EP2768277A1 - Thermischer monolithischer heizblock aus feuerfestem phosphatzement - Google Patents

Thermischer monolithischer heizblock aus feuerfestem phosphatzement Download PDF

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EP2768277A1
EP2768277A1 EP12840085.0A EP12840085A EP2768277A1 EP 2768277 A1 EP2768277 A1 EP 2768277A1 EP 12840085 A EP12840085 A EP 12840085A EP 2768277 A1 EP2768277 A1 EP 2768277A1
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monolithic
thermal heating
heating element
wire
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Sergey Dmitrievich ALFERYEV
Valeriy Anatolievich POLYAKOV
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Zakrytoye Aktsionernoye Obschestvo "Pikkerama"
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    • H05B2203/003—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements using serpentine layout

Definitions

  • the invention relates to a monolithic thermal heating unit made of refractory phosphate concrete (phosphate cement) according to the preamble of the claim.
  • the invention can be used in the field of resistance heating in industrial resistance furnaces, namely for monolithic metal-ceramic thermal heating units (heating blocks).
  • the practice of designing and operating industrial furnaces determines the requirements for the heating elements.
  • the basic requirements include high efficiency and reliability, strength and lack of conductivity.
  • contact thermal conductivity is the most effective way of transferring heat from a heated body to a cold body compared to radiant heating and other types of heat transfer [ MA Mikheev, IM Mikheeva, Fundamentals of Heat Transfer, Moscow, Energia, 1977, p. 17 ].
  • radiator a resistive element
  • IA Feldman such. B. " Calculation and structural design of radiators of electric resistance furnaces ", Energia, Moscow-Leningrad, 1966, p. 18 ].
  • the closest prior art is a heating element according to the patent RU 2311742 , Date of publication 02.01.2003, IPC H05B 3/14, which is chosen as a prototype.
  • the known prototype is formed of a ferrous material with a resistive element.
  • the resistance element is arranged in an electrical insulating layer.
  • the electrical insulating layer is covered with a heat-insulating composite layer and a protective layer.
  • heat transfer from the resistive element to the surface occurs via an insulating composite structure.
  • the insulating composite structure is formed of some ceramic and organic materials.
  • the insulating composite structure is intended to compensate for the differences in resistance element and material of the heating element in terms of thermal expansion coefficient.
  • the resistive element is covered with an electrical insulating layer to prevent oxidation.
  • the heating element is manufactured in successive pressing steps in some pressing tools and using gas burning.
  • the monolithic thermal heating unit is made of an electrically non-conductive thermally conductive refractory phosphate concrete.
  • the heating element is cast in phosphate concrete.
  • the heating element is formed of a zigzag wire radiator and band-shaped current derivatives.
  • the ratio between the area and circumference of the wire cross section and the area and circumference of the cross section of the current leads is at least 1: 4.
  • the symmetry axes of the heating element coincide with the axes of symmetry of the thermal heating unit.
  • the joints between the wire radiator and the current drains in the thermal heating unit are in the form of conical recesses.
  • the monolithic thermal heating unit ( Fig. 1 ) is formed in the form of a monolithic plate 1.
  • the linear dimensions of the heating unit are determined by the linear dimensions of the heating element 2.
  • the heating element 2 is made of a zigzag wire radiator 3 (FIG. Fig. 2 ) and band-shaped current derivatives 4 made.
  • the zigzag wire radiator 3 is chosen because it is the most effective type of radiator.
  • the heating element 2 ( Fig. 1 ) is arranged in the thermal unit (plate 1). In this case, the symmetry axes of the heating element 2 coincide with the axes of symmetry of the thermal heating unit (plate 1).
  • the heat transfer from the entire surface of the heating element 2 to the phosphate concrete material is due to the contact heat conductivity.
  • the concrete density ensures that the oxidation of the radiator metal is virtually completely avoided.
  • the wire cross section, the wire length and the zigzag pitch of the wire heater 3 in the heating element 2 (FIG. Fig. 2 ) are determined by the required electrical resistance of the heating element 2, ie by the required power of the thermal heating unit.
  • the surface and the circumference of the wire cross section and the surface and the circumference of the current discharge cross section are in a ratio of at least 1: 4 to each other.
  • the length of the current drain 4 is determined by the type of attachment of the power cable and the thickness of the lining of a particular furnace.
  • Fig. 1 is the junction between the wire radiator 3 and the current drain 4 shown.
  • the joint is formed in the form of a conical recess 5 in the thermal unit to prevent energy transfer from the material of the thermal heating unit to the current leads 4 due to the contact thermal conductivity.
  • the monolithic phosphate concrete of the heating unit is homogeneous and has the same thermal conductivity over all three ordinates. Taking into account that the axes of symmetry of the heating element and the symmetry axes of the thermal Heating unit coincident, this ensures a uniform temperature distribution over the entire circumference and over each level of the heating unit, including the temperature compensation on the working surface of the heating unit.
