PL168911B1

PL168911B1 - Sposób i urzadzenie do regulacji natezenia przeplywu cieklego materialu w przewodzie PL

Info

Publication number: PL168911B1
Application number: PL92300301A
Authority: PL
Inventors: Neil B Gray; John S Pitsillos
Original assignee: Univ Melbourne
Priority date: 1991-02-18
Filing date: 1992-02-18
Publication date: 1996-05-31
Also published as: WO1992014980A1; EP0660767A4; US5406969A; CA2101253A1; AU1273492A; AU653004B2; EP0660767A1; JPH06504954A

Abstract

1. Sposób regulacji natezenia przeplywu cieklego materialu w przewodzie, w którym inicjuje sie przeplyw cieklego materialu przez przewód i od- prowadza sie cieplo z przewodu i z cieklego materialu, znamienny tym, ze mierzy sie co najmniej jeden z parametrów wybranych sposród temperatury wlotowej cieklego materialu wprowadzanego do przewodu, predkosci przeplywu cieklego materialu przez przewód i wspólczynnika odprowadzania ciepla z prze- wodu, a nastepnie na podstawie zaleznosci pomiedzy wspólczynnikiem odprowadzania ciepla z przewodu a wspólczynnikiem odprowadzania ciepla z cieklego materialu wyznacza sie wspólczynnik odprowadzania ciepla z cieklego materialu przeplywajacego przez przewód, przy czym reguluje sie wspólczynnik od- prowadzania ciepla z przewodu do wartosci, przy której wartosc wspólczynnika odprowadzania ciepla z cieklego materialu zapewnia krzepniecie cieklego materialu na sciankach przewodu i ograniczenie przeplywu cieklego materialu w przewodzie do okreslonej wartosci. F i g . 3 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do regulacji natężenia przepływu ciekłego materiału w przewodzie.

Wynalazek ma zastosowanie, zwłaszcza w przemyśle metalurgicznym, ale przedstawiony sposób regulacji natężenia przepływu i urządzenie mogąbyć z powodzeniem stosowane w innych gałęziach przemysłu, w których istnieją podobne do przedstawionych tu problemy z regulacją natężenia przepływu.

168 911

Regulacja natężenia przepływu ciekłych produktów pieców odprowadzanych z kadzi metalurgicznych i transportowanych do następnych miejsc obróbki w odlewniach ma duże znaczenie dla sprawności działania takich kadzi.

W przemyśle metalurgicznym proces spuszczania metalu z pieca jest operacją bardzo trudnią pracochłonną i niebezpieczną. Konwencjonalny sposób polega na okresowym spuszczaniu metalu z pieca chłodzonym otworem spustowym. Otwór ten jest otwierany za pomocą lancy tlenowej i zamykany poprzez zakrzepnięcie w nim metalu wspomagane korkiem ceramicznym lub odpowiednimi prętami chłodzonymi wodą.

W tradycyjnych urządzeniach spustowych występuje często opóźnienie spustu wskutek trudności z otwarciem otworu spustowego, brak regulacji natężenia przepływu spuszczanego ciekłego materiału, zużycie i erozja otworu spustowego w wyniku działania lancy tlenowej oraz trudności z zamykaniem otworu spustowego.

Znany jest sposób ciągłego spustu produktów pieca, w którym stosuje się zewnętrzny zbiornik wstępny do ciągłego spuszczania surówki z wielkich pieców, na przykład realizowany we współczesnych piecach z komorami wstępnymi. Początkowo stosowano sposób ciągłego spustu do pieców do wytopu miedzi. Następnym krokiem było opracowanie zespołu spustowego typu Roy, w którym podstawową różnicą w porównaniu z urządzeniami wcześniejszymi jest zastosowanie głębokiego przelewu trójkątnego o regulowanej wysokości oraz zainstalowanie palnika w komorze wstępnej. Obecnie zespół spustowy typu Roy jest tradycyjnym urządzeniem spustowym stosowanym w piecach do wytopu ołowiu.

Działanie zespołu spustowego typu Roy opiera się na zasadzie równoważenia przez ciecz w komorze wstępnej większej części ciśnienia wewnętrznego w piecu. Nadmierne ciśnienie w piecu jest czynnikiem wytłaczającym z niego ciekły materiał. Do zalet zespołu spustowego typu Roy w porównaniu z tradycyjnymi sposobami spuszczania należą lepsze wykorzystanie pieca do zwiększenia jego wydajności oraz lepsza regulacja składu spuszczanego ciekłego materiału niż w przypadku spuszczania okresowego. Jednakże zespół spustowy typu Roy jest urządzeniem działającym w ustalonych warunkach i nie można sterować nim zdalnie. W wyniku tego zespół spustowy tego typu nie może być używany do wytopów o zmiennym składzie, a zmiany natężenia przepływu w przewodzie spustowym muszą być przeprowadzane poprzez regulację przelewu lub poziomu zawartości pieca.

