ES2326807T3 - Un elemento de calentamiento electrico que incluye un tubo radiante. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de calentamiento eléctrico con tubo radiante que comprende una tubería de radiación (1), al menos un elemento de calentamiento eléctrico (2, 3) contenido en dicha tubería, en el que el elemento de calentamiento tiene patas que discurren de un lado a otro de la tubería, y en el que el elemento de calentamiento está conectado a un extremo de la tubería con las salidas de potencia eléctricas a través de las cuales es suministrada corriente eléctrica al elemento, en el que el elemento está soportado en la tubería por discos cerámicos (9) que están provistos de orificios de penetración pasantes a través de los cuales se extienden las patas de los elementos, caracterizado porque dos elementos (2, 3) están dispuestos secuencialmente en dicha tubería de radiación a lo largo de su eje longitudinal, y porque una barra central (10) se extiende a través del centro de la tubería de radiación (11) desde su extremo (8) hasta su otro extremo opuesto (11) y porque la barra central (10) discurre a través del centro de cada disco cerámico (9); porque la barra central (10) forma una salida de potencia eléctrica (5) para al menos uno de dichos elementos (3); porque una región de conexión (12) para dichos dos elementos de la tubería de radiación está situada entre los elementos (2, 3) en la dirección longitudinal de la tubería (1), en el que respectivos elementos están conectados a sus respectivas salidas de potencia (4, 5, 6) de dicha región de conexión (12); porque están dispuestos dichos manguitos cerámicos (13, 44, 45, 16, 17) que funcionan para retener generalmente los discos cerámicos (18, 23) presentes en la región de conexión (12) en una dirección a lo largo del eje largo de la tubería; y porque los respectivos discos cerámicos (9) para soportar los respectivos elementos están situados a una distancia desde dicha región de conexión (12), en el que al menos algunos de dichos discos cerámicos (14, 15) son capaces de moverse libremente a lo largo de la tubería (1) en una extensión permitida por los medios de tope relativos al elemento cuando los respectivos elementos se expanden o contraen en respuesta a un cambio en la temperatura de dichos elementos.

Description

Un elemento de calentamiento eléctrico que incluye un tubo radiante.

La presente invención se refiere a un dispositivo de calentamiento eléctrico que incluye un tubo radiante.

Los procesos de tratamiento de calor requieren un suministro de potencia mucho más uniforme con el fin de hacer un coste efectivo/optimo. La capacidad de tratar con calor productos sin el consiguiente rectificado/corrección de los productos es un imperativo.

La posibilidad de ser capaz de ajustar las propiedades de los materiales estructuralmente por el tratamiento de calor incrementa la necesidad de un suministro de potencia uniforme.

Un ejemplo en este sentido se encuentra en la producción de láminas de metal. El laminado de metal se produce en diferentes espesores, anchuras, longitudes y clases de resistencias mecánicas, todas de acuerdo con los requisitos del cliente. Estas variaciones del producto dan lugar a la inducción de diferentes estados de deformación por la energía aplicada.

En general, se puede decir que un incremento en la anchura del laminado disminuye los costes de producción y que las anchuras de lámina producidas por encargo aumentan los costes de material, aunque esto último se puede compensar reduciendo los recortes en la producción final.

Con el fin de ser capaz de producir todas las variantes, se elige construir el equipo de tratamiento de calor para la anchura más grande.

Es por tanto deseable que el equipo de tratamiento sea capaz de proporcionar un sistema de calentamiento con el que se puede variar la potencia del horno transversalmente.

Sin embargo, surge un problema cuando se ha seleccionado proporcionar el equipo de tratamiento de calor con tubos radiantes con el fin de mantener una atmósfera controlada.

Este problema normalmente se resuelve instalando elementos que cubren las diferentes anchuras del espacio del horno, de manera que la potencia desarrollada se puede variar manteniendo con el producto bajo tratamiento. Esto significa, sin embargo, que no es posible instalar la máxima densidad de potencia con relación a las superficies de limitación de espacio del horno, medida en kW/m^{2}.

