DE3338533T1 - Aufhängevorrichtung für Widerstandsheizelemente in Öfen - Google Patents

Description

BULTEN-KANTHAL AB A 37 825/kr

S-734 01 Hallstahammar 30. November 1983

Schweden

AUFHÄNGEVORRICHTUNG FÜR WIDERSTANDS-HEIZELEMENTE IN ÖFEN

Die Erfindung betrifft eine Aufhängevorrichtung für schleifenförmige Widerstandsheizelemente in Öfen, insbesondere öfen, die mit keramischen Faserstoffen isoliert sind. Keramische Faserstoffe bieten wesentliche Vorteile z.B. gute Isolation, niedrige Wärmekapazität und niedrigere Gesamtkosten als z.B.Stein. Keramische Faserstoffe weisen aber auch gewisse Nachteile auf z.B. starke Porosität, geringe Festigkeit und Brökelneigung.

Verschiedene Systeme für die Montage von Widerstandsheizelementen in mit keramischen Faserstoffen isolierten öfen sind vorgeschlagen worden. Die US-Patentschrift 4 272 638 beschreibt z.B. eine Vorrichtung zum Aufhängen meanderförmiger Elementschleifen an horizontalen keramischen Stabelementen. Die Stabelemente sind an der Ofenwand aus Faserstoffblöcken mit Befestigungselementen befestigt, die das Stäbelement an der Ofenwand halten. Das Stabelement ist in Längsrichtung genutet oder ausgespart, und in diesen Nuten oder Aussparungen sind die oberen Enden der meanderförmigen Schleifen befestigt. Bei diesem System ist aber das Montieren und Demontieren der Stabelemente ziemlich kompliziert.

Zweck der Erfindung ist die Angabe einer verbesserten Aufhängevorrichtung, die eine hohe Heizleistung pro Flächeneinheit der Ofenwand gestattet und mit der es möglich ist, die Widerstandsheizelemente einfach zu installieren und abzubauen, z.B. bei Aus-

besserungen der Ofenauskleidung. Ein weiterer Zweck ist,die weitgehende Verwendung von Standardteilen zu ermöglichen.

Diese Ziele werden erfindungsgemäß dadurch realisiert, daß die Tragvorrichtungen des im wesentlichen waagrechten Stabelementes Konsolen sind, welche das Stabelement in einem gewissen Abstand von den Ofenwänden halten, und dadurch, daß die Schleifen des Heizelementes enge Windungen sind, die am Stabelement im wesentlichen in Form einer abgeflachten Spirale frei hängen. Bei diesem System können spiralförmig gewickelte oder gebogene Widerstandsheizelemente bequem und vorteilhaft eingesetzt werden. Insbesondere ist an Heizelemente aus Metall und vorzugsweise Fe-Cr-Al~Legierungen (z.B. der unter dem eingetragenen Warenzeichen KANTHAL vertriebene Typ) gedacht, die in den meisten Atmosphären selbst bei Temperaturen bis immerhin ungefähr 1300 C beständig sind. Da die Schleifen des Heizelementes oben durch das Stabelement getragen werden und am Stabelement in einem gewissen Abstand von der Ofenwand frei hängen, kann das gesamte Heizelement leicht ausgebaut werden, indem einfach das Stabelement, an dem das Heizelement hängt, abgehoben wird. Dieses kann z.B. erforderlich sein, wenn die Ofenwände ausgebessert oder teilweise ausgewechselt werden müssen. Ein großer Vorteil ist hierbei, daß die Elementschleifen in einem gewissen Abstand von der Ofenwand frei hängen, da das Widerstandsmaterial nach längerer Einsatzdauer ziemlich spröde sein kann und dann eine hohe mechanische Beanspruchung nicht aushält.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden ausführlichen Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen deutlich werden. Hierbei wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Aufhängevorrichtung nach der ersten Ausführungsform mit Konsolen beim Anschlußteil des Widerstandsheizelementes;

