FI108751B - Menetelmä liukuvalulla muodostetun jäähdytyselementin valmistamiseksi sekä menetelmällä valmistettu jäähdytyselementti - Google Patents

Description

1 108751

MENETELMÄ LIUKUVALULLA MUODOSTETUN JÄÄHDYTYSELE-MENTIN VALMISTAMISEKSI SEKÄ MENETELMÄLLÄ VALMISTETTU JÄÄHDYTYSELEMENTTI

5

Keksintö kohdistuu menetelmään valmistaa pyrometallurgisen reaktorin jäähdytyselementti, joka on varustettu ainakin yhdellä virtauskanavalla, ja elementin valmistaminen tapahtuu jatkuvavaluna eli liukuvaluna. Elementin lämmönsiirtokyvyn parantamiseksi virtauskanavan seinämäpinta-alaa 10 lisätään pyöreään tai ovaaliin poikkileikkaukseen nähden virtauskanavan halkaisijaa ja pituutta lisäämättä. Keksintö kohdistuu myös menetelmällä valmistettuun elementtiin.

Vesijäähdytteisillä jäähdytyselementeillä suojataan pyrometallurgisissa 15 prosesseissa reaktorien muurauksia siten, että jäähdytyksen vaikutuksesta muurauksen pintaan tuleva lämpö siirtyy jäähdytyselementin kautta veteen, jolloin vuorauksen kuluminen pienenee olennaisesti verrattuna reaktoriin, jota ei ole jäähdytetty. Kulumisen pienenemisen aiheuttaa jäähdytyksen aikaansaama, tulenkestävän vuorauksen pintaan kiinteytyvä ns. autogee-^ 20 ninen vuoraus, joka muodostuu kuonasta ja muista sulafaaseista • \. erkautuvista aineista.

Perinteisesti jäähdytyselementtejä valmistetaan kahdella tavalla: Ensinnäkin : i : elementit voidaan valmistaa hiekkavalulla, missä hiekkaan kaavattuun 25 muottiin asetetaan lämpöä hyvin johtavasta materiaalista kuten kuparista • * tehty jäähdytysputkisto, jota putkiston ympärille tapahtuvan valun aikana : jäähdytetään joko ilmalla tai vedellä. Putkiston ympärille valettava elementti on myös hyvin lämpöä johtavaa materiaalia, edullisesti kuparia. Tällaista valmistustapaa on kuvattu esimerkiksi GB patentissa 1386645. Menetelmän 30 ongelmana on virtauskanavana toimivan putkiston epätasainen kiinni-tyminen ympäröivään valumateriaaliin, sillä osa putkista voi olla kokonaan 2 108751 irti ympärille valetusta elementistä ja osa putkesta voi olla kokonaan sulanut ja siten vahingoittunut. Jos jäähdytysputken ja ympärille valetun muun elementin välille ei muodostu metallista sidosta, lämmönsiirto ei ole tehokasta. Jos taas putkisto sulaa kokonaan, se estää jäähdytysveden 5 kulun. Valumateriaalin valuominaisuuksia voidaan parantaa esimerkiksi seostamalla kupariin fosforia, joka parantaa metallisen sidoksen muodostumista putkiston ja valumateriaalin välille, mutta tällöin valetun kuparin lämmönsiirto-ominaisuudet (lämmönjohtavuus) heikkenevät olennaisesti jo pienillä lisäainemäärillä. Menetelmä etuina voidaan mainita verraten 10 halpa valmistuskustannus ja riippumattomuus dimensioista.

On myös käytetty valmistusmenetelmää, jossa jäähdytyselementin muottiin asetetaan virtauskanavan muotoinen lasiputkisto, joka valun jälkeen rikotaan, jolloin elementin sisälle muodostuu virtauskanava.

15 US-patentissa 4 382585 kuvataan toista, paljon käytettyä jäähdytys- elementtien valmistustapaa, jonka mukaisesti elementti valmistetaan esimerkiksi valssatusta kuparilaatasta koneistamalla siihen tarvittavat . kanavat. Näin valmistetun elementin etuina on tiivis, luja rakenne ja hyvä ♦ ♦ 20 lämmönsiirto elementistä jäähdytysväliaineeseen kuten veteen. Haittoina > · · voidaan mainita dimensionaaliset rajoitukset (koko) ja kallis hinta.

