RS49695B - Element hlađenja pirometalurškog reaktora i postupak za njegovu proizvodnju - Google Patents

Abstract

Postupak za poboljšanje spsobnosti prenošenja toplote rashladne metalne ploče pirometalurškog reaktora izradjene od kovanog bakra koji ima visoku toplotnu provodljivost i kod koje se rashladna voda sprovodi kroz najmanje jedan protočni kanal izradjen mašinskom obradom metalne ploče i koji je u osnovi kružnog poprečnog preseka, naznačen time, što je površina zida protočnog kanala unutar rashladne metalne ploče povećana žlebovima kao u cevi puške ili navojima na unutrašnjoj površini kanala.- Prijava sadrži još 1 nezavisan i 1 zavisan patentni zahtev.

Description

Ovaj pronalazak se odnosi na postupak za proizvodnju elementa hlađenja sa protočnim kanalima za pirometalurške reaktore. Da bi se poboljšala sposobnost elementa za prenošenje toplote, površinski sloj zida protočnog kanala, sa svojim tradicionalnim okruglim poprečnim presekom, povećava se bez povećavanja prečnika ili dužine porotočnih kanala. Ovaj pronalazak se takođe odnosi na element proizveden ovim postupkom.

Vatrostalnost reaktora u pirometalurškim procesima zaštićen je elementima hlađenja koji se hlade vodom tako da, kao rezultat hlađenja, toplota koja dolazi na površinu vatrostalnog materijala putem elementa hlađenja u vodu znatno smanjuje habanje ozida u poređenju sa reaktorom koji se ne hladi. Smanjeno habanje je prouzrokovano uticajem hlađenja koje dovodi do formiranja takozvanog autogenog ozida koji se pričvršćuje za površinu ozida koji je otporan na toplotu i koji se formira od troske i drugih supstanci nataloženih u fazi topljenja.

Obično se elementi hlađenja proizvode na dva načina: primarno se elementi mogu proizvoditi livenjem u pesku, gde su cevi za hlađenje izrađene od visoko termičkog provodljivog materijala kao što je bakar stavljaju u kalup formiran u pesku i hlade se vazduhom ili vodom tokom livenja oko cevi. Element koji se lije oko cevi je takođe od visoko termičkog propustljivog materijala. Preporučuje se da to bude bakar. Ovakav postupak proizvodnje opisan je u patentu Velike Britanije br. 1386645. Jedan problem u vezi sa ovim postupkom je nejednako pričvršćivanje cevovoda, koji ima ulogu kanala za hlađenje, za liveni materijala koji ga okružuje. Neke od cevi mogu biti u potpunosti oslobođene elementa izlivenog oko njih i deo cevi se može u potpunosti istopiti i tako fuzionisati sa elementom. Ukoliko se metalna veza ne formira između cevi za hlađenje i ostatka livenog elementa oko nje, transfer toplote neće biti efikasan. Opet, ukoliko se cevovod u potpunosti istopi, to će sprečiti efikasan protok. I opet, ukoliko se cevovod u potpunosti istopi, to će sprečiti protok vode za hlađenje. Karakteristike livenja ovog livenog materijala mogu se poboljšati, na primer mešanjem fosfora sa bakrom, da bi se poboljšala metalna veza formirana između cevovoda i livenog materijala, ali u ovom slučaju karakteristike prenosa toplote (toplotna provodljivost) bakra su znatno oslabljene čak i malim dodavanjem. Jedna od prednosti ovog postupka koju vredi pomenuti je njegova komparativno niska cena proizvodnje i nezavisnost od dimenzija.

Drugi postupak proizvodnje koji se koristi je da se stakleni cevovod u obliku kanala stavlja u kalup od elementa hlađenja koji se lomi nakon livenja da bi oformio kanal unutar elementa.

Patent Sjedinjenih Država 4,382,585 opisuje drugi, mnogo korišćeni postupak izrade elemenata hlađenja, prema kome se element proizvodi, na primer, od valjane ili kovane bakarne ploče tako što se u njoj prave potrebni kanali mašinskim putem. Prednost elementa napravljlenog na ovaj način je njegova gusta, jaka struktura i dobar prenos toplote od elementa do medijuma hlađenja kao što je voda. Njegovi nedostaci su dimenszionalna ograničenja (veličina) i visoka cena.

