PL69009B1 - - Google Patents

Description

Pierwszenstwo: 14.05.1969 Francja Opublikowano: 31.05.1974 69009 KI. 17f,12/04 MKP F28d7/04 [iTHTorilcA] jfty** 'Zzr-^l Twórca wynalazku: Paul Brulhet Wlasciciel patentu: Wendel-Sidelor S. A., Hayange (Francja) Urzadzenie do chlodzenia obszarów poddawanych wysokim temperaturom Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do chlo¬ dzenia obszarów poddawanych wysokim temperatu¬ rom, zwlaszcza obszarów wydluzonych takich jak dysze i skrzynki chlodnicze wielkich pieców.Dysze i skrzynki chlodnicze wielkich pieców sa elementami przenikajacymi do wnetrza wielkiego pieca, w którym panuje wysoka temperatura.Ksztalt i polozenie tych dwóch elementów sa wiec podobne, chociaz ich dzialanie bywa rózne. Dysze sa lekko stozkowe i sluza do doprowadzenia po¬ wietrza lub ewentualnie innych plynów, podczas gdy skrzynki chlodnicze maja na ogól przekrój prostokatny chociaz moga miec równiez kazdy inny ksztalt na przyklad okragly. Dysze i skrzynki chlo¬ dnicze posiadaja wewnatrz obieg wody. W obydwu przypadkach chodzi o chlodzenie obszaru o wyso¬ kiej temperaturze.W znanych urzadzeniach dysze z miedzi sa pod¬ dawane temperaturom rzedu od 1700 do 2000°C a ich trwalosc jest tylko rzedu od 150 do 300 dni.Temperatury goracego powietrza osiagaly dawniej wielkosc od 700 do 1000, a nawet 1100§C, kilka lat temu osiagaly wartosc od 1300 do 1400QC. Wy- tryskiwanie przez dysze weglowodorów cieklych lub gazowych spowodowalo wzrost temperatury dysz.Strumienie ciepla absorbowane przez scianki dysz tak ze strony zewnetrznej jak i wewnetrznej staja sie coraz bardziej znaczne, co w coraz wiekszym stopniu wplywa na zmniejszenie trwalosci dysz, które sa elementami bardzo kosztownymi. 10 15 20 25 Ciagly wzrost wydajnosci wielkich pieców pola¬ czony ze wzrostem ich wymiarów powoduje, ze stosowane dysze staja sie coraz mniej ekonomiczne.Jest wiec bardzo wazne aby znalezc srodki pozwa¬ lajace zapewnic dyszom wieksza trwalosc mimo znacznych trudnosci. Z tego powodu zbadano zja¬ wisko powstajace podczas obiegu wody w dyszach.Wiadomo, ze wrzenie wody nastepuje wówczas gdy temperatura zewnetrznej scianki plaszcza wod¬ nego osiaga temperature wrzenia wody. Tworzace sie pecherzyki pary odrywaja sie wolniej lub szyb¬ ciej wzdluz scianki, a nastepnie skraplaja sie w srodku cieczy, w której cisnienie pary jest o po¬ lowe nizsze od cisnienia panujacego przy sciance.Te pecherzyki przyspieszaja predkosc pradów uno¬ szenia.Jezeli strumien ciepla przenoszony przez ciecz chlodzaca jest mniejszy od strumienia ciepla absor¬ bowanego przez obszar temperatura scianki zwie¬ ksza sie, a intensywnosc tworzenia sie pecherzyków pary wzrasta. Trudnosci oderwania sie pecherzy¬ ków pary od scianek sa tego rodzaju, ze tworzy sie ciagly film pary na calosci lub czesci powierzchni scianki. Zjawisko to okreslane jest jako „stan krop¬ lowy". Stan kroplowy zmniejsza wspólczynnik prze¬ wodnosci cieplnej i z tego powodu ogranicza zdol¬ nosc usuwania strumienia ciepla poprzez ciecz chlo¬ dzaca; powoduje to coraz wiekszy wzrost tempera¬ tury materialu scianki az do jej zupelnego znisz¬ czenia. 