Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2476387

(19)

RU

(11)

2476387

(13)

C2

(51) МПК C03B5/225 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 18.02.2013 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011120572/03, 20.05.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

20.05.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 20.05.2011

(43) Дата публикации заявки: 27.11.2012

(45) Опубликовано: 27.02.2013

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: Панкова Н.А., Живило И.Г. Возможность интенсификации процессов осветления стекломассы с помощью ультразвука / Сб. научн. трудов "Исследование по рациональному использованию сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в стекольной промышленности. - М.: 1984, с.62-76. RU 2128149 С1, 27.03.1999. SU 1571856 A1, 27.02.1995. SU 1414873 A1, 07.08.1988. US 20090255298 A1, 15.10.2009.

Адрес для переписки:

620002, г.Екатеринбург, ул.Мира, 19, УрФУ, центр интеллектуальной собственности, Т.В. Маркс

(72) Автор(ы):

Лисиенко Владимир Георгиевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)

(54) ВОЛНОВОД ДЛЯ ОСВЕТЛЕНИЯ СТЕКЛОМАССЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области стекловарения, в частности к стекловаренным печам. Волновод для осветления стекломассы, включающий погруженный в расплав стекломассы цилиндрический корпус волновода с закрытым торцом, снабжен газоструйным акустическим излучателем, трубопроводом для подачи и отвода рабочего газа, встроенной внутри корпуса волновода цилиндрической перфорированной отверстиями цилиндрической трубой с закрытым торцом. Оси отверстий перфорации перпендикулярны внутренней поверхности корпуса волновода. Зазор между внутренней поверхностью корпуса волновода и наружной поверхностью перфорированной трубы составляет величину h=6d o , где d o - диаметр отверстий перфорированной трубы. Технический результат изобретения - обеспечение интенсификации удаления газовых пузырей из объема стекломассы в зоне осветления, что приводит к увеличению производительности стекловаренных печей при увеличении ресурса работы волновода в высокотемпературной среде стекломассы. 1 ил.

Изобретение относится к области стекловарения, в частности к стекловаренным печам.

Известны методы осветления, т.е. удаления пузырьков газа из стекломассы в стекловаренных печах [1, 2].

К ним относится выдержка при высокой температуре, введение поверхностных активных веществ. Однако эти методы требуют повышения температуры в зоне осветления и длительного времени процесса.

Известна также интенсификация процесса осветления с помощью ультразвуковых волноводов [2]. Установлено, что введение волноводов, оборудованных ультразвуковыми излучателями, в расплав стекломассы даже без увеличения температуры позволяет обеспечивать коагуляцию пузырьков газа, что способствует более полному осветлению стекломассы.

Однако недостатком этого волновода является недостаточная мощность ультразвуковых излучателей и большие расходы электроэнергии на генерацию ультразвуковых колебаний. Кроме того, как установлено [2], оптимальная частота акустических колебаний для агрегации мелких пузырей в стекломассе соответствует сравнительно низким частотам - в диапазоне 3-20 кГц, что не соответствует оптимальному режиму работы ультразвуковых излучателей.

Таким образом, известны ультразвуковые волноводы для осветления стекломассы, оборудованные ультразвуковыми акустическими излучателями, погружаемые в объем стекломассы [2]. Однако недостатком этих волноводов является их акустическое излучение в неоптимальном для агрегации пузырьков газа диапазоне частот, а также недостаточная акустическая мощность и большой расход электроэнергии на генерацию акустических колебаний.

Кроме того, стойкость волновода в объеме стекломассы с температурой 1200°С при отсутствии принудительного охлаждения является недостаточной.

Технической задачей предлагаемого устройства является обеспечение эффективной агрегации и коагуляции пузырьков газа в стекломассе с целью интенсификации процесса их удаления.

Эта задача решается тем, что волновод для осветления стекломассы, включающий погруженный в расплав стекломассы цилиндрический корпус волновода с закрытым торцом, отличается тем, что он снабжен газоструйным акустическим излучателем, трубопроводами для подачи и отвода рабочего газа, встроенной внутри корпуса волновода цилиндрической перфорированной отверстиями цилиндрической трубой с закрытым торцом, причем оси отверстий перфорации перпендикулярны внутренней поверхности корпуса волновода, при этом зазор между внутренней поверхностью корпуса волновода и наружной поверхностью перфорированной трубы составляет величину h=6d o , где d o - диаметр отверстия перфорированной трубы.

