FI86474C - Metallisk, vaerme ackumulerande kropp samt vaermeackumulator. - Google Patents

Description

1 86474

Metallinen, lämpöä varaava kappale ja lämmönvaraaja

Keksinnön kohteena on metallinen, lämpöä varaava kappale. Keksintö liittyy myös lämmönvaraajaan, joka kä-5 sittää lämpöä varaavan kappaleen, jonka yksi pinta muodostaa kontaktipinnan lämpöä siirtävän virtaavan väliaineen kanssa.

Lämpöä varaavia kappaleita käytetään yleisesti mitä erilaisimmissa sovellutuksissa, joissa tarkoituksena on 10 siirtää kappaleeseen syötettyä ja varastoitunutta lämpöä kohteeseen, jossa sitä tarvitaan. Tällöin lämpöä siirtävänä tai välittävänä väliaineena käytetään usein nestettä, tyypillisesti vettä, mutta kaasu voi myös toimia lämmön-siirtoväliaineena. Esillä olevaa keksintöä voidaan sovel-15 taa kohteisiin, joissa lämpöä siirtävänä väliaineena on joko neste tai kaasu.

On luonnollista, että lämpöä varaavat kappaleet pyritään valmistamaan sellaisista materiaaleista, joiden lämmönvarauskyky on hyvä. Tällöin on usein myös toivot-20 tavaa, että materiaalin lämmönvarauskyky tilavuusyksikköä kohti on suuri. Vuolukiven käyttö lämpöä varaavana materiaalina on hyvin tunnettua, koska sen lämmönvarauskyky on muihin kivimateriaaleihin nähden hyvä. Keraamiset ja tu- ’·* ’ lenkestävät materiaalit sekä mineraalimateriaalit, kuten * · · 25 ferrosilikaatti, ovat yleisessä käytössä lämmönvaraajien * ytimissä. Metalleilla on kuitenkin edellä mainittuihin • » « materiaaleihin verrattuna jopa moninkertainen lämmönva-: rauskyky tilavuusyksikköä kohti. Tästä syystä metalleja on pyritty käyttämään lämmönvaraajissa. Esimerkiksi valurau-30 dan käyttö on tunnettua lämmönvaraajissa, joissa lämpöä varastoidaan suureen massaan, eli niin sanotuissa massava-##·ρ raajissa. Valuraudan käyttöä rajoittaa kuitenkin se, että : * sen kemiallinen kestävyys korkeissa lämpötiloissa on var sin rajallinen. Lisäksi se turpoaa korkeissa lämpötilois-35 sa sitä kuumennettaessa jaksoittaisesti. Poikkeuksena ovat 2 86474 seostetut valuraudat, mutta ne ovat massavaraajakäyttöön hyvin kalliita materiaaleja, koska massavaraajien paino on yleensä suuri. Valurautojen ongelmana on myös, että niistä on vaikea tai mahdoton aikaansaada huokosettomia kap-5 paleita. Myös niiden hitsaaminen on vaikeaa.

