HU206745B - Proces and chamber-gas-heater for warming gases - Google Patents

Description

A találmány tárgya eljárás és kamrás léghevítő gázok melegítésére azáltal, hogy váltakozva először a hőhordozót felmelegítjük, és ezután a hőhordozó által tárolt energiát hasznosítjuk arra, hogy a hideg gázokat felmelegítsük.

A gázok regeneratív felmelegítésének elve ismert és az ipar számos területén alkalmazott. Például ilyen eljárással melegítik a forró gázt a nagyolvasztókhoz a Cowpers-hevítőkamrákban kb. 1200 °C-ra. A kemencegázoknak a nagyolvasztó tüzelőterében történő elégéséből származó hőenergia átadódik a hőálló kemence tűzálló töltete rácsozatának, majd a felmelegítési szakasz végén hideg levegőt fújnak a rácsozaton keresztül, és ezt a tárolt hő felmelegíti. A Siemens-Martin-kemence rácsozata és az üvegfúvó alagút kemencék ugyanilyen elven működnek.

A hideg gázok folyamatos felmelegítéséhez legalább két kamrás léghevítőre van szükség a fent leírt eljárással, amelyek közül az egyiket melegítik és így tárolják a hőt, míg a másik a tárolt hőt leadja a befújt hideg gázoknak, és ezáltal azokat felmelegíti.

Amikor kamrás léghevítőket terveznek és építenek, mindig kompromisszumot kell tenni a hőtani követelmények és az építési lehetőségek között. így a forró gázok előállítására nagyolvasztókhoz, hengeres léghevítő esetében általában 1: 5 átmérő- és magasságarányt alkalmaznak. A rácsozat falának kialakításánál, amelyen a gáz a felmelegítési szakaszban felülről lefelé áramlik át és a gáz melegítési szakaszában az ellenkező irányban, alulról felfelé, figyelembe kell venni nemcsak a hőátadás szempontjait a gáz és a rácsozat fala között, hanem azt is, hogy a gázok nyomásesése megengedhető legyen, amikor a tűzálló tölteten keresztüláramlanak. Míg a hőátadás szempontjából nagy felület és keskeny járatok az előnyösek, az áramlási keresztmetszetet csak olyan mértékben szabad lecsökkenteni, hogy az az áramló gáz számára ne jelentsen túl nagy nyomásesést. A nagyobb szabad áramlási keresztmetszet károsan befolyásolja a hőátadást, ezáltal az égőgázok rendkívül nagy hőmérsékletét, amely felmelegíti a hőtároló falazatot az elérhető léghevítő hőmérséklethez képest. Ahhoz, hogy elérjük az említett 1200 °C kemence átfúvatási hőmérsékletet, a felmelegítést szakaszban a láng hőmérsékletének kb. 1500 °C-nak kell lenni. Ezt a lánghőmérsékletet nem lehet elérni a nagyolvasztóból kiengedett kemencegázokkal, ezért szükség van egy gazdag gáz, ún. természetes gáz kiegészítő elégetésére.

A kamrás léghevítők termikus hatékonyságának javítására ismert megoldás az, hogy növelik a hőtároló testek felületét, Számos javaslat van, hogy ez hogyan történjék. A cél eléréséhez egy rendkívül hatásos mód, ha a rácsozatot megfelelő anyagú ággyal helyettesítik, amely közelítőleg azonos méretű szemcsékből áll. Alkalmazhatnak pl. tűzálló anyagból lévő szemcséket, mint például az US 3 378244 lsz. szabadalom szerinti megoldásnál.

Egy olyan kamrás léghevítő, amelynek 5-15 mm átmérőjű, ovális, vagy gömb alakú hőtároló testekből álló ágya van, oly mértékben meg tudja növelni a hőcserében részt vevő tényleges felületet a rácsozathoz képest, hogy a hőmérsékletkülönbség a felmelegítési szakaszban a láng vagy a kohógáz és a gáz melegítésének szakaszában a felmelegített gáz között kicsi, kb. 10 °C.

A szokásos nagyolvasztóknál alkalmazott rácsozat azonban nem helyettesíthető az előbb említett fajtájú ággyal, mivel ez elfogadhatatlanul nagy nyomásveszteséget jelentene, amikor a gázok azon átáramlanak, az ágy nagy magassága miatt.

