Елемент насадки (варіанти)

Реферат: Елемент насадки 1 належить до конструктивних елементів повітронагрівачів доменних і полуменевих печей, зокрема, регенеративних нагрівачів, в яких насадка формується з впорядковано розташованих елементів певної форми, які мають наскрізні канали для проходу газів. Елемент насадки 1 включає не менше семи наскрізних каналів 5, принаймні шість з яких виконано діаметром 20 мм, і містить принаймні одну пару фіксуючих елементів, що складається з фіксуючих западини 7 і виступу 8, розташованих на паралельних одна одній поверхнях 2, 3 елемента насадки 1 навколо кінців одного з наскрізних каналів. Елемент насадки 1 відрізняється тим, що кожен з наскрізних каналів 9, 10, 11, навколо кінців якого розташовані фіксуючі елементи 7, 8, виконаний діаметром 18 мм. UA 101282 C2 (12) UA 101282 C2 UA 101282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Область техніки Запропонований елемент насадки відноситься до чорної та кольорової металургії, до конструктивних елементів повітронагрівачів доменних печей, зокрема, регенеративних нагрівачів, в яких насадка формується з упорядковано розташованих елементів певної форми, що мають наскрізні канали для проходу газів. Елемент насадки може бути застосований також в інших областях техніки, де використовуються процеси теплообміну між газами, що протікають крізь насадку, тими, що нагрівають, і тими, що нагріваються, наприклад, при тепловій обробці металів у полуменевих печах прямого і непрямого нагрівання, у котельних установках теплових електростанцій і промислових підприємств. Попередній рівень техніки У стандарті [ГОСТ 20901-75, стор. 9, виріб № 80] представлений елемент насадки (цеглина насадна шестигранна) у вигляді тіла, обмеженого двома паралельними одна одній поверхнями та декількома перпендикулярними їм бічними поверхнями, яке містить сім паралельних бічним поверхням наскрізних отворів (каналів), виконаних діаметром 40 мм, і що містить три пари фіксуючих елементів. Кожна пара фіксуючих елементів включає виступ і западину, при цьому фіксуючий виступ розташований на одному кінці наскрізного каналу, а відповідна йому западина розташована на іншому кінці цього ж каналу. Використовуваний у вказаному аналогу збільшений діаметр каналів не є якнайкращим для отримання оптимальних параметрів теплообміну насадки повітронагрівача, складеної з таких елементів насадки. Це є недоліком аналога. Найбільш близьким до запропонованого елементу насадки (прототипом) є елемент насадки [патент Росії 80126] у вигляді тіла, обмеженого двома паралельними одна одній поверхнями і декількома перпендикулярними їм бічними поверхнями, що містить тридцять сім наскрізних каналів, паралельних бічним поверхням, виконаних діаметром 17  23 мм, і включає три пари фіксуючих елементів, кожна з яких складається з виступу і западини, розташованих на паралельних одна одній поверхнях навколо кінців одного з наскрізних каналів, не торкаючись сусідніх каналів. Всі наскрізні канали в елементі насадки за прототипом розташовані відносно один одного відповідно до взаємозв'язку відстані між каналами та їхнім радіусом, вираженого співвідношенням t = 10 + 25 / R, (1) де: t - відстань між циліндричними поверхнями сусідніх каналів, що вимірюється по лінії, яка з’єднує центри їхніх поперечних перерізів, мм; R - радіус кожного каналу, що знаходиться в межах від 8,5 до 11,5 мм. Використання в прототипі елементу насадки каналів з діаметром 17  23 мм і співвідношення (1) забезпечує досягнення оптимального відношення між масою елементу насадки і поверхнею каналів елементу насадки, стичної з газами, підвищення питомої поверхні нагрівання цього елементу насадки і ефективності теплообміну. Забезпечується можливість спорудження повітронагрівачів з меншою масою насадки і зменшеними габаритами. При використанні співвідношення (1) відстань між каналами складає 13  15 мм. Недоліком прототипу є знижена міцність фіксуючих виступів унаслідок зменшених відстаней між каналами. Розкриття винаходу Завданням утворення запропонованого елементу насадки є забезпечення підвищення міцності фіксуючих виступів. Завдання вирішене трьома варіантами елементу насадки, прототипом кожного з яких є вказаний вище елемент насадки за патентом Росії 