Teräksen suuri lämmönvarauskyky tilavuusyksikköä kohti sekä sen monet edut valurautoihin nähden (hitsattavuus, huokosettomuus jne.) on ollut syynä siihen, että lämmönvaraajien ytimiä on kokeiltu valmistaa teräksestä. 10 Ongelmaksi on tällöin muodostunut teräksen huono tulen-kestävyys: teräksen pinta on korkeissa lämpötiloissa, n. 600 - 800 °C hilseillyt, eli reagoinut ympäristössä olevan hapen kanssa, niin voimakkaasti, että on luovuttu teräksen käytöstä. Käyttämällä runsaasti seostettuja teräksiä pääs-15 täisiin kylläkin hyvään kestävyyteen hilseilyn kannalta; runsaasti seostettujen terästen käyttö ei kuitenkaan ole mielekästä lämmönvaraajissa niiden korkean hinnan vuoksi. Lisäksi runsaasti seostettujen terästen hitsattavuus on yleisesti ottaen ongelmallinen tavanomaisiin teräksiin 20 verrattuna.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa . edellä mainitut ongelmat. Tämän toteuttamiseksi keksinnön Ύ » mukaiselle metalliselle, lämpöä varaavalle kappaleelle on ·' ' tunnusomaista, että se käsittää terästä olevan ytimen, 25 jonka pintaan on ruiskutettu metalliseos, jonka tulenkes-·”’ tävyys on hyvä. Edullisesti ydin on yleistä rakennete- rästä. Pinnoitteena käytetyn metalliseoksen koostumus vas-taa edullisesti olennaisesti matalahiilisen austeniittisen ruostumattoman teräksen koostumusta. Massavaraajissa ky-: 30 tettyjen suurien lämpöä varaavien kappaleiden ollessa ky- ·;·. seessä on yleensä hyvin edullista, että ydin on muodos tettu teräskappaleista, jotka on kiinnitetty toisiinsa hitsaamalla, koska tällöin ytimen valmistus on helppoa ja se voidaan valmistaa paikan päällä.

35 Keksinnön mukaiselle lämmönvaraajaile on pääasial- 3 86474 lisesti tunnusomaista, että lämpöä varaava kappale käsittää terästä olevan ytimen, jonka hapettavan ympäristön kanssa kosketukseen tulevaan pintaan on ruiskutettu metalliseos, jonka tulenkestävyys on hyvä. Lämmönvaraajan edul-5 lisiä suoritusmuotoja on esitetty oheistetuissa patenttivaatimuksissa 6-10.

Esillä oleva keksintö perustuu ideaan käyttää lämpöä varaavan kappaleen ytimenä halpaa "tavallista" terästä, joka on lämmönvarausominaisuuksiltaan erittäin hyvää, 10 jolloin teräs suojataan hapettumiselta ja muilta kemiallisilta reaktioilta metalliseoksella, joka on ruiskutettu teräksen pintaan.

Keksinnön suurimmat edut ovat, että se mahdollistaa kompaktin, lämpöä varaavan kappaleen halvan valmistamisen, 15 jonka kappaleen lämmönvarauskyky on suuri tilavuusyksikköä kohti. Käyttämällä ydinmateriaalina yleistä rakenneterästä varmistetaan materiaalin hyvä saatavuus eri muotovalmis-teina ja eri dimensioina vastaamaan käyttökohteen asettamia koko- ja muotovaatimuksia; lisäksi mahdollistetaan 20 teräsytimen valmistus tai kokoonpano hitsaamalla, mikä on erityisen edullista valmistettaessa hyvin suuria ytimiä. Valitsemalla pinnoitteena käytetyn metalliseoksen koosti tumus vastaamaan olennaisesti austeniittisen matalahiili- ' , sen ruostumattoman teräksen koostumusta, varmistetaan al- 25 haisin kustannuksin normaalissa käyttöympäristössä riittävä tulenkestävyys ja taipumus pinnoitteen herkistymiseen ·...· on hyvin pieni.

Seuraavassa keksintöä selitetään yhden sen suositeltavan suoritusmuodon avulla viittaamalla oheiseen pii-30 rustukseen, jossa kuvio 1 esittää yleiskuvaa lämmönvaraajasta, / kuvio 2 esittää kuvion 1 lämmönvaraajaa takaa, ·' ·* kuvio 3 esittää leikkauskuvaa pitkin kuvion 1 vii- vaa III-III ja I'·'· 35 kuvio 4 esittää kuvion 1 lämmönvaraajassa käytettyä 4 86474 kasettia lämpövastuksia varten.