Otra forma es utilizar elementos de espiral que están dispuestos en diferentes zonas que están provistas de salidas de potencia que se extienden coaxialmente con el eje de la espiral. Este sistema de elemento no puede, sin embargo, ser dimensionado para salidas de alta potencia para cada tubo radiante.

Un dispositivo de calentamiento está también descrito en el documento US 4179603.

Con referencia a la fiabilidad obtenida con la posibilidad de obtener una salida de potencia elevada con cada tubo radiante, el tipo de elemento que es más atractivo es el tipo normalmente referido como elemento de jaula de pájaro, y llamado Käfielemet, o elemento de barra en haz comercializado por Kanthal AB, Suecia, bajo el nombre Tubothal.

Tradicionalmente, sin embargo, este tipo de elemento de calentamiento ha sido diseñado como un elemento conectado en serie en el que los filamentos o hilos de calentamiento, describen un único lazo entre dos salidas de potencia. Los lazos conectados en estrella o conectados en triángulo también son utilizados en el caso de elementos de calentamiento más grandes, con los cuales los elementos están provistos alternativamente de tres o de cuatro salidas. También es conocido conectar el lazo del elemento en paralelo entre dos salidas de potencia en el caso de aplicaciones en las que se desea un bajo voltaje de suministro. También son conocidos casos en los que se utilizan cuatro salidas, con las que es posible concebiblemente conectar un lazo que es operativo cuando se desea un suministro de potencia parcial como un suministro de potencia total.

Un fallo común con estas construcciones de elemento tradicionales, sin embargo, es que la potencia no se puede distribuir de forma diferente a lo largo del eje del tubo radiante. La razón para abstenerse de proporcionar el elemento de calentamiento con dos o más zonas a lo largo de su eje es debido a que la inclusión de salidas adicionales y conexiones en el elemento tienen una influencia demasiado grande en el espacio disponible para los filamento de generación de calor del elemento, dado que estas salidas adicionales deben estar dispuestas dentro del tubo radiante, eliminando con las mismas la ventaja de potencia elevada. También existe un riesgo mayor de un chispazo eléctrico, especialmente cuando se utilizan filamentos de tipo NiCr.

Este problema se resuelve mediante la presente invención.

Por consiguiente, la presente invención se refiere a un dispositivo de calentamiento eléctrico que incluye un tubo radiante en el cual hay situada una tubería de radiación y al menos un elemento de calentamiento eléctrico en la misma, en el que el elemento de calentamiento tiene patas que se extienden de un lado a otro de la tubería, y en el que el elemento de calentamiento está conectado a un extremo de la tubería próximo a una pared del horno con salidas de potencia con corriente eléctrica a través de las cuales la corriente eléctrica es suministrada al elemento, en el que el elemento está soportado en la tubería mediante discos cerámicos que están provistos de orificios de penetración pasantes a través de los cuales las respectivas patas del elemento se extiende, en el que la tubería contiene dos elementos dispuestos secuencialmente en la tubería a lo largo de su eje largo y en el que el elemento de calentamiento está caracterizado por una barra central que se extiende a través del centro de la tubería de radiación desde dicho un extremo al otro extremo opuesto de dicha tubería, porque la barra central se extiende a través del centro de cada disco cerámicos, y está caracterizado porque la barra central forma una salida de potencia para al menos uno de dichos elementos de calentamiento; porque una región de conexión de dichos dos elementos de calentamiento de la tubería de radiación está situada entre los elementos en la dirección longitudinal de la tubería, en el que respectivos elementos están conectados a sus respectivas salidas de potencia en dicha región de conexión, porque estar provistos medios de tope que funcionan para retener generalmente los discos cerámicos presentes en la región de conexión en una dirección a lo largo del eje largo de la tubería, y porque los discos cerámicos para soportar los respectivos elementos están situados a una distancia desde dicha región de conexión, en el que al menos algunos de dichos discos cerámicos son capaces de moverse libremente a lo largo de la tubería hasta una extensión permitida por los medios de tope relacionados con el elemento cuando los respectivos elementos se expanden o contraen en respuesta a un cambio en la temperatura de dichos elementos.