80126. Для вирішення поставленого завдання в елементі насадки за першим варіантом у вигляді тіла, обмеженого двома паралельними одна одній поверхнями і декількома перпендикулярними їм бічними поверхнями, що включає не менше семи наскрізних каналів, принаймні, шість з яких виконано діаметром 20 мм, і що містить, принаймні, одну пару фіксуючих елементів, що складається з виступу і западини, розташованих на паралельних одна одній поверхнях навколо кінців одного з наскрізних каналів, кожен з наскрізних каналів, навколо кінців якого розташовані фіксуючі елементи, виконаний діаметром 18 мм. Для вирішення поставленого завдання в елементі насадки за другим варіантом у вигляді тіла, обмеженого двома паралельними одна одній поверхнями і декількома перпендикулярними їм бічними поверхнями, що містить тридцять сім наскрізних каналів, тридцять чотири з яких виконано діаметром 20 мм, і три пари фіксуючих елементів, кожна з яких складається з виступу і западини, розташованих на паралельних одна одній поверхнях навколо кінців одного з наскрізних каналів, кожен з трьох наскрізних каналів, навколо якого розташовані фіксуючий 1 UA 101282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виступ і западина, виконаний діаметром 18 мм. Для вирішення поставленого завдання в елементі насадки за третім варіантом у вигляді тіла, обмеженого двома паралельними одна одній поверхнями і декількома перпендикулярними їм бічними поверхнями, що містить тридцять сім наскрізних каналів, тридцять чотири з яких виконано діаметром 20 мм, і три пари фіксуючих елементів, кожна з яких складається з виступу і западини, розташованих на паралельних одна одній поверхнях навколо кінців одного з наскрізних каналів, не торкаючись сусідніх каналів, кожен з трьох наскрізних каналів, навколо кінців якого розташовані фіксуючі елементи, виконаний діаметром 18 мм, при цьому канали з діаметром 20 мм розташовано в елементі насадки на відстанях один від одного, що знаходяться в діапазоні від 13 до 15 мм і виміряних по лінії, що з’єднує центри поперечних перерізів сусідніх каналів, а канали з діаметром 18 мм розташовано в елементі насадки на відстанях від сусідніх каналів діаметром 20 мм, що знаходяться в діапазоні від 16 до 17 мм і виміряних по лінії, що з’єднує центри поперечних перерізів сусідніх каналів. Технічний результат запропонованого елементу насадки за кожним з трьох варіантів полягає в забезпеченні підвищення міцності фіксуючих виступів. Зменшений в порівнянні з прототипом діаметр наскрізного каналу (18 мм замість 20 мм), навколо якого розташовані фіксуючий виступ і западина, дозволяє відповідно збільшити площу і масивність виступу, а, означає, і його міцність. Вказаний корисний технічний результат більш за все значущий для третього варіанту елементу насадки, в якому виступ і відповідна йому западина не торкаються наскрізних каналів, сусідніх з каналом, на якому розташовані виступ і западина. При цьому виступ займає обмежений простір між сусідніми наскрізними каналами і його масивність збільшується тільки за рахунок зменшення діаметру каналу, навколо якого розташований цей виступ. При зменшенні діаметру наскрізного каналу від 20 до 18 мм площа і масивність фіксуючого виступу 8 збільшуються на 20  40 відсотків, залежно від величини максимального діаметру виступу. Додатковим технічним результатом є збільшення терміну служби елементу насадки і всієї насадки повітронагрівача. Це пов'язано із стиранням виступів при взаємодії один з одним елементів насадки в процесі експлуатації повітронагрівача. Взаємодія обумовлена переміщеннями елементів насадки унаслідок змін температурних режимів в насадці. Напруга, що виникає при взаємному стиранні виступу і поглиблення елементу насадки, пропорційно силі їх взаємодії і обернено пропорційно до площі взаємодії. Площа взаємодії пропорційна поперечній площі виступу і збільшується із зменшенням діаметру наскрізного каналу, що проходить через виступ. При однаковій силі напруга буде менша при зменшенні діаметру наскрізного каналу. Чим менше напруга, тим менше стирання взаємодіючих елементів. Це особливо значуще для виступу, площа поперечного перерізу якого менше площі поперечного перерізу оточуючих виступ частин елементу насадки. Чим менше стирання, тим