Sposobnost elementa hlađenja da primi toplotu može se predstaviti putem sledeće formule:

Q = a x A x AT,pri čemu je

Q = količina toplote koja se prenosi [W]

a = koeficijent prenosa toplote između zida protočnog kanala i vode [W/Km<2>]

A = površina prenosa toplote [m<2>]

AT = razlika u temperaturi između zida protočnog kanala i vode [K]

Koeficijent prenosa toplote a može se teoretski odrediti putem formuleNu=a D/ X

X= toplotna provodljivost vode [W/mK]

D = hidraulični prečnik [m]

IliNu = 0. 023 x ReA0. 8PiA0. 4,

pri čemu su

Re =viDpIrj

w = brzina [m/s]

D = hidraulični prečnik [m]

p= gustina vode [kg/m<3>]

7]= dinamički viskozitet

Pr = Prandtlov broj []

Stoga, prema prethodno navedenom, moguće je uticati na količinu toplote prenetu u element hlađenja utičući na razliku u temperaturi, koeficijent prenosa toplote ili površinu prenosa toplote.

Razlika u temperaturi između zida i cevi je ograničena činjenicom da voda kluča na 100°C, kada komponente prenosa toplote pri normalnom pritisku postanu značajno gore zbog kuvanja. U praksi je bolje raditi pri najmanjoj mogućoj temperaturi u zidovima protočnih kanala.

Na koeficijent prenosa toplote može se u mnogome uticati pramenom brzine protoka, tj. uticanjem na Rejnoldsov broj. Ovo je, međutim, ograničeno povećanim gubitkom u pritisku u cevovodu prilikom povećanja brzine tečenja koji povećava troškove pumpanja vode za hlađenje, a i troškovi investiranja u pumpu takođe znatno rastu nakon prelaska izvesne granice.

Po konvencionalnom rešenju, na površinu prenosa toplote može se uticati bilo povećanjem prečnika rashladnog kanala i/ili njegove dužine.

Prečnik kanala hlađenja ne može se neograničeno povećavati na takav način tako da bude ekonomično opravdan zbog toga što povećanje u prečniku kanala povećava količinu vode koja je potrebna da bi se postigla izvesna brzina protoka i osim toga, potreba energije za pumpanje. S druge strane, prečnik kanala je ograničen fizičkom veličinom elementa hlađenja koja se, iz razloga smanjenja troškova investiranja, preporučuje da se pravi što je moguće manji i što lakši. Drugo ograničenje na dužini je fizička veličina samog elementa hlađenja, tj. količina rashladnog kanala koja će stati u datu zonu.

Ovaj pronalazak se odnosi na postupak za proizvodnju elementa hlađenja za pirometalurški reaktor od visoko termičkog proputljivog metala kao što je bakar, u kome je mogućnost prenosa toplote tog elementa hlađenja u mnogome poboljšana povećanjem površine prenosa toplote tako da je ekonomično izvodljiv za proizvodnju tanjeg elementa hlađenja. Ovo se radi tako da bi se površina zida protočnog kanala povećala bez povećanja prečnika rashladnog kanala ili njegovog produžavanja. Površina protočnog kanala u elementu hlađenja, koji je esencijalno okrugao u poprečnom preseku, povećava se formiranjem brazdi ili navoja na unutrašnjoj površini kanala putem naknadne mašinske obrade. Kao rezultat potrebna je niža razlika u temperaturi između vode i zida rashladnog kanala sa istom količinom toplote i osim toga, niže temperature elementa hlađenja. Ovaj pronalazak se takođe odnosi na element hlađenja proizveden na ovaj način. Najvažnije odlike biće očigledne u priloženom patentnom zahtevu.

