Как рассчитать длину нихромовой проволоки. Электрические нагревательные элементы, тэны, виды, конструкции, подключение и проверка Открытая нихромовая спираль
Расчет нихромовой спирали. Готовы для Вас изготовить нихромовую спираль. Длина нихрома на 220 вольт
Расчет нихромовой спирали. Готовы для Вас изготовить нихромовую спираль
При навивке спирали из нихрома для нагревательных элементов, операцию зачастую выполняют методом проб и ошибок, а затем подают напряжение на спираль и по нагреву нихромовой проволоки, нити подбирают требуемое количество витков.
Обычно такая процедура занимает много времени, а нихром теряет свои характеристики при множественных перегибах, что приводит к быстрому прогоранию в местах деформации. В худшем случае из делового нихрома получается нихромовый лом.
С ее помощью можно точно определить длину намотки виток к витку. В зависимости от Ø нихромовой проволоки и Ø стержня, на который наматывается нихромовая спираль. Пересчитать длину спирали из нихрома на другое напряжение нетрудно, использовав простую математическую пропорцию.
|
Ø нихрома 0,2 мм |
Ø нихрома 0,3 мм | нихрома 0,4 мм | Ø нихрома 0,5 мм | Ø нихрома 0,6 мм | Ø нихрома 0,7 мм | ||||||
| Ø стержня, мм | длина спирали, см |
стержня, мм |
длина спирали, см |
стержня, мм |
длина спирали, см |
стержня, мм |
длина спирали, см |
стержня, мм |
длина спирали, см |
стержня, мм |
длина спирали, см |
| 1,5 | 49 | 1,5 | 59 | 1,5 | 77 | 2 | 64 | 2 | 76 | 2 | 84 |
| 2 | 30 | 2 | 43 | 2 | 68 | 3 | 46 | 3 | 53 | 3 | 64 |
| 3 | 21 | 3 | 30 | 3 | 40 | 4 | 36 | 4 | 40 | 4 | 49 |
| 4 | 16 | 4 | 22 | 4 | 28 | 5 | 30 | 5 | 33 | 5 | 40 |
| 5 | 13 | 5 | 18 | 5 | 24 | 6 | 26 | 6 | 30 | 6 | 34 |
| 6 | 20 | 8 | 22 | 8 | 26 | ||||||
Например, требуется определить длину нихромовой спирали на напряжение 380 В из проволоки Ø 0,3 мм, стержень для намотки Ø 4 мм. Из таблицы видно, что длина такой спирали на напряжение 220 В будет равна 22 см. Составим простое соотношение:
220 В - 22 см
380 В - Х см
X = 380 · 22 / 220 = 38 см
Расчет электронагревательных элементов из нихромовой проволоки
Длину нихромовой проволоки для изготовления спирали определяют исходя из необходимой мощности.
Пример: Определить длину проволоки из нихрома для нагревательного элемента плитки мощностью P = 600 Вт при Uсети=220 В.
1) I = P/U = 600/220 = 2,72 A
2) R = U/I = 220/2,72 = 81 Ом
3) По этим данным (см. таблицу 1) выбираем d=0,45; S=0,159
тогда длина нихрома
l = SR / ρ = 0,159·81 /1,1 = 11,6 м
где l - длина проволоки (м)
S - сечение проволоки (мм2)
R - сопротивление проволоки (Ом)
ρ - удельное сопротивление (для нихрома ρ=1.0÷1.2 Ом·мм2/м)
Наша Компания ПАРТАЛ готова изготовить нихромовую спираль по ТУ и эскизам заказчика
Купить нихромовую спираль в компании ПАРТАЛ выгодно
Нихром для спирали высокого качества только российского производства. Строгое соответствие по качеству и марке
partalstalina.ru
Расчет нихромовой спирали | Полезное
Расчёт нихромовой спирали, на самом деле, очень важный процесс. Очень часто, на заводах, производствах, фабриках, этим пренебрегают и делают расчёт «на глаз», после чего включают спираль в сеть, а затем, подбирают нужное количество витков в зависимости от нагрева нихромового провода. Возможно, данная процедура очень проста, однако она занимает большой промежуток времени и часть нихрома просто расходуется попусту.
Однако данную процедуру можно выполнить намного точнее, проще и быстрее. Для того, что рационализировать свой труд, для расчёта нихромовой спирали на напряжение 220 Вольт, можно использовать ниже приведённую таблицу. Из расчёта, что удельное сопротивление нихрома равно (Ом мм2 / м)C, можно быстро рассчитать длину намотки виток к витку в зависимости от диаметра стержня, на который наматывают нихромовую нить, и непосредственно от самой толщины нихромового провода. А используя простую математическую пропорцию, без труда можно сделать расчёт длины спирали для другога напряжения.
К примеру, нужно определить длину нихромовой спирали на напряжение 127 Вольт из провода, толщина которого 0,3 мм, а стерженя для намотки 4 мм в диаметре. Посмотрев в таблицу, видно, что длина этой спирали на напряжение 220 Вольт будет равняться 22 см. Составляем простое соотношение:
220 В - 22 см 127 В - Х см тогда: X =127 22 / 220= 12,7 см
Намотав нихромовую спираль, осторожно подключите ее, не обрезая, к источнику напряжения и убедитесь в своих расчётах, а точнее в расчётах правильности намотки. И стоит помнить, что у закрытых спиралей длину намотки увеличивают на треть значения, приведенного в данной таблице.
Нихромовая проволока, расчет веса нихрома, применение нихромов
www.olakis.ru
Изготавливаем спирали электрические из НИХРОМА по ТУ и эскизам заказчика
Нихромовая спираль
Каждый знает, что такое нихромовая спираль. Это нагревательный элемент в виде проволоки, свернутой винтом для компактного размещения.
Эта проволока изготавливается из нихрома – прецизионного сплава, главными компонентами которого являются никель и хром.
«Классический» состав этого сплава – 80% никеля, 20% хрома.
Композицией наименований этих металлов было образовано название, которым обозначается группа хромоникелевых сплавов – «нихром».
Самые известные марки нихрома – Х20Н80 и Х15Н60. Первый из них близок к «классике». Он содержит 72-73 % никеля и 20-23 % хрома.
Второй разработан с целью снижения стоимости и повышения обрабатываемости проволоки.
На базе этих сплавов были получены их модификации с более высокой живучестью и стойкостью к окислению при высокой температуре.
Это марки Х20Н80-Н (-Н-ВИ) и Х15Н60 (-Н-ВИ). Они применяются для нагревательных элементов, контактирующих с воздухом. Рекомендуемая максимальная температура эксплуатации – от 1100 до 1220 °С
Применение нихромовой проволоки
Главное качество нихрома – это высокое сопротивление электрическому току. Оно определяет области применения сплава.
Нихромовая спираль применяется в двух качествах – как нагревательный элемент или как материал для электросопротивлений электрических схем.
Для нагревателей используется электрическая спираль из сплавов Х20Н80-Н и Х15Н60-Н.
Примеры применений:
- бытовые терморефлекторы и тепловентиляторы;
- ТЭНы для бытовых нагревательных приборов и электрического отопления;
- нагреватели для промышленных печей и термооборудования.
Сплавы Х15Н60-Н-ВИ и Х20Н80-Н-ВИ, получаемые в вакуумных индукционных печах, используют в промышленном оборудовании повышенной надежности.
Спираль из нихрома марок Х15Н60, Х20Н80, Х20Н80-ВИ, Н80ХЮД-ВИ отличается тем, что его электросопротивление мало меняется при изменении температуры.
Из нее изготавливают резисторы, соединители электронных схем, ответственные детали вакуумных приборов.
Как навить спираль из нихрома
Резистивная или нагревательная спираль может быть изготовлена в домашних условиях. Для этого нужна проволока из нихрома подходящей марки и правильный расчет требуемой длины.
Расчёт спирали из нихрома опирается на удельное сопротивление проволоки и требуемую мощность или сопротивление, в зависимости от назначения спирали. При расчете мощности нужно учитывать максимально допустимый ток, при котором спираль нагревается до определенной температуры.
Учет температуры
Например, проволока диаметром 0,3 мм при токе 2,7 А нагреется до 700 °С, а ток в 3,4 А нагреет ее до 900 °С.
Для расчета температуры и тока существуют справочные таблицы. Но еще нужно учитывать условия эксплуатации нагревателя.
При погружении в воду теплоотдача повышается, тогда максимальный ток можно повысить на величину до 50 % от расчетного.
Закрытый трубчатый нагреватель, наоборот, ухудшает отвод тепла. В этом случае и допустимый ток необходимо уменьшить на 10-50 %.
На интенсивность теплоотвода, а значит и на температуру нагревателя, влияет шаг навивки спирали.