Fig. 2 zeigt die Vorrichtung nach Abbildung 1, gesehen von einem Ende;

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer der Konsolen der Vorrichtung von Fig. 1;

die Fig. 4 und 5 zeigen schematische Seitenansichten der Verbindung zwischen dem Anschlußteil und dem Heizelement für hochkant gebogene, flache Elemente bzw. runde Heizelemente;

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer Konsole nach einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 7 zeigt eine perspektivische Ansicht der Konsole nach Fig. 6;

die Fig. 8 und 9 zeigen zwei Modifikationen der Konsole nach den Fig. 6 und 7;

die Fig. 10 und 11 zeigen perspektivische Ansichten zweier zusätzlicher Ausführungsformen des Stabelementes, und

Fig.12 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Konsole im Schnitt.

In Fig. 1 ist eine Ofenwand 1 schematisch dargestellt. Es wird angenommen, daß die erwähnte Wand im wesentlichen aus einem isolierenden keramischen Faserstoff besteht. Die Konsolen 2 und 3 sind an der Ofenwand 1 montiert und tragen ein im wesentlichen waagrechtes Stabelement 4 in Form einer Keramikröhre (siehe Fig.2) Am Stabelement 4 ist ein schleifenförmiges,Heizelement 5 aufgehängt. Das Heizelement besteht aus einem metallischen Werkstoff, nämlich einer Fe-Cr-Al-Legierung,.der unter der Handelsbezeichnung KANTHAL vertrie benen Art. Das Heizelement ist ein flaches, zu einer Spirale gewickeltes Band, das anschließend abgeflacht am Stabelement 4 aufgehängt wird, so daß jede Windung am Stabelement frei hängt und sich vorzugsweise um mindestens das Fünffache des Durchmessers des Stabelementes nach unten erstreckt und so, daß die Heizelementschleifen zusammen eine relativ große Oberfläche etwas innerhalb der Ofenwand 1 ziemlich dicht abdecken. In der Praxis können die hängenden Schleifen ungefähr 200 bis 1000 mm nach unten reichen, aber bei hoher Betriebstemperatur des Heizelementes z.B. 1100 bis 1300°C sollten die Schleifen nicht weiter als ca. 500 mm nach unten hängen (wegen der Selbstdehnung durch das Eigengewicht). Ein strichpunktiert gezeigter Führungsstab 6 kann zum Führen der unteren Teile der Windungen verwendet werden. Wird ein solcher verwendet, könnte er Aussparungen oder Mittel zum Aufrechterhalten eines einheitlichen Abstandes zwischen den Windungen besitzen.

Das erfindungsgemäße Stabelement 4 ist in einem gewissen Abstand von der Ofenwand 1 durch die Konsolen 2 und 3 gehaltert. Die Konsolen liegen in diesem Falle bei den Anschlußteilen 7, 7¹ des Elementes 5. Die Fig.2 zeigt, wie der Anschlußteil 7 in einer Durchführung sitzt und sich durch die Konsole 2 in den Ofen erstreckt. Die Durchführung ist ein Keramikrohr 30 in der Ofenwand 1. Die Konsole 2 besteht hier aus zwei gebogenen Platten 8,9, die vorzugsweise ebenfalls aus einer Fe-Cr-Al-Legierung bestehen. Jede dieser Platten besitzt einen Schenkel 8a bzw. 9a, der flach an der Ofenwand 1 anliegt, und einen Schenkel 8b bzw. 9b, der senkrecht zur Ofenwand 1 steht. Jeder Schenkel 8b, 9b besitzt einen im wesentlichen halbkreisförmig gebogenen Bereich 8c bzw. 9c. Die beiden Schenkel sind miteinander verbunden z.B. durch Verschweißung und Umschließen mit ihren Bereichen 8c, 9c den Anschlußteil T. Die gesamte Konsole 2 wird hierdurch durch den Anschlußteil 7¹ getragen, weshalb keine separaten Befestigungsteile zwischen den Konsolen 2,3 und der Ofenwand 1 erforderlich sind. An den äußeren freien Endbereichen der Schenkel 8b und 9b ist am oberen Rand jeweils eine Aussparung 10 vorgesehen. Die Aussparung bildet ein nach oben gerichtetes V und ist so bemaßt, daß sie das röhrenförmige Stabelement 4 lagert, η so daß letzteres an einer eindeutig festgelegten Stelle in einem gewissen Abstand von der Ofenwand 1 ruht. Dieser Abstand sollte zumindest einen Rohrdurchmesser (des Rohres 4) betragen, damit die bei der Ofenwand liegenden Schleifenteile des Elementes 5 inner- i halb der Ofenwand 1 frei hängen. Beim Ausbau des Heizelementes 5 werden die Konsolen 2,3 von innerhalb der Ofenwand 1 direkt herausgezogen (nachdem zuvor die Anschlußteile außen an der Ofenwand 1 gelöst worden sind), so daß die Anschlußteile 7, T,

