PL193107B1

PL193107B1 - Sposób zwiększania ilości przekazywanego ciepła przez element chłodzący reaktora pirometalurgicznego i element chłodzący reaktora pirometalurgicznego

Info

Publication number: PL193107B1
Application number: PL349156A
Authority: PL
Inventors: Eero Hugg; Ilkka Kojo; Pertti Mäkinen; Raimo Koota
Original assignee: Outokumpu Oy
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2007-01-31
Also published as: KR100690224B1; FI982770A0; BR9916470A; AR021960A1; PE20001106A1; WO2000037871A1; MXPA01006478A; KR20010092750A; RS49695B; FI982770L; FI108752B; ID25725A; CA2356118A1; ATE278922T1; YU44701A; ZA200104859B; EP1153255B1; PT1153255E; AU767941B2; CA2356118C

Abstract

1. Sposób zwi ekszania ilo sci przekazywa- nego ciep la przez element ch lodz acy reaktora pirometalurgicznego z kana lem przep lywowym wody ch lodz acej, wytworzony z metalu o du zej przewodno sci cieplnej, znamienny tym, ze zwi eksza si e pole powierzchni scianki kana lu przep lywowego (2) wewn atrz elementu ch lo- dz acego (1), a srednica lub d lugo sc tego ka- na lu przep lywowego (2) pozostaje sta la. PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania ilości przekazywanego ciepła przez element chłodzący reaktora pirometalurgicznego i element chłodzący reaktora pirometalurgicznego.

Odporność na wysokie temperatury w procesach pirometalurgicznych zabezpieczana jest przez chłodzone wodą elementy chłodzące tak, aby w wyniku chłodzenia ciepło docierające do powierzchni ogniotrwałej przekazywane było poprzez element chłodzący do wody, dzięki czemu zużycie okładziny jest istotnie ograniczone w porównaniu z reaktorem, który nie jest chłodzony. Ograniczenie zużycia powodowane jest przez zjawisko chłodzenia, które powoduje powstanie tak zwanej okładziny autogenicznej, która przylega do powierzchni okładziny ogniotrwałej, i która tworzona jest przez żużel i inne substancje wytrącone z fazy stopionej.

Konwencjonalnie, elementy chłodzące wytwarzane są na dwa sposoby: po pierwsze, elementy te mogą być wytwarzane poprzez odlewanie w formach piaskowych, gdzie w formie piaskowej umieszczane są rurki chłodzące wykonane z materiału o dużym przewodnictwie cieplnym, takiego jak miedź, i chłodzone są powietrzem lub wodą w trakcie procesu odlewania wokół rurek. Element odlany wokół rurek również wykonany jest z materiału o dużym przewodnictwie cieplnym, korzystnie miedzi.

Ten rodzaj sposobu wytwarzania opisany jest na przykład w zgłoszeniu brytyjskim GB 1386645. Jednym z problemów związanych z tym sposobem jest niejednolite przyleganie systemu rurek działających jako kanał chłodzący, do otaczającego go materiału odlewu. Niektóre z rurek mogą być całkowicie pozbawione odlanego elementu znajdującego się wokół nich, a część rurki może ulec całkowitemu stopieniu i w ten sposób wtopieniu w element. Jeśli brak jest metalicznego wiązania pomiędzy rurką chłodzącą a resztą odlanego elementu wokół niej, przepływ ciepła nie będzie wydajny.

Z kolei, jeś li rurka chł odząca ulegnie cał kowitemu stopieniu, uniemoż liwi to przepł yw wody chł odzącej. Własności odlewnicze materiału odlewu mogą być poprawione, na przykład poprzez domieszanie do miedzi fosforu w celu poprawienia wiązania metalicznego tworzonego między systemem rurek a materiałem odlewu, ale w tym przypadku, nawet przy niewielkiej domieszce, znacznie osłabione zostaje przewodnictwo cieplne miedzi. Jedną z zalet tego sposobu godną uwagi jest względnie niski koszt wytwarzania i niezależność od wymiarów.

Wykorzystywany jest również inny sposób wytwarzania, gdzie w formie elementu chłodzącego umieszczany jest system rurek szklanych o kształcie kanału, i który zostaje rozbity po zakończeniu odlewania w celu utworzenia kanału wewnątrz elementu.

