Теплообменная цепь с эллиптическими проволочными звеньями с повышенной износостойкостью и улучшенной теплопередачей
Изобретение относится к теплообменным цепям, используемым, например, во вращающихся печах или реакторах. Теплообменная цепь содержит кольцевые звенья эллиптического поперечного сечения. Большая ось упомянутого эллиптического поперечного сечения проходит в диаметральном направлении кольцевого звена. Звенья цепи выполнены из стальных сплавов или углеродистой стали. Изобретение направлено на улучшение теплопередачи между контактирующими текучими средами. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Уровень техники
Использование звеньевых цепей в задачах, связанных с теплообменом между двумя текучими средами и с задерживанием частиц, является типичной сферой их применения среди прочих, в таких отраслях промышленности, как бетонная, нефтехимическая, керамическая и производство удобрений. Их применение обычно встречается в процессах сушки или химических реакций в трубчатых печах, где они выполняют функцию теплоприемников и теплогенераторов, улучшая теплопередачу между двумя текучими средами (например, горячим газом и жидкостью или раствором) благодаря более высокой проводимости и теплоемкости твердых тел по сравнению с жидкостями и газами.
Цепи традиционных конфигураций выполняют из звеньев, изготавливаемых из проволоки круглого сечения. При обзоре существующего уровня техники отмечены следующие изобретения.
Патент США 3135504, поданный в 1962 году, раскрывает печь со звеньевой цепью, изготовленной из изогнутых металлических прутков, у которых часть поверхности выступает, а часть поверхности углублена, то есть стальных стержней для усиления бетонных конструкций. Этот патент нацелен на достижение более высокой тепловой эффективности с учетом того, что такие цепи имеют более высокую площадь поверхности на каждое звено. Однако конфигурация этого вида позволяет частицам накапливаться в углублениях поверхности, особенно при наличии влажности окружающей среды, в которой осуществляется упомянутая теплопередача. Упомянутое накопление материала вызывает тепловое сопротивление, что противоречит принципу конструкции цепи: "свободное поглощение тепла, свободное тепловыделение". Поэтому ее тепловая эффективность в рабочих условиях не устойчива.
Патент США 3281134, поданный в 1964 году, раскрывает цепь со звеньями скругленного треугольного сечения, причем ее способность к самоочищению, достигаемая за счет наиболее острого угла треугольного сечения, подчеркнута в патентной формуле. Это изобретение позволяет устранить накопление материала внутри звеньев, и в нем доказывается, что оно улучшает теплопередачу благодаря эффекту самоочищения. В нем также указано об улучшении отношения площади к массе. Упомянутая треугольная геометрия имеет достаточно плоскую грань, параллельную направлению потока, что вызывает утолщение краевого слоя (вследствие ее более высоких аэродинамических характеристик), снижающее общий коэффициент теплопередачи. С точки зрения износостойкости упомянутое треугольное сечение звена имеет меньшую инерцию в отношении плоскости изгиба звена, когда цепь подвержена растяжению (что происходит, когда цепь покидает основание, которому передают тепло).
Патент США 3544092, поданный в 1970 году, раскрывает звеньевую цепь для минимизации накопления материала, что приводит к более эффективной теплопередаче. Этот патент сосредоточен на увеличении теплопередачи при помощи эффекта очищения, причем в пунктах его формулы не раскрыты ни использованное отношение площади к массе, ни механическое воздействие на материал использованной геометрии. В упомянутом патенте существующего уровня техники представлены две группы пунктов формул.
Группа 1. Пп. 1-10 раскрывают звено, выполненное из проволоки, причем внутренняя поверхность звена "выполнена такой формы, которая обеспечивает значительную точку контакта". Иллюстрации, которые содержит упомянутый патент, показывают, как за счет выступа, выполненного на проволоке, достигается минимальная точка контакта между упомянутыми выступами соседних звеньев при изготовлении цепи. Этот вид конструкции является причиной повышенных контактных напряжений в этой зоне. Кроме того, эти локализованные выступы, поскольку в области них отношение площади к массе очень высоко, по сравнению с остальной частью сечения, становятся горячими пятнами, что ухудшает механические свойства материала; следовательно, страдает износостойкость.
