Подовая труба

Подовая труба

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П И С А Н И Е < )744212

ИЗОБРЕТЕН Nfl

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 13.03.78 (21) 2590571/22-02 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) Я Кл. 2

F 27 D 3/02

F 27 В 9/14

Государственный комитет

СССР

Опубликовано 30.06.80. Бюллетень №24

Дата опубликования описания 10.07.80 (53) УДК 621.783..223 (088. 8) lI0 делам наабретеннй н открытнй (72) Авторы изобретения

В. В. Антонов, Г. С. Якименко, В. Л. Дзюба и Н. А. Кияшко (71) Заявитель

Донецкий научно-исследовательский институт черной металлургии (54) ПОДОВАЯ ТРУБА

Изобретение относится к технике нагрева металла, преимущественно к технике двухстороннего нагрева на охлаждаемых опорах и может быть использовано в металлургической и машиностроительной промышленности.

Известны подовые трубы, охлаждение

5 которых осуществляется либо проточной водой, либо с помощью испарительного охлаждения (1). С целью уменьшения потерь тепла с охлаждающей водой и улучшения качества нагрева металла, наружную поверх- о ность труб изолируют либо специальными огнеупорными блоками, либо рейтерами из жаропрочной стали.

Недостатком известных подовых труб является в случае водяного охлаждения — низкая стойкость труб из-за прогаров вследствие выпадения накипи и отложения шлама, а также большие потери тепла с охлаждающей водой и существенное охлаждение влияния на металл в области контакта заготовок с трубами, а в случае испарительного охлаждения — неудовлетворительная стойкость труб из-за локальных прогаров вследствие неравномерного распределения охлаждающей воды по трубам и низкие энергетические параметры пара, что затрудняет использование пара в технологических процессах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является печной ролик; состоящий из герметично закупоренного корпуса с жидким теплоносителем, холодильником и внутренней трубы с перегородками и отверстиями (21.

Ролик обладает более высокой стойкостью по сравнению с роликом, охлаждаемым проточной водой. Кроме того, потери тепла через предложенный ролик меньше, а КПД печи больше, так как температура наружной поверхности ролика выше.

Недостатком известного ролика является то, что при применении его в стационарном положении, т.е. без вращения будет создаваться неравномерное распределение температуры в корпусе и возникать термические напряжения, так как жидкий теплоноситель заполняет не всю полость корпуса ролика, а лишь 1/4 — 1/5 часть объема или сегмента с дугой 120 — 130 . Увеличение объема жидкого теплоносителя свыше 25% нецелесообразно, так как жидкой фазой будет перекрываться часть поперечного сечения, 744212 черегз которое движется газообразная фаза, вследствие чего ухудшается циркуляция теплоносителя и снижается эффективность охлаждения. Г1оэтому при применении конструкции известного ролика в стационарном положении, т.е. при отсутствии вра щения, ухудшается стойкость опорного устройства.

Цель изобретения — увеличение стойкости трубы и повышение эффективности использования тепла при стационарноM режиме.

Поставленная цель достигается тем, что внутренняя труба смещена вниз относительно оси корпуса на 0,08-0,12 внутреннего диаметра корпуса и выполнена с диаметром, рав ным 0,7-0,8 внутреннего диаметра корпуса, причем торцы ее заглушены, а отверстия на внутренней трубе расположены в верхней части ее в пределах дуги 40-50, На фиг. 1 схематически изображена подовая труба, продольный разрез;.на фиг. 2— разрез А — Л на фиг. 1; на фиг. 3 — разрез Б — Б на фнг. 1.