Znany jest z opisu patentowego nr GB 1 490 355 sposób transportu ciekłego żużla ze zbiornika przez element przenoszący do drugiego zbiornika, przy czym podczas transportu ciekłego żużla chłodzi się element przenoszący tworząc warstwę zakrzepłego żużla pomiędzy elementem przenoszącym i strumieniem żużla płynącym przez element przenoszący. Zakrzepła warstwa żużla chroni grafit lub inny materiał ognioodporny przed bezpośrednim stykiem z agresywnymi produktami wytopu i stanowi barierę chroniącą przed zużyciem. W sposobie według tego rozwiązania nie wykorzystuje się odprowadzania ciepła do regulacji natężenia przepływu ciekłego materiału, nie uwzględnia się również właściwości ciekłego materiału, który ma być odprowadzany.

W opisie patentowym US 2 714 622 przedstawiono sposób i urządzenie do wytwarzania ognioodpornych materiałów, w którym odlewa się ciągłym strumieniem stopiony materiał. Ciekły materiał jest przeprowadzany przez chłodzony otwór spustowy, w którym następuje jego krzepnięcie z utworzeniem ochronnej warstwy. Grubość tej warstwy jest regulowana poprzez natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez łukową elektrodę umieszczoną w pobliżu otworu. Zmiany natężenia prądu powodują zmianę temperatury stopionego materiału.

W tym sposobie i urządzeniu zatem natężenie przepływu ciekłego materiału przez otwór spustowy jest regulowane temperaturą wytopu bez uwzględniania właściwości i składu wytopu.

Według wynalazku, sposób regulacji natężenia przepływu ciekłego materiału w przewodzie, w którym inicjuj e się przepływ ciekłego materiału przez przewód i odprowadza się ciepło z przewodu i z ciekłego materiału, charakteryzuje się tym, że mierzy się co najmniej jeden z parametrów wybranych spośród temperatury wlotowej ciekłego materiału wprowadzanego do przewodu, prędkości przepływu ciekłego materiału przez przewód i współczynnika od168 911 prowadzania ciepła z przewodu. Następnie na podstawie zależności pomiędzy współczynnikiem odprowadzania ciepła z przewodu a współczynnikiem odprowadzania ciepła z ciekłego materiału wyznacza się współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału przepływającego przez przewód, przy czym reguluje się współczynnik odprowadzania ciepła z przewodu do wartości, przy której wartość współczynnika odprowadzania ciepła z ciekłego materiału zapewnia krzepnięcie ciekłego materiału na ściankach przewodu i ograniczenie przepływu ciekłego materiału w przewodzie do określonej wartości.

Korzystnie współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału reguluje się za pomocą płaszcza wymiennika ciepła umieszczonego na przewodzie poprzez zmianę natężenia przepływu i/lub temperatury chłodziwa przepływającego przez płaszcz wymiennika ciepła.

Korzystnie współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału przepływającego przez przewód określa się na podstawie wyniku pomiaru co najmniej jednego z parametrów spośród temperatury ściany przewodu, temperatury wlotowej chłodziwa wprowadzanego do płaszcza wymiennika ciepła i natężenia przepływu chłodziwa w płaszczu wymiennika ciepła.

Korzystnie jako ciekły materiał stosuje się ciekły produkt wytopu w piecu.

Korzystnie zależność pomiędzy współczynnikiem odprowadzania ciepła z ciekłego materiału i natężeniem przepływu ciekłego materiału przez przewód określa się za pomocą bezwymiarowego parametru, który stanowi współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału.

Korzystnie współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału określa się za pomocą bezwymiarowego parametru krzepnięcia T_w według wzoru

T_w* = k_s(Tf- T_w)/kL(To - Tf) gdzie: ks - przewodność cieplna w stanie stałym, kL - przewodność cieplna ciekłego materiału,

Tf - temperatura krzepnięcia i topnienia,

Tw - temperatura ścianki przewodu,

To - temperatura wlotowa ciekłego materiału.

Korzystnie natężenie przepływu ciekłego materiału w przewodzie określa się za pomocą liczby Reynolds’a (Re) według wzoru

Re = 2VpR/p gdzie: V - prędkość średnia przepływu ciekłego materiału w przewodzie, p - gęstość ciekłego materiału,

R - promień przewodu, μ - lepkość ciekłego materiału.