Azok a javaslatok, amelyek arra irányultak, hogy csökkentsék a nyomásveszteséget azáltal, hogy növelik a léghevítő átmérőjét és a szokásos szerkezetekhez képest fordított átmérő-magasság arányt érjenek el, jelentős javulást mutatnak a hőátadás szempontjából kb. ugyanolyan nyomásveszteség mellett, azonban egyéb hátrányokat vonnak maguk után. A hőhordozó ágy felett lévő dóm építési problémát jelent, és hátrányosnak mutatkozik a léghevítő működése közben. Elsősorban a jelentős dómtérfogat viszonylag nagy gázveszteséget okoz, amikor a felmelegedési szakaszból áttérnek a gázmelegítési szakaszba, másodszor a dóm nagy felülete növeli a hőveszteséget a léghevítónek ezen a forró felületén. Harmadsorban, alig lehet olyan ágyat elképzelni, amelynek vastagsága egyenletes ilyen nagy keresztmetszetben és ugyanakkor vékony rétegben, főképpen pedig nem lehet ezt működés közben fenntartani.

A találmány tehát azon a problémán alapszik, hogy olyan eljárást hozzon létre gázok felmelegítésére, és erre alkalmas kamrás léghevítőt, amely lehetővé teszi a gázok felmelegítését az ismert szerkezetek hiányosságai nélkül, és amelynek előnye, hogy hővesztesége kicsi, a hőátadás nagy, annak következtében, hogy nagy hőcserélő felületeket valósít meg egy egyenletes hőhordozó ágyban, ugyanakkor az átáramló gázok számára kis nyomásveszteséget jelent.

Ezt a feladatot a találmány értelmében azáltal oldjuk meg, hogy hőhordozóból lévő laza ágyat helyezünk el legalább két koaxiális és egymástól egyenlő távolságban lévő rács között, és a meleg gázokat az ágyon keresztül áramoltatjuk belülről kifelé a kamrás léghevítő felmelegítési szakaszában, és a hideg gázt áramoltatjuk ellenkező irányban kívülről befelé a gázok felmelegítésének szakaszában.

A találmány szerinti eljárásnak számtalan előnye van az ismert eljárásokhoz képest, mind hőtani, mind szerkezeti szempontból. Elsősorban a hőveszteségek jelentősen csökkennek azáltal, hogy sokkal kisebb hőáram áramlik a kamrás léghevítő külső fala felé, mivel a nagy hőmérsékletű részek a középpontban vannak elhelyezve, és a külső fal csak hideg gázokkal kerül érintkezésbe. Ez egyrészt a hőteljesítményt javítja, másrészt - ami a kamrás léghevítő felépítése szempontjából rendkívül előnyös - acélt és tűzálló bélést takarít meg, mivel méretei kisebbek és a hőmérsékletből adódó feszülségek is kisebbek, mint az ismert megoldásoknál, ugyanolyan hőkapacitás,. azaz átáramló gázmennyiség és gázhőmérséklet esetén.

Meglepő módon a találmány szerinti eljárás igen

HU 206 745 Β egyenletes, nagy gázhőmérsékleteket ad, úgyhogy sok esetben nincs szükség hőmérsékletszabályozásra. így pl. forró gázok előállításánál nagyolvasztók számára 20 °C-tól 40 °C közötti hőmérséklet-ingadozás várható 1200 °C átfúvatási hőmérsékletnél, és a gázmelegítő szakaszra való átkapcsolás után 30 perccel.

A találmány értelmében csak viszonylag kis hömérsékletkülönbségre van szükség a hőhordozó és a gáz között. Ez vonatkozik mind a hőhordozó felmelegítésére, mind pedig a felmelegítendő gőz, pl. levegő végső hőmérsékletére. A hőhordozó felmelegítésére így csak olyan égőgázokra van szükség, amelyeknél a láng hőmérséklete kissé nagyobb, mint a hideg gázok felmelegítéséhez szükséges hőmérséklet. így pl. a nagyolvasztóból jövő kemencegázokat, vagy kissé dúsított kemencegázokat lehet alkalmazni, amikor a gázokat felmelegítjük a nagyolvasztó számára.

