Результат интеллектуальной деятельности: Охладитель кокса

Изобретение относится к коксохимической, металлургической, цементной промышленности, а именно к устройствам для охлаждения сыпучих материалов, например кокса, клинкера при производстве цемента, цинка, свинца, олова и переработки руд.

Известно устройство для охлаждения сыпучих материалов (А.с. СССР, №1765154, кл. С10В 39/00, F27В 7/38), включающее водяную ванну, установленный в ней вращающийся барабана с карманами охлаждения, выполненный из секций, каждая из которых смонтирована из шести пластин, выполненных в виде равнобочных трапеций, средства для загрузки и выгрузки. Каждая из трапеций соединяется боковой стороной попеременно с последующей трапецией по ее плоскости и проходит через вершину у верхнего основания и боковой стороны, образуя внутреннюю полость секции в виде правильного октаэдра. Секции соединены между собой в барабан нижними основаниями. Нижние основания трапеций больше боковой на величину верхнего основания. Карманы охлаждения образованы соединением последовательно по периметру секции под внутренним тупым углом друг к другу попеременно к торцам секции верхним и нижним основаниями с односторонним напуском в сторону, противоположную внутреннему тупому углу. Односторонний напуск по наружному углу между двумя пластинами направлен в сторону вращения барабана.

Недостатками известного устройства являются ограниченные технологические возможности из-за недостаточной эффективности охлаждения, обусловленной недостаточной интенсивности теплообмена между частицами клинкера и охлаждающей водой, малой их перемешиваемостью и определенной упорядоченностью движения частиц клинкера внутри барабана, сложность сборки конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является охладитель клинкера (патент РФ №2459169, кл. F27В 7/38, опубл. 20.08.2012, бюл. №23), включающий водяную ванну, установленный в ней вращающийся барабана, средства для загрузки и выгрузки клинкера, барабан по периметру выполнен из направляющих элементов в виде скрученных по винтовой линии в продольном направлении и изогнутых по винтовой линии на конической оправке в поперечном направлении трех и более полос трапециевидной формы с разными размерами по ширине с увеличением их по длине барабана от загрузки к выгрузке, при этом по всей длине барабана смонтирована коническая пружина, которая оборудована устройством для изменения шага витков путем ее растяжения или сжатия.

Недостатками известного устройства являются ограниченные технологические возможности из-за недостаточной эффективности охлаждения, обусловленной недостаточной интенсивности теплообмена между частицами клинкера или кокса и охлаждающей водой, малой их перемешиваемостью и определенной упорядоченностью движения частиц клинкера или кокса внутри барабана, сложность сборки конструкции.

Техническим результатом задачи является повышение эффективности охлаждения, расширение технологических возможностей, упрощение сборки конструкции.

Технический результат достигается тем, что в охладителе кокса, включающем водяную ванну, установленный в ней вращающийся барабан, средства для загрузки и выгрузки кокса, барабан изготовлен из трех или более полос трапециевидной формы с разными размерами по ширине, с увеличением их по длине, на которых попеременно с их противоположных сторон под углом 60° к оси полос выполнены посредством фрезерования или обработкой давлением зоны ослабленного сечения в виде надрезов со скошенными стенками для образования по периметру барабана кольцевых многогранных поверхностей из поочередно расположенных друг с другом своими боковыми сторонами равносторонних и равнобедренных треугольников, при этом полосы скручены в продольном направлении относительно своих продольных осей и изогнуты в поперечном направлении по винтовой линии на конической оправке с образованием по периметру барабана трех и более винтовых линий и винтовых поверхностей основного и противоположного направлений с переменным увеличивающимся шагом винтовых линий, при этом по всей длине барабана смонтирована коническая пружина с плоским сечением витков, которая оборудована устройством для изменения шага витков путем ее растяжения или сжатия, причем направление ее витков противоположно направлению вращения барабана, а ее конусность не совпадает с конусностью барабана.

