Співвідношення між кроком h спіралі і її діаметром D і діаметром дроту d (рис. 1, к) вибираються таким чином, щоб полегшити розміщення нагрівачів в печі, забезпечити достатню їх жорсткість і в той же час не утруднити надто тепловіддачу від них до виробів.
Чим більше діаметр спіралі і чим густіше її крок, тим легше розмістити в печі нагрівачі, але зі збільшенням діаметра зменшується міцність спіралі, збільшується схильність її витоків лягти один на одного. З іншого боку, зі збільшенням густоти намотування збільшується екранує, зверненої до виробів частини її витоків на інші і, отже, погіршується використання її поверхні.
Мал. 1. Дротяні нагрівачі: а - дротяний зигзагоподібний нагрівач на металевих гачках на боковій стінці: б - дротяний зигзагоподібний нагрівач в поду, в - те ж в зведенні, г - то ж на керамічних поличках, д - дротова спіраль на виступаючих цеглинах бічної стіни з прив'язкою до гачків, е - дротова спіраль в сводових каменях і в лазах пода, ж - дротова спіраль на керамічних поличках, з - дротова спіраль на керамічній трубці, і - висновок дротяного нагрівача, до - умовне позначення розмірів проволоч ного нагрівача.
Для більш тонких дротів відношення діаметрів спіралі і дроту, а також крок спіралі зазвичай беруться більше. Ці співвідношення відносяться до спіралям, покладеним на поличках (для того щоб спіралі НЕ витріщає, слід їх прив'язувати через 300 - 500 мм до вправленим в кладку гачкам) і в пазах футеровки стін і склепіння, а також в сводових каменях.
Останнім часом, однак, все більшого поширення набувають спіральні нагрівачі на керамічних трубках (рис. 2). Такі нагрівачі з точки зору випромінювання і розміщення потужності на стінках печі практично майже еквівалентні вільно випромінюють спіралям і, навпаки, вони істотно ефективніше, ніж спіралі в пазах пли на поличках.
З іншого боку, в них кожен виток спирається на поверхню трубки, і якщо навіть він кілька провисає (набуває овальність) при нагріванні, то від цього його працездатність не знижується. Так як такий нагрівач, отже, менш завантажений в порівнянні з іншими і в ньому окремі витки не можуть лягти один на одного, то при необхідності в ньому можна доводити ставлення діаметра спіралі до діаметру дроту до 10, а для железохромоалюмінневих сплавів - до 8.
Мал. 2. Конструкції дротяних спіральних нагрівачів на керамічних трубках: а - склепінні нагрівачі, б - трубки на бічних стінках, кріплення на жаротривких підвісках, в - те ж в пазах керамічних стовпчиків, г - трубки в поду.
Особливо сприятлива ця конструкція для останніх, так як дозволяє вільно розширюватися матеріалу. Крім того, як показує рис. 2, розроблені конструкції дротяних нагрівачів на керамічних трубках для установки їх не тільки на стінках печі, але і в зведенні, і в поду, причому в останніх випадках нагрівачі можуть виконуватися у вигляді виймальних рамок, такі рамки можуть легко вставлятися в піч і замінюватися при перегорання запасними без зупинки печі.
Таким чином, конструкція дротяних спіральних нагрівачів на керамічних трубках є універсальною і з точки зору застосування матеріалів, і по розташуванню нагрівачів в камері печі. Ставлення внутрішнього діаметра спіралі до зовнішньому діаметру трубки у таких нагрівачів може бути прийнято рівним приблизно 1,1-1,2, відстань між осями трубок 1,5-2 діаметра спіралі.
Для електрокалориферів печей з примусовою циркуляцією повітря застосовувати спіральні нагрівачі на керамічних трубках менш бажано, так як це знижує коефіцієнт тепловіддачі нагрівача, застосування ж спіралей на поличках або в пазах футеровки з цієї ж причини абсолютно неприпустимо (за винятком випадків, коли газовий потік може бути направлений уздовж спіралі, у напрямку її осі).
