RU2301389C2 - Device for convective heating or cooling of metal - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: device comprises two scrolls and shaft connected with the reverse electric motor. The shaft is provided with wheels having blades set in the scrolls. The outlet ports in the working wheels are interconnected so that they in practice abut one against the other and are separated only by the axial impeller.

EFFECT: improved design.

4 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к механическим тягодутьевым устройствам, создано для циркуляции газовой среды по контуру печи для термообработки металла, но может быть использовано также для циркуляции воздуха или газов в иных агрегатах.The invention relates to mechanical draft devices, designed to circulate a gaseous medium along the contour of a furnace for heat treatment of metal, but can also be used to circulate air or gases in other units.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является реверсивное устройство башенной установки HICON фирмы EBNER для термообработки профилей труб и прутков из цветных металлов (Проспект фирмы, декабрь 1993 г.).Closest to the claimed invention is a reversing device tower installation HICON company EBNER for heat treatment of profiles of pipes and rods of non-ferrous metals (Prospectus of the company, December 1993).

Устройство состоит из двух самостоятельных центробежных электровентиляторов, каждый из вентиляторов имеет рабочее колесо с радиальными лопатками и спиральную улитку. Входные окна рабочих колес соединены посредством общего патрубка, а выходные окна улиток сообщаются соответственно с рабочим объемом печи и газоподводящим каналом.The device consists of two independent centrifugal electric fans, each of the fans has an impeller with radial blades and a spiral scroll. The input windows of the impellers are connected by means of a common pipe, and the output windows of the coils are respectively connected with the displacement of the furnace and the gas supply channel.

При попеременной работе каждого из электровентиляторов достигается периодическое изменение направления движения газовой среды по циркуляционному контуру печи. Противоположное движение газовой среды обеспечивает равномерный нагрев или охлаждение металла по его длине и ширине.With the alternating operation of each of the electric fans, a periodic change in the direction of movement of the gas medium along the circulation circuit of the furnace is achieved. The opposite movement of the gas medium provides uniform heating or cooling of the metal along its length and width.

К недостаткам известного устройства можно отнести его недостаточную эффективность, обусловленную потерей энергии потока газовой среды, возникающую при ее перетекании через внутреннюю полость отключенного электровентилятора.The disadvantages of the known device can be attributed to its lack of efficiency due to the loss of energy flow of the gas medium that occurs when it flows through the internal cavity of a disconnected electric fan.

Рабочее колесо отключенного электровентилятора во время работы устройства может находиться в двух основных режимах:The impeller of a disconnected electric fan during operation of the device can be in two main modes:

свободно вращаться без включения электродвигателя или быть зафиксированным, например, с помощью тормозного устройства.rotate freely without turning on the motor or be fixed, for example, using a brake device.

В первом случае при прохождении потока газа из улитки вовнутрь рабочего колеса возникает эффект его самораскрутки (авторотации), что и приводит к дополнительным энергозатратам.In the first case, when a gas stream passes from the cochlea to the inside of the impeller, the effect of its self-unwinding (autorotation) occurs, which leads to additional energy consumption.

Кроме того, предварительно раскрученный поток газа в том же направлении, что и рабочее колесо нагнетающего электровентилятора, уменьшает эффективность работы этого вентилятора в результате снижения его напора и производительности.In addition, a previously untwisted gas flow in the same direction as the impeller of the forcing electric fan reduces the efficiency of this fan as a result of a decrease in its pressure and performance.

Во втором случае, когда рабочее колесо электровентилятора зафиксировано, он работает в режиме радиального входного направляющего аппарата относительно нагнетающего электровентилятора. Проходя через стоящую неподвижно лопаточную решетку рабочего колеса со стороны спирального кожуха, газовая среда преобразуется из вращающегося вихря в радиальный поток, направленный к центру всасывающего канала с последующим разворотом его вдоль продольной оси устройства.In the second case, when the impeller of the electric fan is fixed, it operates in a radial input guide vane relative to the blowing electric fan. Passing through the stationary motion of the blade of the impeller from the side of the spiral casing, the gas medium is converted from a rotating vortex into a radial flow directed to the center of the suction channel with its subsequent rotation along the longitudinal axis of the device.

На описанные выше преобразования потока газа также тратится дополнительная энергия, снижающая общую эффективность устройства.Additional energy is also spent on the gas stream conversions described above, which reduces the overall efficiency of the device.

