Розрахувати довжину ніхромового дроту на 220 вольт. Застосування та розрахунок електричної спіралі з ніхрому. Розрахунок та ремонт нагрівальної обмотки паяльника
Дуже часто за бажання зробити або відремонтувати нагрівачелектропечі своїми руками у людини виникає багато запитань. Наприклад, якого діаметра взяти дріт, яка має бути її довжина або яку потужність можна отримати, використовуючи дріт або стрічку із заданими параметрами і т.д. При правильному підході до вирішення цього питання необхідно враховувати досить багато параметрів, наприклад силу струму, що проходить через нагрівач, робоча температура, тип електричної мережі та інші.У цій статті наводяться довідкові дані про матеріали, найбільш поширені при виготовленні нагрівачів. електричних печей, а також методика та приклади їх розрахунку (розрахунки нагрівачів електричних печей).
Нагрівачі. Матеріали для виготовлення нагрівачів
Безпосередньо нагрівач– один із найважливіших елементів печі, саме він здійснює нагрівання, має найбільшу температуру та визначає працездатність нагрівальної установки в цілому. Тому нагрівачі повинні відповідати низці вимог, які наведені нижче.Вимоги до нагрівачів
Основні вимоги до нагрівачів (матеріалів нагрівачів):- Нагрівачі повинні мати достатню жаростійкість (окалиностійкість) і жароміцність. Жароміцність - механічна міцність при високих температурах. Жаростійкість - опір металів і сплавів газової корозії при високих температурах (докладніше властивості жаростійкості і жаростійкості описані на сторінці).
- Нагрівачв електропечі повинен бути зроблений з матеріалу, що має високий питомий електричний опір. Говорячи простою мовою, чим вищий електричний опір матеріалу, тим сильніше він нагрівається. Отже, якщо взяти матеріал з меншим опором, потрібно нагрівач більшої довжини і з меншою площею поперечного перерізу. Не завжди печі може бути розміщений досить довгий нагрівач. Також варто враховувати, що, чим більший діаметр дроту, з якого зроблений нагрівач, тим довше термін його служби . Прикладами матеріалів, що володіють високим електричним опором, є хромонікелевий сплав, залізохромоалюмінієвий сплав, які відносяться до прецизійних сплавів з високим електричним опором.
- Мінімальний температурний коефіцієнт опору є істотним фактором при виборі матеріалу для нагрівача. Це означає, що при зміні температури електричний опір матеріалу нагрівачазмінюється не сильно. Якщо температурний коефіцієнт опір великий, для включення печі в холодному стані доводиться використовувати трансформатори, що дають в початковий момент знижену напругу.
- Фізичні властивості матеріалів нагрівачів повинні бути незмінними. Деякі матеріали, наприклад карборунд, який є неметалевим нагрівачем, з часом можуть змінювати свої фізичні властивості, зокрема, електричний опір, що ускладнює умови їх експлуатації. Для стабілізації електричного опору використовують трансформатори з великою кількістю щаблів та діапазоном напруг.
- Металеві матеріали повинні мати хороші технологічні властивості, а саме: пластичність і зварюваність, - щоб з них можна було виготовити дріт, стрічкуа зі стрічки - складні за конфігурацією нагрівальні елементи. Також нагрівачіможуть бути виготовлені з неметалів. Неметалічні нагрівачі пресуються або формуються, перетворюючись на готовий виріб.
Матеріали для виготовлення нагрівачів
Найбільш підходящими та найбільш використовуваними у виробництві нагрівачів для електропечей є прецизійні сплави з високим електричним опором. До них відносяться сплави на основі хрому та нікелю ( хромонікелеві), заліза, хрому та алюмінію ( залізохромоалюмінієві). Марки та властивості даних сплавів розглянуті в «Сплави прецизійні. Марки». Представниками хромонікелевих сплавів є марок Х20Н80, Х20Н80-Н (950-1200°С), Х15Н60, Х15Н60-Н (900-1125°С), залізохромоалюмінієвих – марок Х23Ю5Т (950-150 ), Х23Ю5 (950-1200 ° С), Х15Ю5 (750-1000 ° С). Також існують залізохромонікелеві сплави – Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.Перераховані вище сплави мають хороші властивості жароміцності та жаростійкості, тому вони можуть працювати при високих температурах. Гарну жаростійкістьзабезпечує захисна плівка з окису хрому, який утворюється на поверхні матеріалу. Температура плавлення плівки вище температури плавлення безпосередньо сплаву, вона не розтріскується при нагріванні та охолодженні.
Наведемо порівняльну характеристику ніхрому та фехралі.
Переваги ніхрому:
- хороші механічні властивості як за низьких, і при високих температурах;
- сплав крипостійкий;
- має хороші технологічні властивості – пластичність та зварюваність;
- добре обробляється;
- не старіє, немагнітний.
- висока вартість нікелю – одного з основних компонентів сплаву;
- нижчі робочі температури порівняно з фехраллю.