більше час, потрібний для стирання виступу до межі, при якій відбувається його руйнування. Так збільшується термін служби кожного виступу, елементу насадки з виступами і насадки в цілому. Відповідно збільшенню масивності і площі поперечного перерізу виступу на 20  40 відсотків час стирання збільшується в 1,2  1,4 рази в порівнянні з прототипом. При цьому термін служби насадки і, відповідно, повітронагрівача, збільшується в середньому в 1,3 рази. Стислий опис креслень Запропонований елемент насадки пояснюється кресленнями: Фіг.1 - елемент насадки у вигляді шестикутної прямої правильної призми, вигляд в плані; Фіг.2 - переріз елементу насадки у вигляді шестикутної прямої правильної призми. Варіанти здійснення запропонованого елементу насадки Елемент насадки 1 (Фіг. 1, 2) є шестикутною прямою правильною призмою, що має першу, верхню за кресленням плоску поверхню 2, паралельну їй другу, нижню за кресленням плоску поверхню 3 і шість інших, теж плоских бічних поверхонь 4, перпендикулярних поверхням 2, 3. У об'ємі (тілі) елементу насадки 1 виконано тридцять сім наскрізних циліндричних каналів 5 діаметром 20 мм, паралельних бічним поверхням 4. Сусідні бічні поверхні 4 елемента насадки 1 розташовані одна до одної під кутом 120 градусів. На шести бічних поверхнях 4 розташовано двадцять чотири напівциліндричні канали 6, радіус яких однаковий з радіусами циліндричних каналів 5. Напівциліндричні канали 6 паралельні бічним поверхням 4. Всі вказані канали 5, 6 розташовані в елементі насадки 1 на відстанях t-1 один від одного. Напівциліндричні канали 6, що належать сусіднім елементам насадки, розміщеним в одному шарі насадки повітронагрівача, утворюють циліндричні канали для проходу газів (на кресленнях не показано). 2 UA 101282 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На першій і другій поверхнях 2, 3 елемента насадки 1 виконані фіксуючі западини 7 і виступи 8, що мають циліндричний поперечний переріз і конічний уклон, розміщені навколо трьох циліндричних каналів 9, 10, 11 симетрично щодо центру поверхні 2. Западини 7 розташовано на верхній поверхні 2 елемента насадки, а виступи 8 - на нижній поверхні 3. Виступ і западина, розташовані на кінцях одного і того ж наскрізного каналу, складають пару фіксуючих елементів. Розташування фіксуючих елементів забезпечує необхідну фіксацію елементів насадки 1 відносно один одного при складанні з них насадки повітронагрівача. Фіксацією елементів насадки 1 один з одним досягається просторовий збіг між собою циліндричних і напівциліндричних каналів 5, 6 елементів насадки, що розташовуються в сусідніх шарах насадки повітронагрівача (на кресленнях не показано), і формування каналів проходу газу в об'ємі насадки. Три циліндричні канали 9, 10, 11, навколо яких розташовані виступи 8 і западини 7, мають діаметри 18 мм. Елемент насадки 1 має висоту L (Фіг. 2), що дорівнює відстані між паралельними одна одній поверхнями 2 і 3 елемента, визначеному перпендикулярно цим поверхням. Висота L елементів насадки за фігурами 1, 2 може знаходитися в межах від 40 до 180 мм, наприклад, 80 мм або 120 мм. У конструкції елементу насадки 1 (Фіг. 1, 2) канали 5, 6 діаметром 20 мм розташовано відносно один до одного на відстанях t-1, що знаходяться в діапазоні 13  15 мм. Канали 9, 10 і 11 діаметром 18 мм розташовано відносно каналів 5 діаметром 20 мм на відстанях t-2, що дорівнює 16  17 мм. Відстані t-1 і t-2 між сусідніми каналами вимірюються по лінії, що з’єднує центри поперечних перерізів сусідніх каналів. Показані на Фіг. 1, 2 фіксуючі виступи 8 і западини 7 розташовані навколо наскрізних каналів 9-11 діаметром 18 мм так, що виступи і западини не торкаються сусідніх каналів 5 діаметром 20 мм. В інших варіантах виступи 8 і западини 7 можуть мати такі розміри поперечного перерізу, що вони торкаються сусідніх каналів 5 діаметром 20 мм (на кресленні не показано). Бічні канали 6 можуть бути відсутніми, наприклад, в периферичних елементах насадки, що примикають до стінок повітронагрівача (на кресленнях не показано). Наскрізні канали 5, 6, 9, 10, 11 можуть бути виконані конічної форми (на кресленнях не показано). Зокрема, конічна форма зазначених каналів визначається технологією виготовлення елементів насадки. При