Таким образом, рабочий газ данного волновода - компрессорный воздух - озвучивается (подвергается воздействием акустического поля) в газоструйном акустическом излучателе, несущие частоты которого как раз и находятся в диапазоне частот, оптимальных для агрегации и коагуляции пузырьков газа стекломассы (100-4000 Гц) [3].

Подача озвученного газа через отверстия в перфорированной трубе обеспечивает двойную функцию: 1) передачу акустического излучения от озвученного газа к наружной стенке волновода и далее в объем стекломассы и 2) интенсивное охлаждение наружной стенки волновода. Струйное охлаждение стенки волновода при скорости атакующих поверхностей струй рабочего газа 100-150 м/с обеспечивает охлаждение наружной стенки и высокий ресурс службы волновода в высокотемпературном объеме расплавленной стекломассы.

Диаметр d o и количество отверстий N перфорированного внутреннего цилиндра определяется расходом рабочего газа и указанной требуемой скоростью истекающего из отверстий рабочего газа в пределах 100-150 м/с, при этом отверстия по возможности равномерно распределяются по поверхности перфорированной трубы [4].

Для наиболее эффективного охлаждения стенки корпуса волновода расстояние (зазор) между внутренней поверхностью корпуса волновода и наружной поверхностью перфорированной трубы должно составлять величину h в =6d о [4].

Мощность акустического излучения, генерируемого газоструйными излучателями, составляет 0,1-0,15 кВт/м 2 =100-150 Вт/м 2 [4], что почти на 5 порядков больше отмеченной в работе [3] мощности акустического излучения генераторов ультразвуковых акустических колебаний, и это гарантированно обеспечивает коагуляцию газовых пузырей в стекломассе и их ускоренное удаление. При этом коэффициент отражения акустического излучения на границе «сталь-стекло» составляет около 30%, а поглощение звука в тонкой стальной стенке корпуса волновода не превысит 3-5% [5], т.е. мощность акустических колебаний в объеме стекломассы вполне достаточна для интенсивной коагуляции газовых пузырей.

При движении рабочего газа - компрессорного воздуха - внутри волновода за счет теплообмена с расплавленной стекломассой через наружную стенку волновода этот компрессорный воздух нагревается. Его физическая теплота используется при его подаче в трубопровод вентиляторного воздуха, подаваемого к горелкам стекловаренной печи.

Предлагаемый волновод для осветления стекломассы реализуется устройством, представленным на фиг.1.

На фиг.1 представлен свод рабочего пространства зоны осветления стекловаренной печи 1 и стеклорасплав 2.

Устройство содержит газоструйный акустический излучатель с рефлектором 3, газоподводящий трубопровод с соплом 4, резонатор 5, цилиндрическую подводящую перфорированную трубу для ввода озвученного газа с закрытым торцом 7, цилиндрический корпус волновода с закрытым торцом 8, отводящие рабочий газ трубопроводы 9, показан ввод 10 и вывод 11 рабочего газа.

Устройство работает следующим образом. Рабочий газ газоструйного акустического излучателя - компрессорный воздух 10 - через газоподводящий трубопровод и сопло 4 акустического излучателя 3 подается в резонатор 5. В резонаторе 5 формируется акустическое поле, накладываемое на рабочий газ и направляемое с использованием рефлектора внутрь перфорированной трубы 6.

Озвученный газ через отверстия в перфорированной трубе 7 подается на внутреннюю поверхность корпуса волновода 8, вызывая охлаждающий эффект на поверхности корпуса. Звуковое поле через стенку корпуса волновода 8 подается в объем стеклорасплава 2, обеспечивая ускоренное агрегатирование и коагуляцию пузырьков газа в стекломассе и интенсификацию их удаления. Нагретый рабочий газ 11 через трубопроводы 9 отводится из волновода и поступает в трубопровод вентиляторного воздуха, подаваемого к горелкам стекловаренной печи (на фиг.1 не показан).

Базовая частота f акустического поля формируется заданием глубины резонатора 5 и в соответствии с уравнением [3]

где в о =43300-43400 - коэффициент пропорциональности; n=0,8-0,9.

