Печной ролик Советский патент 1979 года по МПК F27D3/02 C21D9/50 

(54)ПЕЧНОЙ РОЛИК

носитель при этом нагревается и частично испаряется. В средней части ролика несколько повышается давление. Образовавшаяся двухфазная смесь движется к торцам ролика, преимущественно по внутренней трубе,где минимальные гидравлические сопротивления.Пло щадь отверстий в средней части внутренней трубы в 4-10 раз больше площаотверстии перегородок. Соотношение площадей отверстий в средней части внутренней трубы и в перегородке определяется из условия обеспечения подвода необходимого количества жидкого теплоносителя из холодильников к рабочей части ролика и беспрепятственного отвода образовавшейся двух фазной смеси к холодильникам. Жидкий теплоноситель занимает нижнюю часть сечения кольцевого канала.

Отверстия в перегородке распределены равномерно по окружности с тем, чтобы Обеспечить непрерывное течение теплоносителя при вращении ролика. Количество отверстий должно быть не менее четырех. Поступающая в холодильники двухфазная смесь охлаждается, пары теплоносителя конденсируются,и.в жидком состоянии стекают в нижнюю часть полости. Так как объем смеси при конденсации уменьшается, то на участках расположения холодильников давление понижается.

Жидкий теплоноситель через отверстия в перегородках перетекает в среднюю часть ролика, охлаждает его внутреннюю поверхность и частично испаряется. Процесс нагрева, испарения, охлаждения и конденсации теплоносителя и переноса тепла из высокотемпературной зоны к холодильникам происходит непрерывно.

.

При кипении и конденсации создаются весьма высокие коэффициенты теплоотдачи, что обеспечивает эффективное равномерное охлаждение роликов и эффективный отвод тепла. Приработе внутренняя полость ролика находится под давлением в несколько атмосфер, что также способствует эффективности теплообмена, так как коэффициенты теплоотдачи с повышением давления до определенного уровня при прочих равных условиях увеличиваются. В ролике практически.полностью отсутствует опасность образования накипи и выпадения шлама, так как- в обороте находится один и тот же объем теплоноси:теля.

Вследствие этого увеличивается стойкость ролика. Разделение трактов нагретого и охлажденного теплоносителя посредством внутренней трубы с перегородками позволяет создавать интенсивное движение теплоносителя внури ролика и с помощью холодильников поддерживать нужную температуру поверхности ролика.

в корпусе рсхпика циркулирует жидки тепЛОноситель и двухфазная с.месь под давлением в несколько атмосфер . Температура кипения с повьаиением давления, как известно, увеличивается. Например, температура кипения воды при давлении 10 атм равна 179°С. Поэтому внутренняя поверхность корпуса будет иметь более высокую температуру чем в случае охлаждения ролика холодной водой. При аналогичных внешних условиях (температуре печи) перепад температуры в стенке ролика уменьшается, а температура наружной поверхности корпуса увеличивается. Вследствие этого при аналогичных условиях уменьшается перепад температуры между верхней и нижней поверхностями наг реваемого металла, т.е. в целом по печи улучшается качество нагрева металла. Повышение температуры наружной поверхности ролика вызывает также уменьшение выноса тепла из рабочего .пространства печи, т.е. снижение потерь тепла на охлаждение. Кроме того, при таком исполнении представляется возможность для утилизации тепла путем включения холодильников в систему подогрева воды или даже производства пара.

Отношение площадей отверстий в Перегородках и в средней части внутренней трубы зависит от интенсивности теплоотвода. В связи с тем, что теплоноситель внутри корпуса движется за счет естественной конвекции, гидравлические сопротивления контура циркуляции должны быть минимальными. Из высокотемпературной зоны движется смесь, состоящая из жидкой и газообразной фаз, объем которой больше, чем жидкого теплоносителя. Количество газообразной фазы зависит от интенсивности теплоотвода и скорости циркуляции теплоносителя.