- більш дешевий метал проти ніхромом, т.к. не містить ;
- володіє кращою в порівнянні з ніхромом жаростійкістю, наприклад, фехраль Х23Ю5Т може працювати при температурі до 1400 ° С (1400 ° С - максимальна робоча температура для нагрівача з дроту Ø 6,0 мм і більше; Ø 3,0 - 1350 ° С; Ø 1,0 - 1225 ° С; Ø 0,2 - 950 ° С).
- тендітний і неміцний сплав, дані негативні властивості особливо сильно виявляються після перебування сплаву при температурі понад 1000 °С;
- т.к. фехраль має у своєму складі залізо, то даний сплав є магнітним і може іржавіти у вологій атмосфері за нормальної температури;
- має низький опір повзучості;
- взаємодіє з шамотною футеровкою та оксидами заліза;
- під час експлуатації нагрівачі із фехралі суттєво подовжуються.
Останнім часом розроблені сплави типу Х15Н60Ю3 та Х27Н70ЮЗ, тобто. з додаванням 3% алюмінію, що значно покращило жаростійкість сплавів, а наявність нікелю практично виключило недоліки, що є у залізохромоалюмінієвих сплавів. Сплави Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаємодіють з шамотом і окислами заліза, досить добре обробляються, механічно міцні, некрихкі. Максимальна робоча температура сплаву Х15Н60ПЗ становить 1200 °С.
Крім перерахованих вище сплавів на основі нікелю, хрому, заліза, алюмінію для виготовлення нагрівачів застосовують інші матеріали: тугоплавкі метали, а також неметали.
Серед неметалів виготовлення нагрівачів використовують карборунд, дисиліцид молібдену, вугілля, графіт. Нагрівачі з карборунду та дисіліциду молібдену використовують у високотемпературних печах. У печах із захисною атмосферою застосовують вугільні та графітові нагрівачі.
Серед тугоплавких матеріалів як нагрівачі можуть використовуватися , , тантал і ніобій. У високотемпературних вакуумних печах та печах із захисною атмосферою застосовуються нагрівачі з молібденуі вольфраму. Молібденові нагрівачі можуть працювати до температури 1700 ° С у вакуумі та до 2200 ° С – у захисній атмосфері. Така різниця температур обумовлена випаровуванням молібдену при температурах вище 1700 ° С у вакуумі. Вольфрамові нагрівачі можуть працювати до 3000 °С. В особливих випадках застосовують нагрівачі з танталу та ніобію.
Розрахунок нагрівачів електричних печей
Зазвичай як вихідні дані виступають потужність, яку повинні забезпечувати нагрівачі, максимальна температура, яка потрібна для здійснення відповідного технологічного процесу (відпустки, загартування, спікання і т.д.) і розміри робочого простору електричної печі. Якщо потужність печі не задана, її можна визначити за емпіричним правилом. У ході розрахунку нагрівачів потрібно отримати діаметр і довжину (для дроту) або площу перерізу та довжину (для стрічки), які необхідні для виготовлення нагрівачів.Також необхідно визначити матеріал, з якого слід робити нагрівачі(Цей пункт у статті не розглядається). У цій статті як матеріал для нагрівачів розглядається хромонікелевий прецизійний сплав з високим електричним опором, який є одним з найпопулярніших при виготовленні нагрівальних елементів.
Визначення діаметра та довжини нагрівача (ніхромового дроту) для заданої потужності печі (простий розрахунок)
Мабуть, найпростішим варіантом розрахунку нагрівачівз ніхрому є вибір діаметра і довжини при заданій потужності нагрівача, що живить напруги мережі, а також температури, яку матиме нагрівач. Незважаючи на простоту розрахунку, у ньому є одна особливість, на яку ми звернемо увагу нижче.Приклад розрахунку діаметра та довжини нагрівального елемента
Вихідні дані:
Пристрій потужністю P
= 800 Вт; напруга мережі U
= 220; температура нагрівача 800 °C. Як нагрівальний елемент використовується ніхромовий дріт Х20Н80.
1. Спочатку необхідно визначити силу струму, яка проходитиме через нагрівальний елемент:
I = P/U
= 800/220 = 3,63 А.
2. Тепер потрібно знайти опір нагрівача:
R = U/I
= 220/3,63 = 61 Ом;
3. Виходячи із значення отриманої в п. 1 сили струму, що проходить через ніхромовий нагрівачпотрібно вибрати діаметр дроту. І цей момент є важливим. Якщо, наприклад, при силі струму 6 А використовувати ніхромовий дріт діаметром 0,4 мм, то він згорить. Тому, розрахувавши силу струму, необхідно вибрати з таблиці відповідне значення діаметра дроту. У нашому випадку для сили струму 3,63 А та температури нагрівача 800 °C вибираємо ніхромовий дріт з діаметром d = 0,35 мм та площею поперечного перерізу S = 0,096 мм2.