Według wynalazku, urządzenie do regulacji natężenia przepływu ciekłego materiału w przewodzie, zawierające zespół do odprowadzania ciepła z przewodu i z ciekłego materiału do jego krzepnięcia, charakteryzuje się tym, że zawiera pierwszy zespół pomiarowy do pomiaru co najmniej jednego, związanego z przepływem ciekłego materiału przez przewód, parametru spośród temperatury wlotowej ciekłego materiału przy wejściu do przewodu, natężenia przepływu ciekłego materiału przez przewód i współczynnika odprowadzania ciepła z przewodu za pośrednictwem zespołu do odprowadzania ciepła z przewodu. Pierwszy zespół pomiarowy jest połączony z zespołem obliczającym do określania współczynnika odprowadzania ciepła z ciekłego materiału na podstawie zmierzonych parametrów i w zależności pomiędzy współczynnikiem odprowadzania ciepła i natężeniem przepływu w przewodzie, a zespół obliczający jest połączony z zespołem regulującym do ustalania współczynnika odprowadzania ciepła z przewodu w wysokości określającej zamierzone natężenie przepływu ciekłego materiału w przewodzie.

Korzystnie zespół do odprowadzania ciepła z przewodu zawiera wymiennik ciepła z płaszczem umieszczonym wokół przewodu.

Korzystnie z wymiennikiem ciepła jest połączony zespół do regulacji natężenia przepływu i/lub temperatury chłodziwa płynącego w płaszczu.

168 911

Korzystnie zespół obliczeniowy jest dostosowany do określania współczynnika odprowadzania ciepła z ciekłego materiału na podstawie zależności pomiędzy współczynnikiem odprowadzania ciepła i natężenia przepływu, oznaczonych bezwymiarowymi parametrami.

Korzystnie zespół obliczeniowy jest dostosowany do określenia współczynnika odprowadzania ciepła z zależności, w której współczynnik odprowadzania ciepła jest wyrażony za pomocą bezwymiarowego parametru krzepnięcia Tw określonego wzorem

Tw* = k_s(Tf-Tw)/k_L(T₀-Tf) gdzie: ks - przewodność cieplna w stanie stałym, kL - przewodność cieplna ciekłego materiału,

Tf - temperatura krzepnięcia i topnienia,

Tw - temperatura ścianki przewodu,

To - temperatura wlotowa ciekłego materiału.

Korzystnie zespół obliczeniowy jest dostosowany do określenia współczynnika odprowadzania ciepła z zależności, w której wydatek płynu jest wyrażony za pomocą liczby Reynolds’a (Re) określonej wzorem

Re = 2'VpR'1 gdzie: V - prędkość średnia przepływu ciekłego materiału w przewodzie, p - gęstość ciekłego materiału,

R - promień przewodu, μ - lepkość ciekłego materiału.

Korzystnie z zespołem obliczeniowym jest połączony drugi zespół pomiarowy do pomiaru co najmniej jednego parametru spośród temperatury cieczy, temperatury ściany przewodu, temperatury wlotowej chłodziwa, natężenia przepływu chłodziwa.

Sposób według wynalazku polega na regulowaniu przepływu ciekłych materiałów, zwłaszcza produktów pieca poprzez regulowanie grubości zakrzepłego kożucha tworzącego się w otworze spustowym. Dzięki temu istnieje możliwość regulowania przepływu ciekłych produktów pieca w skrajnych warunkach, w których nie można stosować znanych zaworów regulacyjnych.

Dzięki zmianie ilości ciepła odprowadzanego z ciekłego materiału płynącego w przewodzie istnieje możliwość regulacji grubości kożucha zakrzepłego materiału formującego się na wewnętrznej powierzchni przewodu, a tym samym zwiększania lub zmniej szania powierzchni przekroju poprzecznego, którym może płynąć stopiony materiał.

Płynny metal przepływający rurą może być zanieczyszczany metalem lub elementami ogniotrwałymi odpadającymi od wewnętrznej powierzchni przewodu. Dodatkową zaletą tego sposobujestto, ze dzięki regulacji wydatku metalu wewnętrzna powierzchnia wymiennika ciepła jest na ogół pokryta cienką warstwą zakrzepłego metalu. Warstwa ta chroni wewnętrzną powierzchnię wymiennika ciepła przed erozją powodowaną przez płynący metal, a tym samym zapobiega jego zanieczyszczeniu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój przewodu instalacji do wytopu, fig. 2 - schemat blokowy laboratoryjnego urządzenia do regulacji natężenia przepływu ciekłych produktów, fig. 3 - schemat instalacji do wytopu z urządzeniem do regulacji natężenia przepływu ciekłych produktów, fig. 4 - wykres pokazujący bezwymiarowy spadek ciśnienia w funkcji liczby Reynolds’a, fig. 5 wykres pokazujący bezwymiarowy spadek ciśnienia w funkcji liczby Reynolds’a, fig. 6 - wykres bezwymiarowego parametru krzepnięcia (Tw ) w funkcji liczby Reynolds’a oraz fig. 7 - wykres pokazujący bezwymiarowy spadek ciśnienia w funkcji liczby Reynolds’a.

