Насадка регенератора

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам для высокотемпературного нагрева воздуха и других газообразных теплоносителей. Насадка регенератора содержит огнеупорные кирпичи, верхняя и нижняя грани которых выполнены полуцилиндрическими и с поперечными пазами, расстояние между которыми в средней части кирпича равно гидравлическому диаметру насадки, а расстояние от торцевых поверхностей до пазов равно половине гидравлического диаметра насадки, глубина пазов в верхней части кирпича выбрана из условий предупреждения скольжения кирпичей по цилиндрической поверхности, расположенных ниже элементов, а их ширина равна толщине кирпича, глубина пазов в нижней части кирпича составляет 0,3 - 0,45 высоты кирпича, пазы в меридиональном сечении имеют форму равнобедренной трапеции с большим основанием снизу. Торцевые боковые грани кирпича могут быть наклонены под углом к плоскости нижнего основания кирпича, тангенс которого равен 0,02 - 0,06, причем длина верха кирпича равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки, а длина узкой широкой боковой грани кирпича равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки, при этом длина второй широкой боковой грани кирпича уменьшена со стороны торцевых боковых граней кирпича на 0,01 - 0,03 от его высоты. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к устройствам для высокотемпературного нагрева воздуха и других газообразных теплоносителей.

Известна насадка, выполненная из огнеупорных кирпичей, боковые поверхности которых выполнены цилиндрическими, а верхняя и нижняя по всей длине - в виде узких горизонтальных поверхностей с поперечными пазами [1]. Эта насадка характеризуется низким объемным коэффициентом теплоотдачи конвекцией, повышенным гидравлическим сопротивлением, наличие верхних горизонтальных поверхностей является причиной отложения пыли и уменьшения проходного сечения горизонтальных каналов.

Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности является насадка регенератора из огнеупорных кирпичей с полуцилиндрической формой верхней грани элементов и поперечными пазами [2]. Эта насадка характеризуется повышенным объемным коэффициентом теплоотдачи по сравнению с аналогом, но одновременно и высоким гидравлическим сопротивлением при движении теплоносителя навстречу плоской нижней грани элементов. Кроме того, часть вертикальных поверхностей нагрева (в пазах) не участвует в теплообмене, а горизонтальные нижние грани с точки зрения интенсивности теплообмена малоэффективны.

Предлагается насадка регенератора, содержащая огнеупорные кирпичи, установленные один над другим горизонтальными рядами со смещением на 90^o в каждом последующем ряду и образованием вертикальных и горизонтальных проходов, причем верхняя и нижняя части кирпичей выполняются полуцилиндрическими и с поперечными пазами, нижние из которых в меридиональном сечении имеют форму равнобедренной трапеции с большим основанием снизу, расстояние между пазами в верхней части кирпича и между меньшими основаниями трапецеидальных пазов в нижней части кирпича равно гидравлическому диаметру насадки, а расстояние от торцевых боковых поверхностей до пазов в верхней части кирпича и до нижних оснований трапецеидальных пазов в нижней части кирпича равно половине гидравлического диаметра насадки; глубина пазов в верхней части кирпича минимальна и выбирается из условий предупреждения скольжения кирпичей по цилиндрической поверхности, расположенных ниже элементов, а их ширина сверху и снизу на уровне меньших оснований трапецеидальных вырезов равна толщине кирпича, глубина пазов в нижней части кирпича составляет 0,3-0,45 высоты кирпича.

Кроме того, с целью дальнейшей интенсификации теплообмена торцевые боковые грани кирпича могут быть наклонены под углом к плоскости нижнего основания кирпича, тангенс которого (отношение полуразности верхнего и нижнего оснований меридионального сечения кирпича и его высоты) равен 0,02-0,06, при этом длина верха кирпича равна удвоенной сумме толщины и гидравлического диаметра насадки, расстояние между пазами сохраняется тем же, что и без наклона торцевых поверхностей; либо насадка выполняется с развернутыми торцевыми боковыми гранями так, что длина одной широкой боковой грани кирпича равна удвоенной сумме толщины и гидравлического диаметра насадки, а длина второй широкой боковой грани кирпича уменьшается со сторон торцевых боковых граней кирпича на 0,01-0,03 от его высоты. При этом расстояние между пазами сохраняется тем же, что и без развертки торцевых граней.