69 00969 009 3 W ogólnie stosowanych ukladach chlodzenia obecnosc zjawiska stanu kroplowego w kazdym punkcie obszeru jest praktycznie niekontrolowana.W rzeczywistosci kontrola skutecznosci ukladu po¬ lega na mierzeniu temperatury miedzy wejsciem i wyjsciem cieczy chlodzacej, otóz to mierzenie przedstawia tylko srednia nagrzan miedzy ciecza stykajaca sie ze sciankami i ciecza, która sie do¬ tychczas ze sciankami nie stykala.Aby spróbowac zaradzic szkodliwym efektom stanu kroplowego prowadzacego do szybkiego zni¬ szczenia dysz stosowano róznego rodzaju urzadzenia.Najpierw wprowadzono do plaszcza wodnego je¬ den lub kilka .nurników dostatecznie gleboko aby otrzymac obieg turbulentny u wylotu dyszy. To urzadzenie okazalo sie malo skuteczne gdyz utwo¬ rzony obieg wody jest niekontrolowany i istnieje duza róznica przeplywu wody na sciance w zalez¬ nosci od oddalenia scianki od wyjscia nurników.Ponadto gwaltowne zmiany przekrojów powoduja bardzo znaczne straty cisnienia.Próbowano równiez umiescic w plaszczu wodnym dzwon cylindryczno-stozkowy w ten sposób aby utworzyc obieg wspólsrodkowy w cienkich warst¬ wach. Niemniej, równiez natrafiono na trudnosci uzyskania jednolitego podzialu predkosci. Aby ten uklad byl skuteczny trzeba byloby zapewnic bar¬ dzo duzy wydatek wody, co jest trudne do uzyskania ze wzgledu na konieczne ograniczone wymiary rur zasilajacych i rur wylotowych. Próbowano równiez wykonac dysze jako masywny element odlewny z obiegiem wody w sciance elementu. Ale odlewa¬ ne scianki z metalu o zmiennej grubosci powoduja znaczna róznice temperatur, a poniewaz dysza byla odlewana, obieg chlodziwa posiadal nierównosci po¬ wierzchniowe zmniejszajace skutecznosc chlodzenia.Celem wynalazku jest usuniecie wyzej wymienio¬ nych niedogodnosci eliminujac przyczyny powsta¬ wania zjawiska stanu kroplowego, tworzac na sciance chlodzacej dostateczne predkosci obiegu chlodziwa zachowujac jednolite predkosci dajace sie kontrolowac w kazdym przekroju obiegu.Cel ten, zgodnie z wynalazkiem osiagnieto sto¬ sujac urzadzenie do chlodzenia obszarów podda¬ wanych wysokim temperaturom, zwlaszcza dysz i skrzynek chlodniczych wielkich pieców, którego istota polega na tym, ze zawiera ono co najmniej jeden przewód chlodzacy w ksztalcie powierzchni srubowej umieszczony przy sciance chlodzonego obszaru poczawszy od punktu najbardziej chlodnego az do punktu najbardziej goracego, przy czym ten przewód jest polaczony za pomoca rowka spiral¬ nego, z powrotnym przewodem srubowym.W urzadzeniu tym przekrój poprzeczny przewo¬ dów jest progresywnie zmienny, przy czym prze¬ krój jednego przewodu zmniejsza sie poczawszy od wejscia cieczy chlodzacej w kierunku punktu ob¬ szaru najbardziej goracego, a przekrój drugiego przewodu wzrasta od tego punktu w kierunku wyjscia cieczy chlodzacej. W urzadzeniu wedlug wynalazku predkosc strug wody jest w przybli¬ zeniu jednakowa w kazdym przekroju poprze¬ cznym przewodów chlodzacych, poniewaz wymia¬ ry przekrojów poprzecznych S przewodów wów¬ czas, gdy nie sa one kolowe, spelniaja nierównosc 0,45 h —, gdzie P jest obwodem rozwazanego przekroju, S przekrojem poprzecznym przewodu, a