Progettazione di elementi riscaldanti per forni elettrici

Gli elementi riscaldanti della maggior parte dei forni industriali sono a nastro oa filo. 1 mostra il dispositivo di un tradizionale riscaldatore a filo di nicromo, le costruzioni adottate per fissarlo sul tetto, sulle pareti e nel focolare del forno, e il disegno dei fili. Tipicamente, per la produzione di riscaldatori per forni industriali, viene utilizzato filo con un diametro da 3 a 7 mm. Tuttavia, per forni con una temperatura di esercizio di 1000 ° C e oltre, non dovrebbe essere preso un filo con un diametro inferiore a 5 mm.

I rapporti tra il passo h della spirale e il suo diametro D e il diametro del filo d (Fig. 1, k) sono scelti in modo tale da facilitare il posizionamento dei riscaldatori nel forno, per garantire la loro sufficiente rigidità e allo stesso tempo non il trasferimento di calore da loro ai prodotti è eccessivamente complicato.

Maggiore è il diametro della spirale e più spesso è il suo passo, più facile è posizionare i riscaldatori nella fornace, ma all'aumentare del diametro, la resistenza della spirale diminuisce e aumenta la tendenza delle sue spire a giacere una sopra l'altra .D'altra parte, all'aumentare della densità dell'avvolgimento, aumenta l'effetto schermante della parte delle sue spire rivolta verso i prodotti sul resto e, quindi, si deteriora l'utilizzo della sua superficie.

La pratica ha stabilito rapporti abbastanza definiti e raccomandati tra diametro del filo, passo e diametro della spirale per fili da 3 a 7 mm di diametro. Tali rapporti sono i seguenti: h> 2d e D = (6 ÷ 8) d per il nicromo e per le leghe meno resistenti ferro-cromo-alluminio D = (4 ÷ 6) d.

Riso. 1. Riscaldatori a filo: a - riscaldatore a filo a zigzag su ganci metallici sulla parete laterale: b - riscaldatore a filo a zigzag nel focolare, c - lo stesso nella volta, d - lo stesso su ripiani in ceramica, e - spirale metallica su mattoni sporgenti sulla parete laterale c mediante collegamento a ganci, f — spirale metallica nelle pietre ad arco e nei pozzi del focolare, g — spirale metallica su mensole in ceramica, h — spirale metallica su tubo ceramico, e — uscita del riscaldatore a filo, k — designazione simbolica del dimensioni del riscaldatore con filo

Per fili più sottili, il rapporto tra i diametri dell'elica e del filo, nonché il passo dell'elica, sono generalmente considerati maggiori. Questi rapporti si applicano alle spirali poste su mensole (affinché le spirali non si gonfino, devono essere legate ogni 300 — 500 mm a ganci annegati nella muratura) e nei canali del rivestimento di pareti e volte, nonché nelle volte pietre.

Recentemente, tuttavia, i riscaldatori a spirale basati su tubi in ceramica sono diventati più comuni (Fig. 2).Dal punto di vista della distribuzione dell'irraggiamento e della potenza sulle pareti del forno, tali riscaldatori sono quasi equivalenti alle spirali a radiazione libera e, viceversa, sono molto più efficienti delle spirali nei canali o sui ripiani.

D'altra parte, con loro, ogni curva poggia sulla superficie del tubo, e anche se si incurva in una certa misura (acquisisce ovalità) quando viene riscaldata, ciò non ne riduce le caratteristiche. Poiché un tale riscaldatore, quindi, è meno carico di altri e in esso le singole spire non possono giacere l'una sull'altra, quindi, se necessario, può portare il rapporto tra il diametro della spirale e il diametro del filo fino a 10 e per le leghe ferro-cromo-alluminio - fino a 8.

Riso. 2. Disegni di riscaldatori a spirale con filo su tubi in ceramica: a - riscaldatori ad arco, b - tubi sulle pareti laterali, fissaggio su sospensioni resistenti al calore, c - lo stesso nelle scanalature dei pilastri in ceramica, d - tubi nel focolare.

Questo design è particolarmente favorevole per quest'ultimo in quanto consente al materiale di espandersi liberamente. Inoltre, come Fig. 2, sono stati sviluppati progetti di riscaldatori con filo su tubi ceramici per la loro installazione non solo sulle pareti del forno, ma anche nel tetto e nel focolare, e in questi ultimi casi i riscaldatori possono essere realizzati sotto forma di telai mobili, tali telai possono essere facilmente inseriti nel forno e sostituiti durante la cottura. ricambio senza fermare il forno.