Группа 2. Пп. 11-14 раскрывают звено с изогнутыми внутренней и внешней поверхностями. Эти пункты подразумевают, что периферия поперечного сечения содержит, по меньшей мере, четыре поверхности, одну внутреннюю поверхность (нижнее изображение, которое видно на изображении поперечного сечения), одну внешнюю (верхнее изображение, которое видно на изображении поперечного сечения), и две боковые поверхности, причем внутренняя и внешняя поверхности изогнуты, то есть являются дугами, сегментами окружности. П. 14 раскрывает продолговатую геометрию (прямые боковые части, концы которых соединены дугами). Эта геометрия имеет лучшее отношение площади к массе по сравнению со звеном круглого сечения, за счет чего у цепи с тем же весом больше площадь теплопередачи, что повышает полученную энергию. С точки зрения взаимодействия с текучей средой плоские поверхности образуют задерживающие зоны, требующие большей энергии текучей среды для преодоления препятствия. Описанное выше явление на макроуровне, например, на уровне вращающейся печи с цепной завесой, приводит к более высокому перепаду давления на цепном участке, требующему большей мощности оборудования (такого как нагнетательный вентилятор). Аналогично, на общем уровне такие повторяющиеся задерживающие зоны локализовано уменьшают общий коэффициент теплопередачи, ограничивая тем самым увеличение эффективности, достигнутое за счет улучшения отношения площади к массе.
Патенты СА 1129647 (1979), US 4244687 (1979), US 5934062 (1997), RU 1013717А (1999) раскрывают цепи для вращающихся печей, использующие многотельные звенья. Форму этих звеньев, помимо геометрии поперечного сечения проволоки, образует более чем один тип элементов, а именно либо звено и замок, либо два типа звеньев (одно звено передающее, большей массы, другое звено соединительное, меньшей массы). Многотельная решетка подразумевает принцип работы, который существенно отличается от принципа работы настоящего изобретения, учитывая, что многотельные звенья содержат дополнительные термические сопротивления на избыточных поверхностях контакта. В случае цепных завес, в которых предполагается одинаковая ориентация основных звеньев благодаря использованию небольших соединителей, они используют часть доступной длины цепи. Плоские сечения, представленные для основных звеньев в двух из перечисленных выше патентных заявок, не проявляют улучшенных характеристик теплопередачи по сравнению с цепями существующего уровня техники. Однако эти прямоугольные сечения приведены в настоящей заявке для сравнения.
Патент RU 2285217 С1 (2005) раскрывает цепь для вращающейся печи, содержащую пустотелые звенья или звенья с выемками. Эта разработка представляет два варианта и их комбинации, а именно: (а) звено из пустотелой проволоки, (б) звено из проволоки, имеющее любую геометрическую форму с, по меньшей мере, одной выемкой, и (в) их сочетания. Вариант (а) позволяет снизить тепловую инерцию звена, увеличивая таким образом интенсивность теплопередачи за счет того, что материал сконцентрирован там, где он более всего необходим (во внешней части). Вариант (б) позволяет увеличить теплопередачу за счет увеличения площади поверхности, поскольку геометрия с выемками имеет большую площадь по сравнению с традиционной формой. Ни в одном из случаев формула не затрагивает износостойкости цепи. Хотя эффекты увеличения интенсивности теплопередачи в полой цепи неоспоримы, также очевидно, что из-за постепенного износа, вызываемого трением и температурой во вращающейся печи, срок годности такой цепи ниже, чем у сплошной цепи (уменьшение толщины стенок ведет к уменьшению инерции, в результате чего возрастают деформация и напряжение при изгибающем воздействии). Что касается геометрии с выемками, увеличение площади поверхности достигается за счет выемок, которые выступают в качестве зон накопления материалов, обусловливая дополнительные тепловые сопротивления (уменьшенная теплопередача). Этот принцип противоречит изобретениям 1966 и 1970 годов, в которых внимание уделено эффекту самоочищения с целью удаления слоев отложившегося материала.
