Конструкции нагревательных элементов электрических печей

Для большей части электропечей нагреватели изготавливают из ленты или из проволоки высокого сопротивления. На рис. 1 представлен нагреватель состоящий из нихромовой проволоки, его закрепление на своде, на стенках и в поду печи, а также контактные выводы. По стандарту нагревательные элементы для печи состоят из проволоки, диаметр которой может составлять 3-7 мм. Но, для печей рассчитанных на рабочую температуру 1000°С и более диаметр проволоки должен составлять больше 5 мм.

Проволочные нагреватели 

Конструкции нагревательных элементов электрических печей

Рис. 1. Проволочные нагреватели: а — проволочный зигзагообразный нагреватель на металлических крючках на боковой стенке: б — проволочный зигзагообразный нагреватель в поду, в — то же в своде, г — то же на керамических полочках, д — проволочная спираль на выступающих кирпичах боковой стены с привязкой к крючкам, е — проволочная спираль в сводовых камнях и в лазах пода, ж — проволочная спираль на керамических полочках, з — проволочная спираль на керамической трубке, и — вывод проволочного нагревателя, к — условное обозначение размеров проволочного нагревателя.


Соотношения между шагом h спирали и ее диаметром D и диаметром проволоки d (рис. 1,к) необходимо подобрать так, чтобы нагреватель можно было удобно и легко установить в печь. Жесткость элемента нагрева должна быть достаточной, но не затруднять отвод тепла к обрабатываемым изделиям.

Стоит понимать, что чем большим диаметром обладает спираль, чем гуще расположен шаг намотки, тем проще будет установить нагреватели в печной установке. Также важно то, что с увеличением диаметра спирали снижается ее прочность и возрастает риск налаживания друг на друга витков.

Использование таких нагревательных элементов на практике показало, что существует определенное соотношение диметра проволоки, шага намотки и диаметра спирали для проволоки 3-7 мм. Данное соотношение выведено для нихрома в следующую формулу h>2d и D = (6÷8)d, а для материалов обладающих меньшей прочностью характерна формула D = (4÷ 6)d.

Для тоненьких проволок характерен подбор большего соотношения шага и диаметров спирали и проволоки. Эти соотношения подбираются к спиральным нагревателям, которые улаживают на полки, в пазы футеровки и сводные камни.

В современных печах все чаще стараются использовать спиральные нагревательные элементы с керамическими трубками. Они зарекомендовали себя как самый лучший вариант излучателей, обладающих большей эффективностью, чем спиральные элементы, размещенные в пазах или на полках.

В таких нагревателях каждый виточек может опираться на внутреннюю поверхность трубки и в случае незначительно провисания спирали на ее рабочую способность это не повлияет. Такие излучатели менее нагружены сравнительно с аналогами. У них исключен риск наложения друг на друга витков. Поэтому соотношение диаметра спирали к проволоке можно довести до 10 в случае нихрома, для других сплавов — до 8.

Особенности конструкции спирального элемента нагрева в керамической трубке 



Конструкции нагревательных элементов электрических печей

Рис. 2. Конструкции проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках: а — сводовые нагреватели, б — трубки на боковых стенках, крепление на жароупорных подвесках, в — то же в пазах керамических столбиков, г — трубки в поду.


Данная конструкция отлично подходит для установки трубок в поду. В таких условиях материал при нагреве может свободно расширятся. Помимо этого на рис.2 представлены конструкции электронагревателей с керамическими трубками для монтажа не только в печные стенки, но и в своды и поды. Для последнего места установки нагревательные элементы могут изготавливаться как съемные рамки. Их легко вставлять и заменять в случае перегорания.

Из вышесказанного можно сделать точный вывод, что нагреватели в керамических трубках являются универсальными устройствами, и со стороны примененных материалов, и со стороны установки в печь.

Соотношение внутреннего диаметра спирали к наружному диаметру керамической трубки может равняться примерно 1,1—1,2, расстояния между осями трубок 1,5—2 диаметра спирали.


Конструкции нагревательных элементов электрических печей


Применение спиральных элементов нагрева для печей с принудительной вентиляцией не очень желательно, т. к. коэффициент тепловой отдачи снижается в данном случае. Использование спиралей уложенных на полочки или в пазы футеровки также недопустимо. Исключением являются лишь случаи, когда поток газа направлен вдоль по оси спирали.

В данных печных установках желательно использовать свободно обдуваемые спирали, которые зажимаются между изоляционным материалом на определенном расстоянии. При использовании в печах с принудительной вентиляцией воздуха спиралей в керамических трубках следует увеличить отношение диаметра спирали к диаметру керамической трубки до 1,5.

Конструкции нагревательных элементов электрических печей

Рис. 3. Конструкции (а) нагревателей из проволоки и (б) ленточного типа 


Нагреватели ленточного типа имеют зигзагообразный вид и могут изготавливаться в разных размерах. Крепление выполняется за счет крючков из металла или керамики.

Чтобы исключить замыкание зигзагов при короблении, между ними размещают специальные разделительные элементы из шамота или алундовых керамических втулок. Разделители надевают на штыри из нихрома или другого жароупорного материала и вмазывают в кладку. Втулки монтируются на штыри за счет нихромовых шплинтов. В случае керамических крючков разделители используют также из керамики.(рис. 4,а).