Загальне правило вибору діаметра дротуможна сформулювати наступним чином: необхідно вибрати дріт, у якого допустима сила струму не менша, ніж розрахункова сила струму, що проходить через нагрівач. З метою економії матеріалу нагрівача слід вибирати дріт із найближчою більшою (ніж розрахункова) допустимою силою струму..
Таблиця 1
| Діаметр, мм | Площа поперечного перерізу ніхромового дроту, мм 2 | Температура нагрівання ніхромового дроту, °C | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 200 | 400 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | ||
| Максимальна допустима сила струму, 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 |
Примітка :
- якщо нагрівачі знаходяться всередині рідини, що нагрівається, то навантаження (допустиму силу струму) можна збільшити в 1,1 - 1,5 рази;
- при закритому розташуванні нагрівачів (наприклад, у камерних електропечах) необхідно зменшити навантаження в 1,2 - 1,5 рази (менший коефіцієнт береться для товстішого дроту, більший - для тонкого).
R = ρ · l / S ,
де R - електричний опір провідника (нагрівача) [Ом], ρ - питомий електричний опір матеріалу нагрівача [Ом · мм 2/м], l - Довжина провідника (нагрівача) [мм], S - Площа поперечного перерізу провідника (нагрівача) [мм 2].
Таким чином, отримаємо довжину нагрівача:
l = R · S / ρ
= 61 · 0,096/1,11 = 5,3 м.
В даному прикладі як нагрівач використовується ніхромовий дріт Ø 0,35 мм. Відповідно до "Дрот із прецизійних сплавів з високим електричним опором. Технічні умови"номінальне значення питомого електричного опору ніхромового дроту марки Х20Н80 становить 1,1 Ом · мм 2 / м ( ρ = 1,1 Ом · мм 2/м), див. табл. 2.
Підсумком розрахунків є необхідна довжина ніхромового дроту, що становить 5,3 м, діаметр – 0,35 мм.
Таблиця 2
Визначення діаметра та довжини нагрівача (ніхромового дроту) для заданої печі (докладний розрахунок)
Розрахунок, поданий у цьому пункті, є складнішим, ніж вище. Тут ми зважимо на додаткові параметри нагрівачів, спробуємо розібратися з варіантами підключення нагрівачів до мережі трифазного струму. Розрахунок нагрівача будемо проводити на прикладі електричної печі. Нехай вихідними є внутрішні розміри печі.1. Перше, що потрібно зробити - порахувати об'єм камери всередині печі. В даному випадку візьмемо h = 490 мм, d = 350 мм та l = 350 мм (висота, ширина та глибина відповідно). Таким чином, отримуємо обсяг V = h · d · l = 490 · 350 · 350 = 60 · 10 6 мм 3 = 60 л (міра об'єму).
2. Далі необхідно визначити потужність, яку має видавати піч. Потужність вимірюється у Ваттах (Вт) і визначається за емпіричному правилу: для електричної печі об'ємом 10 - 50 літрів питома потужність становить 100 Вт/л (Ват на літр об'єму), об'ємом 100 - 500 літрів - 50 - 70 Вт/л. Візьмемо для розглянутої печі питому потужність 100 Вт/л. Таким чином, потужність нагрівача електричної печі повинна становити P = 100 · 60 = 6000 Вт = 6 кВт.
При потужності 5-10 кВт нагрівачівиготовляють, як правило, однофазними. За великих потужностей для рівномірного завантаження мережі нагрівачі роблять трифазними.
3. Потім потрібно знайти силу струму, що проходить через нагрівач I = P/U , де P - Потужність нагрівача, U - напруга на нагрівачі (між його кінцями), та опір нагрівача R = U/I .
Тут може бути два варіанти підключення до електричної мережі:
- до побутової мережі однофазного струму - тоді U = 220;
- до промислової мережі трифазного струму - U = 220 В (між нульовим проводом та фазою) або U = 380 (між двома будь-якими фазами).
I = P/U
= 6000 / 220 = 27,3 А - струм, що проходить через нагрівач.
Потім необхідно визначити опір нагрівача печі.
R = U/I
= 220/27,3 = 8,06 Ом.
Малюнок 1 Дріт дротяний нагрівач в мережі однофазного струму
Шукані значення діаметра дроту та його довжини будуть визначені у п. 5 даного параграфа.
При цьому типі підключення навантаження розподіляється поступово три фази, тобто. по 6/3 = 2 кВт на фазу. Таким чином, нам потрібні 3 нагрівачі. Далі необхідно вибрати спосіб підключення безпосередньо нагрівачів (навантаження). Способів може бути 2: "ЗІРКА" або "ТРИКУТНИК".
Варто зауважити, що в цій статті формули для розрахунку сили струму ( I ) та опору ( R ) для трифазної мережі записані над класичному вигляді. Це зроблено для того, щоб не ускладнювати виклад матеріалу з розрахунку нагрівачів електротехнічними термінами та визначеннями (наприклад, не згадуються фазні та лінійні напруги та струми та співвідношення між ними). З класичним підходом та формулами розрахунку трифазних ланцюгів можна ознайомитись у спеціалізованій літературі. У цій статті деякі математичні перетворення, проведені над класичними формулами, приховані від читача, і на кінцевий результат це не впливає.
