Komín | Superelastická vlnitá skořepina
zahrnující šachtu instalovanou na železobetonovém základu vyrobeném ze dvou souose umístěných tenkostěnných plášťů vyrobených z žáruvzdorného a korozivzdorného materiálu, vyznačující se tím, že za účelem rozšíření funkčních možností v důsledku rekuperace tepelné energie spalin a snížení spotřeby materiálu je vybavena alespoň jedním dalším pláštěm, vnitřním povlakem vyrobeným z pružného žáruvzdorného a korozivzdorného materiálu a koncovými zátkami, přičemž pláště jsou vyrobeny z vlnitého materiálu a v sousedních pláštích jsou zvlnění umístěna ortogonálně a vzájemně spojena v místech kontaktu zvlnění s vytvořením utěsněné dutiny mezi vnitřními plášti, částečně naplněné chladicí kapalinou, a mezi vnějšími plášti – tepelné clony zakryté koncovými zátkami, přičemž tloušťka vnitřního povlaku je menší než tloušťka vnitřního vlnitého pláště.
Vynález se týká konstrukce seismicky odolných komínů s rekuperátory tepelné energie výfukových plynů a může být použit u vozidel provozovaných za vysokých vibrací a rázových zrychlení.
Je známý komín, který zahrnuje železobetonovou nosnou šachtu, vyzdívku vyrobenou z jednotlivých tepelně izolačních prvků instalovaných s mezerami mezi sebou a vzhledem k šachtě, prvky pro upevnění vyzdívky k šachtě a pružný tepelně izolační povlak na vnitřní straně vyzdívky (1).
Nevýhodami takových trubek jsou ztráta tepelné energie spalin, velká hmotnost trubky, nízká seismická odolnost a vysoká teplota plynů v ústí trubky komplikuje zařízení na čištění plynů pro neutralizaci plynů a jejich čištění od mechanických vměstků.
Je také známý komín, který zahrnuje šachtu vyrobenou z koaxiálně umístěných tenkostěnných plášťů z materiálu odolného vůči tepelné korozi (2), instalovaných na železobetonovém základu.
Nevýhodou takových trubek je ztráta tepelné energie spalin (při absenci rekuperátoru) a vysoká spotřeba materiálu.
Cílem vynálezu je rozšířit funkční možnosti rekuperací tepelné energie spalin a snížením spotřeby materiálu.
Pro dosažení těchto cílů je známý komín, zahrnující šachtu instalovanou na železobetonovém základu vyrobeném ze dvou koaxiálně umístěných tenkostěnných plášťů vyrobených z žáruvzdorného a korozivzdorného materiálu, opatřen alespoň jedním dalším koaxiálním pláštěm vyrobeným z žáruvzdorného a korozivzdorného materiálu, přičemž všechny vnitřní pláště jsou vyrobeny zvlněné s ortogonálním směrem zvlnění v sousedních pláštích, vzájemně propojené v místech kontaktu zvlnění s vytvořením dutiny (kanálu) pro chladivo mezi vnitřními plášti a tepelné clony mezi vnějšími plášti s koncovými zátkami, přičemž vnitřní povrch šachty je pokryt pružným tepelně a korozivzdorným tepelně izolačním materiálem, jehož tloušťka je menší než tloušťka vnitřního vlnitého pláště.
Obr. 1 znázorňuje jednu z variant komína s rekuperátorem ve formě tepelné trubky, celkový pohled; Obr. 2 – jednotka I na Obr. 1; Obr. 3 – řez A-A na Obr. 2; Obr. 4 – jednotka II na Obr. 1.
Komín obsahuje nosnou šachtu 1 instalovanou na železobetonovém základu 2, vyrobenou z koaxiálních vlnitých skořepin 3, 4, 5, 6 a 7 vzájemně spojených v místech styku vlnitostí z žáruvzdorného a korozivzdorného materiálu s ortogonálním směrem sousedních skořepin, z nichž dvě sousední, 3 a 4, umístěné na vnitřní straně šachty 1, jsou spojeny a tvoří utěsněnou dutinu 8 částečně vyplněnou teplonosnou látkou 9, jejíž vnitřní povrch je pokryt kapilárně porézním materiálem 10, který tvoří tepelnou trubici, a na vnitřní straně šachty je na povrch B nanesena tenká vrstva pružného žáruvzdorného a korozivzdorného tepelně izolačního materiálu s nízkou propustností pro plyny, například korundový povlak na hlinito-fosfátovém pojivu nebo žáruvzdorný povlak na kovy.
Spodní část hřídele 1 je připojena k přívodu vzduchu 11 horkovzdušného ventilátoru (není na výkresech znázorněn), jehož vnitřní dutina 12 je připojena ke vzduchovým kanálům 13 a 14 tvořeným tenkostěnnými vlnitými plášti 4, 5 a 6 na vnější straně tepelné trubky 8 s chladivem 9. Na vnější straně nosné hřídele 1 je instalován plášť 15, spojený v místech kontaktu vln s tenkostěnným vlnitým pláštěm 7, určeným pro instalaci pochozího žebříku, plošin semaforů (není na výkresech znázorněn). Dutiny 16 a 17 mezi plášti 6 a 15 jsou na koncích uzavřeny kryty 18 a tvoří vnější tepelnou clonu pro výměník tepla 8, čímž se snižují ztráty tepelné energie z výměníku tepla 8 do okolního prostředí. Tepelná trubka 8 má plnicí a vypouštěcí potrubí a pojistný ventil pro případ poruchy ventilátoru (není na výkresech znázorněn).