Так при задании базовой частоты f=2000 Гц в соответствии с уравнением (1) при в о =43350 и n=0,85

Применение волновода данной конструкции обеспечивает интенсификацию удаления газовых пузырей из объема стекломассы в зоне осветления, что приводит к увеличению производительности стекловаренных печей. Организация струйной подачи рабочего газа на стенку наружной трубы волновода обеспечивает увеличение ресурса работы волновода в высокотемпературной среде стекломассы. Организация подачи отработанного нагретого рабочего газа в трубопровод вентиляционного воздуха для его использования в горелках стекловаренной печи приводит к экономии расхода топлива на горелках.

Пример реализации и расчета (см. фиг.1)

Определим основные параметры волновода для рабочего газа - компрессорного воздуха [6].

Из конструктивных соображений наружный диаметр корпуса волновода принят равным D нар =150 мм=0,15 м.

Толщину стенки корпуса волновода принимаем равной =3 мм=0,003 м, тогда внутренний диаметр корпуса волновода D вн =144 мм=0,144 м.

Принимаем плотность перфорации подводящей перфорированной трубы N=500 отв./м 2 , скорость истечения w в =150 м/с. Открытая площадь перфорации f п =0,25%.

Принимаем расход рабочего газа на волновод G г =500 м 3 /ч=0,1389 м 3 /с, давление 0,3-0,4 МПа (3-4 ата).

Температура стекломассы t нар =1200°C, температура подаваемого воздуха к перфорированной стенке t вн =40°С.

Температурный параметр струйного охладителя [6]

где

, w - скорость истечения струй, м/с; d о - эффективный диаметр отверстий перфорации, м; - коэффициент кинематической вязкости, м 2 /с; D, А, В, С, Е - коэффициенты; ; А=3650-1370 D 2 /(1-2,2D) 2 ; В=10 4 (0,6-0,25D)/D 2 ; С=10 -2 (25,4-54D)/D 2 ; Е=1+1,35D 0,6 ; температуры: t в - воздуха на выходе из волновода, t ст - стенки корпуса волновода; t вн - воздуха, подаваемого к перфорированной трубе, °С.

Суммарная площадь проходного сечения отверстий перфорации

.

Эффективный диаметр отверстий [6]

Действительный диаметр ( сж =0,78 - коэффициент сжатия)

.

Площадь поверхности теплообмена

.

Поверхность теплообмена равна

Внутренний диаметр корпуса волновода D вн =144 мм.

Расстояние от внутренней поверхности перфорированной трубы до внутреннего диаметра корпуса волновода

h в =6d о =6·2,52 15 мм.

Тогда диаметр перфорированной трубы D п

D п =D вн -2h=144-30=114 мм.

Требуемая длина рабочей части перфорированной трубы в соответствии с формулой (4)

.

При температуре воздуха t=40°С коэффициент кинематической вязкости =17,3·10 -6 м 2 /с [9].

Тогда критерий Рейнольдса

.

Величины:

;

A=3650-1370·0,1 2 /(1-2,2·0,1) 2 =5976;

В=10 4 (0,6-0,25·0,1)/0,1 3 =5,75·10 6 ;

C=10 -2 (25,4-54D)D 2 =20; E=1+1,35·0,1 0,6 =1,34.

По формуле (2)

.

Коэффициент теплоотдачи конвекцией от воздушных струй к внутренней стенке корпуса волновода

Здесь q в - плотность расхода воздуха:

q в =w в f п =150·2,5·10 -3 =0,375 м 3 /(м 2 ·с); величина теплоемкости воздуха С р в диапазоне 40-400°С С р =1,33 кДж/(м 3 ·К) [9].

Для расчетов с учетом влияния акустических колебаний на усиление теплоотдачи принимаем величину вн =200 Вт/(м 2 ·К).

Коэффициент теплоотдачи от расплавленной стекломассы к поверхности корпуса волновода при температуре стекломассы 1200°С принимаем равным нар =500 Вт/(м 2 ·К) [8, с.255, рис.87].

Число отверстий на перфорированной трубе

М=NF=500·0,4244=212,2=212 отверстий.

При диаметре перфорированной трубы D п =0,114 м периметр окружности перфорированной трубы

L ок = D п =3,14·0,114=0,358 м.

Длина перфорированной трубы L=1,186 м.

Отношение .

При этом число отверстий в ряду по периметру перфорированной трубы составляет 7,99, принимаем n п =8, по длине цилиндра число рядов составит 26,5, принимаем n q =26.