Компания Jammbco Division, США, с 2008 года раскрывает на своей веб-странице ромбовидную цепь (типа Heat-X) (http://www.jammbco.com/chains.php). Веб-страница компании указывает на то, что эта разработка запатентована, однако патентный поиск не дал результатов. Эта цепь выполнена из звеньев ромбовидного сечения со скругленными гранями на внутренней и внешней поверхностях (верхняя и нижняя части изображения). Эта геометрическая форма отличается от формы, раскрытой в настоящей заявке, учитывая, что ее конструкция относится к большим звеньям (большего размера, нежели круглые звенья), которые обычно имеют площадь, на 50% превышающую площадь круглых звеньев. Описанная выше концентрация площади подразумевает меньшее количество устанавливаемых цепей. Этот прототип служит ориентиром для сравнения с настоящим изобретением. Результатом концентрации площади теплопередачи и блокировки потока в меньшем количестве цепей по сравнению с круглыми звеньями является измельчение частиц из-за их захвата, но это также ведет к уменьшению сопротивления прохождению частиц.
Патент США 7.389.634 В1 (2007) раскрывает грузовую цепь со звеньями, различной формы с целью улучшения отношения стойкость/вес. Эта разработка раскрывает конструкции нескольких звеньев (с выемками, овальных, эллиптических) для грузовых применений (грузовых цепей). Некоторые из этих конструкций звеньев уже существовали в уровне техники в области цепей для теплопередачи (и запатентованы) (такие как описанные выше с выемками и овальной формы) и защищены патентным правом, поскольку, хотя обе и являются цепями, их принцип работы различен (растягивающая нагрузка и циклы нагрева/остывания). В этом патенте указано, что преимущество раскрытых звеньев, в том числе эллиптического звена, основано на распределении нагрузки при приложении внешней растягивающей нагрузки, типичных условиях работы грузовых цепей. Главное отличие от звена, описанного в настоящей заявке, в том, что настоящее изобретение относится к теплообменным цепям, в которых функция звена не конструкционная; в самом деле, в обычных условиях работы такие цепи не напряжены, а основной нагрузкой на звенья является вес цепи. Поэтому описанное выше изобретение уровня техники не пересекается ни с конструктивными принципами, используемыми в настоящем изобретении, ни со сферами его применения. Соответственно упомянутый уровень техники не сказывается на новизне настоящего изобретения (ограничиваясь теплообменными цепями) аналогично тому, как ранее защищенные теплообменные цепи с выемками или овальной формы не сказывались на новизне грузовых цепей, защищенных упомянутым выше патентом существующего уровня техники. Аналогичным образом, изобретательский уровень не страдает, так как конструктивный принцип, направленный на увеличение износостойкости на основе потока тепла, градиентов и уменьшения осаждения, не существует в приведенном уровне техники.
Краткое описание чертежей
Для наилучшего понимания настоящего изобретения настоящая заявка содержит следующие чертежи:
На Фиг. 1 представлен вид спереди и поперечное сечение эллиптического звена.
На Фиг. 2 показаны линии теплового потока в эллиптическом звене и других типах звеньев уровня техники.
На Фиг. 3 показано осаждение карбида на эллиптическом и круглом звеньях в теплообменной цепи после 6 месяцев эксплуатации.
Сущность изобретения
Использование звеньевых цепей во вращающихся печах или реакторах обеспечивает улучшение теплопередачи между двумя контактирующими текучими средами. Выбор материала зависит от сферы применения, и, несмотря на то, что важно поглощение и выделение тепла, в равной степени важна его износостойкость, поскольку обычно трубчатые печи и реакторы являются оборудованием непрерывного действия, в котором остановка для замены цепи вызывает убытки из-за остановки производства. Поскольку обычно для изготовления звеньев используют металлы, и поскольку цепи работают циклически (в контакте с текучей средой высокой температуры и другой текучей средой, низкой температуры), материал цепи подвержен тепловым циклам и подвержен механическому износу (трению об обрабатываемый материал и другие звенья).