Navrhovaná konstrukce šachty 1 komína bude plnit funkci rekuperátoru tepelné energie spalin i bez přítomnosti tepelné trubice 8. V tomto případě se dutiny tepelné trubice používají jako kanály vzduchového výměníku tepla. V případě nouzového vypnutí dmychadla se však teplota vnitřního pláště 3 šachty 1 prudce zvýší, což povede ke zvýšenému opotřebení trubice. Upevnění nosné šachty 1 k železobetonovému základu 2 se provádí pomocí šroubů 19. Přívod spalin do trubice se provádí vstupem kouřovodu 20 a pro odstraňování popela je k dispozici okno 21. Vyzdívka 22 vodovodního kouřovodu 20, jehož těleso 23 může být vyrobeno z oceli, a vnitřní povrch misky 24 železobetonového základu 2 mohou být vyrobeny ze žáruvzdorného betonu na fosfátové vazbě 25 s výztužnou sítí 26, upevněnou na tenkostěnných koaxiálních skořepinách 27 a 28, zvlněných v obvodovém a axiálním směru, vzájemně spojených v kontaktních bodech zvlnění, přičemž zvlnění je instalováno s mezerou vzhledem k tělesu 23 vstupu kouřovodu 20 a misky 24 základu 2. Pro zvýšení odolnosti potrubí proti větru je spodní část misky 24 základu 2 vyplněna rozbitými cihlami 29 a základ 2 může být instalován na šroubových pilotách. V horní části nosné šachty 1 je instalováno čištění plynu 30, které může zahrnovat ozonizátor Emeljanov, elektrodynamickou sirénu, elektrocyklon, rotoklon „Ural“ nebo katalytický filtr Egin „Faktor – G2“. Přítomnost zvlnění na vnitřním tenkostěnném vlnitém plášti 3 šachty 1 zvyšuje přenos tepla ze spalin do tepelné trubky 8 v důsledku turbulence proudění spalin. Jako nosič tepla 9 lze použít vodu a tepelnou trubku 8 lze také použít k získávání a dodávání páry do filtru Egin.
Potrubí funguje následovně.
Pohybující se proud horkých spalin v šachtě 1, přicházející ze vstupu kouřovodu 20, víří na vnitřním vlnitém plášti 3 šachty 1 a většina jeho tepelné energie, v důsledku malého tepelného odporu mezi proudem plynu a tepelnou trubkou 8, bude přenesena do chladiva 9 a vzduchu v kanálech 13 a 14 výměníku tepla. V tomto případě se teplotní gradient spalin podél výšky trubky zvětšuje a v ústí šachty 1 trubky budou mít spaliny teplotu 50-80 °C, kde podléhají čištění plynu 30 a plyny, očištěné od mechanických nečistot a škodlivých složek, vstupují do atmosféry. Proud vzduchu, procházející filtrem přívodu vzduchu a vzduchovými kanály 13 a 14 šachty 1, umístěnými na vnější straně tepelné trubky 8, se ohřívá a ze sání vzduchu 11 vstupuje do dmychadla (není znázorněno na výkresech) pro druhotné využití, například je přiváděn do zóny spalování paliva v peci nebo elektrárně. Mechanické nečistoty ze spalin se částečně usazují na dně skla 24, odkud jsou periodicky odstraňovány okénkem 21, a částečně jsou shromažďovány čištěním plynu 30.
Teplotní gradient mezi chladivem 9 a horkými spalinami je rozložen přímo úměrně tloušťkám vlnitého pláště 3 a tepelně izolačního povlaku a nepřímo úměrně tepelným vodivostem materiálů pláště 3 a jeho tepelně izolačního povlaku. V případě výroby vlnitého pláště 3 z nerezové oceli typu 12X18H10T s tepelnou vodivostí λcst = 14,5 W/m.K a povlak je vyroben z korundu, jehož tepelná vodivost je λcst = = 7,-10 W/m.K při průměrné teplotě povlaku 600-800 °C a maximální teplotě spalin 1000 °C a tloušťce tepelně izolačního povlaku rovné 0,7 tloušťky pláště 3 budou maximální teplotní gradienty na plášti 3 a tepelně izolačním povlaku stejné a maximální teplota materiálu pláště 3, a to i bez tepelné trubice a odpojeného dmychadla, nepřekročí 500 °C, což je pro ocel 12X18N10T zcela přijatelné.
Za přítomnosti tepelné trubice s vodou a provozu dmychadla výměníku tepla nepřekročí maximální teplota materiálu pláště 3 105 °C, což výrazně zvýší životnost šachty 1 komína.