Pertanto, la progettazione di riscaldatori a spirale con filo su tubi ceramici è versatile sia in termini di utilizzo dei materiali che di posizione dei riscaldatori nella camera del forno.Il rapporto tra il diametro interno della spirale e il diametro esterno del tubo per tali riscaldatori può essere considerato approssimativamente 1,1-1,2, la distanza tra gli assi dei tubi 1,5-2 volte il diametro della spirale.

Per i riscaldatori elettrici e i forni a circolazione d'aria forzata, l'uso di riscaldatori a spirale su tubi ceramici è meno desiderabile, poiché ciò riduce il coefficiente di scambio termico del riscaldatore, l'uso di spirali sui ripiani o nei canali di rivestimento è del tutto inaccettabile per il stesso motivo (salvo i casi in cui il flusso di gas può essere diretto lungo la spirale, nella direzione del suo asse).

In tali forni è preferibile utilizzare strutture con spirali soffiate liberamente, serrate tra isolanti a determinati intervalli o legate a quest'ultimo (Fig. 3). Se in tali strutture vengono utilizzati riscaldatori a spirale di tubi in ceramica (a temperature più elevate), il rapporto tra il diametro della spirale e il diametro del tubo dovrebbe essere aumentato a 1,5.

Riso. 3. Disegni di (a) elementi riscaldanti a filo e (b) a nastro di riscaldatori elettrici.

I riscaldatori a nastro sono realizzati sotto forma di zigzag di varie dimensioni e sono montati su ganci in metallo (acciaio resistente al calore o nichelcromo) o in ceramica (Fig. 4). I ganci metallici sono incorporati nella muratura delle pareti (nelle giunture tra i mattoni o nei canali di mattoni speciali), i ganci in ceramica sono escrescenze di pietre speciali posate nella muratura.

Per le parti inferiori, gli zigzag non si chiudono durante l'orditura, tra di loro sono posti dei distanziatori, che sono boccole in ceramica refrattaria o alluminio poste su perni resistenti al calore o in nicromo annegati nella muratura.Le boccole sono fissate ai perni con perni in nicromo. Con i ganci in ceramica, anche i separatori sono realizzati interamente in ceramica (Fig. 4, a).

Nella fig. 4, h mostra il disegno di ganci e distanziatori in ceramica rimovibili. Questo design è molto utile in quanto consente di sostituire facilmente i ganci in caso di danneggiamento.

I riscaldatori a zig-zag possono anche essere montati sulle pareti laterali del forno su griglie in ceramica, ma questo design è ancora meno conveniente in termini di potenza specifica posizionata sulla parete e grado di schermatura dei riscaldatori rispetto alla costruzione di wire-on-rack riscaldatori. A ciò va aggiunto che le mensole in ceramica di solito hanno scarso rendimento in funzione, poiché in caso di loro rottura, per sostituire la mensola danneggiata, è necessario spostare la muratura (Fig. 4, d).

Riso. 4. Disegni di riscaldatori a strisce: a - riscaldatori a strisce a zigzag sulla parete laterale dei ganci metallici, b - riscaldatori a strisce a zigzag nel focolare. c — lo stesso nella volta, d — lo stesso sui ripiani in ceramica, e — elemento mobile del telaio ad alta temperatura, f — elemento del telaio a bassa temperatura, g — riscaldatore "onde piatte" su tubi di ceramica, h - riscaldatore a fascia a zigzag su ganci mobili, e — designazione simbolica sulle dimensioni del riscaldatore di zigzag di banda.

Nella volta o nella parte inferiore delle resistenze a nastro, possono inserirsi nei canali in muratura formati da apposite pietre sagomate (travi — Fig. 4, b e c). Tali riscaldatori possono anche essere realizzati come telai mobili (Fig. 4-53, e) Inoltre, con una volta ad arco, gli zigzag del nastro possono essere appesi a ganci metallici mobili.

Nei riscaldatori elettrici e nei forni ad aria forzata, i riscaldatori a fascia dovrebbero essere progettati in modo tale che la superficie del riscaldatore sia il più possibile accessibile per essere soffiata con un flusso di gas. Un esempio di tale costruzione è mostrato in fig. 3, b.

Più spessi sono i riscaldatori a zigzag, più a lungo può essere posizionato il riscaldatore nel forno, ma maggiore è la protezione delle spire, peggiore è la superficie del nastro. Pertanto, sono state stabilite le dimensioni accettate dei riscaldatori a zigzag a strisce, che garantiscono la loro resistenza sufficiente e una bassa protezione reciproca.

A tal fine, cercano di soddisfare i seguenti rapporti (notazioni secondo la Fig. 4, i): b / a = 5 ÷ 20, il rapporto più comune tra la larghezza della striscia e il suo spessore è 10. passo a zigzag h> 1.8b, il raggio del nastro è arrotondato per evitare la frattura da flessione r>

Per temperature di riscaldamento fino a 1000°C nei forni industriali si utilizza un nastro con dimensioni di almeno 1X10 mm, a temperature superiori almeno 2X20 mm.

