Konstruktionen von Heizelementen für Elektroöfen
Die Heizelemente der meisten Industrieöfen bestehen entweder aus Streifen oder aus Draht. In Abb. 1 zeigt die Vorrichtung eines herkömmlichen Nichrom-Drahtheizgeräts, die Konstruktionen für seine Befestigung auf dem Dach, an den Wänden und im Herd des Ofens sowie die Gestaltung der Drähte. Typischerweise wird für die Herstellung von Heizgeräten für Industrieöfen Draht mit einem Durchmesser von 3 bis 7 mm verwendet. Bei Öfen mit einer Betriebstemperatur von 1000 °C und mehr sollte jedoch kein Draht mit einem Durchmesser von weniger als 5 mm verwendet werden.
Die Verhältnisse zwischen der Steigung h der Spirale und ihrem Durchmesser D sowie dem Durchmesser des Drahtes d (Abb. 1, k) werden so gewählt, dass die Platzierung der Heizgeräte im Ofen erleichtert wird, um deren ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig ist die Wärmeübertragung von ihnen auf die Produkte nicht übermäßig kompliziert.
Je größer der Durchmesser der Spirale und je dicker ihre Steigung ist, desto einfacher ist es, Heizgeräte im Ofen zu platzieren. Mit zunehmendem Durchmesser nimmt jedoch die Festigkeit der Spirale ab und die Tendenz ihrer Windungen, übereinander zu liegen, nimmt zu .Andererseits nimmt mit zunehmender Wicklungsdichte die Abschirmwirkung des den Produkten zugewandten Teils seiner Windungen auf den Rest zu und daher verschlechtert sich die Nutzung seiner Oberfläche.
Die Praxis hat für Drähte mit einem Durchmesser von 3 bis 7 mm ganz bestimmte, empfohlene Verhältnisse zwischen Drahtdurchmesser, Steigung und Spiraldurchmesser festgelegt. Diese Verhältnisse sind wie folgt: h> 2d und D = (6 ÷ 8) d für Nichrom und für weniger feste Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen D = (4 ÷ 6) d.
Reis. 1. Drahtheizungen: a – Zickzack-Drahtheizung an Metallhaken an der Seitenwand: b – Zickzack-Drahtheizung im Kamin, c – das gleiche im Gewölbe, d – das gleiche auf Keramikböden, e – Drahtspirale auf hervorstehenden Ziegeln an der Seitenwand c durch Verbindung mit Haken, f – Drahtspirale in gewölbten Steinen und in Herdschächten, g – Drahtspirale auf Keramikböden, h – Drahtspirale auf Keramikrohr und – Drahtheizkörperauslass, k – symbolische Bezeichnung des Abmessungen der Heizung mit Draht
Bei dünneren Drähten wird üblicherweise das Verhältnis der Durchmesser von Wendel und Draht sowie die Steigung der Wendel größer gewählt. Diese Verhältnisse gelten für Spiralen, die auf Regalen platziert sind (damit die Spiralen nicht aufquellen, müssen sie alle 300–500 mm an im Mauerwerk eingelassenen Haken festgebunden werden) und in den Kanälen der Auskleidung von Wänden und Gewölben sowie in Gewölben Steine.
In letzter Zeit werden jedoch immer häufiger Spiralheizer auf Basis von Keramikrohren eingesetzt (Abb. 2).Hinsichtlich der Strahlungs- und Leistungsverteilung an den Ofenwänden sind solche Heizgeräte nahezu gleichwertig mit freistrahlenden Spiralen und im Gegenteil viel effizienter als Spiralen in Kanälen oder auf Regalen.
Andererseits liegt bei ihnen jede Biegung auf der Oberfläche des Rohrs auf, und selbst wenn es beim Erhitzen etwas durchhängt (eine Ovalität annimmt), werden seine Eigenschaften dadurch nicht beeinträchtigt. Da eine solche Heizung daher weniger belastet ist als andere und darin einzelne Windungen nicht übereinander liegen können, kann sie bei Bedarf das Verhältnis des Durchmessers der Spirale zum Durchmesser des Drahtes auf bis bringen 10 und für Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen - bis zu 8.
