Резистивный однофазный нагреватель для электропечи Советский патент 1983 года по МПК H05B3/62 

ел

:

00

оо Изобретение относится к термическому оборудованию и может быть использовано в резистивных электрических печах. Известны резистивные нагреватели электрических печей, выполненные из листовых тугоплавких металлов .или графита, представляющие собой два коаксиальных цилиндра ij . Указанные нагреватели весьма эффективны, однако имеют значительную неравномерность поля температур вдоль оси нагревателя, что приводит к весьма низкому коэффициенту испол зования объема рабочего пространства печи, который не превышает 30%. Лучшую равномерность температурн го поля в осевом направлении имеют коаксиальные нагреватели с прорезями. Наиболее близкими к предлагаемому являются коаксиальные нагреватели снабженные поперечными прорезями во внутреннем цилиндре нагревателя, увеличивающими его омическое сопротивление и большие отверстия п концам внешнего цилиндра нагревателя, которые способствуют выравниванию температуры в осевом направлении 2 . В этом нагревателе прорези во внутреннем цилиндре нарушают равномерность поля температур в радиаль,ном и азимутальном направлениях. Отверстия по концам наружного цилин ра нагревателя способствуют выравниванию поля температур в осевом на правлении только в центральной час нагревателя, так как эти отверстия имеют значительную осевую протяженность и угловые размеры, что приводит к нарушению равномерности поля температур в местах их расположения В связи с этим и в последнем чаг зевателе объем рабочего пространства нагревателя используется также дале ко не полностью, и также близок к 30-35%. Целью изобретения является повышение коэффициента использования объема нагревателя путем повышения равномерности температурного поля в осевом, радиальном и азимутальном направлениях. Поставленная цель достигается тем, что в резистивном однофазном нагревателе, выполненном в виде коаксиально установленных внутреннего сплошного цилиндра и наружного с рядами отверстий по его концам, соединенных один с другим электрически последовательно на одном из их концов и снабженных на другом токоподводами, диаметры отверстий наружного цилиндра выполнены не пре вышающими трети разности диаметров цилиндров, а их шаг в ряду составля ет 2-3 диаметра отверстий. Кроме того, при количестве рядов отверстий более одного расстояния между рядами составляет 3-4 диаметра отверстий. , Наличие рядов отверстий на кон.цах наружного цилиндра нагревателя приводит к выделению большего количества тепла по концам нагревателя, что необходимо для компенсации торцовых тепловых потерь и выравнивания температурного поля вдоль оси нагревателя. Поскольку часто тепловые терн с торцов рабочего пространства могут быть не одинаковы (потери тепла со стороны токоподводов, как правило, больше может оказаться необходимым иметь с одной стороны :: нагревателя один-два ряда отверкзтий а с другой стороны - два-три ряда отверстий соответственно. Размеры отверстий и расстояния между ними должны быть выбраны та-г КИМ образом, чтоды создаваемая ими неравномерность поля температур в наружном цилиндре нагревателя практически не ск.азывсшась на равномерности поля температур в рабочем пространстве, На фиг. 1 изобргокен предложенный однофазный нагреватель электрической печи сопротивления, разрез; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1. Нагреватель состоит из внутреннего цилиндра 1 диаметром ( наружного цилиндра 2.диаметрс 1 D/ и токоподводов 3 и 4, выполненных из листового материала. В верхней части внутренний и наружный цилиндры соединены между собой и образуют последовательную электрическую цепь. Нагреватель выполнен, например, с одним рядом отверстий 5 в верхней части и двумя рядами отверстий 6 со стороны токоподводов. Отверстия име- : ют диаметр , расстояние по радиусу между внутренним и наружным цилиндрами нагревателя обозначено Е , шаг отверстий в ряду равен t , а расстояние между рядами отверстий Ь . УГОЛ f между нормалью к плоскости наружного цилиндра и направлением на середину площадки внутреннего цилинд ра 1 между отверстиями, используется при определении наибольшего расстояния между соседними отверстиями по уравнению Ламберта. Поставленная цель может быть выполнена, если потери тепла с торцов нагревателя будут компенсироваться за счет перегрева как можно более коротких его участков. Сохранение равномерности поля температур в радиальном и азимутальном направлениях также выдвигает определенные требования.к размерам отверстий и расстояниям между ними с тем, чтобы удельная плотность по.тока энергии, падающей на внутренний цилиндр нагревателя со стороны наруж ного цилиндра была по возможности одинаковой вдоль рядов отверстий. При этом поле температур во внутреннем цилиндре нагревателя окажется, практически равномерным в азимутально направлении, так как внутренний ци линдр нагревателя за счет собственной теплопроводности дополнительно сглаживает температурное поле. При определении конкретных величи отверстий и расстояний между ними руководствовались экспериментальными данными, изложенными в таблице. Целью которых являлось нахождени оптимальных размеров отверстий во внешнем цилиндре нагревателя, корре тирующих температурное поле в рабо.чем пространстве, которое мы ограничиваем рс1змерами садки. Для получения общих соотношений, нез-ависимых от конкретных размеров нагревателей -нами принято исчислени диаметра отверстий в долях разности диаметров внешнего и внутреннего цилиндаюв. Для шага отверстий в ряду принято: t - шаг отверстий в ряду, h число диаметров отверстий, укладыва щихся в шаге, Для расстояния между рядами отверстий принято: L - расстояние ме ду рядами отверстий во внешнем цилиндре, К - число диаметров отверс тий, укладывающихся в одном НИИ между рядами. В качестве критерия, позволяющего считать равномерность температур ного поля удовлетворительной принимаем разность температур, равную 24 С(разброс i 1. или -1%), что позволяет проводить в автоматическом режиме работы пайки узлов тверд мы дозированными припоями. Эксперименты проводились на нагр вателях вакуумной и водородной элек трических однофазных печей сопротив ления полунепрерывного действия со следуотцими размерами коаксиальных цилиндров: внутренний мм} наружный 285 565 мм. Кроме того, исследовался также коаксиальный однофазный нагреватель высокотемпературной водородной печи со следующими размерами цилиндров: внутренний 120 500 мм, наружный 150 470 мм. Результаты экспериментов предста лены в таблице, . Замеры температуры при экспериментах проводились каждый раз одновременно в трех точках - в нижней, верхней и средней точках садки, которая, в свою очередь, была заполне на деталями, расположенными на горизонтальных полочках. Размеры садки были равны, соответственно, для первого случая диаметр 200 мм, высота 400 мм, и для второго случая диаметр 90 мм, высота 300 мм. Наибольшая температура в первом алучае составляла , а замеры проводились после выдержки в течение 10 мин при 800, 1000, 1200 и 1300°С. Во втором случае наибольшая температура была равна 2000°С, а замеры проводились после выдержки в течение 5 мин при 200, 1600 и 2000°С. Как в первом, так и во втором случаях общий уровень температуры обеспечивался с помощью автоматического регулятора, который управлялся внешней по отношению к садке четвертой термопарой, расположенной снаружи нагревателя в средней его части по высоте. Приведены результаты испытания нагревателей с внутренними диаметром 250 NM в вакууме порядка 5 рт.ст. Как видно из таблицы удовлетворительные характеристики нагревателя по равномерности температур (разброс в пределах 12°С)достигаются при диаметрах отверстий 12 мм и меньше при шаге в 2 и 3 диаметра. Эксперимент с отверстиями диаметром меньше 4 мм не проводился ввиду значительно возрастающей трудоемкости изготовления нагревателей с большим числом отверстий малого размера . Для компенсации потерь тепла в токоподводах пришлось в нижней части наружного нагревателя сделать три ряда отверстий. Совершенно аналогичные результаты получены при испытаниях этих же нагревателей в печах с водородной атмосферой. Разница состояла в том, что в нижней части нагревателя пришлось сделать четыре ряда отверстий. Шаг между рядами отверстий в нижней части наружного цилирдра выполнялся равным трем диаметрам отверстий так как при большого шаге, особенно при значительных диаметрах отверстий теряется значительная высота рабочего пространства, а при меньшем шаге наблюдается существенный местный перегрев. При испытаниях нагревателя высокотемпературной водородной печи диаЧ метры отверстий .варьировались в пределах от 4-х до 15 мм, а шаг отверстий в ряду от 8 мм до 60 мм. Удовлетворительная равномерность температурного поля (разброс в пределах или 1%) обеспечивалась при диаметрах отверстий от 4-х до ЮЛ мм при шаге от 8 до 30 мм, Таким образом на основании экспериментов выявлено, что удовлетворительные результаты по равномерности температур в рабочем пространстве

