Резистивный однофазный нагреватель для электропечи

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(Я) Н 05 В 3 62

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA

J ",,,, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В OSTOPCtlOMO СВИВВТВТ СТВУ (21) 3463001/24-07 (22 ) 23. 07. 82 (46) 07.11.83. Бюл. 9 41 (72) А.И. Пипко (53) 621.3.036.662.9(088 8) (56 ) 1. Лейканд М. С. Вакуумные электрические печи. "Энергия", 1968, с. 137.

2. Там же, с. 146-147. (54)(57) 1. РЕЗИСТИВНЫЙ ОДНОФАЗНЬ1Й

НАГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПЕЧИ, выполненный в виде коаксиально установленных внутреннего сплошного цилинд ра и наружного с рядами отверстий по его концам, соединенных один с другим электрически последовательно

173Л на одном из их концов и снабженных на другом токоподводами, о т л ич а ю шийся 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 превыаающими трети разности диаметров цилиндров, а их шаг в ряду составляет 2-3 диаметра отверстий.

2. Нагреватель по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что при количестве рядов отверстий более одного расстояния между рядами составляет

3-4 диаметра отверстий.

1053331

Изобретение относится к термическому оборудованию и может быть использовано в резистивйых электрических печах.

Известны резистивные нагреватели электрических печей, выполненные из листовых тугоплавких металлов или графита, представляющие собой два коаксиальных цилиндра (1) .

Указанные нагреватели весьма эффективны, однако имеют значительную 10 неравномерность поля температур вдоль оси нагревателя, что приводит к весьма низкому коэффициенту использования объема рабочего пространства печи, который не превышает ЗОВ.

Лучшую равномерность температурного 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 по концам внешнего цилиндра нагревателя, которые способствуют выравниванию температуры в осевом направлении (2Q .

В этом нагревателе прорези во внутреннем цилиндре нарушают равно- 30 мерность поля температур в радиаль,ном и азимутальном направлениях. Отверстия по концам наружного цилиндра нагревателя способствуют выравниванию поля температур s осевом на- 35 правлении только в центральной части нагревателя, так как эти отверстия имеют значительную осевую протяженность и угловые размеры, что приводит к нарушению равномерности поля 40 температур в местах их расположения.

В связи с этим и в последнем чагревателе объем рабочего пространства нагревателя используется также далеко не полностью.и также близок к 30-35%.

Сохранение равномерности поля температур в радиальном и взимутальном направлениях также выдвигает определенные требования.к размерам отверстий и расстояниям между ними с тем, чтобы удельная плотность по.тока энергии, падающей на внутренний

Целью изобретения является новышение коэффициента использования объема нагревателя путем повышения равномерности температурного поля в осевом, радиальном и азимутальном направлениях.

Поставленная цель достигается тем, что в реэистивном однофазном нагревателе выполненном i виде 55 коаксиально установленных внутреннего сплошного цилиндра и наружного с рядами отверстий по его концам, соединенных один с другим электрически последовательно на одном иэ их концов и снабженных на другом бО токоподводами, диаметры отверстий наружного цилиндра выполнены не превышающими трети разности диаметров цилиндров, а их шаг в ряду составляет 2-3 диаметра отверстий. 65

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 по-у 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 отверстий а с другой стороны — два-три ряда отверстий соответственно.

Размеры отверстий и расстояния между ними должны быть выбраны та-, ким образом, чтоды создаваемая ими неравномерность поля температур в наружном цилиндре нагревателя практически не сказывалась на равномерности поля температур в рабочем пространстве.

На фиг. 1 изображен предложенный однофазный нагреватель электрической печи сопротивления, разрез; на фиг. 2 - разрез A-A на фиг. 1.

Нагреватель состоит из внутреннего цилиндра 1 диаметром У наружного цилиндра 2. диаметром Dq и токоподводов 3 и 4, выполненных из листового материала. В верхней части внутренний и наружный цилийдры соединены между собой и образуют последовательную электрическую цепь.

Нагреватель выполнен, например, с одним рядок отверстий 5 в верхней части и двумя рядами отверстий 6 со стороны токоподводов. Отверстия име-, ют диаметр I, расстояние по радиусу между внутренним и наружным цилиндрами нагревателя обозначено 0, шаг отверстий в ряду равен т, а расстояние между рядами отверстий Ь

Угол 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..

1053331

Таким образом на основании экспериментов выявлено, что удовлетворительные результаты по равномерности температур в рабочем пространстве цилиндр нагревателя со стороны наруж» ного цилиндра была по воэможности. одинаковой вдоль рядов отверстий.

При этом поле температур во внутреннем цилиндре нагревателя окажется практически равномерным в азимутальном 5 направлении, так как внутренний цилиндр нагревателя за счет собственной теплопроводности дополнительно сглаживает температурное поле.

При определении конкретных величин 1О отверстий и расстояний между ними руководствовались экспериментальными данными, изложенными в таблице.

Целью которых являлось нахождение оптимальных размеров отверстий во внешнем цилиндре нагревателя, корректирующих температурное поле в рабо.чем пространстве, которое мы ограничиваем размерами садки.

Для получения общИх соотношений, независимых от конкретных размеров нагревателей нами принято исчисление диаметра отверстий в долях разности диаметров внешнего и внутреннего цилиндров.

