Ротационная установка для термообработки и плавки дисперсных и кусковых материалов

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ РОТАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ И ПЛАВКИ ДИСПЕРСНЫХ И КУСКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ(71) Заявитель Научно-производственное республиканское дочернее унитарное предприятие Технолит(72) Авторы Ровин Леонид Ефимович Валицкая Ольга Михайловна Ровин Сергей Леонидович(73) Патентообладатель Научно-производственное республиканское дочернее унитарное предприятие Технолит(57) 1. Ротационная установка для термообработки и плавки дисперсных и кусковых материалов, содержащая выполненную с возможностью вращения камеру в виде двух сопряженных между собой усеченных конических секций с выполненными соосно, с противоположных оснований секций соответственно входного отверстия для подвода газообразного теплоносителя или охладителя и выходного отверстия для ее отвода, отличающаяся тем, что образующие камеру усеченные конические секции сопряжены большими основаниями, а основание с входным отверстием имеет устройство, направляющее теплоноситель под углом к продольной оси камеры. 2. Ротационная установка по п. 1, отличающаяся тем, что соотношение диаметров больших оснований конических секцийк диаметрам меньших оснований конических секцийвыбрано в пределах /1/31/5, а углы при вершине конусов должны находиться в диапазоне от 22 до 40, при этом коническая секция с входным отверстием выполняется с углом при вершине конуса большим или равным углу при вершине конуса конической секции с выходным отверстием. 3. Ротационная установка по п. 1 или п. 2, отличающаяся тем, что устройство в секции с входным отверстием дробит теплоноситель на струи. 4. Ротационная установка по п. 1 или п. 2, отличающаяся тем, что в секции с выходным отверстием установлено устройство для снижения пылеуноса и уноса наиболее легких частиц обрабатываемого материала.(56) 1. А.с. СССР 1710967, МПК 27 В 7/00, 1992. 2. А.с. СССР 1608401 А 1, МПК 27 В 7/00, 1990 (прототип). 3. Борисов Г.С., Брыков В.П. и др. Основные процессы и аппараты химической технологии Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского, 2-е изд., перераб. и дополн. - М. Химия, 1991. - С. 298, 300. 4. Горбис З.Р., Календерьян В.А. Теплообменники с проточными дисперсными теплоносителями. - М. Энергия, 1975 - . 117. 5. Справочник по пыле-газоулавливанию. / Под общ. ред. А.А. Русанова. - М. Энергия,1975. - С. 64-65. Ротационная установка для термообработки и плавки дисперсных и кусковых материалов(далее полезная модель) относится к областям металлургии и литейного производства, а более конкретно к конструкции печей для различной термообработки и плавки полидисперсных и кусковых материалов, например сушки, нагрева, охлаждения, обжига, плавления. Полезная модель может найти применение также в химической промышленности и промышленности строительных материалов, например для сушки полидисперсных материалов. Известна установка 1, применяемая для термообработки дисперсных материалов, которая в процессе работы вращается. Ее камера выполнена в виде нескольких сопряженных между собой последовательно секций, а именно цилиндрической, усеченной конической и цилиндрической. Обрабатываемый дисперсный материал движется последовательно из секции в секцию, причем в коническую секцию попадает со стороны меньшего основания,а уходит со стороны большего основания. Такая конструкция позволяет уменьшать толщину слоя материала при движении в конической секции и тем самым интенсифицировать процесс термообработки по сравнению с известными барабанными печами. Однако термический к.п.д. такой установки остается низким (не более 12-15 ) не обеспечивается качественная термообработка полидисперсного материала, конструкция не уменьшает пылеунос и унос наиболее легких частиц обрабатываемого материала. Причиной этого является использование в установке одной конической секции и подачи газообразного теплоносителя или охладителя (в дальнейшем - теплоносителя) в направлении, соосном движению обрабатываемого материала, что не позволяет регулировать скорость теплоносителя от максимальной на входе в установку к минимальной в ее центральной части и вновь к максимальной на выходе не возможно обеспечить сложное поступательное движение теплоносителя по спирали. Такие установки нерационально использовать для периодической (порциями) обработки материала, потому что их к.п.д. в этом случае резко снижается. Значительное улучшение процесса термообработки обеспечивается в установке, конструкция камеры которой содержит две усеченные конические секции, сопряженные между собой 2. Обрабатываемый дисперсный материал движется со стороны меньшего основания соответственно одной секции и уходит со стороны большего основания другой секции. Теплоноситель проходит по камере соосно в противоположном направлении движению материала. Это, с одной стороны, позволяет значительно уменьшать толщину слоя обрабатываемого материала и тем самым увеличить термический к.п.