NO872592L - Elektrisk oppvarmingsinnretning. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår elektriske varmeinnretninger hvor et elektrisk motstandsvarmeelement er helt eller delvis innleiret i en ildfast basis. Slike innretninger fremstilles som flate paneler, krumme paneler, muffler eller med mer kompliserte geometriske former. Den foreliggende oppfinnelse er ikke begrenset til en spesiell form for innretningen.

Av oversiktsgrunner vil den følgende beskrivelse referere

til fremstillingen av flate paneler, selv om oppfinnelsen ikke er begrenset til denne geometri.

Elektriske varmepaneler er tidligere blitt fremstilt ved å presse et varmeelement, vanligvis i form av et spiralformet trådelement, inn i en våt blanding av varmeisolerende, støp-bart, ildfast materiale som deretter herder rundt elementet. Elementet er bare delvis presset inn i det støpbare, ildfaste materiale, slik at en del av spiralen ligger fri. Denne formen av panelet blir betegnet et "delvis innleiret panel".

En alternativ form av panelet fremstilles ved å støpe et

tynt lag av støpbart, ildfast materiale (av den art som benyttes for delvis innleirede paneler) i en form, hvoretter det spiralformede trådelement legges i det støpbare, ildfaste materiale, hvoretter det tilsettes ytterligere støpbart, ildfast materiale slik at elementet fullstendig innleires i det støpbare, ildfaste materiale. Slike paneler blir betegnet "helt innleirede paneler".

Formene som for tiden benyttes, har enkel utforming for å passe til formen på sluttproduktet (generelt rektangulær)

og fremstilles av tre- eller zinkbelagt stål.

Slike paneler er meget benyttet til konstruksjonen av ovner og som varmelegemer i prosessmetallurgi.

Disse paneler har en rekke ulemper. Det helt innleirede panel gir elementet beskyttelse mot f.eks. metallsprut, men da elementet er innleiret i et isolerende, ildfast materiale. forekommer det en temperaturgradient mellom elementet og overflaten av panelet slik at den effektive overflatetempe-ratur ved hvilken panelet kan benyttes, er under den maksimale arbeidstemperatur for varmeelementet. Høyere temperaturer kan fås med det delvis innleirede panel, men elementet er da utsatt for atmosfæren og sårbart overfor metallsprut eller korroderende gasser. I tillegg vil den del av elementet som er innleiret i det termisk isolerende panel ved bruk være varmere enn det parti av elementet som er frilagt, og dette kan føre til at elementet svikter.

DE-PS 3206508 viser en spiraltråd med åpen kjerne innleiret

i et keramisk panel, idet spiralens kjerne er åpen mot panelets overflate. Spiralen ligger helt under paneloverflaten.

GB-PS 1441577 foreslår et varmepanel for muffelovner, og består av et spiraltrådelement festet i en filterstøpt keramisk fiberbasis, idet innsiden av spiralen hovedsakelig er fri for keramiske fibre. En spalte er anordnet mellom spiralens bakside og den keramiske fiberbasis. Ved denne konstruksjon er bare en del av elementene frilagt i overflaten, idet spaltene mellom viklingene er fylt med keramiske fibre (se patentets side 2, linjene 55-58).

GB-PS 1441577 viser også en annen konstruksjonsform hvor kjernen av elementet er frilagt i overflaten, men denne utførelse utformes ved å sementere spiralen i en kanal i et eksisterende panel, og noe av sementen eller bindemiddelet kan strømme inn i kjernen av spiralen og dekke elementet på enkelte steder, slik at der fås varmepunkter. En ytterligere ulempe ved bruk av keramiske fibre for systemer med åpen spiral er at det oppstår sigeproblemer ved høy temperatur, slik at viklingene kan bunte seg sammen og blir skjeve.

Man har innsett at for å bedre både strålings- og konveksjons-varmeoverføringen fra et delvis innleiret panel er det fordelaktig å frilegge så mye av elementet som mulig ved å redusere mengden av ildfast materiale som omgir elementet på forsiden av panelet, til et minimum. Videre har man innsett at for å minske risikoen for lokal oppvarming i fullt innleirede paneler er det fordelaktig at varmeelementet er helt innleiret i varmeledende, elektrisk ikke-ledende, ildfast materiale innbakt i den varmeisolerende ildfaste basis. Man har også innsett at i et fullt innleiret panel er det fordelaktig at elementet heves opp i rygger av det ildfaste materiale over panelets generelle overflate.

Følgelig er det ifølge et trekk ved den foreliggende oppfinnelse fremskaffet en varmeinnretning som omfatter et elektrisk varmeelement i form av en spiral støttet på og festet på en basis av støpbart, ildfast materiale med ribber støpt sammen med basisen og rundt deler av spiralens omkrets, idet basismaterialet er støpt mellom tilstøtende vindinger av spiralen, og med spiralens kjerne fri for ildfast materiale og liggende åpen mot innretningens overflate, og hvor i det minste en del av spiralomkretsen er hevet over den omgivende paneloverflate. Andelen av spiralomkretsen i kontakt med det ildfaste materiale kan være så lav som 50%, men fortrinnsvis større enn 60%. Likevel kan spiralen sitte godt fast i den ildfaste basis delvis på grunn av det ildfaste materiale støpt mellom tilstøtende vindinger av spiralen.

Ifølge et ytterligere trekk ved denne oppfinnelse skaffes et varmepanel som omfatter et elektrisk varmeelement innleiret i en basis av tungtsmeltende materiale, ogkarakterisert vedat elementet er helt innleiret i et område med ildfast materiale med høy varmeledningsevne støttet av ildfast materiale med lav varmeledningsevne. (Overalt i denne fremstilling skal "lav varmeledningsevne" og "høy varmeledningsevne" forstås bare som relative begreper og innebærer ikke en absolutt verdi for varmeledningsevnene). Området med ildfast materiale av høy termisk ledningsevne kan bestå av silisiumkarbid i en ildfast grunnmasse opp til et slikt forhold at den ildfaste masse ikke er elektrisk ledende, f.eks. inntil 70%. Andre ildfaste materialer som kan benyttes, er oksider som f.eks. magnesiumoksid.

Oppfinnelsen omfatter også fremgangsmåter for fremstilling av varmeinnretninger slik det er angitt i den følgende beskrivelse og de vedføyde krav.

Den følgende beskrivelse er bare ment å være et eksempel og viser til tegningen hvor:

Fig. 1-3 viser snitt av kjente varmepaneler.

Fig. 4 er et planriss av varmepanelet på fig. 2.

Fig. 5-7 viser snitt av forskjellige varmepaneler innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelse. Fig. 8 viser et utsnitt av en form i samsvar med et trekk av den foreliggende oppfinnelse. Fig. 9 viser en ytterligere metode for å fremstille et panel i samsvar med oppfinnelsen.

Fig. 10 viser et slikt panel.

Fig. 1 viser et helt innleiret panel som ovenfor beskrevet og dannet av et støpbart, ildfast materiale. Fig. 2 og 4 viser et delvis innleiret panel dannet ved at spiralen er delvis presset ned i et vått, støpbart, ildfast materiale.

Trådvarmeelementer kan ved typiske eksempler på denne konstruksjon være fremstilt av ferro-kromaluminiumlegering, f.eks. "Kanthal" (varemerke) av kvalitet Al, som ifølge produsenten har en nominell sammensetning på 22% krom, 5,8% aluminium og resten jern, eller "Kanthal" av kvalitet AF, som ifølge produsenten har en nominell sammensetning på 22% krom, 5,3% aluminium og resten jern (alle prosenter er vekt-prosent) .

Det ildfaste materiale kan bestå av 2 deler mullitt (korn-størrelse inntil 22), 1 del "Secar" 71 (varemerke), som er en hydraulisk sement med omtrent 71% AI2O3 , og resten CaO.

Helt innleirede paneler av denne form kan benyttes til ovns-temperaturer på bpptil ca. 1100°C og delvis innleirede paneler som benytter disse materialer, kan benyttes ved inntil ca. 1200°C. Disse temperaturer svarer til elementtemperaturer på ca. 50°C eller markant høyere.

Fig. 3 viser et helt innleiret panel som beskrevet i GB-PS

nr. 1441577. Ytelsesdata for et slikt panel er ikke til-gjengelige .

Fig. 5 viser et panel i henhold til et trekk av den foreliggende oppfinnelse, og som omfatter en spiral 1 av "Kantal" Al eller "Kanthal" AF-tråd båret av en ildfast basis 2 av støpbart materiale som beskrevet ovenfor, idet kjernen 3 i spiralen hovedsakelig er fri for keramisk materiale. Spiralen 1 er festet til den ildfaste basis 2 med ribber 12 støpt rundt spiralen og av det ildfaste materiale som er støpt mellom tilstøtende vindinger av spiralen (dette tjener også til å forhindre siging og bunting av spiralens vindinger).

Andelen av omkretsen av spiralen 1 som er i kontakt med den ildfaste basis kan være så lav som 50%, men fortrinnsvis større enn 60%, og allikevel kan spiralen 1 fremdeles ha god adhesjon til basisen 2. I praksis ble det funnet at bruken av "Kanthal" AF-tråd gir bedre sigefasthet enn bruken av "Kanthal" Al-tråd, men i alle fall kan arbeidstemperaturen for et slikt panel være så høyt som 1300°C, noe som gir en ovnstemperatur på f.eks. 1270°C, hvilket er en betydelig forbedring i forhold til eksisterende helt innleirede paneler eller delvis innleirede paneler.

Denne panelform blir fremstilt ved bruk av en form 4 med lignende utformning som den vist på fig. 8. Formen har kanaler 5 i bunnstykket, idet kanalene er anordnet med den endelige geometri for elementene i panelet. Elementet 1 er enten viklet på en sjablon eller en sjablon stikkes inn gjennom kjernen av elementet 1. Sjablonen kan være av kartong eller et annet materiale som ved oppvarming av panelet vil brenne eller smelte bort. Vaselin eller et annet maskeringsmiddel plasseres i formkanalen 5 for å maskere de områder av elementet 1 som skal være helt fritt for ildfast materiale. Elementet 1 og dets sjablon plasseres i kanalene 5 i formen 4. Ildfast keramisk materiale tømmes deretter i formen og tillates å herde, og det ildfaste materiale, elementet og sjablonen fjernes deretter fra formen. Alternativt kan formen vibreres umiddelbart etter at det støpbare, ildfaste materiale er tømt i den for å frigjøre innesluttet luft og la det støpbare, ildfaste materiale sette seg. Ved oppvarming av panelet, enten ved å føre strøm gjennom tråden eller føre hele panelet gjennom en ovn, brennes eller smeltes sjablonen bort og etterlater bare panelet og elementet.

Hvis panelet omfatter en rekke forbundne seksjoner av spiral-elementer, (f.eks. som på fig. 4) blir fortrinnsvis forbindelsestrådene også blottlagt for å unngå varmepunkter. Dette kan ganske enkelt gjøres ved oppbygning av voks eller et annet maskeringsmiddel på formen for å dekke forbindelses-tråden og før støping. Ved brenning smeltes voksen ut og fri-legger tråden.

Fig. 6 viser en ytterligere form for en varmeinnretning i form av et panel i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Panelet omfatter et varmeelement 1 helt innleiret i et lag 6 av et varmeledende, elektrisk isolerende ildfast materiale, i dette tilfelle ildfast silisiumkarbid bestående av f.eks. 70% silisiumkarbid og 30% ildfast sement. Dette lag støttes av et varmeisolerende lag 7 som kan være av støpbart, ildfast materiale som tidligere beskrevet.

Panelet fremstilles ved å støpe et lag av varmeledende ildfast materiale, sette elementet 1 på plass og støpe mer varme ledende ildfast materiale over for å dekke elementet 1, hvoretter det tillates å herde, for så å støpe det varmeisolerende ildfaste materiale 7 for å danne en bakstøtte. Alternativt kan dette gjøres omvendt, idet bakstøtten støpes først. Bruk av et varmeledende, elektrisk ikke-ledende lag resulterer i forbedret varmeoverføring fra varmeelementet til det omgivende ildfaste'materiale. Dette har en rekke viktige fordeler. For det første fås enøkning i varmeeffektiviteten,

noe som fremgår av de reduserte temperaturer på baksiden gitt i tabell 1, noe som skyldes forbedring med hensyn til varmetap fra forsiden av panelet.

For det annet gir forbedret varmeoverføring en jevnere varme-produksjon over fronten av et panel (for en gitt ovnskonstruk-sjon), noe som kan hjelpe til å forlenge levetiden av elementene 1 og også tillate å nå høye temperaturer med dette helt innleirede panel, mens man holder seg innenfor element-produsentens spesifiserte trådtemperaturer. For eksempel kan et helt innleiret panel som bruker "Kanthal" Al-tråd og en forside av ildfast silisiumkarbid, kjøres ved 1200°C som er ca. 100°C høyere enn tidligere kjente helt innleirede paneler og tilsvarer temperaturen til de kjente, delvis innleirede paneler. Med hensyn til beskyttelsen gitt av innleiringen er dette en betydelig fordel.

For å øke strålingseffektiviteten til denne panelform (eller et hvilket som helst helt innleiret panel) kan elementene 1 være delvis eller helt innleiret i rygger 8 hevet opp fra overflaten til panelets basis. Fig. 7 viser elementene 1 løftet helt opp i rygger 8 bestående av varmeledende, elektrisk isolerende<*>materiale. Slike rygger 8 kan enten være hevet opp fra et lag av det samme materiale 9 eller kan danne separate land på det varmeisolerende bakstykke 7. Et slikt panel kan fremtilles ved bruk av formen på fig. 8 ved å

støpe en liten mengde av det varmeledende ildfaste materiale inn i bunnen av kanalene 5, sette inn elementene 1 i kanalene 5 og støpe ytterligere varmeledende, ildfast materiale for å innleire elementene 1 og deretter støpe det varmeisolerende, ildfaste materiale 7 for å danne bakstøtten.

Formen 4 er fremstilt av vakuumformet plastmateriale såsom ABS (akrylonitrilbutadienstyren). Materialet må ha tilstrekke-lig tykke vegger 10 til å støtte sidetrykket av den våte, ildfaste blanding - en passende tykkelse er f.eks. ca. 2,4 mm. En omkretsflens 11 hjelper til med å gi motstand mot deforma-sjon under støpingen. Støping av disse paneler ved bruk av en slik form gir en rekke fordeler; for det første at hete-siden av panelet har en glattere finish enn eksisterende produkter, for det annet at mer komplekse profiler er mulige og for det tredje at formene lett kan skilles fra panelet etter støping.

Det er også mulig å fremstille slike paneler ved å bruke en form lik den på fig. 8, men med hull ved en ende av hver kanal 5 for å motta en plaststavsjablon 13 som vist på fig.

9. Fremgangsmåten som benyttes består i å plassere elementet i bunnen av hver kanal 5, bruk av et maskeringsmiddel såsom vaselin som beskrevet ovenfor, innsetting av plaststenger gjennom hullene (ikke vist), støping av det ildfaste materiale i formen, og når det ildfaste materiale delvis er herdet, uttrekking av piaststengene 13. Dette resulterer i et panel som vist på fig. 10 og som har nedsenkede spor 14 på linje med varmeelementspiralene.

Sammenlignende prøver er også blitt utført med et panel som vist på fig. 5 og som beskrevet ovenfor og et panel fremstilt med spiralen med åpen kjerne liggende fullstendig under overflaten av det ildfaste materiale, men åpen mot denne overflate, f.eks. som i DE-PS 3206508. Panelene var ellers identiske.

Et par av paneler ble benyttet i hver prøve, idet hvert

panel var 152 x 152 x 25 mm og hadde en avstand på 100 mm. Ovnsisolasjonen besto av 11.4 mm tykke ildfaste fliser, og panelene var støttet av et 12 mm's lag av keramisk fibermatte. Temperaturene til elementet, panelforsiden, panelbaksiden

og ovnsrommet (dvs. rommet mellom panelene) ble målt. Detaljer for resultatene av disse prøver er gitt nedenfor.

Prøve A Panel i henhold til oppfinnelsen (elementet over det ildfaste materiales hovedoverflate)

Elementtemperatur: 1300°C

Ildfast materiales forsidetemperatur: 1292°C

Ildfast materiales baksidetemperatur: 1081°C Temperaturforskjell: 211°C

Ovnstemperatur: 1240°C

Effekt på panelene: 429 watt pr. panel = 858 watt totalt Elementlevetid: Panelene ble testet i 672 timer.

Testen ble avsluttet med begge elementer fortsatt i god stand.

Prøve B Panel med element med åpen kjerne helt innleiret rett under hovedoverflaten av det ildfaste materiale (kjent teknikk)

Elementtemperatur: 1300°C

Ildfast materiales forsidetemperatur: 1280°C Ildfast matériales baksidetemperatur: 1122°C Temperaturforskjell: 158°C

Ovnstemperatur: 1250°C

Effekt på panelene: 431 watt pr. panel = 862 watt totalt Elementlevetid: Panel 1-5 timer

Panel 2 - 12,5 timer

Midlere levetid - 8,75 timer

Av dette kan det ses at:

a) temperaturforskjellen mellom baksiden og forsiden av et panel i henhold til oppfinnelsen er høyere enn den

for et panel hvor elementet med åpen kjerne ligger under det ildfaste materiales overflate. Dette betyr at mindre

energi går tapt gjennom baksiden av panelet, og

b) levetiden for et panel i henhold til oppfinnelsen er høyere enn den for et panel hvor elementet med åpen

kjerne er under den ildfaste overflate. Dette antas å skyldes forbedret utstråling fra elementet - og den høyere forsidetemperatur på panelet i henhold til oppfinnelsen støtter dette.

Claims (8)

1. Varmepanel omfattende et elektrisk varmeelement helt innleiret i en basis av ildfast materiale, karakterisert ved at elementet er innleiret i et område av ildfast materiale med høy varmeledningsevne, sammenhengende støttet av ildfast materiale med lav varmeledningsevne .

2. Varmepanel i henhold til krav 1, karakterisert ved at området med høy varmeledningsevne består av silisiumkarbid i en støpbar, ildfast grunnmasse.

3. Varmepanel i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at elementet og det omgivende ildfaste materiale med høy varmeledningsevne er helt eller delvis hevet over den generelle overflate for basis.

4. Oppvarmingsinnretning, karakterisert ved at den består av et elektrisk varmeelement i form av en spiral understøttet av og festet på en basis av støp-bart, ildfast materiale ved hjelp av ribber støpt sammen med basisen og rundt en del av spiralens omkrets, idet materialet i basisen støpes mellom tilstøtende vindinger av spiralen og ved at spiralens kjerne holdes fri for det ildfaste materiale og åpen mot innretningens overflate, idet minst en del av spiralens omkrets er hevet over panelets omgivende overflate .

5. Oppvarmingsinnretning i henhold til krav 4, karakterisert ved at den omfatter en rekke forbundne spiraler, hvor forbindelsestrådene mellom spiralene er frilagt i overflaten av innretningen.

6. Fremgangsmåte for å fremstille en oppvarmingsinnretning i henhold til krav 4, karakterisert ved at den omfatter følgende trinn: i) dannelse av en spiral på en sjablon inne i spiralen, ii) fremstilling av en form som omfatter en eller flere overflater for å definere oppvarmingsinnretningen og kanaler i overflatene for å motta spiralen, iii) plassering av spiralen i kanalene i formen, slik at maskerte partier av spiralen er nær kanaloverflaten, iv) fylling av formen med ildfast materiale til ønsket nivå for å forme en basis for varmeinnretningen, v) fjerning av varmeinnretningen fra formen, og vi) fjerning av sjablonen og maskeringen.

7. Fremgangsmåte til fremstilling av en varmeinnretning i henhold til krav 5, bestående av trinnene i henhold til krav 6, karakterisert ved at det bygges opp voks eller et annet maskeringsmiddel fra formen til for-bindelsestråden før formen fylles med ildfast materiale.

8. Fremgangsmåte til fremstilling av en varmeinnretning i henhold til krav 3, karakterisert ved at det benyttes en form som omfatter en eller flere overflater for å definere varmeinnretningen og kanaler i overflaten og for å definere varmeelementenes geometri, at et lag av ildfast materiale med høy varmeledningsevne støpes i formens kanaler, at elementene i kanalene plasseres nær laget av ildfast materiale med høy varmeledningsevne, at det støpes et lag av ildfast materiale med høy varmeledningsevne for å innleire elementet, og at det så stø pes et støttelag av ildfast materiale med lav varmeledningsevne.