Плотно расположенные витки дают более сильный нагрев, больший шаг усиливает охлаждение.
Следует учитывать, что все табличные расчеты приводятся для нагревателя, расположенного горизонтально. При изменении угла к горизонту условия теплоотвода ухудшаются.
Расчет сопротивления нихромовой спирали и ее длины
Определившись с мощностью, приступаем к расчету требуемого сопротивления.
Если определяющим параметром является мощность, то вначале находим требуемую силу тока по формуле I=P/U.
Имея силу тока, определяем требуемое сопротивление. Для этого используем закон Ома: R=U/I.
Обозначения здесь общепринятые:
- P – выделяемая мощность;
- U – напряжение на концах спирали;
- R – сопротивление спирали;
- I – сила тока.
Расчет сопротивления нихромовой проволоки готов.
Теперь определим нужную нам длину. Она зависит от удельного сопротивления и диаметра проволоки.
Можно сделать расчет, исходя из удельного сопротивления нихрома: L=(Rπd2)/4ρ.
- L – искомая длина;
- R – сопротивление проволоки;
- d – диаметр проволоки;
- ρ – удельное сопротивление нихрома;
- π – константа 3,14.
Но проще взять готовое линейное сопротивление из таблиц ГОСТ 12766.1-90. Там же можно взять и температурные поправки, если нужно учитывать изменение сопротивления при нагреве.
В этом случае расчет будет выглядеть так: L=R/ρld, где ρld – это сопротивление одного метра проволоки, имеющей диаметр d.
Навивка спирали
Теперь сделаем геометрический расчет нихромовой спирали. У нас выбран диаметр проволоки d, определена требуемая длина L и есть стержень диаметром D для навивки. Сколько нужно сделать витков? Длина одного витка составляет: π(D+d/2). Количество витков – N=L/(π(D+d/2)). Расчет закончен.
Практичное решение
На практике редко кто занимается самостоятельной навивкой проволоки для резистора или нагревателя.
Проще купить нихромовую спираль с требуемыми параметрами и при необходимости отделить от нее нужное количество витков.
Для этого стоит обратиться в компанию «ПАРТАЛ», которая с 1995 года является крупным поставщиком прецизионных сплавов, в том числе проволоки нихромовой, ленты и спиралей для нагревателей.
Наша компания способна полностью снять вопрос о том, где купить нихромовую спираль, поскольку мы готовы изготовить ее на заказ по эскизам и техническим условиям заказчика.
partalstalina.ru
Расчет и ремонт нагревательной обмотки паяльника
При ремонте или при самостоятельном изготовлении электрического паяльника или любого другого нагревательного прибора приходится мотать нагревательную обмотку из нихромовой проволоки. Исходными данными для расчета и выбора проволоки является сопротивление обмотки паяльника или нагревательного прибора, которое определяется исходя из его мощности и напряжения питания. Рассчитать, какое должно быть сопротивление обмотки паяльника или нагревательного прибора можно с помощью таблицы.
Зная напряжение питания и измеряв сопротивление любого нагревательного электроприбора, например паяльника, электрочайника, электрического обогревателя илиэлектрического утюга, можно узнать потребляемую этим бытовым электроприбором мощность. Например, сопротивление электрочайника мощностью 1,5 кВт будет равно 32,2 Ом.
| 12 | 48,0 | 108 | 1344 | 4033 |
| 6,0 | 24,0 | 54 | 672 | 2016 |
| 4,0 | 16,0 | 36 | 448 | 1344 |
| 3,4 | 13,7 | 31 | 384 | 1152 |
| 2,4 | 9,6 | 22 | 269 | 806 |
| 1.9 | 7.7 | 17 | 215 | 645 |
| 1,4 | 5,7 | 13 | 161 | 484 |
| 0,96 | 3,84 | 8,6 | 107 | 332 |
| 0,72 | 2,88 | 6,5 | 80,6 | 242 |
| 0,48 | 1,92 | 4,3 | 53,8 | 161 |
| 0,36 | 1,44 | 3,2 | 40,3 | 121 |
| 0,29 | 1,15 | 2,6 | 32,3 | 96,8 |
| 0,21 | 0,83 | 1,85 | 23,0 | 69,1 |
| 0,16 | 0,64 | 1,44 | 17,9 | 53,8 |
| 0,14 | 0,57 | 1,30 | 16,1 | 48,4 |
| 0,10 | 0,38 | 0,86 | 10,8 | 32,3 |
| 0,07 | 0,29 | 0,65 | 8,06 | 24,2 |
| 0,06 | 0,23 | 0,52 | 6,45 | 19,4 |
| 0,05 | 0,19 | 0,43 | 5,38 | 16,1 |
Рассмотрим на примере как пользоваться таблицей. Допустим, требуется перемотать паяльник мощностью 60 Вт рассчитанный на напряжение питания 220 В. По самой левой колонке таблицы выбираете 60 Вт. По верхней горизонтальной строке выбираете 220 В. В результате расчета получается, что сопротивление обмотки паяльника, не зависимо от материала обмотки, должно быть равно 806 Ом.
Если Вам понадобилось сделать из паяльника мощностью 60 Вт, рассчитанного на напряжение 220 В, паяльник, для питания от сети 36 В, то сопротивление новой обмотки должно будет уже равно 22 Ом. Вы можете самостоятельно рассчитать сопротивление обмотки любого электронагревательного прибора с помощью онлайн калькулятора.
После определения требуемой величины сопротивления обмотки паяльника из ниже приведенной таблицы выбирается подходящий, исходя из геометрических размеров обмотки, диаметр нихромовой проволоки. Нихромовая проволока представляет собой хромоникелевый сплав, который выдерживает температуру нагрева до 1000˚С и маркируется Х20Н80. Это означает, что в сплаве содержится 20% хрома и 80% никеля.
Для намотки спирали паяльника имеющей сопротивление 806 Ом из примера выше, понадобится 5,75 метров нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм (нужно поделить 806 на 140), или 25,4 м проволоки диаметром 0,2 мм, и так далее.
При намотке спирали паяльника витки укладываются вплотную друг к другу. При нагревании докрасна поверхность нихромовой проволоки окисляется и образует изолирующую поверхность. Если вся длина проволоки не вмещается на гильзе в один слой, то намотанный слой покрывается слюдой и мотается второй.
Для электрической и тепловой изоляции обмотки нагревательного элемента лучшими материалами является слюда, стекловолоконная ткань и асбест. Асбест обладает интересным свойством, его можно размочить водой и он делается мягким, позволяет придавать ему любую форму, а после высыхания обладает достаточной механической прочностью. При изолировании обмотки паяльника мокрым асбестом надо учесть, что мокрый асбест хорошо проводит эклектический ток и включать паяльник в электросеть можно будет только после полного высыхания асбеста.
felstar.mypage.ru
КАК РАССЧИТАТЬ СПИРАЛЬ ИЗ НИХРОМА?
Post written by admin at 18.01.2015 23:23Categories: 3. Домашняя электрика, Электромастерская
No Comments »
Намотку спирали из нихрома для нагревательных приборов часто выполняют “на глазок”, а затем, включая спираль в сеть, по нагреву нихромового провода подбирают требующееся количество витков. Обычно такая процедура занимает много времени, да и нихром расходуется попусту.
При использовании спирали на напряжение 220 В можно воспользоваться данными, приведенными в таблице, из расчета, что удельное сопротивление нихрома ρ=(Ом мм2/м). С помощью этой формулы можно быстро определить длину намотки виток к витку в зависимости от толщины нихромового провода и диаметра стержня, на который наматывается спираль.
Например, если требуется определить длину спирали на напряжение 127 В из нихромового провода толщиной 0,3 мм, стержень для намотки диам. 4 мм. Из таблицы видно, что длина такой спирали на напряжение 220 В будет равна 22 см.
Составим простое соотношение:
220 В - 22 см
Х =127 * 22 / 220 = 12,7 см.
Намотав спираль, подключите ее, не обрезая, к источнику напряжения и убедитесь в правильности намотки. У закрытых спиралей длину намотки увеличивают на 1/3 значения, приведенного в таблице.