Reis. 2. Ausführungen von Spiralheizgeräten mit Draht auf Keramikrohren: a – Lichtbogenheizgeräte, b – Rohre an den Seitenwänden, Befestigung an hitzebeständigen Aufhängungen, c – das gleiche in den Nuten von Keramiksäulen, d – Rohre im Herd.
Für Letzteres ist diese Konstruktion besonders günstig, da sie eine freie Ausdehnung des Materials ermöglicht. Darüber hinaus wurden, wie in Abb. 2 dargestellt, Konstruktionen von Heizgeräten mit Draht auf Keramikrohren entwickelt, die nicht nur an den Wänden des Ofens, sondern auch im Dach und im Herd installiert werden können. In letzteren Fällen können die Heizgeräte auch installiert werden Da es sich um bewegliche Rahmen handelt, können diese Rahmen leicht in den Ofen eingesetzt und während des Brennens ausgetauscht werden. sparen, ohne den Ofen anzuhalten.
Somit ist die Gestaltung von Spiralheizkörpern mit Draht auf Keramikrohren vielseitig, sowohl hinsichtlich der Materialverwendung als auch der Anordnung der Heizkörper im Ofenraum.Das Verhältnis des Innendurchmessers der Spirale zum Außendurchmesser des Rohrs kann bei solchen Heizgeräten mit etwa 1,1–1,2 angenommen werden, der Abstand zwischen den Achsen der Rohre beträgt das 1,5–2-fache des Durchmessers der Spirale.
Bei Elektroheizungen und Öfen mit forcierter Luftzirkulation ist der Einsatz von Spiralheizern auf Keramikrohren weniger wünschenswert, da dadurch der Wärmeübergangskoeffizient der Heizung sinkt, der Einsatz von Spiralen auf den Regalen oder in den Auskleidungskanälen ist hierfür völlig inakzeptabel aus demselben Grund ( außer in Fällen, in denen der Gasstrom entlang der Spirale in Richtung ihrer Achse gerichtet werden kann).
In solchen Öfen ist es besser, Konstruktionen mit frei geblasenen Spiralen zu verwenden, die in bestimmten Abständen zwischen Isolatoren eingespannt oder an diesen festgebunden werden (Abb. 3). Wenn in solchen Strukturen (bei höheren Temperaturen) Spiralheizer aus Keramikrohren verwendet werden, sollte das Verhältnis des Durchmessers der Spirale zum Durchmesser des Rohrs auf 1,5 erhöht werden.
Reis. 3. Ausführungen von (a) Draht- und (b) Bandheizelementen elektrischer Heizgeräte.
Bandheizungen werden in Form von Zickzacklinien unterschiedlicher Größe hergestellt und an Metall- (hitzebeständiger Stahl oder Nichrom) oder Keramikhaken montiert (Abb. 4). Metallhaken sind in das Mauerwerk der Wände eingebettet (in den Nähten zwischen Ziegeln oder in den Kanälen von Spezialziegeln), Keramikhaken sind Auswüchse von im Mauerwerk verlegten Spezialsteinen.
Bei den unteren Teilen schließen sich die Zickzacklinien beim Verziehen nicht, dazwischen werden Abstandshalter angebracht, bei denen es sich um Schamotte- oder Aluminiumkeramikbuchsen handelt, die auf im Mauerwerk eingebetteten hitzebeständigen oder Nichromstiften platziert sind.Die Buchsen werden mit Nichromstiften an den Stiften befestigt. Bei Keramikhaken bestehen die Separatoren ebenfalls komplett aus Keramik (Abb. 4, a).
In Abb. 4, h zeigt das Design von abnehmbaren Keramikhaken und Abstandshaltern. Dieses Design ist sehr nützlich, da Sie die Haken im Schadensfall einfach austauschen können.
Zick-Zack-Heizungen können auch an den Seitenwänden des Ofens auf Keramikgestellen montiert werden, diese Konstruktion ist jedoch im Hinblick auf die spezifische Leistung an der Wand und den Grad der Abschirmung der Heizungen noch weniger praktisch als die Konstruktion mit Draht auf dem Gestell Heizungen. Hinzu kommt, dass Keramikregale im Betrieb meist eine schlechte Leistung erbringen, da im Falle ihres Bruchs zum Austausch des beschädigten Regals eine Verschiebung des Mauerwerks erforderlich ist (Abb. 4, d).