das Stabelement 4 und das vom Stabelement 4 getragene Heizelement 5 zusammen gefaltet werden. Durch dieses Vorgehen werden Beschädigungen der Elementschleifen vermieden, und das Element kann wieder verwendet werden z.B. nach Erneuerung oder Ausbesserung der Ofenauskleidung.

In Temperaturbereichen, in denen sich der Plattenwerkstoff verformt, z.B. über 1000°C kann es vorteilhaft sein, die Konsolen 2,3 ganz oder zum Teil aus einem Keramikwerkstoff z.B. Sillimanit oder Mullit herzustellen.

Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Ausführungsform mit Konsolen, die auf den Anschlußteilen des Heizelementes sitzen, ist auch sehr gut für bestehende öfen mit Steinauskleidungen geeignet. Es müssen dann lediglich durchgehende öffnungen hergestellt werden, und spezielle Befestigungsteile sind nicht erforderlich.

Das Heizelement 5 der Fig.1 bis 3 besteht aus einem flach gewickelten Band. Die Fig. 4 und 5 zeigen als mögliche Alternativen einen Teil eines entsprechenden flachen Bandes 5¹ (Fig. 4), das hochkant gewickelt oder gebogen ist, bzw. einen Draht 5" mit rundem Querschnitt (Fig. 5). In beiden Fällen ist nur die Verbindung mit dem Anschlußteil 7 gezeigt.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine alternative Ausführungsform der das Stabelement 4 tragenden Konsolen. Diese sind hier allgemein mit 11 bezeichnet. Die Konsolen 11 sind bezüglich der Anschlußteile 7 separat angeordnet. Das Durchführungsrohr 30 (siehe Fig. 2) und jede Konsole 11 liegen somit in einem gewissen Abstand voneinander in Längsrichtung des Stabelementes

Die Konsole 11 besteht aus einem Keramikkörper mit einer im wesentlichen kreisförmigen Basis 12 und einem hakenförmigen Außenteil 13. Der Außenteil 13 bildet eine Hakenöffnung 14 zum Aufnehmen des Stabelementes 4 (siehe Fig. 1). Auch in diesem Falle ist die Hakenöffnung 14 um mindestens einen Rohrdurchmesser (4) von der Innenfläche der Ofenwand 1 entfernt, so daß die Schleifen des Heizelementes 5 am Stabelement frei nach unten hängen. Der Hakenkörper 11 ist mit Bajonettverschluß-Teilen 15, 16 an einem Halter 17 lösbar angebracht. Der becher- oder topfförmige Halter 17 ist an der Ofenwand 1 verankert. Der Boden des Halters ist mit einem Metallstift 18 und einer Metallscheibe 19 befestigt. Der Rand des Halters 17 ist als Kreisflansch 20 ausgebildet. Dieser Flansch 20 liegt an einer Keramikscheibe 21 an der Innenfläche der Ofenwand 1 an und hält diese. Der Stift 18 geht durch eine Öffnung im Boden des Topfes. Die Scheibe 19 ist wie eine Mutter auf den Stift 18 geschraubt oder daran angeschweißt. Die Scheibe 19 hält den Topf 17, die Keramikscheibe 21 und den Hakenkörper 13. Das andere Ende des Stiftes 18 ist am Außenmantel 22 der Ofenwand 1 auf geeignete Weise befestigt. Zwischen dem erwähnten Außenmantel 2 2 und der inneren Keramikscheibe 21 sowie im Innern des Topfes 17 wird ein keramischer Faserstoff zur Wärmeisolierung der Ofenwand verwendet. Der Hakenkörper 11, der Topf 17 und die Keramikscheibe 21 können aus einem geeigneten feuerfesten Material z.B. Sillimanit oder Mullit bestehen.

