ES2675750T3 - Dispositivo de calentamiento eléctrico - Google Patents

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ES2675750T3 ES07852234.9T ES07852234T ES2675750T3 ES 2675750 T3 ES2675750 T3 ES 2675750T3 ES 07852234 T ES07852234 T ES 07852234T ES 2675750 T3 ES2675750 T3 ES 2675750T3
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Abstract

Un dispositivo de calentamiento eléctrico que comprende un tubo radiante (2) y un elemento de calentamiento eléctrico (4) dispuesto en el tubo radiante (2), en donde el elemento de calentamiento eléctrico (4) consiste en un cable de calentamiento, el elemento de calentamiento (4) está conectado a tomas de corriente en un extremo del tubo radiante (2) y el elemento de calentamiento (4) está soportado en el tubo radiante (2) con la ayuda de un soporte (6), un inserto de protección (10) de material eléctricamente conductor, donde el inserto de protección (10) está dispuesto entre el tubo radiante (2) y el elemento de calentamiento eléctrico (4) caracterizado por que el inserto de protección (10) está dispuesto de manera desmontable con respecto al tubo radiante (2) y al elemento de calentamiento eléctrico (4).

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo de calentamiento eléctrico
La presente invención está relacionada, de manera general, con un dispositivo de calentamiento eléctrico que comprende un tubo radiante, así como un elemento de calentamiento que comprende un cable de calentamiento.
El documento US 5 473 141 describe un ejemplo de un dispositivo de calentamiento eléctrico que comprende un tubo radiante así como un elemento con muchas patas de cable de calentamiento que recorren hacia atrás y hacia adelante el tubo. El elemento se soporta en el tubo radiante mediante placas de cerámica dotadas con taladros a través de los cuales pasan las patas del elemento.
Otro ejemplo de un dispositivo de calentamiento eléctrico de este tipo se describe en el documento WO 2005/006812. Incluso en este caso, el dispositivo de calentamiento eléctrico comprende un tubo radiante y un elemento de calentamiento eléctrico con muchas patas que recorren hacia atrás y hacia adelante el tubo y el elemento se soporta en el tubo mediante placas de cerámica dotadas con taladros a través de los cuales pasan las patas del elemento.
Un ejemplo adicional de un dispositivo de calentamiento eléctrico se describe en el documento US 4.236.139. En este caso, el dispositivo de calentamiento eléctrico comprende un tubo radiante así como un elemento de calentamiento de forma de espiral que está soportado en el tubo mediante un núcleo.
El documento FR 2 612 723 describe un elemento de calentamiento que comprende un tubo radiante, un tubo de protección y un elemento de calentamiento. En este tipo de dispositivo de calentamiento eléctrico, los elementos de calentamiento eléctrico están sometidos a grandes tensiones, que pueden conducir al fallo del elemento después de un período de uso. El fallo del elemento puede ocurrir debido a las fuerzas de tracción y compresión a las que está sometido el elemento debido a la expansión térmica del cable de calentamiento. Otro ejemplo de las causas del fallo del elemento es el envejecimiento y la sobrecarga en forma de salida de potencia y/o temperatura del proceso.
Durante un fallo del elemento, ocurrirá una rotura del cable. Esta rotura del cable está acompañada de un arco eléctrico entre el fallo de la superficie y el cable de calentamiento próximo, que a su vez puede conducir a la fusión del metal en el cable de calentamiento. El metal fundido que se genera cae y se suelda firmemente a la superficie interna del tubo radiante.
Puede ocurrir incluso que el arco eléctrico se forme entre el cable y/o el fallo de la superficie del cable y la superficie interna del tubo radiante. Esto conduce al arco eléctrico que se funda el cable de calentamiento y/o la superficie interna del tubo radiante. En el peor de los casos, el arco eléctrico puede conducir a hacer arder el tubo radiante.
El riesgo de fallo del elemento supone que los dispositivos de calentamiento eléctrico de este tipo se utilizan a menudo con una potencia inferior que la que es posible realmente. Por lo tanto, un primer objeto de la presente invención es hacer posible una salida de potencia más alta con un aparato de calentamiento eléctrico. Un objeto adicional de la invención es evitar daños innecesarios al tubo radiante debidos al fallo del elemento, es decir, minimizar las consecuencias.