По данным патентно-технической литературы не обнаружено техническое решении, аналогичное заявляемому, что позволяет судить об изобретательском уровне предлагаемой конструкции охладитель кокса.

Новизна состоит в том, что барабан изготовлен из трех или более полос трапециевидной формы с разными размерами по ширине, с увеличением их по длине, на которых попеременно с их противоположных сторон под углом 60° к оси полос выполнены посредством фрезерования или обработкой давлением зоны ослабленного сечения в виде надрезов со скошенными стенками для образования по периметру барабана кольцевых многогранных поверхностей из поочередно расположенных друг с другом своими боковыми сторонами равносторонних и равнобедренных треугольников, что обеспечивает нарушение стационарности потоков частиц кокса внутри барабана, а также потоков воды снаружи барабана и расширяет технологические возможности.

Новизна состоит в том, что барабан изготовлен из полос, скрученных в продольном направлении относительно своих продольных осей и изогнутых в поперечном направлении по винтовой линии на конической оправке с образованием по периметру барабана трех и более винтовых линий и винтовых поверхностей основного и противоположного направлений с переменным увеличивающимся шагом винтовых линий, что обеспечивает нарушение стационарности потоков частиц кокса внутри барабана, а также потоков воды снаружи барабана и расширяет технологические возможности.

Новизна заключается также в том, что по периметру барабана образованы винтовые поверхности из плоских элементов различной формы и размеров в виде равнобедренных и равносторонних треугольников, что обеспечивает нарушение стационарности потоков частиц кокса внутри барабана и воды снаружи барабана, повышает эффективность охлаждения и расширяет технологические возможности.

Новизна заключается в том, что поперечное проходное сечение барабана имеет форму многоугольника, площадь которого по длине многократно меняется от загрузки к выгрузке, обеспечивая периодическое поджатие частиц кокса, что увеличивает энергоемкость соударений, повышает эффективность охлаждения и расширяет технологические возможности.

Новизна обусловлена тем, что барабан снабжен винтовыми линиями, направленными навстречу друг к другу по периметру барабана, и соответственно четырьмя винтовыми канавками внутри барабана, направленными тоже навстречу друг другу, что обеспечивает создание направленных навстречу друг другу потоков частиц кокса с максимальной энергоемкость соударений частиц друг к другу и со стенками барабана под разными углами, увеличивает частоту взаимодействия частиц кокса друг с другом и со стенками барабана, увеличивает эффективность теплопередачи и расширяет технологические возможности.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что барабан по всей длине имеет переменное не только поперечное, но и продольное сечение, что интенсифицирует процесс смешивания и охлаждения кокса, расширяет технологические возможности.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что такое конструктивное оформление барабана позволяет обеспечить последовательное постепенное уплотнение и разряжение потоков кокса внутри барабана, а также потоков воды снаружи барабана по мере продвижение кокса от загрузки к выгрузке, а также повысить эффективность смешивания частиц кокса и их охлаждение.

Новизна усматривается также в том, что площадь и форма поперечного и продольного сечений барабана изменяются по всей длине барабана многократно от загрузки к выгрузке, что изменяет скорости и траекторию перемещения частиц кокса, расширяет технологические возможности машины для охлаждения кокса, повышает интенсивность охлаждения.

Новизна заключается также в том, что по периметру барабана образованы направленные навстречу друг другу винтовые поверхности по длине барабана, что обеспечивает не только нарушение стационарности потоков движения частиц кокса внутри барабана, но и потоков воды снаружи барабана.

Новизна заключатся также в том, что по периметру барабана образованы кольцевые многогранные поверхности из поочередно расположенных друг с другом своими боковыми сторонами равносторонних и равнобедренных треугольников, направленные навстречу не только друг другу под углом, но и к оси вращения барабана, что обеспечивает нарушение стационарности движения потоков частиц кокса внутри барабана, а также потоков воды снаружи барабана, при этом скорость частиц кокса внутри барабана, а также воды снаружи барабана в каждой точке их потоков хаотически пульсирует, поэтому частицы кокса внутри барабана, а также воды снаружи барабана совершают неустановившиеся беспорядочные движения по сложным траекториям, а именно турбулентное течение, что повышает эффективность охлаждения.

