Керамическая жаровая труба Советский патент 1992 года по МПК F23D14/12 

Фиг.З

Изобретение относится к устройствам для термической обработки, в частности к радиационным нагревателям тупиковой формы используемым для обогрева термических печей, реакторов с кипящим слоем, воздухоподогревателей, печей-ванн и других установок где требуется муфелирова- ние продуктов сгорания по отношению к нагреваемым изделиям и средам с целью предохранения их от загрязнения продук- тами сгорания и применение защитных атмосфер в рабочем пространстве печи, установки.

Известна тупиковая радиационная труба с керамической жаровой вставкой, со- держащая излучающий корпус, в котором соосно с зазором для отвода продуктов сгорания установлена жаровая вставка из жаропрочной керамики, выполненная из сегментов, которые установлены в про- дольном направлении с уступом и сцеплены друг с другом с помощью шпунтов и гребней, выполненных на поверхности сегментов, труба содержит рекуператор и горелку, с которой жаровая вставка плотно соединена.

Конструкция жаровой вставки сложна. Поэтому ее трудно изготовить, а в местах стыковки сегментов вставки имеются неплотности, через которые выходит пламя, что приводит к быстрому прожогу наружного корпуса радиационной трубы и выходу трубы из строя Из-за отмеченных недостатков тупиковая радиационная труба не может найти широкого применения.

В качестве прототипа выбрана керамическая жаровая труба промышленной радиационной горелки, содержащая отдельные тонкостенные керамические трубчатые элементы, соединенные один с другим торцо- выми участками и снабженные снаружи центровочными радиальными ребрами, опирающимися на оболочку, в которую заключена жаровая труба. Выходные торцовые участки элементов трубы снабжены кольцевыми уступами, а входные торцовые участки - раструбами, охватывающими частично и с зазором уступы предыдущих элементов, причем в зоне соединения торцовых участков по периферии элементов с зазором дополнительно установлены защитные керамические кольца, перекрывающие по длине уступы и по крайней мере частично раструбы соседних элементов трубы. Защитные керамические кольца имеют кольцевую опорную площадку, размещенную между торцовыми поверхностями уступа и раструба соседних элементов, а входной элемент трубы внутри раструба снабжен вспомогательным кольцом, размещенным в зазоре в раструбе этого элемента и имеющим свои центровочные ребра, которые размещены на поверхности защитных керамических колец При этом все элементы трубы выполнены из чистого карбида кремния

Керамическая жаровая труба указанной конструкции имеет существенные недостатки Она плотно соединена с рекуператором радиационной горелки, что исключает возможность использования рециркуляции продуктов сгорания в рабочей зоне горелки. Поэтому теплотехнические и экологические характеристики нагревателя существенно ниже нормативных. Кроме того, жаровая труба сложна в изготовлении Каждый ее стыковочный узел содержит три элемента, имеющих сложную конструкцию. Недостатком жаровой трубы известной конструкции является также и то, что она отличается жесткостью в местах стыковки сборных элементов. Этот недостаток вызывает нарушение режима тепловой работы нагревателя в случае прогиба наружного излучающего корпуса нагревателя, так как в этом случае нарушается соосность между жаровой трубой и излучающим корпусом. Прогиб наружного корпуса нагревателей наблюдается повсеместно при горизонтальном расположении нагревателя в печи. Если учесть, что промышленные радиационные нагреватели, оборудованные жаровыми трубами, располагаются в печах преимущественно в горизонтальном положении, то ясно, что жаровая груба известной конструкции не может найти широкого применения.

Цель изобретения - повышение надежности, упрощение конструкции и расширение области применения жаровой трубы.

Поставленная цель достигается тем, что в керамической жаровой трубе радиационного нагревателя тупиковой формы, содержащей установленные по оси нагревателя керамические трубчатые элементы, снабженные центровочными радиальными ребрами и соединенные между собой кольцевыми выступами и выточками, выпол- .ненными соответственно на противополож- ных торцах каждого элемента трубы, внутренняя поверхность каждого керамического трубчатого элемента имеет форму усеченного1 корпуса, максимальный диаметр которого превышает его минимальный диаметр в 1,2 - 1,3 раза, элементы жаровой трубы размещены с образованием чередующихся конфузорно-диффузорных участков, причем входной участок жаровой трубы имеет максимальный диаметр, а выходной - минимальный, труба имеет длину, превышающую длину керамического элемента в 3 или 5 раз, а высота кольцевых выступов превышает глубину выточек на торцах элементов в 1,4 - 1,6 раза.

Предложенное техническое решение позволяет керамической жаровой трубе свободно, без разрушения элементов провисать и сохранять соосность с излучающим корпусом нагревателя тупиковой формы, в котором она установлена по оси, в случае его провисания под воздействием темпе- ратуры и собственного веса, обеспечивает оптимальные условия для подачи, перемешивания топлива и воздуха в полости жаровой трубы, равномерное и полное заполнение объема жаровой трубы продук- тами сгорания. В результате происходит полной сжигание топлива при минимальном коэффициенте избытка воздуха, обеспечивается равномерный нагрев жзровой трубы по длине и периметру и, таким образом, исключается опасность разрушения элементов трубы от перепада температур, повышается надежность, расширяется область применения жаровой трубы.