Na fig. 3 przedstawiono schemat instalacji do wytopu, zawierającej urządzenie do regulacji wydatku wypływu ciekłego materiału, według wynalazku. Instalacja zawiera reaktor 1 typu Sirosmelt, składający się z wyłożonej materiałem ogniotrwałym kadzi 2, w której znajduje się płynny żużel 3 i stopiony metal lub warstwa kamienia miedziowego 4. W żużlu 3 zanurzona jest lanca 5 doprowadzająca gazy czynne. W kadzi 2 jest zamocowana rura grafitowa 6 wmurowana

168 911 w przednią część otworu spustowego 7. Rura grafitowa 6 jest połączona łącznikiem 8 z przewodem spustowym 9 do transportu żużla z kadzi 2.

Urządzenie do regulacji wydatku wypływu ciekłego materiału według wynalazku zawiera miedziany wymiennik ciepła 10 otaczający przewód spustowy 9. Urządzenie zawiera zawór (nie pokazany), za pomocą którego jest regulowane natężenie przepływu chłodziwa w wymienniku ciepła 10. Zawór reaguje na określony współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału w przewodzie spustowym do chłodziwa.

Jak pokazano na fig. 2, dla doświadczalnego modelu urządzenia, zainstalowany na przewodzie spustowym 9 wymiennik ciepła 10 składa się z płaszcza 11, wewnątrz którego płynie chłodziwo doprowadzane wlotem 12 i odprowadzane wylotem 13.

Sposób regulacji przepływu ciekłego materiału w przewodzie, według wynalazku polega na tym, że inicjuje się przepływ ciekłego materiału przez przewód 9 i mierzy się co najmniej jeden z parametrów wybranych spośród temperatury wlotowej T_o ciekłego materiału wprowadzanego do przewodu 9, prędkości V_z przepływu ciekłego materiału przez przewód i współczynnik odprowadzania ciepła z przewodu 9, to znaczy od jego ścianek.

Na podstawie współczynnika odprowadzania ciepła z przewodu 9 określa się wartość współczynnika odprowadzania ciepła z ciekłego materiału przepływającego przez przewód 9 na podstawie wyprowadzonych teoretycznie zależności. Poprzez regulację współczynnika odprowadzania ciepła z przewodu 9 korzystnie za pomocą zmiany natężenia przepływu chłodziwa w wymienniku ciepła 10 otaczającym przewód 9.

Zależność pomiędzy współczynnikiem odprowadzania ciepła z przewodu 9 i natężeniem przepływu ciekłego materiału w przewodzie 9 a współczynnikiem odprowadzania ciepła z ciekłego materiału przepływającego przez przewód 9 określa się z zależności krzepnięcia cieczy płynącej przewodem 9 w warunkach ustalonych.

Na fig. 1 pokazano schematycznie przewód 9 w przekroju. Temperatura ścianki cylindrycznego przewodu 9 jest utrzymywana na stałym poziomie T_w, poniżej temperatury krzepnięcia cieczy Tf. Ciecz wpływająca do rurowego przewodu 9 ma równomierną temperaturę T_o, wyższą od temperatury Tf. W celu opracowania odpowiedniego modelu krzepnięcia cieczy w przewodzie 9 przyjęto założenia, że przepływ jest laminamy, stan jest ustalony, straty w wyniku konwekcji swobodnej i promieniowania sąpomijalne, straty związane z lepkościąsąpomijalne, temperatura ścianki przewodu 9 jest stała, własności fizyczne są stałe, a więc model może wykorzystywać własności fizyczne zależne od temperatury, ciecz podlega prawom Newtona, to znaczy model może przedstawiać kilka typów cieczy, paraboliczny profil prędkości występuje tylko na wlocie, a zerowy strumień cieplny występuje na wylocie przewodu 9.

Przedstawioną sytuację opisują równania ciągłości, zachowania momentu i energii w cieczy oraz równanie zachowania energii dla ciała stałego. Przyjęto następujące warunki graniczne dla równań. Brak jest poślizgu na granicy międzyfazowej ciało stałe - ciecz. Temperatura przy ściance rurowego przewodu wynosi T_w. Temperatura na granicy międzyfazowej ciało stałe - ciecz wynosi Tf. W ustalonych warunkach strumień ciepła przez powierzchnię międzyfazową ciało stałe - ciecz musi być ciągły.

