Подовая труба

О П И С А Н И Е (и)744212ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(53) УДК 621.783. .223 (088.8) ла делам наобретеннй н открытнй(54) ПОДОВАЯ ТРУБА Изобретение относится к технике нагрева металла, преимущественно к технике двухстороннего нагрева на охлаждаемых опорах и может быть использовано в металлургической и машиностроительной промышленности.Известны подовые трубы, охлаждение5 которых осуществляется либо проточной водой, либо с помощью испарительного охлаждения 11. С целью уменьшения потерь тепла с охлаждающей водой и улучшения качества нагрева металла, наружную поверх о ность труб изолируют либо специальными огнеупорными блоками, либо рейтерами из жаропрочной стали.Недостатком известных подовых труб является в случае водяного охлаждения - низкая стойкость труб из-за прогаров вследствие выпадения накипи и отложения шлама, а также большие потери тепла с охлаждающей водой и существенное охлаждение влияния на металл в области контакта заготовок с трубами, а в случае испарительного охлаждения - неудовлетворительная стойкость труб из-за локальных прогаров вследствие неравномерного распределения охлаждающей воды по трубам и низкие энергетические параметры пара, что затрудняет использование пара в технологических процессах.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является печной ролик; состоящий из герметично закупоренного корпуса с жидким теплоносителем, холодильником и внутренней трубы с перегородками и отверстиями 21. Ролик обладает более высокой стойкостью по сравнению с роликом, охлаждаемым проточной водой. Кроме того, потери тепла через предложенный ролик меньше, а КПД печи больше, так как температура наружной поверхности ролика выше.Недостатком известного ролика является то, что при применении его в стационарном положении, т.е. без вращения будет создаваться неравномерное распределение температуры в корпусе и возникать термические напряжения, так как жидкий теплоноситель заполняет не всю полость корпуса ролика, а лишь 1/4 - 1/5 часть объема или сегмента с дугой 120 - 130. Увеличение объема жидкого теплоносителя свыше 25% нецелесообразно, так как жидкой фазой будет перекрываться часть поперечного сечения, 744212через которое движется газообразная фаза, вследствие чего ухудшается циркуляция теплоносителя и снижается эффективность охлаждения. Г 1 оэтому при применении конструкции известного ролика в стационарном положении, т.е. при отсутствии врд щения, ухудшается стойкость опорного устройства.Цель изобретения - увеличение стойкости трубы и повышение эффективности использования тепла при стационарном режиме. Поставленная цель достигается тем, чтовнутренняя труба смещена вниз относительно оси корпуса нд 0,08-0,12 внутреннего диаметра корпуса и выполнена с диаметром, равным 0,7-0,8 внутреннего диаметра корпуса, причем торцы ее заглушены, а отверстия на внутренней трубе расположены в верхней части ее в пределах дуги 40-50.На фиг. 1 схематически изображена половая труба, продольный разрез;.на фиг. 2 - разрез А - Л на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б - Б на фнг. 1.Труба состоит из корпуса 1, представляющего собой толстостенную трубу. Участки трубы, выступающие из печи и находящиеся в теплообменниках 2, выполнены из тон. костенной трубы. Для интенсификации теп лооомена и уменьшения габаритов теплообменников эти участки трубы оребрены. Внутнри корпуса находится жидкии теплоноситель,воздух откачан. В корпусе установлена внутренняя труба 3 с перегородками 4, отверс- зО тиями 5 в середине трубы и отверстиями 6 на участках, находящихся в теплообменникдх. Перегородки 4 перекрывают полностью верхнюю часть кольцевого канала до уровня волы. Отверстия 5 и 6 выполнены в верхо Н ней поверхности трубы в пределах дуги 40-50 для предупреждения затекания воды во