На фиг. 1 показан элемент насадки с горизонтальными пазами 1: a - с перпендикулярным к плоскости основания торцевыми гранями; б - с наклонными к плоскости нижнего основания торцевыми боковыми гранями; в - с укороченной длиной одной из широких боковых граней кирпича. На фиг. 2 показан продольный разрез и вид сверху насадки в сборе из элементов 1б.

Насадка регенератора состоит из элементов (кирпичей) 1, установленных друг над другом горизонтальными рядами со смещением на 90^o в каждом последующем ряду и образующих вертикальные каналы 2 и горизонтальные проходы 3.

Устройство работает следующим образом.

Греющий газ (продукты сгорания), проходя через насадку сверху вниз, отдает тепло элементам насадки. В следующий период работы регенератора снизу вверх поступает нагреваемый газ (например воздух), который получает тепло от нагретой насадки. Затем процесс циклически повторяется.

Выполнение верхней и нижней частей в виде полуцилиндрических поверхностей с поперечными пазами, глубина которых в нижней части кирпичей составляет 0,3-0,45 их высоты, а также трапецеидальная форма этих пазов с большим основанием снизу для нижних пазов позволяют интенсифицировать теплообмен путем раскрытия дополнительных вертикальных поверхностей (общая поверхность нагрева при прочих равных условиях по сравнению с прототипом увеличивается на ≈ 20%) и исключить горизонтальные поверхности, обладающие пониженной интенсивностью теплообмена. При этом снижается гидравлическое сопротивление насадки, особенно при движении теплоносителя снизу вверх. Оптимальная величина относительной глубины пазов h/H (H - высота кирпичей) в нижней части элементов обусловлена следующим: с увеличением относительной глубины пазов h/H до 0,3 как в насадке с полуцилиндрической формой верхней грани элементов (прототип), так и в предлагаемой насадке происходит примерно одинаковое увеличение интенсивности (по сравнению с аналогом), что объясняется увеличением относительной поверхности нагрева и поверхностного коэффициента теплоотдачи конвекцией (за счет большой турбулизации потока теплоносителя). При увеличении h/H более 0,3 в прототипе увеличение интенсивности теплообмена по сравнению с предлагаемой насадкой меньше, т.к. при продолжающемся повышении турбулизации потока происходит увеличение сопротивления, образование застойных зон в горизонтальных каналах, что приводит к снижению эффективности горизонтальных поверхностей. В предлагаемой насадке, благодаря обтекаемой форме нижней грани элементов, образования пограничной зоны у торцевой нижней поверхности элементов не происходит.

При относительной глубине паза h/H больше 0,4 в прототипе наблюдается резкое снижение интенсивности теплообмена, что объясняется тем, что резко повышается гидравлическое сопротивление горизонтальных проходов, и верхняя, и нижняя грани элементов исключаются из теплообмена. В предложенной насадке данный эффект наступает при h/H большем 0,45.

Таким образом, предложенная насадка отличается повышенной интенсивностью теплообмена при глубине пазов 0,3-0,45 высоты кирпича.

Величина глубины пазов в верхней части кирпича минимальна (≈ 5 мм) и выбирается из условий предупреждения скольжения кирпичей по цилиндрической поверхности расположенных ниже элементов и технологии изготовления.