д. приблизительно до 20 с другой стороны, такая конструкция не уменьшает пылеунос и унос наиболее легких частиц обрабатываемого материала, не может обеспечить качественную термообработку полидисперсного материала, такие установки нерационально использовать для периодической (порциями) обработки материала. Причина заключается в данном сопряжении конических секций камеры установки, а именно меньшее основание одной секции примыкает к большему основанию другой и является его продолжением кроме того, подача газообразного теплоносителя осуществляется в направлении, соосном движению об 2 1424 рабатываемого материала. Это не позволяет регулировать скорость теплоносителя от максимальной на входе в установку к минимальной в ее центральной части и вновь к максимальной на выходе не возможно обеспечить сложное поступательное движение теплоносителя по спирали. Такие установки нерационально использовать для периодической (порциями) обработки материала, потому что их к.п.д. резко снижается. Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении термического к.п.д., обеспечении качественного нагрева полидисперсных и кусковых материалов, интенсификации термообработки, уменьшении пылеуноса и уноса наиболее легких частиц материала, обработке порций полидисперсного материала при сохранении относительной простоты конструкции. Поставленная задача решается тем, что в известной ротационной установке для термообработки и плавки полидисперсных и кусковых материалов, содержащей выполненную с возможностью вращения камеру в виде двух сопряженных между собой усеченных конических секций с выполненными соосно с противоположных оснований соответственно входного отверстия для подвода газообразного теплоносителя или охладителя (в дальнейшем - теплоносителя) и выходного - для его отвода, согласно полезной модели, образующие камеру усеченные конические секции сопряжены большими основаниями, а основание с входным отверстием имеет устройство, направляющее теплоноситель под углом к продольной оси камеры и дробящее его на струи. При этом соотношение диаметров больших оснований конических секций к диаметрам меньших оснований конических секций выбрано в пределах /1/31/5, а углы при вершине конусов должны находиться в диапазоне от 22 до 40, коническая секция с входным отверстием (в дальнейшем диффузор) выполняется с углом при вершине конуса большим или равным соответственно углу конической секции с выходным отверстием (в дальнейшем конфузор). В конфузоре установлено устройство для снижения пылеуноса и уноса наиболее легких частиц материала. Отличительные конструктивные признаки заявляемой полезной модели и связи между ними позволяют проявлять ей ряд дополнительных свойств. Предлагаемое сопряжение секций обеспечивает изменение скорости потока теплоносителя, а именно, проходя по диффузору, движение замедляется до границы сопряжения секций, а затем в конфузоре ускоряется. Теплоноситель проходит через устройство в диффузоре, в результате чего, попадая в камеру, дробится на струи и получает направленное вращение по спирали. Скорость теплоносителя изменяется пропорционально квадрату диаметра его крутки. Слой обрабатываемого полидисперсного или кускового материала внутри камеры в процессе ее вращения разрушается на фрагменты (комки), которые затем дробятся на отдельные элементы (частицы), при этом осуществляется перекрестное движение теплоносителя и частиц. При определенных скоростях относительного движения теплоносителя, а именно при относительной скорости теплоносителя, равной скорости витания наиболее крупной частицы нагреваемого материала, теплоноситель превращает слой материала (не зависимо от соотношения частиц) в газовзвесь. Теплообмен происходит фактически в псевдоожиженном слое. Коэффициент объемного теплообмена обрабатываемого материала в условиях псевдоожиженного слоя на 3-4 порядка выше, чем при обработке в вышеназванных барабанных вращающихся установках 3, с. 300, что обуславливает высокую интенсивность теплообмена в первом случае. В результате термический к.п.д. повышается минимум до 50-60 . Кроме того, на выходе из ротационной установки, т.е. в конфузоре, поток теплоносителя создает центробежную силу, благодаря которой частицы материала, в том числе мелкие фракции, прижимаются к внутренней поверхности конфузора, отделяясь от выходящего потока теплоносителя, и не уносятся из камеры. Отсепарированный от взвешенных частиц материала теплоноситель отводится из камеры через устройство для снижения пылеуноса, которое может быть выполнено в виде 3 1424 вдвинутого в конфузор отводящего патрубка. В результате пылеунос и унос материала устраняется. Предлагаемое соотношение диаметров при заданных углах конусов позволяет выполнить конструкцию установки оптимальных размеров для интенсивной термообработки порций материала разной дисперсности. При выполнении ротационной установки из двух конусов с разными углами при вершине, т.