На фиг. 1 показан продольный разрез керамической жаровой трубы; на фиг. 2 - узел стыковки керамических трубчатых элементов; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1.

Керамическая жаровая труба состоит из отдельных керамических трубчатых элементов 1, соединенных между собой торцами и снабженных снаружи центровочными радиальными ребрами 2. Излучающая керамическая труба размещена соосно в излучающем корпусе 3 нагревателя тупиковой формы 5, на стенку которого труба опирается ребрами 2.

Выходные торцы керамических трубчатых элементов 1 жаровой трубы снабжены кольцевыми охватывающими выступами 4, а входные торцы - кольцевыми выточками 5, охватываемыми с зазором выступами 4 предыдущих элементов 1 керамической жаровой трубы. Высота кольцевых выступов 4 (te) превышает глубину выточек 5 (И) на торцах элементов в 1,4-1,6 раза, Внутренняя поверхность керамических трубчатых элементов керамической жаровой трубы имеет форму усеченного конуса, максимальный диаметр (Di) которого превышает его минимальный диаметр (D2) а 1,2 - 1,3 раза. Элементы жаровой трубы размещены с образованием чередующихся конфузорно- диффузорных участков, причем входной участок жаровой трубы имеет максимальный диаметр, а выходной - минимальный, Жаровая труба 1 имеет длину Li, превышающую длину керамического элемента L.2 в 3 или 5 раз.

В табл. 1 приведены результаты исследования характеристик керамической жаровой трубы заявляемой конструкции при различных отношениях максимального диаметра DIусеченного конуса элемента трубы к минимальному диаметру D2 усеченного конуса элемента трубы.

Из табл. 1 видно, что при отношении Di/Da 1,2-1,3 перепад температур подлине и периметру жаровой трубы практически отсутствует, следовательно, в этом случае условия эксплуатации жаровой трубы наиболее благоприятны; при Di/D2 1,2 резко возрастает перепад температур по длине и периметру жаровой трубы. Это объясняется тем, что с уменьшением отношения Di/D2 увеличивается диаметр выходного отверстия жаровой трубы, снижается уровень подпора в жаровой трубе, В результате ухудшаются условия длч смешения газа с воздухом. Более интенсивное выгорание газа происходит в конце жаровой трубы и менее интенсивное - на входном участке. Снижается плотность заполнения объема жаровой трубы. Все это вызывает значительный перепад температур по длине и периметру жаровой трубы. В результате возникают условия разрушения (растрескивания) элементов трубы, снижается надежность трубы, сокращается ее срок службы. При отношении Di/D2 1,3 уменьшается выходной диаметр жаровой трубы. В связи с этим заметно растет статическое давление в жаровой трубе. В результате ухудшаются условия для смешения газа с воздухом. Наблюдается недожог топлива. Увеличивается перепад температур по длине жаровой трубы. Увеличивается расход энергии на подачу воздуха для сжигания газа. Снижается надежность жаровой трубы. Сокращается ее срок службы.

В табл. 2 приведены результаты исследования характеристик керамической жаровой трубы заявляемой конструкции при различных соотношениях высоты кольцевых охватывающих выступов г к гпубине охватываемых кольцевых выточек И элемента трубы при критической величине прогиба излучающего корпуса нагревателя тупиковой формы, в котором заключена труба.

Из табл. 2 видно, что при отношении l2/h 1,4-1 6 перепад температур по периметру и длине жаровой трубы минимален. Жаровая труба способна сохранять соосность с излучающим корпусом нагревателя, в котором она размещена в случае его прогиба, следовательно, устойчивость выгорания факела не нарушается и гарантированный срок, службы в этом случае максимален. Такие же характеристики могут

быть получены при отношении I2/M 1.6. Однако в этом случае выступы трубчатых элементов при прогибе жаровой трубы, заключенной в излучающей трубе, быстро разрушаются вследствие высоких механических напряжений, возникающих в области стыковки трубчатых элементов. При отношении l2/h 1,4 жаровая труба несоос- на излучающему корпусу. Перепад температур по длине и периметру жаровой трубы резко увеличивается. Устойчивость выгорания факела снижается. Это приводит к быстрому выходу жаровой трубы из строя.