Ha a találmány szerinti eljárást arra használjuk, hogy a gázokat 1150 °C-ra felmelegítsük, akkor a hőhordozót a kamrás léghevítőben kemencegázokkal melegítjük, amelyeknek hőértéke kb. 750 kcal/Nm³ és lánghőmérséklete kb. 1200 °C. Ugyanezek a hőmérséklet értékek érhetők el a fenti működési értékekkel, ha más gázokat pl. nitrogént, argont, oxigénnel dúsított levegőt, oxigént és égőgázokat melegítünk.

A találmány szerinti kamrás léghevítő, amelyben váltakozva először hőhordozót melegítünk fel, és a hőhordozóban tárolt energiát ezután hideg gázok melegítésére használjuk, az jellemzi, hogy a kamrás léghevítőnek a szimmetriatengely körül központosán elhelyezkedő, forró gázokat gyűjtő kamrája van, amely egy első, belső rácsból és legalább egy további külső rácsból áll, amely a belső rácstól egyenlő távolságban van elhelyezve, továbbá a külső rács és a kamrás léghevítő külső fala között elhelyezett gázokat összegyűjtő kamrája van, és a gázok sugárirányban áramlanak a két rács között elhelyezett hőhordozó ágyon át.

A találmány szerinti kamrás léghevítő előnyei az ismert berendezéshez képest, hogy a hőhordozó a hevítő töltetéhez hasonlóan laza testekből áll, amelyeknek megközelítőleg azonos szemcsenagysága van. Annak következtében, hogy az egyenlő távolságban lévő rácsok között ilyen hőhordozóból lévő ágy van, a gázok áramlásának irányában a rétegvastagság egyenlő. Azonkívül, a találmány szerinti kamrás léghevítőnél a hőhordozó nem tud elmozdulni az áramlás hatására, így tehát nem áll fönn a gázkitörés veszélye, ami annak a következménye, hogy a fluidizálási pontot helyileg túllépi.

A találmány szerinti kamrás léghevítőnél a szabad térfogat a hőhordozók között, a forrógáz kamrában, valamint a gázgyűjtő kamrában viszonylag kicsi, úgyhogy csak kis gázveszteségek keletkeznek, amikor a felmelegítési szakaszból a gázok melegítési szakaszába lépünk át.

A hőhordozót a találmány szerinti kamrás léghevítőben működés közben is ki lehet cserélni. Az ágy tetejénél és aljánál lévő megfelelő karimák és összekötődarabok lehetővé teszik, hogy a hőhordozót az egyik oldalon betöltsük, és a másik oldalon eltávolítsuk.

A kamrás léghevítőben gyakran csak egy fajtájú hőhordozóból álló egyforma ágy van, amely a belső és külső rács között helyezkedik el. Azonban a találmány tárgykörén belül alkalmazható kettőnél több koaxiális rács is, ami által több koaxiális, gyűrű alakú kamra képződik. Két szomszédos rács között előnyösen ugyanazt a hőhordozót használjuk. Lehetőség van azonban arra is, hogy a különböző gyűrű alakú kamrákban különböző hőhordozókból lévő ágyakat alkalmazzunk, így például a nagy hőmérsékletnek ellenálló kerámiai golyókat, pl. korundból lévő golyókat alkalmazhatunk két rács között a kamrás léghevítő forró belső oldalánál, míg kevésbé költséges hőhordozót, mullitot és/vagy samottot alkalmahatunk a hideg oldalon, kifelé. A teljes ágy felosztható két vagy több rétegre, nemcsak gazdaságossági szempontból, hanem működés szempontjából is, különösen hőtani okokból. A hőhordozónak mind az anyaga, mind a mérete és az alakja változhat a találmány keretén belül.

A kamrás léghevítő rácsai készülhetnek azonos, vagy előnyösen eltérő anyagból, pl. a belső rács, a forró oldalon, tűzálló anyagból készülhet, mint például tűzálló téglákból, amelyekben megfelelő gázvezetékek vannak, a külső rács pedig, a hideg oldalon, fémből, mint pl. acélból, nem vízkövesedő acélból, vagy öntöttvasból készülhet. Ha a belső és a külső rács között még további rácsokat alkalmazunk, akkor az anyagot a hőmérsékletből adódó feszültségeknek megfelelően kell megválasztani. Főleg kerámiát vagy fémet alkalmazunk.