Reis. 4. Ausführungen von Heizbändern: a – Zickzack-Streifenheizkörper an der Seitenwand aus Metallhaken, b – Zickzack-Streifenheizkörper im Herd. c – dasselbe im Gewölbe, d – dasselbe auf Keramikböden, e – bewegliches Hochtemperatur-Rahmenelement, f – Niedertemperatur-Rahmenelement, g – „Flachwellen“-Heizgerät auf Keramikrohren, h – Zickzack-Bandheizgerät auf beweglichen Haken, und — symbolische Bezeichnung der Abmessungen des Band-Zickzack-Heizgeräts.
Im Gewölbe oder an der Unterseite der Heizbänder können sie in die Mauerwerkskanäle passen, die durch speziell geformte Steine (Balken – Abb. 4, b und c) gebildet werden. Solche Heizungen können auch als bewegliche Rahmen ausgeführt werden (Abb. 4-53, e). Darüber hinaus können bei einem Bogengewölbe die Zickzacklinien des Bandes an beweglichen Metallhaken aufgehängt werden.
Bei Elektroheizgeräten und Umluftöfen sollten Bandheizgeräte so ausgelegt sein, dass die Oberfläche des Heizgeräts möglichst gut zum Anblasen mit einem Gasstrom zugänglich ist. Ein Beispiel für eine solche Konstruktion ist in Abb. dargestellt. 3, geb.
Je dicker die Zick-Zack-Heizungen sind, desto länger kann die Heizung im Ofen platziert werden, aber je besser die Windungen geschützt sind, desto schlechter ist die Oberfläche des Bandes. Daher wurden die akzeptierten Abmessungen von Zickzack-Bandheizgeräten festgelegt, die eine ausreichende Festigkeit und einen geringen gegenseitigen Schutz gewährleisten.
Zu diesem Zweck versuchen sie, die folgenden Verhältnisse zu erfüllen (Bezeichnungen gemäß Abb. 4, i): b / a = 5 ÷ 20, das häufigste Verhältnis der Breite des Streifens zu seiner Dicke ist 10. Zick-Zack-Schritt h> In Abb. 1.8b ist der Streifenradius abgerundet, um Biegebruch zu vermeiden
Für Heizertemperaturen bis 1000 °C in Industrieöfen wird ein Band mit den Abmessungen mindestens 1X10 mm verwendet, bei höheren Temperaturen mindestens 2X20 mm.
Bei Temperaturen bis 1000 °C kann die Höhe des Zickzacks B an der Wand zwischen 150 und 400–600 mm variieren, jedoch ist für jeweils 200 mm eine Reihe Abstandhalter erforderlich, also bei 200–400 mm eine Reihe Abstandshalter und bei 400–600 mm zwei Linien. Am Gewölbe und in der Feuerstelle muss die Höhe des Zickzacks B auf 250 mm begrenzt werden, um ein Absetzen der Heizkörper zu verhindern. Diese Empfehlungen können auf Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen ausgeweitet werden.
Für Heizkörpertemperaturen von 1000 bis 1100 °C können die angegebenen Grenzabmessungen für die Legierungen Kh20N80 und Kh20N80T reserviert werden, für die Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen sollte das Maß B mit der vertikalen Position des Zickzacks auf 250 mm begrenzt werden, und mit horizontaler Position 150 mm.
Bei Heiztemperaturen über 1100 °C ist die einzig akzeptable Gestaltung von Heizbändern sowohl für das Dach als auch für den Boden eine flache Welle auf Keramikrohren (Abb. 2, g). Die Länge des Zickzacks B kann in diesem Fall mit 75-100 mm angenommen werden. Für Seitenwandheizungen kann eine Ausführung mit Keramikhaken verwendet werden, wodurch die Zick-Zack-Höhe auf 150 mm begrenzt wird.
In den letzten Jahren wurden Zick-Zack-Drahtheizungen weit verbreitet eingesetzt. Für diese Heizgeräte wird der Zickzackschritt h gleich (5 ÷ 9) d angenommen.
Bei der Verwendung von Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen in Öfen mit einer Betriebstemperatur über 1000 °C müssen alle Teile aus feuerfestem Mauerwerk hergestellt werden, die mit den Heizgeräten in Berührung kommen können (keramische Haken und Trennwände, Regale, Rohre, Kanäle usw.). aus hochoxidischen Aluminiumwerkstoffen mit einem Mindestgehalt an Eisenoxiden.