Новизна усматривается в том, что по всей длине барабана смонтирована коническая пружина с плоским сечением витков, которая оборудована устройством для изменения шага витков путем ее растяжения или сжатия, причем направление ее витков противоположно направлению вращения барабана, а ее конусность не совпадает с конусностью барабана. Поэтому частицы кокса, совершающие движение внутри барабана в плоскостях, перпендикулярных оси симметрии барабана, встречаясь с витками пружины, изменяют траекторию своего движения и перемещаются в обратном направлении, противоположном движению частиц кокса от загрузки к выгрузке под влиянием конусности барабана, при этом создаются противопотоки частиц кокса, увеличивается интенсивность процесса теплопередачи и расширяются технологические возможности.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен охладитель кокса, общий вид; на фиг. 2 - барабан, вид спереди; на фиг. 3 - вид А на фиг. 2; фиг. 4 - одна из полос, общий вид на фиг. 5 - сечение А-А на фиг. 4; на фиг. 6 - вид полосы после скручивание ее относительно продольной оси и изогнутой в поперечном направлении на конической оправке.

Охладитель кокса (фиг. 1) включает водяную ванну 1, установленный в ней вращающийся барабан 2 с загрузочным 3 и разгрузочным 4 приспособлениями. Над барабаном 2 установлен разбрызгиватель 5. Над водяной ванной 1 установлен дефлегматор 6. Для изменения направления движения, скорости перемещений раскаленных частиц кокса в барабане, а также частоты взаимодействия частиц кокса друг с другом и со стенками барабана, увеличения интенсивности теплообмена по всей длине барабана смонтирована коническая пружина 7 с плоским сечением витков, которая оборудована устройством для изменения шага витков путем ее растяжения или сжатия, причем направление ее витков противоположно направлению вращения барабана, а ее конусность не совпадает с конусностью барабана. Устройство для изменения шага витков пружины на чертежах не показано.

Барабан 2 изготовлен из трех или более полос трапециевидной формы, например на фиг. 2, фиг. 3, шести полос 8, 9, 10, 11, 12, 13 с разными размерами по ширине, с увеличением их по длине барабана 2 и образованием шести винтовых линий основного направления с переменным увеличивающимся шагом S₁ и шести винтовых линий противоположного направления с переменным увеличивающимся шагом S₂ и верхним и нижним основаниями в виде, например, шестиугольников. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны утолщенными линиями одна из шести винтовых линий 14, 15, 16, 17, 18, 19 основного направления и одна из шести винтовых линий противоположного направления 20, 21, 16, 22, 23, 24.