внутреннюю трубу. В корпусе 1 выполнено отверстие 7, в которое, в целях обеспечения безопасной работы под давлением, ставится либо клапан, срабатывающий при повыше- во нии давления выше допустимого, либо устанавливается пробка из сплава, температура плавления которого на 20-50 выше максимально допустимой температуры внутри трубы. К теплообменникам 2 подсоединены патрубки 8 и 9, служащие для подвода воды и отвода либо воды, либо пара, либо пароводяной смеси. В стенке теплообменников со стороны печи предусмотрены уплотнительные фланцыО, служащие для поддержанияв теплообменниках необходимого давления и перемещения трубы вследствие температурных расширений.При работе вода из теплообменников 2 по кольцевому каналу движется к середине подовой трубы, охлаждая стенки корпуса 1, нагреваясь и испаряясь. Движению пара навстречу конденсата препятствуют перегородки 4. Поэтому грактически весь пар движется к середине подовой трубы и через отвсрстия 5 поступает во внутреннюю трубу. При испарении происходит повышение давления, вызывающее движение пара в полость внутренней трубы. Пар по внутренней трубе движется к теплообменникам, где истекает через отверстия 6, растекается по стенкам теплообменников и конденсируется. При конденсации происходит уменьшение давления, что также способствует перемещению пара в зону охлаждения. Движение воды из зоны конденсации в зону испарения происходит под действием силы тяжести. Нагрев, испарение, охлаждение и конденсация, а также перемещение теплоносителя воды) происходит непрерывно. Гри кипении и конденсации создаются весьма высокие коэффициенты теплоотлачи, что обеспечивает эффективное равномерное охлаждение корпуса и эффективный отвод тепла. При работе внутренняя полость трубы находится под давлением в несколько атмосфер, что также способствует эффективности теплообмена, так как коэффициенты теплоотдачи с повышением давления до определенного уровня при прочих равных условиях увеличиваются. В трубе практически полностью отсутствует опасность образования накипи и выпадения шлама, так как в обороте находится один и тот же объем воды.Создание давления внутри трубы вызывает повышение температуры. Например, температура кипения воды при давлении 10 ата составляет 179 С. Поэтому температура внутренней и, как следствие, наружной поверхности корпуса выше, чем в случае охлаждения трубы проточной водой, а при создании специальных условий выше, чем в случае исп а рител ьного охлаждения.Оптимальное соотношение диаметров корпуса и внутренней труоы, а также эксцентриситета определяется при следующих условиях.Пространство между корпусом и внутренней трубой в нижней части должно обеспечивать беспрепятственное удаление пузырьков и подвод жидкого теплоносителя. Диаметр внутренней трубы должен быть таким, чтооы при ее опускании уровень жидкости поднимался до хорды сегмента с дугой 200- 240 корпуса и над этим уровнем оставался участок внутренней трубы с дугой 60-90.Об ьем полости над уровнем жидкости должен обеспечивать беспрепятственное движение газообразного теплоносителя к середине трубы.Обоснование этих пределов отношений диаметров корпуса и внутренней трубы, а также эксцентриситета подтверждается на примере подовой трубы диаметром 121 мм с толщиной стенки 20 мм. Длина участка, находящегося в печи, равна 20 м. Средний тепловой поток к поверхности трубы составляет 20000 ккал/м ч. Среднее давление внутри трубы равно 10 ата. Диаметр внутренней трубы равен 60 мм, толгцина стенки 3 мм.Перенос тепла осуществляется полностью засчет испарения и конденсации, Теплоноситель - вода. Отвод тепла двухсторонний, т.е. теплообменники установлены на обоихконцах трубы. Количество отводимого тепла.