Проволочный нагреватель для цилиндрической печи
WIRE HEATER FOR CYLINDRICAL FURNACE

Изобретение относится к области электротермии, в частности к конструкциям нагревателей для нагрева цилиндрических печей до температур 1200°С в условиях воздуха, вакуума или атмосферы защитных газов.
Известен нагреватель для цилиндрической печи в виде спирали, где рабочая часть нагревателя выполнена в виде проволочной спирали расположенной вокруг цилиндрического нагреваемого тела [И.А. Фельдман, М.Б. Гутман, Г.К. Рубин, Н.И. Шадрич. Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления. Изд. второе, переработанное и дополненное. Изд-во «Энергия». М., Л., 1966 104 с., рис. 5 стр. 19.].
Известен ленточный нагреватель для электропечей, где нагреватель выполнен ленточным, изогнутым в виде зигзага, а переходные участки выполнены в форме конических поверхностей (А.с. СССР №1239898, кл. Н05В 3/62, от 23.10.1984).
Известен нагреватель из проволочных зигзагообразных элементов [И.А. Фельдман, М.Б. Гутман, Г.К. Рубин, Н.И. Шадрич. Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления. Изд. второе, переработанное и дополненное. Изд-во «Энергия». М., Л., 1966 104 с., рис. 15 стр. 35.]. Конструкция проволочного нагревателя содержит рабочую часть и токоподводы, при этом рабочая часть выполнена из зигзагообразных элементов, соединенных последовательно и расположенных по окружности цилиндрической печи трубы.
Недостатком конструкции представленного проволочного нагревателя является низкая плотность выделяемой энергии на элемент площади печи и потери тепловой энергии в футеровки печи, что не позволяет нагреть пространство печи до высоких температур.
Из сравнения конструкций нагревателей известно, что проволочный нагреватель из зигзагообразных элементов для цилиндрических печей является более эффективным, чем проволочный спиральный [И.А. Фельдман, М.Б. Гутман, Г.К. Рубин, Н.И. Шадрич. Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления. Изд. второе, переработанное и дополненное. Изд-во «Энергия». М., Л., 1966 104 с., рис. 20 стр. 45-54.]
Известен нагревательный элемент, который содержит рабочую часть и токоподводы, при этом рабочая часть выполнена из последовательно соединенных коаксиально размещенных труб с длиной токоподводов рабочей части, ограниченной осевыми пазами в диаметральной плоскости и кольцевой перемычкой у торца внутренней и наружной трубы [патент РФ №2409796, МПК F27D 11/00, Н05В 3/42, опубл. 20.01.2011 г.].
Фактически нагревательный элемент состоит из 2-х половин, соединенных перемычкой и электрический ток последовательно обтекает одну половину, а затем вторую. Коаксиальное расположение разделенных труб уменьшает габариты нагревательного элемента при сравнимой мощности, позволяет снизить токовую нагрузку для достижения заданной температуры во внутренней полости нагревательного элемента за счет частичной экранизации внутренней трубы наружными трубами.
Недостатком рассматриваемой конструкции нагревательного элемента является неравномерность теплового потока, излучаемого обеими половинками нагревательного элемента, разделенными сквозной прорезью.
С помощью нагревательного элемента можно обеспечить равномерный тепловой поток только при равномерном омическим сопротивлении обеих половин нагревательного элемента, достичь которого технически затруднительно, так как для этого необходима абсолютная идентичность по геометрическим размерам: диаметру, толщине стенки, а также должно быть идентичное взаимное расположение всех составляющих нагревательного элемента. Кроме того, наличие сквозной прорези на большей части нагревательного элемента является причиной больших тепловых потерь не позволяющей достичь высоких температур нагрева рабочей зоны. Компенсация тепловых потерь за счет повышения плотности тока имеет свои пределы, а это приводит к снижению надежности нагревательного элемента.
Известен нагреватель для электропечи из коаксиально расположенных резистивных элементов соединенных с токоподводами [А.с. СССР №1053331, кл. Н05В 3/62, от 23.07.1982].
Нагреватель состоит из внутреннего цилиндра диаметром D1, наружного цилиндра диаметром D2 и токоподводов, выполненных из листового материала. В верхней части внутренний и наружный цилиндры соединены между собой и образуют последовательную электрическую цепь.
Недостатком нагревателя является то, что при выполнении внутреннего цилиндра из сплошного листового материала он затеняет наружный цилиндр, что снижает его эффективность.
Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату (прототип) к заявляемому изобретению является конструкция нагревательного элемента, имеющего форму змеевика с коаксиально расположенными спиралями, соединенными между собой последовательно с противоположными направлениями навивки [А.с. СССР №465521, кл. F22b 1/28, Н05В 3/49, от 11.12.1972]. Спирали змеевика укреплены с помощью нарезной опорной втулки из термостойкого прозрачного диэлектрического материала.
Недостатком такого решения является то, что для укрепления внешней и внутренней спиралей коаксиального проволочного нагревателя применяется нарезная опорная втулка из термостойкого прозрачного диэлектрического материала, которая затеняет тепловой поток, что повышает неравномерность теплового потока, кроме того в нагревателе применяются спиральные элементы, которые менее эффективны по сравнению с зигзагообразными [И.А. Фельдман, М.Б. Гутман, Г.К. Рубин, Н.И. Шадрич. Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления. Изд. Второе, переработанное и дополненное. Из-во «Энергия». М., Л., 1966 104 с., рис. 20 стр. 46-54.].
Неравномерность теплового потока нагревательных элементов является нежелательным фактором для установок исследовательского характера, например, для установок определения диэлектрических свойств материалов, где предъявляются высокие требования к равномерности температурного поля в рабочей зоне.
Задачей настоящего изобретения является создание зоны высокой равномерности теплового потока и снижение тепловых потерь для достижения высоких температур нагрева при оптимальной токовой нагрузке в нагревателе цилиндрической печи для обеспечения его высокой надежности.
Поставленная задача решается тем, что предложен:
1. Проволочный нагреватель для цилиндрической печи, содержащий коаксиально расположенные резистивные элементы и токоподводы, соединенные между собой последовательно, отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде спирали из единого куска проволоки в виде последовательно соединенных зигзагообразных элементов, имеющих оживальную форму, ориентированного длинной частью элемента вдоль продольной оси, с соотношением длин частей зигзагообразных элементов, как шесть к одному, причем спираль свободно свернута по окружности, а токоподводы, выполненные в виде цилиндров, диаметр которых в пять раз превышает диаметр проволоки нагревателя.
2. Проволочный нагреватель для цилиндрической печи по п. 1 отличающийся тем, что нагреватель выполнен в виде последовательно соединенных и продольно расположенных проволочных элементов: зигзагообразного элемента с дугой в нижней части, расположенного по внутренней окружности нагревателя, зигзагообразного элемента с дугой в верхней части, расположенного по радиусу цилиндра, зигзагообразного элемента с дугой в нижней части, расположенного по внешней окружности
нагревателя, зигзагообразного элемента с дугой в верхней части, расположенного по радиусу цилиндра, и так далее, причем продольно расположенные проволоки зигзагообразных элементов расположены со сдвигом по радиусу печи не затеняя друг друга.
Заявляемая конструкция проволочного нагревателя обеспечивает равномерное поле температуры в рабочей зоне цилиндрической печи и высокую надежность работы из-за применения двойного ряда проволочных зигзагообразных элементов, равномерно расположенных на внешней и внутренней окружностях.
Выбор зигзагообразных элементов в конструкции нагревателя связан с тем, что по сравнению с нагревателями из спиральных или ленточных элементов предлагаемая конструкция нагревателя из зигзагообразных элементов с обладает большей удельной мощностью и при других равных условиях достигает больших температур в зоне нагрева [И.А. Фельдман, М.Б. Гутман, Г.К. Рубин, Н.И. Шадрич. Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления. Изд. Второе, переработанное и дополненное. Из-во «Энергия». М., Л., 1966 104 с. стр. 49-50.].
Предлагаемое техническое решение проволочного нагревателя в отличие от прототипа включает коаксиально расположенные продольные проволочные элементы на внешней окружности выполняют роль обогреваемого экрана для проволочных продольных элементов расположенных на внутренней окружности, охватывающей рабочую зону.
В предлагаемых конструкциях при применении коаксиальной схемы построения нагревателей отсутствуют затеняющие элементы, что позволяет достигнуть равномерного распределения теплового потока по объему печи.
Отличительной особенностью, позволяющей получить положительный эффект, в предлагаемом техническом решении является сохранение преимущества коаксиального нагревателя, за счет использования продольно расположенных витков спирали, в виде вытянутого оживала, собираемой из последовательно соединенных зигзагообразных элементов.