La invención será descrita a continuación con más detalle, parcialmente en combinación con una realización modo de ejemplo de la misa ilustrada en los dibujos adjuntos en los que

la Figura 1 es una vista en sección de un tubo radiante que contiene elementos de calentamiento eléctricos;

la Figura 2 es una vista en sección tomada a lo largo de la línea A-A de la Fig. 1;

la Figura 3 es una vista en sección tomada a lo largo de la línea B-B de la Fig. 1;

la Fig. 4 es una vista en sección tomada a lo largo de la línea C-C de la Fig. 1;

la Fig. 5 es una vista en sección tomada a lo largo de la línea D-D de la Fig. 1;

la Figura 6 es una vista en sección tomada a lo largo de la línea E-E de la Fig. 1;

la Figura 7 es una vista en sección tomada a lo largo de la línea F-F de la Fig. 1; y

la Figura 8 ilustra esquemáticamente los discos cerámicos y los elementos de calentamiento contenidos en una tubería de radiación.

La Figura 1 ilustra un dispositivo de calentamiento eléctrico con un tubo radiante que incluye una tubería de radiación 1 y elementos de calentamiento eléctricos 2, 3 contenidos en dicha tubería. Cada elemento de calentamiento 2, 3 tiene patas que se extiende de un lado a otro de la tubería 1. Los elementos de calentamiento están conectados a un extremo 8 de la tubería próximos a la pared del horno 7 con las salidas 4, 5, 6 en un extremo de la tubería 1 a través de las cuales es suministrada corriente eléctrica a los elementos. Los elementos 2, 3 están soportados en la tubería por discos cerámicos 9 que están provistos de orificios de penetración pesantes a través de los cuales se extienden las patas del elemento 2, 3.

La tubería 1 y los discos 9 están compuestos de un material oxídico de Al, Si, Mg, Zr y/o Y, o nitratos o bóridos de sustancias de Si y/o Ti. Un material típico es Al_{2}O_{3}. La tubería 1 también puede estar hecha de un material de FeCrAl.

Dos elementos están situados mutuamente y de manera secuencial en la tubería de radiación 1 en la dirección del eje largo.

La tubería se muestra dividida axialmente en la Figura 1 y los elementos se muestran divididos a lo largo de las respectivas longitudes de la tubería y dichos elementos.

De acuerdo con la invención, una barra central 10 se extiende a través del centro de la tubería de radiación 1 desde dicho un extremo 8 hasta el otro extremo opuesto 11 de dicha tubería. La barra central 10 se extiende a través del centro de cada disco cerámicos 9. La barra central 10 está compuesta de un material eléctricamente conductor y convenientemente del mismo material que los elementos preferiblemente un material de FeCrAl.

La barra central 10 forma una salida de potencia 5 para al menos uno de dichos elementos de calentamiento 2, 3.

Además, la región 12 de conexión de elemento para dichos dos elementos de calentamiento 2, 3 contenidos en la tubería de radiación está situada entre los elementos en la dirección longitudinal de la tubería, en la que los respectivos elementos están conectados a sus respectivas salidas de potencia en dicha región de conexión. Esto significa que la región de conexión de elemento situada esencialmente en el punto medio a lo largo de la tubería formará el punto de referencia térmica con respecto a la expansión lineal térmica de dichos elementos.

Están incluidos medios de tope que funcionan generalmente para retener los discos cerámico 9 presentes en la región de conexión 12 en una dirección a lo largo del eje largo de la tubería.

Los discos cerámicos adicionales 9 para soportar los respectivos elementos 2, 3, están situados en relación espaciada con dicha región de conexión 12, en la que dichos discos cerámicos son capaces de moverse libremente a lo largo de la tubería hasta una extensión permitida por los medios de tope referidos al elemento cuando dichos elementos respectivos 2, 3 se expanden o contraen en respuesta a un cambio en la temperatura de dichos elementos.