е., когда угол при вершине конфузора меньше угла при вершине диффузора, обеспечивается усиление в конфузоре циклонного эффекта 5 путем увеличения числа оборотов крутки потока теплоносителя и увеличения поверхности, на которой осаждаются взвешенные частицы. На фигуре изображена ротационная установка (продольный разрез). Ротационная установка состоит из камеры 1, образованной диффузором 2 с входным отверстием 3 и устройством для направления потока теплоносителя и дробления его на струи 4, и конфузором 5 с выходным отверстием 6 и устройством для снижения пылеуноса 7 отверстия для загрузки порции материала, закрываемого крышкой 8. В качестве теплоносителя можно использовать воздух, продукты сжигания топлива, дымовые технологические газы и др. Ротационная установка работает следующим образом порцию материала загружают в камеру установки через загрузочное отверстие в ней, закрывающееся, например, откидной крышкой. Через входное отверстие подводят теплоноситель, который, проходя через устройство, направляющее теплоноситель под углом к продольной оси камеры и дробящее его на струи, получает вращательное движение по спирали. Слой полидисперсного материала, при вращении камеры, разрушается на комки, которые получают сложное движение - вдоль образующих диффузора и конфузора и вертикально вниз, при отрыве от поверхности корпуса. Тепловая обработка происходит в основном за счет конвективного теплообмена между материалом и теплоносителем. Отсюда следует, что для обеспечения высокой интенсивности процесса необходимо создать такие условия, которые были бы близки к теплообмену в псевдоожиженном слое,как наиболее эффективному. Скорость теплоносителядолжна быть при этом достаточно высокой. В большинстве случаев, встречающихся в практике металлургии и литейного производства 3,должна быть равна или больше 10-12 м/с, что не возможно выполнить в известных вращающихся установках барабанного типа, т.к. происходит интенсивный пылеунос и унос частиц материала, поэтому скорость ограничивается величиной скорости витания частиц материала - 3-5 м/с. В предлагаемой полезной модели возможно выполнить интенсивное дробление материала на комки малого диаметра, вплоть до размера частиц, и их взаимное с теплоносителем перемешивание. Воспользуемся известным условием 4 перехода дисперсного материала из плотного состояния в падающий в виде разрозненного движения массы частиц кр 20,01 кр 145,где- число Фруда, определяющее соотношение сил инерции и гравитации, действующих на частицы материалакр 1,2 - критическое число Фруда./2,где- ускорение свободного падения,- характерный размер канала падающего слоя,- скорость частиц, она может значительно превышать скорость теплоносителя. Эти выражения позволяют рассчитать предельное значение скорости частиц. Следовательно, если скорость потока теплоносителя обеспечивает условие кр 1 кр 2,то происходит разбивание на мелкие комки и превращение материала в газовзвесь. В предлагаемой полезной модели такая скорость возможна. Скорость потока теплоносителя можно условно разбить на две составляющие - вращательную и поступательную. Вращательная (вр) достигает значений 30-40 м/с, а поступательная (п) до 1 м/с, что зна чительно снижает расход теплоносителя и устраняет возможность уноса из ротационной установки взвешенных частиц. 4 1424 Таким образом, при вращении установки теплоноситель одновременно взаимодействует со всей массой материала, разбитого на комки произвольных размеров, многократно прокручиваясь в печи. Пылеунос в установке практически устраняется, т.к. по мере приближения вращающегося потока к выходу из конфузора скорость вращения увеличивается, мельчайшие частички материала центробежными силами переносятся и прижимаются к внутренней поверхности конфузора. Для того, чтобы часть из них все же не ушла через выходное отверстие, устанавливают устройство для снижения пылеуноса, с выходным отверстием для теплоносителя, расположенным не в меньшем основании конфузора, а ближе к центру. Т.е., поток теплоносителя на пути к выходу освобождается от остатков частиц материала. После окончания процесса открывается загрузочное отверстие и выгружается материал. Для удобства выгрузки загрузочное отверстие должно находиться в своем нижнем положении. Ограничение размеров установки обусловлено углом естественного откоса свободно насыпанного в камеру материала длиной внутренней поверхности камеры, на которую прижимаются мелкие частицы углом конфузора, который усиливает циклонный эффект конструктивными размерами диаметров входного и выходного отверстий. Если углы при вершинах конических секций будут менее 22, то материал не возможно выгрузить из корпуса, т.к. он не будет весь сосредоточен в центральной его части после прекращения вращения. Если соответствующие углы будут превышать 40, то циклонный эффект отсутствует 5, а интенсивность теплообмена резко уменьшается, т.к. масса материала будет сосредотачиваться толстым слоем в центральной части корпуса. Если соотношение диаметров / 1/3, нет эффективного раздробления материала на комки и перемешивания с теплоносителем. Если соотношение диаметров /1/5, конструкция установки значительно увеличивается в размерах, т.к. не желательно уменьшать оптимальные конструкционные размеры входного и выходного отверстий. Угол конфузора, меньший или равный углу диффузора служит для усиления циклонного эффекта, а следовательно - для уменьшения потерь обрабатываемого материала. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.