Der Hakenkörper 11 dient zusätzlich als Deckel des Topfes 17 und trägt dazu bei, die Temperatur der metallischen Verankerungsteile 18,19 zu senken. Der

Hakenkörper kann vom Topf 17 leicht gelöst werden, indem man z.B. um 90 dreht, so daß die Bajonettverschluß-Teile 15 und 16 frei werden. Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wenn der Topf 17 gedreht wird, während der Hakenkörper stehenbleibt und weiterhin das Stabelement 4 trägt. ^l

Bei der Modifikation von Fig. 8 wird anstelle eines Hakenkörpers ein Ösenkörper 11' mit einer Durchgangs-Öffnung 14' für das Stabelement verwendet. In diesem Falle muß der ösenkörper stehenbleiben, wenn abgebaut wird z.B. durch Drehen des Topfes 17 auf die oben beschriebene Art. Wie die Fig. 9 zeigt, kann der ösenkörper 11' zur weiteren Erleichterung der Montage in zwei Hälften 11'a und 11'b aufgeteilt sein. Der geteilte ösenkörper kann Aussparungen für die Anschlußteile der Heizelemente besitzen, und diese Anschlußteile können dann mit dem Verankerungsstift 18 (Fig. 6) zusammengefaßt sein.

Die Fig. 10 und 11 zeigen modifizierte Ausführungsformen des Stabelementes 4 aus einem Keramikwerkstoff. Es handelt sich hierbei um ein umgekehrtes U-Profil (Fig. 10) bzw. ein T-Profil (Fig. 11). Die Trageinrichtungen der Konsolen (nicht gezeigt) sind natürlich jedem Profil so angepaßt, daß der Abstand des Stabelementes von der Ofenwand wie gewünscht ist.

Das Profil 4' nach Fig. 10 besitzt im Mittelsteg querverlaufende Langlöcher 23 bei jeder Elementschleife. Das Heizelement besteht in diesem Falle aus hochkant gebogenem Bandmaterial 5¹ (siehe Fig. 4). Nach dem Einführen der oberen Teile der Schleifen in die Langlöcher 23 von unten (die Langlöcher sind nur wenig breiter als das Band dick) werden die Bandschlei-

fen seitlich etwas gebogen, wie bei 24 gezeigt, so daß die Bandausbiegungen 24 bei jedem Langloch an der oberen Fläche des Profils 4' aufliegen.

Das T-Profil 4" von Fig. 11 besitzt Aussparungen 25 bei den Längskanten des waagrechten Steges zum Befestigen jeder Heizelementschleife 5". In diesem Falle besteht das Heizelement aus spiralförmig gewickeltem Runddraht (siehe Fig. 5).