Brevemente, el propósito de la invención es reunir juntas las zonas de conexión necesarias en un volumen compacto y utilizar como una salida de potencia 5 un componente que antes sólo era necesario desde el punto de vista mecánico, es decir la barra central 10. Esto da lugar a un incremento de las superficies de filamento radiante que están vueltas hacia el interior de la tubería 1 y es capaz de que dichas superficies sean utilizadas como salidas de potencia.

El uso de material FeCrAl, y después particularmente el uso de un material designado como Kanthal APM, reduce la demanda de espacio necesario para adaptar la expansión lineal permanente del los elementos. Además, el riesgo de chispazo y el riesgo de corrientes parásitas que se producen son enormemente reducidos debido a la fragilidad del material. La fracturación parcial del material es, en principio, inexistente, y si se produjera fracturación ocurriría en el óxido de aluminio que es un aislante eléctrico.

La explotación de las buenas propiedades de oxidación/corrosión del material de FeCrAl, incluso en las elevadas temperaturas de trabajo que resultan de las elevadas densidades de energía, hace posible que el puenteo de volumen optimizado y la zona de conexión de salida 12 sea colocada selectivamente a lo largo del eje de los respectivos elementos. Además de dar libertad al diseño, también se obtiene una ventaja que permite que los dos zonas de potencia sean dadas como punto de referencia de expansión térmica, lo que reduce el riesgo de deformaciones mecánicas no deseadas causadas por las irregularidades en la expansión térmica inducida por los diferentes grados de radiación con respecto a los elementos, fricción, masa térmica y posición en el horno, etc.

La salida 4 ó las salidas 4, 5, 6 que discurre/discurren con los respectivos elementos 2, 3 desde dicho un extremo 8 de la tubería para formar un circuito eléctrico con la barra central 10 se extiende/extienden a través del respectivo disco cerámico 9 en cuestión.

En una realización preferida, los manguitos cerámicos 13, 44, 45, 16, 17 están dispuestos en el exterior de, y a lo largo de, la barra central 10. Además, para separar los discos cerámicos 14, 15 situados en los respectivos extremos de las patas de dichos elementos en los extremos de la tubería, los manguitos juntos, están también adaptados para separar los discos cerámicos 9.

Se prefiere que los discos cerámicos 14, 15 situados en los extremos de las patas de los respectivos elementos discurran sobre el lado exterior de dichos manguitos 13, 17. El disco cerámico 15 situado en dicho otro extremo de la tubería puede discurrir directamente sobre la barra central 10.

Preferiblemente, la barra central 10 estará soportada en su extremo sin conducción de corriente por un disco cerámico que está unido a la barra central 10 por medio de las placas 29, 30.

Los manguitos 13, 44, 45, 16, 17 son funcionales en la sujeción en su sitio de los discos cerámicos 18-21 situados en la parte central en la región de conexión a lo largo de la barra central, así como los discos cerámicos 22, 23 que se sitúan más cerca de la región de conexión y un disco cerámicos 24 situado más cerca del disco cerámico que se sitúa más cerca de dicho otro extremo 11 de la tubería. El movimiento el disco cerámico 24 a la derecha de la Fig. 1 está limitado por una placa 25 sujeta a la barra central.

Se prefiere que la pata esté cortocircuitada en al menos ciertos extremos 26 de la mismas con la ayuda de un conductor eléctrico 31, de manera que una placa compuesto del mismo material que los elementos, situada cerca del disco cerámico 9 en cuestión y en el lado opuesto del disco cerámico con relación al extremo de la pata 36. Esta disposición segura que el disco cerámico estará retenido en los extremos de las patas de los respectivos elementos.

