МОНОЛИТНЫЙ ТЕПЛОВОЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ БЛОК ИЗ ОГНЕУПОРНОГО ФОСФАТНОГО БЕТОНА
SOLID THERMAL HEATING BLOCK FROM REFRACTORY PHOSPHATE CONCRETE

Изобретение относится к области резистивного нагрева в промышленных печах сопротивления, а именно, к монолитным металлокерамическим тепловым нагревательным блокам.
Практика конструирования и эксплуатации промышленных печей сопротивления определила требования к нагревательным элементам, основные из которых следующие: высокая эффективность и надежность, прочность и отсутствие электропроводности.
Известно, что наиболее эффективным процессом передачи тепла от нагретого тела к холодному в сравнении с нагревом излучением и другими видами теплопередачи является метод контактной теплопроводности. (М.А.Михеев, И.М.Михеева, «Основы теплопередачи», Москва, Энергия, 1977).
Известна максимально эффективная форма нагревателя (резистивного элемента), выполненная из круглой проволоки в виде зигзага, обоснована в работах Фельдмана И.А., например, «Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления», «Энергия», Москва-Ленинград, 1966.
Наиболее близким является нагревательный элемент, патент RU №2311742 от 02.01.2003 г., МПК H05B 3/14, выбранный в качестве прототипа, выполненный из железосодержащего материала с резистивным элементом, расположенным в электроизоляционном слое, покрытом композитным термоизолирующим и защитным слоями, где передача тепла от резистивного элемента на поверхность реализована через изоляционную композитную структуру, выполненную из нескольких керамических и органических веществ. Изоляционная композитная структура предназначена для сглаживания различия в резистивном элементе и материале нагревательного элемента коэффициента теплового расширения - КТР. Резистивный элемент покрыт электроизоляционным слоем от окисления. Нагревательный элемент выполняется последовательными этапами прессования в нескольких пресс-формах и окончательным обжигом. Недостатками данного нагревательного элемента являются:
- высокая электропроводность рабочей поверхности элемента, выполненного из железосодержащего материала (не менее 75%), что недопустимо по требованиям электробезопасности работ, выполняемых в промышленных печах сопротивления при процессах отпуска, закалки и нагрева металлических изделий разнообразной конфигурации;
- наличие поэтапной технологии изготовления нагревательного элемента в нескольких пресс-формах и прессового оборудования существенно усложняет и удорожает процесс изготовления.
Задачей настоящего изобретения является создание монолитного неэлектропроводного нагревательного блока, сочетающего высокую эффективность, надежность и простоту изготовления.
Монолитный тепловой нагревательный блок выполнен из неэлектропроводного теплопроводящего огнеупорного фосфатного бетона. В нем залит нагревательный элемент, выполненный из проволочного нагревателя в виде зигзага и ленточных токовыводов. Площадь и периметр сечения проволоки и площадь и периметр сечения токовыводов соотносятся не менее, чем 1:4. Оси симметрии нагревательного элемента совпадают с осями симметрии теплового нагревательного блока. Места соединения проволочного нагревателя с токовыводами в тепловом нагревательном блоке выполнены в виде конусообразных выемок.
На фиг.1 - конструкция теплового нагревательного блока.
На фиг.2 - нагревательный элемент.
Монолитный тепловой нагревательный блок (Фиг.1) выполнен в виде монолитной плиты 1. Линейные размеры блока устанавливаются линейными размерами нагревательного элемента 2, выполненного из проволочного нагревателя 3 (Фиг.2) в виде зигзага, как самого эффективного вида нагревателя, и ленточных токовыводов 4.
Нагревательный элемент 2 (Фиг.1), расположен внутри теплового блока 1, причем, оси симметрии нагревательного элемента 2 совпадают с осями симметрии теплового блока 1. Теплопередача от нагревательного элемента со всей его площади к материалу фосфатного бетона осуществляется контактной теплопроводностью, при этом плотность бетона обеспечивает практически отсутствие окисления металла нагревателя. В нагревательном элементе 2 (Фиг.2) сечение, длина проволоки и шаг зигзага проволочного нагревателя 3 устанавливаются требуемой расчетной величиной электрического сопротивления нагревательного элемента 2, т.е. требуемой мощности теплового блока. При этом площадь и периметр сечения проволоки и площадь и периметр сечения токовывода соотносятся не менее, чем 1:4. Длина токовывода определяется способом крепления с силовым кабелем и толщиной футеровки конкретной печи.
Указанные условия устраняют эксплуатационные недостатки печей сопротивления - перегорание нагревательного элемента в месте соединения нагревателя с токовыводами и появление высокой температуры на токовыводе, приводящей к перегоранию элементов крепления силового кабеля электропитания с токовыводами, а именно:
- кратное увеличение периметра сечения токовывода по отношению к периметру сечения проволоки нагревателя ведет к уменьшению плотности тока такой же кратности на поверхности токовывода с соответствующим уменьшением электрического сопротивления токовывода и уменьшением температуры на нем;
- кратное увеличение площади сечения токовывода по отношению к площади сечения проволоки нагревателя ведет к кратному уменьшению плотности теплового потока в токовыводе с соответствующим увеличением теплового сопротивления токовывода, рассеиванием тепловой энергии и
уменьшением температуры;
- достижению этой же цели служит минимально необходимая длина токовывода, обеспечивающая дополнительное увеличение теплового сопротивления и уменьшение температуры по оси токовывода от соединения нагревателя с токовыводом до места соединения токовывода с силовым кабелем электропитания.
На Фиг.1 изображено место соединения проволочного нагревателя 3 с токовыводом 4, выполненное в тепловом блоке в виде конусообразной выемки 5 для предотвращения переноса энергии с материала теплового блока на токовыводы контактной теплопроводностью.
Монолитный фосфатный бетон блока однороден, имеет одинаковую теплопроводность по всем трем ординатам, что обеспечивает, с учетом совпадения осей симметрии нагревательного элемента с осями симметрии теплового блока, равномерное распределение температуры по всему объему и по каждой плоскости блока, в том числе, выравнивание температуры на рабочей поверхности блока. Тепловые блоки свободно соединяются в панели любого размера для печи сопротивления требуемой мощности.
Относительная пористость до 20% кристаллического фосфатного бетона, с одной стороны, и высокая прочность до 70 МПа, с другой стороны, обеспечивают демпфирование теплового расширения металлического нагревательного элемента, который увеличивает свою пластичность с повышением температуры, без разрушения собственно теплового блока.
Прочность и твердость теплового нагревательного блока из фосфатного бетона позволяет применять его на подах печей сопротивления, что обеспечивает сокращение потребления электроэнергии до 35%.
Технический результат изобретения - получение монолитного неэлектропроводного нагревательного блока, сочетающего высокую эффективность, надежность и простоту изготовления.
Практическая реализация предполагаемого изобретения выполнена на печи сопротивления с выдвижным подом и рабочим объемом 1,2 куб. м., температурой эксплуатации +1150°C. Нагрев печи осуществляется 28 монолитными тепловыми нагревательными блоками размером 400×400×30 мм с электрическим сопротивлением 1,5 Ω каждый, собранными в 5 панелей, что позволяет организовать силовое 3-х фазное электропитание мощностью до 30 кВт.