h jego najmniejszym wymiarem, przy którym 5 mozliwe jest wystepownaie obiegu. Urzadzenie jest niezalezne od obszaru chlodzonego i moze byc wprowadzone w ten obszar i w razie potrzeby z niego usuniete. Urzadzenie jest wykonane z ma¬ terialu obojetnego chemicznie w stosunku do uzy- 10 tego czynnika chlodzacego, korzystnie z tworzywa lub metalu elektroujemnego w stosunku do meta¬ lu obszaru chlodzonego. Ponadto. urzadzenie ma ksztalt umozliwiajacy wprowadzenie go miedzy podwójne scianki dyszy wielkiego pieca lub 15 skrzynki chlodniczej i w miare potrzeby usuniecie z nich oraz posiada na zewnetrznych i wewnetrz¬ nych powierzchniach bocznych rowki tworzace z wnetrzem scianki zewnetrznej dyszy pierwszy przewód srubowy i z wnetrzem scianki wewne- o trznej dyszy drugi przewód srubowy, przy czym obydwa przewody srubowe posiadaja zwoje prze¬ ciwne, a polaczenie miedzy tymi dwoma przewo¬ dami jest wykonane w poblizu wylotu dyszy za pomoca spiralnego rowka. Urzadzenie posiada 25 zewnetrzny rowek w ksztalcie powierzchni srubo¬ wej i wewnetrzny otwór z polaczeniem miedzy nimi w ksztalcie spirali wykonanej od strony dna skrzynki chlodniczej miedzy rowkiem w ksztalcie powierzchni srubowej i otworem. 30 Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przy¬ kladach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 jest przekrojem podluznym dyszy zaopatrzonej w urzadzenie chlodzace, fig. 2 jest przekrojem wedlug linii II — II na fig. 1, fig. 3 jest prze- 35 krojem podluznym dyszy zaopatrzonej w urzadze¬ nie chlodzace wedlug wynalazku, fig. 4 jest prze¬ krojem wedlug linii IV — IV na fig. 3, fig. 5 jest przekrojem wedlug linii V — V na fig. 3, fig. 6 jest przekrojem wedlug linii VII — VII na fig. 6. 40 Na fig. 1 przedstawiono dysze zaopatrzona w zna¬ ne urzadzenia chlodzace. Przedstawiona dysza jest utworzona przez zewnetrzna scianke 1 i wewnetrz¬ na scianke 2, zasadniczo z miedzi, polaczone mie¬ dzy soba u wylotu 3 dyszy w ten sposób, ze two- 45 rza plaszcz dla obiegu wody.Scianki 1 i 2 sa sztywno polaczone z glowica 4.Znane urzadzenie jest utworzone na przyklad przez dwa nurniki 5 umocowane w glowicy, z których jeden jest przedstawiony na fig. 2 i obydwa do- 50 chodza w okolice wylotu dyszy. Uzyskuje sie wiec w okolicy wylotu dyszy obieg turbulentny wody wedlug toru oznaczonego strzalkami f usuwanej przez otwór 7.Jak to juz zostalo powiedziane urzadzenie jest malo skuteczne. Inne znane urzadzenia na przy¬ klad z obiegiem wspólsrodkowym w cienkich war¬ stwach lub z obiegiem wewnetrznym na zewnatrz grubosciennego odlewu daja lepsze rezultaty, które sa równiez niezadowalajace.^ Urzadzenie wedlug wynalazku przedstawione na fig. 3 umieszcza sie we wnetrzu plaszcza wodnego.Dysza zawierajaca scianki zewnetrzne i wewne-. trzne 1 i 2 polaczone wylotem 3 dyszy jest za¬ mocowana do glowicy 4. Glowica 4 ze stali lub 85 miedzi jest uzyta dla umocowania na oslonie 8 555 wielkiego pieca i nie wymaga znacznego chlodze¬ nia, gdyz nie jest narazona na wysoka temperature, natomiast wylot 3 i scianka 1 sa poddane bardzo wysokim i zróznicowanym temperaturom, przy czym temperatura maksymalna