U opisanom elementu hlađenja ovog pronalaska površina prenosa toplote se povećava tako da, iako je protočni kanal elementa hlađenja u osnovi okrugao u poprečnom preseku, njegov zid nije gladak, ali veoma malom izmenom profila zida može se postići veća površina prenosa toplote sa istom površinom poprečnog preseka toka (ista brzina može se postići sa istom količinom vode) u poređenju sa jedinicom dužine rashaldnog kanala. Ovo povećanje u površini može se postiće na sledeće načine: Element hlađenja, proizveden npr. valjanjem ili kovanjem, u koji je mašinskim putem dodat najmanje jedan protočni kanal koji je okrugao u poprečnom preseku, na primer bušenjem, nakon čega su mašinskim putem dodati navoji na unutrašnjoj strani protočnog kanala. Poprečni presek kanala ostaje okrugao.

Element hlađenja u koji je mašinskim putem dodat najmanje jedan protočni kanal koji je okrugao u poprečnom preseku, kome su naknadno mašinskom obradom dodati cevni žljebovi na unutrašnju površinu protočnog kanala. Poprečni presek kanala ostaje okrugao.

Cevni žljebovi mogu se dobiti na bolji način upotrebom takozvanog povećavajućeg vretena koje se provlači kroz protočni kanal. Žljebovi se mogu, na primer, svesti u rupu, zatvorenu na jednom kraju, u kom slučaju se vreteno povlači napolje. Od rupe se može napraviti kanal koji je otvoren na oba kraja bilo guranjem ili provlačenjem alata napravljenog za tu svrhu kroz kanal.

Očigledno je u svim prethodno navedenim postupcima da ukoliko postoje poprečni delovi kanala u protočnom kanalu, gledano iz pravca livenja, ovi delovi su mehanički napravlljeni putem mašina, npr. bušenjem, a rupe koje ne pripadaju kanalu se zapuše. Prednost opisanog postupka u ovom pronalasku upoređena je sa stanjem tehnike korišćenjem priloženog primera. Sa primerom su dati neki dijagrami radi ilustracije pronalaska, u kojima

Slika 1 prikazuje glavni crtež elementa hlađenja korišćenog u testovima,

Slika 2 prikazuje poprečni presek profila testiranog elementa hlađenja,

Slike 3a - 3d označavaju tempraturu unutar elementa na različitim tačkama merenja kao funkcije temperature topljenja,

Slika 4 prikazuje koeficijent prenosa toplote izračunat iz merenja uzetih kao funkcije topljenja, i

Slika 5 predstavlja razlike u temperaturi vode za hlađenje i zida kanala na različitim nivoima hlađenja za normalizovane elemente hlađenja.

Primer

Elementi hlađenja koji se odnose na ovaj pronalazak testirani su u praktičnim testovima, gde su dna tih elemenata A, B, C i D potopljena u istopljeno olovo dubine od oko 1cm. Element hlađenja A imao je uobičajeni protočni kanal glatke površine i ovaj element je upotrebljen za komparativna merenja. Količina vode za hlađenje i temperatura kako pre uvođenja vode u element hlađenja tako i nakon toga su pažljivo izmereni u testovima. Temperatura istopljenog olova i temperature unutar samog elementa hlađenja bile su takođe pažljivo izmerene na sedam različitih tačaka merenja.

Slika 1 prikazuje element hlađenja 1 upotrebljen u testovima i protočni kanal 2 unutar njega. Dimenzije rashladnog elementa bile su kao što sledi: visina 300mm, širina 400mm i debljina 75mm. Rashladna cev ili protočni kanal situirani su unutar elementa kao na Slici 1, tako da je centar horizontalnog dela cevi na slici bio 87mm od dna elementa i svaki vertiklani deo je bio 50mm od ivice ploče. Vodoravni deo cevi pravi se bušenjem i jedan kraj vodoravnog otvora se začepi (nije detaljno prikazano). Slika 1 takođe prikazuje mesto mernih tačaka temperature T1 - T7. Slika 2 prikazuje površinski oblik rashladnih kanala, a Tabela 1 sadrži dimenzije testiranih kanala elementa hlađenja i kalkulatorne površine prenosa toplote po metru kao i površine prenosa relativne toplote.

