ОТКРЫТОЕ ЗАГРУЗОЧНОЕ ОКНО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЕЧИ ИЛИ КАМЕРЫ С АКТИВНОЙ ТЕПЛОВОЙ ВОЗДУШНОЙ ЗАВЕСОЙ

Полезная модель относится к области устройств, предназначенных для стабильного поддержания высоких температур до 800°C в различных термических печах и высокотемпературных камерах с открытым загрузочным окном.
Наиболее близкими устройствами к заявленной полезной модели являются различные устройства уплотнения высокотемпературных печей и камер с открытыми загрузочными окнами, выкатными подинами или иными подвижными частями. Существует множество предложенных устройств теплоуплотнений, таких как гидравлические затворы, когда металлический шибер опускается в ванну, заполненную водой, множество тепловых затворов с гибкими тепловыми уплотнителями из огнеупорных материалов, например листовых асбестов, базальтовых матов, или с подвижными тепловыми затворами на роликовых упорах, перемещающихся на клиновых опорных планках. Недостатком этих технологий является то, что все эти способы частично закрывают загрузочное окно печи или высокотемпературной камеры, а при необходимости частого открывания загрузочного окна эффективность этих устройств либо значительно снижается, либо они оказываются бесполезными, поскольку уплотнительное тело, например листовой асбест, разрушается.
Известны иные устройства уплотнения с помощью газовой завесы, вытекающей из щелевых сопел, установленных под углом к плоскости проема, устройства уплотнения рабочих окон с помощью газовой завесы, включающий подачу и отбор газа, способ подачи в уплотняющий поток газа мелкодисперсных твердых или жидких частиц, устройство пламенной завесы открытого типа или в паре с металлическим шибером проходной термической печи и многие другие устройства. Перечисленные устройства уплотнения с помощью газовой завесы так же обладают рядом существенных недостатков. Например, применение воды совместно с потоком газа, как уплотняющей среды, при высоких температурах до 750-800°C и выше опасно с точки зрения безопасности и охраны труда. Также эффективность открытых газовых уплотнительных завес на основе двухатомных газов не высока в связи с их отражательной способностью, близкой к 1, поэтому потери тепла в печи сопоставимы с энергозатратами на нагрев печного пространства.
В качестве патента прототипа выбрано авторское свидетельство №800562 от 30.01.1981.
Физический принцип работы устройства в патенте прототипе и в предложенном устройстве заключается в том, чтобы тепловой воздушной или пламенной завесой предотвратить поступление внешних холодных масс воздуха внутрь рабочего пространства высокотемпературных печей и камер. В патенте прототипе и в предлагаемом устройстве имеет место быть открытое загрузочное окно, которое, в процессе работы, всегда остается открытым.
В патенте прототипе устройство проходной термической печи работает следующим образом.
Открытое рабочее окно (в патенте прототипе называется выходным тамбуром) проходной термической печи содержит газовый коллектор, расположенный перпендикулярно оси печи. Коллектор расположен над подом, укреплен на рычагах с возможностью вертикального перемещения и снабжен экраном, установленным под углом к поду. Пламенная завеса обеспечивает перекрытие всего сечения выходного тамбура вследствие вертикального движения горящих струй. Недостатком описанного устройства является то, что пламенная завеса не поддерживает избыточное давление в печи, так как проем открытого окна (тамбура) все время остается открытым. Все перечисленные особенности технологических решений в патенте прототипе не позволяют стабилизировать рабочую атмосферу внутри высокотемпературной печи или камеры с открытым загрузочным окном с максимальным абсолютным отклонением рабочей температуры ±5°C.
Технической задачей заявленного технического решения является разработка устройства открытого загрузочного окна, работающего по принципу активной высокотемпературной воздушной завесы, предотвращающего проникновение наружного холодного воздуха в рабочее пространство высокотемпературной печи или высокотемпературной камеры через открытое загрузочное окно.
Техническим результатом заявленного технического решения является стабильное поддержание высокой температуры до 800°C в рабочем пространстве печи или в высокотемпературной камере с открытым загрузочным окном при максимальном абсолютном отклонении рабочей температуры ±5°C.
Технический результат достигается тем, что, в предлагаемом устройстве применяется клиновидная форма футеровки и нагревательный элемент в виде плоской спирали полуэллиптического сечения, что исключает нагнетание в рабочее пространство высокотемпературной печи или камеры дополнительных воздушных масс и тем самым стабилизирует высокотемпературную атмосферу в рабочем пространстве печи или в высокотемпературной камере с открытым загрузочным окном.