W przypadku występowania krzepnięcia wewnątrz przepływu nie wiadomo a priori jakie jest położenie granicy międzyfazowej ciało stałe - ciecz. W takim przypadku należy je określić iteracyjnie. Założono początkowo położenie powierzchni międzyfazowej, a następnie niezależnie rozwiązano metodą elementu skończonego równania określające położenie obszarów stałych i ciekłych zapewniając spełnienie wszystkich warunków granicznych z wyjątkiem jednego. Ostatnim warunkiem granicznym jest stałość strumienia ciepła z ciała stałego do cieczy. Warunek ten jest spełniony, kiedy określone jest położenie granicy międzyfazowej ciało stałe - ciecz.

Do bezwymiarowych parametrów regulacyjnych i konstrukcyjnych według wynalazku należą: bezwymiarowy parametr krzepnięcia (T_w ), bezwymiarowy spadek ciśnienia (P ), liczba Reynolds’a (Re), liczba Pecleta (Pe), liczba PrandtPa (Pr) oraz stosunek średnicy do długości (L/D) przewodu 9.

168 911

Bezwymiarowy spadek ciśnienia P** jest parametrem konstrukcyjnym i jest funkcją poziomu ciekłego materiału 3 w reaktorze 1, średnicy przewodu rurowego 9, lepkości cieczy 3 i gęstości cieczy 3 i wyraża się zależnością:

P** = {P/^²/(8R²x p)]} gdzie: P - spadek ciśnienia w rurowym przewodzie 9, μ - lepkość ciekłego materiału,

R - promień rurowego przewodu 9, p - gęstość ciekłego materiału.

Liczba Pecleta (Pe) jest miarą znaczenia przewodnictwa ciepła w kierunku osiowym przewodu 9 i jest określana zależnością:

Pe = Pr x Re

Liczba Prandtl’a (Pr) jest powiązana z własnościami ciekłego materiału 3 zależnością:

Pr = Cpx μ/kL gdzie: Cp - pojemność cieplna ciekłego materiału, μ - lepkość ciekłego materiału, kL - przewodność cieplna ciekłego materiału, a liczba Reynolds’a wyraża się wzorem:

Re = 2VpR/p gdzie: V - prędkość średnia ciekłego materiału w przewodzie 9, p - gęstość ciekłego materiału,

R - promień rurowego przewodu 9, μ - lepkość ciekłego materiału.

Stosunek długości przewodu 9 do jego średnicy jest parametrem konstrukcyjnym otworu spustowego 7.

Liczba Reynolds’a i bezwymiarowy parametr krzepnięcia Tw są parametrami regulacyjnymi.

Bezwymiarowy parametr krzepnięcia określa się z zależności:

T* _ T-(T/ ~ T-_v) ^wk_L(T₀-T_f) gdzie: k_s - przewodność cieplna zestalonego materiału,

T_w - temperatura ścianek przewodu 9,

To - temperatura wlotowa ciekłego materiału,

Tf - temperatura krzepnięcia i topnienia.

Bezwymiarowy parametr krzepnięcia Tw jestjedynym parametrem, który można sterować w celu regulacji natężenia przepływu ciekłego materiału w przewodzie 9. Jedynym parametrem, który może być zmieniany w bezwymiarowym parametrze krzepnięcia Tw bez wpływu na pracę reaktora 1 jest temperatura Tw ścianek przewodu 9, która jest funkcją temperatury i natężenia przepływu chłodziwa w wymienniku ciepła 10. Tym samym zakres temperatur roboczych chłodziwa jest czynnikiem krytycznym z punktu widzenia regulacji natężenia przepływu ciekłego materiału w przewodzie 9. W przypadku stosowania wody jako chłodziwa, nie ma możliwości regulacji natężenia przepływu ciekłego materiału, ponieważ zakres temperatur roboczych wody jest bardzo mały i bardzo daleki od temperatury krzepnięcia materiału. W związku z tym wartość bezwymiarowego parametru krzepnięcia Tw dla wody jest w zasadzie stała w całym zakresie roboczym. Wynika to z niskiej przewodności cieplnej ciekłego materiału, którym jest na przykład żużel. W miarę narastania na żużlu zakrzepłego kożucha powstaje warstwa izolująca, stanowiąca silną przeszkodę dla przepływu ciepła. Alternatywnymi chłodziwami mogą być płynne metale lub mieszanina powietrza z wodą, zapewniające znacznie większy zakres roboczy.