► »* • « ·

Ennestään tunnetaan myös tapa valmistaa pyrometallurgisen reaktorin jäähdytyselementti valamalla reikäprofiilia jatkuvavaluna eli liukuvaluna 25 tuuman läpi. Elementti valmistetaan hyvin lämpöä johtavasta metallista kuten kuparista. Menetelmän etuina on tiivis valurakenne, hyvä pinnan laatu v : ja valetusta virtauskanavasta on hyvä lämmönsiirto elementistä jäähdytys- väliaineeseen, sillä lämmönsiirtoa vaikeuttavaa ilmiötä ei esiinny, vaan :··: jäähdytyselementtiin reaktorista tuleva lämpö siirtyy ilman ylimääräisiä : 30 lämmönsiirtovastuksia suoraan virtauskanavan pinnalle ja siitä edelleen ; ·,· kanavan jäähdytysveteen. Jäähdytyskanavan poikkileikkaus on yleensä 3 108751 ! pyöreä tai ovaali ja tuurna on pinnaltaan sileä. Tällainen jäähdytyskanava on mainittu mm. US patentissa 5,772,955.

Jäähdytyselementin lämmönsiirtokyvyn parantamiseksi on kuitenkin S edullista lisätä elementin lämmönsiirtopinta-alaa. Kuten alla olevasta selvityksestä käy ilmi, esillä olevan keksinnön mukaan tämä tapahtuu siten, että virtauskanavan seinämäpinta-alaa lisätään ilman, että virtauskanavan halkaisijaa suurennetaan tai pituutta lisätään. Jäähdytyselementin virtaus-kanavan seinämäpinta-alaa suurennetaan muodostamalla kanavan seinä-10 mään valun aikana urat tai työstämällä urat tai kierteet virtauskanaviin valun jälkeen siten, että kanavan poikkileikkaus säilyy olennaisesti pyöreänä tai ovaalina. Tästä seurauksena on samalla lämpömäärällä tarvittava pienempi lämpötilaero veden ja virtauskanavan seinämän välillä ja edelleen alhaisempi jäähdytyselementin lämpötila. Keksintö kohdistuu myös menetel-15 mällä valmistetuun jäähdytyselementtiin. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit i käyvät esille oheisista vaatimuksista.

Jäähdytyselementin kyky vastaanottaa lämpöä voidaan esittää seuraavan it>t. kaavan avulla: • · 20 Q = αχΑχΔΤ, missä Q = siirtyvä lämpömäärä [W] a - lämmönsiirtokerroin virtauskanavan seinämän ja veden välillä [W/Km2] : V: A = lämmönsiirtopinta-ala [m2] ΔΤ = lämpötilaero virtauskanavan seinämän ja veden välillä [K] 25 v. · Lämmönsiirtokerroin a voidaan teoreettisesti määrittää kaavasta

'· ' * Nu -aD/A

'.' j λ = veden lämmönjohtavuus [W/mK] » : ‘': D = hydraulinen halkaisija [m] :\\ 30 :· Toisaalta Nu = 0.023 x ReA0.8Pr*0.4, 4 108751 missä

Re = wD ρΐη w = nopeus [m/s] ! D = kanavan hydraulinen halkaisija [m] 5 p = veden tiheys [kg/m3] η = dynaaminen viskositeetti Pr = Prandtlin luku [ ]

Edellä olevan mukaan jäähdytyselementissä on siis mahdollista vaikuttaa 10 siirtyvään lämpömäärään vaikuttamalla lämpötilaeroon, lämmönsiirtokertoi-meen tai lämmönsiirtopinta-alaan.

Seinämän ja putken välistä lämpötilaeroa rajoittaa se, että vesi kiehuu lämpötilassa 100 °C, jolloin lämmönsiirto-ominaisuudet normaalipaineessa 15 toimittaessa muuttuvat olennaisesti huonommiksi kiehumisen vuoksi.