При підключенні типу “ЗІРКА”нагрівач підключається між фазою та нулем (див. рис. 2). Відповідно, напруга на кінцях нагрівача буде U
= 220 ст.
I = P/U
= 2000/220 = 9,10 А.
R = U/I
= 220/9,10 = 24,2 Ом.
Рисунок 2 Дротовий нагрівач у мережі трифазного струму. Підключення за схемою "ЗІРКА"
При підключенні типу “ТРИКУТНИК”нагрівач підключається між двома фазами (див. рис. 3). Відповідно, напруга на кінцях нагрівача буде U
= 380 ст.
Струм, що проходить через нагрівач -
I = P/U
= 2000/380 = 5,26 А.
Опір одного нагрівача -
R = U/I
= 380/5,26 = 72,2 Ом.
Рисунок 3 Дротовий нагрівач у мережі трифазного струму. Підключення за схемою "ТРИКУТНИК"
4. Після визначення опору нагрівача за відповідного підключення до електричної мережі необхідно підібрати діаметр та довжину дроту.
При визначенні наведених вище параметрів необхідно аналізувати питому поверхневу потужність нагрівача, тобто. потужність, що виділяється із одиниці площі. Поверхнева потужність нагрівача залежить від температури нагрівається і від конструктивного виконання нагрівачів.
приклад
З попередніх пунктів розрахунку (див. п. 3 цього параграфу) нам відомий опір нагрівача. Для 60-літрової печі при однофазному підключенні воно становить R
= 8,06 Ом. Як приклад візьмемо діаметром 1 мм. Тоді, щоб одержати необхідний опір, необхідно l = R/ρ
= 8,06/1,4 = 5,7 м ніхромового дроту, де ρ
- номінальне значення електричного опору 1 м дроту по [Ом/м]. Маса даного відрізка дроту з ніхрому складе m = l · μ
= 5,7 · 0,007 = 0,0399 кг = 40 г, де μ
- Маса 1 м дроту. Тепер необхідно визначити площу поверхні відрізка дроту завдовжки 5,7 м-коду. S = l · π · d
= 570 · 3,14 · 0,1 = 179 см 2 де l
- Довжина дроту [см], d
- Діаметр дроту [см]. Таким чином, із площі 179 см 2 має виділятися 6 кВт. Вирішуючи просту пропорцію, отримуємо, що з 1 см 2 виділяється потужність β = P / S
= 6000/179 = 33,5 Вт, де β
- Поверхнева потужність нагрівача.
Отримана поверхнева потужність надто велика. Нагрівачрозплавиться, якщо нагріти його до температури, яка б забезпечила отримане значення поверхневої потужності. Ця температура буде вищою за температуру плавлення матеріалу нагрівача.
Наведений приклад є демонстрацією неправильного вибору діаметра дроту, яка використовуватиметься для виготовлення нагрівача. У п. 5 цього параграфа буде наведено приклад із правильним підбором діаметра.
Для кожного матеріалу, залежно від необхідної температури нагріву, визначено допустиме значення поверхневої потужності. Воно може визначатися за допомогою спеціальних таблиць чи графіків. У цих розрахунках використовуються таблиці.
Для високотемпературних печей(При температурі більше 700 - 800 ° С) допустима поверхнева потужність, Вт/м 2 , дорівнює β доп = β еф · α , де β еф - Поверхнева потужність нагрівачів в залежності від температури теплосприймаючого середовища [Вт / м 2], α - Коефіцієнт ефективності випромінювання. β еф вибирається за таблицею 3, α - за таблицею 4.
Якщо піч низькотемпературна(температура менше 200 - 300 ° С), то допустиму поверхневу потужність можна вважати рівною (4 - 6) · 104 Вт/м 2 .
Таблиця 3
| Температура теплосприймаючої поверхні, °С | β еф, Вт/см 2 при температурі нагрівача, °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 | |
Таблиця 4
Дрітальні спіралі, напівзакриті в пазах футерування
Дротові спіралі на поличках у трубках
Дротяні зигзагоподібні (стрижневі) нагрівачі
Припустимо, температура нагрівача 1000 °С, і хочемо нагріти заготовку до температури 700 °С. Тоді за таблицею 3 підбираємо β еф = 8,05 Вт/см 2 α = 0,2, β доп = β еф · α = 8,05 · 0,2 = 1,61 Вт/см 2 = 1,61 · 10 4 Вт/м 2 .
5. Після визначення допустимої поверхневої потужності нагрівача необхідно знайти його діаметр(для дротяних нагрівачів) або ширину та товщину(для стрічкових нагрівачів), а також довжину.
Діаметр дроту можна визначити за такою формулою: d
- Діаметр дроту, [м]; P
- Потужність нагрівача, [Вт]; U
- Напруга на кінцях нагрівача, [В]; β доп
- допустима поверхнева потужність нагрівача [Вт/м 2 ]; ρ t
- питомий опір матеріалу нагрівача при заданій температурі [Ом·м].