Условные обозначения в таблице: D - диаметр стержня, мм; L - длина спирали, см.
| диам. нихрома0,2 мм | диам. нихрома0,3 мм | диам. нихрома0,4 мм | диам. нихрома0,5 мм | диам. нихрома0,6 мм | диам. нихрома0,7 мм | диам. нихрома0,8 мм | диам. нихрома0,9 мм | диам. нихрома1,0 мм | |||||||||
| D | L | D | L | D | L | D | L | D | L | D | L | D | L | D | L | D | L |
| 1,5 | 49 | 1,5 | 59 | 1,5 | 77 | 2 | 64 | 2 | 76 | 2 | 84 | 3 | 68 | 3 | 78 | 3 | 75 |
| 2 | 30 | 2 | 43 | 2 | 68 | 3 | 46 | 3 | 53 | 3 | 62 | 4 | 54 | 4 | 72 | 4 | 63 |
| 3 | 21 | 3 | 30 | 3 | 40 | 4 | 36 | 4 | 40 | 4 | 49 | 5 | 46 | 6 | 68 | 5 | 54 |
| 4 | 16 | 4 | 22 | 4 | 28 | 5 | 30 | 5 | 33 | 5 | 40 | 6 | 40 | 8 | 52 | 6 | 48 |
| 5 | 13 | 5 | 18 | 5 | 24 | 6 | 26 | 6 | 30 | 6 | 34 | 8 | 31 | 8 | 33 | ||
| 6 | 20 | 8 | 22 | 8 | 26 | 10 | 24 | 10 | 30 | ||||||||
| 10 | 22 | ||||||||||||||||
elctricvs.ru
Электрическое сопротивление - это одна из самых важных характеристик нихрома. Оно определяется многими факторами, в частности электрическое сопротивление нихрома зависит от размеров проволоки или ленты, марки сплава. Общая формула для активного сопротивления имеет вид: R = ρ · l / S R - активное электрическое сопротивление (Ом), ρ - удельное электрическое сопротивление (Ом·мм), l - длина проводника (м), S - площадь сечения (мм2)
Чтобы рационализировать эту работу при использовании нихромовой спирали на напряжение 220 В, предлагаю воспользоваться данными приведенными в таблице, из расчета, что удельное сопротивление нихрома =(Ом · мм2 / м)C. С ее помощью можно быстро определить длину намотки виток к витку в зависимости от толщины нихромового провода и диаметра стержня, на который наматывается нихромовая спираль. Пересчитать длину спирали из нихрома на другое напряжение нетрудно, использовав простую математическую пропорцию.
Например, требуется определить длину нихромовой спирали на напряжение 380 В из провода толщиной 0,3 мм, стержень для намотки Ø 4 мм. Из таблицы видно, что длина такой спирали на напряжение 220 В будет равна 22 см. Составим простое соотношение: 220 В - 22 см 380 В - Х см тогда: X = 380 · 22 / 220 = 38 см Намотав нихромовую спираль, подключите ее, не обрезая, к источнику напряжения и убедитесь в правильности намотки. У закрытых спиралей длину намотки увеличивают на 1/3 значения, приведенного в таблице. В данной таблице приведена теоретическая масса 1 метра нихромовой проволоки и ленты. Она изменяется в зависимости от размеров продукции.
|
www.metotech.ru
| Расчет нагревательного элемента Пример расчета. Дано:U=220В,t=700°C,тип Х20Н80,d=0,5мм-----------L,P-?Решение:По таблице 1 найдем, что диаметру d=0,5мм соответствует S=0,196мм², а ток при 700°С I=5,2А.Тип сплава Х20Н80 - нихром, удельное сопротивление которого ρ=1,11 мкОм·м.Определяем сопротивление R=U/I=220/5,2=42,3 Ом.Отсюда вычислим длину проволоки: L=RS/ρ=42,3·0,196/1,11=7,47м.Определяем мощность нагревательного элемента:P=U·I=220·5,2=1,15кВт.При накрутке спирали придерживаются следующего соотношения:D=(7÷10)d, гдеD- диаметр спирали, мм,d - диаметр проволоки, мм.Примечание:- если нагреватели находятся внутри нагреваемой жидкости, то нагрузку (ток) можно увеличить в 1,1-1,5 раза;-в закрытом исполнении нагревателя ток следует снизить в 1,2-1,5 раза. Меньший коэффициент берется для более толстой проволоки, больший - для тонкой. Для первого случая коэффициент выбирается с точностью до наоборот.Оговорюсь: речь идет о упрощенном расчете нагревательного элемента. Возможно кому-то понадобится таблица значений электрического сопротивления для 1 м нихромовой проволоки, а также ее весТаблица 1.Допустимая сила тока нихромовой проволоки при нормальной температуре
|
||||||||
www.elektrikii.ru
При навивке спирали из нихрома для нагревательных элементов, операцию зачастую выполняют методом проб и ошибок, а затем подают напряжение на спираль и по нагреву нихромовой проволоки, нити подбирают требуемое количество витков.
Обычно такая процедура занимает много времени, а нихром теряет свои характеристики при множественных перегибах, что приводит к быстрому прогоранию в местах деформации. В худшем случае из делового нихрома получается нихромовый лом.
С ее помощью можно точно определить длину намотки виток к витку. В зависимости от Ø нихромовой проволоки и Ø стержня, на который наматывается нихромовая спираль. Пересчитать длину спирали из нихрома на другое напряжение нетрудно, использовав простую математическую пропорцию.
Длина нихромовой спирали в зависимости от диаметра нихрома и диаметра стержня
|
Ø нихрома 0,2 мм |
Ø нихрома 0,3 мм | нихрома 0,4 мм | Ø нихрома 0,5 мм | Ø нихрома 0,6 мм | Ø нихрома 0,7 мм | ||||||
| Ø стержня, мм | длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
| 1,5 | 49 | 1,5 | 59 | 1,5 | 77 | 2 | 64 | 2 | 76 | 2 | 84 |
| 2 | 30 | 2 | 43 | 2 | 68 | 3 | 46 | 3 | 53 | 3 | 64 |
| 3 | 21 | 3 | 30 | 3 | 40 | 4 | 36 | 4 | 40 | 4 | 49 |
| 4 | 16 | 4 | 22 | 4 | 28 | 5 | 30 | 5 | 33 | 5 | 40 |
| 5 | 13 | 5 | 18 | 5 | 24 | 6 | 26 | 6 | 30 | 6 | 34 |
| 6 | 20 | 8 | 22 | 8 | 26 | ||||||
Например, требуется определить длину нихромовой спирали на напряжение 380 В из проволоки Ø 0,3 мм, стержень для намотки Ø 4 мм. Из таблицы видно, что длина такой спирали на напряжение 220 В будет равна 22 см. Составим простое соотношение:
220 В - 22 см
380 В - Х см
тогда:
X = 380 · 22 / 220 = 38 см
Намотав нихромовую спираль, подключите ее, не обрезая, к источнику напряжения и убедитесь в правильности намотки. У закрытых спиралей длину намотки увеличивают на 1/3 значения, приведенного в таблице.
Расчет электронагревательных элементов из нихромовой проволоки
Длину нихромовой проволоки для изготовления спирали определяют исходя из необходимой мощности.
Пример: Определить длину проволоки из нихрома для нагревательного элемента плитки мощностью P = 600 Вт при U сети=220 В.
Решение:
1) I = P/U = 600/220 = 2,72 A
2) R = U/I = 220/2,72 = 81 Ом
3) По этим данным (см. таблицу 1) выбираем d =0,45; S =0,159
тогда длина нихрома
l = SR / ρ = 0,159·81 /1,1 = 11,6 м
где l - длина проволоки (м)
S - сечение проволоки (мм 2)
R - сопротивление проволоки (Ом)
ρ - удельное сопротивление (для нихрома ρ=1.0÷1.2 Ом·мм 2 /м)
| Допустимая сила тока (l), А | |||||||
| Ø нихрома при 700 °C , мм |
0,17 |
0,45 |
0,55 |
0,65 Купить нихромовую спираль в компании ПАРТАЛ удобно и выгодно - онлайн заказ Доставка заказов по России, в Казахстан и Беларусь |
В практике домашнего мастера приходится ремонтировать или конструировать нагревательные приборы. Это могут быть различные печи, обогреватели паяльники и резаки. Чаще всего для этого применяют спирали или проволоку из нихрома. Основной задачей при этом является определить длину и сечение материала. В этой статье мы расскажем о том, как рассчитать длину нихромовой проволоки или спирали по мощности, сопротивлению и температуре.
Основные сведения и марки нихрома
Нихромом называют сплав никеля и хрома с добавками марганца, кремния, железа, алюминия. У этого материала параметры зависят от конкретного соотношения веществ в сплаве, но в среднем лежат в пределах:
- удельное электрическое сопротивление - 1,05-1,4 Ом*мм 2 /м (в зависимости от марки сплава);
- температурный коэффициент сопротивления - (0,1-0,25)·10 −3 К −1 ;
- рабочая температура - 1100 °C;
- температура плавления - 1400°C;
В таблицах удельное сопротивление часто приводится в мкОм*м (или 10 -6 Ом*м) – численно значения те же, разница в размерности.