Кроме того, предложенное в конструкции нагревателя расположение зигзагообразных элементов обеспечивает их свободное линейное расширение при нагреве. Применение последовательного соединения зигзагообразных элементов на внутренней и внешней окружностях позволяет снизить токовую нагрузку с элементов, расположенных на внутренней окружности, при увеличении интенсивности нагрева в центральной зоне печи, тем самым при более низкой токовой нагрузке достичь более высокую температуру и более высокую надежность работы нагревателя.
При работе проволочного нагревателя элементы, расположенные на внутренней окружности, нагреваются до более высокой температуры, чем на внешней, соответственно, больше удлиняются, поэтому для конструкции проволочного нагревателя по второму пункту, у которой менее жесткая связь между элементами лучше компенсирует разность удлинений зигзагообразных элементов, расположенных на внутренней и внешней окружностях нагревателя.
Для нагревателя, выполненного по предлагаемым техническим решениям, используется расстояние между витками зигзага близкое к екомендуемому , где е - расстояние между проволоками, d - диаметр проволоки для снижения температуры нагревателя [И.А. Фельдман, М.Б. Гутман, Г.К. Рубин, Н.И. Шадрич. Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления. Изд. Второе, переработанное и дополненное. Из-во «Энергия». М., Л., 1966 104 с, стр.47.].
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид сверху проволочного нагревателя по первому пункту. Конструкция проволочного нагревателя по первому пункту выполнена из токоподводов 1 последовательно соединенных с зигзагообразными элементами 2 в виде двойной спирали с вытянутыми витками, ориентированными по радиусу печи.
На фиг. 2 представлен общий вид проволочного нагревателя по второму пункту. Конструкция проволочного нагревателя по второму пункту выполнена в виде токоподводов 1 последовательно соединенных с зигзагообразными элементами:
2 - зигзагообразный элемент с дугой в нижней части, расположенный по окружности внутренней части нагревателя,
3 -зигзагообразный элемент с дугой в верхней части, расположенный по радиусу цилиндра печи,
4 - зигзагообразный элемент с дугой в нижней части, расположенный по окружности внешней части нагревателя,
5 -зигзагообразный элемент с дугой в верхней части, расположенный по радиусу цилиндра печи.
Нагревательный элемент работает следующим образом. Электрический ток подается на токоподводы 1, соединенные последовательно с зигзагообразными элементами.
Наиболее эффективно нагреватель используется, когда продольные зигзагообразные элементы расположены вертикально, а токоподводы расположены ниже тела нагревателя, так как при этом силовая нагрузка при нагреве располагается по нагревателю более равномерно, а токоподводы при длительной эксплуатации имеют более низкую рабочую температуру.
Проведенные авторами теплофизические расчеты показали, что только применение в предложенной конструкции проволочного нагревателя коаксиального расположения зигзагообразных элементов позволило достичь необходимой температуры 1200°С в рабочей зоне цилиндрической печи при приемлемой плотности тока в проволоке диаметром 5 мм из высокотемпературной стали Х23Ю5Т ГОСТ 12766.1-90 (фехраль).
Проведенные авторами расчеты показали, что предложенная конструкция нагревателя, в которой расположение продольных элементов относительно центра цилиндрической печи не затеняет друг друга, существенно повышает эффективность работы нагревателя.
Нагреватели, выполненные из единого куска проволоки обладают высокой надежностью.
Технология изготовления предусматривает последовательную навивку каждого элемента нагревателя из разогретого куска проволоки на шаблон. Сварка производится только в местах соединения проволоки нагревателя с токоподводами для дополнительного крепления.
2
3
В реализованной конструкции нагревателя для исключения короткого замыкания проволоки из-за температурной деформации в верхней части нагревателя проволоки зигзагообразные элементы перевязаны друг с другом изоляторами из корундовой керамики (АlО).
Применение мощных управляемых источников постоянного тока с низким выходным напряжением позволяет применить в нагревателе проволоку со значительной величиной диаметра, что позволило предложить не закрепленную конструкцию проволочного нагревателя и повысить надежность его работы за счет отсутствия контакта нагревателя с элементами крепления и фиксации от провисания.
Применение заявляемой конструкции проволочного нагревателя в установке для измерения диэлектрической проницаемости в волноводном цилиндрическом резонаторе из кварцевого стекла с платиновым покрытием позволило значительно повысить надежность нагревательного элемента, реализовать высокую изотермичность в зоне расположения испытуемого образца при температурах измерений до 1200°С.