Конструктивный принцип настоящего изобретения состоит в том, что чем больше скорость перехода между двумя состояниями (высокой и низкой температуры), тем меньше время, в течение которого элементы сплава подвергаются воздействию и осаждению. Как следует из описанного выше, наибольшим градиентам подвержена поверхность звеньев; поэтому она является сутью конструкции. Для того, чтобы способствовать улучшению перехода между состояниями, желательно, чтобы линии теплового потока на поверхности не испытывали неравномерностей поверхности, поскольку в таких зонах тепловой поток замедляется, что дает больше времени на осаждение. Эти неравномерности встречаются в тех конструкциях, в которых используют более чем одну геометрическую форму для производства сечения звена (такую как треугольную, продолговатую, с выступами или ромбовидную). Если для образования поверхности использована более чем одна кривая, в указанных переходах появляются зоны замедления теплового потока или застоя, способствующие локальному осаждению, закалке и, в конечном счете, ускоренному износу поверхности. В существующем уровне техники только цепь со звеньями круглого сечения обеспечивает непрерывность и плавность линий потока на поверхности (то есть цепь, которую используют в большинстве вращающихся печей по всему миру).
Настоящее изобретение является результатом соответствия с упомянутым выше требованием избегать неравномерностей поверхности, учитывая также требование увеличения отношения площадь/масса с целью улучшения эффективности теплопередачи. Настоящее изобретение заключается в разработке кольцевого проволочного звена с эллиптическим поперечным сечением с радиальной большей осью, то есть большая ось заключена в кольцевой плоскости звена, как показано на Фиг. 1. Эллиптическое поперечное сечение дает уникальную в области техники контактную поверхность, непрерывную для предотвращения горячих пятен или застойных зон (что позволяет улучшить износостойкость), и увеличенное соотношение площади поверхности звена к массе звена (эквивалентное соотношению периметра поперечного сечения к площади поперечного сечения) по сравнению с цепями из круглой проволоки.
На Фиг. 1а) показан вид цепи спереди, где можно обозначить следующее: (i) внутренний диаметр φ звена, определяющий ход цепи, и (ii) сечение, образованное поперечным разрезом А, который выполнен вертикально по типовому звену цепи, расположенному вертикально (когда его точка крепления находится в наивысшей части печи). На разрезе А, показанном на Фиг. 1b), можно обозначить следующее: (i) большая ось а эллиптического поперечного сечения проволочного звена, расположенная вдоль диаметра φ, таким образом, что наружный диаметр звена равен φ+2а, и (ii) меньшая ось b, определяющая толщину звена. Проволоку эллиптического сечения получают при помощи пластической деформации из проволоки круглого сечения.
За счет достижения в этой конструкции плавности линий теплового потока на поверхности, в цепях, изготовленных из сплавов, снижается осаждение фаз, и, таким образом, при отношении большей оси к меньшей оси эллипса между 1,5 и 3 срок годности цепи повышается в два-три раза по сравнению с цепями из круглой проволоки. Кроме того, поскольку у такой цепи благодаря меньшей доле площади на звено больше площадь проекции в осевом направлении внутри печи, увеличивается захват материала частиц (уменьшая, таким образом, потерю сырья, вызываемую тепловым потоком).
Подробное описание изобретения
Предпочтительный вариант осуществления разработан для вращающихся печей для клинкерования в бетонной промышленности. В этом случае теплопередающие цепи разрабатывают с длиной, равной 0,6 внутренних диаметров печи, для того, чтобы обеспечить отверстие для потока раствора и свободную область, таким образом, чтобы цепь была полностью открыта воздействию горячих газов (с целью получения тепла).
Если цепь оптимизирована с точки зрения износостойкости (однородности поверхности), теплопередачи (отношения площади к массе) и проекции сечения вдоль направления потока (захвата частиц и падения давления в печи) на основе звена, представленного в настоящей заявке, получается эллиптическое звено с отношением большей оси к меньшей оси, равным 2, и следующими габаритными размерами: больший диаметр 31 мм, меньший диаметр 15,5 мм. Проволоку эллиптического сечения изготавливают из нержавеющей стали для цепей, находящихся вблизи источника тепла, и из обычной стали для цепей, удаленных от источника тепла.