В настоящее время есть две самых распространённых марки нихромовой проволоки:
- Х20Н80. Состоит на 74% из никеля и на 23% хрома, а также по 1% железа, кремния и марганца. Проводники этой марки можно использовать при температуре до 1250 ᵒ С, температура плавления – 1400 ᵒ С. Также он отличается повышенным электросопротивлением. Сплав применяют для изготовления элементов нагревательных приборов. Удельное сопротивление – 1,03-1,18 мкОм·м;
- Х15Н60. Состав: 60% никеля, 25% железа, 15% хрома. Рабочая температура не более 1150 ᵒ С. Температура плавления – 1390 ᵒ С. Содержит больше железа, что повышает магнитные свойства сплава и увеличивает его антикоррозийную устойчивость.
Более подробно о марках и свойствах этих сплавов вы узнаете из ГОСТ 10994-74, ГОСТ 8803-89, ГОСТ 12766.1-90 и других.
Как уже было сказано, нихромовая проволока применяется повсеместно где нужны нагревательные элементы. Высокое удельное сопротивление и температура плавления позволяют использовать нихром в качестве основы для разных нагревательных элементов, начиная от чайника или фена, заканчивая муфельной печью.
Методики расчета
По сопротивлению
Давайте разберемся как рассчитать длину нихромовой проволоки по мощности и сопротивлению. Расчёт начинается с определения требуемой мощности. Представим, что, нам нужна нить из нихрома для паяльника малых размеров мощностью в 10 Ватт, который будет работать от блока питания на 12В. Для этого у нас есть проволока диаметром 0.12 мм.
Простейший расчет длины нихрома по мощности без учета нагрева выполняется так:
Определим силу тока:
I=P/U=10/12=0,83 A
Расчет сопротивления нихромовой проволоки проводим по :
R=U/I=12/0,83=14,5 Ома
Длина проволоки равна:
l=SR/ρ ,
где S – площадь поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление.
Или по такой формуле:
l= (Rπd2)/4ρ
L=(14.5*3,14*0.12^2)/4*1,1=0,149м=14,9см
Тоже самое можно взять из ГОСТ 12766.1-90 табл. 8, где указана величина в 95.6 Ом/м, если по ней пересчитать, то получится почти тоже самое:
L=R треб /R табл =14,4/95,6=0,151м=15,1см
Для нагревателя мощностью 10 ватт, который питается от 12В, нужно 15.1см.
Если вам нужно выполнить расчет числа витков спирали, чтобы её свить из нихромовой проволоки такой длины, то используйте следующие формулы:
Длина одного витка:
Количество витков:
N=L/(π(D+d/2)),
где L и d – длина и диаметр проволоки, D – диаметр стержня на котором будут мотать спираль.
Допустим мы будем мотать нихромовую проволоку на стержень диаметром 3 мм, тогда расчеты проводим в миллиметрах:
N=151/(3,14(3+0,12/2))=15,71 витков
Но при этом нужно учитывать, способен ли вообще нихром такого сечения выдержать этот ток. Подробные таблицы для определения максимального допустимого тока при определенной температуре для конкретных сечений приведены ниже. Простыми словами – вы определяете, до скольки градусов должна греться проволока и выбираете её сечение для расчётного тока.
Также учтите, что если нагреватель находится внутри жидкости, то ток можно увеличить в 1.2-1.5 раз, а если в замкнутом пространстве, то наоборот – уменьшить.
По температуре
Проблема приведенного выше расчёта в том, что мы считаем сопротивление холодной спирали по диаметру нихромовой нити и её длине. Но оно зависит от температуры, при этом же нужно учитывать при каких условиях получится её достичь. Если для резки пенопласта или для обогревателя такой расчет еще применим, то для муфельной печи он будет слишком грубым.
Приведем пример расчетов нихрома для печи.
Сначала определяют её объём, допустим 50 литров, далее определяют мощность, для этого есть эмпирическое правило:
- до 50 литров – 100Вт/л;
- 100-500 литров – 50-70 Вт/л.
Тогда в нашем случае:
I=5000/220=22.7 Ампера
R=220/22.7=9,7 Ом
Для 380В при подключении спиралей звездой, расчет будет следующим.
Делим мощность на 3 фазы:
Pф=5/3=1,66 кВт на фазу
При подключении звездой, к каждой ветви прикладывается 220В (фазное напряжение, может отличаться в зависимости от вашей электроустановки), тогда ток:
I=1660/220=7.54 А
Сопротивление:
R=220/7.54=29.1 Ом
Для соединения треугольником рассчитываем по линейному напряжению 380В:
I=1660/380=4.36 А
R=380/4.36=87.1 Ом
Для определения диаметра учитывают удельную поверхностную мощность нагревателя. Рассчитаем длину, удельные сопротивления берем с табл. 8. ГОСТ 12766.1-90, но прежде определим диаметр.
Для расчета удельной поверхностной мощности печи используют формулу.
Bэф (зависит от теплопринимающей поверхности) и a (коэф. Эффективности излучения) – выбираются по следующим таблицам.
Итак, для нагрева печи до 1000 градусов, возьмём температуру спирали в 1100 градусов, тогда по таблице подбора В эф выбираем значение в 4,3 Вт/см 2 , а по таблице подбора коэффициента а – 0,2.
В доп =В эф *а=4,3*0.2= 0,86 Вт/см 2 =0.86*10^4 Вт/м 2
Диаметр определяют по формуле:
р т – удельное сопротивление материала нагревателя при заданной t, определяется по ГОСТ 12766.1, таблица 9 (приведена ниже).
Для нихрома Х80Н20 – 1,025
р т =р 20 *р 1000 =1.13*10^6*1.025=1.15*10^6 Ом/мм
Тогда для подключения к трёхфазной сети по схеме «Звезда»:
Длина рассчитывается по формуле:
Проверим значения:
L=R/(p*k)=29.1/(0.82*1.033)=34м
Значения отличаются из-за высокой температуры спирали, проверка не учитывает ряда факторов. Поэтому примем за длину 1 спирали – 42м, тогда для трёх спиралей нужно 126 метров нихрома 1,3 мм.
Заключение
- условия окружающей среды;
- расположение нагревательных элементов;
- температуру спиралей;
- температуру, до которой должна нагреться поверхность и другие факторы.
Даже приведенный расчет, несмотря на его сложность, нельзя назвать достаточно точным. Потому что расчет нагревательных элементов - это сплошная термодинамика и можно привести еще ряд факторов, которые влияют на его результаты, например, теплоизоляцию печи и прочее.
На практике после оценочных подсчетов спирали добавляют или убирают в зависимости от полученного результата или используют температурные датчики и устройства для её регулировки.
Материалы
Если домашнему мастеру по характеру выполняемых им работ необходима муфельная печь, то он, конечно, может приобрести готовый прибор в магазине или по объявлениям. Однако, стоит подобное оборудование заводского производства – весьма недешево. Поэтому многие умельцы берутся за изготовление таких печей самостоятельно.
Основной «рабочий узел» электрической муфельной печи – нагреватель, который в условиях кустарного производства обычно исполняют в виде спирали из специальной проволоки с высокими показателями сопротивления и термической отдачи. Характеристики его должны строго соответствовать мощности создаваемого оборудования, предполагаемым температурным режимам работы, а также отвечать еще некоторым требованиям. Если планируется самостоятельное изготовление прибора, то советуем применить предлагаемые ниже алгоритм и удобные калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи.
Расчет требует определенных пояснений, которые постараемся изложить максимально доходчиво.
Алгоритм и калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи
Из чего делаются нагревательные спирали
Для начала – буквально несколько слов о проволоке, которая используется для навивки нагревательных спиралей. Обычно для таких целей применяется нихромовая или фехралевая.
- Нихромовая (от сокращений никель + хром) чаще всего представлена сплавами Х20Н80-Н , Х15Н60 или Х15Н60-Н .
Цены на муфельную печь
муфельная печь
Ее достоинства :
— высокий запас прочности при любых температурах нагрева;
— пластична , легко обрабатывается, поддаётся свариванию;
— долговечность, стойкость к коррозии, отсутствие магнитных качеств.
Недостатки :
— более низкие показатели нагрева и термоустойчивости по сравнению с фехралевой .
- Фехралевая (от сокращений феррум , хром , алюминий) – в наше время чаще используется материал из сплава Х23Ю 5Т.
Достоинства фехраля :
— намного дешевле нихрома, благодаря чему в основном материал и пользуется широкой популярностью;
— имеет более значительные показатели сопротивления и резистивного нагрева;
— высокая жаростойкость.
Недостатки :
— низкая прочность, а после даже однократного нагрева свыше 1000 градусов – выраженная хрупкость спирали;
— невыдающаяся долговечность;
— наличие магнитных качеств, подверженность коррозии из-за наличии в составе железа;
— ненужная химическая активность – способен вступать в реакции с материалом шамотной футеровки печи;
— чрезмерно большое термическое линейное расширение.
