Proiectări de elemente de încălzire pentru cuptoare electrice

Elementele de încălzire ale majorității cuptoarelor industriale sunt fie bandă, fie sârmă.În fig. 1 prezintă dispozitivul unui încălzitor de sârmă convențional nicrom, construcțiile adoptate pentru fixarea acestuia pe acoperiș, pe pereți și în vatra cuptorului și proiectarea firelor. De obicei, pentru producția de încălzitoare pentru cuptoare industriale, se utilizează sârmă cu un diametru de 3 până la 7 mm. Cu toate acestea, pentru cuptoarele cu o temperatură de funcționare de 1000 ° C și mai mult, nu trebuie luat un fir cu un diametru mai mic de 5 mm.

Raporturile dintre pasul h spiralei și diametrul acesteia D și diametrul firului d (Fig. 1, k) sunt alese astfel încât să faciliteze amplasarea încălzitoarelor în cuptor, pentru a asigura o rigiditate suficientă a acestora. și, în același timp, nu transferul de căldură de la ele la produse este excesiv de complicat.

Cu cât diametrul spiralei este mai mare și cu cât pasul acesteia este mai gros, cu atât este mai ușor să plasați încălzitoare în cuptor, dar pe măsură ce diametrul crește, rezistența spiralei scade și tendința spirelor de a se așeza una peste alta crește. .Pe de altă parte, pe măsură ce densitatea înfășurării crește, efectul de ecranare al părții spirelor sale care se confruntă cu produsele asupra restului crește și, prin urmare, utilizarea suprafeței sale se deteriorează.

Practica a stabilit rapoarte destul de precise, recomandate, între diametrul firului, pasul și diametrul spiralei pentru fire de la 3 la 7 mm în diametru. Aceste rapoarte sunt următoarele: h> 2d și D = (6 ÷ 8) d pentru nicrom și pentru aliajele fier-crom-aluminiu mai puțin rezistente D = (4 ÷ 6) d.

Orez. 1. Încălzitoare de sârmă: a — încălzitor de sârmă în zig-zag pe cârlige metalice pe peretele lateral: b — încălzitor de sârmă în zig-zag în vatră, c — la fel în boltă, d — la fel pe rafturi ceramice, e — spirală de sârmă pe cărămizi proeminente pe peretele lateral c prin conexiune la cârlige, f — helix de sârmă în pietre arcuite și în arbori de vetre, g — helix de sârmă pe rafturi ceramice, h — helix de sârmă pe țeavă ceramică și — evacuarea încălzitorului de sârmă, k — denumirea simbolică a dimensiunile încălzitorului cu fir

Pentru firele mai subțiri, raportul dintre diametrele helixului și sârmei, precum și pasul helixului, sunt de obicei luate mai mari. Aceste rapoarte se aplică spiralelor amplasate pe rafturi (pentru ca spiralele să nu se umfle, acestea trebuie legate la fiecare 300 — 500 mm de cârlige încorporate în zidărie) și în canalele căptușelii pereților și bolților, precum și în bolți. pietre.

Recent, însă, încălzitoarele spiralate pe bază de tuburi ceramice au devenit mai comune (Fig. 2).Din punctul de vedere al distribuției radiațiilor și a puterii pe pereții cuptorului, astfel de încălzitoare sunt aproape echivalente cu spiralele cu radiație liberă și, dimpotrivă, sunt mult mai eficiente decât spiralele în canale sau pe rafturi.

Pe de altă parte, cu ele, fiecare îndoire se sprijină pe suprafața tubului și chiar dacă se lasă într-o oarecare măsură (dobândește ovalitate) atunci când este încălzită, acest lucru nu îi reduce caracteristicile. Deoarece un astfel de încălzitor este, prin urmare, mai puțin încărcat decât alții și în el, turele individuale nu pot sta una peste alta, atunci, dacă este necesar, poate aduce raportul dintre diametrul spiralei și diametrul firului până la 10 și pentru aliaje fier-crom-aluminiu - până la 8.