Käytännössä on siis edullisinta toimia mahdollisimman alhaisella virtauskanavan seinämän lämpötilalla.

Lämmönsiirtokertoimeen voidaan vaikuttaa lähinnä virtausnopeutta .. 20 muuttamalla eli vaikuttamalla Reynoldsin lukuun. Tätä rajoittaa kuitenkin ··. virtausnopeuden kasvaessa lisääntyvä putkiston painehäviö, jonka : suuretessa jäähdytysveden pumppauskustannukset sekä pumpun investoin- :*··. tikustannukset kasvavat merkittävästi tietyn rajan ylittyessä.

25 Lämmönsiirtopinta-alaan voidaan konventionaalisissa ratkaisuissa vaikuttaa :V: lisäämällä joko jäähdytyskanavan halkaisijaa ja/tai pituutta. Jäähdytyskana- v : van halkaisijaa ei kuitenkaan voi rajattomasti lisätä niin, että se vielä olisi taloudellisesti kannattavaa, sillä kanavan halkaisijan kasvaessa kasvaa • · :··· tietyn virtausnopeuden saavuttamiseksi tarvittava vesimäärä ja edelleen : 30 pumppaukseen tarvittava energia. Toisaalta kanavan halkaisijaa rajoittaa : jäähdytyselementin fyysinen koko, joka investointikustannusten 5 108751 pienentämiseksi pyritään tekemään mahdollisimman pieneksi ja kevyeksi. Pituuden rajoituksena on myös itse jäähdytyselementin fyysinen koko eli tietylle alueelle mahtuva jäähdytyskanavamäärä.

5 Kun esillä olevan keksinnön mukaisessa jäähdytyselementissä halutaan lämmönsiirtopintaa lisätä, se tapahtuu siten, että liukuvalamalla valmistetun jäähdytyselementin virtauskanavan seinämän muotoa muuttamalla saadaan aikaan samalla virtauspoikkipinnalla (samalla vesimäärällä saadaan aikaan sama nopeus) suurempi lämmönsiirtopinta-ala virtauskanavan pituus- 10 yksikköä kohti laskettuna. Tämä pinta-alan kasvu saadaan aikaan esimerkiksi seuraavilla tavoilla: - Liukuvavalettuun jäähdytyselementtiin muodostetaan jo valun aikana ainakin yksi poikkileikkaukseltaan olennaisesti pyöreä virtauskanava, johon ! valun jälkeen työstetään kierteet.

15 - Valettuun jäähdytyselementtiin muodostetaan jo liukuvalun aikana ainakin yksi poikkileikkaukseltaan olennaisesti pyöreä virtauskanava, johon työstetään valun jälkeen rihlamaiset urat. Urat saadaan aikaan edullisesti käyttämällä ns. paisuvaa tuurnaa, joka vedetään virtauskanavan läpi. Uritus voidaan tehdä esimerkiksi reikään, joka on toisesta päästään umpinainen, • · ·« · 20 jolloin tuumaa vedetään ulospäin. Molemmista päistään avoimeen kanavaan » · * !. reikä tehdään joko työntämällä tai vetämällä tätä varten suunniteltu työkalu • «# . kanavaan.

· · • · * .·.·! - Edullisimmillaan pinta-alan lisäys saadaan aikaan muodostamalla jäähdytyselementtiin jo valun aikana yksi tai useampi uritettu, edullisesti 25 suoraurainen virtauskanava käyttäen tätä varten suunniteltua, uritettua valutuurnaa. Rihlauksesta huolimatta virtauskanavan muoto on poikkileik-:T: kaukseltaan edelleen olennaisesti pyöreä tai ovaali. Tätä menetelmää . ·. : käytettäessä vältytään valun jälkeiseltä mekaaniselta työstövaiheelta.

