смещены одна относительно другой по высоте так, что расстояние между осями 14 соседних перемычек составляет не менее диаметра перемычки d (фиг.7). Расстояние перемычек от торцев 5 укороченных пластин, образующих грани 6, 7 и 8 блока, не менее диаметра перемычки.

При кладке насадки перевязку указанного блока осуществляют посредством совмещения каждой группы 10 с пазами 11 двух аналогичных соседних блоков (фиг.8).

На фрагменте насадки (фиг.8) видно, что между соседними блоками образуются дополнительные вертикальные проходы 15, образованные выступами 9 и пазами 11, увеличивающие удельную поверхность нагрева насадки.

Огнеупорный блок, установленный, например, в насадке регенератора, работает следующим образом. Горячий теплоноситель (дымовые газы) поступает снизу и, проходя через промежутки между пластинами 12 и дополнительные вертикальные проходы 15 между блоками, нагревает пластины 1 и 2 блока. После переключения клапанов подают холодный воздух, который, проходя по промежуткам 12 и проходам 15 сверху вниз, нагревается от аккумулированного пластинами тепла. В процессе работы выступы 9 контактируют с пазами 11 соседних блоков (температурные швы на чертеже не показаны), фиксируя его положение в насадке и предотвращая его сдвиг относительно соседних блоков, тем самым обеспечивают устойчивость блока в насадке.

Примеры выполнения

Вариант 1. Изготовлен огнеупорный блок длиной (L) 250 мм, шириной (В) 125 мм, высотой (Н) 200 мм. Блок содержит 10 пластин толщиной 16 мм, размещенных с 9 промежутками шириной 10 мм. Диаметр цилиндрических перемычек (d) равен 20 мм. Масса блока 9,00 кг, объем блока 4,05 дм³, удельная поверхность нагрева 85,8 м²/м³.

Вариант 2. Изготовлен огнеупорный блок длиной (L) 250 мм, шириной (В) 125 мм (без учета выступов), высотой (Н) 200 мм. Блок содержит 10 пластин толщиной 16 мм: четыре пластины длиной 125 мм и шесть пластин длиной 142 мм. Удлиненные пластины сгруппированы в 2 группы по 3 пластины в каждой. Пластины размещены с 9 промежутками шириной 10 мм. Глубина вертикальных пазов на боковых гранях блока 5 мм, размер выступов 17 мм. Диаметр цилиндрических перемычек (d) равен 20 мм. Масса блока 9,35 кг, объем блока 4,25 дм³, удельная поверхность нагрева 89,6 м²/м³.

Использование изобретения позволит интенсифицировать теплообмен в теплотехнических сооружениях, за счет чего удастся повысить температуру нагреваемого воздуха и снизить температуру отходящих дымовых газов.

Источники информации

1. Патент РФ 2079557, МПК⁶ С21В 9/06, опубл. 20.05.1997.

2. Патент РФ 2155300, МПК⁷ F23L 15/02, С21В 9/06, опубл. 27.08.2000.

3. Патент США 4940081, МПК⁵ F28D 17/02, С21В 9/06, опубл. 10.07.1990.

Изобретение относится к огнеупорным блокам и может быть использовано для изготовления насадок регенераторов. Огнеупорный блок содержит установленные с одинаковыми промежутками одна от другой вертикальные и параллельные друг другу пластины, соединенные между собой посредством цилиндрических перемычек. Длина каждой из пластин равна ширине блока, высота совпадает с высотой блока, толщина пластин составляет от 0,1 до 0,2 ширины блока. Ширина промежутка между пластинами от 0,05 до 0,02 ширины блока. Сумма толщины пластины и ширины промежутка относится к длине блока как 1:(5-10). Суммарная площадь сечения перемычек, соединяющих две соседние пластины, составляет от 10 до 15% от площади поверхности пластины. Вариант огнеупорного блока содержит пластины разной длины, часть из которых выступает за ширину блока со стороны одной из боковых граней, образованных торцами пластин. На боковых гранях, образованных внешними поверхностями крайних пластин, выполнены вертикальные пазы для совмещения с выступами соседних блоков. Обеспечивается повышение удельной поверхности нагрева блока и устойчивости блока в насадке. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 пр.

1. Огнеупорный блок, содержащий установленные с одинаковыми промежутками один от другого вертикальные параллельные друг другу призматические элементы, соединенные между собой, отличающийся тем, что призматические элементы выполнены в виде пластин, размещенных по длине блока так, что внешними поверхностями крайних пластин образованы две противолежащие боковые грани блока, а торцами пластин - другие его грани, длина каждой из пластин равна ширине блока, высота пластин совпадает с высотой блока, толщина каждой из пластин составляет от 0,1 до 0,2 ширины блока, а ширина каждого из промежутков составляет от 0,05 до 0,2 ширины блока, при этом сумма толщины пластины и ширины промежутка между пластинами относится к длине блока как 1:(5-10), пластины соединены между собой посредством цилиндрических перемычек, а суммарная площадь сечения перемычек, соединяющих две соседние пластины, составляет от 10 до 15% от площади поверхности пластины.

2. Огнеупорный блок по п.1, отличающийся тем, что цилиндрические перемычки смещены между двумя соседними пластинами по высоте одна относительно другой так, что расстояние между осями соседних перемычек, а также величина смещения перемычек от близлежащих торцев пластин составляет не менее диаметра перемычки.

3. Огнеупорный блок, содержащий установленные с одинаковыми промежутками один от другого вертикальные параллельные друг другу призматические элементы, соединенные между собой, отличающийся тем, что призматические элементы выполнены в виде пластин, размещенных по длине блока так, что внешними поверхностями крайних пластин образованы две противолежащие боковые грани блока, а торцами пластин - другие его грани, причем часть пластин, в том числе крайние, выполнены укороченными и имеют длину, равную ширине блока, а остальные пластины выполнены удлиненными на величину выступов со стороны одной из образованных торцами пластин боковых граней блока, при этом высота пластин совпадает с высотой блока, толщина пластин составляет от 0,1 до 0,2 ширины блока, удлиненные пластины размещены группами между укороченными пластинами, на боковых гранях, образованных внешними поверхностями крайних пластин, выполнены вертикальные пазы, ширина каждого из которых соответствует ширине группы удлиненных пластин с учетом температурного расширения, глубина пазов составляет 0,04-0,05 ширины блока, величина выступов удлиненных пластин превышает глубину пазов на ширину промежутка между пластинами с учетом температурного расширения, а ширина каждого из промежутков составляет от 0,05 до 0,2 ширины блока, при этом сумма толщины пластины и ширины промежутка между пластинами относится к длине блока как 1:(5-10), ширина блока относится к его длине как 1:2, пластины соединены между собой посредством цилиндрических перемычек, а суммарная площадь сечения перемычек, соединяющих две соседние пластины, составляет от 10 до 15% от площади поверхности укороченной пластины.

4. Огнеупорный блок по п.3, отличающийся тем, что цилиндрические перемычки смещены между двумя соседними пластинами по высоте одна относительно другой так, что расстояние между осями соседних перемычек, а также величина смещения перемычек от близлежащих торцев укороченных пластин составляет не менее диаметра перемычки.