Das Aufwickeln von Zickzackbändern erfolgt in der Regel per Hand mit einer einfachen Hebelvorrichtung. Spiralen werden auf einer Drehmaschine fest auf einen glatten Dorn gewickelt, dann wird die resultierende Spirale auf die gewünschte Steigung gedehnt.
Reis. 5. Versiegelter Heizungsauslass: 1 – Gehäuse, 2, 6 – Isolierhülsen, 3 – Distanzring, 4 – Asbestdichtung, 5 – Überwurfmutter, 7 – Heizungsauslass.
Da sich die Spirale nach dem Entfernen vom Dorn etwas entfaltet und sich ihr Durchmesser vergrößert (ca. 1-3 mm), sollte der Dorn mit einem kleineren Durchmesser als berechnet genommen werden.Diese Reduzierung hängt von der Elastizität des Materials ab und muss für jede Charge experimentell ermittelt werden. In Kraftwerken werden Zick-Zack-Heizungen auf Spezialmaschinen hergestellt.
Auslässe von Heizgeräten bis zu einer Temperatur von 1000 ° C bestehen aus hitzebeständigem Stahl, Chrom-Nickel oder Chrom, für höhere Temperaturen aus der Legierung 0X23Yu5A (EI-595). Nehmen Sie dazu einen Walzdraht, einen Stab mit einem Querschnitt, der dem 3-4-fachen Querschnitt des Heizgeräts entspricht, um die Wärmeabgabe in den Drähten zu reduzieren. Der in der Niedertemperaturzone liegende Teil des Auslasses kann zur Einsparung teurer Materialien aus gewöhnlichem Kohlenstoffstahl gefertigt werden. Typische Leitungskonstruktionen für Draht- und Bandheizer sind in Abb. dargestellt. 5.
Bei Zickzack-Bandheizelementen ist die gegenseitige Abschirmung der einzelnen Zickzacklinien auch bei einem Abstand von mehr als der doppelten Bandbreite noch relativ groß. Vorteilhafter wäre es, die Heizelemente so zu gestalten, dass das Band dem Produkt zugewandt ist auf der breiten Seite, aber dies erfordert viel Schweißen, da jede Windung des Bandes zwei Schweißnähte hat und die Heizungskonstruktion teuer und anfällig für Verformungen ist.
Daher werden solche Heizgeräte zwar in manchen Fällen eingesetzt, allerdings nur für kleine Öfen. Sie ermöglichen erhebliche Materialeinsparungen im Vergleich zu Streifen- und insbesondere Drahtheizgeräten und ermöglichen es Ihnen, bei gleichem Materialverbrauch eine etwas höhere spezifische Wandflächenleistung zu erzielen.
Auch Heizgeräte mit Gussrändern, die aus Nichrom gegossen und an speziellen Haken aufgehängt sind, kommen an Flachheizgeräte heran (Abb. 6).Die verschiedenen Erhitzer können natürlich nur mit großen Querschnitten hergestellt werden und werden daher entweder in großen Öfen eingesetzt oder benötigen eine reduzierte Spannung. Ihr Vorteil ist eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer, gemessen in Zehntausenden von Stunden. Es wird allgemein angenommen, dass ordnungsgemäß berechnete und ausgelegte Nichrom-Heizgeräte 6.000 bis 12.000 Stunden (unter Strom) betrieben werden sollten.
In Muffel- und Rohröfen werden Draht- und Heizbänder direkt auf eine Keramikmuffel oder ein Keramikrohr gewickelt. Damit die Windungen der Spule während der Ausdehnung durch die Erwärmung nicht schwächer werden und sich nicht von ihrem Platz bewegen, werden Keramiken mit Kanälen versehen in dem das Band oder der Draht verlegt wird. Eine andere Möglichkeit, die Windungen des Heizgeräts auf der Keramik zu befestigen, besteht darin, diese nach dem Aufwickeln mit einer Schicht aus feuerfestem Ton mit Schamotte zu beschichten.
Reis. 6. Sommerheizungen.
Reis. 7. Stabrohrheizungen.