конічній формі наскрізних каналів їхній діаметр визначається як середній діаметр за висотою. Елемент насадки за Фіг. 1, 2 правильних шестикутних форми з тридцятьма сім'ю наскрізними каналами представляє пристрій за другим і третім варіантами. Елемент насадки за першим варіантом може містити менше або більше наскрізних каналів, ніж елемент насадки, показаний на Фіг. 1 і 2, а також може мати іншу форму в плані, наприклад, прямокутну або неправильну багатокутну (на кресленнях не показано). Елемент насадки може бути виготовлений з природної або синтетичної глини, неоліту, кордієриту, глинозему, цирконієвого ангідриду, кремнезему або їх сумішей, а також з чавуну, сталі, сплавів алюмінію та інших металів і сплавів, що мають достатньо високу температуру плавлення. Повітронагрівачі з металевими елементами насадки дозволяють нагрівати повітря до 450-600°С, повітронагрівачі з керамічною насадкою - до 900-1200°С і більше. Повітронагрівач для доменної печі з керамічними елементами насадки може містити більше трьохсот тисяч елементів насадки, мати загальну висоту до 25 метрів і вагу до 2500 тонн. Робота при великих значеннях температури і тиску пред'являє особливо підвищені вимоги до міцності елементів насадки та їх фіксуючих елементів. Промислова придатність Елементи насадки 1 працюють таким чином. Через укладені в насадці повітронагрівача елементи насадки 1 в одному циклі роботи повітронагрівача пропускають нагрітий до відповідної температури газ (продукти горіння). Проходячи через канали 5, 6, 9, 10 і 11, газ віддає тепло кожному елементу насадки. У іншому циклі роботи повітронагрівача через канали 5, 6, 9, 10 і 11 пропускають газ (повітря), що нагрівається, який відбирає тепло від кожного елементу насадки при стиканні з поверхнями каналів. При цьому фіксуючі виступи 8, міцніші в порівнянні з прототипом унаслідок збільшених розмірів, забезпечують підвищену надійність роботи повітронагрівача. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 1. Елемент насадки у вигляді тіла, обмеженого двома паралельними одна одній поверхнями і декількома перпендикулярними їм бічними поверхнями, що включає не менше семи наскрізних 3 UA 101282 C2 5 10 15 20 каналів, принаймні шість з яких виконано діаметром 20 мм, і що містить принаймні одну пару фіксуючих елементів, що складаються з виступу і западини, розташованих на паралельних одна одній поверхнях навколо кінців одного з наскрізних каналів, який відрізняється тим, що кожен з наскрізних каналів, навколо кінців якого розташовані фіксуючі елементи, виконаний діаметром 18 мм. 2. Елемент насадки у вигляді тіла, обмеженого двома паралельними одна одній поверхнями і декількома перпендикулярними їм бічними поверхнями, що містить тридцять сім наскрізних каналів, тридцять чотири з яких виконано діаметром 20 мм, і три пари фіксуючих елементів, кожна з яких складається з виступу і западини, розташованих на паралельних одна одній поверхнях навколо кінців одного з наскрізних каналів, який відрізняється тим, що кожен з трьох наскрізних каналів, навколо якого розташовані фіксуючий виступ і западина, виконаний діаметром 18 мм. 3. Елемент насадки у вигляді тіла, обмеженого двома паралельними одна одній поверхнями і декількома перпендикулярними їм бічними поверхнями, що містить тридцять сім наскрізних каналів, тридцять чотири з яких виконано діаметром 20 мм, і три пари фіксуючих елементів, кожна з яких складається з виступу і западини, розташованих на паралельних одна одній поверхнях навколо кінців одного з наскрізних каналів, не торкаючись сусідніх каналів, який відрізняється тим, що кожен з трьох наскрізних каналів, навколо кінців якого розташовані фіксуючі елементи, виконаний діаметром 18 мм, при цьому канали з діаметром 20 мм розташовано в елементі насадки на відстанях один від одного, що знаходяться в діапазоні від 13 до 15 мм і виміряних по лінії, що з'єднує центри поперечних перерізів сусідніх каналів, а канали з діаметром 18 мм розташовано в елементі насадки на відстанях від сусідніх каналів діаметром 20 мм, що знаходяться в діапазоні від 16 до 17 мм і виміряних по лінії, що з'єднує центри поперечних перерізів сусідніх каналів. Фіг. 1 4 UA 101282 C2 Фіг. 2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5