Opis patentowy US 4 382 585 przedstawia szeroko wykorzystywany sposób wytwarzania elementów chłodzących, według którego element taki wytwarzany jest na przykład z walcowanej lub kutej blachy miedzianej poprzez wykrawanie w niej niezbędnych kanałów. Zaletą elementu wytworzonego tym sposobem, jest jego wytrzymała struktura oraz wysoka zdolność przenoszenia ciepła z tego elementu do ośrodka chłodzącego, takiego jak woda. Jego wadami są ograniczenia co do wymiarów (wielkość) i wysoki koszt.

Zdolność elementu chłodzącego do przyjmowania ciepła może być przedstawiona za pomocą następującej formuły:

Q = a*A*.-lT. gdzie

Q - ilość przekazywanego ciepła [W] a - współczynnik przejmowania ciepła pomiędzy ścianką kanału przepływowego i wodą [W/Km²]

A - pole powierzchni przekazywania ciepła [m²]

ΔΤ- różnica temperatur pomiędzy ścianką kanału przepływowego, a wodą [K].

Współczynnik przejmowania ciepła a może być wyznaczony teoretycznie z formuły:

Nu = a D/λ, gdzie λ - przewodność cieplna wody [W/mK]

D - średnica hydrauliczna, lub

Nu = 0,023*Re^0,8*Pr⁰'⁴, gdzie

Re - wDp/n w - prędkość [m/s]

D - średnica hydrauliczna kanału [m] ρ - gęstość wody [kg/m³] η - współczynnik lepkości dynamicznej Pr - liczba Prandta

PL 193 107 B1

W ten sposób, zgodnie z powyż szym, moż liwy, jest wpł yw na ilość przenoszonego ciepł a w elemencie chłodzącym poprzez wpływanie na różnicę temperatur, współczynnik przejmowania ciepła lub pole powierzchni przekazującej ciepło.

Różnica temperatur pomiędzy ścianką a rurką ograniczona jest przez fakt, iż woda wrze w temperaturze 100°C, podczas gdy własności przekazywania ciepła pod normalnym ciśnieniem pogarszają się znacznie w wyniku wrzenia. W praktyce, bardziej korzystna jest praca w najniższej możliwej temperaturze ścianki kanału przepływowego.

Współczynnik przejmowania ciepła może być znacznie zmodyfikowany poprzez zmianę prędkości przepływu, to jest zmianę liczby Reynoldsa. Jest to jednakże ograniczone przez zwiększone straty ciśnienia w systemie rurek w miarę wzrostu prędkości przepływu, co podwyższa koszty pompowania zimnej wody, jak również, po przekroczeniu pewnej granicy, rosną znacząco koszty inwestycyjne pompy.

W konwencjonalnym rozwiązaniu, pole powierzchni wymiany ciepła można zmienić poprzez zwiększenie średnicy kanału chłodzącego i/lub jego długości. Średnica kanału chłodzącego nie może być zwiększana bez ograniczeń, jako że ma być wciąż ekonomicznie uzasadniona, ponieważ wzrost średnicy kanału zwiększa ilość wody wymaganą do osiągnięcia określonej prędkości przepływu a ponadto energię potrzebną do jej pompowania. Z drugiej strony, średnica kanału ograniczona jest przez fizyczne rozmiary elementu chłodzącego, które z powodu minimalizowania kosztów inwestycyjnych wykonuje się tak małe i lekkie, jak jest to tylko możliwe. Innym ograniczeniem długości są fizyczne rozmiary samego elementu chłodzącego, to jest liczba kanałów chłodzących, które zmieszczą się w danym obszarze.

Sposób zwiększania ilości przekazywanego ciepła przez element chłodzący reaktora pirometalurgicznego z kanałem przepływowym wody chłodzącej, wytworzony z metalu o dużej przewodności cieplnej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zwiększa się pole powierzchni ścianki kanału przepływowego wewnątrz elementu chłodzącego, a średnica lub długość tego kanału przepływowego pozostaje stała.

Korzystnie zwiększa się pole powierzchni ścianki kanału przepływowego przez nagwintowanie wewnętrznej powierzchni kanału przepływowego.

Korzystnie zwiększa się pole powierzchni ścianki kanału przepływowego przez wykonanie rowków w postaci bruzdy lufy, które wykonuje się za pomocą trzpienia rozprężającego.