Труба состоит из корпуса 1, представляю щего собой толстостенную трубу. Участки трубы, выступающие из печи и находящиеся в теплообменниках 2, выполнены из тонкостенной трубы. Для интенсификации теп лооомена и уменьшения габаритов теплообменников эти участки трубы оребрены. Внутри корпуса находится жидкии теплоноситель, S

1о воздух откачан. В корпусе установлена внутренняя труба 3 с перегородками 4, отверстиями 5 в середине трубы и отверстиями 6 на участках, находящихся в теплообменниках. Перегородки 4 перекрывают полностью верхнюю часть кольцевого канала до уровня воды. Отверстия 5 и 6 выполнены в верхо з ней поверхности трубы в пределах дуги 40-50О для предупреждения затекания воды во внутреннюю трубу. В корпусе 1 выполнено отверстие 7, в которое, в целях обеспечения безопасной работы под давлением, ставится либо клапан, срабатывающий при повыше- во нии давления выше допустимого, либо устанавливается пробка из сплава, температура плавления которого на 20-50 выше максимально допустимой температуры внутри трубы. К теплообменникам 2 подсоединены патрубки 8 и 9, служащие для подвода воды и отвода либо воды, либо пара, либо пароводяной смеси. В стенке теплообменников со стороны печи предусмотрены уплотнительные фланцы 10, служащие для поддержания

B теплообменниках необходимого давления и перемещения трубы вследствие температурных расширений.

При работе вода из теплообменников 2 по кольцевому каналу движется к середине подовой трубы, охлаждая стенки корпуса 1, нагреваясь и испаряясь. Движению пара навстречу конденсата препятствуют перегородки 4. Поэтому грактически весь пар движетcs» к середине подовой трубы и через отвсрстия 5 поступает во внутреннюю трубу. При испарении происходит повышение давления, вызывающее движение пара в полость внутренней трубы. Пар по внутренней трубе движется к теплообменникам, где истекает через отверстия 6, растекается по стенкам теплообменников и конденсируется. При конденсации происходит уменьшение давления, что также способствует перемещению пара в зону охлаждения. Движение воды из зоны конденсации в зону испарения происходит под действием силы тяжести. Нагрев, испарение, охлаждение и конденсация, а также перемещение теплоносителя (воды) происходит непрерывно. Г1ри кипении и конденсации создаются весьма высокие коэффициенты теплоотдачи, что обеспечивает эффективное равномерное охлаждение корпуса и эффективный отвод тепла. При работе внутренняя полость трубы 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 трубе практически полностью отсутствует опасность образования накипи и выпадения шлама, так как в обороте находится один и тот же объем воды.

Создание давления внутри трубы вызывает повышение температуры. Например, температура кипения воды при давлении 10 ата составляет 179 С. Поэтому температура внутренней и, как следствие, наружной поверхности корпуса выше, чем в случае охлаждения трубы проточной водой, а при создании специальных условий выше, чем в случае исп а рител ьного охлаждения.

Оптимальное соотношение диаметров корпуса и внутренней труоы, а также эксцентриситета определяется при следующих условиях.

Пространство между корпусом и внутренней трубой в нижней части должно обеспечивать беспрепятственное удаление пузырьков и подвод жидкого теплоносителя. Диаметр внутренней трубы должен быть таким, чтооы при ее опускании уровень жидкости поднимался до хорды сегмента с дугой 200240 корпуса и над этим уровнем оставался участок внутренней трубы с дугой 60-90 .

Об ьем полости над уровнем жидкости должен обеспечивать беспрепятственное движение газообразного теплоносителя к середине трубы.

Обоснование этих пределов отношений диаметров корпуса и внутренней трубы, а также эксцентриситета подтверждается на примере подовой трубы диаметром 121 мм с толщиной стенки 20 мм. Длина участка, находящегося в печи, равна 20 м. Средний тепловой поток к поверхности трубы составляет !

20000 ккал/м ч. Среднее давление внутри трубы равно 10 ата. Диаметр внутренней трубы равен 60 мм, толщина стенки 3 мм.

Перенос тепла осуществляется полностью за

744212 счет испарения и конденсации. Теплоноситель — вода. Отвод тепла двухсторонний, т.е. теплообменники установлены на обоих концах трубы. Количество отводимого тепла.

Q =qf = q2>rl = 120000 2 3,14 0,06.20 =

= 904320 ккал/ч, где о — средний тепловой поток к поверхности трубы, ккал/м ч;

f — площадь наружной поверхности участка трубы, находящегося в печи, м, r — радиус трубы, м;

1О

1 — длина участка трубы, находяшегося в печи, м.