Compendio
Los objetos señalados anteriormente se logran a través de un dispositivo de calentamiento eléctrico que comprende un tubo radiante, un elemento de calentamiento eléctrico dispuesto en el tubo radiante donde el elemento de calentamiento eléctrico comprende un cable de calentamiento que discurre en el tubo radiante, el elemento de calentamiento está conectado a las tomas de corriente en un extremo del tubo radiante y el elemento de calentamiento está soportado en el tubo radiante con la ayuda de un soporte. El dispositivo de calentamiento eléctrico comprende además un inserto de protección de material eléctricamente conductor que está dispuesto entre el tubo radiante y el elemento de calentamiento eléctrico.
El propósito principal del inserto de protección es funcionar como protección para el tubo radiante contra el metal fundido en caso de fallo del elemento. El inserto también evita la potencial formación de un arco eléctrico entre el fallo de la superficie del cable de calentamiento y el tubo radiante donde se sitúa el inserto de protección, dado que el arco eléctrico se forma en su lugar entre el fallo de la superficie del cable de calentamiento y el inserto de protección. Las consecuencias de un fallo potencial del elemento se reducen de esta forma. De esta manera, esto permite el uso del dispositivo de calentamiento a una potencia más alta dado que se puede reducir el margen de seguridad usado por la técnica anterior.
En el caso del fallo de un elemento, el elemento y el inserto de protección se pueden quitar fácilmente del tubo radiante y sustituir. Los daños y posibles residuos fundidos se llevan fuera mediante el inserto de protección.
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Según una realización, el inserto de protección funciona incluso como un conductor de corriente y, por lo tanto, se pone a tierra, preferiblemente en conexión con el reborde de tubo del tubo radiante.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1a muestra un dispositivo de calentamiento eléctrico según la técnica anterior donde el elemento de calentamiento está quitado del tubo radiante.
La Figura 1b muestra un dispositivo de calentamiento eléctrico según la técnica anterior.
La Figura 2 muestra un dispositivo de calentamiento eléctrico que comprende un inserto de protección según la invención.
La Figura 3 muestra una sección transversal de un dispositivo de calentamiento eléctrico que comprende un inserto de protección según la invención.
Descripción detallada
La invención se describirá ahora en conexión con las figuras.
Las Figuras 1a y 1b muestran un dispositivo de calentamiento eléctrico 1 según la técnica anterior. En la Figura 1a, el elemento de calentamiento está separado del tubo radiante para ilustrar claramente su conformación, mientras que la Figura 1b muestra cómo el elemento de calentamiento está dispuesto en el tubo radiante durante su uso. El dispositivo de calentamiento eléctrico comprende un tubo radiante 2 con un extremo cerrado 2b y un extremo abierto 2a. El extremo abierto 2a del tubo radiante está destinado a estar en las proximidades de una pared de horno. Un elemento de calentamiento eléctrico 3 está dispuesto en el tubo radiante 2 a través del extremo abierto 2a. En las Figuras 1a y 1b, el elemento de calentamiento eléctrico 3 está compuesto por una serie de patas 4 de cable de calentamiento que pasan de atrás a adelante en el tubo radiante 2 y están conectadas unas a otras a través de las secciones 5 previstas en las proximidades del extremo cerrado del tubo radiante 2. El elemento de calentamiento eléctrico también puede tener otras formas. Puede ser, por ejemplo, un elemento helicoidal que rodea un núcleo cerámico acanalado o liso, o bien con buena conformidad o bien donde la cerámica solamente está situada en la parte superior del espacio encerrado de la hélice, es decir, la hélice en un tubo portador de cerámica.
Las tomas de corriente 8 (solamente se muestra la primera en las figuras), a través de las cuales el elemento eléctrico 3 se dota con corriente eléctrica, están dispuestas en el extremo abierto 2a del tubo radiante. El elemento de calentamiento está soportado adecuadamente en el tubo radiante 2 con la ayuda de discos cerámicos 6 dotados con taladros en los que pasan las patas 4 del elemento. El elemento de calentamiento 3 se puede soportar además en el tubo radiante 2 con la ayuda de una varilla central 7 que discurre centralmente en el tubo radiante 2 y a través de los taladros centrales en los discos cerámicos 6. El tubo radiante comprende además un reborde de tubo 9 proporcionado principalmente para sujetar el tubo radiante 2 en su lugar en el horno, pero a menudo también proporcionado para constituir un sello entre la atmósfera del horno y la atmósfera/aire estándar fuera del horno. El reborde a menudo está dispuesto contra la pared del horno a través de una unión atornillada y se puede poner a tierra a través de aquélla. En algunos casos el reborde del tubo se puede conectar a través de un cable a la pared del horno, que se pone a tierra a sí misma, y de esa forma el tubo se pone a tierra.