Я =Ч( = (2 лг = 120000 2 3,14 0,06.20 ==904320 ккал/ч,где- средний тепловой поток к поверхности трубы, ккал/мч;1 - площадь наружной поверхности участка трубы, находящегося в печи, м,г - радиус трубы, м;о1 - длина участка трубы, находяшегосяв печи, м.Расход воды составляетгп- О---- 1875,8 кг/ч Ч = п 4. ч = 1875,8 0,001126 = 2,112 м /ч,где гпи Ъ - соответственно массовый и обьемный расходы воды, кг/ч, мз/ч;1 - скрытая теплота парообразования, ккал/кг; зоч - удельный объем воды, мз/кг.Принимаем, что длина участков трубы,находящихся в теплообменнике, равна 5 м(по 2,5 м в каждом). Общая длина трубы25 м, объем полости 0,1287 м, объем воды20% или 0,02575 м . При равномерном занполнении трубы по длине вода занимает сегмент с дугой 121, площадь которого0,001 м. Минимальная величина зазора внизу между корпусом и внутренней трубойдолжна быть, по меньшей мере, в три раза зобольше диаметра пузырьков пара при рабочих параметрах. Диаметр пузырьков парапри давлении 10 ата составляет 0,3 - 0,5 мм.Однако, учитывая, что при понижении тепловых нагрузок печи происходит и понижение давления внутри трубы и, соответственноувеличение диаметра пузырьков, принимаемвеличину зазора равной 2,5 мм. Ось внутренней трубы по отношению к оси корпуса смещается вниз на 8 мм или на 0,099 внутреннего диаметра корпуса. Смещение внутренней трубы вниз вызывает подъем уровня воды на такую величину, что вода занимаеткольцевой канал с дугой 220 по отношениюк внутренней окружности корпуса, а надуровнем воды останется сегмент внутреннейтрубы с дугой 86,45(Площадь поперечного сечения полостикорпуса 1 к 0;00553 м; площадь поперечного сечения внутренней трубы по наружному диаметру 10,00283 м; площадь сечения,занятая водой 10,00103 м; плошадь сегмента внутренней трубы с дугой 86 18 т0,00022 м , площадь сечения внутренней трубы ниже уровня воды 1 р 0,00261 м, площадь поперечного сечения корпуса ниже уровня воды 1,0,00364 м, площадь поперечного сечения корпуса выше уровня воды 1550,001513 м; дуга сегмента, омываемого водой, 220, свободная площадь поперечногосечения корпуса выше уровня воды (1 - 1 ь)0,00293 м).Принимаем, что отвод тепла осушествляется равномерно к обоим теплообменникам. Тогда расход воды на один теплообменник 1875,8 = 937,0 к г/ч;2,1 2 =1,056 мз/ч; 1 Й 2 12 2 Гп = 1/2 П 16 == - 4=12 Скорость движения воды в кольцевомканале Збоо36 оо.о,ооюзОбразуется пар (из расчета на один теплообменник)Кп -- гп Чп -- 937,9 О,98=185,7 мз/ч ==0,0516 м/с,где Ч - удельный объем сухого насышенного пара, м/кг.Скорость пара в кольцевом канале1Ю= - ф, = ----- =39,9 м/с.Площадь отверстий в стенке внутренней трубы равна плошади поперечного сечения внутренней трубы. Скорость пара во внутренней трубе16, О,ОО 229где- площадь поперечного сечения трубыпо внутреннему диаметру, м.Приведенный пример показывает, что использование предлагаемого устройства позволяет увеличить периметр трубы, смачиваемый жидким теплоносителем, до 220 или в 1,8 раза, что позволяет увеличить срок службы половых труб. Движение воды и пара внутри трубы происходит с сравнительно небольшими скоростями, что вполне осушествимо за счет перепадов давления, возникающих при испарении и конденсации.Геометрические соотношения диаметров и эксцентрисистета могут изменяться в весьма узких пределах из-за того, что увеличение диаметра внутренней трубы вызывает уменьшение площади поперечного сечения над трубой для прохождения пара. Диаметр внутренней трубы не должен быть больше 0,8 внутреннего диаметра корпуса. Уменьшение диаметра внутренней трубы вызывает уменьшение дуги сегмента, омываемой жидким теплоносителем. Минимальное значение внутренней трубы составляет 0,7 внутреннего диаметра корпуса. Уменьшение эксцентриситета вызывает уменьшение степени подъема уровня жидкого теплоносителя и уменьшение дуги сегмента, омываемой теплоносителем. Минимальная величина эксцентриситета составляет 0,08 внутреннего диаметра корпуса, смациваемый теплоносителем периметр при этом составляет 200". Увеличение эксцентриситета вызывает уменьше .