* · · · · 30 Kaikissa edelläkuvatuissa menetelmissä on selvää, että mikäli virtaus- Λ : kanavassa on valusuuntaan nähden poikittaisia kanavan osia, ne osat j 6 108751 tehdään mekaanisesti työstämällä, esimerkiksi poraamalla, ja kanavaan kuulumattomat reiät tulpataan.

Keksinnön mukaisen, lämmönsiirtopinta-alan lisäämismenetelmän edulli-5 suutta verrattiin tekniikan tason mukaiseen menetelmään oheisen esimerkin avulla. Esimerkin yhteydessä on keksinnön selvittämiseksi vielä kuvat, joissa kuva 1 esittää periaatepiirrosta kokeissa käytetystä jäähdytyselementistä, kuvassa 2 on koejäähdytyselementtien poikki le ikkausprofi i I it, 10 kuvat 3a - 3d esittävät lämpötilaa elementin sisällä eri mittauspisteissä upotussulan lämpötilan funktiona, kuva 4 esittää mittaustuloksista laskettua lämmönsiirtokerrointa upotussulan funktiona ja kuva 5 esittää normeeratuille jäähdytyselementeille lasketut jäähdytysveden 15 ja virtauskanavan seinämän lämpötilaerot eri jäähdytystehoilla.

Esimerkki Jäähdytyselementtejä, joiden lämmönsiirtopinta-alaa oli lisätty, testattiin käytännön kokeissa, joissa edellä mainitut neljä elementtiä A, B, C ja D 20 upotettiin pohjapinnaltaan noin yhden senttimetrin syvälle sulaan lyijyyn. J.# Jäähdytyselementin A virtauskanava oli perinteinen sileäpintainen kanava, I · · ,·, i ja tätä elementtiä käytettiin vertailumittausten tekemiseen. Kokeissa mitattiin » · · • · tarkasti jäähdytysveden määrä ja lämpötilat sekä ennen veden syöttämistä • · jäähdytyselementtiin että sen jälkeen. Lisäksi mitattiin tarkasti lyijysulan 25 lämpötilaa, ja lämpötiloja itse jäähdytyselementin sisällä seitsemässä eri :Y: mittauspisteessä.

• · • I » > · ·

Kuvasta 1 nähdään kokeissa käytetty jäähdytyselementti 1, jonka sisällä on *:·: virtauskanava 2. Jäähdytyselementin mitat olivat seuraavat: jäähdytysele- : 30 mentin korkeus 300 mm, leveys 400 mm ja paksuus 75 mm. Jäähdytysputki 1 * · • · : eli virtauskanava oli sijoitettu elementin sisään kuvan 1 mukaisesti siten, 7 108751 että putken kuvassa vaakasuoran osan keskikohta oli etäisyydellä 87 mm elementin pohjasta ja kummankin pystysuoran osan etäisyys 50 mm laatan reunasta. Vaakasuora putken osa saadaan aikaan poraamalla, ja vaakasuoran reiän alkupää tulpataan (ei kuvassa tarkemmin). Kuvasta 1 5 ilmenee myös lämpötilamittauspisteiden T1-T7 sijainti. Kuvassa 2 on esitetty jäähdytyskanavien pinnanmuoto ja taulukossa 1 koejäähdytyselementtien virtauskanavien mitat ja yhtä metriä kohden lasketut lämmönsiirtopinta-alat sekä suhteelliset lämmönsiirtopinta-alat.

10 Taulukko 1

Halkaisija Virtauspoikki- Lämmönsiirto- Suhteellinen pinta-ala pinta / lm lämmönsiirto- __mm__mm2__m2/ lm__pinta-ala_ A 21,0 346 0,066 1,00 B 23,0 415 0,095 1,44 C 23,0 484 0,127 1,92 _D_L20J_|_485_ 0,144_ 2,18_