El dispositivo de calentamiento según la presente invención comprende un tubo radiante así como un elemento de calentamiento que comprende un cable de calentamiento. Un inserto de protección está dispuesto entre el tubo radiante y el elemento de calentamiento de manera que, en el caso del fallo de un elemento, los residuos del elemento potencial y el metal fundido caen sobre el inserto de protección con la ayuda de la gravedad.
La Figura 2 muestra un dispositivo de calentamiento según una realización de la invención. El dispositivo de calentamiento comprende un elemento de calentamiento eléctrico con patas de cable de calentamiento 4 que discurren atrás y adelante en un tubo radiante 2. El elemento de calentamiento eléctrico está conectado a una toma de corriente (no mostrada) en el primer extremo del tubo radiante 2 y el elemento de calentamiento está soportado en el tubo radiante mediante un soporte, mostrado en la figura en forma de discos de cerámica 6 dotados con taladros a través de los cuales pasan las patas del elemento. El dispositivo de calentamiento en la Figura 2 también tiene una varilla central 7. El elemento de calentamiento según esta realización está previsto para montaje horizontal en un horno. Se debería señalar que el elemento de calentamiento puede tener otra forma distinta de la mostrada en las figuras dado que la invención también es adecuada para otros tipos de elementos de calentamiento que comprenden cable de calentamiento donde existe un riesgo de contacto entre el cable de calentamiento y el tubo radiante.
Un inserto de protección 10 está dispuesto entre el tubo radiante y el elemento de calentamiento eléctrico de tal forma que es desmontable con respecto al tubo radiante. El inserto de protección 10 también puede ser desmontable con respecto al elemento de calentamiento eléctrico. El inserto de protección 10 tiene una función de recoger los restos de metal fundido durante un fallo potencial del elemento y, por lo tanto, se coloca dentro del tubo radiante de tal forma que el metal fundido del cable de calentamiento y/o el tubo radiante caiga sobre el inserto de protección 10 debido a la gravedad. El inserto de protección 10 también tiene la función de recoger posibles piezas del cable de calentamiento que se han aflojado del elemento de calentamiento eléctrico debido al fallo del elemento.
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En el caso de un fallo del elemento, el elemento de calentamiento eléctrico se puede liberar fácilmente del tubo radiante y sustituir junto con el inserto de protección. El inserto de protección lleva fuera el daño, tales como piezas del cable de calentamiento que se han aflojado del elemento de calentamiento eléctrico, y posibles residuos fundidos. Incluso en el caso de una posible combustión a través del inserto de protección, será más fácil quitar los residuos fundidos junto con el inserto de protección. Debido a la masa térmica del inserto de protección, la región que se somete a soldadura superficial tendrá una extensión reducida en comparación con los elementos de calentamiento conocidos previamente sin un inserto de protección. Además, es fácil obtener un agarre en el inserto de protección que hace posible desprender o incluso extraer material que está soldado al tubo radiante.
El inserto de protección debería tener buena conductividad del calor, es decir, ser eléctricamente conductor, para no afectar la transferencia de calor desde el elemento de calentamiento eléctrico al tubo radiante. También se prefiere formar el inserto de protección a partir de un material que tiene una alta emisividad, tal como al menos 0,6.
Una realización preferida se muestra en la Figura 3. La figura muestra una sección transversal del tubo radiante 2 y el inserto de protección 10. Un elemento de calentamiento eléctrico (no mostrado) se proporciona dentro del tubo radiante de la misma forma que se ha descrito anteriormente. Según esta realización, el inserto de protección 10 se puede configurar de tal forma para que cuando se ve desde una sección transversal de la longitud axial del dispositivo de calentamiento eléctrico, es decir, la longitud axial del tubo radiante 2, generalmente tiene la forma de un arco circular con un ángulo central a de hasta 45°, donde el punto medio M para el inserto de protección se encuentra a lo largo del eje central para el tubo radiante. El ángulo a se debería hacer tan pequeño como sea posible para impedir que el calor que se irradia desde el elemento de calentamiento eléctrico al tubo radiante sea tan pequeño como sea posible, aunque debe ser lo suficientemente grande para que el inserto de protección pueda cumplir su función. Según una realización preferida, el inserto de protección está formado, por lo tanto, de tal forma que constituye un arco circular con un ángulo central a de 20-40°, típicamente de alrededor de 30°.
En su forma más simple, el inserto de protección puede ser una placa. La placa está adecuadamente redondeada de manera que sigue la curvatura del interior del tubo radiante 11, tal como se ilustra en la Figura 3. Un espesor adecuado de la placa puede ser de 1-5 mm.