Kuviossa 1 on esitetty lämmönvaraaja, johon tyypillisesti liittyy lämmönvaihdin (ei esitetty) lämmön talteenottoa varten. Lämmönvaraaja käsittää lämpöä varaavan 5 kappaleen, jota yleisesti osoittaa viitenumero 1. Lämpöä varaava kappale 1 on aikaansaatu asettamalla vierekkäin neljä olennaisesti suorakaiteenmuotoista teräskappaletta 2 - 5. Teräskappaleet 2-5 ovat yleistä rakenneterästä, esimerkiksi Fe 52-c (St 52-3), koska tällaisen teräksen 10 hinta on alhainen ja saatavuus on hyvä, lisäksi se on helposti hitsattavissa. Vieretysten järjestettyjen teräskap-paleiden 2 ja 3 sekä 4 ja 5 väliseen kosketuspintaan on muodostettu tila sähkökuumennusvastusta 6, 7 varten. Lämpöä varaava kappale 1 kuumennetaan näin ollen sähkövastuk-15 silla, joilla lämpötila nostetaan noin 550 - 750 °C:seen, tyypillisen käyttölämpötilan ollessa noin 600 °C. Huomautetaan, että kappaleen 1 lämpötila voi olla selvästi suurempi kuin 750 °C ja luonnollisesti alhaisempi kuin 550 °C, jonka jälkimmäisen lämpötilan yläpuolella seos-20 tamattoman teräksen taipumus hilseilyyn on suuri. Kuumen-nusvastukset 6 ja 7 on sovitettu omaan kasettiinsa 8 ja 9, jotka toimivat niiden pitiminä. Kasetit 8, 9, joiden ra-;;; kenteeseen palataan kuvion 4 yhteydessä, ovat hyvässä ter misessä kosketuksessa teräskappaleiden 2 ja 3 sekä 4 ja 5 25 kanssa ja kuumennusvastukset 6, 7 ovat hyvässä termisessä kosketuksessa kasettien 8, 9 kanssa. Näin varmistetaan, että lämmön siirtyminen kuumennusvastuksista 6, 7 teräs-kappaleisiin 2 - 5 on tehokasta. Kuumennusvastusten 6, 7 kulkua lämmönvaraajassa 1 on osoitettu katkoviivoilla.

: 30 Lämmönvaraajan 1 siihen pintaan, joka muodostaa kontakti- pinnan lämpöä siirtävän väliaineen, joka on vesi, kanssa, on sovitettu tiiviisti kansi 10, jolloin kannen ja kontaktipinnan väliin muodostuu lämmönsiirtotila. Kanteen 10 on sovitettu tuloaukko 11 vettä varten ja poistoaukko 12 ve-·.·. 35 sihöyryn poistamista varten. Koska lämmönvaraajan 1 ja 5 86474 kannen 10 pintaa ympäröi ilma ja pinta kuumenee lämpötilaan, jossa yleinen rakenneteräs hapettuu ja hilseilee, lämpöä varaavan kappaleen pintaan on ruiskutettu metalliseos, jonka tulenkestävyys on hyvä. Myös kansi 10 on 5 pinnoitettava, mikäli se valmistetaan teräksestä, joka hilseilee käyttölämpötilassa. Koska kansi 10 muodostaa materiaalinkäytön suhteen suhteellisen pienen osan lämmön-varaajaa, on ajateltavissa, että se valmistetaan materiaalista, jonka tulenkestävyys luonnostaan on hyvä, jolloin 10 sitä ei luonnollisestikaan pinnoiteta. Pinnoitemateriaa-lin lähtöaineeksi soveltuu hyvin lankamateriaali tai jauhe, jonka koostumus vastaa olennaisesti 18-8-tyyppisen ma-talahiilisen austeniittisen ruostumattoman teräksen koostumusta. Alhainen hiilipitoisuus on todettu tärkeäksi pin-15 noitteen kiinnipysyvyyden kannalta. Hiilipitoisuus hyvin toimivalla seoksella oli noin 0,03 %. Tätäkin alhaisemmasta hiilipitoisuudesta ei tiettävästi ole haittaa. Mainitun teräksen saatavuus on hyvä ja sen hinta on varsin kohtuullinen verrattuna moniin muihin ruostumattomiin ter-20 äksiin tai superseoksiin. Mikäli käyttölämpötila on hyvin korkea ja/tai ympäristö syövyttävä, ruostumattoman teräksen sijasta käytetään Kanthal-pinnoitetta. Lämmönsiirto-tilan rajoittamat seinät jätetään pinnoittamatta, koska lämmönsiirtotilassa vallitsee hapeton ympäristö.