Дальнейшее повышение интенсивности теплообмена достигается за счет раскрытия торцевых боковых граней кирпича (фиг. 1б). Для увеличения их количества с учетом требований перевязки элементов при сборке насадки длина кирпича равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки. Оптимальная величина тангенса угла наклона торцевых боковых граней кирпича к плоскости их нижнего основания (δ/H) составляет 0,02 - 0,06 и обусловлена следующим: с увеличением тангенса угла наклона торцевых боковых граней кирпича (δ/H) от 0 до 0,02, несмотря на раскрытие торцевых граней, интенсивность теплообмена в предложенной насадке практически не меняется, что объясняется повышенным гидравлическим сопротивлением образуемой пыли в отсутствии движения теплоносителей в ней. С увеличением δ/H более 0,02 наблюдается увеличение интенсивности теплообмена в насадке, связанное с увеличением относительной поверхности нагрева. При δ/H , равном 0,06, значение интенсивности теплообмена максимально, при дальнейшем же увеличении δ/Η происходит резкое снижение интенсивности теплообмена. Это связано с тем, что с повышением одновременно с увеличением поверхности нагрева торцевых граней происходит и снижение наиболее эффективной с точки зрения теплообмена поверхности нагрева широких боковых граней кирпичей. При δ/Η > 0,06 уменьшение поверхности нагрева широких боковых граней кирпичей сказывается сильнее, чем прирост интенсивности теплообмена за счет дополнительного раскрытия менее эффективных с точки зрения теплообмена торцевых поверхностей кирпичей. Наклонная форма торцевых боковых граней кирпичей позволяет повысить интенсивность теплообмена в основном при движении теплоносителя снизу вверх, т.к. в противоположном направлении узкие боковые грани в теплообмене практически не участвуют.

Предложенная насадка из элементов с разной длиной широких боковых граней (фиг. 1в) одинаково эффективна с точки зрения интенсивности при движении теплоносителей в обоих направлениях. При этом длина одной широкой боковой грани равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки и выбирается из условий точного формирования необходимого гидравлического диаметра, с одной стороны, и для увеличения количества торцевых боковых граней кирпичей с учетом перевязки элементов при сборке насадки, с другой стороны. Длина второй широкой боковой грани кирпича уменьшена со стороны торцевых боковых граней кирпича на 0,01-0,03 от его высоты (Δl/H). Величина указанного диапазона обоснована аналогично предыдущему варианту насадки. При уменьшении указанной величины (Δl/H) менее 0,01 величина образуемых щелевых каналов между боковыми торцевыми поверхностями недостаточна для прохода теплоносителей; при Δl/H более 0,03 уменьшение интенсивности теплообмена от снижения поверхности нагрева укороченной широкой боковой грани элемента сильнее, чем ее увеличение от дополнительного раскрытия торцевых боковых граней.

Формула изобретения

1. Насадка регенератора, содержащая огнеупорные кирпичи, установленные один над другим горизонтальными рядами со смещением на 90^o в каждом последующем ряду и образованием вертикальных и горизонтальных проходов, причем верхняя грань огнеупорных кирпичей выполнена полуцилиндрической с поперечными пазами, отличающаяся тем, что нижняя грань огнеупорных кирпичей выполнена полуцилиндрической с поперечными пазами, которые в меридианальном сечении имеют форму равнобедренной трапеции с большим основанием снизу, расстояние между пазами в верхней части кирпича и между меньшими основаниями трапецеидальных пазов в нижней части кирпича равно гидравлическому диаметру насадки, а расстояние от торцевых боковых поверхностей до пазов в верхней части кирпича и до нижних оснований трапецеидальных пазов в нижней части кирпича равно половине гидравлического диаметра насадки, глубина пазов в верхней части кирпича минимальна и выбрана из условий предупреждения скольжения кирпичей по цилиндрической поверхности расположенных ниже элементов, а их ширина сверху и снизу на уровне меньших оснований трапецеидальных вырезов равна толщине кирпича, глубина пазов в нижней части кирпича составляет 0,3 - 0,45 высоты кирпича.

2. Насадка по п.1, отличающаяся тем, что торцевые боковые грани кирпича наклонены под углом к плоскости нижней грани кирпича, тангенс которого равен 0,02 - 0,06, при этом длина верхней грани кирпича равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки.

3. Насадка по п. 1, отличающаяся тем, что длина одной широкой боковой грани кирпича равна удвоенной сумме толщины кирпича и гидравлического диаметра насадки, а длина второй широкой боковой грани кирпича уменьшена со сторон торцевых боковых граней кирпича на 0,01 - 0,03 от его высоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2