Según una realización preferida, el inserto de protección está dispuesto de modo que ocurra una conducción de calor directa entre el inserto de protección y el tubo radiante. Un hueco entre el inserto de protección y el tubo radiante supone que ocurre un paso de radiación entre el inserto de protección y el tubo radiante, lo que da como resultado un aumento de temperatura innecesario en el elemento de calentamiento. Minimizando la distancia entre el inserto de protección y el tubo radiante de tal forma que ocurra una transferencia directa de calor, la temperatura de trabajo del elemento de calentamiento puede ser, por lo tanto, inferior, lo que conduce entonces a un riesgo reducido de fallo del elemento. La transferencia de calor directa se puede lograr cuando el inserto de protección está en estrecho contacto con el interior del tubo radiante, preferiblemente de manera general a lo largo de toda la longitud del inserto de protección en el tubo radiante.
Según una realización preferida adicional el inserto de protección funciona además como conductor de corriente en caso de fallo del elemento. Para lograr esto, el inserto de protección se pone a tierra, adecuadamente en conexión con el reborde de tubo del tubo radiante. Esto se puede lograr o bien a través del inserto de protección que está en estrecho contacto con el reborde de tubo y/o el tubo radiante o bien, alternativamente, a través de una conexión separada entre el inserto de protección y la pared del horno, que se pone a tierra a sí misma. Las dimensiones del inserto de protección son tales que la fusión a través del inserto de protección no ocurre antes de que se funda el fusible del elemento de calentamiento.
El elemento de calentamiento según la invención permite, por lo tanto, el uso de una potencia más alta dado que un fallo potencial del elemento no causará tales consecuencias devastadoras. De esta forma, se pueden utilizar márgenes de seguridad inferiores en la elección de la toma de potencia y se mejora, por lo tanto, la productividad en sistemas que usan el dispositivo de calentamiento. La invención además hace más fácil cambiar el elemento de calentamiento eléctrico y hay una posibilidad de salvar el tubo radiante cuando se cambia un elemento. Por lo tanto, esto extiende la vida útil del dispositivo de calentamiento mientras que, al mismo tiempo, se puede usar a temperaturas más altas.
El inserto de protección puede estar hecho adecuadamente de una aleación a base de hierro férrico que comprende cromo y aluminio, tal como una aleación a base de hierro que comprende hasta 0,1% en peso de C, hasta 0,8% en peso de Si, hasta 0,5% en peso de Mn, 20-25% en peso de Cr, 4-7% en peso de Al y posiblemente hasta 5% en peso de aditivos para aumentar la resistencia mecánica. Ejemplos de tales aleaciones son conocidos con los nombres comerciales Kanthal A-1, Kanthal AF o Kanthal APM. Estos tipos de aleaciones de hierro-cromo-aluminio son preferidos dado que tienen buena resistencia a la oxidación y puntos de fusión adecuados. Los materiales mencionados anteriormente también tienen alta emisividad. También se contempla proporcionar el inserto de protección en otros tipos de material, tal como aleaciones a base de níquel-cromo o de materiales cerámicos con buena conductividad y una emisividad de preferiblemente al menos 0,6. Un ejemplo de un material cerámico adecuado es carburo de silicio.
La invención no está limitada a las realizaciones mencionadas anteriormente, sino que puede variar dentro de los parámetros de la reivindicación independiente 1. Por ejemplo, el inserto de protección puede estar compuesto por una placa perforada en donde la transferencia de calor en forma de radiación al tubo radiante aumenta. Además, el 5 elemento de calentamiento puede tener otras formas distintas de las descritas anteriormente, por ejemplo, ser de forma helicoidal. La invención es aplicable en todo tipo de dispositivos de calentamiento donde el portador de corriente y/o el elemento de calentamiento podrían entrar en contacto con el tubo radiante. Por ejemplo, el elemento de calentamiento eléctrico puede tener más o menos patas y el soporte se puede proporcionar de una forma diferente. También es posible que el elemento de calentamiento eléctrico sea serpenteante, en donde las patas de 10 los elementos de calentamiento se disponen transversalmente, por ejemplo, a discos cerámicos que funcionan como soportes. Además, es posible tener una pluralidad de elementos de calentamiento eléctrico dispuestos en el tubo radiante, por ejemplo, de la forma descrita en el documento WO 2005/006812.