··'- 25 Kuvio 2 esittää lämmönvaraajaa takaa, eli kannen 10 puolelta.

Kuvio 3 esittää leikkausta pitkin kuvion 1 viivaa III-III. Kuviossa viitenumerot 13 - 15 osoittavat hitsaus-saumoja, jotka yhdistävät teräskappaleet 2-5. Tässä yh-30 teydessä mainitaan, että teräskappaleet 2 - 5 on hitsattu toisiinsa vain kontaktipinnan puolelta, ts. lämpöä varaa-vaa kappaletta 1 ei ole hitsattu päältä, alta tai edestä, : ·* eli kuumennusvastusten 6, 7 puolelta. Näin on menetelty '··' sen vuoksi, että teräskappaleiden 2-5 väliset saumat 35 saataisiin hieman avatuiksi kuumennusvastuskasettien 8, 9 6 86474 paikalleen asettamista varten siten, että ne ovat tiiviissä kosketuksessa teräskappaleisiin. Kuvioon 1 on viitenumerolla 17' osoitettu lukituselin, joka on kiinnitetty pulteilla teräskappaleisiin 2-5 estämään viimeksi mai-5 nittujen etääntyminen toisistaan.

Kuviosta 3 ilmenee myös, että lämmönsiirtotilaan on sovitettu allekkain veden ohjauslevyt 17 - 20, joiden tarkoituksena on levittää vesi ja vesihöyry yli varaavan kappaleen 1 koko kosketuspinnan. Ohjauslevyt 17 - 20 on tätä 10 varten järjestetty kalteviksi vuorotellen vastakkaiseen suuntaan. Ohjauslevyt 17 - 20 on sopivimmin kiinnitetty teräskappaleisiin 2-5 hitsaamalla.

Kuvio 4 esittää kasettia 8 asetettavaksi teräskap-paleiden 2 ja 3 väliin. Kasetti 8 käsittää kaksi levymäis-15 tä osaa 21 ja 22. Osat 21, 22 on muotoiltu siten, että sisemmän osan 22 poistaminen riittää, jotta kuumennusvas-tus 6 saadaan poistetuksi lämpöä varaavasta kappaleesta 1. Ulompi osa 21 jää tällöin paikoilleen kappaleeseen 1. Kaksiosainen kasetti 8 on edullinen huoltoa ajatellen.

20 Edellä keksintöä on kuvattu vain yhden sen edulli sen suoritusmuodon avulla. Sen vuoksi huomautetaan, että keksintöä voidaan yksityiskohdiltaan toteuttaa monella tavalla oheisten patenttivaatimuksien puitteissa. On näin ollen ajateltavissa, että lämpöä varaavan kappaleen muo-25 dostaa esimerkiksi harkon- tai tiilenmuotoinen kappale, jota kuumennetaan esimerkiksi lämmöllä, joka kehittyy va-raavassa takassa, joka lämpöä varaava kappale on rakennettu varaavan takan sisään. Tässä tapauksessa lämpöä varaa-vaan kappaleeseen ei liity ollenkaan sähkökuumennusta, 30 eikä lämpöä siirtävänä väliaineena ole vesi, vaan ilma tai kaasu. Sähkökuumennuksen sijasta kuumennus voi tapahtua öljy- tai kaasuliekillä. Edelleen on selvää, että tavanomaisen yleisen rakenneteräksen sijasta ydinmateriaalina voidaan käyttää erilaisia niukkaseosteisia teräslajeja ja 35 nuorrutusteräksiä, jotka pinnoitetaan; tällaiset teräkset 7 86474 ovat kuitenkin tavallisia yleisiä rakenneteräksiä kalliimpia, joten niiden käyttö ei ole niin mielekästä - varsinkin kun ajatellaan keksinnön tavoitetta eli halvan, lämmönvarauskyvyltään hyvän ja korkeisiin lämpötiloihin 5 soveltuvan kappaleen aikaansaaminen. Pinnoitemateriaali voi olla esitetyn austeniittisen ruostumattoman teräksen ja Kanthal-seoksen sijasta muuta korkeisiin lämpötiloihin soveltuvaa materiaalia: on ajateltavissa, että esimerkiksi austeniittis-ferriittinen teräs soveltuu käytettäväksi.