Slike 3a - 3d pokazuju da su temperature elemenata hlađenja B, C i D bile niže pri svim brzinama toka vode za hlađenje od referentnih merenja uzetih od elementa hlađenja A. Međutim, pošto su se poprečni preseci toka pomenutih delova za testiranje morali napraviti sa različitim dimenzijama iz razloga tehničke proizvodnje, efikasnost prenosa toplote ne može se direktno porediti iz rezultata u Slikama 3a - 3d. Stoga su rezultati testiranja normalizovani kao što sledi:

Nepromenljivi transfer toplote između dve tačke može se zapisati:

Q = S xXx (T, - T2), pri čemu je

Q = količina toplote prenete između dve tačke [W]

S = faktor oblika (zavisan od geometrije) [m]

X- toplotna provodljivost medijuma [VV/mK]

T, = temperatura tačke 1 [K]

T2= temperatura tačke 2 [K]

Primenom prethodno navedene jednačine na rezultate testiranja dobijene su sledeće količine:

Q = izmerena toplotna snaga prenesena na vodu za hlađenje

X= toplotna provodljivost bakra [VV/mK]

T? = temperatura na dnu elementa kako je izračunata u testovima [K]

T2= temperatura zida kanala kojim protiče voda kako je izračunata u testovima

[K]

S = faktor oblika za konačni cilindar zakopan u polubeskonačan medijum (dužina D, prečnik P) faktor oblika može se odrediti prema jednačini

kada je Z>1.5P,

z = dubina potapanja izmerena od linije centra cilindra [m].

Koeficijenti prenosa toplote određeni na prethodno navedeni način predstavljeni su na Slici 4. Prema analizama sa više promenljivih veličina dobija se vrlo dobra korelacija između koeficijenta prenosa toplote i brzine toka vode kao i količina toplote prenešena u vodu. Koeficijenti jednačine regresije prenosa toplote za svaki element hlađenja predstavljeni su u Tabeli 2.

Stoga je

Da bi se rezultati mogli porediti, zone poprečnog preseka kanala toka normalizovani su tako da količina toka vode odgovara istoj brzini tečenja. Dimenzije kanala toka i površina prenosa toplote normalizovani prema količini toka i njegovoj brzini predstavljeni su u Tabeli 3. Upotrebom dimenzija datih u Tabeli 3 za slučajeve A', B', C i D i koeficijenata prenosa toplote određenih kao što je prethodno navedeno, razlika u temperaturi zida i vode za normalizovane slučajeve koji se tiču količine protoka izračunate su kao funkcija brzine protoka vode za količine toplote od 5, 10, 20 i 30kW sa jednačinom

Rezultati su prikazani na Slici 5. Slika pokazuje da svi elementi hlađenja proizvedeni prema ovom pronalasku postižu izvesnu količinu prenosa toplote sa manjim razlikama u temperaturi između vode i zida kanala za hlađenje što ilustruje delotvornost. postupka. Na primer, pri snazi hlađenja od 30kW i brzini tečenja vode od 3m/s, razlika u temperaturi između zida i vode u različitim slučajevima je :

Kada se rezultati uporede s površinama prenosa toplote, vidi se da je razlika u temperaturi između zida i vode koja je potrebna da prenese istu količinu toplote obrnuto proporcionalna površini prenosa relativne toplote. Ovo znači da promene na površini opisane u ovom pronalasku mogu znatno uticati na efikasnost prenosa toplote.

Claims (3)

1. Postupak za poboljšanje sposobnosti prenošenja toplote rashladne metalne ploče pirometalurškog reaktora izrađene od kovanog bakra koja ima visoku toplotnu provodljivost i kod koje se rashladna voda sprovodi kroz najmanje jedan protočni kanal izrađen mašinskom obradom metalne ploče i koji je u osnovi kružnog poprečnog preseka, naznačentime,što je površina zida protočnog kanala unutar rashladne metalne ploče povećana žlebovima kao u cevi puške ili navojima na unutrašnjoj površini kanala.

2. Rashladni element pirometalurškog reaktora izrađen od kovane bakarne ploče visoke toplotne provodljivosti koji ima najmanje jedan protočni kanal za rashladnu vodu, pri čemu je rashladni kanal izrađen mašinskom obradom rashladnog elementa, naznačentime,što je površina kanala, koji je u osnovi kružnog poprečnog preseka, povećana navojima ili žlebovima kao u cevi puške.

3. Rashladni element prema zahtevu 2, naznačentime,što su žlebovi kao u cevi puške izrađeni pomoću proširujućeg vretena.