Таким образом, барабан 2 выполнен из трех или более полос трапециевидной формы, например на фиг. 2, фиг. 3, шести полос 8, 9, 10, 11, 12, 13 с разными размерами по ширине, с увеличением их по длине барабана 2. По периметру барабана 2 образцовых кольцевых многогранных поверхностей А, Б, В, Г, D и т.д. из поочередно расположенных друг с другом своими боковыми сторонами равносторонних 25 и равнобедренных 26 треугольников, что упрощает изготовление. Для этого на полосах 8, 9, 10, 11, 12, 13 попеременно с противоположных сторон под углом 60° к оси полосы выполнены зоны ослабленного сечения - надрезы (фиг. 4, фиг. 5), например на полосе 8 надрезы 27 и 28 со скошенными стенками посредством фрезерования или обработкой давлением и т.п. Геометрия и величины углов λ, γ, ω, ψ, α, β скосов надрезов (фиг. 5) и их взаимное расположение определяют углы наклона равносторонних треугольников 25 и равнобедренных треугольников 26 друг к друг. Каждая из трапециевидных полос 8, 9, 10, 11, 12, 13 скручена в продольном направлении относительно собственной оси симметрии, например, как трапециевидная полоса 8, у которой зафиксирован в горячем или холодном состоянии один из ее концов и повернут другой конец полосы в заданном направлении относительно продольной оси 0₁-0₁. Скручивание каждой полосы обеспечивает дополнительное искривление поверхности барабана 2, поэтому векторы скоростей частиц кокса становятся разнонаправленными и в результате увеличивается эффективность теплопередачи. Скрученную таким образом полосу 8 размещают на конической оправке 26 (фиг. 6) и изгибают так, чтобы кромки полосы разместились в поперечном направлении по винтовой линии. При этом полоса деформируется и ее либо снимают с оправки, либо фиксируют на ней в деформированном положении. Аналогичным образом деформируют остальные полосы, образующие барабана 2. Далее три, четыре, пять, шесть и более деформированных таким образом полос соединяют известными методами по боковым винтовым кромкам. Полосы 8, 9, 10, 11, 12, 13 после сгиба соединяют друг с другом боковыми сторонами известными методами, например сваркой, с образованием по периметру барабана 2 винтовых линий и внутренних винтовых канавок основного и противоположного направлений с переменным увеличивающимся шагом винтовых линий от загрузки к выгрузке. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны утолщенными линиями одна из шести винтовых линий 14, 15, 16, 17, 18, 19 основного направления с переменным увеличивающимся шагом S₁ и одна из шести винтовых линий противоположного направления 20, 21, 16, 22, 23, 24 с переменным увеличивающимся шагом S₂.

Охладитель кокса работает следующим образом.

Раскаленный кокс поступает во вращающийся барабан 2 с помощью загрузочного приспособления 4 через коническую трубу. Барабан 2 орошается водой, поступающей из разбрызгивателя 5. При вращении барабана 2 разные по форме и размерам равносторонние и равнобедренные треугольников 25 и 26, которые расположены под разными углами не только друг к другу, но и к оси вращения барабана 2, работая как ковши (внутренние карманы), захватывают различные по объему порции частиц кокса, поднимают их по направлению вращения барабана 2 несколько выше угла естественного откоса, а затем направляют эти порции в направлениях, перпендикулярных этим полкам (ковшам), под некоторым углом не только к оси вращения барабана 2, но и к другим по массе потокам масс кокса, движущихся внутри барабана 2 под другими углами и с другими скоростями. Длина траектории движении (амплитуда) этих потоков кокса в значительной степени зависит от диаметра барабана 2, от углов наклона равносторонних и равнобедренных треугольников 25 и 26 друг к другу и к оси вращения. Частота движения и соударений потоков определяется не только частотой вращения барабана 2, но и количеством разных по форме плоских элементов по периметру барабана 2. Поэтому в предлагаемой конструкции охладителя кокса обеспечивается повышение частоты взаимодействия потоков раскаленного кокса друг с другом и со стенками барабана 2, обеспечивается интенсивная теплопередача раскаленного кокса и стенок барабана 2 охлаждаемых с наружной стороны водой, в том числе за счет полива стенок барабана 2 водой, которая захватывается углублениями на наружной поверхности барабана 2 между расположенными под углом друг к другу равносторонними и равнобедренными треугольниками 25 и 26. Таким образом, при вращении барабана 2 плоские элементы - равносторонне и равнобедренные треугольники 25 и 26, смонтированные по периметру барабана 2 разнонаклоненными к оси вращения барабана 2 и друг к другу, образующие наружные карманы, захватывают различные по объему порции воды, поднимают их по направлению вращения барабана 2 и обеспечивают дополнительный полив верхней поверхности барабана 2 водой, что обеспечивает интенсификацию теплопередачи, расширяются технологические возможности. Так как по длине барабана 2 от загрузки к выгрузке меняется многократно форма и размеры поперечного сечения, имеющего форму многоугольника, то не только обеспечивается периодическое поджатие масс потоков кокса, что увеличивает интенсивность соударений, расширяет технологические возможности, повышает эффективность охлаждения, но и обеспечивается смешиваемость воды, что улучшает теплообмен. По мере прохождения кокса по длине барабана 2 он охлаждается и удаляется из барабана 2 с помощью разгрузочного устройства 4. Движение кокса внутри барабана 2 усложняется не только за счет наличия внутри барабана 2 ломаных винтовых линий и винтовых канавок, но и конической пружины 7 с плоским сечением витков, которая оборудована устройством для изменения шага витков путем ее растяжения или сжатия, причем направление ее витков противоположно направлению вращения барабана 2, а ее конусность не совпадает с конусностью барабана 2, что создает дополнительно направленные навстречу друг другу потоки частиц кокса.