У таких печах краще застосовувати конструкції з вільно обдуваються спіралями, затиснутими між ізоляторами через певні інтервали або прив'язувати до останніх (рис. 3). Якщо ж застосовувати в таких конструкціях спіральні нагрівачі на керамічних трубках (при більш високих температурах), то слід збільшувати відношення діаметра спіралі до діаметру трубки до 1,5.
Мал. 3. Конструкції (а) дротяних і (б) стрічкових нагрівальних елементів електрокалориферів.
Стрічкові нагрівачі виконуються у вигляді зигзагів різних розмірів і кріпляться на металевих (з жаротривкої стали або ніхрому) або керамічних гачках (рис. 4). Металеві гачки вмазують в кладку стін (в шви між цеглинами або в пази спеціальних цегли), керамічні представляють собою відростки спеціальних каменів, які закладаються в кладку.
Для того щоб в нижній част і зигзаги при викривленні не замикається, між ними поміщають роздільники, що представляють собою шамотні або алундові керамічні втулки, що надягають на жаротривкі або ніхромові штирі, вмазують в кладку. Втулки кріпляться на штирях Ніхромовий шплинтами. При керамічних гачках роздільники також виконують цілком керамічними (рис. 4, а).
На рис. 4, з показана конструкція виймальних керамічних гачків і роздільників. Така конструкція дуже доцільна, так як дозволяє легко здійснити заміну гачків при виході з ладу.
Стрічкові зиґзаґоподібні нагрівачі можуть встановлюватися також на бічних стінках печі на керамічних поличках, однак, ця конструкція по розміщується на стіні питомої потужності і за ступенем екранування нагрівачів ще менш доцільна, ніж конструкція дротяних нагрівачів на поличках. До цього слід додати, що керамічні полички взагалі погано себе зарекомендували в експлуатації, так як при їх поломки для заміни пошкодженої полички потрібно перекладати кладку (рис. 4, г).
Мал. 4. Конструкції стрічкових нагрівачів: а - стрічкові зиґзаґоподібні нагрівачі на боковій стінці на металевих гачках, б - стрічковий зигзагоподібний нагрівач в поду. в - те ж в зведенні, г - то ж на керамічних поличках, д - виймальної високотемпературний рамковий елемент, е - низькотемпературний рамковий елемент, ж - нагрівач «плоска хвиля» на керамічних трубках, з - стрічковий зигзагоподібний нагрівач на виймальних гачках, і - умовне позначення розмірів стрічкового зиґзаґоподібного нагрівача.
У зводі або в поду стрічкові нагрівачі можуть укладатися в пази кладки, утворені спеціальними фасонними каменями (балкамі- рис. 4, б і в). Такі нагрівачі можуть виконуватися також в якості виймальних рамок (рис. 4-53, д). Крім того, при арковому зведенні стрічкові зигзаги можуть підвішуватися на виймальних металевих гачках.
У електрокалориферів печах з примусовою циркуляцією повітря стрічкові нагрівачі повинні бути встановлені таким чином, щоб поверхня нагрівача була максимально доступна обдування газовим потоком. Приклад такої конструкції дан на мал. 3, б.
Чим густіше стрічкові зиґзаґоподібні нагрівачі, тим довший нагрівач можна розмістити в печі, але тим більше взаімоекранірованіе витків, тим гірше використовується поверхню стрічки. Тому встановилися прийняті розміри стрічкових зиґзаґоподібних нагрівачів, що забезпечують достатню їх міцність і мале взаімоекранірованіе.
З цією метою намагаються задовольнити наступним співвідношенням (позначення по рис. 4, і): b / а = 5 ÷ 20, найбільш уживане відношення ширини стрічки до її товщині дорівнює 10. Крок зигзага h> 1,8b, радіус закруглення стрічки В іншому разі вона поломки при вигині r> За.
