Устройство для обработки сыпучих материалов

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ РЕСПУБЛИК 2(5 ЗОБРЕТ ПИСАН ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Институт газа АН УССР и Научно-исследовательская лаборатория базальтового волокна Института проблем материаловедения АН УССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ(57) Использование: теплоэнергетика, тепломассообмен, нагрев и охлаждение сыпучих материалов газообразным теплоносителем, Сущность изобретения; сыпучий материал через загрузочный узел 2 поступает на размещенные в корпусе полки 4 и, пересыпаясь по последним, омывается поступающим навстречу газообразным теплоносителем, В шахте имеются два параллельных хода для сыпучего материала; каждый из которых образован двумя рядами из параллельных полок, причем последние в рядах размещены со смещением по высоте и под углом одна относительно другой. Угол наклона полок 4 составляет 25-45. Ширина полки в 2 - 10 раз превышает кратчайшее расстояние между соседними полками в рядах хода, в 2 - 3,3 раза превышает часть ширины полки 4, расположенной выше условной линии пересечения плоскостей соседних в рядах полок 4, в 3,3-10 раз превышает кратчайшее расстояние между полками в соседних рядах различных ходов, а также в 3,3-10 раз - расстояние от полок ближайшего к стенке шахты ряда до последней. 1 ил.Изобретение относится к теплообменным аппаратам непосредственного контакта между газом и твердым сыпучим мелкораздробленным материалом, движущимся самотеком. Теплообменник предназначен для нагрева (охлаждения) сыпучих материалов газообразным теплоносителем, температура котороговыше (ниже) допустимой температуры для обрабатываемых материалов. Теплообменник может быть использован в промышленности строительных материалов, в химической, пищевой и других отраслях народного хозяйства; например: как утилизатор теплоты отходящих газов для предварительного подогрева шихты перед загрузкой ее в стекловаренную печь, в печь для плавки базальта или других силикатных материалов; при термообработке гранулированных полимерных материалов, круп и т.д.Цель изобретения состоит в повышении эффективности теплообмена,Поставленная задача решена тем, что в устройстве для обработки сыпучих материалов. содержащем образованную стенками вертикальную шахту с узлами загрузки и выгрузки соответственно в верхней и нижней частях, расположенные между последними. по крайней мере, два параллельных хода для сыпучего материала, каждый из которых образован двумя рядами иэ параллельных полок, причем. последние в рядах размещены со смещением по высоте и под углом одна относительно другой, согласно изобретению, угол наклона полок ( и ) составляет 25а45, причем ширина полки в 2-10 раэ гтревышает кратчайшее расстояние между соседними полками в рядах хода, в 2-3,3 раза превышает часть ширины полки, расположенной выше условной линии пересечения плоскостей соседних в рядах полок, превышает в 3,3-10 раз кратчайшее расстояние между полками в соседних рядах различных ходов, а также в ЗЛраэ - расстояние от полок ближайшего к стенке шахты ряда до последней.Время пребывания частиц в теплообменной камере (время контакта) обуславливает повышение КПД теплообменника за счет нагрева материала до более высоких температур газовым теплоносителем без увеличения высоты шахты теплообменника, или же при остальных равных условиях сокращения высоты теплообменника, или же при остальных равных условиях сокращение высоты теплообменника заявляемой конструкции по сравнению с другими. При этом обеспечивается высокая равномерность термообработки сыпучих материалов с отклонением времени пребывания отдельных частиц в шахте теплообменника не более 65 о Второй, не менее существенный эф 5 фект, - увеличение количества передаваемой теплоты, что ведет к повышению КПДтеплообменника, за счет интенсификациитеплообмена между твердым и газообразным теплоносителем при установке полок с10 оптимальным зазором между соседними парами рядов и между полками и боковымистенками камеры-шахты,Кроме того., сопоставление заявляемойконструкции теплообменника с прототипомпри двухпотоковых схемах (при двух парахвертикальных рядов полок) с углами наклона полок а = ЗОО. соотношениях шириныполок и кратчайшего расстояния между соседними полками в рядах хода 3,3: ширины20 полок и части ширины полки, расположенной выше условной линии пересечения плоскостей соседних в рядах хода полок 2,5:1,ширины полок и кратчайшего расстояниямежду полками в соседних рядах различных25 ходов 5:1; ширины полок и расстояния отполок ближайшего к стенке шахты ряда допоследней 5;1 показало превышение болеечем на 17 эффективности использованияобщего обьема теплообменной камеры за30 счет более компактного размещения соседних пар рядов,Предлагаемая конструкция устройствадля обработки сыпучих материалов изображена на чертеже, на котором показан тепло 35 обменник с двумя парами вертикальныхрядов полок, обеспечивающих два параллельных потока частиц.