Расход воды составляет

m g — „. — — — — — — — 1875,8 кг/ч

1S

Vg = т v = 1875,8 0,001126 = 2,112 м /ч, где m g u Vg — соответственно массовый и обьемный расходы воды, кг/ч, мз/ч;

i — скрытая теплота парообразова н и я, к кал/кг; 20 ч — удельный объем воды, мз/кг.

Принимаем, что длина участков трубы, находящихся в теплообменнике, равна 5 м (по 2,5 м в каждом). Общая длина трубы

25 м, объем полости 0,1287 м, объем воды

20% или 0,02575 м . При равномерном зан полнении трубы по длине вода занимает сегмент с дугой 121, площадь которого

0,001 м . Минимальная величина зазора внизу между корпусом и внутренней трубой должна быть, по меньшей мере, в три раза зв больше диаметра пузырьков пара при рабочих параметрах. Диаметр пузырьков пара при давлении 10 ата составляет 0,3 — 0,5 мм.

Однако, учитывая, что при понижении тепловых нагрузок печи происходит и понижение давления внутри трубы и, соответственно увеличение диаметра пузырьков, принимаем величину зазора равной 2,5 мм. Ось внутренней трубы по отношению к оси корпуса смещается вниз на 8 мм или на 0,099 внутреннего диаметра корпуса. Смещение внутренней трубы вниз вызывает подъем уровня воды на такую величину, что вода занимает кольцевой канал с дугой 220 по отношению к внутренней окружности корпуса, а над уровнем воды останется сегмент внутренней трубы с дугой 86 .

45 (Площадь поперечного сечения полости корпуса f 0;005153 м ; площадь поперечного сечения внутренней трубы по наружному диаметру 1 „0,00283 м ; площадь сечения, занятая водой fg0,00103 м ; плошадь сегмента внутренней трубы с дугой 86 f8

0,00022 м, площадь сечения внутренней трубы ниже уровня воды 1р 0,00261 м, площадь поперечного сечения корпуса ниже уровня воды f„,0,00364 м, площадь поперечного сечения корпуса выше уровня воды („ss

0,001513 м ; дуга сегмента, омываемого водой, 220, свободная площадь поперечного сечения корпуса выше уровня воды (1„ — g,)

0,001293 м ) .

Принимаем, что отвод тепла осушествляется равномерно к обоим теплообменникам.

Тогда расход воды на один теплообменник

2 2

1 1

2 2

mg= I/2mg=

1875,8 = 937,0 кг/ч;

2,1! 2 =1,056 мз/ч;

Vg=

Скорость движения воды в кольцевом канале

1,OSa

Збоо - fg 36оо-о,оеоз

= 0,285 м/с.

Образуется пар (из расчета на один теплообменник)

V„ — — m g.Чп — — 937,9 0,198 = 185,7 м 3/ч =

= 0,0516 м 3/с, где V — удельный объем сухого насышенного пара, м /кг.

Скорость пара в кольцевом канале

ЪЧ=, V — "", = — — — — — =39,9 м/с.

Площадь отверстий в стенке внутренней трубы равна плошади поперечного сечения внутренней трубы. Скорость пара во внутренней трубе

I и f gT Tо,ооа2з где 1 — площадь поперечного сечения трубы по внутреннему диаметру, м .

Приведенный пример показывает, что использование предлагаемого устройства позволяет увеличить периметр трубы, смачиваемый жидким теплоносителем, до 220 или в

1,8 раза, что позволяет увеличить срок службы подовых труб. Движение воды и пара внутри трубы происходит с сравнительно небольшими скоростями, что вполне осушествимо за счет перепадов давления, возникающих при испарении и конденсации.

Геометрические соотношения диаметров и эксцентрисистета могут изменяться в весьма узких пределах из-за того, что увеличение диаметра внутренней трубы вызывает уменьшение площади поперечного сечения над трубой для прохождения пара. Диаметр внутренней трубы не должен быть больше

0,8 внутреннего диаметра корпуса. Уменьшение диаметра внутренней трубы вызывает уменьшение дуги сегмента, омываемой жидким теплоносителем. Минимальное значение внутренней трубы составляет 0,7 внутреннего диаметра корпуса. Уменьшение эксцентриситета вызывает уменьшение степени подъема уровня жидкого теплоносителя и уменьшение дуги сегмента, омываемой теплоносителем. Минимальная величина эксцентриситета составляет 0,08 внутреннего диаметра корпуса, смачиваемый теплоносителем периметр при этом составляет 200". Увеличение эксцентриситета вызывает уMc íh èñ:.èе за ора между корпусом и трубой в нижн " чае.