Orez. 2. Proiectări de încălzitoare spiralate cu sârmă pe țevi ceramice: a — încălzitoare cu arc, b — țevi pe pereții laterali, fixare pe suspensii rezistente la căldură, c — la fel în șanțurile stâlpilor ceramici, d — țevi în vatră.

Acest design este deosebit de favorabil pentru acesta din urmă, deoarece permite materialului să se extindă liber. În plus, ca în Fig. 2, au fost dezvoltate modele de încălzitoare cu sârmă pe tuburi ceramice pentru instalarea lor nu numai pe pereții cuptorului, ci și pe acoperiș și în vatră, iar în ultimele cazuri încălzitoarele pot fi realizate sub formă de rame mobile, astfel de rame pot fi introduse cu ușurință în cuptor și înlocuite în timpul arderii. de rezervă fără a opri cuptorul.

Astfel, proiectarea încălzitoarelor spiralate cu sârmă pe tuburi ceramice este versatilă atât în ​​ceea ce privește utilizarea materialelor, cât și locația încălzitoarelor în camera cuptorului.Raportul dintre diametrul interior al spiralei și diametrul exterior al tubului pentru astfel de încălzitoare poate fi luat ca aproximativ 1,1-1,2, distanța dintre axele tuburilor de 1,5-2 ori diametrul spiralei.

Pentru încălzitoarele electrice și cuptoarele cu circulație forțată a aerului, utilizarea încălzitoarelor spiralate pe tuburile ceramice este mai puțin de dorit, deoarece aceasta reduce coeficientul de transfer de căldură al încălzitorului, utilizarea spiralelor pe rafturi sau în canalele de căptușeală este complet inacceptabilă pentru același motiv (cu excepția cazurilor în care fluxul de gaz poate fi direcționat de-a lungul spiralei, în direcția axei acesteia).

În astfel de cuptoare, este mai bine să folosiți structuri cu spirale suflate liber, prinse între izolatori la anumite intervale sau legate de acestea din urmă (Fig. 3). Dacă în astfel de structuri sunt utilizate încălzitoare spiralate ale tuburilor ceramice (la temperaturi mai ridicate), atunci raportul dintre diametrul spiralei și diametrul tubului trebuie crescut la 1,5.

Orez. 3. Proiectări pentru (a) fire și (b) elemente de încălzire în bandă ale încălzitoarelor electrice.

Încălzitoarele cu bandă sunt realizate sub formă de zig-zag de diferite dimensiuni și sunt montate pe cârlige metalice (oțel termorezistent sau nicrom) sau ceramice (Fig. 4). Cârligele metalice sunt încorporate în zidăria pereților (în cusăturile dintre cărămizi sau în canalele cărămizilor speciale), cârligele ceramice sunt excrescente de pietre speciale așezate în zidărie.

Pentru părțile inferioare, zigzagurile nu se închid la deformare, între ele se pun distanțiere, care sunt bucșe din argilă refractă sau ceramică din aluminiu așezate pe știfturi termorezistenți sau nicrom încastrate în zidărie.Bucșele sunt atașate de știfturi cu știfturi de nicrom. Cu cârlige ceramice, separatoarele sunt tot din ceramică (Fig. 4, a).

În fig. 4, h prezintă designul cârligelor și distanțierelor ceramice detașabile. Acest design este foarte util, deoarece vă permite să înlocuiți cu ușurință cârligele în caz de deteriorare.

Încălzitoarele în zig-zag pot fi montate și pe pereții laterali ai cuptorului pe rafturi ceramice, dar acest design este și mai puțin convenabil în ceea ce privește puterea specifică plasată pe perete și gradul de ecranare a încălzitoarelor decât construcția firului pe rack. încălzitoare . La aceasta trebuie adăugat că rafturile ceramice funcționează de obicei slab în funcționare, deoarece în cazul ruperii lor, pentru a înlocui raftul deteriorat, este necesară deplasarea zidăriei (Fig. 4, d).

