Conceptions d'éléments chauffants pour fours électriques

Les éléments chauffants de la plupart des fours industriels sont soit en feuillard, soit en fil. La figure 1 montre le dispositif d'un réchauffeur à fil de nichrome classique, les constructions retenues pour sa fixation sur le toit, sur les parois et dans la sole du four, et la conception des fils. Typiquement, pour la production de réchauffeurs pour fours industriels, on utilise du fil d'un diamètre de 3 à 7 mm. Cependant, pour les fours avec une température de fonctionnement de 1000 ° C et plus, un fil d'un diamètre inférieur à 5 mm ne doit pas être pris.

Les rapports entre le pas h de la spirale et son diamètre D et le diamètre du fil d (Fig. 1, k) sont choisis de manière à faciliter le placement des réchauffeurs dans le four, pour assurer leur rigidité suffisante et en même temps, le transfert de chaleur entre eux et les produits n'est pas excessivement compliqué.

Plus le diamètre de la spirale est grand et plus son pas est épais, plus il est facile de placer des appareils de chauffage dans le four, mais à mesure que le diamètre augmente, la résistance de la spirale diminue et la tendance de ses spires à se superposer augmente. .D'autre part, à mesure que la densité de l'enroulement augmente, l'effet de blindage de la partie de ses spires faisant face aux produits sur le reste augmente et, par conséquent, l'utilisation de sa surface se détériore.

La pratique a établi des rapports bien définis et recommandés entre le diamètre du fil, le pas et le diamètre de la spirale pour les fils de 3 à 7 mm de diamètre. Ces rapports sont les suivants : h > 2d et D = (6 ÷ 8) d pour le nichrome et pour les alliages fer-chrome-aluminium moins résistants D = (4 ÷ 6) d.

Riz. 1. Fil chauffant : a - fil chauffant en zigzag sur crochets métalliques sur la paroi latérale : b - fil chauffant en zigzag dans le foyer, c - identique dans la voûte, d - identique sur les étagères en céramique, e - spirale métallique sur les briques saillantes sur le mur latéral c en se connectant à des crochets, f — fil hélicoïdal dans les pierres arquées et dans les puits de foyer, g — fil hélicoïdal sur les étagères en céramique, h — fil hélicoïdal sur le tuyau en céramique, et — fil chauffant, k — désignation symbolique du dimensions du radiateur avec fil

Pour les fils plus fins, le rapport des diamètres de l'hélice et du fil, ainsi que le pas de l'hélice, sont généralement pris plus grands. Ces rapports s'appliquent aux spirales placées sur des étagères (pour que les spirales ne gonflent pas, elles doivent être attachées tous les 300 à 500 mm à des crochets encastrés dans la maçonnerie) et dans les canaux du revêtement des murs et des voûtes, ainsi que dans les voûtes des pierres.

Récemment, cependant, les réchauffeurs en spirale basés sur des tubes en céramique sont devenus plus courants (Fig. 2).Du point de vue de la répartition du rayonnement et de la puissance sur les parois du four, de tels réchauffeurs sont presque équivalents à des spirales à rayonnement libre, et à l'inverse, ils sont beaucoup plus efficaces que des spirales en canaux ou sur étagères.

D'autre part, avec eux, chaque coude repose sur la surface du tube, et même s'il s'affaisse dans une certaine mesure (acquiert une ovalisation) lorsqu'il est chauffé, cela ne réduit pas ses caractéristiques. Étant donné qu'un tel appareil de chauffage est donc moins chargé que les autres et qu'il ne peut pas se superposer à des spires individuelles, il peut, si nécessaire, porter le rapport du diamètre de la spirale au diamètre du fil jusqu'à 10 , et pour les alliages fer-chrome-aluminium - jusqu'à 8.

Riz. 2. Conceptions d'appareils de chauffage en spirale avec fil sur des tuyaux en céramique: a - appareils de chauffage à arc, b - tuyaux sur les parois latérales, fixation sur des suspensions résistantes à la chaleur, c - idem dans les rainures des piliers en céramique, d - tuyaux dans le foyer.

Cette conception est particulièrement favorable pour ces derniers car elle permet au matériau de se dilater librement. De plus, comme Fig. 2, des conceptions de radiateurs à fil sur des tubes en céramique ont été développées pour leur installation non seulement sur les parois du four, mais aussi dans le toit et dans le foyer, et dans ces derniers cas, les radiateurs peuvent être réalisés sous forme de cadres mobiles, ces cadres peuvent être facilement insérés dans le four et remplacés lors de la cuisson. de rechange sans arrêter le four.