ие зазора между корпусом и трубой в нижне " чае74427ти. Минимальная величина зазора должна быть в 3-4 раза больше диаметра пузырьков пара при рабочих параметрах. Эта величина при использовании в качестве теплоносителя воды составляет 2,5 мм для труб диаметром до 100 мм и 4 мм для труб большого диаметра. Предельная величина эксцентриситета при этом составляет 0,12 внутреннего диаметра корпуса. Внутренняя полость трубы наполнена жидким теплоносителем, например водой.1 О При работе основная часть трубы находится в рабочем пространстве печи, концы трубы выведены из печи и находятся в теплообменниках. Охлаждение трубы, циркуляция теплоносителя и перенос тепла внутри трубы осуществляется так же, как в известном ролике, Отличительной особенностью является то, что для более равномерного охлаждения корпуса жидким теплоносителем объем его в полости трубы оставлен таким же, а уровень поднят с таким расчетом, чтобы жидкий теплоноситель омывал поверхность с дугой около 200-240. Для этого внутренняя труба относительно корпуса установлена эксцентрично со смещением вниз, а торцы трубы заглушены. Опушенная вниз труба вытесняет жидкость в кольцевом канале вверх, степень омывания корпуса жидким теплоносителем увеличивается, улучшается равномерность распределения температуры в поперечном сечении корпуса, уменьшаются термические напряжения, вследствие чего увеличивается стойкость трубы, Внутренняя тру- зО ба так же, как и в известном ролике, служит каналом для движения газообразного теплоносителя, жидкий теплоноситель движется по кольцевому каналу. Перегородки, устанавливаемые на участке35 между высокотемпературной зоной и теплообменниками, перекрывают полностью сечение кольцевого канала выше уровня жидкого теплоносителя. Для предупреждения затекания жидкого теплоносителя во внутреннюю трубу входные и выходные отверстия для 4 в газообразного теплоносителя выполнены в верхней поверхности внутренней трубы. 128Предлагаемое устройство позволяет также повысить эффективность использования тепла, поступающего в трубу. Преимушества заключаются в том, что параметры лара в теплообменнике могут отличаться от параметров внутри трубы. Кроме того, устройство позволяет получать перегретый пар, что недостижимо в широко распространенной системе испарительного охлаждения. С этой целью теплообменник разбивается на несколько секций: в одних происходит испарение воды, в других - перегрев пара.Эффективность применения предлагаемой подовой трубы заключается в увеличении стойкости труб, уменьшении удельных расходов топлива на нагрев и повышении степени использования тепла, поступающего в трубу.формула изобретенияПодавая труба, содержащая герметичный корпус с жидким теплоносителем и встроенной в него внутренней трубой с отверстиями, теплообменники, установленные по торцам трубы и перегородки, размещенные в зазоре между трубами перед входом в теплообменники, отличающаяся тем, что с целью увеличения стойкости трубы и повышения эффективности использования тепла при стационарном режиме, внутренняя труба смещена вниз относительно оси корпуса на 0,08-0,12 внутреннего диаметра корпуса и выполнена с диаметром, равным 0,7-0,8 внутреннего диаметра корпуса, причем торцы ее заглушены а отверстия на внутренней трубе расположены в верхней части ее в пределах дуги 40-50,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Справочник конструктора печей прокатного производства. Под ред. Тымчака В.М М., Металлургия:, 1970, т. 2 с. 825-836.2, Авторское свидетельство СССР по заявке Л"о 2464892/29-02, кл. Г 27 Р 3/02, 1976.. Назароврич Составитель ошенко Техред К. Шуф Тираж 671 ПИ Государственного ком ит делам изобретений и от Москва, Ж 35, Раушская ППатент, г. Уж город, у