Orez. 4. Modele de încălzitoare cu bandă: a — încălzitoare cu bandă în zig-zag pe peretele lateral al cârligelor metalice, b — încălzitor în zig-zag cu bandă în vatră. c — același în boltă, d — același pe rafturile ceramice, e — element mobil de cadru de temperatură înaltă, f — element de cadru de temperatură joasă, g — încălzitor „undă plată” pe tuburi ceramice, h — încălzitor cu bandă în zig-zag pe cârlige mobile; și — desemnarea simbolică pe dimensiunile încălzitorului în zig-zag cu bandă.

În boltă sau în partea inferioară a încălzitoarelor de bandă, acestea se pot încadra în canalele de zidărie formate din pietre cu forme speciale (grinzi - Fig. 4, b și c). Astfel de încălzitoare pot fi realizate și ca cadre mobile (Fig. 4-53, e).În plus, cu o boltă arcuită, zigzagurile benzii pot fi atârnate pe cârlige metalice mobile.

În încălzitoarele electrice și cuptoarele cu aer forțat, încălzitoarele cu bandă trebuie proiectate astfel încât suprafața încălzitorului să fie cât mai accesibilă posibil pentru suflare cu un curent de gaz. Un exemplu de astfel de construcție este prezentat în fig. 3, b.

Cu cât încălzitoarele în zig-zag sunt mai groase, cu atât încălzitorul poate fi plasat mai mult în cuptor, dar cu cât protecția spirelor este mai mare, cu atât suprafața curelei este mai proastă. Prin urmare, au fost stabilite dimensiunile acceptate ale încălzitoarelor în zig-zag cu bandă, care le asigură rezistența suficientă și o protecție reciprocă scăzută.

În acest scop, ei încearcă să satisfacă următoarele rapoarte (notații conform Fig. 4, i): b / a = 5 ÷ 20, cel mai frecvent raport dintre lățimea benzii și grosimea acesteia este 10. pasul în zig-zag h> 1.8b, raza benzii este rotunjită pentru a evita fractura de îndoire r>

Pentru temperaturi de încălzire de până la 1000 ° C în cuptoarele industriale, se folosește o bandă cu dimensiuni de cel puțin 1X10 mm, la temperaturi mai mari, cel puțin 2X20 mm.

La temperaturi de până la 1000 ° C, înălțimea zig-zagului B pe perete poate varia de la 150 la 400-600 mm, dar pentru fiecare 200 mm este nevoie de un rând de distanțiere, adică la 200-400 mm, un rând de distanțiere, iar la 400 —600 mm - două linii. Pe arcadă și în vatră, pentru a evita instalarea încălzitoarelor, înălțimea zig-zagului B trebuie limitată la 250 mm. Aceste recomandări pot fi extinse și la aliajele fier-crom-aluminiu.

Pentru temperaturi de încălzire de la 1000 la 1100 ° C, dimensiunile limită specificate pot fi rezervate pentru aliajul Kh20N80 și Kh20N80T, pentru aliajele fier-crom-aluminiu, dimensiunea B cu poziția verticală a zig-zagului trebuie limitată la 250 mm și cu pozitie orizontala 150 mm.

La temperaturi de încălzire peste 1100 ° C, singurul design acceptabil al încălzitoarelor cu bandă atât pentru acoperiș, cât și pentru partea de jos este un val plat pe tuburile ceramice (Fig. 2, g). Lungimea zigzagului B în acest caz poate fi luată ca 75-100 mm. Pentru încălzitoarele laterale, se poate folosi un design cu cârlige ceramice, limitând înălțimea zig-zagului la 150 mm.

În ultimii ani, încălzitoarele de sârmă în zig-zag au fost utilizate pe scară largă. Pentru aceste încălzitoare, treapta în zig-zag h se ia egală cu (5 ÷ 9) d.