A találmány egy lényeges jellemzője szerint a hőhordozó ágyat egyenlő vastagságúra képezzük ki, és a gázok sugárirányban áramlanak rajta keresztül. Ez a jellemző akkor is fennáll, ha a hőhordozó ágy több rétegre van bontva.

A hőhordozó számára megfelelő anyagok a következők: különböző minőségű kerámiai anyagok, pl. korund alapú anyagok, mullit, samott, magnézium, krómoxid, cirkónium-dioxid, szilícium-karbid és ezek keveréke, valamint fémek. Természetesen, a hőhordozó anyagot úgy kell megválasztani, hogy a hőmérsékletből adódó feszültségeknek megfeleljen. A hőhordozó alakja átalában tetszés szerinti lehet, egyes alakok azonban előnyösek gazdasági szempontból, vagy előállításuk pl. szemcsézés és brikettálás szempontjából, különösen kerámiai anyagok esetén. Geometriai szempontból lényegében oválisak vagy gömb alakúak, azonban alkalmazhatók bármilyen tört alakokból képzett ágyak is.

A találmány szerinti eljárás és kamrás léghevítő rendkívül jól használható vasérc olvasztásos redukálásánál, villamos olvasztásnál és nagyolvasztóknál.

A találmányt részletesebben a rajz alapján ismertetjük, amely a találmány szerinti kamrás léghevítőt ábrázolja vázlatos keresztmetszetben.

A kamrás léghevítőnek acélból készült külső (1) héja van, amelynek megközelítőleg gömb alakja van. Bár a kamrás léghevítő külső alakja nem döntő, és így bármilyen alakú lehet, bizonyos alakok, mint pl. álló henger, gömb vagy kettős csonkakúp egymás felett elhelyezve, közöttük lévő hengeres darabbal vagy

HU 206 745 Β anélkül, rendkívül jónak bizonyultak a gyakorlatban, főleg gyártás szempontjából.

Az acélból lévő (1) héj hengeres külső (2) rácsot tartalmaz, amelybe kör alakú és/vagy hosszúkás nyílások vannak. A (2) rács és a külső (1) héj között gyűrű alakú gázgyűjtő (3) kamra van a hideg gáz számára. A belső (4) rács tűzálló téglából van kialakítva, amelyben megfelelő gázvezetékek vannak. A két (2 és 4) rács koaxiális elrendezése biztosítja, hogy a közöttük lévő (5) tér a teljes kerület mentén egyenlő legyen. A kör keresztmetszetű (5) térben foglal helyet a (6) hőhordozó, amely pl. kerámiai anyagból lévő szemcsékből állhat.

A kamrás léghevítő közepében kör keresztmetszetű (7) kamra van a forró gáz számára. A (7) kamra alsó végénél áramlanak be a forró hulladékgázok, amelyek a (8) kemencében keletkeznek a kamrás léghevítő felmelegítési szakaszában. A (8) kemence a (9) fedélen át közelíthető meg.

A fonó égőgázok a (7) kamrából a (4) rácson és a (6) hőhordozóból álló ágyon keresztül áramlanak az (5) térbe, majd a (2) rácson át a gázgyújtő (3) kamrába.

A (6) hőhordozóból lévő ágyon keresztül történő áramlás során a gázok lehűlnek és a gázokat gyűjtő (3) kamrát megközelítőleg normál hőmérsékleten érik el. Ezután elhagyják a (3) kamrát és a kamrás léghevítőt a (10) összekötődarabon keresztül.