168 911

Na fig. 4 przedstawiono wykres bezwymiarowego spadku ciśnienia P** w funkcji liczby Reynolds’a. Pokazane wyniki odnoszą się do przewodu 9, którego stosunek długości do promienia wynosi 2 i bezwymiarowego parametru krzepnięcia T o wartości 1. W miarę wzrostu liczby Reynoids’a bezwymiarowy spadek ciśnienia P rośnie od wartości minimalnej, co zazwyczaj występuje w przypadku laminarnego przepływu w przewodzie 9. Poniżej wartości minimalnej krzywa wykresu spadku ciśnienia w funkcji natężenia przepływu (liczby Re) ma pochylenie ujemne. Można to interpretować w ten sposób, że poniżej wartości minimalnej krzywe tego typu przechodzą bezwzględnie w zakres niestabilny i w zasadziejakiekolwiek próby pracy układów o ustalonym ciśnieniu w zakresie poniżej minimalnego kończą się całkowitą blokadą przepływu. W związku z tym wartość minimalna może być wykorzystywana jako wskaźnik początku całkowitej blokady przepływu w przewodzie.

Na fig. 4 przedstawiono porównanie wyników obliczeń metodą elementu skończonego (FEM) według wynalazku z obliczeniami opartymi na modelu przedstawionym w pracy R. D. Zerkle’ego i J. E. Sunderland’a “Wpływ krzepnięcia cieczy w rurze na przepływ laminarny, wymianę ciepła i spadek ciśnienia”, zamieszczonej w Journal of Heat Transfer, (Maj 1968), 183-190. Występuje dobra zgodność wyników uzyskanych obu tymi metodami. Istnieje niewielka różnica, którą można przypisać efektom wlotowym, założeniu o parabolicznym rozkładzie prędkości oraz pominięciu przez Zerkłe’ego i Sunderland’a przewodnictwa w kierunku osiowym. Przewodnictwo w kierunku osiowym jest pomijalne dla liczb Pecleta o wartościach powyżej 100. W przypadku eksperymentów z żużlem, liczba Pecleta wynosiła powyżej 1000, co usprawiedliwiało zaniedbanie przewodnictwa w kierunku osiowym. W celu ułatwienia obliczeń porównano eksperymenty z żużlem z przewidywaniami na podstawie modelu przedstawionego w artykule Zerkle’ego i Sunderland’a.

Skuteczność modelu wykazano w przeprowadzonych kilku przykładowych doświadczeniach.

Przykład I. Przeprowadzono doświadczenia ze spuszczaniem żużla z reaktora 1 typu SIROSMELT pokazanego na fig. 3. Urządzenie do regulacji wydatku płynnych produktów pieca, według wynalazku, zawierało chłodzony wodą miedziany wymiennik ciepła 10 dołączony do bloku reaktora 1. Wypływ żużla 3 z reaktora 1 był uruchamiany za pomocą lancy tlenowej, natomiast miedziany wymiennik ciepła 10 był dołączony do otworu spustowego 7 za pośrednictwem łącznika grafitowego 6. Żużel płynął przez wymiennik ciepła 10 i był chłodzony przez chłodziwo, tworząc wewnątrz wymiennika ciepła 10 kożuch. Mierzono początkowy poziom ciekłego żużla 3 w piecu, wydatek żużla 3, temperaturę żużla 3, rozkład temperatury w wymienniku ciepła 10, wydatek chłodziwa, temperaturę chłodziwa na wlocie i wylocie.

Na fig. 5 przedstawiono wyniki bezwymiarowego spadku ciśnienia P , uzyskane w tym eksperymencie przy spuszczaniu żużla z reaktora 1 typu SIROSMELT w porównaniu z wynikami obliczonymi według modelu Zerkle’ego i Sunderland’a. Uzyskane wartości eksperymentalne zgadzają się w rozsądnych granicach z modelem. Różnice pomiędzy modelem a wynikami eksperymentalnymi można wytłumaczyć tym, że żużel nie ma jednej temperatury topnienia, a jego własności zależą od temperatury oraz błędami w obliczeniach własności i błędami eksperymentalnymi.

Przykład II. Przeprowadzono badania laboratoryjne na doświadczalnym urządzeniu do regulacji wydatku płynnych produktów pieca pokazanym na fig. 2. Jako chłodziwo stosowano wodę, natomiast czynnikiem płynącym przewodem 11 był węglowodór C20H42 (eikozan).

W celu określenia i weryfikacji zależności matematycznej zastosowano eikozan, ponieważ jego temperatura topnienia jest na tyle niska, że można stosować konwencjonalne urządzenia do regulacji wydatku. Eikozan doprowadzano ze zbiornika 14, a jego wydatek regulowano przepływomierzem pływakowym swobodnym 15, zaworem regulacyjnym 16 i pompą 17. Czujniki P, T i Tc to odpowiednio manometry ciśnienia, termometry i termopary.