Când se utilizează aliaje fier-crom-aluminiu în cuptoare cu o temperatură de funcționare peste 1000 ° C, toate părțile din zidărie refractară care pot intra în contact cu încălzitoarele (cârlige și separatoare ceramice, rafturi, țevi, canale etc.) trebuie realizate. a materialelor din aluminiu cu conținut ridicat de oxizi cu un conținut minim de oxizi de fier.

Zigzagurile cu bandă sunt de obicei înfășurate manual folosind un dispozitiv simplu de pârghie. Spiralele sunt înfășurate strâns pe un strung pe un dorn neted, apoi spirala rezultată este întinsă la pasul dorit.

Orez. 5. Ieșire etanșă a încălzitorului: 1 — carcasă, 2, 6 — manșoane izolatoare, 3 — inel distanțier, 4 — garnitură de azbest, 5 — piuliță de cuplare, 7 — ieșire a încălzitorului.

Deoarece după îndepărtarea spiralei din dorn, aceasta se derulează puțin, mărindu-și diametrul (cu aproximativ 1-3 mm), dornul trebuie luat cu un diametru mai mic decât calculele.Această reducere depinde de elasticitatea materialului și trebuie determinată experimental pentru fiecare lot. În centralele electrice, încălzitoarele în zig-zag sunt produse pe mașini speciale.

Prizele de încălzire până la o temperatură de 1000 ° C sunt realizate din oțel termorezistent, crom-nichel sau crom, pentru temperaturi mai ridicate - din aliaj 0X23Yu5A (EI-595). În acest scop, luați o tijă de sârmă, o tijă cu o secțiune transversală egală cu de 3-4 ori secțiunea transversală a încălzitorului, pentru a reduce degajarea de căldură în fire. Partea prizei situată în zona de temperatură scăzută, pentru a economisi materiale scumpe, poate fi realizată din oțel carbon obișnuit. Modelele tipice ale cablurilor pentru încălzitoarele cu fire și bandă sunt prezentate în Fig. 5.

La elementele de încălzire cu bandă în zig-zag, ecranarea reciprocă a zigzagurilor individuale este încă relativ mare, chiar și cu un pas care depășește de două ori lățimea benzii.Ar fi mai avantajos să proiectați încălzitoarele în așa fel încât banda să fie în fața produsului cu pe partea lată, dar acest lucru necesită multă sudură, deoarece fiecare tură a benzii are două suduri și designul încălzitorului este scump și predispus la deformare.

Prin urmare, deși astfel de încălzitoare sunt utilizate în unele cazuri, dar numai pentru cuptoare mici. Acestea oferă economii semnificative de material în comparație cu încălzitoarele de bandă și în special sârmă și vă permit să obțineți o putere specifică de suprafață a peretelui puțin mai mare pentru același consum de material.

Încălzitoarele cu jante turnate, turnate din nicrom și atârnate pe cârlige speciale, se apropie și de încălzitoarele plate (Fig. 6).Diferitele încălzitoare, desigur, pot fi realizate numai cu secțiuni transversale mari și, prin urmare, fie sunt utilizate în cuptoare mari, fie necesită tensiune redusă. Avantajul lor este fiabilitatea ridicată și o durată lungă de viață, măsurată în zeci de mii de ore. În general, se crede că încălzitoarele cu nicrom calculate și proiectate corespunzător ar trebui să funcționeze de la 6000 la 12000 de ore (sub curent).

În cuptoarele cu mufă și tub, încălzitoarele de sârmă și bandă sunt înfășurate direct pe o mufă sau un tub ceramic, în plus, astfel încât spirele bobinei în timpul expansiunii de la încălzire să nu slăbească și să nu se miște de la locul lor, ceramica este furnizată cu canale. în care este așezată banda sau sârma. O altă modalitate de a fixa rotațiile încălzitorului pe ceramică este să o acoperiți pe aceasta din urmă după înfășurarea cu un strat de lut refractar cu argilă refractară.

Orez. 6. Incalzitoare de vara.