Element chłodzący reaktora pirometalurgicznego, z przynajmniej jednym kanałem przepływowym wody chłodzącej o zasadniczo okrągłym przekroju poprzecznym, według wynalazku charakteryzuje się tym, że kanał przepływowy ma przy stałej średnicy lub długości zwiększone pole powierzchni ścianki.

Wewnętrzna powierzchnia kanału przepływowego jest nagwintowana.

Korzystnie wewnętrzna powierzchnia kanału przepływowego ma rowki w postaci bruzdy lufy.

Według wynalazku, ilość przekazywanego ciepła jest znacząco zwiększona poprzez powiększenie pola powierzchni przekazywania ciepła tak, aby było ekonomicznie osiągalne wytworzenie cieńszego elementu chłodzącego. Dokonuje się tego tak, że pole powierzchni ścianki kanału przepływowego zwiększa się bez zwiększania średnicy kanału chłodzącego, ani jego wydłużania. Powierzchnia kanału przepływowego w elemencie chłodzącym, która posiada zasadniczo okrągły przekrój poprzeczny, zostaje powiększona poprzez wytworzenie rowków lub gwintu na wewnętrznej powierzchni kanału, za pomocą następującej kolejno obróbki skrawaniem. W wyniku tego, wymagana jest mniejsza różnica temperatur pomiędzy wodą a ścianką kanału chłodzącego przy tej samej ilości ciepła, i ponadto, niższa temperatura elementu chłodzącego.

W elemencie chł odzą cym opisanym w niniejszym zgłoszeniu, pole powierzchni przekazywania ciepła zostaje zwiększone tak, że chociaż kanał przepływowy posiada zasadniczo okrągły przekrój poprzeczny to jego ścianka nie jest gładka, ale poprzez niewielką zmianę konturu tej ścianki można uzyskać większe pole powierzchni przekazywania ciepła, przy takim samym przepływowym polu przekroju poprzecznego (przy takiej samej ilości wody można uzyskać taką samą prędkość) na jednostkę długości kanału chłodzącego. Ten wzrost pola powierzchni może być osiągnięty poniższymi sposobami.

Po wytworzeniu elementu chłodzącego na przykład za pomocą obróbki walcowania lub kucia, w którym wytworzony jest za pomocą obróbki skrawaniem, na przykład wiercenia, przynajmniej jeden kanał przepływowy o okrągłym przekroju poprzecznym, wykonuje się gwint za pomocą obróbki skrawaniem na wewnętrznej powierzchni kanału przepływowego. Przekrój poprzeczny kanału pozostaje zasadniczo okrągły.

PL 193 107 B1

Po wytworzeniu elementu chłodzącego, w którym wytworzony jest za pomocą obróbki skrawaniem przynajmniej jeden kanał przepływowy o okrągłym przekroju poprzecznym, wykonuje się rowki w kształcie bruzdy lufy za pomocą obróbki skrawaniem na wewnę trznej powierzchni kanału przepływowego. Przekrój poprzeczny kanału pozostaje zasadniczo okrągły.

Rowki w postaci bruzdy lufy można otrzymać korzystnie dzięki użyciu tak zwanego trzpienia rozprężającego, który jest przeciągany przez kanał przepływowy. Rowkowanie to może być wykonane na przykład na otworze zamkniętym z jednego końca, w którym to przypadku trzpień ten wyciągany jest na zewnątrz. Otwór może być wykonany w postaci kanału, który jest otwarty z dwóch końców, albo poprzez przepychanie, albo poprzez przeciąganie specjalnie zaprojektowanego narzędzia przez kanał.

Oczywiste jest we wszystkich opisanych powyżej sposobach, że jeśli występują poprzeczne partie kanału przepływowego, widziane z kierunku odlewania, partie te wytworzone są mechanicznie poprzez obróbkę skrawaniem, na przykład nawiercanie, a otwory, które nie należą do kanału są zatykane. Korzystny skutek sposobu opisanego w niniejszym wynalazku został porównany ze stanem techniki poprzez zastosowanie w załączonym przykładzie

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia element chłodzący użyty w testach, fig. 2 przedstawia przekroje poprzeczne testowego elementu chłodzącego, fig. 3a-3d ukazują temperaturę wewnątrz tego elementu w różnych punktach pomiarowych jako funkcję temperatury wytopu, fig. 4 przedstawia współczynnik przejmowania ciepła wyznaczony z pomiarów jako funkcję temperatury wytopu, fig. 5 przedstawia różnice temperatury wody chłodzącej i ścianki kanału przy różnych poziomach chłodzenia dla znormalizowanych elementów chłodzących.