Для температур на нагрівачі до 1000 ° С в промислових печах застосовують стрічку розміром не менше 1X10 мм, при більш високих температурах- не менше 2X20 мм.
При температурах до 1000 ° С висота зигзага В на стіні може змінюватися в межах від 150 до 400 600 мм, однак на кожні 200 мм потрібно свій ряд роздільників, т. Е. При 200-400 мм - один ряд роздільників, а при 400 -600 мм - два ряди. На зводі і в поду щоб уникнути вилягання нагрівачів висота зигзага В повинна бути обмежена 250 мм. Ці рекомендації можуть бути поширені і на железохромоалюмініевие сплави.
Для температур на нагрівачі від 1000 до 1100 ° С зазначені граничні розміри можуть бути збережені для сплаву Х20Н80 і Х20Н80Т, для железохромоалюмініевих сплавів розмір В при вертикальному положенні зигзага слід обмежити 250 мм, а при горизонтальному 150 мм.
Для температур на нагрівачі понад 1100 ° С єдино прийнятною як для зведення, так і для пода конструкцією стрічкових нагрівачів є плоска хвиля на керамічних трубочках (рис. 2, ж). Довжину зигзага В в цьому випадку можна приймати на рівні 75-100 мм. Для нагрівачів на бічних стінках можна застосувати конструкцію з керамічними гачками, обмеживши висоту зигзага 150 мм.
В останні роки досить широке застосування отримали дротові зиґзаґоподібні нагрівачі. Для цих нагрівачів крок зигзага h береться рівним (5 ÷ 9) d.
Стрічкові зигзаги навивають зазвичай вручну за допомогою нескладного важеля пристосування. Спіралі навивають на токарному верстаті на гладку оправлення впритул, після чого отримана спіраль розтягується до потрібного кроку.
Мал. 5. Герметизований висновок нагрівача: 1 - корпус, 2, 6 - ізоляційні втулки, 3 - кільце розпору, 4 - азбестове ущільнення, 5 - накидна гайка, 7 - висновок нагрівача.
Так як після зняття спіралі з оправлення вона кілька розкручується, збільшуючи свій діаметр (приблизно на 1-3 мм), оправлення слід брати меншого діаметру, ніж розрахунковий. Це зменшення залежить від пружності матеріалу і його доводиться визначати для кожної партії дослідним шляхом. На електропечестроітельних заводах виготовлення зиґзаґоподібних нагрівачів ведеться на спеціальних верстатах.
Висновки нагрівачів до температури 1000 ° С виконуються з жаротривкої стали, хромонікелевої або хромової, для більш високих температур - зі сплаву 0Х23Ю5А (ЕІ-595). Для цієї мети беруть катанку, пруток перетином, рівним 3 4-кратному перетину нагрівача, з тим щоб зменшити в висновках виділення тепла. Частина виведення, що знаходиться в зоні низьких температур, з метою економії дорогих матеріалів може бути виконана зі звичайної вуглецевої сталі. Типова конструкція висновків для дротяних і стрічкових нагрівачів показана на рис. 5.
У стрічкових зиґзаґоподібних нагрівальних елементах все ж порівняно велике взаімоекранірованіе окремими зигзагами один одного, навіть при кроці, що перевищує подвійну ширину стрічки. Вигідніше було б сконструювати нагрівачі таким чином, щоб стрічка була звернена до виробу своєю широкою стороною, але це вимагає дуже багато зварювання, так як кожен поворот стрічки має по два зварювальних шва і конструкція нагрівача виходить дорогий і схильною до викривлення.
Тому хоча такі нагрівачі і застосовуються в окремих випадках, але лише для невеликих печей. Вони дають істотну економію матеріалу в порівнянні з стрічковими і особливо дротяними нагрівачами і дозволяють отримати трохи більшу питому поверхневу потужність стіни при однаковій витраті матеріалу.