Каждый из мастеров волен выбрать любой из перечисленных материалов, проанализировав их «за» и «против» . Алгоритм расчёта учитывает особенности такого выбора.
Шаг 1 – определение мощности печи и силы тока, проходящего через нагреватель.
Чтобы не вдаваться в ненужные в данном случае подробности, сразу скажем, что существуют эмпирические нормы соответствия объема рабочей камеры муфельной печи и ее мощности. Они показаны в таблице ниже:
Если есть проектные наброски будущего прибора, то объем муфельной камеры определить несложно – произведением высоты, ширины и глубины. Затем объем переводится в литры и умножается на указанные в таблице рекомендуемые нормы мощности. Так получаем мощность печи в ваттах.
Табличные значения указаны в некоторых диапазонах, так что или применяйте интерполяцию, или принимайте примерно среднюю величину.
Найденная мощность, при известном напряжении сети (220 вольт) позволяет сразу определить силу тока, который будет проходить через нагревательный элемент.
I = P / U.
I – сила тока.
Р – определённая выше мощность муфельной печи;
U – напряжение питания.
Весь этот первый шаг расчета очень легко и быстро можно проделать с помощью калькулятора: все табличные значения уже внесены в программу вычисления.
Калькулятор мощности муфельной печи и силы тока, проходящего через нагреватель
Очень часто при желании сделать или отремонтировать нагреватель электропечи своими руками у человека появляется много вопросов. Например, какого диаметра взять проволоку, какова должна быть ее длина или какую мощность можно получить, используя проволоку или ленту с заданными параметрами и т.д. При правильном подходе к решению данного вопроса необходимо учитывать достаточно много параметров, например, силу тока, проходящего через нагреватель , рабочую температуру, тип электрической сети и другие.В данной статье приводятся справочные данные о материалах, наиболее распространенных при изготовлении нагревателей электрических печей , а также методика и примеры их расчета (расчета нагревателей электрических печей).
Нагреватели. Материалы для изготовления нагревателей
Непосредственно нагреватель – один из самых важных элементов печи, именно он осуществляет нагрев, имеет наибольшую температуру и определяет работоспособность нагревательной установки в целом. Поэтому нагреватели должны соответствовать ряду требований, которые приведены ниже.Требования к нагревателям
Основные требования к нагревателям (материалам нагревателей):- Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью (окалиностойкостью) и жаропрочностью. Жаропрочность - механическая прочность при высоких температурах. Жаростойкость - сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах (более подробно свойства жаростойкости и жаропорочности описаны на странице ).
- Нагреватель в электропечи должен быть сделан из материала, обладающего высоким удельным электрическим сопротивлением. Говоря простым языком, чем выше электрическое сопротивление материала, тем сильнее он нагревается. Следовательно, если взять материал с меньшим сопротивлением, то потребуется нагреватель большей длины и с меньшей площадью поперечного сечения. Не всегда в печи может быть размещен достаточно длинный нагреватель. Также стоит учитывать, что, чем больше диаметр проволоки, из которой сделан нагреватель, тем дольше срок его службы . Примерами материалов, обладающих высоким электрическим сопротивлением являются хромоникелевый сплав , , железохромоалюминиевый сплав , которые относятся к прецизионным сплавам с высоким электрическим сопротивлением.
- Малый температурный коэффициент сопротивления является существенным фактором при выборе материала для нагревателя. Это означает, что при изменении температуры электрическое сопротивление материала нагревателя меняется не сильно. Если температурный коэффициент электросопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.
- Физические свойства материалов нагревателей должны быть постоянными. Некоторые материалы, например карборунд, который является неметаллическим нагревателем, с течением времени могут изменять свои физические свойства, в частности электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления используют трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.
- Металлические материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, а именно: пластичностью и свариваемостью, - чтобы из них можно было изготовить проволоку , ленту , а из ленты - сложные по конфигурации нагревательные элементы. Также нагреватели могут быть изготовлены из неметаллов. Неметаллические нагреватели прессуются или формуются, превращаясь в готовое изделие.
Материалы для изготовления нагревателей
Наиболее подходящими и самыми используемыми в производстве нагревателей для электропечей являются прецизионные сплавы с высоким электрическим сопротивлением . К ним относятся сплавы на основе хрома и никеля (хромоникелевые ), железа, хрома и алюминия (железохромоалюминиевые ). Марки и свойства данных сплавов рассмотрены в «Сплавы прецизионные. Марки» . Представителями хромоникелевых сплавов является марок Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200 °С), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125 °С), железохромоалюминиевых – марок Х23Ю5Т (950-1400 °С), Х27Ю5Т (950-1350 °С), Х23Ю5 (950-1200 °С), Х15Ю5 (750-1000 °С). Также существуют железохромоникелевые сплавы - Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.Перечисленные выше сплавы обладают хорошими свойствами жаропрочности и жаростойкости, поэтому они могут работать при высоких температурах. Хорошую жаростойкость обеспечивает защитная пленка из окиси хрома, которая образуется на поверхности материала. Температура плавления пленки выше температуры плавления непосредственно сплава, она не растрескивается при нагреве и охлаждении.
Приведем сравнительную характеристику нихрома и фехрали.
Достоинства нихрома:
- хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах;
- сплав крипоустойчив;
- имеет хорошие технологические свойства – пластичность и свариваемость;
- хорошо обрабатывается;
- не стареет, немагнитен.
- высокая стоимость никеля - одного из основных компонентов сплава;
- более низкие рабочие температуры по сравнению с фехралью.
- более дешевый сплав по сравнению с нихромом, т.к. не содержит ;
- обладает лучшей по сравнению с нихромом жаростойкостью, напрмер, фехраль Х23Ю5Т может работать при температуре до 1400 °С (1400 °С - максимальная рабочая температура для нагревателя из проволоки Ø 6,0 мм и более; Ø 3,0 - 1350 °С; Ø 1,0 - 1225 °С; Ø 0,2 - 950 °С).
- хрупкий и непрочный сплав, данные негативные свойства особенно сильно проявляются после пребывания сплава при температуре большей 1000 °С;
- т.к. фехраль имеет в своем составе железо, то данный сплав является магнитным и может ржаветь во влажной атмосфере при нормальной температуре;
- имеет низкое сопротивление ползучести;
- взаимодействует с шамотной футеровкой и окислами железа;
- во время эксплуатации нагреватели из фехрали существенно удлиняются.
В последнее время разработаны сплавы типа Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ, т.е. с добавлением 3% алюминия, что значительно улучшило жаростойкость сплавов, а наличие никеля практически исключило имеющиеся у железохромоалюминиевых сплавов недостатки. Сплавы Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаимодействуют с шамотом и окислами железа, достаточно хорошо обрабатываются, механически прочны, нехрупки. Максимальная рабочая температура сплава Х15Н60ЮЗ составляет 1200 °С.
Помимо перечисленных выше сплавов на основе никеля, хрома, железа, алюминия для изготовления нагревателей применяют и другие материалы: тугоплавкие металлы, а также неметаллы.
Среди неметаллов для изготовления нагревателей используют карборунд, дисилицид молибдена, уголь, графит. Нагреватели из карборунда и дисилицида молибдена используют в высокотемпературных печах. В печах с защитной атмосферой применяют угольные и графитовые нагреватели.
Среди тугоплавких материалов в качестве нагревателей могут использоваться , , тантал и ниобий. В высокотемпературных вакуумных печах и печах с защитной атмосферой применяются нагреватели из молибдена и вольфрама . Молибденовые нагреватели могут работать до температуры 1700 °С в вакууме и до 2200 °С – в защитной атмосфере. Такая разница температур обусловлена испарением молибдена при температурах выше 1700 °С в вакууме. Вольфрамовые нагреватели могут работать до 3000 °С. В особых случаях применяют нагреватели из тантала и ниобия.
Расчет нагревателей электрических печей
Обычно в качестве исходных данных для выступают мощность, которую должны обеспечивать нагреватели, максимальная температура, которая требуется для осуществления соответствующего технологического процесса (отпуска, закалки, спекания и т.д.) и размеры рабочего пространства электрической печи. Если мощность печи не задана, то ее можно определить по эмпирическому правилу. В ходе расчета нагревателей требуется получить диаметр и длину (для проволоки) или площадь сечения и длину (для ленты), которые необходимы для изготовления нагревателей .Также необходимо определить материал, из которого следует делать нагреватели (данный пункт в статье не рассматривается). В данной статье в качестве материала для нагревателей рассматривается хромоникелевый прецизионный сплав с высоким электрическим сопротивлением , который является одним из самых популярных при изготовлении нагревательных элементов.