Для шага отверстий в ряду принято: 1 — шаг отверстий в ряду И число диаметров отверстий, укладывающихся в одйом шаге, Для расстояния между рядами отверстий принято : Ь . — расстояние меж- 30 ду рядами отверстий во внешнем цилиндре, К вЂ” число. диаметров отверс- тий, укладывающихся в одном расстоя-i нии между рядами.

В качестве критерия, позволяюще- З5 го считать равномерность температур-. ного поля удовлетворительной принимаем разность температур, равную

24 С (разброс - 12 C или -1%), . что позволяет проводить в автоматическом режиме работы пайки узлов твердимы дозированными припоями.

Эксперименты проводились на нагревателях вакуумной и водородной электрических однофаэных печей сопротивления полунепрерывного действия со 4> следукщими размерами коаксиальных цилиндров: внутренний 250 < 600 мм, наружный 285 565 мм.

Кроме того, исследовался также коаксиальный однофазный нагреватель : д высокотемпературной водородной печи со следующими размерами цилиндров: внутренний 120 < 500 мм, наружный

150 470 мм.

Результаты экспериментов представ-у лены в таблице.

Замеры температуры при экспери ментах проводились каждый раз одно,временно в трех точках - в нижней, верхней и средней точках садки, которая, в свою очередь, была заполнена деталями, расположенными на горизонтальных полочках.

Размеры садки были равны, соответственно, для первого случая диаметр 200 мм, высота 400 мм, и для 45 второго случая диаметр 90 мм, высота 300 мм.

Наибольшая температура в первом елучае составляла 1300 С, 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 мм в вакууме порядка

5 10 мм рт.ст.

Как видно иэ 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 ат" мосферой. 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

=ак как при большом 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 диа-! 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 s пределах -20 С или 1%) обеспечивалась при диаметрах отверстий от 4-х до

100 мм при шаге от 8 до 30 мм.

1053331

Диаметр отверстий в долях разности диаметров нагревателей а=(0 -0„ )N

Диаметр от верстий, мм

Доля разности диаметров нагревателей

Шаг отверс тий, мм

Число рядов отверстий в наружном нагревателе

Примечание (характеристика нагревателя) Ввер- Внизу ху

1/8,75 8

1 3

+1,1

Удовлетво рительная

«+О, 85

«+О, 7 (285-250 ) < 1/8, 75

1 3

+1, 25

+0,7

Удовлетворительная

+0,55

+3,3

Неудовлетворительная

1/4,375 16

Удовлетворительная

+О, 9.

24 (285-250) 1/4,375

+1,25 предложенного однофазного нагревателя достигнуты, если:

Диаметры отверстий в наружном нагревателе не превышают одной трети разности диаметров нагревателей

Да (Dq- Р,)„ шаг отверстий находится в йределах от двух до трех диаметров отверстий 4 = (2 — 3) 3, расстояние между рядами отверстий находится в пределах от трех до четырех диаметров отверстий

=(3-4) д.

Испытания экспериментального образца нагревателя предложенной кон струкции показали, что коэффициент использования геометрического объема нагревателя был равен 0,8 по сравне5 нию с 0,3 в нагревателях известных конструкций. При этом пропорционально коэффициенту использования геометрического объема нагревателя повысится экономичность оборудования, 10 уменьшатся удельные затраты электроэнергии и технологических газов, возраста° ет производительность оборудования.

Наибольшая разность тем ператур по объему рабочего пространства,Ъ

+3,5

+2,7

+О, 9

+О, 85

+0,9

1053331

Нродолже ни е та блицы,Циаметр отверстий,мм

+0,95 Удовлетворительная

+0,55

+3 9

+3,45

+2,6

+2 ° 9

+0,7

1 3

1/2,91 24

6 Удовлетворительная ,8

+0,73

3 +1,05

+1,15

36 1

+0,7 Удовлетворительная

48 1

+2 7

+2,3

1/1, 94 36

«+4

+3,05

Неудовлет ворительная

Диаметр отверстий в долях разности диаметров нагревателей d=(D -О,)й (285-250 ) ° 1/2, 91 (285-250j ° 1/1,94

Доля. разйости диаметров на гревателей

Шаг отверс тий, мм исло рядов тверстий в наружном нагревателе

Ввер- Внизу ху

Наибольшая разность тем ператур по объему рабочего пространства, % 0,76

+3,9

«+3, 4

+1,6

«+1, 05

+4 5

+3, 55 Примеча- ние (характеристика нагре-.вателя) Неудовлетворительная

Неудовлетворительная

Неудовлетворительная

1053331

Продолжение таблицы о т и-.

100 1

+3,2

1 р и м е ч а н и е. Нагреватель с внутренним диаметром 250 мм, наружным нагревателем диаметром 285 мм, расстоянием между рядами отверстий L = 31. Среда в рабочем объеме — вакуум порядка 10 мм рт. ст.

Составитель A. Ходатаева

Редактор Г. Волкова Техред А.Бабинец Корректор A,Tÿñêo

Заказ 8904/58 Тираж 845 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4

+1,9

+1,4

+5,7

+4,4

+3,4 Неудовлетворительная