A temperature fino a 1000°C l'altezza dello zig zag B sulla parete può variare da 150 a 400-600 mm, ma ogni 200 mm è necessaria una fila di distanziatori, cioè a 200-400 mm una fila di distanziatori e a 400 —600 mm - due linee. Sull'arco e nel focolare, per evitare l'assestamento dei caloriferi, l'altezza dello zigzag B deve essere limitata a 250 mm. Queste raccomandazioni possono essere estese alle leghe ferro-cromo-alluminio.

Per temperature del riscaldatore da 1000 a 1100 °C, le dimensioni limite specificate possono essere riservate per la lega Kh20N80 e Kh20N80T, per le leghe ferro-cromo-alluminio, la dimensione B con la posizione verticale dello zig-zag dovrebbe essere limitata a 250 mm, e con posizione orizzontale 150 mm.

A temperature del riscaldatore superiori a 1100 ° C, l'unico design accettabile di riscaldatori a strisce sia per il tetto che per il fondo è un'onda piatta su tubi di ceramica (Fig. 2, g). La lunghezza dello zigzag B in questo caso può essere presa come 75-100 mm. Per i riscaldatori a parete laterale, è possibile utilizzare un design con ganci in ceramica, limitando l'altezza dello zigzag a 150 mm.

Negli ultimi anni, i riscaldatori a filo a zigzag sono stati ampiamente utilizzati. Per questi riscaldatori, il passo a zig-zag h è assunto pari a (5 ÷ 9) d.

Quando si utilizzano leghe ferro-cromo-alluminio in forni con temperatura di esercizio superiore a 1000°C, tutte le parti di muratura refrattaria che possono venire a contatto con i riscaldatori (ganci e divisori ceramici, mensole, tubi, canali, ecc.) devono essere realizzate di materiali di alluminio ad alto contenuto di ossidi con un contenuto minimo di ossidi di ferro.

Gli zigzag del nastro vengono solitamente avvolti a mano utilizzando un semplice dispositivo a leva. Le spirali vengono avvolte strettamente su un tornio su un mandrino liscio, quindi la spirale risultante viene allungata al passo desiderato.

Riso. 5. Uscita del riscaldatore sigillata: 1 — alloggiamento, 2, 6 — manicotti isolanti, 3 — anello distanziatore, 4 — guarnizione in amianto, 5 — dado di accoppiamento, 7 — uscita del riscaldatore.

Poiché dopo aver rimosso la spirale dal mandrino, si srotola un po ', aumentando il suo diametro (di circa 1-3 mm), il mandrino dovrebbe essere preso con un diametro inferiore ai calcoli.Questa riduzione dipende dall'elasticità del materiale e deve essere determinata sperimentalmente per ogni lotto. Nelle centrali elettriche, i riscaldatori a zigzag vengono prodotti su macchine speciali.

Le uscite dei riscaldatori fino a una temperatura di 1000 ° C sono realizzate in acciaio resistente al calore, cromo-nichel o cromo, per temperature più elevate - in lega 0X23Yu5A (EI-595). A tale scopo si prenda una vergella, vergella di sezione pari a 3-4 volte la sezione del riscaldatore, per ridurre la cessione di calore nei fili. La parte dell'uscita situata nella zona a bassa temperatura, per risparmiare materiali costosi, può essere realizzata in normale acciaio al carbonio. Tipici progetti di conduttori per riscaldatori a filo e a nastro sono mostrati in Fig. 5.

Negli elementi riscaldanti a nastro a zig-zag, la schermatura reciproca dei singoli zig-zag è ancora relativamente ampia, anche con un passo superiore al doppio della larghezza del nastro.Sarebbe più vantaggioso progettare i riscaldatori in modo tale che il nastro sia rivolto verso il prodotto con sul lato largo, ma ciò richiede molte saldature poiché ogni giro della striscia ha due saldature e il design del riscaldatore è costoso e soggetto a deformazioni.

Pertanto, sebbene tali riscaldatori siano utilizzati in alcuni casi, ma solo per piccoli forni. Forniscono un notevole risparmio di materiale rispetto ai riscaldatori a nastro e soprattutto a filo e consentono di ottenere una potenza specifica della superficie della parete leggermente superiore a parità di consumo di materiale.