7442

7 ти. Минимальная величина зазора должна быть в 3-4 раза больше диаметра пузырьков пара при рабочих параметрах. Эта величина при использовании в качестве теплоносителя воды составляет 2,5 мм для труб диаметром до 100 мм и 4 мм для труб большого диаметра. Предельная величина эксцентриситета при этом составляет 0,12 внутреннего диаметра корпуса.

Внутренняя полость трубы наполнена жидким теплоносителем, например водой. 1 0

При работе основная часть трубы находится в рабочем пространстве печи, концы трубы выведены из печи и находятся в теплообменниках. Охлаждение трубы, циркуляция теплоносителя и перенос тепла внутри трубы осуществляется так же, как в известном ролике. Отличительной особенностью является то, что для более равномерного охлаждения корпуса жидким теплоносителем объем его в полости трубы оставлен таким же, а уровень поднят с таким расчетом, чтобы жидкий теплоноситель омывал поверхность с дугой около 200-240 . Для этого внутренняя труба относительно корпуса установлена эксцентрично со смещением вниз, а торцы трубы заглушены. Опушенная вниз труба вытесняет жидкость в кольцевом канале вверх, степень омывания корпуса жидким теплоносителем увеличивается, улучшается равномерность распределения температуры в поперечном сечении корпуса, уменьшаются термические напряжения, вследствие чего увеличивается стойкость трубы. Внутренняя тру- з0 ба так же, как и в известном ролике, служит каналом для движения газообразного теплоносителя, жидкий теплоноситель движется по кольцевому каналу. Перегородки, устанавливаемые на участке

35 между. высокотемпературной зоной и теплообменниками, перекрывают полностью сечение кольцевого канала выше уровня жидкого теплоносителя. Для предупреждения затекания жидкого теплоносителя во внутреннюю трубу входные и выходные отверстия для газообразного теплоносителя выполнены в верхней поверхности внутренней трубы.

12

Предлагаемое устройство позволяет также повысить эффективность использования тепла, поступающего в трубу. Преимущества заключаются в том, что параметры лара в теплообменнике могут отличаться от параметров внутри трубы. Кроме того, устройство позволяет получать перегретый пар, что недостижимо в широко распространенной системе испарительного охлаждения. С этой целью теплообменник разбивается на несколько секций: в одних происходит испарение воды, в других — перегрев пара.

Эффективность применения предлагаемой подовой трубы заключается в увеличении стойкости труб, уменьшении удельных расходов топлива на нагрев и повышении степени использования тепла, поступающего в трубу.

Формула изобретения

Подавая труба, содержащая герметичный корпус с жидким теплоносителем и встроенной в него внутренней трубой с отверстиями, теплообменники, установленные по торцам трубы и перегородки, размещенные в зазоре между трубами перед входом в теплообменники, отличающаяся тем, что с целью увеличения стойкости трубы и повышения эффективности использования тепла при стационарном режиме, внутренняя труба смещена вниз относительно оси корпуса на 0,08-0,12 внутреннего диаметра корпуса и выполнена с диаметром, равным 0,7-0,8 внутреннего диаметра корпуса, причем торцы ее заглушены а отверстия на внутренней трубе расположены в верхней части ее в предел ах дч ги 40-50 .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Справочник конструктора печей прокатного производства. Под ред. Тымчака В.М

М., «Металлургия>:, 1970, т. 2 с. 825-836.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Л% 2464892/29-02, кл. F 27 D 3/02, 1976.

744212

4>иг-2

Мробень ь.а бРиг.2 фиг.Ъ

Составитель Г. Назарова

Редактор Е. Дорошенко Техред К. Шуфрич Корректор М. Внгула

Заказ 3780/7 Тираж 671 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, )K — 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП <Патент>, г. Ужгород, ул. Проектная. 4