Выше представлена конструкция крючков из керамики и разделители. Данная конструкция позволяет провести быструю и легкую замену крючков в случае поломки.

Зигзагообразные нагреватели ленточного типа можно устанавливать на боковые стенки печки крепя их на полочках из керамики. Но, использовать такой тип нагревателей еще менее целесообразно, чем спиральные элементы нагрева по причине их удельной мощности и уровня экранирования. Практика показала, что полочки, изготовленные из керамики, не очень хорошо себя зарекомендовали в применении. При их поломке приходится полностью заменять кладку. (рис. 4,г).

Конструкции нагревательных элементов электрических печей


Рис. 4. Конструкция нагревателей ленточного типа : а — ленточные зигзагообразные нагреватели на боковой стенке на металлических крючках, б — ленточный зигзагообразный нагреватель в поду. в — то же в своде, г — то же на керамических полочках, д — выемной высокотемпературный рамочный элемент, е — низкотемпературный рамочный элемент, ж — нагреватель «плоская волна» на керамических трубках, з — ленточный зигзагообразный нагреватель на выемных крючках, и — условное обозначение размеров ленточного зигзагообразного нагревателя.


В сводах или в подах нагревательные ленты можно укладывать в специальные пазовые кладки. Данный тип нагревателей может еще изготавливаться в виде рамок, которые легко вынимаются. В случае арочного свода нагревательные ленты можно подвешивать на специальные металлические крюки.

В печных установках с принудительным циркулированием воздуха ленточные нагревательные устройства должны устанавливаться таким образом, чтобы их поверхность была доступной для обдувши газовым потоком. Данный тип конструкции можно рассмотреть на рис. 3,б.

Длина нагревательного элемента ленточного типа зависит от его густоты. Чем гуще зигзагообразный элемент, тем длиннее он может быть. Но, в этом случае возрастет взаимоэкранирование витков, что негативно скажется на использовании поверхности ленты. По этой причине были установлены стандартные размеры таких нагревателей, которые способны обеспечить их достаточный уровень прочности и низкую степень взаимоэкранирования.

Удовлетворить данное требование можно соблюдая следующее соотношение: b/а=5 ÷ 20, самым оптимальным будет отношение ширины и длины ленты равным 10-ти. Зигзаг должен выполняться шагом h > 1,8b, лента может иметь закругление радиусом r > За, это позволит избежать ее перелома во время изгиба.

Для печей рассчитаных на работу при температуре не больше тысячи градусов Цельсия используются ленты не меньше 1X10 мм, для работы в более горячих печах используются нагреватели размером не меньше 2X20 мм.

При температурной выработке меньше 1000°С высоту зигзага В на стенках можно менять в пределах от 150 до 400— 600 мм. Но, на каждых 200 мм необходимо установить свой ряд разделительных элементов. На участках сводов и подов высоту зигзага следует ограничить 250 мм., т.к. возможно провисание нагревательного элемента. Перечень вышеизложенных рекомендаций актуален и для фехралевых типов устройств.

Для нагревателей работающих при температурах выше 1000 °С, но до 1100°С указанные предельные размеры могут сохраняться для сплава Х20Н80 и Х20Н80Т, для железо-хромо-алюминиевых сплавов размер В с вертикальным положением зигзага следует ограничивать до 250 мм. и при горизонтальном положении 150 мм.

Для устройств рассчитанных на работу свыше 1100 ° C единственно приемлемой конструкцией ленточных обогревателей является плоская волна на керамических трубках (рис. 2, ж). В этом случае длину зигзага B можно принять равной 75-100 мм. Для утеплителей на боковых стенках можно использовать конструкцию с керамическими крючками, ограничив высоту зигзага до 150 мм.

Широко распространенными считаются проволочные зигзагообразные нагреватели, для которых шаг зигзага h равняется (5 ÷ 9) d.

При использовании железо-хром-алюминиевых сплавов в печах с рабочей температурой свыше 1000 °С, все части огнеупорной кладки, которые могут вступать в контакт с нагревателями должны изготавливаться из высокоглиноземистых материалов с минимальным содержанием оксидов железа.

Зигзаги ленточного нагревателя создаются вручную за счет простых рычажных устройств. Спирали создают с помощью токарного станка и растягивают для получения необходимого расстояния между витками.

Конструкции нагревательных элементов электрических печей

Рис. 5.Герметичный вывод нагревательных устройств 


После того, как спираль изымают с оправки, она немного может раскрутиться. Диаметр при этом может увеличиться до 3 мм. По этой причине диаметр оправки должен быть немного ниже расчётного. Подбор правильных параметров зависит от степени упругости материала. Определить максимально точные показатели реально только путем проб и ошибок.

Контактные выводы для нагревательных устройств рассчитанных на работу до 1000 °С изготавливают из жаростойкого металла. Для этого берется катанка, стержень с поперечным сечением, в 3-4 раза превышающим поперечное сечение нагревательного устройства, чтобы уменьшить тепловыделение в выводах. Кусочек вывода, который располагается в зоне низкой температуры, в целях экономии дорогостоящих материалов может быть изготовлен из обычной углеродистой стали. Типичные конструкции выводов для нагревателей проволочного типа и устройств в виде ленточных зигзагов показаны на рис. 5.