Kuvista 3a - 3d havaitaan, että jäähdytyselementtien B, C ja D lämpötilat olivat kaikilla jäähdytysveden virtausnopeuksilla alhaisemmat kuin referens-15 simittauksiin käytetyn jäähdytyselementin A. Koska kuitenkin valmistustekni-sistä syistä jouduttiin em. koekappaleiden virtauspoikkipinnat valmistamaan > · : ’·· eri mittaisiksi, ei lämmönsiirron tehokkuutta voida suoraan verrata kuvien 3a : - 3d tuloksista. Tämän vuoksi kokeiden tulokset normeerattiin seuraavasti: '; |; * 20 Stationaariselle lämmönsiirrolle kahden pisteen välillä voidaan kirjoittaa: Q = SxAx(Ti-T2), missä (V> Q = pisteiden välillä siirtyvä lämpömäärä [W] > » · , : ·. S = muotokerroin (riippuu geometriasta) [m] • · f .· , λ = väliaineen lämmönjohtavuus [W/mK] • · · ‘ | 25 Ti = pisteen 1 lämpötila [K] T2 = pisteen 2 lämpötila [K] » » · 1 I » t · i i » I I t • · 8 108751 Käyttäen edellä esitettyä kaavaa koetuloksiin, saadaan seuraavat suureet: Q = mitattu jäähdytysveteen siirtynyt lämpöteho λ = kuparin lämmönjohtavuus [W/mK]

Ti = elementin pohjan koetuloksista laskettu lämpötila [K] 5 T2 = vesikanavan seinämän koetuloksista laskettu lämpötila [K] S = muotokerroin; puoliäärettömään upotetulle äärelliselle sylinterille (pituus L, halkaisija D) muotokerroin voidaan määrittää kaavan S = 2rcL/ln(4z/D) mukaan, kun Z>1,5D, z = upotussyvyys sylinterin keskilinjasta mitattuna [m].

10

Edellä esitetyllä tavalla määritetyt lämmönsiirtokertoimet on esitetty kuvassa 4. Monimuuttuja-analyysin mukaan saatiin erittäin hyvä korrelaatio lämmön-I siirtokertoimen ja veden virtausnopeuden sekä veteen siirtyvän lämpömää- j rän välille. Regressioyhtälön lämmönsiirtokertoimet kullekin koejäähdytys- 15 elementille on esitetty taulukossa 2.

Tällöin a [W/m2K] = c + a x v [m/s] + b x Q [kW],

Taulukko 2 • | c la Ib 1 r2 ~ A 4078,6 1478,1 110,1 0,99 !*·.. B 3865,8 1287,2 91,6 0,99 I·. C 2448,9 1402,1 151,2 0,99 |_D_ 2056,5_ 2612,6_ 179,7_ 0,96_ \’·ί 20 v.: Jotta tulokset ovat vertailukelpoisia, normeerattiin virtauskanavien poikki- > I · v * pinta-ala siten, kutakin veden virtausmäärää vastaa sama virtausnopeus.

Näin virtausmäärän ja -nopeuden mukaan normeeratut virtauskanavien » · * mitat ja lämmönsiirtopinta-alat on esitetty taulukossa 3. Käyttäen näitä t t » 25 taulukossa 3 esitettujä dimensioita tapauksille A’, B’, C’ ja D’ sekä yllä ’· *·' esitetyllä tavalla määritettyjä lämmönsiirtokertoimia laskettiin virtausmäärän suhteen normeeratuille tapauksille seinämän ja veden lämpötilan ero veden virtausnopeuden funktiona 5, 10, 20 ja 30 kW lämpömäärille kaavasta • · » ♦ · • ♦ * * · 9 108751 AT=QI(axA)

Taulukko 3

Halkaisija Virtauspoikki- Lämmönsiirto- Suhteellinen pinta-ala pinta/lm lämmönsiirto- __mm__mm2__m2/ lm__pinta-ala_ A1 21,0 346 0,066 1,00 B1 21,0 346 0,087 1,32 C1 19,2 346 0,120 1,82 D1_ 15,7_[_346_ 0,129_ 1,95_ 5

Tulokset on esitetty kuvassa 5. Kuvasta nähdään, että kaikilla tämän keksinnön mukaan valmistetuilla jäähdytyselementeillä saadaan aikaan tietyn lämpömäärän siirtyminen pienemmällä veden ja jäähdytyskanavan seinämän lämpötilaerolla , mikä kuvaa menetelmän tehokkuutta. Esimerkiksi 10 jäähdytysteholla 30 kW ja veden virtausnopeudella 3 m/s on seinämän ja veden välinen lämpötilaero eri tapauksissa:

Taulukko 4 ΔΤ[ K] suhteellinen ΔΤ [%] _ _ _ ·:·1: B’ 33 85 C’ 22 58 *' [d;_|_24_|_61_ ;’1·· i5 •‘.'•i Kun verrataan saatuja tuloksia ja toisaalta lämmönsiirtopintoja, havaitaan, • » • v että saman lämpömäärän siirtämiseen tarvittava lämpötilaero seinämän ja • I 1 ’1 ’ veden välillä on kääntäen verrannollinen suhteelliseen lämmönsiirtopinta- alaan. Tämä tarkoittaa, että keksinnössä esitetyllä pinta-alan muutoksella ;[;1 20 voidaan olennaisesti vaikuttaa lämmönsiirron tehokkuuteen.

I · · • · » · · » · · · » · f • » » • ·

Claims (13)

1β 1 08751 PATENTTIVMTIMUKSET

1. Menetelmä pyrometallurgisen reaktorin jäähdytyselementin valmistamiseksi, joka elementti on valmistettu liukuvaluna hyvin lämpöä johtavasta metallista ja varustettu ainakin yhdellä jäähdytysveden virtauskanavalla, 5 tunnettu siitä, että jäähdytyselementtiin muodostetaan valun aikana poikkileikkaukseltaan olennaisesti pyöreä tai ovaali jäähdytysveden virtaus-kanava, ja että jäähdytyselementin lämmönsiirtokyvyn parantamiseksi jäähdytyselementin sisällä olevan virtauskanavan seinämäpinta-alaa lisätään virtauskanavan halkaisijaa ja pituutta lisäämättä. 10

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poikki- 1 leikkaukseltaan olennaisesti pyöreä tai ovaali jäähdytysveden virtauskanava muodostetaan uritetun tuurnan avulla.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdy tyselementtiin muodostetaan valun aikana poikkileikkaukseltaan olennaisesti pyöreä jäähdytysveden virtauskanava, johon valun jälkeen työstetään kierteet.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että jäähdy-\ . tyselementtiin muodostetaan valun aikana poikkileikkaukseltaan olennaisesti pyöreä jäähdytysveden virtauskanava, johon valun jälkeen työstetään rihlamaiset urat.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että rihla- . · ': maiset urat tehdään paisuvan tuurnan avulla.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lämpöä hyvin johtava metalli on kupari. • · ;*. 3o • ♦ 11 108751

7. Pyrometallurgisen reaktorin jäähdytyselementti, joka on valmistettu liukuvalulla hyvin lämpöä johtavasta metallista ja varustettu ainakin yhdellä jäähdytysveden virtauskanavalla, tunnettu siitä, että virtauskanavan seinä-mäpinta-alaa on lisätty virtauskanavan halkaisijaa ja pituutta lisäämättä. 5

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että poikkileikkaukseltaan olennaisesti pyöreä tai ovaali virtauskanava on muodostettu uritetun tuurnan avulla. ίο

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että poikkileikkaukseltaan olennaisesti pyöreän tai ovaalin virtauskanavan urat ovat suorauraiset. ί

10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että 15 poikkileikkaukseltaan olennaisesti pyöreä virtauskanava on muodostettu tuurnan avulla ja virtauskanavaan on työstetty kierteet valun jälkeen.

11. Patenttivaatimuksen 7 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että ] ‘ poikkileikkaukseltaan olennaisesti pyöreä virtauskanava on muodostettu ;, 20 tuurnan avulla ja virtauskanavaan on työstetty rihlamaiset urat valun jälkeen.

. 12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, t·;·. että rihlamaiset urat tehdään paisuvan tuurnan avulla.

13. Patenttivaatimuksen 7 mukainen jäähdytyselementti, tunnettu siitä, että elementti on valmistettu kuparista. »t » *»· · * « · 12 108751