Orez. 7. Încălzitoare cu tub cu tije.

În cuptoarele până la temperaturi de 400-500 ° C, există mult mai multe tipuri de încălzitoare. În plus față de încălzitoarele în zig-zag în spirală și bandă cu fir deschis, la fel ca în cuptoarele cu temperatură mai ridicată, există modele de elemente de încălzire interschimbabile, convenabile prin faptul că pot fi utilizate pentru a produce orice putere și, în același timp, atunci când se ard, cum ar fi elementele sunt ușor de înlocuit. de rezervă.

Elementele de încălzire cu tije tubulare sunt un set de izolatoare din porțelan înșirate pe o tijă termorezistentă sau din oțel și așezate într-un tub de oțel, sudate la un capăt și închise cu un izolator de plumb la celălalt. O spirală de nicrom este înfășurată pe izolatori de porțelan sudați la un capăt la firul izolator și la celălalt la tija centrală.

Uneori, spațiul dintre țeavă și încălzitor este umplut cu nisip de cuarț. Încălzitoarele de acest tip pot fi utilizate până la 400-500 ° C și cu tuburi refractare până la 1000 ° C și sunt deosebit de convenabile pentru cuptoarele mari în care este necesar să se protejeze încălzitorul de deteriorarea mecanică sau de acțiunea vaporilor corozivi ( Fig. 7).

De mare interes sunt așa-numitele elemente de încălzire „tubulare” (Fig. 8). Ele constau dintr-un tub de oțel, de-a lungul axei căruia se află o spirală nicrom, sudată la șuruburile de ieșire de la capetele încălzitorului. Spațiul dintre spirală și pereții tubului este umplut cu periclază, oxid de magneziu cristalin, care are o bună izolație electrică și, în același timp, o conductivitate termică ridicată. Producția de elemente de încălzire se realizează după cum urmează.

O spirală de nicrom înfășurată pe o tijă de oțel a fost montată strict axial în tubul de oțel curățat pregătit, tubul a fost fixat vertical pe o mașină vibrantă și umplut cu pulbere de periclază trecută prin separatorul magnetic. Tija este apoi scoasă din țeavă și trecută printr-o mașină de forjat, care o ciocănește în jurul circumferinței, provocând scăderea diametrului său și compactarea periclazei.

Izolatorii de plumb etanșați sunt atașați de marginile tubului, după care, datorită garniturii de periclază, acesta poate fi îndoit în orice fel și poate fi dat o formă convenabilă. În această formă, elementele tubulare pot fi folosite pentru a încălzi aer (încălzitoare electrice), ulei, nitrați și chiar pentru a topi metale cu punct de topire scăzut precum staniul, plumbul, babbitt.În acest din urmă caz, pentru a evita coroziunea rapidă a peretelui conductei metalice, acesta este pre-umplut cu fontă, care formează o placă masivă, în interiorul căreia se află un element de încălzire tubular.

Orez. 8. Încălzitoare tubulare.

Utilizarea încălzitoarelor tubulare pentru băi cu salpetru este foarte de dorit, deoarece, în comparație cu băile cu încălzire externă, reduce reducerea consumului de energie, crește siguranța băilor și o economie uriașă de nicrom. Cu toate acestea, pentru funcționarea lor satisfăcătoare în nitrați, în special la temperaturi de 500 ° C și peste, este necesar să se realizeze o manta dublă a tubului, așezând pe încălzitorul pregătit un al doilea tub, nichel, rezistent la căldură.

Atunci când sunt utilizate în încălzitoarele electrice, acestea au aripioare pentru a crește transferul de căldură în aer.

Încălzitoarele tubulare sunt foarte răspândite pentru producția de dispozitive de încălzire de uz casnic.

Încălzitoarele tubulare funcționează cu o putere de la câteva sute de wați la câțiva kilowați.

Datele despre încălzitoarele cu tuburi fabricate de industria noastră sunt disponibile în cataloage.