Выделяющийся при охлаждении кокса пар конденсируется в дефлегматоре 6, что позволяет сократить расходы воды при охлаждении.

Таким образом, охладитель кокса работает следующим образом.

Во вращающийся барабан 2 машины для охлаждения кокса через устройство 3 непрерывно загружается раскаленный кокс. При вращении барабана 2 частицы кокса совершают движение по винтовым канавкам и выгружаются из барабана 2 через устройство 4 за пределы машины для охлаждения кокса. При вращении барабана 2 частицы раскаленного кокса захватываются гранями его внутренней винтовой поверхности и в направлении вращения поднимаются вверх и перемещаются в сторону выгрузки. По достижении определенной высоты под действием гравитационных сил и образовавшегося угла естественного откоса частицы кокса движутся навстречу друг к другу под определенными углами и к стенкам вращающегося барабана 2 и перемещаются в сторону выгрузки. Так как криволинейная внутренняя поверхность барабана 2 непрерывна, то и непрерывен процесс движения последующих порций кокса, которые поднимаются вверх и падают вниз, движутся под разными углами. Поскольку внутренняя поверхность барабана 2 смонтирована из разных по форме и размерам равносторонних и равнобедренных треугольников 25 и 26, которые расположены под разными углами не только друг к другу, но и к оси вращения барабана 2, то каждая порция частиц кокса перемещается по своему вектору направления в сторону выгрузки, что в значительной степени интенсифицирует процесс взаимодействия частиц кокса друг с другом и со стенками барабана 2, повышает частоту их соударений и интенсивность теплообменных процессов, расширяет технологические возможность. Так как из-за криволинейной формы внутренней поверхности барабана 2 значительно расширен диапазон изменений результирующих векторов перемещений частиц кокса, то каждая частица кокса движется по разным векторам направления, что обеспечивает большую вероятность столкновений внутри барабана 2, поэтому и обеспечивается интенсификация процесса теплообмена. Скорость движения частиц кокса определяется уклоном конической поверхности барабана 2, а также пружиной 7, направление витков которой противоположно вращению барабана 2, при этом ее конусность не совпадает с конусностью барабана 2, что изменяет дополнительно направление векторов движения частиц кокса. Поэтому траектория движения частиц кокса усложняется и увеличивается частота взаимодействия частиц кокса друг с другом и со стенками барабана 2, повышается эффективность теплообмена.

Технико-экономическое преимущества возникают за счет расширения технологических возможностей, за счет повышения эффективности охлаждения, обусловленной повышением интенсивности теплообмена между коксом и охлаждаемой водой, увеличения их перемешиваемостью и интенсификации движения частиц кокса внутри барабана, упрощения сборки барабана, за счет изготовления барабана из трех или более полос трапециевидной формы с разными размерами по ширине, с увеличением их по длине и образованием по периметру барабана винтовых поверхностей из плоских элементов различной формы и размеров в виде равнобедренных и равносторонних треугольников, за счет монтажа внутри барабана конической пружины с плоским сечением витков, которая оборудована устройством для изменения шага витков путем ее растяжения или сжатия, причем направление ее витков противоположно направлению вращения барабана, а ее конусность не совпадает с конусностью барабана, что обеспечивает нарушение стационарности потоков частиц раскаленного кокса внутри барабана, увеличивает частоту их взаимодействия не только друг с другом, но и со стенками барабана, повышает эффективность охлаждения и расширяет технологические возможности.