Elementy chłodzące odnoszące się do niniejszego wynalazku badane były w testach praktycznych, gdzie dno wspomnianych elementów A, B, C, D zanurzone było na głębokość około 1 cm w roztopionym ołowiu. Element chłodzący A posiadał konwencjonalny kanał o gładkiej powierzchni ścianki i ten element użyty został do pomiarów porównawczych. Ilość wody chłodzącej i temperatury zarówno przed wprowadzeniem wody do elementu chłodzącego jak i po, były w trakcie testów starannie mierzone. Temperatura stopionego ołowiu i temperatury wewnątrz samego elementu chłodzącego również były starannie mierzone w siedmiu różnych punktach pomiarowych.

Figura 1 przedstawia element chłodzący 1 używany w testach oraz kanał przepływowy 2 znajdujący się wewnątrz niego. Wymiary elementu chłodzącego były następujące: wysokość 300 mm, szerokość 400 mm i grubość 75 mm. Rurka chłodząca, lub kanał przepływowy, umieszczony jest wewnątrz tego elementu jak pokazano na fig. 1, tak że środek poziomej części rurki znajduje się 87 mm od dna elementu, a każda pionowa część znajduje się 50 mm od krawędzi płyty. Pozioma część wykonana jest przez nawiercanie, a jeden koniec poziomego otworu jest zatkany (nie pokazany szczegółowo). Fig. 1 pokazuje również położenie punktów pomiaru temperatury T1 - T7.

Figura 2 przedstawia kształt powierzchni kanałów chłodzących, a tabela 1 zawiera wymiary kanałów testowych elementów chłodzących oraz obliczeniowe powierzchnie przekazywania ciepła na metr, jak również względne powierzchnie przekazywania ciepła.

T a b e l a 1

	Średnica, mm	Powierzchnia przekroju poprzecznego przepływu, mm²	Powierzchnia przekazywania ciepła/1 m, m²/1 m	Względna powierzchnia przekazywania ciepła
A	21,0	346	0,066	1,00
B	23,0	415	0,095	1,44
C	23,0	484	0,127	1,92
D	20,5	485	0,144	2,18

PL 193 107 B1

Figury 3a-3d wykazują, że temperatury elementów chłodzących B, C i D były niższe przy wszystkich prędkościach przepływu wody niż pomiary porównawcze z elementu chłodzącego A. Jednakże, ponieważ przekroje poprzeczne wymienionych elementów testowych musiały być, ze względów technologicznych, wykonane z różnymi rozmiarami, skuteczność przekazywania ciepła nie może być porównywana bezpośrednio z wyników na fig. 3a-3d. Dlatego wyniki testu zostały znormalizowane w następujący sposób:

stacjonarną wymianę ciepła pomiędzy dwoma punktami można zapisać jako:

Q = S*X* (T₁-T₂), gdzie

Q - ilość ciepła przekazanego pomiędzy tymi punktami [W]

S - współczynnik kształtu (zależny od geometrii) [m] λ - przewodność cieplna ośrodka [W/mK]

T1 - temperatura punktu 1 [K]

T2 - temperatura punktu 2 [K]

Stosując powyższe równanie do wyników testu, otrzymano następujące wielkości:

Q - zmierzona moc cieplna przekazana wodzie chłodzącej λ - przewodność cieplna miedzi [W/mK]

T1 - wyznaczona z testów temperatura przy dnie elementu [K]

T2 - wyznaczona z testów temperatura wody przy ścianie kanału elementu [K]

S - współczynnik kształtu dla skończonego walca zanurzonego w półnieskończonym ośrodku (długość L, średnica D), przy czym współczynnik kształtu może być wyznaczony według równania:

S = 2n/ln(4z/D), gdy z > 1.5D, z - głębokość zanurzenia mierzona od linii środkowej walca [m].

Współczynniki przejmowania ciepła wyznaczone w powyższy sposób przedstawione są na fig. 4. Zgodnie z analizą wielu zmiennych, otrzymano bardzo dobrą korelację pomiędzy współczynnikiem przejmowania ciepła, a prędkością przepływu wody, jak również ilością ciepła przekazanego wodzie. Współczynniki przejmowania ciepła z równania regresji dla każdego elementu chłodzącego przedstawione są w tabeli 2.