Устройство содержит шахту 1, образованную вертикальными стенками. В верх 40 ней и нижней частях установлены узлызагрузки 2 и выгрузки 3 для сыпучего материала. Между ними расположено, по крайней мере, два параллельных хода длясыпучего материала, каждый из которых образован двумя рядами иэ параллельных полок 4. В нижней части установленоустройство подачи газообразного теплоносителя 5. Полки в рядах размещены со смещением по высоте одна относительно50 другой. Они расположены с углом наклона25а45 О. Ширина полки (В) в 2-10 раэпревышает кратчайшее расстояние междусоседними полками в рядах хода (С), Крометого, ширина полки (В) в 2-3,3 раза превышает часть ширины полки, расположеннойвыше условной линии пересечения плоско-"стей соседних в рядах хода полок (в). Приэтом она в 3,3-10 раз превышает кратчайшее расстояние между полками в соседнихрядах различных ходов (б) и в 3,3 10 раз - расстояние рт полок ближайшего к стенке шахты ряда до последней (б),Работает теплообменник следующим образом, Снизу в шахту 1 через устройство подачи газообразного теплоносителя подают газообразный теплоноситель, например, высокотемпературные продукты, поступающие из печи или топки в случае Нагрева дисперсного материала, Когда необходимо горячие частицы охладить, - подают холодный воздух, азот, пар или другой газ в зависимости от требований технологии, Сверху с помощью узла загрузки (загрузочного устройства) 2 на отдельные потоки непрерывно подают дисперсный материал. Частицы материала поступают на первые полки по ходу материала, По наклонной поверхности первой полки 4 частицы материала скатываются, если их форма близка к шару, или же соскальзывают вниз в случае другой формы. Разгоняясь под действием силы тяжести по поверхности полки 4 частицы затем пролетают примерно по прямой расстояние между первой и второй полками, ударяются о поверхность нижележащей полки, подскакивают вверх, снова опускаются на поверхность выше точки удара (место пересечения плоскостей соседних полок) и затем соскальзывают вниз до соударения с третьей по ходу движения частиц полкой. Далее траектория двикения частиц многократно повторяется, При движении частиц в шахте теплообменника они нагреваются непосредственно от газов, а также от поверхности полок 4 при контакте с ними, Сами полки 4 нагреваются за счет омывания их потоком газов, С последних по ходу движения материала полок 4 частиц ссыпаются в бункер узла выгрузки(устройство для выгрузки сыпучего материала) 3.Экспериментальный стенд, на котором определяли оптимальные геометрические параметры для движения сыпучего материала пб полкам теплообменника, состоял из двух вертикально расположенных параллельных стенок из прозрачного оргстекла, Размеры стенок: высота 2000 мм, ширина 300 мм, расстояние между ними 50 мм. Внутри стенок перпендикулярно к их поверхностям устанавливали пластинки, которые имитировали полки теплообменника. Стенки по краям скреплялись между собой стяжками и таким образом фиксировали полки в требуемом положении. Такая конструкция позволяла при необходимости легко менять полки, их угол наклона и зазоры между ниВ верхней части стенда устанавливалинебольшой бункер с питателем, оборудо 5 10 15 20 25 30 30 35 45 50 55 ванным электромагнитной заслонкой. От. верстие питателя располагали над верхней частьо первой по ходу движения частиц полкой, Внизу у последней по ходу движения частиц полки с наружной стороны одной из стенок устанавливали фотодатчик. Напротив у другой стенки располагали точечный источник света, острый луч которого направляли на фотодатчик, Оптическую систему настраивали таким образом, чтобы скользящие по полке частицы прерывали поток света, При включении электрической заслонки на открытие бункера электрический импульс записывался на ленте самописца, которая двигалась с постоянной скоростью, К этому же самописцу был подключен фотодатчик.