На Фиг. 2 и 3 показано действие новой конструкции в сравнении с цепями существующего уровня техники. На Фиг. 2 показана эволюция температурных кривых (изотерм), градиенты которых указывают на линии теплового потока. Эти кривые получены при помощи компьютерной симуляции при воздействии на звено потока слева направо. У круглого звена (а) разница между зоной (1) и зоной (2) составляет 4°С, и наблюдаются кривые изотерм, которые прерываются у поверхности, направленной к потоку. В случае эллиптического звена (b) отмечено, что разница между зоной (3) и зоной (4) близка к 3°С, и изотерма 250°С по существу охватывает всю поверхность, обращенную к потоку, образуя плавные линии теплового потока. При рассмотрении звена (с) ромбовидного сечения отмечено, что разница температур между областью (5) и областью (6) достигает 5°С, и что линии изотерм более резко оканчиваются у поверхности. У звена (d) продолговатого сечения разница между областями (7) и (8) составляет 4°С, и у поверхности, обращенной к потоку, отмечены резкие окончания изотерм. И наконец, у звена (е) с полым круглым поперечным сечением отмечена разница между областями (9) и (10) до 7°С, и наличие внутренней полости обусловливает неоднородность изотерм (и, следовательно, линий теплового потока).
Фиг. 3 позволяет рассмотреть металлографическую схему, полученную после шести месяцев эксплуатации цепи с эллиптическими звеньями и цепи с круглыми звеньями, изготовленных из одного и того же материала и работающих рядом. На металлографии (а) эллиптического звена обозначены только две зоны: зона (11) основного материала и зона (12) химической коррозии для подготовки металлографии. На металлографии (b) круглого звена обозначены три зоны: зона (13) основного материала, зона (14) химической коррозии для подготовки металлографии и зона (15) осаждения карбида. Именно последняя область способствует поверхностной хрупкости цепи, и в конечном счете потере толщины, которая ведет к увеличению частоты ее замены.
Характеристики предпочтительного варианта осуществления
Во время реального применения в печи для клинкерования все цепи из круглой проволоки были заменены на цепи из эллиптической проволоки при сохранении общей площади поверхности цепей (общей площади теплообмена). Для такой площади общая требуемая установленная масса на 10% меньше, чем установленная масса в случае звеньев из круглой проволоки.
Типичные условия работы печи предполагали, что при использовании установленной площади цепи со звеньями из круглой проволоки достижения 2% выходной влажности раствора и определенной выходной температуры раствора. При установке такой же площади поверхности (масса цепи меньше на 10%) выходные параметры раствора изменились до 0% влажности и на 47% более высокой выходной температуры раствора. В обоих случаях производительность была одинаковой. Это позволило еще больше уменьшить установленную площадь поверхности (до 20%), достигая снижения расхода тепла по меньшей мере на 5%, с меньшей дисперсией (в два раза меньшим диапазоном отклонений) по сравнению с круглыми звеньями и на 15% меньшего выброса частиц по сравнению с круглыми звеньями, вследствие чего пропорционально увеличилась производительность, что подтверждается материальным балансом.
Что касается износостойкости, сути конструкции настоящего изобретения, были установлены новые образцы цепей (круглые и эллиптические), и после 8 месяцев эксплуатации цепи из круглой проволоки потеряли 17,5% своей массы (цепи из углеродистой стали) и 19,4% (цепи из нержавеющей стали). Для сравнения цепи из эллиптической проволоки потеряли 2,3% своей массы (цепи из углеродистой стали) и 4,0% (цепи из нержавеющей стали). Это важное уменьшение интенсивности износа цепи означает, что износостойкость (срок годности) цепи увеличена по меньшей мере в три раза. В результате оценки свойств цепи, рассмотрения принципов конструкции и эксплуатационных характеристик можно заключить, что, несмотря на незначительное усложнение при изготовлении, значительное уменьшение осаждения карбида в эллиптической цепи позволяет существенно увеличить срок годности цепи, снижая действие явления, известного как "отслаивание".
1. Теплообменная цепь, отличающаяся тем, что она содержит кольцевые звенья эллиптического поперечного сечения, причем отношение большей оси эллипса к меньшей оси эллипса больше 1,5 и меньше 3.
2. Цепь по п. 1, отличающаяся тем, что большая ось эллиптического поперечного сечения проходит в диаметральном направлении кольцевого звена.
3. Цепь по п. 1, отличающаяся тем, что звенья выполнены из стальных сплавов или углеродистой стали.
4. Цепь по п. 1, отличающаяся тем, что отношение большей оси эллипса к меньшей оси эллипса равно 2.