  • the thermal heating units can be connected as desired in a building board of any dimensions to obtain a resistance furnace with a required power.
  • the relative up to 20% high porosity of the crystalline phosphate concrete on the one hand and the up to 70 MPa high strength on the other hand ensure a dampening of the thermal expansion of the metal heating element.
  • the plasticity of the metal heating element increases with an increase in temperature without the thermal heating unit itself being destroyed.
  • the strength and hardness of the phosphate concrete thermal heating unit make it possible to use this heating unit in oven stoves of resistance furnaces. This ensures a reduction in power consumption up to 35%.
  • the practical embodiment of the proposed invention is realized in a resistance furnace with an extendable hearth and a capacity of 1.2 m 3 at an operating temperature of + 1150 ° C.
  • the furnace is heated by means of 28 monolithic thermal heating units.
  • Each heating unit has dimensions of 400 x 400 x 30 mm and an electrical resistance of 1.5 ⁇ .
  • the heating units are assembled in 5 construction panels. This makes it possible to achieve a 3-phase power supply with a power of up to 30 kW.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Widerstandserhitzung in industriellen Widerstandsöfen, und zwar auf monolithische metallkeramische thermische Heizeinheiten (Platten 1). Die monolithische thermische Heizeinheit (Platte 1) enthält ein darin eingebautes Heizelement (2), dessen Symmetrieachsen mit Symmetrie-achsen der monolithischen thermischen Heizeinheit (Platte 1) zusammenfallen, und ist aus dem elektrisch nichtleitenden wärmeleitfähigen feuerfesten Phosphatbeton gefertigt. Das Heizelement (2) ist aus einem Zickzack-Draht-Heizkörper (3) und bandförmigen Stromableitungen (4) ausgebildet. Dabei stehen die Fläche und der Umfang des Drahtquerschnitts und die Fläche und der Umfang des Stromableitungsquerschnitts im Verhältnis von wenigstens 1 : 4 zueinander. Die Verbindungsstellen des Draht-Heizkörpers (3) mit den Stromableitungen (4) sind in Form von kegelförmigen Aussparungen (5) in der monolithischen thermischen Heizeinheit (Platte 1) ausgebildet. Der technische Effekt der Erfindung ist die Herstellung einer monolithischen elektrisch nichtleitenden Heizeinheit, welche hohe Effizienz, Zuverlässigkeit und einfache Fertigung in sich vereinigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine monolithische thermische Heizeinheit aus feuerfestem Phosphatbeton (Phosphatzement) nach dem Oberbegriff des Anspruchs.
  • Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Widerstandserhitzung in industriellen Widerstandsöfen, und zwar für monolithische metallkeramische thermische Heizeinheiten (Heizblöcke), einsetzbar.
  • Die Praxis der konstruktiven Gestaltung und des Betriebs von industriellen Widerstandsöfen legt die Anforderungen an die Heizelemente fest. Die grundsätzlichen Anforderungen umfassen eine hohe Effizienz und Zuverlässigkeit, Festigkeit und eine fehlende Leitfähigkeit.
  • Bekanntlich ist die Kontaktwärmeleitfähigkeit die wirksamste Art der Wärmeübertragung von einem erwärmten Körper an einen kalten Körper im Vergleich zur Strahlungsaufheizung und anderen Wärmeübertragungsarten [M.A. Mikheev, I.M. Mikheeva, Grundlagen der Wärmeübertragung, Moskau, Energia, 1977, S. 17].
  • Die bekannte wirksamste Form eines Heizkörpers (eines Widerstandselements) ist als Zickzack-Runddraht ausgebildet und in Druckschriften von I.A. Feldman begründet [wie z. B. "Berechnung und konstruktive Gestaltung der Heizkörper der elektrischen Widerstandsöfen", Energia, Moskau- Leningrad, 1966, S. 18].
  • Der nächstkommende Stand der Technik ist ein Heizelement nach dem Patent RU 2311742 , Veröffentlichungsdatum 02.01.2003, IPC H05B 3/14, welches als Prototyp gewählt ist. Der bekannte Prototyp ist aus einem eisenhaltigen Material mit einem Widerstandselement ausgebildet. Das Widerstandselement ist in einer Elektroisolierschicht angeordnet. Die Elektroisolierschicht ist mit einer wärmeisolierenden Verbundstoffschicht und einer Schutzschicht bedeckt. Hier erfolgt die Wärmeübertragung vom Widerstandselement an die Oberfläche über eine Isolier-Verbundstoffstruktur. Die Isolier-Verbundstoffstruktur ist aus einigen keramischen und organischen Stoffen ausgebildet. Die Isolier-Verbundstoffstruktur ist dafür vorgesehen, die Unterschiede im Widerstandselement und im Material des Heizelements hinsichtlich der Wärmeausdehnungszahl auszugleichen. Das Widerstandselement ist mit einer Elektroisolierschicht bedeckt, um eine Oxidation zu vermeiden. Das Heizelement wird in aufeinanderfolgenden Pressschritten in einigen Presswerkzeugen und unter Einsatz von Gasbrennen gefertigt.
  • Die Mängel dieses bekannten Heizelements sind:
    • eine hohe Leitfähigkeit der Arbeitsoberfläche des Elements, welches aus einem eisenhaltigen Material (wenigstens 75 %) gefertigt wird. Das ist allerdings aufgrund der Anforderungen der elektrotechnischen Sicherheit während der Arbeiten an und mit industriellen Widerstandsöfen bei solchen verfahrenstechnischen Prozessen wie Anlassen, Härten und Erwärmung von Metallerzeugnissen mit unterschiedlichen Konfigurationen unzulässig;
    • das Vorhandensein eines schrittweisen Verfahrens der Herstellung des Heizelements in einigen Presswerkzeugen und der Pressausrüstung erschwert und verteuert den Fertigungsvorgang beachtlich.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine monolithische elektrisch nichtleitende Heizeinheit zu entwickeln, welche eine hohe Effizienz, Zuverlässigkeit und einfache Fertigung in sich vereinigt.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs gelöst.
  • Die monolithische thermische Heizeinheit ist aus einem elektrisch nichtleitenden wärmeleitfähigen feuerfesten Phosphatbeton gefertigt. Das Heizelement ist im Phosphatbeton eingegossen. Das Heizelement ist aus einem Zickzack-Draht-Heizkörper und bandförmigen Stromableitungen ausgebildet. Das Verhältnis zwischen der Fläche und dem Umfang des Drahtquerschnitts und der Fläche und dem Umfang des Querschnitts der Stromableitungen beträgt wenigstens 1 : 4. Die Symmetrieachsen des Heizelements fallen mit den Symmetrieachsen der thermischen Heizeinheit zusammen. Die Verbindungsstellen zwischen dem Draht-Heizkörper und den Stromableitungen in der thermischen Heizeinheit sind in Form von kegelförmigen Aussparungen ausgebildet.
  • Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    die Konstruktion der thermischen Heizeinheit,
    Fig. 2
    das Heizelement.
  • Die monolithische thermische Heizeinheit (Fig. 1) ist in Form einer monolithischen Platte 1 ausgebildet. Die linearen Abmessungen der Heizeinheit sind durch die linearen Abmessungen des Heizelements 2 festgelegt. Das Heizelement 2 ist aus einem Zickzack-Draht-Heizkörper 3 (Fig. 2) und bandförmigen Stromableitungen 4 gefertigt. Der Zickzack-Draht-Heizkörper 3 ist gewählt, weil er die wirksamste Art eines Heizkörpers darstellt.
  • Das Heizelement 2 (Fig. 1) ist in der thermischen Einheit (Platte 1) angeordnet. Dabei fallen die Symmetrieachsen des Heizelements 2 mit den Symmetrieachsen der thermischen Heizeinheit (Platte 1) zusammen. Die Wärmeübertragung von der gesamten Fläche des Heizelements 2 an das Phosphatbeton-Material erfolgt aufgrund der Kontaktwärmeleitfähigkeit. Dabei stellt die Betondichte sicher, dass die Oxidation des Heizkörpermetalls praktisch völlig vermieden ist. Der Drahtquerschnitt, die Drahtlänge und die Zickzackteilung des Draht-Heizkörpers 3 im Heizelement 2 (Fig. 2) werden durch den benötigten elektrischen Widerstand des Heizelements 2, d. h. durch die benötigte Leistung der thermischen Heizeinheit festgelegt. Dabei stehen die Fläche und der Umfang des Drahtquerschnitts und die Fläche und der Umfang des Stromableitungsquerschnitts in einem Verhältnis von wenigstens 1 : 4 zueinander. Die Länge der Stromableitung 4 wird durch die Befestigungsart des Stromkabels und die Dicke der Auskleidung eines bestimmten Ofens bestimmt.
  • Die genannten Bedingungen beheben die Betriebsmängel der Widerstandsöfen: Durchbrennen des Heizelements 2 an der Verbindungsstelle des Draht-Heizkörpers 3 mit den Stromableitungen 4 und Bildung von hohen Temperaturen an der Stromableitung 4, was das Durchbrennen der Befestigungselemente des Stromkabels mit den Stromableitungen 4 hervorruft, und zwar:
    • Die n-fache Vergrößerung des Umfangs des Stromableitungsquerschnitts im Verhältnis zum Umfang des Drahtquerschnitts des Draht-Heizkörpers 3 führt zu einer Verringerung der Stromdichte mit gleichem Grad des Vielfachen auf der Oberfläche der Stromableitung 4 mit entsprechender Verringerung des elektrischen Widerstands der Stromableitung 4 und der Senkung ihrer Temperatur.
    • Die n-fache Vergrößerung der Fläche des Stromableitungsquerschnitts im Verhältnis zur Fläche des Drahtquerschnitts des Heizkörpers 3 führt zur n-fachen Verringerung der Wärmestromdichte in der Stromableitung 4 mit entsprechender Erhöhung des Wärmewiderstands der Stromableitung 4, Streuung der Wärmeenergie und Temperatursenkung.
    • Die minimale benötigte Länge der Stromableitung 4 dient auch diesem Ziel. Diese Länge stellt eine zusätzliche Vergrößerung des Wärmewiderstands und die Senkung der Temperatur an der Stromableitungsachse entlang dar, und zwar auf der Strecke von der Verbindung des Heizkörpers 3 mit der Stromableitung 4 bis zur Verbindungsstelle der Stromableitung 4 mit dem Stromversorgungskabel.
  • In Fig. 1 ist die Verbindungsstelle zwischen dem Draht-Heizkörper 3 und der Stromableitung 4 abgebildet. Die Verbindungsstelle ist in Form einer kegelförmigen Aussparung 5 in der thermischen Einheit ausgebildet, um eine Energieübertragung vom Material der thermischen Heizeinheit an die Stromableitungen 4 aufgrund der Kontaktwärmeleitfähigkeit zu verhindern.
  • Der monolithische Phosphatbeton der Heizeinheit ist homogen und weist eine gleiche Wärmeleitfähigkeit über alle drei Ordinaten auf. Mit Rücksicht darauf, dass die Symmetrieachsen des Heizelements und die Symmetrieachsen der thermischen Heizeinheit zusammenfallen, stellt das eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den gesamten Umfang und über jede Ebene der Heizeinheit sicher, darunter auch den Temperaturausgleich auf der Arbeitsoberfläche der Heizeinheit. Die thermischen Heizeinheiten lassen sich in einer Bauplatte mit beliebigen Abmessungen beliebig verbinden, um einen Widerstandsofen mit einer benötigten Leistung zu erhalten.
  • Die relative bis zu 20 % hohe Porosität des kristallinen Phosphatbetons einerseits und die bis zu 70 MPa hohe Festigkeit andererseits stellen ein Abdämpfen der Wärmeausdehnung des Metallheizelements sicher. Die Plastizität des Metallheizelements nimmt mit einer Temperaturerhöhung zu, ohne dass die thermische Heizeinheit selbst zerstört wird.
  • Die Festigkeit und die Härte der thermischen Heizeinheit aus Phosphatbeton ermöglichen es, diese Heizeinheit in Ofenherden von Widerstandsöfen zu verwenden. Das stellt eine Verminderung des Stromverbrauchs bis 35 % sicher.
  • Die praktische Ausführung der vorgeschlagenen Erfindung ist in einem Widerstandsofen mit einem ausfahrbaren Herd und einem Fassungsraum von 1,2 m3 bei einer Betriebstemperatur von +1150° C realisiert. Der Ofen wird mit Hilfe von 28 monolithischen thermischen Heizeinheiten erhitzt. Jede Heizeinheit hat Abmessungen von 400 x 400 x 30 mm und einen elektrischen Widerstand von 1,5 Ω. Dabei sind die Heizeinheiten in 5 Bauplatten zusammengebaut. Das macht es möglich, eine 3-Phasen-Stromversorgung mit einer Leistung bis zu 30 kW zu bewerkstelligen.

Claims (1)

  1. Monolithische thermische Heizeinheit mit einem darin eingebauten Heizelement, dessen Symmetrieachsen mit Symmetrieachsen der monolithischen thermischen Heizeinheit (Platte 1) zusammenfallen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die monolithische thermische Heizeinheit (Platte 1) aus einem elektrisch nichtleitenden wärmeleitfähigen feuerfesten Phosphatbeton gefertigt ist,
    dass das Heizelement (2) dabei aus einem Zickzack-Draht-Heizkörper (3) und bandförmigen Stromableitungen (4) ausgebildet ist,
    dass die Fläche und der Umfang des Drahtquerschnitts und die Fläche und der Umfang des Stromableitungsquerschnitts dabei in einem Verhältnis von wenigstens 1 : 4 zueinander stehen, und
    dass die Verbindungsstellen des Draht-Heizkörpers (3) mit den Stromableitungen (4) in Form von kegelförmigen Aussparungen (5) in der monolithischen thermischen Heizeinheit (Platte 1) ausgebildet sind.
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