Ainsi, la conception des résistances chauffantes en spirale à fil sur tubes céramiques est polyvalente tant au niveau de l'utilisation des matériaux que de l'emplacement des résistances chauffantes dans la chambre du four.Le rapport du diamètre intérieur de la spirale au diamètre extérieur du tube pour de tels appareils de chauffage peut être pris comme étant d'environ 1,1 à 1,2, la distance entre les axes des tubes étant de 1,5 à 2 fois le diamètre de la spirale.

Pour les appareils de chauffage électriques et les fours à circulation d'air forcée, l'utilisation d'appareils de chauffage en spirale sur des tubes en céramique est moins souhaitable, car cela réduit le coefficient de transfert de chaleur de l'appareil de chauffage, l'utilisation de spirales sur les étagères ou dans les canaux de revêtement est totalement inacceptable pour le même raison (sauf cas où le flux de gaz peut être dirigé le long de la spirale, dans le sens de son axe).

Dans de tels fours, il est préférable d'utiliser des structures à spirales librement soufflées, serrées entre des isolateurs à certains intervalles ou liées à ces derniers (Fig. 3). Si des éléments chauffants en spirale de tubes en céramique sont utilisés dans de telles structures (à des températures plus élevées), le rapport entre le diamètre de la spirale et le diamètre du tube doit être augmenté à 1,5.

Riz. 3. Conceptions des éléments chauffants (a) en fil et (b) en bande des radiateurs électriques.

Les rubans chauffants se présentent sous la forme de zigzags de différentes tailles et sont montés sur des crochets en métal (acier résistant à la chaleur ou nichrome) ou en céramique (Fig. 4). Des crochets métalliques sont encastrés dans la maçonnerie des murs (dans les joints entre les briques ou dans les canaux de briques spéciales), les crochets en céramique sont des excroissances de pierres spéciales posées dans la maçonnerie.

Pour les parties inférieures, les zigzags ne se ferment pas lors du gauchissement, des entretoises sont placées entre eux, qui sont des douilles en argile réfractaire ou en céramique d'aluminium posées sur des broches résistantes à la chaleur ou en nichrome encastrées dans la maçonnerie.Les bagues sont fixées aux broches avec des broches en nichrome. Avec les crochets en céramique, les séparateurs sont également entièrement en céramique (Fig. 4, a).

En figue. 4, h montre la conception des crochets et des entretoises en céramique amovibles. Cette conception est très utile car elle vous permet de remplacer facilement les crochets en cas de dommage.

Les radiateurs en zigzag peuvent également être montés sur les parois latérales du four sur des racks en céramique, mais cette conception est encore moins pratique en termes de puissance spécifique placée sur le mur et de degré de blindage des radiateurs que la construction de fil sur rack radiateurs. À cela, il convient d'ajouter que les étagères en céramique fonctionnent généralement mal, car en cas de rupture, pour remplacer l'étagère endommagée, il est nécessaire de déplacer la maçonnerie (Fig. 4, d).

Riz. 4. Conceptions de bandes chauffantes : a - bande chauffante en zigzag sur la paroi latérale des crochets métalliques, b - bande chauffante en zigzag dans le foyer. c - idem dans la voûte, d - idem sur les étagères en céramique, e - élément de cadre mobile à haute température, f - élément de cadre à basse température, g - élément chauffant "onde plate" sur tubes en céramique, h - élément chauffant à bande en zigzag sur crochets mobiles, et — désignation symbolique sur les dimensions de la bande chauffante en zigzag.

Dans la voûte ou au fond des bandes chauffantes, ils peuvent s'insérer dans les canaux de maçonnerie formés par des pierres de forme spéciale (poutres - Fig. 4, b et c). De tels appareils de chauffage peuvent également être réalisés sous forme de cadres mobiles (Fig. 4-53, e).De plus, avec une voûte voûtée, les zigzags de la bande peuvent être suspendus à des crochets métalliques mobiles.

Dans les appareils de chauffage électriques et les fours à air pulsé, les bandes chauffantes doivent être conçues de manière à ce que la surface de l'appareil de chauffage soit aussi accessible que possible pour le soufflage avec un flux de gaz. Un exemple d'une telle construction est illustré à la fig. 3, b.

Plus les éléments chauffants en zigzag sont épais, plus l'élément chauffant peut être placé longtemps dans le four, mais plus la protection des spires est grande, plus la surface de la bande est dégradée. Par conséquent, les dimensions acceptées des éléments chauffants en zigzag à bande ont été établies, ce qui garantit leur résistance suffisante et leur faible protection mutuelle.

A cet effet, ils essaient de satisfaire les rapports suivants (notations selon la Fig. 4, i): b / a = 5 ÷ 20, le rapport le plus courant de la largeur de la bande à son épaisseur est de 10. étape en zigzag h> 1.8b , le rayon de la bande est arrondi pour éviter la rupture par flexion r>

Pour des températures de chauffage jusqu'à 1000 ° C dans les fours industriels, un ruban de dimensions d'au moins 1X10 mm est utilisé, à des températures plus élevées, d'au moins 2X20 mm.