Задача настоящего изобретения состоит в создании более эффективного устройства для периодического изменения направления на противоположное движения газовой среды внутри печного объема, обеспечивающего быстрый и равномерный нагрев или охлаждение обрабатываемого металла.The objective of the present invention is to provide a more efficient device for periodically changing the direction of the opposite movement of the gas medium inside the furnace volume, providing quick and uniform heating or cooling of the treated metal.

Для решения поставленной задачи тягодутьевое реверсивное устройство для конвективного нагрева или охлаждения металла в термической печи, содержащее расположенные в корпусе на общем валу вращения две равные по ширине улитки, развертки спиралей которых имеют противоположные направления, рабочие колеса с лопатками, имеющими всасывающие или нагнетающие окна, размещенные в каждой улитке, и осевую крыльчатку, установленную между окнами, при этом вал связан с реверсивным электродвигателем, а улитки имеют разделительную стенку с отверстием, диаметр которого не менее наружного диаметра колес.To solve this problem, a draft blower for convective heating or cooling of metal in a thermal furnace, containing two coils of equal width in the rotational shaft located in the housing, the spiral sweeps of which have opposite directions, the impellers with blades having suction or discharge windows, placed in each cochlea, and an axial impeller installed between the windows, the shaft being connected to a reversible electric motor, and the cochleas have a dividing wall with a hole, whose diameter is not less than the outer diameter of the wheels.

Будет оптимальным, если ширина каждой из улиток составляет 1,05-1,1 от ширины рабочего колеса, угол разворота направлений улиток относительно друг друга будет составлять от 0 до 360°.It will be optimal if the width of each of the snails is 1.05-1.1 of the width of the impeller, the angle of rotation of the directions of the snails relative to each other will be from 0 to 360 °.

В отверстии разделительной стенки между рабочими колесами смонтировано разделительное кольцо для крепления лопаток, которое одновременно обеспечивает возможность перетока воздуха только через входное отверстие рабочего колеса.In the hole of the dividing wall between the impellers, a dividing ring is mounted for attaching the blades, which at the same time allows air to flow only through the inlet of the impeller.

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что оно представляет собой не два самостоятельных центробежных электровентилятора, как в прототипе, а одно специализированное устройство специального исполнения.The essence of the claimed invention lies in the fact that it is not two separate centrifugal electric fans, as in the prototype, but one specialized device of a special design.

При этом входные окна рабочих колес соединены не посредством общего патрубка, как в прототипе, а практически примыкают друг к другу и разделены кольцом и осевой крыльчаткой.In this case, the input windows of the impellers are not connected by means of a common nozzle, as in the prototype, but practically adjoin each other and are separated by a ring and an axial impeller.

Устройство имеет не два отдельных вала, каждый из которых соединен с электродвигателем, а один вал, соединенный с реверсивным электродвигателем.The device does not have two separate shafts, each of which is connected to an electric motor, but one shaft connected to a reversible electric motor.

Горизонтальное расположение вала при этом будет более оптимальным.The horizontal location of the shaft will be more optimal.

Периодическое изменение направления движения газовой среды по циркуляционному контуру печи обеспечивается не попеременной работой каждого из электровентиляторов, а попеременным изменением направления вращения вала и соответственно рабочих колес.A periodic change in the direction of movement of the gas medium along the circulation circuit of the furnace is provided not by alternating operation of each of the electric fans, but by alternating the direction of rotation of the shaft and, accordingly, the impellers.

При работе заявленного устройства отсутствует эффект «отключенного электровентилятора» и соответственно сопутствующие ему недостатки, снижающие эффективность работы тягодутьевого устройства.During the operation of the claimed device there is no effect of a “disconnected electric fan” and, accordingly, its attendant drawbacks that reduce the efficiency of the blower device.

Нужно отметить, что возможная предварительная закрутка потока газа, исходящего из рабочего колеса, работающего в режиме всасывающего, может снизить эффективность работы рабочего колеса, работающего в режиме нагнетания.It should be noted that a possible preliminary swirling of the gas flow coming from the impeller operating in the suction mode can reduce the efficiency of the working impeller operating in the discharge mode.

Для компенсации этого эффекта на валу между всасывающими окнами установлена осевая крыльчатка.To compensate for this effect, an axial impeller is mounted on the shaft between the suction windows.