Zatem a[W/m²K] = c + a*v [m/s] + b * Q [kWJ.

T a b e l a 2

	C	A	b	r²
A	4078,6	1478,1	110,1	0,99
B	3865,8	1287,2	91,6	0,99
C	248,9	1402,1	151,2	0,99
D	2056,5	2612,6	179,7	0,96

W celu umożliwienia porównania tych wyników, pola powierzchni przekrojów poprzecznych kanałów przepływowych zostały znormalizowane tak, aby wielkość przepływu wody odpowiadała tej samej prędkości przepływu. Wymiary kanału przepływowego oraz pola powierzchni przekazywania ciepła znormalizowane pod kątem wielkości przepływu i prędkości, przedstawiono w tabeli 3. Wykorzystując wymiary podane w tabeli 3 dla przypadków A, B, C, D oraz współczynniki przejmowania ciepła wyznaczone jak opisano powyżej, obliczono różnicę temperatur ściany i wody dla znormalizowanych przypadków pod kątem wielkości przepływu, jako funkcję prędkości przepływu wody dla 5, 10, 20 i 30 kW mocy cieplnej z równania:

ΔΔ = Q/(a*A)

PL 193 107 B1

T a b e l a 3

	Średnica, mm	Powierzchnia przekroju poprzecznego przepływu, mm²	Powierzchnia przekazywania ciepła/1 m, m²/1 m	Względna powierzchnia przekazywania ciepła
A*	21,0	346	0,066	1,00
B*	21,0	346	0,087	1,32
C*	19,2	346	0,120	1,82
D*	15,7	346	0,129	1,95

Wyniki przedstawiono na fig. 5. Figura ta pokazuje, że wszystkie elementy chłodzące, wykonane według wynalazku, osiągają daną wielkość przekazywania ciepła przy mniejszej różnicy temperatur pomiędzy wodą a ścianką kanału chłodzącego, co ilustruje skuteczność tego sposobu. Na przykład, przy mocy chłodzenia 30 kW i prędkości przepływu wody 3 m/s, różnica temperatur pomiędzy ścianką a wodą dla różnych przypadków wynosi:

T a b e l a 4

	ΔT [K]	względne ΔT [%]
A'	38	100
B'	33	85
C'	22	58
D'	24	61

Gdy porównuje się te wyniki z powierzchniami przekazywania ciepła, zauważa się, że różnica temperatur pomiędzy ścianką a wodą potrzebną do przekazania takiej samej ilości ciepła jest odwrotnie proporcjonalna do względnej powierzchni przekazywania ciepła. Oznacza to, że zmiany w polu powierzchni opisane w niniejszym wynalazku mogą znacząco wpłynąć na wydajność przekazywania ciepła.

Claims

1. Sposób zwiększania ilości przekazywanego ciepła przez element chłodzący reaktora pirometalurgicznego z kanałem przepływowym wody chłodzącej, wytworzony z metalu o dużej przewodności cieplnej, znamienny tym, że zwiększa się pole powierzchni ścianki kanału przepływowego (2) wewnątrz elementu chłodzącego (1), a średnica lub długość tego kanału przepływowego (2) pozostaje stała.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zwiększa się pole powierzchni ścianki kanału przepływowego (2) przez nagwintowanie wewnętrznej powierzchni kanału przepływowego (2).

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zwiększa się pole powierzchni ścianki kanału przepływowego (2) przez wykonanie rowków w postaci bruzdy lufy.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że rowki w postaci bruzdy lufy wykonuje się za pomocą trzpienia rozprężającego.

5. Element chłodzący reaktora pirometalurgicznego, z przynajmniej jednym kanałem przepływowym wody chłodzącej o zasadniczo okrągłym przekroju poprzecznym, znamienny tym, że kanał przepływowy (2) ma przy stałej średnicy lub długości zwiększone pole powierzchni ścianki.

6. Element chłodzący według zastrz. 5, znamienny tym, że wewnętrzna powierzchnia kanału przepływowego (2) jest nagwintowana.

7. Element chłodzący według zastrz. 5, znamienny tym, że wewnętrzna powierzchnia kanału przepływowego (2) ma rowki w postaci bruzdy lufy.