À des températures allant jusqu'à 1000 ° C, la hauteur du zigzag B sur le mur peut varier de 150 à 400-600 mm, mais pour chaque 200 mm, une rangée d'entretoises est nécessaire, c'est-à-dire à 200-400 mm, une rangée de entretoises et à 400 -600 mm - deux lignes. Sur la voûte et dans le foyer, afin d'éviter le tassement des résistances, la hauteur du zigzag B doit être limitée à 250 mm. Ces recommandations peuvent être étendues aux alliages fer-chrome-aluminium.

Pour des températures de réchauffeur de 1000 à 1100°C, les cotes limites spécifiées peuvent être réservées aux alliages Kh20N80 et Kh20N80T, pour les alliages fer-chrome-aluminium, la cote B avec la position verticale du zigzag doit être limitée à 250 mm, et avec position horizontale 150 mm.

À des températures de chauffage supérieures à 1100 ° C, la seule conception acceptable de bandes chauffantes pour le toit et le fond est une onde plate sur des tubes en céramique (Fig. 2, g). La longueur du zigzag B dans ce cas peut être prise comme 75-100 mm. Pour les radiateurs latéraux, une conception avec des crochets en céramique peut être utilisée, limitant la hauteur en zigzag à 150 mm.

Ces dernières années, les chauffe-fils en zigzag ont été largement utilisés. Pour ces éléments chauffants, le pas de zigzag h est pris égal à (5 ÷ 9) d.

Lors de l'utilisation d'alliages fer-chrome-aluminium dans des fours dont la température de fonctionnement est supérieure à 1000 ° C, toutes les parties de maçonnerie réfractaire pouvant entrer en contact avec les éléments chauffants (crochets et séparateurs en céramique, étagères, tuyaux, canaux, etc.) doivent être réalisées de matériaux en aluminium à haute teneur en oxyde avec une teneur minimale en oxydes de fer.

Les zigzags de ruban sont généralement enroulés à la main à l'aide d'un simple dispositif à levier. Les spirales sont enroulées étroitement sur un tour sur un mandrin lisse, puis la spirale résultante est étirée au pas souhaité.

Riz. 5. Sortie de chauffage scellée : 1 — boîtier, 2, 6 — manchons isolants, 3 — anneau d'espacement, 4 — joint en amiante, 5 — écrou d'accouplement, 7 — sortie de chauffage.

Étant donné qu'après avoir retiré la spirale du mandrin, elle se déroule un peu, augmentant son diamètre (d'environ 1 à 3 mm), le mandrin doit être pris avec un diamètre plus petit que les calculs.Cette réduction dépend de l'élasticité du matériau et doit être déterminée expérimentalement pour chaque lot. Dans les centrales électriques, les réchauffeurs en zigzag sont produits sur des machines spéciales.

Les sorties des appareils de chauffage jusqu'à une température de 1000 ° C sont en acier résistant à la chaleur, au chrome-nickel ou au chrome, pour des températures plus élevées - en alliage 0X23Yu5A (EI-595). A cet effet, prenez un fil machine, une tige de section égale à 3-4 fois la section de l'élément chauffant, pour réduire le dégagement de chaleur dans les fils. La partie de la sortie située dans la zone basse température, afin d'économiser des matériaux coûteux, peut être réalisée en acier au carbone ordinaire. Les conceptions de fils typiques pour les éléments chauffants à fil et à bande sont illustrées à la Fig. 5.

Dans les éléments chauffants à bande en zigzag, le blindage mutuel des zigzags individuels est encore relativement important, même avec un pas supérieur à deux fois la largeur de la bande.Il serait plus avantageux de concevoir les éléments chauffants de telle sorte que la bande soit tournée vers le produit avec sur le côté large, mais cela nécessite beaucoup de soudure car chaque tour de la bande comporte deux soudures et la conception du réchauffeur est coûteuse et sujette au gauchissement.

Par conséquent, bien que de tels appareils de chauffage soient utilisés dans certains cas, mais uniquement pour les petits fours. Ils permettent une économie de matière importante par rapport aux bandes chauffantes et surtout au fil et permettent d'obtenir une puissance surfacique spécifique un peu plus élevée pour une même consommation de matière.

Les radiateurs à jantes coulées, coulés en nichrome et suspendus à des crochets spéciaux, s'approchent également des radiateurs plats (Fig. 6).Les différents appareils de chauffage, bien sûr, ne peuvent être fabriqués qu'avec de grandes sections et, par conséquent, ils sont soit utilisés dans de grands fours, soit nécessitent une tension réduite. Leur avantage est une grande fiabilité et une longue durée de vie, mesurée en dizaines de milliers d'heures. On pense généralement que des appareils de chauffage au nichrome correctement calculés et conçus devraient fonctionner de 6 000 à 12 000 heures (sous courant).