ρ t = ρ 20 · k
, де ρ 20
- питомий електричний опір матеріалу нагрівача при 20 ° С, [Ом · м] k
- поправочний коефіцієнт до розрахунку зміни електричного опору залежно від температури (по ).
Довжину дроту можна визначити за такою формулою:
l
- Довжина дроту, [м].
Підберемо діаметр і довжину дроту з ніхрому Х20Н80. Питомий електричний опір матеріалу нагрівача складає
ρ t = ρ 20 · k
= 1,13 · 10 -6 · 1,025 = 1,15 · 10 -6 Ом · м.
Побутова мережа однофазного струму
Для 60-літрової печі, підключеної до побутової мережі однофазного струму, з попередніх етапів розрахунку відомо, що потужність печі становить P
= 6000 Вт, напруга на кінцях нагрівача - U
= 220 В, допустима поверхнева потужність нагрівача β доп
= 1,6 · 104 Вт/м 2 . Тоді отримуємо
Отриманий розмір необхідно округлити до найближчого стандартного. Стандартні розміри для дроту з ніхрому і фехралі можна знайти в , Додаток 2, Таблиця 8. В даному випадку найближчим великим стандартним розміром є Ø 2,8 мм. Діаметр нагрівача d = 2,8 мм.
Довжина нагрівача l = 43 м-коду.
Також іноді потрібно визначити масу необхідної кількості дроту.
m = l · μ
, де m
- Маса відрізка дроту, [кг]; l
- Довжина дроту, [м]; μ
- Питома маса (маса 1 метра дроту), [кг/м].
У нашому випадку маса нагрівача m = l · μ = 43 · 0,052 = 2,3 кг.
Даний розрахунок дає мінімальний діаметр дроту, при якому він може бути використаний як нагрівач за заданих умов.. З погляду економії матеріалу такий розрахунок є оптимальним. При цьому також може бути використаний дріт більшого діаметра, але тоді його кількість зросте.
Перевірка
Результати розрахунку можуть бути перевіренінаступним способом. Було отримано діаметр дроту 2,8 мм. Тоді потрібна нам довжина становитиме
l = R / (ρ · k)
= 8,06/(0,179 · 1,025) = 43 м, де l
- Довжина дроту, [м]; R
- Опір нагрівача, [Ом]; ρ
- номінальне значення електричного опору 1 м дроту [Ом/м]; k
- поправочний коефіцієнт розрахунку зміни електричного опору залежно від температури.
Це значення збігається зі значенням, отриманим в результаті іншого розрахунку.
Тепер необхідно перевірити, чи не перевищить поверхнева потужність обраного нами нагрівача допустиму поверхневу потужність, яка була знайдена у п. 4. β = P / S = 6000 / (3,14 · 4300 · 0,28) = 1,59 Вт/см 2 . Отримане значення β = 1,59 Вт/см 2 не перевищує β доп = 1,6 Вт/см 2 .
Підсумки
Таким чином, для нагрівача потрібно 43 метри ніхромового дроту Х20Н80 діаметром 2,8 мм, це становить 2,3 кг.
Промислова мережа трифазного струму
Також можна знайти діаметр та довжину дроту, необхідного для виготовлення нагрівачів печі, підключеної до мережі трифазного струму.
Як описано в п. 3, на кожен із трьох нагрівачів припадає по 2 кВт потужності. Знайдемо діаметр, довжину та масу одного нагрівача.
Підключення типу “ЗІРКА”(Див. рис. 2)
У цьому випадку найближчим великим стандартним розміром є Ø 1,4 мм. Діаметр нагрівача d = 14 мм.
Довжина одного нагрівача l
= 30 м-коду.
Маса одного нагрівача m = l · μ
= 30 · 0,013 = 0,39 кг.
Перевірка
Було отримано діаметр дроту 1,4 мм. Тоді потрібна нам довжина становитиме
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 вона не перевищує допустиму.
Підсумки
Для трьох нагрівачів, підключених за схемою "ЗІРКА", знадобиться
l
= 3 · 30 = 90 м дроту, що становить
m
= 3 · 0,39 = 1,2 кг.
Підключення типу “ТРИКУТНИК”(див. рис. 3)
У цьому випадку найближчим великим стандартним розміром є Ø 0,95 мм. Діаметр нагрівача d = 0,95 мм.
Довжина одного нагрівача l
= 43 м-коду.
Маса одного нагрівача m = l · μ
= 43 · 0,006 = 0,258 кг.
Перевірка
Було отримано діаметр дроту 0,95 мм. Тоді потрібна нам довжина становитиме
l = R / (ρ · k)
= 72,2/(1,55 · 1,025) = 45 м.
Це значення практично збігається зі значенням, отриманим в результаті іншого розрахунку.
Поверхнева потужність складе β = P / S = 2000 / (3,14 · 4300 · 0,095) = 1,56 Вт/см 2 вона не перевищує допустиму.