предложенного однофазного нагревателя достигнуты,, если:

Диаметры отверстий в наружном на- гревателе не превышают одной трети равности диаметров нагревателей (4 (,); uiar отверстий находится в пределах от двух до трех диаметров отверстий i (2 - 3) d , расстояние между рядами отверстий находится в пределах от трех до четырех диаметров отверстий L -f3-4)c.

Испытания экспериментального образца нагревателя предложенной кон струкции показали, что коэффициент использования геометрического объема нагревателя был равен 0,8 по сравнени ю с 0,3 в нагревателях известных конструкций. При этом пропорционгшьно коэффициенту использования геометрического объема нагревателя повысится экономичность оборудования, уменьшатся удельные затраты электроэнергии и технологических газов, возрастает производительность оборудования.

1. РЕЗИСТИВНЫЙ ОДНОФАЗНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПЕЧИ, выполненный в виде коаксиально установленных внутреннелго сплошного цилиндра и наружного с рядами отверстий по его концам, соединенных один с другим электрически последовательно //J/7 на одном из их концов и снабженных на другом токоподвоДои 1и, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента использования объема нагревателя путем повышения равномерности температурного поля в осевом, радиальном и азимутальном направлениях, диаметры отверстий наружного цилиндра выполнены не превышающими трети разности диаметров цилиндров, а их шаг в ряду составляет 2-3 диаметра отверстий. 2. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что при количестве рядов отверстий более одного расстояния между рядами боставляет 3-4 диаметра отверстий. (Л

/8,75 8

(285-250)./1/8,75

/4,375 16

(285-250)-1/4,375

±1 +1,1

Удовлетво рительная

±0,85 + 0,7

±1

±1,25

+0,7

Удовлетворительная

+ 0,55 ±4 + 3,3

Неудовлетворительная

+ + 2,7 + 0,9 + 0,85 ±0,9

Удовлетворительная

±0,9.. ±1,1 + 1,25

12

(285-250).1/2,91

18

:285-250)1/1,94

Продолжение таблицы

±0,95

Удовлетворительная

+0,55 + 3,9

32 +3,45 + 2,6

Неудовлетворительная

+2,9 +0,7

/2,91 24 +0,6

Удовлетворительная

+0,8 ±0,73

36 + 1,05

+1,15 ±0,7

Удовлетворительная

±0,76

48

±3,9

±3,4

Неудовлетворительная

±2,7

±2,3

1/1,94 36

±4

+ 3,05

Неудовлетворительная

+1,6 ±1,05 ±4,5

70 ±3,55

Неудовлет ворительная1римечание.

Продолжение таблицы Нагреватель с внутренним диаметром 250 мм, наружным нагревателемдиаметром 285 мм, расстоянием между рядами отверстий L 3d. Среда в рабочем объеме - вакуум порядка 1СГ NM рт. ст.