Закрученный поток газа с угловой скоростью, примерно равной скорости вращения рабочего колеса, имея также осевую составляющую скорости и атакуя поверхность лопастей крыльчатки, отклоняется в направлении, противоположном от вращения рабочего колеса, при этом угловая скорость вращения потока уменьшается.A swirling gas flow with an angular velocity approximately equal to the speed of rotation of the impeller, also having an axial component of speed and attacking the surface of the impeller blades, deviates in the opposite direction from the rotation of the impeller, while the angular velocity of the flow decreases.

Регулирование величины торможения вихревого потока газа осуществляется за счет изменения угла установки лопаток крыльчатки.The magnitude of the braking of the vortex gas flow is controlled by changing the angle of installation of the impeller blades.

Необходимо отметить также, что при торможении вихревого потока практически не тратится энергия, поскольку, атакуя поверхность лопастей, газовая среда создает на них силу давления в попутном направлении вращения рабочего колеса, снижая энергозатраты электродвигателя.It should also be noted that when braking a vortex flow, practically no energy is wasted, since by attacking the surface of the blades, the gas medium creates a pressure force on them in the associated direction of rotation of the impeller, reducing the energy consumption of the electric motor.

Ширина улитки, равная 1,05-1,1 от ширины рабочего колеса, выбрана из условия минимального гидравлического сопротивления при перетекании потока газовой среды из спирального канала корпуса улитки во внутреннюю часть рабочего колеса через систему вращающихся лопаток.The width of the cochle, equal to 1.05-1.1 of the width of the impeller, is selected from the condition of minimum hydraulic resistance when the flow of a gas medium flows from the spiral channel of the cochlea casing to the inside of the impeller through a system of rotating blades.

Величина 1,05 определяет минимально допустимый тепловой зазор между диском вращающегося колеса и торцевой частью улитки.The value of 1.05 determines the minimum allowable thermal gap between the disk of the rotating wheel and the end part of the cochlea.

Увеличение ширины улитки на величину более 1,1 от ширины рабочего колеса приведет к увеличению гидравлического сопротивления потоку газовой среды при перетекании его из спирального канала улитки вовнутрь рабочего колеса в результате резкого сужения канала и соответственно к снижению эффективности работы устройства.An increase in the width of the cochlea by more than 1.1 from the width of the impeller will lead to an increase in hydraulic resistance to the flow of the gaseous medium when it flows from the spiral channel of the cochlea into the impeller as a result of a sharp narrowing of the channel and, accordingly, to a decrease in the efficiency of the device.

Новый технический результат, заявленный изобретением, заключается в снижении энергозатрат на перемещение газовой среды во всасывающей части устройства.A new technical result claimed by the invention is to reduce energy costs for moving the gaseous medium in the suction part of the device.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства; на фиг.2 - вид сбоку; на фиг.3 - разрез по А-А; на фиг.4 - разрез по Б-Б; на фиг.5 - общий вид печи для закалки проката, оснащенного устройством; на фиг.6 - вид сбоку.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a General view of the device; figure 2 is a side view; figure 3 is a section along aa; figure 4 is a section along BB; figure 5 is a General view of the furnace for quenching rolled, equipped with a device; figure 6 is a side view.

Устройство содержит корпус, который состоит из двух одинаковых по ширине улиток 1 и 2, развертки спиралей которых имеют противоположные направления, то есть правого и левого исполнения. Угол разворота направлений улиток относительно друг друга может изменяться от 0 до 360 градусов и определяется конструктивными условиями подвода и отвода газовой среды к печи и газоходу.The device comprises a housing, which consists of two coils of the same width 1 and 2, the sweeps of the spirals of which have opposite directions, that is, the right and left versions. The angle of rotation of the directions of the coils relative to each other can vary from 0 to 360 degrees and is determined by the design conditions of the supply and removal of the gas medium to the furnace and gas duct.

Улитки имеют общую разделительную стенку 3 и патрубки 4 и 5, каждый из которых может выполнять функцию как всасывающего, так и нагнетательного. В корпусе на валу 6, соединенном с реверсивным электродвигателем 7, смонтированы рабочие колеса 8 и 9 с лопатками 10.The snails have a common dividing wall 3 and nozzles 4 and 5, each of which can fulfill the function of both suction and discharge. In the housing on the shaft 6 connected to the reversible electric motor 7, the impellers 8 and 9 are mounted with blades 10.