2
вых
вх
ср
Устройство состоит из клиновидной футеровки и нагревательного элемента. Нагревательный элемент, помещаемый в нижней части футеровки открытого загрузочного окна, представляет из себя плоскую спираль, вырезанную из листового проката в виде полосы значительного поперечного сечения полуэллиптической формы. Сечение спирали составляет 6-215 мм. Сила тока 30-1000 А при номинальном напряжении 5 В. Нагревательный элемент в виде плоской спирали полуэллиптического сечения, вырезанный из листового высокоомного металлического материала, обладает более чем в 1,5 раза большей излучательной поверхностью по сравнению с классическим спиральным нагревательным элементом квадратного, прямоугольного или круглого сечения. Клиновидная футеровка формируется из огнеупорного высокопористого керамического материала с низкой теплопроводностью λ=0,05 Вт/(м*К) таким образом, что отношение высоты выходного сечения Н к входному сечению Н открытого загрузочного окна составляет 1,1-1,2. Отношение средней приведенной высоты сечения загрузочного окна Н к ее глубине М составляет не менее 1-2.
Описание устройства открытого загрузочного окна высокотемпературной печи или камеры с активной тепловой воздушной завесой.
Полезная модель относится к области устройств, предназначенных для стабильного поддержания высоких температур до 800°C в различных термических печах и высокотемпературных камерах с открытым загрузочным окном. Предлагаемым устройством обеспечивается максимальное абсолютное отклонение рабочей температуры ±5°C.
Эскиз устройства представлен на Фигуре 1. (Приложение 1).
Предлагаемое устройство работает по принципу высокотемпературной воздушно-тепловой завесы и предотвращает проникновение наружного холодного воздуха в рабочее пространство печи или камеры при открытом загрузочном окне в результате обеспечивается стабильное поддержание высокой температуры в рабочем пространстве печи или в высокотемпературной камере с постоянно открытым загрузочным окном. Высокотемпературная воздушно-тепловая завеса 1 генерируется нагревательным элементом 2 и удерживается в объеме открытого загрузочного окна 3 футеровкой в виде клина 5. Клиновая форма футеровки необходима для предотвращения проникновения наружного холодного воздуха в рабочее пространство печи или камеры при открытом загрузочном окне.
2
вых
вх
ср
Устройство состоит из клиновидной футеровки 5 и нагревательного элемента 2. Нагревательный элемент, помещаемый в нижней части футеровки открытого загрузочного окна 3, представляет из себя плоскую спираль, вырезанную из листового проката в виде полосы значительного поперечного сечения полуэллиптической формы 4. Сечение спирали составляет 6-215 мм. Сила тока 30-1000 А при номинальном напряжении 5 В. Нагревательный элемент в виде плоской спирали полуэллиптического сечения, вырезанный из листового высокоомного металлического материала, обладает более чем в 2 раза большей излучаемой поверхностью по сравнению с классическим спиральным нагревательным элементом квадратного, прямоугольного или круглого сечения. Клиновидная футеровка 5 формируется из огнеупорного высокопористого керамического материала с низкой теплопроводностью λ=0,05 Вт/(м*К) таким образом, что отношение высоты выходного сечения Н к входному сечению Н открытого загрузочного окна составляет 1,1-1,2. Отношение средней приведенной высоты сечения загрузочного окна Н к ее глубине М составляет не менее 1-2.
2
Длина нагревательного элемента может быть разной. Это зависит от геометрических размеров и периметра открытого загрузочного окна. Удельная плотность тока в спирали не более 5 А/мм, в противном случае нагревательный элемент будет интенсивно окисляться и выйдет из строя. В качестве материала нагревательного элемента могут использоваться различные высокоомные марки нержавеющей стали, нихромов или фехралей. В исключительных случаях, если максимальная температура рабочего пространства составляет не более 500°C, возможно применение обычных конструкционных сталей.
Устройство обеспечивает стабильное поддержание высокой температуры в рабочем пространстве печи или в высокотемпературной камере с постоянно открытым загрузочным окном с максимальным абсолютным отклонением рабочей температуры ±5°C.
Вольт-амперные и мощностные характеристики предлагаемого устройства, в зависимости от рабочего объема загрузочного окна, максимальной рабочей температуры и рабочего объема высокотемпературной печи или камеры представлены в виде таблицы (Приложение 2).
Приложение 2.
Вольт-амперные и мощностные характеристики предлагаемого устройства, в зависимости от объема загрузочного окна и максимальной рабочей температуры в высокотемпературной печи или камеры представлены в виде таблицы.
где U - напряжение в силовой цепи питания нагревательного элемента, в;
J - сила тока в силовой цепи питания нагревательного элемента, А;
нэ
J - сила тока в нагревательном элементе, А;
N - электрическая мощность, выделяемая в нагревательном элементе, кВт;
3
V - рабочий объем открытого загрузочного окна, м;
раб
3
V - рабочий объем высокотемпературной печи или камеры, м;
раб
Т - рабочая температура в рабочем объеме высокотемпературной печи или камеры, °C;
L, Н, М - длина, глубина и высота рабочего пространства открытого загрузочного окна, м.
Известны патенты SU 1033831 А, 07.08.1983 и авторское свидетельство №800562 от 30.01.1981, SU 792054, 19.07.1978, SU 879223 А1, 03.10.1978, SU 1408176 А1, 07.07.1988, SU 1068669 А, 23.01.1984, SU 1084549 А, 07.04.1984.