panuje po stronie wylotu w miejscu, w którym powietrze zasila wielki piec.Do wnetrza plaszcza utworzonego przez scianki 1 i 2 wprowadzono urzadzenie wedlug wynalazku utworzone przez przegrode srubowa, która tworzy z wnetrzem scianki zewnetrznej 1 pierwszy przewód srubowy 10, którego przekrój zmniejsza sie stopniowo poczynajac od glowicy az do wylotu, a z wnetrzem scianki wewnetrznej 2 tworzy drugi przewód srubowy 11, którego przekrój zmniejsza sie w tym samym kierunku co przewód pierwszy.Polaczenie miedzy dwoma przewodami jest wyko¬ nane w okolicy wylotu za pomoca rowka spiralne¬ go 12, jak to przedstawiono na fig. 5. Fig. 3 i 4 przedstawiaja cztery wloty wody 13 i 14, te wloty przecinaja wewnetrzne przewody srubowe. Wloty i wyloty w glowicy sa doprowadzone az do urza¬ dzenia, które wprowadzono do dyszy, dzidki zaslo¬ nie 15 utworzonej w glowicy.Woda wchodzi do glowicy otworami 13 i 14 i przechodzi najpierw w miejsce 16 utworzone miedzy zaslona i scianka wewnetrzna glowicy.Woda dochodzi wiec do wewnetrznego przewodu srubowego 11, a nastepnie az do konca wylotu dyszy. Stad jest ona prowadzona spiralnym row¬ kiem 12 az do przewodu srubowego 10, który do¬ chodzi w miejsce 17 miedzy zaslona i scianka zew¬ netrzna glowicy skad jest usuwana na zewnatrz.Jak wiec widac cala powierzchnia scianki 1 i 2 jest oplukiwana przez wode chlodzaca. Ponadto progresywne zmniejszenie przekroju poprzecznego zewnetrznych przewodów srubowych w kierunku wlotu i progresywny wzrost w wewnetrznym obiegu zawracajac w kierunku glowicy powoduje, ze czesci bardziej gorace sa chlodzone bardziej energicznie. Ponadto kierunek wirowania wody chlodzacej wokól osi podluznej dyszy jest staly co powoduje minimalne straty natezenia przeplywu w przewodzie.Bardzo jest istotne, aby w kazdym przekroju poprzecznym przewodów predkosc strugi wody byla praktycznie jednakowa. Jesli strugi wody nie posiadaja takiej samej predkosci, bardzo trudno jest poznac pojawienie sie stanu kroplowego w ja¬ kimkolwiek punkcie zewnetrznej powloki plaszcza wodnego, a w nastepstwie kontrolowanie stanu kroplowego, to znaczy optymalnego chlodzenia dyszy. Okreslenie stanu kroplowego mozliwe jest tylko wtedy, gdy znana jest róznica temperatur miedzy wejsciem i wyjsciem cieczy chlodzacej.Natomiast jezeli predkosci strug wody nie sa cal¬ kowicie równe w kazdym punkcie kazdego po¬ przecznego przekroju obiegu stwierdzono, ze tem¬ peratura na wyjsciu przedstawia tylko temperature zawarta miedzy temperatura cieczy majaca kontakt ze scianka zewnetrzna plaszcza wodnego i tempe¬ ratura cieczy, która dotychczas nie stykala sie z tym plaszczem. W rzeczywistosci temperatura ta nie odpowiada temperaturze zewnetrznej scianki plaszcza wodnego. 