In Öfen bis Temperaturen von 400-500 °C gibt es noch viele weitere Arten von Heizungen. Zusätzlich zu Spiral- und Band-Zickzack-Heizgeräten mit offenem Draht, genau wie in Hochtemperaturöfen, gibt es austauschbare Heizelementkonstruktionen, die insofern praktisch sind, als sie zur Erzeugung beliebiger Leistung verwendet werden können und gleichzeitig beim Ausbrennen, z Elemente sind leicht austauschbar. Ersatzteil.
Rohrförmige Stabheizelemente sind eine Reihe von Porzellanisolatoren, die auf einem hitzebeständigen Stab oder Stahlstab aufgereiht und in einem Stahlrohr angeordnet sind, an einem Ende verschweißt und am anderen Ende mit einem Bleiisolator verschlossen sind. Eine Nichrom-Spirale ist auf Porzellanisolatoren gewickelt, die an einem Ende an den Isolatordraht und am anderen Ende an den Mittelstab geschweißt sind.
Manchmal wird der Raum zwischen Rohr und Heizung mit Quarzsand gefüllt. Heizgeräte dieses Typs können bis zu 400–500 °C und mit feuerfesten Rohren bis zu 1000 °C eingesetzt werden und eignen sich besonders für große Öfen, in denen es erforderlich ist, das Heizgerät vor mechanischer Beschädigung oder vor der Einwirkung korrosiver Dämpfe zu schützen ( Abb. 7).
Von großem Interesse sind die sogenannten „Röhrenheizelemente“ (Abb. 8). Sie bestehen aus einem Stahlrohr, entlang dessen Achse sich eine Nichromspirale befindet, die an den Ausgangsbolzen an den Enden des Heizgeräts angeschweißt ist. Der Raum zwischen der Spirale und den Rohrwänden ist mit Periklas, kristallinem Magnesiumoxid, gefüllt, das eine gute elektrische Isolierung und gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Herstellung von Heizelementen erfolgt wie folgt.
Eine um einen Stahlstab gewickelte Nichromspirale wurde streng axial in das vorbereitete gereinigte Stahlrohr montiert, das Rohr vertikal auf einer Vibrationsmaschine fixiert und mit Periklaspulver gefüllt, das durch den Magnetabscheider geleitet wurde. Der Stab wird dann aus dem Rohr entfernt und durch eine Schmiedemaschine geführt, die ihn am Umfang hämmert, wodurch sein Durchmesser abnimmt und der Periklas stark verdichtet wird.
An den Rändern des Rohrs werden versiegelte Bleiisolatoren angebracht, wonach es dank der Periklas-Dichtung beliebig gebogen und in eine geeignete Form gebracht werden kann. In dieser Form können die rohrförmigen Elemente zum Erhitzen von Luft (elektrische Heizungen), Öl, Nitraten und sogar zum Schmelzen niedrig schmelzender Metalle wie Zinn, Blei, Babbitt verwendet werden.Um eine schnelle Korrosion der Metallrohrwand zu vermeiden, wird im letzteren Fall diese mit Gusseisen vorgefüllt, das eine massive Platte bildet, in der sich ein Rohrheizelement befindet.
Reis. 8. Rohrheizkörper.
Der Einsatz von Rohrheizkörpern für Bäder mit Salpeter ist äußerst wünschenswert, da dadurch im Vergleich zu Bädern mit Außenheizung der Energieverbrauch reduziert, die Sicherheit der Bäder erhöht und eine enorme Nichromeinsparung erzielt wird. Für ihren zufriedenstellenden Betrieb in Nitraten, insbesondere bei Temperaturen von 500 ° C und mehr, ist es jedoch erforderlich, einen Doppelmantel des Rohrs herzustellen und auf dem vorbereiteten Heizgerät ein zweites, hitzebeständiges Nickelrohr zu platzieren.
Beim Einsatz in Elektroheizungen sind sie mit Rippen versehen, um die Wärmeübertragung an die Luft zu erhöhen.
Rohrheizkörper sind für die Herstellung von Haushaltsheizgeräten weit verbreitet.
Rohrheizkörper arbeiten mit Leistungen von mehreren hundert Watt bis mehreren Kilowatt.
Daten zu Rohrheizkörpern unserer Branche finden Sie in den Katalogen.