Ленточные нагреватели обладают высоким взаимоэкранированием. Намного выгодней было б использовать ленты так, чтобы к изделию была повернуть широкая их сторона. Но для этого требуется очень много сварки, так как каждый поворот ленты имеет по два сварочных шва и конструкция нагревателя получается дорогой и склонной к короблению.

По этой причине данные нагревательные устройства используют лишь для малогабаритных печек. Они считаются более экономными сравнительно с нагревательными лентами и проволочными устройствами нагрева, и на их поверхности получается сравнительно большая удельная мощность.

Конструктивные решения нагревателей для печей

Для электропечей продуманы различные варианты нагревателей отличающихся по конструкции. Каждое конструктивное решение направлено на конкретную задачу.

Литые нагреватели

К варианту плоских ТЭНов приближены литые элементы нагрева, которые отливают из нихромового сплава и подвешивают на крючки. Литым нагревателям характерно крупное сечение. Поэтому используют их для крупных печей или при пониженном напряжении. Они высоконадежны и обладают длительным сроком службы.

В печах муфельного и трубчатого типа нагреватели из ленты и проволоки наматывают на муфель или трубку из керамики. На керамике предварительно проделывают пазы, в которые монтируют нагреватели, чтобы в дальнейшем нагревательные элементы не провисали от высокой температуры. По другому можно закрепить витки заключив их в обмазку керамики.

Стержневые ТЭНы

Для печей работающих в температурном режиме 400— 500 °С было разработано большее количество нагревательных элементов. Кроме проволочных элементов открытого типа и лент можно использовать сменные нагреватели. Такие устройства могут иметь различную мощность и легко поддаются демонтажу и переустановке.

Стержневые нагреватели — это фарфоровые изоляторы, нанизанные на стержень из жаростойкого материала или стали. Данная конструкция располагается в металлической трубке, которая имеет один герметичный закрытый конец, а из другого — протянуты выводы. По изоляторам протянута спираль из нихрома, которая с одной стороны приварена к выводу, а с другой прикреплена к центральному стержню.

В некоторых случаях пустоту между трубкой и нагревательным элементом наполняют кварцем. В стандартной сборке такой нагреватель выдает температуру до 500°С, а если в его конструкции применена жароупорная трубка, то такое устройство способно качественно функционировать при 1000°С. Это отличный вариант для больших печных установок, где есть риск механических повреждений.

Трубчатые элементы нагрева

В их конструкцию входит стальная трубка, внутри которой располагается спираль из нихрома, зафиксированная сваркой на концах трубки. Пустота между внутренними стенками трубки и резистивной проволокой заполняется периклазом. Это отличный изолятор и теплопроводник. Производят эти нагревательные элементы по следующей схеме.

В подготовленную очищенную стальную трубку устанавливают строго по оси нихромовую спираль, намотанную на стальной стержень, трубку вертикально закрепляют на вибрационной машине и заполняют порошком периклаза, прошедшим через магнитный сепаратор. Затем пруток вынимается из трубы и пропускается через кузнечный станок, который ударяет его молотками по окружности, за счет чего его диаметр уменьшается, и периклаз очень сильно уплотняется.

По краям трубки закрепляются герметичные выводные изоляторы, после чего благодаря периклазовому уплотнению ее можно как угодно согнуть и придать удобную форму. В таком виде трубчатые элементы можно использовать для нагрева воздуха (электронагреватели), масла, нитратов и даже для плавления легкоплавких металлов, таких как олово, свинец, баббит. В последнем случае во избежание быстрой коррозии стенки трубы металлом ее предварительно заполняют чугуном, который образует массивную пластину, внутри которой находится трубчатый нагревательный элемент.

Применение трубчатых нагревателей для ванн из селитры весьма желательно, так как по сравнению с устройствами с внешним обогревом дает снижение энергозатрат, повышение безопасности ванн и огромную экономию нихрома. Однако для их удовлетворительной работы в нитрате, особенно при температурах 500 ° С и выше, необходимо изготавливать двойную оболочку трубки, надев на подготовленный нагреватель вторую трубку, никелевую, жаропрочную.

При использовании в электрических воздухонагревателях они имеют оребрение для увеличения передачи тепла воздуху. ТЭНы широко используются для изготовления бытовых отопительных приборов и в промышленном оборудовании.

Данные об электронагревателях, производимых нашей компанией, доступны в каталогах.

«ТЭН24» является одним из самых мощных производителей, специализирующихся на производстве, исследованиях и разработках промышленных нагревателей и оборудования, для их обслуживания включая шкафы автоматики. Благодаря высокому качеству и конкурентоспособной цене наша продукция пользуется большой популярностью в стране и за рубежом.




Возврат к списку


.

Задать вопрос

Логотип ТЭН 24
Для того, чтобы купить нагреватели или задать вопрос специалисту заполните форму или просто позвоните по телефонам