Обоснование заявляемых пределов отношений площадей приводится на примере, где в качестве теплоносителя взяты вода и водяной пар. Предполагается, что необходимо отвести 1 млн. ккал за 1 час при среднем давлении внутри корпуса ролика 10 ата. Для этого необходимо подвести воды

100QOOQ

U

2080 кг/ч

482,1

V mg . V 2080 0,001126

2,34 мЗ/ч; где Д1 - масса воды, кг/ч;

U - количество отводимого тепла ккал/ч;

г - скрытая теплота парообразования, ккал/кг;

Vj -, объем воды,

Vj - удельный объем сухого насыщенного пара, . . . - .

При скорости движения аодн через отверстия перегородки, равной 1 м/с. гидравлическоесопротивление перего родки составляет ,г 0,.9,81 56 кг/м или мм вод.ст.,, где .UP - гидравлическое сопротивление перегородки, мм вод.ст.; W - скорость движения воды через отверстия перегородки, м/с; . j)g - плотность воды при рабочих условиях, кг/мЗ; ;р .- коэффициент расхода; g - ускорение силы тяжести, м/с Необходимая площадь для пропуска этого количества воды составляет Va 2,34 3600-1 360- WB 0,00065 м2 Принимаем, что все тепло отводится за счет парообразования. При этом образуется пареV me Vy 2080-0, , где У„ - объем сухого насыщенного пара, мЗ/ч; Vy - удельный объем сухого насыщенного- пара, . .Для обеспечения устойчивости циркуляции воды и водяного пара в контуре сопротивление на пути пара долж но быть меньше сопротивления на пути воды. В качестве минимального значе ния отношение Ллощадей следует при.нять такое, при котором сопротивлени на пути воды и водяного пара равны (перепад давления в стенке внутренней трубы также равен 56 мм вод.ст. При этом услоЬии скорость пара в от верстиях внутренней трубы составляе 2.Др 2.9,81.59 Г 5,051 где ф - коэффициент расхода; АР- перепад давления до и после отверстий внутренней трубы, мм вод.с JJj, - плотность сухого насыщенного пара при рабочих условиях, кг/м. Необходимая площадь для пропуска этого количества пара составляет Л12. 0,0086 3600-W. 3600-13,3 Жидким теплоносителем заполнена не вся полость корпуса ролика, а лиш 40-50% объема. Жидкая фаза занимает нижнюю часть полости. В сечении это сегмент, дли дуги которого равна приблизительно 1/2 - 1/3 длины окружности. Определ ная вьиче необходимая площадь пропуск жидкого теплоносителя (f О,00065 должна находиться в пределах этого сегмента. Но так как ролик вращаетс и поступление жидкого .теплоносителя должно быть непрерывным, то отверсти в перегородках расположены равномер по всей окружности, а их суммарная площадь в три раза больше, чем необ «.3 ходимая для пропуска жидкого теплоносителя. ;. fnep 2 в 3 О,ООЮ65-0,00195 м Отношение площади отверстия з стенке внутренней трубы к площади отвепстий перегородки составляет fn 0,0086 0,00195 Как предельное нижнее значение это отношение может быть уменьшено на 10%, т.е. до 4,0. Уменьшение этого отношения менее 4,0 нецелесообразно, так как при этом уменьшается относительная площадь для пгхэпуска газообразной фазы. Поэтому значительная часть газообразной фазы будет двигаться в холодильники через отверстия в верхней части перегородок, что может ухудушть равномерность охлаждения корпуса ролика. При увеличении f : fpj,p уменьшается сопротивление на пути газообразной фазы. За верхний предел этого отно1чения следует принять такую величину, при которой сопротивление на пути газообразной фазы в 4 раза меньше, чем на пути жидкой фазы. Для этого площадь отверстий во внутренней трубе должна быть в 2 раза больше, чем в случае, когда сопротивления олинаковы. Отношение f : при этом составляет 8,8. На случай отклонения фактических тепловых и температурных параметров работы ролика от расчетных верхнее значение отношения площадей отверстий в трубе и в перегородке целесообразно увеличить до 10. Дальнейшее увеличение не имеет смысла, так как при этом основным сопротивлением циркуляционного контура будет являться сопротивление перегородок. На фиг. 1 представлен ролик при установке холодильников с обеих торцов, продольный разрез; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг.З вариант ролика при установке холодильника с одного торца. Корпус 1 ролика представляет собой толстостенную трубу. Толщина стенок участков корпуса, выступающих из печи, несколько уменьшена. Внутри корпуса находится жидкий теплоноситель.В одном торце корпуса 1 установлен плоский диск 2, во втором торце - диск 3 с цапфой 4, служащей для сообщения ролику вращательного движения. С обеих сторон корпус 1 снабжен подшипниками 5 и холодильниками 6. В корпусе установлена внутренняя труба 7 с перегородками 8, в которых выполнены отверстия 9. В средней части трубы 7 выполнены отверстия 10 . В корпусе 1 установлен также клапан 11, -срабатывающий при повышении давления выше допустимого, например в случае выхода .из строя одного или обеих холодильников.К холодильникам 6 йрисоединены патрубки 12 и 13, служащие для подвода и отвода воды. При расположении холодильника с одного торца отверстия во внутренней трубе выполняются вблизи торца с противоположной от холодильника стороны tcM. фиг. 3).. Ролики проходной подогревательной печи .крупносортного стана 600 изгота ливают следующим образом.. В корпус ролика, представляющий собой трубу с наружным диаметром 200 мм, внутренним диаметром 100 мм, длиной 3 м, вставляют внутреннюю тру бу с наружным диаметром 75 Mti, внутренним 70 мм, с перегородкой на учас тке высокотемпературной зоной печи и холодильником и в полость кор пуса объемом 0,02 м заливают в качестве теплоносителя воду в количест ве 10 кг и заваривают. Максимальный тепловой поток к поверхности ролика составляет 220000 ккал/м. ч . Площадь ролика, находящаяся в печи, составляет 1 м, тепловые параме ры работы ролика определяют из условия, что теплоотвод полностью осуществляется за счет испарения воды. Расход воды составляет 220000 .ее / -48271- б /Среднее давление внутри корпуса ролика 10 ата. Объемный расход воды Va 456 0,001126 0,515 . Площадь перегородки при скорости воды О,5 м/с с учетом свободного сечения нал поверхностью воды составляет30,515 - nnnftfi м лер 3600-0,5 О00086 м , В перегородке выполнено 8 отверстий диаметром. 12 мм. Фактическая пло щадь отверстий в перегородке 0,0009 В стенке внутренней трубы со стороны противоположной холодильнику, выполнено 20 отверстий диаметром 16 мм общей площадью 0,00402 м. При этом отношение .площади отверстий в стенке внутренней трубы к площади отверстий перегородки составляет 4,5. Скорость пара в отверстиях внутренней трубы равна 6,3 м/с, во внутренней трубе 6,5 м/с. Холодильник выполнен в виде цилиндрического корпуса, в котор1 й устанавливается охлаждаемый ролика. С целью, интенсификации теплообмена внутренняя часть охлаждаемого участка ролика выполнена оребренной. Подвод воды к холодил.ънику осуществляется тангенциально. Корпус холодильника снабжен отверстием для периодической очистки внешней поверхности ролика. Эффективность применения предложенного ролика заключается.в увеличении, стойкости роликов, уменьшении удельных расходов топлива, улучшении ка- чества нагрева металла. Ожидается увеличение стойкости роликов по меньшей мере в три раза.. Экономический эффект от увеличения стойкости роликов составляет 100 тыс.. руб. в год. Снижение удельных расхоЬов топлива составляет около 10%, что дает экономический эффект в сумме 40 тыс. руб. в год. Суммарный ожидаемый экoнo /lичecкий эффект от применения предложенного ролика в условиях проходной подогревательной печи крупносортного стана 600 составляет около 140 тыс. руб.- в год. Формула изобретения Печной ролик, содержащий корпус и закрепленную концентрично внутри его трубу с отверстиями, отличающийся тем, что, с целью увеличения стойкости ролика и повьзшения КПД печи, ролик выполнен в виде герметичного корпуса, заполненного жидким теплоносителем и снабжен холодильниками, расположенными на торцах, при этом крепление трубы к корпусу выполнено в виде перегородок с отверстиями, площадь которых составляет 0,25-0,1 площади отверстий внутренней трубы. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 160196, кл. С 21 D 9/50, 1975. 2.Патент ФРГ № 1408274, кл 18 с 9/00, 1970.

1

8 s .фиг.З Г7