La sujeción descrita anteriormente significa que cuando los elementos se expanden en respuesta a un aumento de temperatura, se expandirán por medio de sus extremos situados en os respectivos discos cerámicos 14, 15 que se mueven a la izquierda o a la derecha de la Fig. 1. Los discos cerámicos 14, 15 también se moverán con ello a la izquierda o a la derecha de la Fig. 1. esto se ilustra en la Fig. 1 por los discos 14a y 15a. Sin embargo, la zona de conexión permanecerá generalmente estacionaria. Dado que la expansión tiene lugar hacia fuera en la tubería en ambas direcciones, la radiación térmica uniforme es retenida a lo largo de la longitud de la tubería, que no sería el caso si el punto de referencia térmica se sitúa adyacente a, o en un extremo de, la tubería.

La tubería de radiación preferiblemente será una tubería cerrada, de manera que los elementos no estarán afectados por la atmósfera del horno.

También se prefiriere que dos tuberías de radiación 1 estén situadas axialmente una después de la otra en un espacio de horno, de manera que se cubra esencialmente la anchura del horno. En tal caso, el extremo de recepción de corriente de las respectivas tuberías se vuelve hacia la pared del horno.

La Figura 8 es una ilustración esquemática incompleta desde la cual se puede ver que dichas placas también se utilizan para conectar y para cortocircuitar elementos en la región de conexión 12.

Las Figuras 2-7 son vistas en sección respectivas del tubo radiante de la Fig. 1. El número de referencia 31 indica placas eléctricamente conductoras para unirse juntas y cortocircuitar diferentes patas 32 de los elementos. El número de referencia 33 denota extremos de patas que se sitúan debajo de la placa cerámica mostrada en las Figura. El número de referencia 34 indica los extremos de patas.

De acuerdo con una realización preferida de la invención, el elemento 3 situado más alejado de la pared de horno correspondiente a la salida está alimentado a través de la barra central 10 y un terminal separado 35; véanse las Figs. 2-7. El otro elemento 2 está alimentado a través de los terminales separados 36, 37.

De acuerdo con otra realización preferida ambos elementos están alimentados a través de dicha barra central y un terminal separado para cada elemento.

Aunque la descripción anterior se refiere a un tubo radiante montado horizontalmente, se entenderá que el tubo puede, alternativamente, estar montado verticalmente. En este último caso, una tubería cerámica está montada directamente en la barra central y se extiende hacia abajo hasta la parte inferior de la tubería exterior 1. En este caso, los discos cerámicos y dichos manguitos están apilados a lo largo de la tubería cerámica y se extienden hacia arriba hasta el techo del horno 7. En otros aspectos, el tubo radiante está configurado como se ha descrito anteriormente.

De este modo es obvio que la presente invención resuelve el problema mencionado en la introducción.

Aunque la invención ha sido descrita con referencia varias realizaciones de la misma, se entenderá que se pueden utilizar elementos con más o menos patas, que los discos cerámicos pueden tener un diseño diferente al descrito, y que los elementos pueden estar conectados de otra forma diferente a la descrita.

La presente invención, por tanto, no se debe limitar a dichas realizaciones dado que se pueden hacer variaciones y modificaciones dentro del campo de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (10)

1. Un dispositivo de calentamiento eléctrico con tubo radiante que comprende una tubería de radiación (1), al menos un elemento de calentamiento eléctrico (2, 3) contenido en dicha tubería, en el que el elemento de calentamiento tiene patas que discurren de un lado a otro de la tubería, y en el que el elemento de calentamiento está conectado a un extremo de la tubería con las salidas de potencia eléctricas a través de las cuales es suministrada corriente eléctrica al elemento, en el que el elemento está soportado en la tubería por discos cerámicos (9) que están provistos de orificios de penetración pasantes a través de los cuales se extienden las patas de los elementos,