9 009 6 Aby otrzymac jednorodnosc predkosci stwierdzo¬ no, ze przekrój poprzeczny S przewodów chlo¬ dzacych w dowolnym punkcie tych przewodów i obwód P musza miec stosunek mniejszy od naj- 5 mniejszego wymiaru h wyrazajacy sie wzorem g 0,45 h —. Wzór ten wskazuje, ze w przypadku wyzej opisanego urzadzenia majac dany nie kolowy przekrój poprzeczny przewodów srubowych nie po- io winien powstac warstwowy uklad cieczy chlodza¬ cej, co przyczyniloby sie do tworzenia martwych stref na koncach omawianego przekroju. Ponadto otrzymujac przewód o korzystnym przekroju z pun¬ ktu widzenia hydraulicznego, straty cisnienia sa 15 zredukowane. W praktyce stwierdzono, ze w przy¬ padku przekroju prostokatnego, jego dlugosc nie powinna byc wiejksza niz osiem wysokosci.Temperatura wody u wyjscia odpowiada tempe¬ raturze wewnetrznej powierzchni scianki zewne- 20 trznej plaszcza wodnego, mozna wiec regulowac jej wydatek w kazdym momencie w sposób stoso¬ wny do predkosci usuwanych strumieni ciepla, otrzymujac wymiane ciepla przez unoszenie i uni¬ kajac stanu kroplowego. W tym przedmiocie jest 25 pewne, ze efekt odsrodkowy wymuszony ksztaltem srubowym przewodu spowoduje oderwanie peche¬ rzyków pary jezeli zaistnieje taka koniecznosc.Urzadzenie poprzednio opisane, którym jest w sumie regulator i miejscami przyspieszacz obie- 30 gu, pozwala latwo zamienic dysze tradycyjne w dysze wedlug wynalazku, poniewaz wystarczy umiescic urzadzenie w plaszczach wodnych dysz.Rozumie sie, ze to urzadzenie moze byc utworzone z róznych materialów: metalu, gumy, tworzyw 35 sztucznych itd., byleby tylko te materialy nie ule¬ galy uszkodzeniu pod wplywem cieczy chlodzacej, panujacych temperatur i cisnien. Z drugiej strony, poniewaz urzadzenie wymaga tylko stosunkowo ni¬ skiego cisnienia dla otrzymania znacznych pred- 40 kosci obiegu, mozna umiescic kilka dysz w szeregu na tym samym przewodzie zasilajacym.Urzadzenie wedlug wynalazku moze byc równiez zastosowane do skrzynek chlodniczych wielkiego pieca, które sa zwlaszcz^T poddane bardzo znacz- 45 nym temperaturom gdyz znajduja sie glejbiej w piecu.Na fig. 6 przedstawiono jedna z takich skrzynek utworzona przez powloke 18 posiadajaca na ogól ksztalt równolegloscianu. Powloka ta jest ustalona 50 wzgledem oslony 19 wielkiego pieca przez spawa¬ nie. We wnetrzu powloki umieszczono wymienny przyspieszacz 20, którego scianki zewnetrzne sa do¬ pasowane z minimalnym luzem technologicznym do wnetrza skrzynki 18. To urzadzenie jest urno- 55 cowane na skrzynce za pomoca znanych srodków nie przedstawionych na rysunku, natomiast uszczel¬ ka katowa 21 zapewnia szczelnosc wnetrza obiegu wody.Powierzchnia zewnetrzna przyspieszacza ma 30 ksztalt przewodu srubowego 22, którego przekrój poprzeczny regularnie zmniejsza sie od wlotu 23 az do konca dna skrzynki. Powierzchnia czolowa urzadzenia posiada ksztalt spirali 24 jak to poka¬ zano na fig. 7. Woda przeplywajaca w kierunku 65 dna z wzrastajaca predkoscia jest kierowana od7 69 009 8 srodka dna skrzynki do centralnego otworu 25, którego przekrój wzrasta w kierunku wylotu 26.Jak wiadomo skrzynki chlodnicze sa czesto zbu¬ dowane ze stali. Powyzej opisany przyspieszacz korzystnie jest zbudowany z metalu elektronjem- nego w stosunku do zelaza, co zapewnia skrzynce oslona galwaniczna zabezpieczajaca przed korozja powstala wskutek dzialania wody na stalowe scianki. Powierzchnia tej scianki pozostaje zawsze czysta i zachowuje swoje zalety poczatkowej wy¬ miany ciepla.Stwierdzono, ze gdy temperatury wielkiego pieca od strony dna skrzynki podniosly sie z 