Die Fig. 12 schließlich zeigt ein Beispiel für eine fest angeordnete Konsole 26. Die Konsole 26 besteht aus einem Keramikkörper, der bereits bei der Herstellung der Ofenwandblöcke durch Vakuumformen eines keramischen Faserstoffes montiert wird. Zur zusätzlichen Verankerung und Positionierung jeder Konsole 26 wird ein Rohr 27 durch eine öffnung 28 im inneren Endteil der Konsole geführt und in die Wandisolation eingebettet. Das Rohr 27 steht erforderlichenfalls auch mit einer oder mehreren weiteren Konsolen 26 in Verbindung. Am freien Ende innerhalb der Ofenwand 1 besitzt die Konsole 26 eine Hakenöffnung 29, die schräg nach innen/oben zum Ofeninnenraum gerichtet ist. In die öffnung 29 kann ein Stabelement 4 zusammen mit einem entsprechenden Heizelement 5 eingesetzt und aufgehängt werden. Auch in diesem Falle gehen die Anschlußteile 7 (siehe Fig.2) durch gesonderte öffnungen (nicht gezeigt) in der Ofenwand.

Das Stabelement, die Konsolen und die anderen Teile können im Rahmen der Erfindung verschiedenartig modifiziert werden. Die Konsolen können beispielsweise für Befestigung an der Ofendecke eingerichtet werden. Der wesentliche Gedanke ist die im wesentlichen

waagrechte Aufhängung des Stabelementes 4 in den Konsolen derart, daß die Heizelementschleifen in einem gewissen Abstand von der Ofenwand frei hängen, im wesentlichen in Form einer abgeflachten Spirale.

Claims (11)

ANSPRUCHE

1. Aufhängevorrichtung für schleifenförmige Widerstandsheizelemente (5; 5'; 5") in öfen mit einem im wesentlichen waagrecht verlaufenden Stabelement (4; 4¹; 4"), das jede Heizelementschleife trägt und selbst durch Trageinrichtungen in den Wänden oder der Decke des Ofens getragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtungen in Konsolen (2, 3, 11, 26) bestehen, die das Stabelement in einem gewissen Abstand von den Ofenwänden (1) halten,und daß die Heizelementschleifen enge Windungen bilden, die an dem Stabelement frei im wesentlichen in Form einer abgeflachten Spirale hängen.

2. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stabelement (4¹; 4") in Längsrichtung verteilte Aussparungen (23, 25) zum Befestigen jeder Windung besitzt.

3. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnten Aussparungen Langlöcher (23) im Stabelement (4¹) sind, wobei der obere Teil jeder Windung des Heizelementes (5') in einem solchen Langloch sitzt und bezüglich des Langloches seitlich deformiert ist (24).

4. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stabelement (4, 4") zum Tragen eines um den oberen Teil des Stabelementes herumgeführten Teils jeder Windung eingerichtet ist.

5. Aufhängevorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Konsole (2, 3) bei einer Wandöffnung (30) für den Anschlußteil (7) des Widerstandsheizelementes angeordnet ist.

6. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Konsole (2,3) durch den Anschlußteil getragen wird und als ein Distanζelement zwischen der Ofenwand (1) und dem Stabelement (4) dient,

7. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsole (2, 3) und das von ihr getragene Stabelement (4) zusammen mit dem entsprechenden Heizelement (5) und Anschlußteil (7) zusammen von der Ofenwand (1) abgenommen werden können.

8. Aufhängevorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsole (3) einen an der Ofenwand anliegenden flachen Bereich (8a, 9a) und einen auf dem Anschlußteil (7) sitzenden Haltebereich (b, 9b) umfaßt, wobei der Haltebereich wiederum das Stabelement (4) trägt.

9. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsole (3) wenigstens eine gebogene Platte (8, 9) umfaßt, wobei der erwähnte Haltebereich den Anschlußteil wenigstens zum Teil umschließt (8c, 9c).

10. Aufhängevorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Konsolen aus Keramikkörpern (11) bestehen, die mit in der Ofen-

wand oder Ofendecke verankerten Halteteilen (17, 18, 19) sicher verbunden werden können.

11. Aufhängevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikkörper und die Halteteile Bajonettverschluß-Teile (15, 16) besitzen, die miteinander in Eingriff gebracht werden können.