Конструктивно можно выполнить так, что оба рабочих колеса будут представлять собой одну деталь, при этом каждое из колес будет попеременно выполнять функции нагнетающего или всасывающего. При этом каждая из лопаток 10 соединена с одной стороны с диском из рабочих колес, а с другой - с общим разделительным кольцом 11.Structurally, it is possible to perform such that both impellers will constitute one part, while each of the wheels will alternately perform the functions of forcing or suction. Moreover, each of the blades 10 is connected on one side with a disk of impellers, and on the other with a common dividing ring 11.

Лопатки могут иметь различный тип: загнутые вперед, радиальные или загнутые назад. В случае использования лопаток, загнутых вперед или назад, лопатки одного колеса выполнены зеркально по отношению к лопаткам другого колеса.The blades can have a different type: bent forward, radial or bent back. In the case of using vanes bent forward or backward, the vanes of one wheel are made mirror-like with respect to the vanes of the other wheel.

Между всасывающими окнами на валу установлена осевая крыльчатка 12.Between the suction windows on the shaft mounted axial impeller 12.

Устройство смонтировано на печи 13, имеющей рабочее пространство 14 с размещенным в нем обрабатываемым металлом 15. Печь имеет газоход 16, в котором размещен калорифер или охлаждающее устройство, например газоводяной теплообменник 17.The device is mounted on a furnace 13 having a working space 14 with the metal being processed 15 placed therein. The furnace has a gas duct 16 in which a heater or cooling device, for example a gas-water heat exchanger 17, is placed.

Заявленное устройство с помощью патрубка 5 соединено с рабочим пространством 14 печи, а с помощью патрубка 4 - с газоходом 16.The claimed device using the pipe 5 is connected to the working space 14 of the furnace, and using the pipe 4 is connected to the duct 16.

Печь имеет отверстия 18, 19 и 20 для движения газа, при этом внутри печи и газоходе отсутствуют какие-либо регулирующие органы: заслонки, шиберы, клапаны и так далее. Производительность устройства регулируется за счет плавного изменения числа оборотов реверсивного вентилятора.The furnace has openings 18, 19 and 20 for gas movement, while inside the furnace and the gas duct there are no regulatory bodies: dampers, gates, valves, and so on. The performance of the device is regulated by smoothly changing the speed of the reversible fan.

Устройство работает следующим образом. Газовая среда, например воздух, продукты горения природного газа или защитного газа, за счет вращения вала 6 по часовой стрелке через патрубок 4 и отверстие 18 поступает в газоход 16, где подогревается до необходимой температуры и через отверстие 19 двигается в рабочее пространство 14 печи. Двигаясь сверху вниз, газ обдувает поверхность обрабатываемого металла 15, нагревая его, при этом температура потока газа уменьшается. После завершения обдувки металла охлажденный газ через отверстие 20 поступает в патрубок 5 и улитку 2.The device operates as follows. The gas medium, for example air, combustion products of natural gas or protective gas, by rotating the shaft 6 clockwise through the pipe 4 and the hole 18 enters the gas duct 16, where it is heated to the required temperature and moves through the hole 19 into the working space 14 of the furnace. Moving from top to bottom, the gas blows around the surface of the treated metal 15, heating it, while the temperature of the gas stream decreases. After completion of the blowing of the metal, the cooled gas through the hole 20 enters the pipe 5 and the cochlea 2.

Двигаясь по спиральному каналу, поток газа плавно с минимальными потерями всасывается через вращающееся в попутном направлении рабочее колесо 9. В рассматриваемом случае улитка 2 и рабочее колесо 9 работают в режиме всасывания.Moving along the spiral channel, the gas flow is smoothly absorbed with minimal losses through the impeller 9 rotating in the same direction. In this case, the cochlea 2 and the impeller 9 work in the suction mode.

Проходя последовательно сужающийся канал улитки 2, а также лопатки рабочего колеса 9, газ попадает в его внутреннюю полость в виде закрученного потока в попутном направлении вращения рабочего колеса.Passing in series the tapering channel of the cochlea 2, as well as the blades of the impeller 9, the gas enters its internal cavity in the form of a swirling flow in the associated direction of rotation of the impeller.