10 Ehtona materiaalin soveltuvuudelle on, että sen tulenkes-tävyys ja kiinnipysyvyys ovat riittävät.

Claims (10)

1. Metallinen, lämpöä varaava kappale (1), tunnettu siitä, että se käsittää terästä olevan ytimen 5 (2-5), jonka pintaan on ruiskutettu metalliseos, jonka tulenkestävyys on hyvä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kappale, tunnettu siitä, että ydin on yleistä rakenneterästä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kappale, 10 tunnettu siitä, että pinnoitteena käytetyn metalliseoksen koostumus vastaa olennaisesti matalahiilisen austeniittisen ruostumattoman teräksen koostumusta.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen kappale, tunnettu siitä, että ydin on muodostettu 15 teräskappaleista (2 - 5), jotka on kiinnitetty toisiinsa hitsaamalla.

5. Lämmönvaraaja, joka käsittää lämpöä varaavan kappaleen (1). jonka yksi pinta muodostaa kontaktipinnan lämpöä siirtävän virtaavan väliaineen kanssa, t u n - 20. e t t u siitä, että lämpöä varaava kappale käsittää terästä olevan ytimen (2 - 5), jonka hapettavan ympäristön kanssa kosketukseen tulevaan pintaan on ruiskutettu metalliseos, jonka tulenkestävyys on hyvä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen lämmönvaraaja, 25 tunnettu siitä, että kontaktipinta on kannen (10) peittämä siten, että kannen ja kontaktipinnan väliin muodostuu lämmönsiirtotila, johon liittyy tuloaukko (11) ja poistoaukko (12) lämpöä siirtävän väliaineen syöttämistä ja poistamista varten.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että lämmönsiirtotilan rajoittamat seinät ovat pinnoittamattomat.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen lämmönvaraaja, tunnettu siitä, että lämmönsiirtotila käsittää al-35 lekkain järjestetyt veden ohjauslevyt (17 - 20), jotka on 9 8 6 4 74 järjestetty kalteviksi vuorotellen vastakkaiseen suuntaan.

8 86474

9. Jonkin patenttivaatimuksen 4-8 mukainen läm-mönvaraaja, tunnettu siitä, että ydin on muodostettu suorakaiteen muotoisista teräskappaleista (2 - 5), 5 jotka on kiinnitetty toisiinsa hitsaamalla, jolloin ainakin kahden vieretysten järjestetyn teräskappaleen (2,3 ja 4,5) väliseen kosketuspintaan on muodostettu tila sähkö-kuumennusvastusta (6,7) varten.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen lämmönvaraaja, 10 tunnettu siitä, että teräskappaleiden (2,3 ja 4,5) väliseen kosketuspintaan muodostettu tila on tarkoitettu vastaanottamaan kasetin (8,9), joka on hyvässä termisessä kosketuksessa teräskappaleiden ja sähkökuumennusvastukeen (6,7) kanssa ja toimii viimeksi mainitun pitimenä. 15 Γ /' Λ '7 A

10. Ci ix. i 4