Определение диаметра и длины нагревателя (нихромовой проволоки) для заданной мощности печи (простой расчет)
Пожалуй, наиболее простым вариантом расчета нагревателей из нихрома является выбор диаметра и длины при заданной мощности нагревателя, питающего напряжения сети, а также температуры, которую будет иметь нагреватель. Несмотря на простоту расчета, в нем имеется одна особенность, на которую мы обратим внимание ниже.Пример расчета диаметра и длины нагревательного элемента
Исходные данные:
Устройство мощностью P
= 800 Вт; напряжение сети U
= 220 В; температура нагревателя 800 °C. В качестве нагревательного элемента используется нихромовая проволока Х20Н80.
1.
Сначала необходимо определить силу тока, которая будет проходить через нагревательный элемент:
I = P / U
= 800 / 220 = 3,63 А.
2.
Теперь нужно найти сопротивление нагревателя:
R = U / I
= 220 / 3,63 = 61 Ом;
3. Исходя из значения полученной в п. 1 силы тока, проходящего через нихромовый нагреватель , нужно выбрать диаметр проволоки. И этот момент является важным. Если, например, при силе тока в 6 А использовать нихромовую проволоку диаметром 0,4 мм, то она сгорит. Поэтому, рассчитав силу тока, необходимо выбрать из таблицы соответствующее значение диаметра проволоки. В нашем случае для силы тока 3,63 А и температуры нагревателя 800 °C выбираем нихромовую проволоку с диаметром d = 0,35 мм и площадью поперечного сечения S = 0,096 мм 2 .
Общее правило выбора диаметра проволоки можно сформулировать следующим образом: необходимо выбрать проволоку, у которой допустимая сила тока не меньше, чем расчетная сила тока, проходящего через нагреватель. С целью экономии материала нагревателя следует выбирать проволоку с ближайшей большей (чем расчетная) допустимой силой тока .
Таблица 1
| Диаметр , мм | Площадь поперечного сечения нихромовой проволоки, мм 2 | Температура нагрева нихромовой проволоки, °C | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 200 | 400 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | ||
| Максимальная допустимая сила тока, А | ||||||||
| 5 | 19,6 | 52 | 83 | 105 | 124 | 146 | 173 | 206 |
| 4 | 12,6 | 37,0 | 60,0 | 80,0 | 93,0 | 110,0 | 129,0 | 151,0 |
| 3 | 7,07 | 22,3 | 37,5 | 54,5 | 64,0 | 77,0 | 88,0 | 102,0 |
| 2,5 | 4,91 | 16,6 | 27,5 | 40,0 | 46,6 | 57,5 | 66,5 | 73,0 |
| 2 | 3,14 | 11,7 | 19,6 | 28,7 | 33,8 | 39,5 | 47,0 | 51,0 |
| 1,8 | 2,54 | 10,0 | 16,9 | 24,9 | 29,0 | 33,1 | 39,0 | 43,2 |
| 1,6 | 2,01 | 8,6 | 14,4 | 21,0 | 24,5 | 28,0 | 32,9 | 36,0 |
| 1,5 | 1,77 | 7,9 | 13,2 | 19,2 | 22,4 | 25,7 | 30,0 | 33,0 |
| 1,4 | 1,54 | 7,25 | 12,0 | 17,4 | 20,0 | 23,3 | 27,0 | 30,0 |
| 1,3 | 1,33 | 6,6 | 10,9 | 15,6 | 17,8 | 21,0 | 24,4 | 27,0 |
| 1,2 | 1,13 | 6,0 | 9,8 | 14,0 | 15,8 | 18,7 | 21,6 | 24,3 |
| 1,1 | 0,95 | 5,4 | 8,7 | 12,4 | 13,9 | 16,5 | 19,1 | 21,5 |
| 1,0 | 0,785 | 4,85 | 7,7 | 10,8 | 12,1 | 14,3 | 16,8 | 19,2 |
| 0,9 | 0,636 | 4,25 | 6,7 | 9,35 | 10,45 | 12,3 | 14,5 | 16,5 |
| 0,8 | 0,503 | 3,7 | 5,7 | 8,15 | 9,15 | 10,8 | 12,3 | 14,0 |
| 0,75 | 0,442 | 3,4 | 5,3 | 7,55 | 8,4 | 9,95 | 11,25 | 12,85 |
| 0,7 | 0,385 | 3,1 | 4,8 | 6,95 | 7,8 | 9,1 | 10,3 | 11,8 |
| 0,65 | 0,342 | 2,82 | 4,4 | 6,3 | 7,15 | 8,25 | 9,3 | 10,75 |
| 0,6 | 0,283 | 2,52 | 4 | 5,7 | 6,5 | 7,5 | 8,5 | 9,7 |
| 0,55 | 0,238 | 2,25 | 3,55 | 5,1 | 5,8 | 6,75 | 7,6 | 8,7 |
| 0,5 | 0,196 | 2 | 3,15 | 4,5 | 5,2 | 5,9 | 6,75 | 7,7 |
| 0,45 | 0,159 | 1,74 | 2,75 | 3,9 | 4,45 | 5,2 | 5,85 | 6,75 |
| 0,4 | 0,126 | 1,5 | 2,34 | 3,3 | 3,85 | 4,4 | 5,0 | 5,7 |
| 0,35 | 0,096 | 1,27 | 1,95 | 2,76 | 3,3 | 3,75 | 4,15 | 4,75 |
| 0,3 | 0,085 | 1,05 | 1,63 | 2,27 | 2,7 | 3,05 | 3,4 | 3,85 |
| 0,25 | 0,049 | 0,84 | 1,33 | 1,83 | 2,15 | 2,4 | 2,7 | 3,1 |
| 0,2 | 0,0314 | 0,65 | 1,03 | 1,4 | 1,65 | 1,82 | 2,0 | 2,3 |
| 0,15 | 0,0177 | 0,46 | 0,74 | 0,99 | 1,15 | 1,28 | 1,4 | 1,62 |
| 0,1 | 0,00785 | 0,1 | 0,47 | 0,63 | 0,72 | 0,8 | 0,9 | 1,0 |
Примечание :
- если нагреватели находятся внутри нагреваемой жидкости, то нагрузку (допустимую силу тока) можно увеличить в 1,1 - 1,5 раза;
- при закрытом расположении нагревателей (например, в камерных электропечах) необходимо уменьшить нагрузки в 1,2 - 1,5 раза (меньший коэффициент берется для более толстой проволоки, больший - для тонкой).
R = ρ · l / S ,
где R - электрическое сопротивление проводника (нагревателя) [Ом], ρ - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя [Ом · мм 2 / м], l - длина проводника (нагревателя) [мм], S - площадь поперечного сечения проводника (нагревателя) [мм 2 ].
Таким образом, получим длину нагревателя:
l = R · S / ρ
= 61 · 0,096 / 1,11 = 5,3 м.
В данном примере в качестве нагревателя используется нихромовая проволока Ø 0,35 мм. В соответствии с "Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия" номинальное значение удельного электрического сопротивления нихромовой проволоки марки Х20Н80 составляет 1,1 Ом · мм 2 / м (ρ = 1,1 Ом · мм 2 / м), см. табл. 2.
Итогом расчетов является необходимая длина нихромовой проволоки, которая составляет 5,3 м, диаметр - 0,35 мм.
Таблица 2
Определение диаметра и длины нагревателя (нихромовой проволоки) для заданной печи (подробный расчет)
Расчет, представленный в данном пункте, является более сложным, чем выше. Здесь мы учтем дополнительные параметры нагревателей, попытаемся разобраться с вариантами подключения нагревателей к сети трехфазного тока. Расчет нагревателя будем проводить на примере электрической печи. Пусть исходными данными являются внутренние размеры печи.1. Первое, что необходимо сделать - посчитать объем камеры внутри печи. В данном случае возьмем h = 490 мм, d = 350 мм и l = 350 мм (высота, ширина и глубина соответственно). Таким образом, получаем объем V = h · d · l = 490· 350 · 350 = 60 · 10 6 мм 3 = 60 л (мера объема).
2. Далее необходимо определить мощность, которую должна выдавать печь. Мощность измеряется в Ваттах (Вт) и определяется по эмпирическому правилу : для электрической печи объемом 10 - 50 литров удельная мощность составляет 100 Вт/л (Ватт на литр объема), объемом 100 - 500 литров - 50 - 70 Вт/л. Возьмем для рассматриваемой печи удельную мощность 100 Вт/л. Таким образом мощность нагревателя электрической печи должна составлять P = 100 · 60 = 6000 Вт = 6 КВт.
Стоит отметить, что при мощности 5-10 кВт нагреватели изготовляют, обычно, однофазными. При больших мощностях для равномерной загрузки сети нагреватели делают трехфазными.
3. Затем нужно найти силу тока, проходящего через нагреватель I = P / U , где P - мощность нагревателя, U - напряжение на нагревателе (между его концами), и сопротивление нагревателя R = U / I .