Осевая крыльчатка 12 уменьшает чрезмерную предварительную закрутку потока газа.The axial impeller 12 reduces excessive pre-swirling of the gas stream.

Закрученный поток газа с угловой скоростью, примерно равной скорости вращения рабочего колеса, имея также осевую составляющую скорости и атакуя поверхность лопастей крыльчатки, отклоняется в направлении, противоположном от вращения рабочего колеса, при этом угловая скорость вращения потока уменьшается.A swirling gas flow with an angular velocity approximately equal to the speed of rotation of the impeller, also having an axial component of speed and attacking the surface of the impeller blades, deviates in the opposite direction from the rotation of the impeller, while the angular velocity of the flow decreases.

После прохождения осевой крыльчатки заторможенный в круговом направлении поток газа поступает в рабочее колесо 8, работающее в оптимальном режиме нагнетания, и через улитку 1 и патрубок 4 подается в газоход для повторения теплообменного цикла.After the axial impeller has passed, the gas flow inhibited in a circular direction enters the impeller 8, operating in the optimal discharge mode, and is fed through the cochlea 1 and pipe 4 into the duct to repeat the heat exchange cycle.

При движении газовой среды в одном направлении по описанному выше контуру температура обрабатываемого металла в нижней части рабочего пространства печи будет меньше температуры в верхней части.When the gas medium moves in one direction along the above-described circuit, the temperature of the metal to be treated in the lower part of the furnace working space will be lower than the temperature in the upper part.

Для выравнивания температуры за минимально возможное количество времени вращение вала изменяют на противоположное. В этом случае, поток газа изменит направление на противоположное и через патрубок 5 и отверстие 20 будет поступать в нижнюю часть пространства печи, способствуя ускоренному нагреву нижней части металла.To equalize the temperature in the shortest possible amount of time, the rotation of the shaft is reversed. In this case, the gas flow will reverse direction and through the pipe 5 and the hole 20 will flow into the lower part of the furnace space, contributing to the accelerated heating of the lower part of the metal.

Повторение вышеописанных циклов обеспечивает выравнивание поля температур по поверхности и толщине обрабатываемого металла, что способствует его качественной термообработке.The repetition of the above cycles ensures the alignment of the temperature field along the surface and thickness of the metal being processed, which contributes to its high-quality heat treatment.

Эффективность работы устройства выше, чем у прототипа, за счет сокращения потерь энергии потока газовой среды, которые возникают при ее перетекании через внутреннюю полость отключенного электровентилятора.The efficiency of the device is higher than that of the prototype, due to the reduction of energy losses of the gas flow that occur when it flows through the internal cavity of a disconnected electric fan.

Claims (4)

1. Тягодутьевое реверсивное устройство для конвективного нагрева или охлаждения металла в термической печи, содержащее расположенные в корпусе на общем валу вращения две равные по ширине улитки, развертки спиралей которых имеют противоположные направления, рабочие колеса с лопатками, имеющими всасывающие или нагнетающие окна, размещенные в каждой улитке, и осевую крыльчатку, установленную между окнами, при этом вал связан с реверсивным электродвигателем, а улитки имеют общую разделительную стенку с отверстием, диаметр которого не менее наружного диаметра колес.1. Fat-blowing reversible device for convective heating or cooling of metal in a thermal furnace, containing two coils of equal width in the rotation on the common shaft, spiral reamers of which have opposite directions, impellers with blades having suction or discharge windows located in each the cochlea, and the axial impeller installed between the windows, the shaft being connected to a reversible electric motor, and the cochlea have a common dividing wall with an opening whose diameter is not less than outer diameter wheels. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ширина каждой из улиток составляет 1,05-1,1 от ширины рабочего колеса.2. The device according to claim 1, characterized in that the width of each of the snails is 1.05-1.1 of the width of the impeller. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что угол разворота направлений улиток относительно друг друга составляет от 0-360°.3. The device according to claim 1, characterized in that the angle of rotation of the directions of the snails relative to each other is from 0-360 °. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в отверстии разделительной стенки между рабочими колесами смонтировано разделительное кольцо для крепления лопаток.4. The device according to claim 1, characterized in that in the hole of the dividing wall between the impellers, a dividing ring for mounting the blades is mounted.

Images