Шаги между отверстиями по периметру перфорированной трубы

.

Шаги между рядами по длине перфорированной трубы при расстоянии от оснований цилиндра 10 мм

.

При D нар =150 мм и толщине стенки корпуса волновода =3 мм=0,003 м внутренний диаметр стенки D вн =144 мм.

При отношении можно для цилиндрической стенки перфорированной трубы при определении теплоотдачи использовать формулы для плоской стенки [9].

Для жаростойкой стали при температуре стенки 800-900°С величина теплопроводности =26,7 Вт/(м 2 ·К).

Тогда отношение , что много меньше внешнего и внутреннего теплового сопротивления [7, 9]

и .

При этом для определения температуры стенки - корпуса волновода используем формулу [9]

.

Из формулы (3) получаем температуру воздуха на выходе из волновода

t в =t вн + в (t ст -t вн )=40+0,4433(868,6-40)=407,3°С.

Отходящий из волновода воздух с температурой t в =407,3°С направляется для подмешивания к вентиляторному воздуху, подаваемому на горелки стекловаренной печи.

Определим основные параметры газоструйного акустического излучателя (см. фиг.1).

При давлении компрессорного воздуха Р т =0,4 МПа, его расходе G=500 м 3 /ч=0,1389 м 3 /с и температуре T т =200°С=293 К площадь выходного сечения сопла газоструйного акустического излучателя определим по формуле [8]

где с - коэффициент потерь давления; с =0,8-0,85;

К г - коэффициент, равный для компрессорного воздуха К г =0,0404 (К 0,5 ·с)/м.

Тогда

.

Диаметр сопла

.

Диаметр резонатора излучателя [3]

d p =1,5d c =1,5·15,3=23,4 мм.

Расстояние от выходного сечения сопла акустического излучателя до входа в резонатор при радиусе отражателя R p =20 мм.

.

Таким образом, все основные параметры акустического излучателя определены.

Источники информации

1. Панкова Н.А. Возможные пути интенсификации процессов осветления и рациональной его организации в печах новой конструкции. Научные труды ГИС. - М, 1968, 1. С.45-51.

2. Панкова Н.А., Живило И.Г. Возможность интенсификации процессов осветления стекломассы с помощью ультразвука / Сб. научн. трудов «Исследование по рациональному использованию сырьевых и топливно-энергетических ресурсов в стекольной промышленности. М., 1984. - С.62-76.

3. Воронов Г.В., Кокарев Н.И., Лисиенко В.Г. и др. Газоструйный излучатель. Патент на изобретение РФ 1571856, Опубл. 27.02.1995.

4. Бажанов Л.Н., Стрижов Г.Ф., Вихляев Н.А. и др. Способ кислородно-факельной плавки. Патент на изобретение РФ 1414873, Бюл. 29, 07.08.1988.

5. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1988. - 208 с.

6. Гордон Я.М., Зобнин Б.Ф., Казяев М.Д. и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Учебник для вузов / Под ред. А.С.Телегина. - М.: Металлургия, 1993. - 368 с.

7. Кривандин В.А., Арутюнов В.А., Мастрюков Б.С. и др. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. Т.1. Теоретические основы. Учебник для вузов / Под ред. В.А.Кривандина. - М.: Металлургия, 1986. - 424 с.

8. Китаев Б.И., Зобнин Б.Ф., Раников В.Ф. и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей. Учебное пособие / Под ред. А.С.Телегина. - М.: Металлургия, 1970. - 528 с.

9. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т.2. Расчеты металлургических печей. - М.: Металлургия, 1978. - 272 с.

Формула изобретения

Волновод для осветления стекломассы, включающий погруженный в расплав стекломассы цилиндрический корпус волновода с закрытым торцом, отличающийся тем, что он снабжен газоструйным акустическим излучателем, трубопроводами для подачи и отвода рабочего газа, встроенной внутри корпуса волновода перфорированной отверстиями цилиндрической трубой с закрытым торцом, причем оси отверстий перфорации перпендикулярны внутренней поверхности корпуса волновода, при этом зазор между внутренней поверхностью корпуса волновода и наружной поверхностью перфорированной трубы составляет величину h=6d o , где d o - диаметр отверстия перфорированной трубы.

РИСУНКИ