Mierzono następujące parametry: natężenie przepływu eikozanu, ciśnienie na wlocie i wylocie z wymiennika ciepła 10, temperaturę płynnego eikozanu na wlocie i wylocie z wymień10

168 911 nika ciepła 10, temperaturę ścianek przewodu 9, grubość kożucha eikozanu, temperaturę chłodziwa na wlocie i wylocie, natężenie przepływu chłodziwa.

Na fig. 6 przedstawiono zależności pomiędzy bezwymiarowym parametrem krzepnięcia Tw* i natężeniem przepływu ciekłego materiału. Na podstawie fig. 6 można określić maksymalną wartość bezwymiarowego parametru krzepnięcia T , która odpowiada maksymalnej ilości chłodziwa potrzebnej do całkowitego zablokowania przepływu w przewodzie 9.

Otrzymane wyniki świadczą o tym, że istnieje związek pomiędzy bezwymiarowym parametrem krzepnięcia T a liczbą Reynolds’a, przy czym jest on w zasadzie taki, jakiego należałoby spodziewać się z modelu matematycznego. Związek ten umożliwia regulację natężenia przepływu cieczy w przewodzie poprzez zmianę wydatku lub temperatury chłodziwa w płaszczu wymiennika ciepła, w wyniku czego następują odpowiednie zmiany intensyfikacji krzepnięcia cieczy we wspomnianym przewodzie.

Na fig. 7 przedstawiono wyniki doświadczalnych badań na urządzeniu z fig. 2 bezwymiarowego spadku ciśnienia P w porównaniu z wynikami według modelu Zerkle’ego i Sunderland’a. Zgodność wyników jest dobra, co jest przypisywane materiałowi o temperaturze topnienia w pewnym specyficznym przedziale, dokładnej znajomości zależności własności od temperatury oraz laminamości przepływu we wszystkich miejscach przewodu 9.

Wynalazek opisano w odniesieniu do modelu opracowanego dla laminarnego przepływu cieczy przez przewód 9, ale profesjonaliści z tej dziedziny techniki łatwo zorientują się, że w ramach jego koncepcji istnieje możliwość opracowania i zastosowania odpowiedniej zależności dla przepływów turbulentnych.

Zależność taką można opracować poprzez matematyczne modelowanie tego zakresu roboczego, a następnie zweryfikowanie lub zmodyfikowanie modelu w drodze badań w warunkach przemysłowych.

168 911

JSg. i

168 911

METODA ELEMENTU SKOŃCZONEGO

WYNIKI ANALITYCZNE Z PRACY

IZ&S1

1E5

1E4

1000 100 ·

1E 1

1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1 10 100

Re _W. 4

1000 doSwiadczaine Tw’5.3 Pr =115 l/d =7.5 r doSwiadczaine Tw-6.1 Pr =170 L/b =7.5 • doSwiadczaine Tw©4.2 Pr = 53 L/D =7.5

Tw©5

Tw©4 5

Tw*=5.5

Tw*=6 9. Tw^ł = 7

100 1000 Re

168 911

L/ο “ 7

Fig. 6

168 911

20000000

18000000

16000000 uoooooo

12000000 p*« 10000000

8000000 6000000 4000000 2000000

O

L/D =26.3 Pr-55.9

Re

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 4,00 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób regulacji natężenia przepływu ciekłego materiału w przewodzie, w którym inicjuje się przepływ ciekłego materiału przez przewód i odprowadza się ciepło z przewodu i z ciekłego materiału, znamienny tym, że mierzy się co najmniej jeden z parametrów wybranych spośród temperatury wlotowej ciekłego materiału wprowadzanego do przewodu, prędkości przepływu ciekłego materiału przez przewód i współczynnika odprowadzania ciepła z przewodu, a następnie na podstawie zależności pomiędzy współczynnikiem odprowadzania ciepła z przewodu a współczynnikiem odprowadzania ciepła z ciekłego materiału wyznacza się współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału przepływającego przez przewód, przy czym reguluje się współczynnik odprowadzania ciepła z przewodu do wartości, przy której wartość współczynnika odprowadzania ciepła z ciekłego materiału zapewnia krzepnięcie ciekłego materiału na ściankach przewodu i ograniczenie przepływu ciekłego materiału w przewodzie do określonej wartości.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału reguluje się za pomocą płaszcza wymiennika ciepła umieszczonego na przewodzie poprzez zmianę natężenia przepływu i/lub temperatury chłodziwa przepływającego przez płaszcz wymiennika ciepła.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału przepływającego przez przewód określa się na podstawie wyniku pomiaru co najmniej jednego z parametrów spośród temperatury ściany przewodu, temperatury wlotowej chłodziwa wprowadzanego do płaszcza wymiennika ciepła, i natężenia przepływu chłodziwa w płaszczu wymiennika ciepła.
4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że jako ciekły materiał stosuje się ciekły produkt wytopu w piecu.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zależności pomiędzy współczynnikiem odprowadzania ciepła z ciekłego materiału i natężeniem przepływu ciekłego materiału przez przewód określa się za pomocą bezwymiarowego parametru, który stanowi współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że współczynnik odprowadzania ciepła z ciekłego materiału określa się za pomocą bezwymiarowego parametru krzepnięcia Tw według wzoru:

