Керамічна жарова труба

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 др. установок, где требуе тся муфелирование продуктов сгорания по отношению к нагреваемым изделиям и средам с целью предохранения их от загрязнения продуктами сгорания и применение защитных атмосфер в рабочем пространстве печи, установки. Известна тупиковая радиационная труба с керамической жаровой вставкой [1] содержащая излучающий корпус, в котором соосно с зазором для отвода продуктов сгорания установлена жаровая вставка из жаропрочной керамики, выполненная из сегментов, которые установлены в продольном направлении с уступом и сцеплены друг с другом с помощью шпунтов и гребней, выполненных по поверхности сегментов, труба содержит рекуператор и горелку, с которой жаровая вставка плотно соединены. 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 тр убы из строя. Из-за отмеченных недостатков тупиковая радиационная труба не может найти широкого применения. В качестве прототипа выбрана керамическая жаровая труба промышленной радиационной горелки, [2] содержащая отдельные тонкостенные керамические трубчатые элементы, соединенные один с другим торцевыми участками и снабженные снаружи центровочными радиальными ребрами, опирающимися на оболочку, в которую заключена жаровая труба. Выходные торцевые участки элементов трубы снабжены кольцевыми выступами, а входные торцевые участки - раструбами, охватывающими частично и с зазором уступы предыдущи х элементов, причем в зоне соединения торцевых 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 торцевыми поверхностями уступа и раструба соседних элементов, а входной элемент трубы вн утри 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 рассмотренной конструкции имеет существенные недостатки. Как видно из описания, она плотно соединена с рекуператором радиационный 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, т.е. в этом случае нарушается соосность между жаровой трубой и излучающим корпусом. Отметим, что 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 станет ясно, что жаровая труба известной конструкции не может найти широкого применения. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования керамической жаровой трубы путем выполнения керамической жаровой трубы из определенного количества трубчатых элементов особой формы, размещенных в определенном порядке при соблюдении заявляемых соотношений, чем обеспечивается повышение надежности, упрощение конструкции и расширение области ее применения. Поставленная задача решена тем, что 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, выполненными, соответственно, на противоположных торцах каждого элемента трубы, согласно изобретению, внутренняя поверхность каждого керамического трубчатого элемента имеет форму усеченного конуса, максимальный диаметр которого превышает его минимальный диаметр в 1,2-1,3 раза, элементы жаровой трубы размещены с образованием чередующи хся 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. Выполнение керамической жаровой трубы из определенного количества трубчаты х элементов особой формы, размещенных в определенном порядке при соблюдении заявляемых соотношений дает возможность керамической жаровой трубе свободно, без нарушения элементов, провисать и сохранять соосность с излучающим корпусом нагревателя тупиковой формы, в котором она установлена по оси, в случае его провисания под воздействием температуры и собственного веса, обеспечивает оптимальные условия для подачи, перемешивания топлива и воздуха в полости жаровой трубы, равномерное и полное заполнение объема жаровой трубы продуктами сгорания. В результате происходит полное сжигание топлива при минимальном коэффициенте избытка воздуха, обеспечивается равномерный нагрев жаровой 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 трубчаты х элементов, на фиг. 3 - поперечный разрез керамической жаровой трубы по А-А. Керамическая жаровая труба заявляемой конструкции состоит из отдельных керамических тр убчаты х 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 4, на стенку которого труба опирается ребрами 2. Выходные торцы керамических тр убчатых элементов 1 жаровой трубы снабжены кольцевыми охватывающими выступами 5, а входные торцы - кольцевыми выточками 6, охватываемыми с зазором выступами 5 предыдущи х элементов 1 керамической жаровой трубы. Высота кольцевых выступов 5 (І2) превышает глубину выточек 6 (I1) на торцах элементов в 1,4-1,6. Внутренняя поверхность каждого керамического трубчатого элемента 1 имеет форму усеченного конуса, максимальный диаметр которого (D1) превышает его минимальный диаметр (D2) в 1,2-1,3 раза. Элементы 1 жаровой трубы размещены с образованием чередующи хся конфузорно-диффузорных участков, причем входной участок жаровой трубы имеет максимальный диаметр, а выходной - минимальный, труба имеет длину (l1), превышающую длину керамического трубчатого элемента (L2) в 3,0 или 5,0 раз. В табл. 1 приведены результаты исследования характеристик керамической жаровой трубы заявляемой конструкции при различных соотношениях внутреннего большего диаметра (D1) элемента трубы к меньшему внутреннему диаметру (D2) элемента трубы. Из табл. 1 видно, что при отношении D1/D2 = 1,2-1,3 перепад температур по длине и периметру жаровой трубы практически отсутствуе т, следовательно, в этом случае условия эксплуатации жаровой трубы наиболее благоприятные, при D1/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 длины кольцевых охва тывающи х выступов (І 2) к длине охватываемых кольцевых выточек (I1) элемента трубы при критической величине прогиба излучающего корпуса нагревателя тупиковой формы, в котором заключена труба. Из таблицы 2 видно, что при отношении І2/І1 = 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 и при отношении І2/І1 > 1,6, однако, в этом случае выступы трубчатых элементов при прогибе жаровой трубы, заключенной в излучающей тр убе, быстро разрушаются, вследствие высоких механических напряжений, возникающих в области стыковки трубчатых элементов. При отношении І2/І1 < 1,4 жаровая труба несоосна излучающему корпусу, перепад температур по длине и периметру жаровой трубы резко увеличивается, устойчивость выгорания факела снижается. Это приводит к быстрому вы ходу жаровой трубы из строя. В табл. 3 приведены результаты исследования характеристик керамической жаровой трубы заявляемой конструкции при различных соотношениях дины жаровой трубы (L1) к длине керамического трубчатого элемента (L2) при критической величине прогиба излучающего корпуса нагревателя тупиковой формы, в котором заключена труба. Из табл. 3 видно, что при отношении L1/L2 = 3, L1 /L2 = 5, L1 /L2 = 7 и L1/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 не имеет максимальный срок службы. Однако при отношении L1/L2 = 7 и более увеличиваются затраты на изготовление жаровой трубы, поэтому отношения L1/L2 = 3, L 1 /L2 = 5 являются оптимальными. При отношении L1/L2 = 1 жаровая труба не соосна излучающему корпусу в случае его прогиба, перепад температур по длине и периметру жаровой трубы резко возрастает, устойчивость выгорания факела снижается и жаровая труба быстро выходит из строя. Размещение элементов жаровой трубы с образованием чередующихся конфузорно-диффузорных участков, причем входной участок жаровой трубы имеет максимальный диаметр, а выходной - минимальный в заявляемых пределах, обеспечивает необходимые условия для полного заполнения внутреннего объема 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 тр убчатый элемент 1 через сопло 7 подают топливо и через отверстия 8 воздух, необходимый для его сжигания. В жаровой трубе происходит 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 тр уб из дорогого хромоникелевого сплава, а также на других заводах страны. Известные жаровые трубы из хромоникелевых сплавов, широко применяемые на печах заводов страны, 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 обеспечивают значительный экономический эффект. Экономический эффект от внедрения заявляемого изобретения достигается за счет повышения надежности, снижения стоимости, увеличения срока службы.