Při tloušťce vlnitých skořepin 3-6 kmene 1 rovné 0,3-1,0 mm, výšce zvlnění 40-70 mm a vlnové délce zvlnění 120-160 mm bude tuhost kmene 1 vůči ohybovým vibracím blízká tuhosti železobetonové trubky stejného průměru, délky a tloušťky a hmotnost kmene 1 bude výrazně menší než hmotnost kmene známých komínů. Kufr z 1 trubky může být vyroben ve formě samostatných sekcí o délce 8-15 m, což výrazně zjednoduší montáž komína na místě.
Zpětné získávání větší části tepelné energie spalin při několikanásobně nižší výšce kouřovodu a jeho spotřebě materiálu činí navrhovaný kouřovod konkurenceschopným s nejznámějšími kouřovody. (56) US patent č. 3730073, třída E 04 H 12/28, publikováno 1973.
Vzorec vynálezu podle patentu SSSR č. 1702884 Rotační pec PDF dokument
ROTAČNÍ PEC, zahrnující válcové těleso s vyzdívkou instalovanou v tělese na elastickém tepelně izolačním závěsu, který je vyroben ve tvaru válcové kovové skořepiny zvlněné v příčném směru, připevněné k tělesu, vyznačující se tím, že za účelem zvýšení životnosti pece snížením tuhosti elastického závěsu a snížením teplotního namáhání je vyzdívka vyrobena z vyztuženého žáruvzdorného betonu a elastický tepelně izolační závěs je opatřen další soustřednou kovovou vlnitou skořepinou, přičemž skořepiny jsou dodatečně zvlněné v podélném směru a jsou spojeny navzájem a s výztuhou vyzdívky po celé délce a částečně s tělesem podél kontaktních výstupků zvlnění, přičemž elastický tepelně izolační závěs je instalován s mezerou vzhledem k tělesu a na vnitřním povrchu tělesa podél prohlubní příčných zvlnění vnějšího pláště elastického závěsu jsou instalovány dorazy.
VÝPOČET KOMÍNOVÉHO A TEPLOTNÍHO NAPĚTÍ V ROTAČNÍ PECI
Uvažujme komín vyrobený z profilovaného plechu o tloušťce hл=0,7 mm s hloubkou vlnitosti v axiálním směru Hх=64 mm, vlnová délka zvlnění lu1=240 mm, počet vln zvlnění po obvodu střední plochy nca=13, průměr střední plochy Dženatý=0,994 m. Nechť hloubka vln zvlnění v obvodovém směru je Hca=48 mm, vlnová délka zvlnění lx1= 160 mm, nх=125, výška potrubí Ltr=20 m. Koeficienty anizotropie К1x= 1,15; К1r= 1,16; Кur= К2pr= 5570; Кxp= К2p= 3080.
Lze ukázat, že diferenciální rovnice pro válcovou skořepinu zvlněnou ve dvou ortogonálních směrech vzhledem k neznámému posunutí podél poloměru ω má následující tvar
Kde ; ; р – tlak uvnitř potrubí se středním poloměrem R, Тх– axiální síla, μ – Poissonův poměr,
– ohybová tuhost vlnitých a izotropních válcových skořepin.
Zvýšení ohybové tuhosti vlnité skořepiny o několik násobek ve srovnání s ohybovou tuhostí izotropní válcové skořepiny o tloušťce hл lze považovat za tuhost izotropní skořepiny s ekvivalentní tloušťkou trubky he.l., rovné
=11,4 mm, jehož hmotnost mtr= 5330 kg.
Hmota komína vyrobeného z válcové skořepiny zvlněné ve dvou ortogonálních směrech o tloušťce hл=0,7 mm se rovná 330 kg, tj. 16krát méně než hmotnost izotropní trubky mtr s tloušťkou stěny he.l.= 11,4 mm.
Nechť izotropní válcová skořepina se středním průměrem Dženatý=0,994 m a tloušťka he.l.=11,4 mm je těleso rotační pece, například pro výpal keramzitu, a má vyzdívku z žáruvzdorného betonu na portlandském cementu s chromovým vrcholem o tloušťce hф=56 mm, jejíž průměrná teplota Тženatý=1000 °C, teplotní součinitel lineární roztažnosti vyzdívky αф=12·10⁻⁶ К -1, modul pružnosti Еф=10 GPa.
Těleso pece je vyrobeno z žáruvzdorné oceli typu X23Yu5T, jejíž teplotní koeficient lineární roztažnosti je αumění.=16·10⁻⁶ К -1, modul pružnosti Еumění.=200 GPa.
Vztah pro normální termobimetal je splněn v první aproximaci, proto pro určení maximálních hodnot teplotních napětí σF.m a σArt.m na spoji ocelového tělesa a obložení lze použít zjednodušené poměry
=392 MPa, což je mnohonásobně vyšší než přípustná napětí pro vyzdívku a ocel při teplotě 1000 °C.
V případě použití profilovaného plechu o tloušťce hл=0,7 mm s hloubkou vlnitosti v axiálním směru Нх=64 mm a v obvodovém směru Нca=48 mm (jako u komína) bude koeficient snížení tahové tuhosti tělesa rotační pece podél jeho osy Кxp=3080, tj. teplotní napětí v tělese vyzdívky se sníží 3000krát.