1400 do 1 700°C, temperatura oslony podniesie sie z 60 do 80°C, a podnoszenie sie temperatury wody chlo¬ dzacej nie przekracza 1 do 2°C przy predkosci 1 do 2 m/sek i wydatku 10 mfygodz., a cisnienie niezbedne dla obiegu wody wynosi 0,1 bara.Obciazenie zasilajacej siatki wodnej pozwala ulozyc w szereg az dwanascie skrzynek. W przy¬ padku skrzynek poddawanych temperaturom bar¬ dzo wysokim mozna otrzymac szybkosci obiegu wody do 4 m/sek, przy której ogólne podniesienie temperatury nie przekroczy 14°C.Chociaz wewnetrzny przekrój poprzeczny urza¬ dzenia przedstawiono na fig. 7 jako kolowy, mozna rozwazac równiez wewnetrzny przekrój wielokatny, poniewaz urzadzenie daje sie przystosowac do wszystkich mozliwych ksztaltów skrzynek chlod¬ niczych. Skutecznosc urzadzenia bylaby oczywiscie najlepsza jesli ksztalt zewnetrzny skrzynki bylby kolowy gdyz grubosc powloki bylaby jednakowa.Jezeli chodzi o chlodzenie obszarów o innych ksztaltach jest mozliwe umieszczenie w tych obszarach dowolnej liczby urzadzen wedlug wynalazku. PL PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Urzadzenie do chlodzenia obszarów poddawa¬ nych wysokim temperaturom, znamienne tym, ze zawiera co najmniej jeden przewód chlodacy (11) w ksztalcie powierzchni srubowej, umieszczony przy sciance (2) chlodzonego obszaru poczawszy od punktu najbardziej chlodnego az do punktu naj- 5 bardziej goracego, przy czym przewód (11) jest polaczony, za pomoca rowka spiralnego (12), z pow¬ rotnym przewodem srubowym (10). 3. Urzadzenie wedlug zastrz. 2, znamienne tym, ze przekroje poprzeczne (S) przewodów (10, 11), wówczas gdy nie sa one kolowe, spelniaja nierów- S nosc0,45 h —, gdzie (P) jest obwodem rozwaza¬ nego przekroju, a (h) jego najmniejszym wymia¬ rem, przy którym mozliwe jest wystepowanie obiegu. 4. Urzadzenie wedlug zastrz. 1-3, znamienne tym, ze na zewnetrznych i wewnetrznych powierzchniach bocznych posiada rowki tworzace z wnetrzem scianki zewnetrznej (1) przewód srubowy (10) i z wnetrzem scianki wewnetrznej (2) przewód srubowy (11), przy czym obydwa przewody sru¬ bowe (10, 11) posiadaja zwoje przeciwne, a pola¬ czenie miedzy tymi dwoma przewodami w poblizu wylotu (3) dyszy stanowi spiralny rowek (12). 5. Urzadzenie wedlug zastrz. 1-4, znamienne tym, ze posiada zewnetrzny rowek (22) w ksztalcie po¬ wierzchni srubowej i wewnetrzny otwór (26) z po¬ laczeniem miedzy nimi w ksztalcie spirali (24), usytuowanym od strony dna skrzynki chlodniczej miedzy rowkiem (22) w ksztalcie powierzchni sru¬ bowej i otworem (26).

2. Urzadzenie wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze przekrój poprzeczny przewodów (10, 11) jest progresywnie zmienny, przy czym przekrój prze¬ wodu (11) zmniejsza sie poczawszy od wejscia cieczy chlodzacej w kierunku punktu obszaru naj¬ bardziej goracego, a przekrój przewodu (10) wzra¬ sta od tego punktu w kierunku wyjscia cieczy chlodzacej. 25 30 35KI. 17f,12/04 69 009 MKP F28d 7/04 FIG.I 1 z+i f^^-^77, ' f f '/////xs ¦ s s < r s ; .; s s~s 7s s - s s s -4<\ JZZZZZZ2ZZZZZZZZZZZZZZ 2ZZZ FIG.2 H4-JKI. 17f, 12/04 69 009 MKP F28d 7/04 FiG.4 FIG.5KI. 17f,12/04 69 009 MKP F28d7/04 CD PL PL