Підсумки
Для трьох нагрівачів, підключених за схемою "ТРИКУТНИК", знадобиться
l
= 3 · 43 = 129 м дроту, що становить
m
= 3 · 0,258 = 0,8 кг.
Якщо порівняти 2 розглянутих вище варіанти підключення нагрівачів до мережі трифазного струму, можна помітити, що для “ЗІРКИ” потрібен дріт більшого діаметру, ніж для “ТРИКУТНИКА” (1,4 мм проти 0,95 мм), щоб забезпечити задану потужність печі 6 кВт. При цьому необхідна довжина ніхромового дроту при підключенні за схемою "ЗІРКА" менше довжини дроту при підключенні типу "ТРИКУТНИК"(90 м проти 129 м), а необхідна маса, навпаки, більше (1,2 кг проти 0,8 кг).
Розрахунок спіралі
Під час експлуатації основне завдання – це розмістити нагрівач розрахункової довжини в обмеженому просторі печі. Ніхромовий та фехралевий дріт піддаються навивці у вигляді спіралей або згинання у формі зигзагів, стрічка згинається у формі зигзагів, що дозволяє вмістити більшу кількість матеріалу (за довжиною) у робочу камеру. Найбільш поширеним варіантом є спіраль.Співвідношення між кроком спіралі та її діаметром і діаметром дроту вибирають таким чином, щоб полегшити розміщення нагрівачів у печі, забезпечити достатню їх жорсткість, максимально можливою мірою виключити локальний перегрів витків самої спіралі і в той же час не утруднити тепловіддачу від них до виробів.
Чим більший діаметр спіралі і чим менший її крок, тим легше розмістити в печі нагрівачі, але зі збільшенням діаметра зменшується міцність спіралі, збільшується схильність її витків лягти один на одного. З іншого боку, зі збільшенням частоти намотування збільшується екрануюча дія зверненої до виробів частини її витків на інші і, отже, погіршується використання поверхні, а також можуть виникнути місцеві перегріви.
Практика встановила цілком певні, рекомендовані співвідношення між діаметром дроту ( d ), кроком ( t ) та діаметром спіралі ( D ) для дроту Ø від 3 до 7 мм. Ці співвідношення такі: t ≥ 2d і D = (7÷10) d для ніхрому та D = (4÷6)·d - для менш міцних залізохромоалюмінієвих сплавів, таких як фехраль тощо. Для більш тонких дротів відношення D і d , а також t зазвичай беруться більше.
Висновок
У статті було розглянуто різні аспекти, що стосуються розрахунку нагрівачів електричних печей- Матеріали, приклади розрахунку з необхідними довідковими даними, посиланнями на стандарти, ілюстраціями.У прикладах були розглянуті методики розрахунку лише дротяних нагрівачів. Крім дроту з прецизійних сплавів виготовлення нагрівачів може застосовуватися і стрічка.
Розрахунок нагрівачів не обмежується вибором їх розмірів. Також необхідно визначити матеріал, з якого повинен бути зроблений нагрівач, тип нагрівача (дротяний або стрічковий), тип розташування нагрівачів та інші особливості. Якщо нагрівач виготовляється у вигляді спіралі, необхідно визначити кількість витків і крок між ними.
Сподіваємось, що стаття виявилася Вам корисною. Ми допускаємо її вільне поширення за умови збереження посилання на наш сайт http://www.сайт
У разі виявлення неточностей, просимо повідомити нам на адресу електронної пошти info@сайт або за допомогою системи "Орфус", виділивши текст з помилкою та натиснувши Ctrl+Enter.
Список літератури
- Дяков В.І. "Типові розрахунки з електроустаткування".
- Жуков Л.Л., Племеннікова І.М., Миронова М.М., Барка Д.С., Шумков Ю.В. "Сплави для нагрівачів".
- Сокунов Б.А., Гробова Л.С. "Електротермічні установки (електричні печі опору)".
- Фельдман І.А., Гутман М.Б., Рубін Г.К., Шадріч Н.І. "Розрахунок та конструювання нагрівачів електропечей опору".
- http://www.horss.ru/h6.php?p=45
- http://www.electromonter.info/advice/nichrom.html
При навивці спіралі з ніхрому для нагрівальних елементів, операцію найчастіше виконують методом проб і помилок, а потім подають напругу на спіраль і нагрівання ніхромового дроту, нитки підбирають необхідну кількість витків.
Зазвичай така процедура займає багато часу, а ніхром втрачає свої характеристики при множинних перегинах, що призводить до швидкого прогоряння в місцях деформації. У гіршому випадку з ділового ніхрому виходить ніхромовий брухт.
З її допомогою можна точно визначити довжину намотування виток до витка. Залежно від Ø ніхромового дроту та Ø стрижня, на який намотується ніхромова спіраль. Перерахувати довжину спіралі з ніхрому на іншу напругу неважко, використавши просту математичну пропорцію.