Anche i riscaldatori con cerchi in fusione, fusi in nicromo e appesi a ganci speciali, si avvicinano ai riscaldatori piatti (Fig. 6).I vari riscaldatori, ovviamente, possono essere realizzati solo con grandi sezioni, e quindi o vengono utilizzati in grandi forni o richiedono tensioni ridotte. Il loro vantaggio è l'elevata affidabilità e una lunga durata, misurata in decine di migliaia di ore. Si ritiene generalmente che i riscaldatori al nicromo correttamente calcolati e progettati dovrebbero funzionare da 6000 a 12000 ore (sotto corrente).

Nei forni a muffola e tubolare, i riscaldatori a filo e nastro sono avvolti direttamente su una muffola o tubo ceramico, inoltre, in modo che le spire della bobina durante l'espansione dal riscaldamento non si indeboliscano e non si spostino dal loro posto, le ceramiche sono fornite di canali in cui è posato il nastro o il filo. Un altro modo per fissare le spire del riscaldatore sulla ceramica è rivestire quest'ultima dopo l'avvolgimento con uno strato di argilla refrattaria con argilla refrattaria.

Riso. 6. Riscaldatori estivi.

Riso. 7. Riscaldatori a stelo.

Nei forni fino a temperature di 400-500 °C esistono molti più tipi di riscaldatori. Oltre ai riscaldatori a zigzag a spirale ea fascia con filo aperto, come nei forni a temperature più elevate, esistono design di elementi riscaldanti intercambiabili, convenienti in quanto possono essere utilizzati per produrre qualsiasi potenza e allo stesso tempo quando si bruciano, come gli elementi sono facilmente sostituibili. ricambio.

Gli elementi riscaldanti a barra tubolare sono un insieme di isolatori in porcellana infilati su un'asta resistente al calore o in acciaio e inseriti in un tubo d'acciaio, saldato ad un'estremità e chiuso con un isolante in piombo all'altra. Una spirale di nicromo è avvolta su isolatori di porcellana saldati da un lato al filo isolante e dall'altro all'asta centrale.

A volte lo spazio tra il tubo e il riscaldatore è riempito di sabbia di quarzo. Riscaldatori di questo tipo possono essere utilizzati fino a 400-500°C e con tubi refrattari fino a 1000°C e sono particolarmente convenienti per grandi forni in cui è necessario proteggere il riscaldatore da danni meccanici o dall'azione di vapori corrosivi ( figura 7).

Di grande interesse sono le resistenze cosiddette "tubolari" (Fig. 8). Sono costituiti da un tubo di acciaio, lungo l'asse del quale si trova una spirale di nicromo, saldata ai bulloni di uscita alle estremità del riscaldatore. Lo spazio tra la spirale e le pareti del tubo è riempito di periclasio, ossido di magnesio cristallino, che ha un buon isolamento elettrico e allo stesso tempo un'elevata conducibilità termica. La produzione di elementi riscaldanti viene eseguita come segue.

Una spirale di nicromo avvolta su un'asta d'acciaio è stata montata rigorosamente assialmente nel tubo d'acciaio pulito preparato, il tubo è stato fissato verticalmente su una macchina vibrante e riempito con polvere di periclasio fatta passare attraverso il separatore magnetico. L'asta viene quindi estratta dal tubo e fatta passare attraverso una forgiatrice, che la martella lungo la circonferenza, facendone diminuire il diametro e compattando molto il periclasio.

Gli isolatori di piombo sigillati sono fissati ai bordi del tubo, dopodiché, grazie alla guarnizione di periclasio, può essere piegato in qualsiasi modo e dare una forma conveniente. In questa forma, gli elementi tubolari possono essere utilizzati per riscaldare aria (riscaldatori elettrici), olio, nitrati e persino per fondere metalli bassofondenti come stagno, piombo, babbitt.In quest'ultimo caso, per evitare una rapida corrosione della parete del tubo metallico, questa viene preriempita di ghisa, che forma una piastra massiccia, all'interno della quale è presente un elemento riscaldante tubolare.

Riso. 8. Riscaldatori tubolari.

L'utilizzo di riscaldatori tubolari per bagni con salnitro è altamente auspicabile, perché rispetto ai bagni con riscaldamento esterno, riduce la riduzione del consumo energetico, aumenta la sicurezza dei bagni e un enorme risparmio di nicromo. Tuttavia, per il loro soddisfacente funzionamento nei nitrati, soprattutto a temperature di 500°C e oltre, è necessario realizzare una doppia camicia del tubo, ponendo sul riscaldatore predisposto un secondo tubo, di nichel, resistente al calore.

Se utilizzati nei riscaldatori elettrici, sono alettati per aumentare il trasferimento di calore all'aria.

I riscaldatori tubolari sono molto diffusi per la produzione di apparecchi per il riscaldamento domestico.

I riscaldatori tubolari funzionano con una potenza da diverse centinaia di watt a diversi kilowatt.

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