Здесь может быть два варианта подключения к электрической сети :
- к бытовой сети однофазного тока - тогда U = 220 В;
- к промышленной сети трехфазного тока - U = 220 В (между нулевым проводом и фазой) или U = 380 В (между двумя любыми фазами).
I = P / U
= 6000 / 220 = 27,3 А - ток проходящий через нагреватель.
Затем необходимо определить сопротивление нагревателя печи.
R = U / I
= 220 / 27,3 = 8,06 Ом.
Рисунок 1 Проволочный нагреватель в сети однофазного тока
Искомые значения диаметра проволоки и ее длины будут определены в п. 5 данного параграфа.
При данном типе подключения нагрузка распределяется равномерно на три фазы, т.е. по 6 / 3 = 2 КВт на фазу. Таким образом, нам требуется 3 нагревателя. Далее необходимо выбрать способ подключения непосредственно нагревателей (нагрузки). Способов может быть 2: “ЗВЕЗДА” или “ТРЕУГОЛЬНИК”.
Стоит заметить, что в данной статье формулы для расчета силы тока (I ) и сопротивления (R ) для трехфазной сети записаны не в классическом виде. Это сделано для того, чтобы не усложнять изложение материала по расчету нагревателей электротехническими терминами и определениями (например, не упоминаются фазные и линейные напряжения и токи и соотношения между ними). С классическим подходом и формулами расчета трехфазных цепей можно ознакомиться в специализированной литературе. В данной статье некоторые математические преобразования, проведенные над классическими формулами, скрыты от читателя, и на конечный результат это не оказывает никакого влияния.
При подключении типа “ЗВЕЗДА”
нагреватель подключается между фазой и нулем (см. рис. 2). Соответственно, напряжение на концах нагревателя будет U
= 220 В.
I = P / U
= 2000 / 220 = 9,10 А.
R = U / I
= 220 / 9,10 = 24,2 Ом.
Рисунок 2 Проволочный нагреватель в сети трехфазного тока. Подключение по схеме "ЗВЕЗДА"
При подключении типа “ТРЕУГОЛЬНИК”
нагреватель подключается между двумя фазами (см. рис. 3). Соответственно, напряжение на концах нагревателя будет U
= 380 В.
Ток, проходящий через нагреватель -
I = P / U
= 2000 / 380 = 5,26 А.
Сопротивление одного нагревателя -
R = U / I
= 380/ 5,26 = 72,2 Ом.
Рисунок 3 Проволочный нагреватель в сети трехфазного тока. Подключение по схеме "ТРЕУГОЛЬНИК"
4. После определения сопротивления нагревателя при соответствующем подключении к электрической сети необходимо подобрать диаметр и длину проволоки .
При определении указанных выше параметров необходимо анализировать удельную поверхностную мощность нагревателя , т.е. мощность, которая выделяется с единицы площади. Поверхностная мощность нагревателя зависит от температуры нагреваемого материала и от конструктивного выполнения нагревателей.
Пример
Из предыдущих пунктов расчета (см. п. 3 данного параграфа) нам известно сопротивление нагревателя. Для 60 литровой печи при однофазном подключении оно составляет R
= 8,06 Ом. В качестве примера возьмем диаметром 1 мм. Тогда, чтобы получить требуемое сопротивление, необходимо l = R / ρ
= 8,06 / 1,4 = 5,7 м нихромовой проволоки, где ρ
- номинальное значение электрического сопротивления 1 м проволоки по , [Ом/м]. Масса данного отрезка проволоки из нихрома составит m = l · μ
= 5,7 · 0,007 = 0,0399 кг = 40 г, где μ
- масса 1 м проволоки. Теперь необходимо определить площадь поверхности отрезка проволоки длиной 5,7 м. S = l · π · d
= 570 · 3,14 · 0,1 = 179 см 2 , где l
– длина проволоки [см], d
– диаметр проволоки [см]. Таким образом, с площади 179 см 2 должно выделяться 6 кВт. Решая простую пропорцию, получаем, что с 1 см 2 выделяется мощность β = P / S
= 6000 / 179 = 33,5 Вт, где β
- поверхностная мощность нагревателя.
Полученная поверхностная мощность слишком велика. Нагреватель расплавится, если нагреть его до температуры, которая обеспечила бы полученное значение поверхностной мощности. Данная температура будет выше температуры плавления материала нагревателя.
Приведенный пример является демонстрацией неправильного выбора диаметра проволоки, которая будет использоваться для изготовления нагревателя. В п. 5 данного параграфа будет приведен пример с правильным подбором диаметра.
Для каждого материала в зависимости от требуемой температуры нагрева определено допустимое значение поверхностной мощности. Оно может определяться с помощью специальных таблиц или графиков. В данных расчетах используются таблицы.
Для высокотемпературных печей (при температуре более 700 – 800 °С) допустимая поверхностная мощность, Вт/м 2 , равна β доп = β эф · α , где β эф – поверхностная мощность нагревателей в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды [Вт / м 2 ], α – коэффициент эффективности излучения. β эф выбирается по таблице 3, α - по таблице 4.
Если печь низкотемпературная (температура менее 200 – 300 °С), то допустимую поверхностную мощность можно считать равной (4 - 6) · 10 4 Вт/м 2 .
Таблица 3
| Температура тепловоспринимающей поверхности, °С | β эф, Вт/cм 2 при температуре нагревателя, °С | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 800 | 850 | 900 | 950 | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1200 | 1250 | 1300 | 1350 | ||
| 100 | 6,1 | 7,3 | 8,7 | 10,3 | 12,5 | 14,15 | 16,4 | 19,0 | 21,8 | 24,9 | 28,4 | 36,3 | |
| 200 | 5,9 | 7,15 | 8,55 | 10,15 | 12,0 | 14,0 | 16,25 | 18,85 | 21,65 | 24,75 | 28,2 | 36,1 | |
| 300 | 5,65 | 6,85 | 8,3 | 9,9 | 11,7 | 13,75 | 16,0 | 18,6 | 21,35 | 24,5 | 27,9 | 35,8 | |
| 400 | 5,2 | 6,45 | 7,85 | 9,45 | 11,25 | 13,3 | 15,55 | 18,1 | 20,9 | 24,0 | 27,45 | 35,4 | |
| 500 | 4,5 | 5,7 | 7,15 | 8,8 | 10,55 | 12,6 | 14,85 | 17,4 | 20,2 | 23,3 | 26,8 | 34,6 | |
| 600 | 3,5 | 4,7 | 6,1 | 7,7 | 9,5 | 11,5 | 13,8 | 16,4 | 19,3 | 22,3 | 25,7 | 33,7 | |
| 700 | 2 | 3,2 | 4,6 | 6,25 | 8,05 | 10,0 | 12,4 | 14,9 | 17,7 | 20,8 | 24,3 | 32,2 | |
| 800 | - | 1,25 | 2,65 | 4,2 | 6,05 | 8,1 | 10,4 | 12,9 | 15,7 | 18,8 | 22,3 | 30,2 | |
| 850 | - | - | 1,4 | 3,0 | 4,8 | 6,85 | 9,1 | 11,7 | 14,5 | 17,6 | 21,0 | 29,0 | |
| 900 | - | - | - | 1,55 | 3,4 | 5,45 | 7,75 | 10,3 | 13 | 16,2 | 19,6 | 27,6 | |
| 950 | - | - | - | - | 1,8 | 3,85 | 6,15 | 8,65 | 11,5 | 14,5 | 18,1 | 26,0 | |
| 1000 | - | - | - | - | - | 2,05 | 4,3 | 6,85 | 9,7 | 12,75 | 16,25 | 24,2 | |
| 1050 | - | - | - | - | - | - | 2,3 | 4,8 | 7,65 | 10,75 | 14,25 | 22,2 | |
| 1100 | - | - | - | - | - | - | - | 2,55 | 5,35 | 8,5 | 12,0 | 19,8 | |
| 1150 | - | - | - | - | - | - | - | - | 2,85 | 5,95 | 9,4 | 17,55 | |
| 1200 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 3,15 | 6,55 | 14,55 | |
| 1300 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 7,95 | |
Таблица 4
Проволочные спирали, полузакрытые в пазах футеровки
Проволочные спирали на полочках в трубках
Проволочные зигзагообразные (стержневые) нагреватели
Предположим, что температура нагревателя 1000 °С, и хотим нагреть заготовку до температуры 700 °С. Тогда по таблице 3 подбираем β эф = 8,05 Вт/см 2 , α = 0,2, β доп = β эф · α = 8,05 · 0,2 = 1,61 Вт/см 2 = 1,61 · 10 4 Вт/м 2 .
5. После определения допустимой поверхностной мощности нагревателя необходимо найти его диаметр (для проволочных нагревателей) или ширину и толщину (для ленточных нагревателей), а также длину .