У муфельних і трубчастих печах дротові і стрічкові нагрівачі намотуються безпосередньо на керамічний муфель пли трубку, причому, для того щоб витки намотування при розширенні від нагрівання не слабшали і не зсувалися з місця, кераміка забезпечується пазами, в які і закладається стрічка або дріт. Інший спосіб закріплення витків нагрівача на кераміці полягає в обмазці останньої після намотування шаром вогнетривкої глини з шамотом.
Мал. 6. Литі нагрівачі.
Мал. 7. Стрижньові трубчасті нагрівачі.
У печах до температур 400- 500 ° С зустрічається значно більше типів нагрівачів. Крім відкритих дротяних спіральних і стрічкових зиґзаґоподібних нагрівачів, таких же, як і в печах для більш високої температури, є ще конструкції змінних нагрівальних елементів, зручних тим, що з них можна набирати будь-які потужності, і в той же час при перегорання такі елементи легко замінюються запасними.
Стрижневі трубчасті нагрівальні елементи являють собою, комплект фарфорових ізоляторів, нанизаних на жаротривкий або сталевий стрижень і поміщених в сталеву трубу, заварену з одного кінця і закриту вивідним ізолятором - з іншого. На фарфорових ізоляторах намотана ніхромовий спіраль, одним своїм кінцем приварена до висновку ізолятора, а іншим - до центрального стрижня.
Іноді простір між трубою і нагрівачем заповнюють кварцовим піском. Такого роду нагрівачі можуть застосовуватися до 400-500 ° С, а при жаротривких трубах і до 1000 ° С і особливо зручні для великих печей, в яких необхідно захистити нагрівач від механічних пошкоджень або від дії роз'їдають парів (рис. 7).
Великий інтерес являють собою так звані «трубчасті» нагрівальні елементи (рис. 8). Вони складаються із сталевої трубки, по осі якої розташована нихромовая спіраль, приварена до вивідних болтів у кінців нагрівача. Простір між спіраллю і стінками трубки заповнюється периклазом - кристалічної окисом магнію, що володіє хорошою електроізоляційної здатністю і одночасно високою теплопровідністю. Виготовлення нагрівальних елементів ведеться наступним чином.
У підготовлену очищену сталеву трубку встановлюється строго по осі навита на сталевий пруток нихромовая спіраль, трубка зміцнюється вертикально на вібраційної машині н заповнюється пройшли магнітний сепаратор порошком периклаза. Потім пруток виймається з трубки і вона пропускається через кувальним машину, обстукував її молотками по колу, завдяки чому її діаметр зменшується, а периклаз дуже сильно ущільнюється.
На краях трубки закріплюються герметизовані вивідні ізолятори, після чого, завдяки ущільненню периклаза, вона може бути вигнута будь-яким чином і їй додана зручна форма. У такому вигляді трубчасті елементи можуть бути використані для нагріву повітря (електрокалорифери), масла, селітри і навіть для плавлення легкоплавких металів, таких як олово, свинець, бабіт. В останньому випадку, щоб уникнути швидкого роз'їдання стінки трубки металом вона заливається попередньо чавуном, що створює масивну пластину, всередині якої знаходиться трубчастий нагрівальний елемент.
Мал. 8. Трубчасті нагрівачі.
Застосування трубчастих нагрівачів для селітрових ванн дуже бажано, так як дає в порівнянні з ваннами з зовнішнім обігрівом зменшення витрати енергії, підвищення безпеки роботи ванн і величезну економію в ніхроми. Однак для задовільної роботи їх в селітрі, особливо при температурах в 500 ° С і вище, необхідно виконувати оболонку трубки подвійний, надягаючи на приготований нагрівач другу трубку, нікелеву, жаротривку.
При використанні в електрокалорифером для збільшення їх тепловіддачі повітрю вони виконуються ребристими.
Дуже широке поширення трубчасті нагрівачі отримали для виготовлення побутових нагрівальних приладів.
Трубчасті нагрівачі виконують на потужності від декількох сотень ват до декількох кіловат.
Дані випускаються нашою промисловістю трубчастих нагрівачів є в каталогах.