caracterizado porque dos elementos (2, 3) están dispuestos secuencialmente en dicha tubería de radiación a lo largo de su eje longitudinal, y porque una barra central (10) se extiende a través del centro de la tubería de radiación (11) desde su extremo (8) hasta su otro extremo opuesto (11) y porque la barra central (10) discurre a través del centro de cada disco cerámico (9); porque la barra central (10) forma una salida de potencia eléctrica (5) para al menos uno de dichos elementos (3); porque una región de conexión (12) para dichos dos elementos de la tubería de radiación está situada entre los elementos (2, 3) en la dirección longitudinal de la tubería (1), en el que respectivos elementos están conectados a sus respectivas salidas de potencia (4, 5, 6) de dicha región de conexión (12); porque están dispuestos dichos manguitos cerámicos (13, 44, 45, 16, 17) que funcionan para retener generalmente los discos cerámicos (18, 23) presentes en la región de conexión (12) en una dirección a lo largo del eje largo de la tubería; y porque los respectivos discos cerámicos (9) para soportar los respectivos elementos están situados a una distancia desde dicha región de conexión (12), en el que al menos algunos de dichos discos cerámicos (14, 15) son capaces de moverse libremente a lo largo de la tubería (1) en una extensión permitida por los medios de tope relativos al elemento cuando los respectivos elementos se expanden o contraen en respuesta a un cambio en la temperatura de dichos elementos.

2. Un dispositivo de calentamiento eléctrico de acuerdo con la Reivindicación 1, caracterizado porque la salida de potencia o las salidas de potencia (4, 5, 6) que recorren los respectivos elementos (2, 3) desde dicho un extremo de la tubería para formar un circuito eléctrico con la barra central (10) se extienden a través de los discos cerámicos (9) en cuestión.

3. Un dispositivo de calentamiento eléctrico de acuerdo con la Reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque los manguitos cerámicos (13, 44, 45, 16, 17) están dispuestos en el exterior y a lo largo de la barra central (10), en el que dichos manguitos estarán juntos adaptados para separar los discos cerámicos (9) además de separar los discos cerámicos (14, 15) situados en los respectivos extremos de las patas de dichos elementos (2, 3) en los extremos (8, 11) de la tubería.

4. Un dispositivo de calentamiento eléctrico de acuerdo con la Reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque los discos cerámicos (14, 15) situados en los extremos de las patas de los respectivos elementos discurren a lo largo del exterior de dichos manguitos (13, 17).

5. Un dispositivo de calentamiento eléctrico de acuerdo con la Reivindicación 1, 2, 3 ó 4, caracterizado porque la pata está cortocircuitada en al menos ciertos extremos (26) del mismo con la ayuda de un conducto eléctrico (31) situado cerca de dicho disco cerámico (9) y en el lado opuesto del disco cerámico relativo al extremo (26) de la pata.

6. Un dispositivo de calentamiento eléctrico de acuerdo con la Reivindicación 1, 2, 3, 4, ó 5, caracterizado porque un disco cerámico (28) está sujeto a la barra central (10) en su extremo libre que no recibe corriente.

7. Un dispositivo de calentamiento eléctrico de acuerdo con la Reivindicación 1, 2, 3, 4, 5 ó 6, caracterizado porque la tubería de radiación (1) es una tubería cerrada.

8. Un dispositivo de calentamiento eléctrico de acuerdo con la Reivindicación 1, 2, 3, 4, 5, 6 ó 7, caracterizado porque dos tuberías de radiación (1) están situadas axialmente, una después de la otra, en un espacio de horno, de manera que cubren esencialmente la anchura del horno.

9. Un dispositivo de calentamiento eléctrico de acuerdo con cualquier Reivindicación precedente, caracterizado porque el elemento central situado más lejos de la pared de horno correspondiente a la salida (7) es alimentado a través de dicha barra central (10) y un terminal separado (35); y porque el otro elemento es alimentado con la ayuda de dos terminales separados (36, 37).

10. Un dispositivo de calentamiento eléctrico de acuerdo con una cualquiera de las Reivindicaciones 1-8, caracterizado porque ambos elementos (2, 3) están alimentados a través de dicha barra central (10) y un terminal separado para cada elemento.