Довжина ніхромової спіралі залежно від діаметра ніхрому та діаметра стрижня
|
Ø ніхрому 0,2 мм |
Ø ніхрому 0,3 мм | ніхрому 0,4 мм | Ø ніхрому 0,5 мм | Ø ніхрому 0,6 мм | Ø ніхрому 0,7 мм | ||||||
| Ø стрижня, мм | довжина спіралі, см |
Ø стрижня, мм |
довжина спіралі, см |
Ø стрижня, мм |
довжина спіралі, см |
Ø стрижня, мм |
довжина спіралі, см |
Ø стрижня, мм |
довжина спіралі, см |
Ø стрижня, мм |
довжина спіралі, 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 | ||||||
Наприклад, потрібно визначити довжину ніхромової спіралі на напругу 380 В з дроту Ø 0,3 мм, стрижень для намотування Ø 4 мм. З таблиці видно, що довжина такої спіралі на напругу 220 буде дорівнювати 22 см. Складемо просте співвідношення:
220 В – 22 см
380 В - Х див
тоді:
X = 380 · 22 / 220 = 38 см
Намотавши ніхромову спіраль, підключіть її, не обрізаючи, до джерела напруги та переконайтеся у правильності намотування. У закритих спіралей довжину намотування збільшують на 1/3 значення, наведеного в таблиці.
Розрахунок електронагрівальних елементів з ніхромового дроту.
Довжину ніхромового дроту виготовлення спіралі визначають виходячи з необхідної потужності.
Приклад: Визначити довжину дроту з ніхрому для нагрівального елемента плитки потужністю P= 600 Вт при Uмережі = 220 Ст.
Рішення:
1) I = P/U= 600/220 = 2,72 А
2) R = U/I= 220/2,72 = 81 Ом
3) За цими даними (див. таблицю 1) вибираємо d=0,45; S=0,159
тоді довжина ніхрому
l = SR/ρ= 0,159 · 81 / 1,1 = 11,6 м
де l- Довжина дроту (м)
S- переріз дроту (мм 2)
R- опір дроту (Ом)
ρ - питомий опір (для ніхрому ρ=1.0÷1.2 Ом·мм 2 /м)
| Допустима сила струму (l), А | |||||||
| Ø ніхрому при 700 °C , мм |
0,17 |
0,45 |
0,55 |
0,65 Купити ніхромову спіраль в компанії ПАРТАЛ зручно і вигідно - онлайн замовлення Доставка замовлень по Росії, в Казахстан та Білорусь. |
У практиці домашнього майстра доводиться ремонтувати чи конструювати нагрівальні прилади. Це можуть бути різні печі, обігрівачі паяльники та різаки. Найчастіше для цього застосовують спіралі або дріт із ніхрому. Основним завданням при цьому є визначити довжину та переріз матеріалу. У цій статті ми розповімо про те, як розрахувати довжину ніхромового дроту або спіралі за потужністю, опором та температурою.
Основні відомості та марки ніхрому
Ніхром називають сплав нікелю і хрому з добавками марганцю, кремнію, заліза, алюмінію. У цього матеріалу параметри залежать від конкретного співвідношення речовин у сплаві, але в середньому лежать у межах:
- питомий електричний опір – 1,05-1,4 Ом*мм 2 /м (залежно від марки сплаву);
- температурний коефіцієнт опору - (0,1-0,25) · 10 -3 К -1;
- робоча температура – 1100 °C;
- температура плавлення – 1400°C;
У таблицях питомий опір часто наводиться в мкОм*м (або 10 -6 Ом*м) – чисельно значення ті самі, різниця у розмірності.
В даний час є дві найпоширеніші марки ніхромового дроту:
- Х20Н80. Складається на 74% з нікелю та на 23% хрому, а також по 1% заліза, кремнію та марганцю. Провідники цієї марки можна використовувати при температурі до 1250 ° С, температура плавлення - 1400 ° С. Також він відрізняється підвищеним електроопір. Сплав застосовують виготовлення елементів нагрівальних приладів. Питомий опір - 1,03-1,18 мкОм · м;
- Х15Н60. Склад: 60% нікелю, 25% заліза, 15% хрому. Робоча температура трохи більше 1150 ᵒ З. Температура плавлення – 1390 ᵒ З. Містить більше заліза, що підвищує магнітні властивості сплаву і підвищує його антикорозійну стійкість.
Більш детально про марки та властивості цих сплавів ви дізнаєтеся з ГОСТ 10994-74, ГОСТ 8803-89, ГОСТ 12766.1-90 та інших.
Як уже було сказано, ніхромовий дріт застосовується повсюдно де потрібні нагрівальні елементи. Високий питомий опір та температура плавлення дозволяють використовувати ніхром як основу для різних нагрівальних елементів, починаючи від чайника або фена, закінчуючи муфельною піччю.
Методики розрахунку
По опору
Давайте розберемося як розрахувати довжину ніхромового дроту за потужністю та опором. Розрахунок починається з визначення необхідної потужності. Уявимо, що нам потрібна нитка з ніхрому для паяльника малих розмірів потужністю в 10 Ватт, який працюватиме від блоку живлення на 12В. Для цього ми маємо дріт діаметром 0.12 мм.