Испытания проводили следующим образом, В бункер при закрытой заслогнке засыпали фиксированную и постоянную во всех экспериментах порцию частиц объемом 23 см, Затем нажатием на кнопку отзкрывали заслонку, что фиксировалось на диаграммной ленте, и порция частиц за 0,2- 0,3 ссыпалась на первую полку, Далее частицы продолкали движение, согласно принятой схеме, по полкам и при прохождении последней полки прерывали световой поток, На ленте самописца были видны всплески ЭДС, Расстояние между пиками ЭДС на диаграммной ленте от начала включения реле и прохождения первой частицы мимо фотоэлемента соответствовало времени пребывания частиц т в шахте для данной схемы расположения волок. Кроме того, на диаграммной ленте можно было определить разброс по времени прохождения по шахте частиц. Если все частицы двигались по определенному закону, то разброс между начальным пиком, показываемым фотоэлементом, и последним составлял Ьт =- 0,2-0,5 с. Когда частицы двигались хаотично, сильно сталкиваясь и перескакивая через верх полок, - разброс во времени был от 0,5 до 5 с,Исследования выполнены на одном потоке и для двух длин волн, - В = 60 мм и 120 мм, и, соответственно, количества полок, и := 32 и 16 штук. Геометрические соотношения В/в изменяли от 2 до 5, 8/С - от 1,58 до 2 угол наклона полок й от 25 до 47. Соответственно, высота между началом первой полки и концом последней изменялась от 446 до 1965 мм. Применялись три типа частиц; из дробленного отсеянного базальта (крупки) двух фракций, размером б 1 =- 3-5 мм, а также окатыши из высокоглиноземистой керамики диаметром б 1= 3-4 мм Закономерности движения частиц и оптимум гесметрических параметров проверены10 15 20 25 30 35 40 45 50 на различных материалах полок - керамике из шероховатого шамота, стального проката с окисленной поверхностью и гладком оргстекле,С целью сравнения различных типов теплообменников исследования выполнены как для заявляемой схемы, так и для прототипа, а также для теплообменника с горизонтальными полками, для свободного падения частиц и скольжения-качения по одной наклонной плоскости, расположенной по всей высоте сравниваемых теплообменников, Основные параметры заявляемого теплообменника и прототипа принимали равными, т.е. у них была равна высота Н = 864 мм, одно и то же количество полок и = 32 штуки и та же длина В = 60 мм; У заявляемой конструкции и прототипа полки устанавливали под углом а =. 30 с соотношением геометрических параметров В/С = 3,3; В/в = 2,5, Согласно схеме работы теплообменника с горизонтально расположенными полками, ограниченными стенкой с одной стороны, на них насыпали исследуемый дисперсный материал до образования угла естественного откоса. Наилучшей принимали ту схему и соотношение геометрических параметров, для которой время прохождения частиц т по полкам. было максимальным при минимальном его разбросе Лт,Первоначально определяли экспериментально угол начала скатывания ( скольжения) испытуемых частиц по плоской поверхности пластин из стали, керамики и оргстекла, Для этого с одной стороны пластины, расположенной на поверхности стола. устанавливали упор, а другую сторону,на которой находились частицы, медленно поднимали до тех пор, пОка частицы не начинали скатываться (скользить) вниз. В этом положении измеряли угол между плоскостями стола и пластины. Для перечисленных материалов частиц и полок получены углы начала скатывания (скольжения) в пределах от 16 до 25 О.Все испытания конструкции теплообменника проводили, начиная с угла наклона полок 25 О, так как при меньших углах, как видно из предыдущих исследований, теплообменник неработоспособен в связи с тем, что материал по нему просто не будет перемещаться.Наибольшее время прохождения частиц т по шахте теплообменника получено при угле наклона полок а до 45, При угле а, превышающем 45 О, наблюдается резкое примерно в 3-5 раз уменьшение времени 7, тогда как время прохождения частиц в пределах наклона полок от 25 до 44 изменяется незначительно, примерно на 20 - ЗОО/,Большой разброс при 45 обьясняется погрешностью установки полок, которая составляет + 0,5 О,Наибольшее время прохождения частиц получено для В/в = 2 - 3,3; В/С = 2-10, что соответствует заявляемым соотношениям. Характерно, что Лт при оптимальных соотношениях параметров находилось в пределах 0,3-0,8 с, При В/С больше 10 наблюдался сильный разброс по времени прохождения частиц, Ьт =3 - 5 с. В случае В/С меньшем 2 - время г заметно уменьшилось. Превышение оптимальных значений В/в приводило к выбросам частиц через верхнюю часть полок, занижение - к скачкообразному уменьшению.Отметим, что скачкообразный характер изменения г при превышении заявляемых геометрических соотношений сохраняется и при увеличении длины полок с 60 до 120 мм и уменьшении их количества с 32 до 16 штук при тех же высотах, хотя при этом имеет место сокращение времени г примерно на 20 - 30%.