В табл, 3 приведены результаты исследования характеристик керамической жаровой трубы заявляемой конструкции при различных соотношениях длины жаровой трубы U к длине керамического трубчатого элемента La при критической величине прогиба излучающего корпуса нагревателя тупиковой формы, в котором заключена труба,

Из табл, 3 видно, что при отношении Li/L2 3, Li/U 5, Li/La 7 и Li/L2 9 перепад температур по периметру и длине жаровой трубы минимален. Жаровая труба способна сохранять соосность с излучающим корпусом нагревателя при его прогибе. Устойчивость выгорания факела не нарушается и жаровая труба имеет максимальный срок службы. Однако при отношении H/L.2 7 и более увеличиваются затраты на изготовление жаровой трубы. Поэтому отношения Lt/L.2 3, 5 являются оптимальными При отношении Li/L2 1 жаровая труба несоосна излучающему корпусу в случае прогиба. Перепад температур по длине и периметру жаровой трубы резко возрастает. Устойчивость выгорания факела снижается и жаровая труба быстро выходит из строя.

Составление жаровой трубы из нечетного количества керамических элементов, причем входной участок жаровой трубы имеет максимальный диаметр, а выходной - минимальный, в заявляемых пределах обеспечивает необходимые условия для полного заполнения внутреннего обьема жаровой трубы продуктами сгорания, улучшает процесс сжигания топлива, в результате исключается недожог, достигается равномерный нагрев корпуса жаровой трубы по длине и периметру. При этом статическое давление в трубе не превышает нормативных величин, если сохраняется соосность между жаровой вставкой и излучающим корпусом нагревателя.

Жаровая труба работает следующим образом.

Во входной трубчатый элемент 1 через сопло 6 подают топливо и через отверстия 7

воздух, необходимый для его сжигания. В жаровой трубе происходят смешивание топлива с воздухом и выгорание топлива. Продукты сгорания из жаровой трубы отводят

через кольцевой зазор, ограниченный элементами 1 трубы и излучающим корпусом нагревателя 3.

Изобретение предназначено для внедрения на термических печах с защитной контролируемой атмосферой, например ПО Ижсталь, взамен жаровых труб из дорогого хромникелевого сплава, а также на других заводах. Известные жаровые трубы из хромникелевых сплавов, широкого применяемые на печах заводов, отличаются высокой стоимостью и недостаточно высокой стойкостью при эксплуатации в печах с технологической температурой выше 980°С. Замена металлических жаровых труб керамическими предлагаемой конструкции, которые отличаются невысокой стоимостью и повышенной надежностью при температурах до 1200°С, обеспечивает значительный экономический эффект.

Экономический эффект от внедрения изобретения достигается за сет повышения надежности, снижения стоимости, увеличения срока службы.

Гарантированный срок службы металлической жаровой трубы TI при одинаковых условиях работы - 4 года, а срок службы керамической жаровой трубы Т2 - 8 лет.

Формула изобретения

Керамическая жаровая труба, содержащая установленные по оси нагревателя керамические трубчатые элементы, снабженные центровочными радиальными ребрами и соединенные между собой кольцевыми выступами и выточками, выполненными соответственно на противоположных торцах каждого элемента трубы, отличающаяся тем, что, с целью

повышения надежности, упрощения конструкции и расширения области применения, внутренняя поверхность каждого керамиче- ского трубчатого элемента имеет форму усе- ченного конуса, максимальный диаметр

которого превышает его минимальный диаметр в 1.2 - 1,3 раза, элементы жаровой трубы размещены с образованием чередующихся конфузорно-диффузорных участков, причем входной участок жаровой трубы

имеет максимальный диаметр, а выходной - минимальный, труба имеет длину, превышающую длину керамического элемента в 3 или 5 раз, а высота кольцевых выступов превышает глубину выточек на торцах элементов в 1,4 - 1,6 раза.

Таблица 1

Использование: устройства для термической обработки, в частности радиационные нагреватели тупиковой формы, используемые для обогрева термических печей в интервале температур 700-1150°С. Сущность изобретения: керамическая жаровая труба содержит трубчатые элементы 1, соединенные между собой по торцам кольцевыми выступами и выточками и снабженные снаружи центровочными радиальными ребрами 2. Выходные торцы трубчатых элементов 1 жаровой трубы снабжены кольцевыми охватывающими выступами 4, а входные торцы кольцевыми выточками, охватываемыми с зазором выступами. Высота кольцевых выступов превышает глубину выточек на торцах элементов в 1,4 - 1,6 раза. Внутренняя поверхность каждого керамического элемента имеет форму усеченного конуса, максимальный диаметр которого превышает его минимальный диаметр в 1,2...1,3 раза. Элементы жаровой трубы размещены с образованием чередующихся конфузорно-диффузорных участков, причем входной участок жаровой трубы имеет максимальный диаметр, а выходной - минимальный. Жаровая труба имеет длину, превышающую длину керамического элемента 1 в 3 или 5 раз 3 ил.

Таблица 2

аТ

,

,/

1

.УчУч ХЧЧ У чУчХУуХ ХЧ Ч Х У ч У

J

Продолжение табл. 2

Таблица 3

Фиг

2

Редактор И. Касарда

Техред К/Шоргентал

Заказ 2985ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наО„ 4/5

Корректор А. Мотыль