Dans les fours à moufle et à tube, les éléments chauffants à fil et à bande sont enroulés directement sur un moufle ou un tube en céramique, de plus, de sorte que les spires de la bobine lors de l'expansion du chauffage ne s'affaiblissent pas et ne bougent pas de leur place, la céramique est fournie avec des canaux dans lequel le ruban ou le fil est posé. Une autre manière de fixer les spires du réchauffeur sur la céramique est d'enrober cette dernière après bobinage d'une couche d'argile réfractaire à l'argile réfractaire.

Riz. 6. Chauffages d'été.

Riz. 7. Réchauffeurs de tube de tige.

Dans les fours jusqu'à des températures de 400 à 500 ° C, il existe de nombreux autres types d'appareils de chauffage. En plus des éléments chauffants en spirale et en bande en zigzag avec un fil ouvert, comme dans les fours à haute température, il existe des conceptions d'éléments chauffants interchangeables, pratiques en ce sens qu'ils peuvent être utilisés pour produire n'importe quelle puissance et en même temps lorsqu'ils brûlent, tels que les éléments sont facilement remplaçables. de rechange.

Les éléments chauffants à tige tubulaire sont un ensemble d'isolateurs en porcelaine enfilés sur une tige en acier résistant à la chaleur et placés dans un tube en acier, soudé à une extrémité et fermé avec un isolant en plomb à l'autre. Une spirale en nichrome est enroulée sur des isolateurs en porcelaine soudés à une extrémité au fil isolant et à l'autre à la tige centrale.

Parfois, l'espace entre le tuyau et le radiateur est rempli de sable de quartz. Les réchauffeurs de ce type peuvent être utilisés jusqu'à 400-500 ° C et avec des tubes réfractaires jusqu'à 1000 ° C et sont particulièrement pratiques pour les grands fours dans lesquels il est nécessaire de protéger le réchauffeur des dommages mécaniques ou de l'action des vapeurs corrosives ( figure 7).

Les éléments chauffants dits "tubulaires" sont d'un grand intérêt (Fig. 8). Ils consistent en un tube en acier, le long de l'axe duquel se trouve une spirale en nichrome, soudé aux boulons de sortie aux extrémités de l'appareil de chauffage. L'espace entre la spirale et les parois du tube est rempli de périclase, oxyde de magnésium cristallin, qui présente une bonne isolation électrique et en même temps une conductivité thermique élevée. La fabrication des éléments chauffants s'effectue comme suit.

Une spirale de nichrome enroulée sur une tige d'acier a été montée strictement axialement dans le tube d'acier nettoyé préparé, le tube a été fixé verticalement sur une machine vibrante et rempli de poudre de périclase passée à travers le séparateur magnétique. La tige est ensuite retirée du tuyau et passée dans une machine à forger, qui la martèle sur la circonférence, provoquant une diminution de son diamètre et un compactage important de la périclase.

Des isolateurs en plomb scellés sont fixés aux bords du tube, après quoi, grâce au joint périclase, il peut être plié de n'importe quelle manière et lui donner une forme pratique. Sous cette forme, les éléments tubulaires peuvent être utilisés pour chauffer de l'air (réchauffeurs électriques), de l'huile, des nitrates et même pour faire fondre des métaux à bas point de fusion tels que l'étain, le plomb, la régule.Dans ce dernier cas, afin d'éviter une corrosion rapide de la paroi métallique du tuyau, celle-ci est pré-remplie de fonte, qui forme une plaque massive, à l'intérieur de laquelle se trouve un élément chauffant tubulaire.

Riz. 8. Réchauffeurs tubulaires.

L'utilisation de réchauffeurs tubulaires pour les bains au salpêtre est hautement souhaitable, car par rapport aux bains à chauffage externe, elle réduit la réduction de la consommation d'énergie, augmente la sécurité des bains et une énorme économie de nichrome. Cependant, pour leur bon fonctionnement dans les nitrates, en particulier à des températures de 500 ° C et plus, il est nécessaire de réaliser une double enveloppe du tube, en plaçant sur le réchauffeur préparé un second tube, en nickel, résistant à la chaleur.

Lorsqu'ils sont utilisés dans des radiateurs électriques, ils sont munis d'ailettes pour augmenter le transfert de chaleur dans l'air.

Les radiateurs tubulaires sont très répandus pour la production d'appareils de chauffage domestiques.

Les radiateurs tubulaires fonctionnent avec une puissance de plusieurs centaines de watts à plusieurs kilowatts.

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