В опытах с различными размерами и формой дисперсного материала (крупка и окатыши) также сохраняется скачкообразный характер изменения времени г при переходе параметров за заявляемую область значений.Материал полок не оказывает влияния в пределах погрешности измерений на время г и его разброс Ьг, Поэтому рассматривались усредненные данные опытов, Погрешность определения составляет +10 О/о.Результаты сравнения различных схем теплообменников показали, что наибольшее время прохождения частиц получено для заявляемой конструкции т= 7,70 с. и при минимальном разбросе Лг = 0,5 с. Время т для теплообменника с горизонтальными полками составило 3,63 с и разброс Ь= 4,2 с. Для сравнения время падения частиц с такой же высоты т = 0,43 с и при движении частицы по наклонной плоскости т = 0,62 с при а - ЗОО,Для проведения теплотехнических исследований по определению оптимального расположения пар вертикальных рядов полок в теплообменной камере был изготовлен экспериментальный стенд. В его состав входили; металлическая модель теплообменника и система подачи газообразного теплоносителя.Модель теплообменника содержала торцевые стены высотой 2000 мм и шириной 400 мм, к которым прикреплены 32 наклон10 1815566 45 50 Составитель А,ОсиевскийТехред М.Моргентал Корректор Н,Гунько Редактор Заказ 1632 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 ные полки длиной 50 мм и шириной 60 мм, Полки установлены в виде одной пары вертикальных рядов с параметрами взаимного расположения, оптимального для движения твердых частиц ( а = 30"; В/в = 2,5; В/С = 3,3), Конструкция модели позволяет установить на различном расстоянии от вертикальных рядов полок боковые стенки модели с шириной 50 мм и высотой 2000 мм.Система подачи газообразного теплоносителя состоит из воздуховодов, шибера для регулирования расхода воздуха, расходомерной диафрагмы с дифманометром, хромель-копелевой термопары для измерения температуры подогрева воздуха, вентилятора и злектрокалорифера с устройством бесступенчатого регулирования уровня подогрева воздуха, который использовался в качестве газообразного теплоносителя. В качестве сыпучего теплоносителя была выбрана базальтовая крупка размером б 1 = 2-43 мм. Количество переданной в теплообменнике теплоты от подогретого воздуха к сыпучему материалу определяли калориметрическим способом, Частички базальта, подвергшиеся нагреву, собирали с помощью воронки в теплоизолировэнный сосуднаполненный водой, По изменению температуры известного количества воды в сосуде определяли количество переданной в теплообменнике теплоты, приносимой с нагретым в теплообменнике материалом, Измерения производили с помощью хромель-копелевой термопары.В процессе исследований устанавливали расход воздуха 0 = 7,5 м /ч с температуройзнэ входе в теплообменник Ъ;= 350 С. сыпучий материал загружали в теплообменник навесками по 4. г, Первоначальная температура материала и воды в теплоизолировэнном сосуде составляла ъ 1 = 18,3 С.В каждом опыте из отдельной емкости в сосуд заливали 200 мл воды и контролировали ее температуру. Затем загружали в теплообменник материал и фиксировали изменение температуры воды после поступления всосуд нагретого материала,5 Измерения производили при значениях. расстояния от полок до боковых стен, изменяющихся в пределах от 0 до 21 мм с шагом3 мм,Как видно из результатов эксперимен 10 тов, максимальное количество теплоты, переданной от газообразного теплоносителя ксыпучему материалу имеет место при значениях параметров Вй = 3,3 - 10, При большихзначениях образующиеся застойные зоны15 между боковыми стенками и полками снижают эффективность теплообмена, а применьших - уменьшается относительная скорость движения теплоносителя.Формула изобретения20 Устройство для обработки сыпучих материалов, содержащее образованную стенками вертикальную шахту с узлами загрузкии выгрузки соответственно в верхней и нижней частях, расположеннь:е между послед 25 ними по крайней мере два параллельныххода для сыпучего материала. каждый изкоторых образован двумя рядами из параллельных полок, причем последние в рядахразмещены со смещением по высоте и под30 углом одна относительно другой, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышенияэффективности теплообмена, угол наклонаполок составляет 25- 45 О, причем ширинаполки в 2-10 рэз превышает кратчайшее35 расстояние между соседними полками в рядах хада, в 2-3 раза превышает часть ширины полки, расположенной выше условнойлинии пересечения плоскостей соседних врядах хода полок, в 3,3-10 раз превышает40 кратчайшее расстояние между полками всоседних рядах различных ходов, а также в3,3- 10 раз - расстояние от полок ближайшего к стенке шахты ряда до последней,