A gáz melegítési szakasza alatt komprimált gáz áramlik a (11) összekötődarabon keresztül a gázokat gyűjtő (3) kamrában, majd a (2) rácson és a (6) hőhordozóból álló ágyon keresztül az (5) kamrába, és a belső (4) rácson át a fonó gázokat tartalmazó (7) kamrába. A gázok útjuk során felmelegednek a forró (6) hőhordozón és a kamrás léghevítőt a (12) összekötődarabon keresztül hagyják el,

A kamrás léghevítőn (13, 14) nyílások is találhatók, amelyek karimákkal zárhatók le. A (14) nyíláson keresztül a (6) hőhordozó eltávolítható az (5) kamrából és ugyanakkor betölthető a (13) nyíláson keresztül működés közben, vagy javítás, vagy karbantartás alatt. így az (5) kamrában a teljes (6) hőhordozó töltetet folyamatosan, vagy szakaszosan ki lehet cserélni.

A találmány keretén belül az eljárást és a kamrás léghevítőt az ipari alkalmazás különböző feltételeihez lehet hozzáigazítani. Amint már említettük, a rácsok és hőhordozók anyagát a hőmérsékleti követelményeknek megfelelően lehet megválasztani. A kamrás léghevítő alakja is módosítható felhasználásától függően, azonban a sugárirányú áramlás elvét a hőhordozóágyon keresztül meg kell tartani.

Claims (10)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás gázok melegítésére kamrás léghevítőben, azáltal, hogy váltakozva először a hőhordozót felmelegítjük, és ezután a hőhordozó által tárolt energiát hasznosítjuk arra, hogy a hideg gázokat felmelegítsük, azzaljellemezve, hogy hőhordozóból lévő laza ágyat helyezünk el legalább két koaxiális és egymástól egyenlő távolságban lévő rács között, és a meleg gázokat az ágyon keresztül áramoltatjuk belülről kifelé a kamrás léghevítő felmelegítési szakaszában, és a hideg gázt áramoltatjuk ellenkező irányban kívülről befelé a gázok felmelegítésének szakaszában.
2. 2. Kamrás léghevítő gázok felmelegítésére, amelyben váltakozva először hőhordozót melegítünk fel, és a hőhordozón tárolt energiát ezután hideg gázok melegítésére használjuk, azzal jellemezve, hogy a kamrás léghevítőnek a szimmetriatengely körül központosán elhelyezkedő, fonó gázokat gyűjtő kamrája (7) van, amely egy első belső rácsból (4) és legalább egy további külső rácsból (2) áll, amely a belső rácstól (4) egyenlő távolságban van elhelyezve, továbbá a külső rács (2) és a kamrás léghevítő külső fala (1) között elhelyezett gázokat összegyűjtő kamrája (3) van, és a két rács (2, 4) között hőhordozóból (6) álló ágy van elhelyezve.
3. 3. A 2. igénypont szerinti kamrás léghevítő, azzal jellemezve, hogy a rácsok (2, 4) különböző anyagúak.
4. 4. A 2. vagy 3. igénypont szerinti kamrás léghevítő, azzal jellemezve, hogy a belső rács (4) a fonó oldalon, tűzálló anyagból, pl. tűzálló téglából van elkészítve, amelyben gázvezetékek vannak.
5. 5. A 2-4. igénypontok bármelyike szerinti kamrás léghevítő, azzal jellemezve, hogy a külső rács (2) a hideg oldalon fémből, pl. acélból készül.
6. 6. A 2-5. igénypontok bármelyike szerinti kamrás léghevítő, azzal jellemezve, hogy további rácsokat (2, 4) tartalmaz, amelyek a hőmérsékleti igénybevételtől függően kerámia anyagból, vagy fémből vannak elkészítve.
7. 7. A 2-6. igénypontok bármelyike szerinti kamrás léghevítő, azzal jellemezve, hogy a hőhordozóból (6) álló ágy a kamrás léghevítő működése alatt vagy leállásakor részben vagy egészben kicserélhetően van kialakítva.
8. 8. A 2-7. igénypontok bármelyike szerinti kamrás léghevítő, azzal jellemezve, hogy a hőhordozó (6) brikettált, zsugorított kerámiai anyagból áll, amelynek ovális vagy gömb alakja van.
9. 9. A 2-8. igénypontok bármelyike szerinti kamrás léghevítő, azzal jellemezve, hogy különböző anyagú hőhordozókat (6) alkalmazunk.
10. 10. A 2. igénypont szerinti kamrás léghevítő, azzal jellemezve, hogy a gázgyűjtő kamra (3) gyűrű alakú.

    Hivatkozási számok jegyzéke: