2.2 Электрические инфракрасные нагреватели

Электрические инфракрасные нагреватели относятся к классу нагревательных элементов, широко применяемых в электропечах сопротивления. В нагревательных элементах происходит превращение электрической энергии в тепловую, передаваемую в дальнейшем нагреваемым изделиям излучением, конвекцией или теплопроводностью. Нагревательные элементы являются одной из важнейших частей всякой электрической печи сопротивления, от их надежности в значительной степени зависит надежность ее работы. Работа нагревателей происходит обычно в очень тяжелых температурных условиях, часто при предельно допустимых для материала, из которого они выполнены, температурах. Поэтому если срок службы остальных механизмов и деталей печей (кроме жароупорных деталей, находящихся в зоне высоких температур) исчисляется многими годами, то нагревательные элементы выходят из строя и требуют замены часто уже через один - два года. Такая недолговечность нагревателей приводит к частым ремонтам и простоям печей и снижает их надежность, кроме того, нагреватели выполняются из дорогих и дефицитных материалов и стоимость их является весьма существенной составляющей себестоимости нагрева. Поэтому увеличение срока службы нагревательных элементов электрических печей сопротивления является важной задачей.

Нагревательные элементы большинства промышленных печей выполняются либо из ленты, либо из проволоки [11]. На рис. 2.6 показаны устройства обычных нихромовых проволочных нагревателей, принятые конструкции их закрепления на своде, на стенках и в поду печи и конструкция выводов. Обычно для изготовления нагревателей промышленных печей применяется проволока диаметром от 3 до 7 мм. Однако для печей с рабочей температурой 1000 ⁰С и выше не следует брать проволоку диаметром менее 5 мм.

Применяемый ассортимент проволоки и ленты для нагревательных элементов дан в [17]. Соотношения между шагом h спирали и ее диаметром D и диаметром проволоки d (рис. 2.6 к) выбираются таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость и в то же время не затруднить теплоотдачу от них к изделиям. Чем больше диаметр спирали и чем меньше ее шаг, тем легче разместить в печи нагреватели, но с увеличением диаметра уменьшается прочность спирали, увеличивается опасность межвиткового короткого замыкания. С другой стороны, с уменьшением шага намотки увеличивается экранирующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности для теплоотдачи. Практика установила вполне определенные, рекомендуемые соотношения между диаметром проволоки, шагом и диаметром спирали для проволоки от 3 до 7 мм диаметром. Эти соотношения следующие: D=(2÷4)d для нихрома и D=(4÷6)d для менее прочных железохромоалюминиевых сплавов [11].

Для более тонких проволок отношение диаметров спирали и проволоки, а также шаг спирали обычно берется больше. Эти соотношения относятся к спиралям, уложенным па полочках (для того чтобы спирали не провисала, следует их привязывать через 300—500 мм к вделанным в кладку крючкам) и в пазах футеровки стен и свода, а также в подовых камнях.

Рис. 2.6. 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 пазах и в пазах пода; ж — проволочная спираль на керамических полочках; з — проволочная спираль на керамической трубке; и — вывод проволочного нагревателя; к—условное обозначение размеров проволочного нагревателя.

В последнее время, однако, все большее распространение получают спиральные нагреватели на керамических трубках (рис. 2.7). Такие нагреватели с точки зрения излучения и размещения мощности на стенках печи практически эквивалентны свободно излучающим спиралям и, существенно эффективнее, чем спирали в пазах или на полочках. С другой стороны, в них каждый виток опирается на поверхности трубки, что гарантирует его работоспособность при провисании. Так как в таком нагревателе отдельные витки не могут лечь друг на друга, то при необходимости в нем можно доводить отношение диаметра спирали к диаметру проволоки до 10, а для железохромоалюминиевых сплавов - до 8. Особенно благоприятна эта конструкция для последних, так как позволяет материалу свободно расширяться. Кроме того, как показывает рис. 2.7, разработаны конструкции полочных нагревателей на керамических трубках для установки их не только на стенках печи, но и в своде, и в полу, причем в последних случаях нагреватели могут выполняться в виде выемных рамок. Такие рамки могут легко вставляться в печь и заменяться при перегорании запасными без остановки печи. Таким образом, конструкция проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках является универсальной и с точки зрения применения материалов, и по расположению нагревателей в камере печи. Отношение внутреннего диаметра спирали к наружному диаметру трубки у таких нагревателей может быть принято равным примерно 1.1 – 1.2, расстояние между осями трубок 1.5—2 внешнего диаметра спирали [11].

Рис. 2.3. Конструкции проволочных спиральных нагревателем на керамических трубках: а — сводовые нагреватели; б — трубки на боковых стенках, крепление на жаропрочных подвесках; в — то же в пазах керамических полочек; г — трубки в поду.

Для электрокалориферов и печей с принудительной циркуляцией воздуха применять спиральные нагреватели на керамических трубках менее желательно так как это снижает коэффициент теплоотдачи нагревателя, применение же спиралей на полочках или в пазах футеровки по этой же причине совершенно недопустимо (за исключением случаев, когда газовый поток может быть направлен вдоль спирали, по направлению ее оси). В таких печах лучше применять конструкции со свободно обдуваемыми спиралями, зажатыми между изоляторами через определенные интервалы или привязываемые к последним (рис. 2.8). Если же применять в таких конструкциях спиральные нагреватели на керамических трубках (при более высоких температурах), то следует увеличивать отношение диаметра спирали к диаметру трубки до 1,5.

Рис. 2.8. Конструкции проволочных (a) и ленточных (б) нагревательных элементов электрокалориферов.

Ленточные нагреватели выполняются в виде зигзагов различных размеров и крепятся на металлических (из жароупорной стали или нихрома) или керамических крючках (рис. 2.9). Металлические крючки вмазываются в кладку стен (в швы между кирпичами или в пазы специальных кирпичей), керамические представляют собой отростки специальных камней, закладываемых в кладку. Для того чтобы в нижней части зигзаги при короблении не замыкались, между ними помещают разделители, представляющие собой шамотные или алундовые керамические втулки, надеваемые на жароупорные или нихромовые штыри, вмазываемые в кладку. Втулки крепятся на штырях нихромовыми шплинтами. При керамических крючках разделители также выполняют целиком керамическими (рис. 2.9 а).

На рис. 2.9 з показана конструкция выемных керамических крючков и разделителей. Такая конструкция весьма целесообразна, так как позволяет легко осуществить замену крючков при выходе из строя.

Рис. 2.9. Конструкции ленточных нагревателей: 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: ч — низкотемпературный рамочный элемент; ж — нагреватель плоскач полка на керамических трубках; 3 — ленточный зигзагообразный нагреватель на выемних крючках; и — условное обозначение размеров ленточного зигзагообразного нагревателя.

Ленточные зигзагообразные нагреватели могут устанавливаться также на боковых стенках печи па керамических полочках, однако, эта конструкция по размещаемой на стене удельной мощности и по степени экранирования нагревателей еще менее целесообразна, чем конструкция проволочных нагревателей на полочках. К этому следует добавить, что керамические полочки вообще плохо себя зарекомендовали в эксплуатации, так как при их поломках для замены поврежденной полочки требуется перекладывать кладку (рис. 2.9 г).

В своде или в поду ленточные нагреватели могут укладываться в пазы кладки, образуемые специальными фасонными камнями (балками - рис. 2.9 б и в). Такие нагреватели могут выполняться также в качестве выемных рамок (рис.2.9 д). Кроме того, при арочном своде ленточные зигзаги могут подвешиваться на выемных металлических крючках.

В электрокалориферах и печах с принудительной циркуляцией воздуха ленточные нагреватели должны выполняться так, чтобы поверхность нагревателя была максимально доступна обдуванию газовым потоком. Пример такой конструкции дан на рис. 2.8 б.

Чем меньше шаг ленточных зигзагообразных нагревателей, тем более длинный нагреватель можно разместить в печи, но тем больше взаимоэкранирование витков, тем хуже используется поверхность ленты. Поэтому установились принятые размеры ленточных зигзагообразных нагревателей, обеспечивающие достаточную их прочность к малое взаимоэкранирование. С этой целью стараются удовлетворить следующим соотношениям (обозначения по рис. 2.9 и) [20]:

;

наиболее употребительное отношение ширины ленты к ее толщине равно 10. Шаг зигзага h≥1.8b, радиус закругления ленты во избежание ее поломки при изгибе r≥3a.

Для температуры нагревателя до 1000 ⁰С в промышленных печах применяют ленту размером не менее 1×10 мм, при более высоких температурах - не менее 2×20 мм.

При температуре до 1000°С высота зигзага В на стене может изменяться в пределах от 150 до 400— 600 мм, однако па каждые 200 мм требуется свой ряд разделителей, т. е. при 200 - 400 мм - один ряд разделителей, а при 400 - 600 мм - два ряда [11]. На своде и в поду во избежание полегания нагревателей высота зигзага В должна быть ограничена 250 мм. Эти рекомендации могут быть распространены и на железохромоалюминиевые сплавы.

Для температуры нагревателя от 1000 до 1100 ⁰С указанные предельные размеры могут быть сохранены для сплава Х20Н80 и Х20Н80Т, для железохромоалюминиевых сплавов размер В при вертикальном положении зигзага следует ограничить 250 мм, а при горизонтальном 150 мм.

Для температуры нагревателя свыше 1100 ⁰С единственно приемлемой как для свода, так и для пода конструкцией ленточных нагревателей является плоская волна на керамических трубочках (рис. 2.7 ж). Длину зигзага в этом случае можно принимать равной 75—100 мм. Для нагревателей на боковых стенках можно применить конструкцию с керамическими крючками, ограничив высоту зигзага 150 мм.

В последние годы довольно широкое применение получили проволочные зигзагообразные нагреватели. Для этих нагревателей шаг зигзага h берется равным (5—9)d [11].

При применении железохромоалюминиевых сплавов в печах с рабочей температурой свыше 1000 ⁰С все части огнеупорной кладки, могущие придти в соприкосновение с нагревателями (керамические крючки и разделители, полочки, трубки, пазы и т. п.), должны выполняться из высокоглиноземистых материалов с минимальным содержанием окислов железа.

Выводы нагревателей до температуры 1000 ⁰С выполняются из жароупорной стали, хромоникелевой или хромистой, для более высоких температур - из сплава ОХ23Ю5А (ЭИ-595). Для этой цели берут катанку, пруток сечением, равным 3 - 4- кратному сечению нагревателя, с тем чтобы уменьшить в выводах выделение тепла. Часть вывода, находящаяся в зоне невысоких температур, в целях экономии дорогих материалов может быть выполнена из обычной углеродистой стали.

В ленточных зигзагообразных нагревательных элементах все же сравнительно велико взаимоэкранирование отдельными зигзагами друг друга, даже при шаге, превышающем двойную ширину ленты. Выгоднее было бы сконструировать нагреватели таким образом, чтобы лента была обращена к изделию своей широкой стороной, но это требует очень много сварки, так как каждый поворот ленты имеет по два сварочных шва и конструкция нагревателя получается дорогой и склонной к короблению. Поэтому хотя такие нагреватели и применяются в отдельных случаях, но лишь для небольших печей. Они дают существенную экономию материала по сравнению с ленточными и особенно проволочными нагревателями и позволяют получить несколько большую удельную поверхностную мощность стены при одинаковой затрате материала.

К плоским нагревателям приближаются и литые ободовые нагреватели, отливаемые из нихрома и подвешиваемые на специальных крючках (рис. 2.10). Литые нагреватели могут, естественно, изготавливаться лишь крупных сечений, и поэтому они применяются либо в крупных печах, либо требуют пониженного напряжения. Преимуществом их являются высокая надежность и большой срок службы, измеряемый десятками тысяч часов. Обычно же считается, что правильно рассчитанные и сконструированные нихромовые нагреватели должны работать от 6000 до 12000 ч (под током) [11].

Рис. 2.10. Стержневые трубчатые нагреватели

В муфельных и трубчатых печах проволочные и ленточные нагреватели наматываются непосредственно па керамический муфель или трубку, причем, для того чтобы витки намотки при расширении от нагрева не ослабевали и не сдвигались с места, керамика снабжается пазами, в которые и закладывается лента или проволока. Другой способ закрепления витков нагревателя на керамике заключается в обмазке последней после намотки слоем огнеупорной глины с шамотом.

В печах до температуры 400 - 500 ⁰С встречается значительно больше типов нагревателей. Помимо открытых прополочных спиральных и ленточных, зигзагообразных нагревателей, таких же, как и в печах для более высокой температуры, имеются еще конструкции сменных нагревательных элементов, удобных тем, что из них можно набирать любые мощности, и в то же время при перегорании такие элементы легко заменяются запасными.

Стержневые трубчатые нагревательные элементы представляют собой комплект фарфоровых изоляторов, нанизанных на жароупорный или стальной стержень и помещенных в стальную трубу, заваренную с одного конца и закрытую выводным изолятором с другого. На фарфоровых изоляторах намотана нихромовая спираль, одним своим концом приваренная к выводу изолятора, а другим - к центральному стержню. Иногда пространство между трубой и нагревателем заполняют кварцевым песком. Такого рода нагреватели могут применяться до 400 - 500 °С, а при жароупорных трубах и до 1000°С и особенно удобны для крупных печей, в которых необходимо защитить нагреватель от механических повреждений или от действия разъедающих паров (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Стержневые трубчатые нагреватели.

Большой интерес представляют собой так называемые "трубчатые", или "иммерсионные", нагревательные элементы (рис. 2. 12). Они состоят из стальной трубки, по оси которой расположена нихромовая спираль, приваренная к выводным болтам у концов нагревателя. Пространство между спиралью и стенками трубки заполняется периклазом - кристаллической окисью магния, обладающей хорошей электроизоляционной способностью и одновременно высокой теплопроводностью.

Рис. 2.12. Трубчатые нагреватели.

Очень широкое распространение трубчатые нагреватели получили для изготовления бытовых нагревательных приборов.

Трубчатые нагреватели выполняют на мощности от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт.

Одним из основных факторов, обусловливающих срок службы нагревателей, является максимальная температура, при которой им приходится длительно работать. Температура нагревателей выше заданной температуры нагрева изделий на значение температурного перепада нагреватель - изделие, зависящего от условий теплопередачи между ними. При правильном расчете нагревателей это значение не должно быть большим, а при неправильном может достигать сотен градусов. Между тем при высоких рабочих температурах повышение температуры нагревателей на 30—50 ⁰С в работе может существенно снизить их срок службы.

Срок службы нагревательных элементов зависит от целого ряда факторов: от рабочей температуры, характера ее изменения во времени, конструкции и размеров нагревателя, воздействия на него окружающей атмосферы. Он может быть обусловлен постепенным окислением материала в работе (или его распылением, если речь идет о благородных металлах или нагревателях, работающих в вакууме или в защитной атмосфере) или потерей им механической прочности.

Применяемые для нагревателей материалы образуют при нагреве плотные окисные пленки, защищающие основной материал от дальнейшего окисления, поэтому до определенных (для каждого материала) температур окисление развивается крайне медленно, а после перехода через этот температурный уровень процесс резко ускоряется. Так же протекает и распыление материалов в вакууме или защитной атмосфере. Максимально допустимой температурой данного материала следует признать ту температуру, начиная с которой резко усиливается процесс окисления или распыления материала. Если перейти через этот уровень, то срок службы нагревательного элемента сильно сокращается.

При окислении нагревателя пленка окисла на нем (как правило неэлектропроводная или малоэлектропроводная) постепенно утолщается, а сечение металлической сердцевины уменьшается. Поэтому сопротивление нагревателя постепенно увеличивается, а выделяющаяся в нем мощность падает. Когда это уменьшение мощности становится существенным (около 10—15%), нагреватель приходится заменять на новый, его срок службы заканчивается.

Постепенный процесс роста сопротивления нагревателя в результате его окисления или распыления не всегда является причиной его замены. Очень часто нагреватель выходит из строя задолго до достижения его сопротивлением предельного значения. В нагревателе обычно имеются несколько ослабленных участков, мелкие трещины в местах перегиба, включения пленок окислов и тому подобное, в которых наблюдается местное увеличение, сопротивления. Такие участки с увеличенным сопротивлением вызовут местные перегревы в нагревателе и более интенсивное окисление в местах этих перегревов. Интенсивное окисление в свою очередь вызовет дальнейшее уменьшение сечения нагревателя в этих точках, дальнейший рост их температуры, процесс пойдет нарастающим темпом и приведет к перегоранию нагревателя в одной из таких точек. Аналогичный эффект может получиться, если поверхность нагревателя загрязнена, или он неправильно сконструирован, если теплоотдача некоторых его участков затруднена (например у заэкранированных огнеупорными опорами или крючками частей нагревателя), в результате чего образуются местные перегревы.

Такого рода местные перегревы не будут существенно сказываться на сокращении срока службы нагревателя в тех случаях, когда их абсолютные значения будут невелики и температуры наиболее нагретых участков не будут достигать значений, при которых начинается интенсивное окисление (или распыление) данного материала. Следовательно, надо стремиться к тому, чтобы между рабочей температурой нагревателя и его максимально допустимой температурой нагрева был известный запас, превышающий значение возможных местных перегревов. Если этот запас невелик, то следует свести эти местные перегревы к минимуму рациональной конструкцией и выбором больших сечений нагревателя, так как чем больше будут эти сечения, тем меньшими в процентном отношении будут местные сужения, тем меньше будет местный перегрев.

Причиной выхода нагревателя из строя может явиться также его недостаточная механическая прочность при высоких температурах, его склонность к ползучести или короблению. Например, если нагреватель сконструирован таким образом, что при рабочей температуре он начинает деформироваться под действием собственного веса (вытягивание петель висящего на крючках нагревателя, коробление спиралей нагревателя), то могут получиться замыкания соседних витков или петель, образование в этих местах дуг и как следствие перегорание нагревателя или просто местные утончения сечения в результате вытягивания с образованием опять-таки местных перегревов.

Наконец, нагреватель может быть выведен из строя в результате химического взаимодействия при рабочей температуре с материалами футеровки печи, с которыми он соприкасается, или с ее атмосферой.

Работа каждого материала в нагревательных элементах электрической печи сопротивления может быть охарактеризована двумя температурами рекомендуемой рабочей температурой и максимально допустимой температурой.

Максимально допустимая температура материала соответствует той температурной границе, за которой начинается его интенсивное окисление или распыление и, следовательно, резкое сокращение срока службы. Рекомендуемая температура лежит ниже максимально допустимой. В области, ограниченной рекомендуемой температурой материала, срок службы нагревателя достаточно велик, для металлических сплавов около 12000—15000 ч. В этой области не страшны ограниченные местные перегревы, так как даже при значительных их размерах температура нагревателя не превзойдет максимально допустимого значения; следовательно, при таких температурах можно применять малые сечения нагревателей. Естественно, что во всех случаях, когда это возможно, следует рассчитывать нагреватели именно таким образом, чтобы их расчетная температура не превосходила рекомендуемой.

Во многих случаях, однако, приходится превышать рекомендуемые температуры именно тогда, когда переход на более жаростойкий материал затруднен вследствие его непригодности для работы в данных условиях или из экономических соображений (например, для 1200 - 1300°С целесообразно применить во многих случаях сплавы ОХ23Ю5Л (ЭИ-595) или ОХ27Ю5А(ЭИ626) [20], несмотря па то, что их работа будет протекать при максимально допустимых для этих сплавов температурах и их срок службы будет ограниченным, так как более жаростойкие карборундовые или дисилицидовые нагреватели также имеют короткий срок службы; кроме того, они значительно менее удобны в эксплуатации, дороги и требуют регулирования подводимого напряжения, а молибден и вольфрам дороги я дефицитны и нуждаются в защитной атмосфере.

При таком режиме работы срок службы нагревателя будет определяться в основном местными перегревами и его механической нагрузкой, поэтому в этих случаях следует избегать малых сечений нагревателей (проволоки диаметром менее 4 мм, ленты толщиною менее 2 мм), заботиться при конструировании нагревательного элемента о том, чтобы разгрузить его от механических напряжений (горизонтальное расположение ленточных зигзагов на сплошных опорах, ограниченная длина зигзага при подвеске его на крючках, ограниченный диаметр спирали для проволочного спирального нагревателя) и исключить возможность замыканий соседних витков при короблении.

Характер работы нагревателя, частота его нагревов и охлаждений также должен сказываться на значениях рекомендуемых и особенно максимально допустимых температур. Чем чаще изменения температуры жароупорного сплава, тем быстрее протекает его окисление. Объясняется это тем, что при частых периодических нагревах и остываниях благодаря различным коэффициентам расширения металла и оксидной пленки последняя лопается и образует трещины, по которым кислород воздуха достигает более глубоких, неокисленных слоев металла.

В табл. 2.1 приведены рекомендуемые и максимально допустимые температуры наиболее часто применяемых материалов для нагревательных элементов. Под непрерывным режимом и табл. 2.2 подразумевается круглосуточная непрерывная работа (методические печи), под прерывистым - включение и отключение печи несколько раз в сутки с существенным ее остыванием.

Из вышеизложенного следует, что срок службы нагревателей весьма сильно зависит от температуры, при которой они работают, поэтому при выборе для них материала следует учитывать максимально возможную температуру их работы.

Таблица 2.2Рекомендуемая и максимально допустимая температуры нагревателей [21]

Наименование материала нагревателя	Рекомендуемая температура		Максимально допустимая температура
	Непрерывный режим	Прерывистый режим	Непрерывный режим	Прерывистый режим
Х20Н8О и Х20Н80Т	1050	1000	1150	1100
Х15Н60	950	900	1050	1000
Х25Н20, X23H18 (ЭИ-417)	850	800	1000	950
Х13Ю4 (фехраль)	750	650	900	800
ОХ23Ю5А (ЭИ-595)	1050	1000	1200	1150
ОХ27Ю5А (ЭИ-626),	1150	1100	1300	1250
Карборундовые нагреватели	1350	1300	1450	1400
Нагреватели из дисилицида молибдена	1550	1500	1700	1650

Примечание. Данные табл. 2.1 относятся к металлическим нагревателям с диаметром проволоки 4 мм или толщиной ленты в 2 мм. При увеличении сечения нагревателей (проволока 7—10 мм, лента шириной 3 мм) приведенные в табл. 2.1 значения рекомендуемых и максимально допустимых температур могут быть увеличены на 50 ⁰С. При малых сечениях (диаметре проволоки 1.0 мм, толщине ленты 0,5 мм) эти значения должны быть снижены на 50 ⁰С (например, в бытовых электронагревательных приборах).

3. Экспериментальное исследование температурных полей инфракрасного нагревателя, ИТФ "Элмаш-микро"

Цель исследования: установление распределения температурных полей в помещении, обогреваемых инфракрасным обогревателем ИТФ "Элмаш-микро", определение времени разогрева обогревателя.