Диаметр проволоки можно определить по следующей формуле:
d
- диаметр проволоки, [м]; P
- мощность нагревателя, [Вт]; U
- напряжение на концах нагревателя, [В]; β доп
- допустимая поверхностная мощность нагревателя, [Вт/м 2 ]; ρ t
- удельное сопротивление материала нагревателя при заданной температуре, [Ом·м].
ρ t = ρ 20 · k
, где ρ 20
- удельное электрическое сопротивление материала нагревателя при 20 °С, [Ом·м] k
- поправочный коэффициент для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры (по ).
Длину проволоки можно определить по следующей формуле:
l
- длина проволоки, [м].
Подберем диаметр и длину проволоки из нихрома Х20Н80
. Удельное электрическое сопротивление материала нагревателя составляет
ρ t = ρ 20 · k
= 1,13 · 10 -6 · 1,025 = 1,15 · 10 -6 Ом·м.
Бытовая сеть однофазного тока
Для 60 литровой печи, подключенной к бытовой сети однофазного тока, из предыдущих этапов расчета известно, что мощность печи составляет P
= 6000 Вт, напряжение на концах нагревателя - U
= 220 В, допустимая поверхностная мощность нагревателя β доп
= 1,6 · 10 4 Вт/м 2 . Тогда получаем
Полученный размер необходимо округлить до ближайшего большего стандартного. Стандартные размеры для проволоки из нихрома и фехрали можно найти в , Приложение 2, Таблица 8 . В данном случае, ближайшим большим стандартным размером является Ø 2,8 мм. Диаметр нагревателя d = 2,8 мм.
Длина нагревателя l = 43 м.
Также иногда требуется определить массу необходимого количества проволоки.
m = l · μ
, где
m
- масса отрезка проволоки, [кг]; l
- длина проволоки, [м]; μ
- удельная масса (масса 1 метра проволоки), [кг/м].
В нашем случае масса нагревателя m = l · μ = 43 · 0,052 = 2,3 кг.
Данный расчет дает минимальный диаметр проволоки, при котором она может быть использована в качестве нагревателя при заданных условиях . С точки зрения экономии материала такой расчет является оптимальным. При этом также может быть использована проволока большего диаметра, но тогда ее количество возрастет.
Проверка
Результаты расчета могут быть проверены
следующим способом. Был получен диаметр проволоки 2,8 мм. Тогда нужная нам длина составит
l = R / (ρ · k)
= 8,06 / (0,179 · 1,025) = 43 м, где
l
- длина проволоки, [м]; R
- сопротивление нагревателя, [Ом]; ρ
- номинальное значение электрического сопротивления 1 м проволоки, [Ом/м]; k
- поправочный коэффициент для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры.
Данное значение совпадает со значением, полученным в результате другого расчета.
Теперь необходимо проверить, не превысит ли поверхностная мощность выбранного нами нагревателя допустимую поверхностную мощность, которая была найдена в п. 4. β = P / S = 6000 / (3,14 · 4300 · 0,28) = 1,59 Вт/см 2 . Полученное значение β = 1,59 Вт/см 2 не превышает β доп = 1,6 Вт/см 2 .
Итоги
Таким образом, для нагревателя потребуется 43 метра нихромовой проволоки Х20Н80 диаметром 2,8 мм, это составляет 2,3 кг.
Промышленная сеть трехфазного тока
Также можно найти диаметр и длину проволоки, необходимой для изготовления нагревателей печи, подключенной к сети трехфазного тока.
Как описано в п. 3, на каждый из трех нагревателей приходится по 2 КВт мощности. Найдем диаметр, длину и массу одного нагревателя.
Подключение типа “ЗВЕЗДА” (см. рис. 2)
В данном случае, ближайшим большим стандартным размером является Ø 1,4 мм. Диаметр нагревателя d = 1,4 мм.
Длина одного нагревателя l
= 30 м.
Масса одного нагревателя m = l · μ
= 30 · 0,013 = 0,39 кг.
Проверка
Был получен диаметр проволоки 1,4 мм. Тогда нужная нам длина составит
l = R / (ρ · k)
= 24,2 / (0,714 · 1,025) = 33 м.
β = P / S = 2000 / (3,14 · 3000 · 0,14) = 1,52 Вт/см 2 , она не превышает допустимую.
Итоги
Для трех нагревателей, подключенных по схеме “ЗВЕЗДА”, потребуется
l
= 3 · 30 = 90 м проволоки, что составляет
m
= 3 · 0,39 = 1,2 кг.
Подключение типа “ТРЕУГОЛЬНИК” (см. рис. 3)
В данном случае, ближайшим большим стандартным размером является Ø 0,95 мм. Диаметр нагревателя d = 0,95 мм.
Длина одного нагревателя l
= 43 м.
Масса одного нагревателя m = l · μ
= 43 · 0,006 = 0,258 кг.
Проверка
Был получен диаметр проволоки 0,95 мм. Тогда нужная нам длина составит
l = R / (ρ · k)
= 72,2 / (1,55 · 1,025) = 45 м.
Данное значение практически совпадает со значением, полученным в результате другого расчета.
Поверхностная мощность составит β = P / S = 2000 / (3,14 · 4300 · 0,095) = 1,56 Вт/см 2 , она не превышает допустимую.
Итоги
Для трех нагревателей, подключенных по схеме “ТРЕУГОЛЬНИК”, потребуется
l
= 3 · 43 = 129 м проволоки, что составляет
m
= 3 · 0,258 = 0,8 кг.
Если сравнить 2 рассмотренных выше варианта подключения нагревателей к сети трехфазного тока, то можно заметить, что для “ЗВЕЗДЫ” требуется проволока большего диаметра, чем для “ТРЕУГОЛЬНИКА” (1,4 мм против 0,95 мм), чтобы обеспечить заданную мощность печи 6 кВт. При этом требуемая длина нихромовой проволоки при подключении по схеме “ЗВЕЗДА” меньше длины проволоки при подключении типа “ТРЕУГОЛЬНИК” (90 м против 129 м), а требуемая масса, наоборот, больше (1,2 кг против 0,8 кг).
Расчет спирали
При эксплуатации основная задача - это разместить нагреватель расчетной длины в ограниченном пространстве печи. Нихромовая и фехралевая проволока подвергаются навивке в виде спиралей или сгибанию в форме зигзагов, лента сгибается в форме зигзагов, что позволяет вместить большее количество материала (по длине) в рабочую камеру. Наиболее распространенным вариантом является спираль .Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбирают таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость, в максимально возможной степени исключить локальный перегрев витков самой спирали 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 склонность ее витков лечь друг на друга. С другой стороны, с увеличением частоты намотки увеличивается экранирующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности, а также могут возникнуть местные перегревы.
Практика установила вполне определенные, рекомендуемые соотношения между диаметром проволоки (d ), шагом (t ) и диаметром спирали (D ) для проволоки Ø от 3 до 7 мм. Эти соотношения следующие: t ≥ 2d и D = (7÷10)·d для нихрома и D = (4÷6)·d - для менее прочных железохромоалюминиевых сплавов, таких как фехраль и т.п. Для более тонких проволок отношение D и d , а также t обычно берутся больше.
Заключение
В статье были рассмотрены различные аспекты, касающиеся расчета нагревателей электрических печей - материалы, примеры расчета с необходимыми справочными данными, ссылками на стандарты, иллюстрациями.В примерах были рассмотрены методики расчета только проволочных нагревателей . Помимо проволоки из прецизионных сплавов для изготовления нагревателей может применяться и лента.
Расчет нагревателей не ограничивается выбором их размеров. Также необходимо определить материал, из которого должен быть сделан нагреватель, тип нагревателя (проволочный или ленточный), тип расположения нагревателей и другие особенности. Если нагреватель изготавливается в виде спирали, то необходимо определить количество витков и шаг между ними.
Надеемся, что статья оказалась Вам полезной. Мы допускаем её свободное распространение при условии сохранения ссылки на наш сайт http://www.сайт
В случае обнаружения неточностей, просим сообщить нам на адрес электронной почты info@сайт или с помощью системы "Орфус", выделив текст с ошибкой и нажав Ctrl+Enter.
Список литературы
- Дьяков В.И. "Типовые расчеты по электрооборудованию" .
- Жуков Л.Л., Племянникова И.М., Миронова М.Н., Баркая Д.С., Шумков Ю.В. "Сплавы для нагревателей" .
- Сокунов Б.А., Гробова Л.С. "Электротермические установки (электрические печи сопротивления)" .
- Фельдман И.А., Гутман М.Б., Рубин Г.К., Шадрич Н.И. "Расчет и конструирование нагревателей электропечей сопротивления" .
- http://www.horss.ru/h6.php?p=45
- http://www.electromonter.info/advice/nichrom.html