Se ha descrito anteriormente un dispositivo de calentamiento eléctrico para montaje horizontal en un horno. No 15 obstante, también se contempla usar la invención también para elementos de calentamiento eléctrico que están destinados a ser montados verticalmente en un horno. Obviamente, incluso en este caso, el inserto de protección se coloca en el tubo radiante de modo que, en caso de fallo del elemento, las piezas potenciales de cable de calentamiento y metal fundido caigan con la ayuda de la gravedad hacia abajo sobre el inserto de protección. De esta forma, se captura una chispa entre el cable de calentamiento y el tubo radiante, y se reduce el riesgo de fusión 20 o combustión. El inserto de protección en este caso está formado preferiblemente de tal forma para que cubra incluso 360° de la circunferencia interna del tubo radiante, es decir, el inserto de protección está en forma de un tubo dentro del tubo radiante. En este caso, el interior del tubo también funcionará como una protección contra salpicaduras vertical para el metal fundido.

Claims (18)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un dispositivo de calentamiento eléctrico que comprende un tubo radiante (2) y un elemento de calentamiento eléctrico (4) dispuesto en el tubo radiante (2), en donde el elemento de calentamiento eléctrico (4) consiste en un cable de calentamiento, el elemento de calentamiento (4) está conectado a tomas de corriente en un extremo del tubo radiante (2) y el elemento de calentamiento (4) está soportado en el tubo radiante (2) con la ayuda de un soporte (6), un inserto de protección (10) de material eléctricamente conductor, donde el inserto de protección (10) está dispuesto entre el tubo radiante (2) y el elemento de calentamiento eléctrico (4) caracterizado por que el inserto de protección (10) está dispuesto de manera desmontable con respecto al tubo radiante (2) y al elemento de calentamiento eléctrico (4).
  2. 2. El dispositivo de calentamiento eléctrico según la reivindicación 1, en donde el inserto de protección (10) no está en contacto directo con el cable de calentamiento (4) del elemento de calentamiento.
  3. 3. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones 1 o 2, en donde el inserto de protección (10) está dispuesto de modo que está en estrecho contacto con el reborde del tubo y/o el tubo radiante (2) o está dispuesto en una conexión separada entre el inserto de protección (10) y la pared del horno.
  4. 4. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el inserto de protección (10) está dispuesto a lo largo de toda la longitud axial del elemento de calentamiento (4) a través del tubo radiante (2).
  5. 5. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el inserto de protección (10) está puesto a tierra adyacente a un extremo del tubo radiante (2).
  6. 6. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el inserto de protección (10) es una placa redondeada con una superficie externa que tiene una curvatura que corresponde generalmente a la curvatura de la superficie interna del tubo radiante (2).
  7. 7. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el inserto de protección (10) es una placa perforada.
  8. 8. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el inserto de protección (10) está dispuesto de manera que, cuando se ve en sección transversal a lo largo de la longitud axial del elemento de calentamiento (4), generalmente tiene una extensión en forma de un arco circular con un ángulo central a de hasta 45° y donde el punto medio M para el arco circular coincide con el eje central del tubo radiante (2).
  9. 9. El dispositivo de calentamiento eléctrico según la reivindicación 8, en donde el ángulo central a es 20 - 40°.
  10. 10. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el inserto de protección (10) está dispuesto de manera que ocurre una transferencia de calor directa entre el inserto de protección (10) y el tubo radiante (2).
  11. 11. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el inserto de protección (10) está hecho de una aleación a base de hierro férrico resistente a la oxidación que comprende cromo y aluminio.
  12. 12. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones 1-10 en donde el inserto de protección (10) está hecho de material cerámico.
  13. 13. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el elemento de calentamiento eléctrico (4) tiene patas de cable de calentamiento que discurren hacia atrás y hacia adelante en el tubo radiante (2).
  14. 14. El dispositivo de calentamiento eléctrico según la reivindicación 13, en donde el soporte (6) está compuesto de al menos un disco cerámico dotado con taladros a través de los cuales pasan las patas del elemento.
  15. 15. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones 1-12, en donde el elemento de calentamiento eléctrico (4) es de forma helicoidal.
  16. 16. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el dispositivo de calentamiento está adaptado para montaje horizontal en un horno.
  17. 17. El dispositivo de calentamiento eléctrico según una de las reivindicaciones 1-15, en donde el elemento de calentamiento (4) está adaptado para montaje vertical en un horno.
  18. 18. El dispositivo de calentamiento eléctrico según la reivindicación 17, en donde el inserto de protección (10) cubre 360° de la circunferencia interna del tubo radiante (2).
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EP (1) EP2232945B1 (es)
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