Tw* = ks(Tf - Tw)/k_L(To - Tf) gdzie: ks - przewodność cieplna w stanie stałym, kL - przewodność cieplna ciekłego materiału,

Tf - temperatura krzepnięcia i topnienia,

Tw - temperatura ścianki przewodu,

To - temperatura wlotowa ciekłego materiału.
7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że natężenie przepływu ciekłego materiału w przewodzie określa się za pomocą liczby Reynolds'a (Re) według wzoru:

Re = 2VpR/p gdzie: V - prędkość średnia przepływu ciekłego materiału w przewodzie, p - gęstość ciekłego materiału,

R - promień przewodu, μ - lepkość ciekłego materiału.
8. Urządzenie do regulacji natężenia przepływu ciekłego materiału w przewodzie, zawierające zespół do odprowadzania ciepła z przewodu i z ciekłego materiału do jego krzep168 911 nięcia, znamienne tym, że zawiera pierwszy zespół pomiarowy do pomiaru co najmniej jednego, związanego z przepływem ciekłego materiału przez przewód (9), parametru spośród temperatury wlotowej (To) ciekłego materiału przy wejściu do przewodu (9), natężenia przepływu ciekłego materiału przez przewód (9) i współczynnika odprowadzania ciepła z przewodu (9) za pośrednictwem zespołu do odprowadzania ciepła z przewodu, przy czym pierwszy zespół pomiarowy jest połączony z zespołem obliczającym do określania współczynnika odprowadzania ciepła z ciekłego materiału na podstawie zmierzonych parametrów i zależności pomiędzy współczynnikiem odprowadzania ciepła i natężeniem przepływu w przewodzie (9), a zespół obliczający jest połączony z zespołem regulującym do ustalania współczynnika odprowadzania ciepła z przewodu (9) w wysokości określającej zamierzone natężenie przepływu ciekłego materiału w przewodzie (9).
9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że zespół do odprowadzania ciepła z przewodu (9) zawiera wymiennik ciepła (10) z płaszczem (11) umieszczonym wokół przewodu (9).
10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że z wymiennikiem ciepła (10) jest połączony zespół do regulacji natężenia przepływu i/lub temperatury chłodziwa płynącego w płaszczu (11).
11. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że zespół obliczeniowy jest dostosowany do określania współczynnika odprowadzania ciepła z ciekłego materiału na podstawie zależności pomiędzy współczynnikiem odprowadzania ciepła i natężenia przepływu, oznaczonych bezwymiarowymi parametrami.
12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że zespół obliczeniowy jest dostosowany do określenia współczynnika odprowadzania ciepła z zależności, w której współczynnik odprowadzania ciepła jest wyrażony za pomocą bezwymiarowego parametru krzepnięcia T_wokreślonego wzorem

T_w‘ = k_s(Tf-Tw)/k_L(T₀-Tf) gdzie: ks - przewodność cieplna w stanie stałym, kL - przewodność cieplna ciekłego materiału, tf - temperatura krzepnięcia i topnienia,

Tw - temperatura ścianki przewodu,

To - temperatura wlotowa ciekłego materiału.
13. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że zespół obliczeniowy jest dostosowany do określenia współczynnika odprowadzania ciepła z zależności, w której wydatek płynu jest wyrażony za pomocą liczby Reynolds’a (Re) określonej wzorem:

Re = 2VpR/p gdzie: V - prędkość średnia przepływu ciekłego materiału w przewodzie, p - gęstość ciekłego materiału,

R - promień przewodu, μ - lepkość ciekłego materiału.
14. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że z zespołem obliczeniowym jest połączony drugi zespół pomiarowy do pomiaru co najmniej jednego parametru spośród temperatury cieczy, temperatury ściany przewodu, temperatury wlotowej chłodziwa, natężenia przepływu chłodziwa.