Найпростіший розрахунок довжини ніхрому за потужністю без урахування нагріву виконується так:
Визначимо силу струму:
I=P/U=10/12=0,83 A
Розрахунок опору ніхромового дроту проводимо по:
R=U/I=12/0,83=14,5 Ома
Довжина дроту дорівнює:
l=SR/ ρ ,
де S - площа поперечного перерізу, ρ – питомий опір.
Або за такою формулою:
l=(Rπd2)/4 ρ
L=(14.5*3,14*0.12^2)/4*1,1=0,149м=14,9см
Те саме можна взяти з ГОСТ 12766.1-90 табл. 8 де зазначена величина в 95.6 Ом/м, якщо по ній перерахувати, то вийде майже те саме:
L=R потреб /R табл =14,4/95,6=0,151м=15,1см
Для нагрівача потужністю 10 Вт, який живиться від 12В, потрібно 15.1см.
Якщо вам потрібно виконати розрахунок числа витків спіралі, щоб її звити з ніхромового дроту такої довжини, то використовуйте такі формули:
Довжина одного витка:
Кількість витків:
N=L/(π(D+d/2)),
де L і d – довжина та діаметр дроту, D – діаметр стрижня на якому мотатимуть спіраль.
Допустимо ми мотатимемо ніхромовий дріт на стрижень діаметром 3 мм, тоді розрахунки проводимо в міліметрах:
N=151/(3,14(3+0,12/2))=15,71 витків
Але при цьому потрібно враховувати, чи взагалі здатний ніхром такого перерізу витримати цей струм. Детальні таблиці для визначення максимального допустимого струму за певної температури для конкретних перерізів наведені нижче. Простими словами - ви визначаєте, до скільки градусів повинен грітися дріт і вибираєте його перетин для розрахункового струму.
Також врахуйте, що якщо нагрівач знаходиться усередині рідини, то струм можна збільшити в 1.2-1.5 разів, а якщо в замкнутому просторі, то навпаки – зменшити.
за температурою
Проблема наведеного вище розрахунку в тому, що ми вважаємо опір холодної спіралі діаметром ніхромової нитки та її довжини. Але воно залежить від температури, причому потрібно враховувати за яких умов вдасться її досягти. Якщо для різання пінопласту або для обігрівача такий розрахунок застосовується, то для муфельної печі він буде занадто грубим.
Наведемо приклад розрахунків ніхрому для печі.
Спочатку визначають її об'єм, допустимо 50 літрів, далі визначають потужність, для цього є емпіричне правило:
- до 50 літрів – 100Вт/л;
- 100-500 літрів – 50-70 Вт/л.
Тоді в нашому випадку:
I = 5000/220 = 22.7 Ампера
R=220/22.7=9,7 Ом
Для 380В при підключенні спіралей зіркою розрахунок буде наступним.
Ділимо потужність на 3 фази:
Pф = 5/3 = 1,66 кВт на фазу
При підключенні зіркою, до кожної гілки прикладається 220В (фазна напруга може відрізнятися в залежності від вашої електроустановки), тоді струм:
I = 1660/220 = 7.54 А
Опір:
R=220/7.54=29.1 Ом
Для з'єднання трикутником розраховуємо за лінійною напругою 380В:
I = 1660/380 = 4.36 А
R=380/4.36=87.1 Ом
Для визначення діаметра враховують питому поверхневу потужність нагрівача. Розрахуємо довжину, питомі опори беремо із табл. 8. ГОСТ 12766.1-90, але насамперед визначимо діаметр.
Для розрахунку питомої поверхневої потужності печі використовують формулу.
Bеф (залежить від теплоприймаючої поверхні) та a (коеф. ефективності випромінювання) – вибираються за наступними таблицями.
Отже, для нагрівання печі до 1000 градусів, візьмемо температуру спіралі 1100 градусів, тоді за таблицею підбору В еф вибираємо значення 4,3 Вт/см 2 , а по таблиці підбору коефіцієнта а - 0,2.
У дод = В еф *а = 4,3 * 0.2 = 0,86 Вт / см 2 = 0.86 * 10 ^ 4 Вт / м 2
Діаметр визначають за такою формулою:
р т – питомий опір матеріалу нагрівача при заданій t визначається за ГОСТ 12766.1, таблиця 9 (наведена нижче).
Для ніхрому Х80Н20 – 1,025
р т = р 20 * р 1000 = 1.13 * 10 ^ 6 * 1.025 = 1.15 * 10 ^ 6 Ом / мм
Тоді для підключення до трифазної мережі за схемою «Зірка»:
Довжина розраховується за такою формулою:
Перевіримо значення:
L=R/(p*k)=29.1/(0.82*1.033)=34м
Значення відрізняються через високу температуру спіралі, перевірка не враховує ряд факторів. Тому приймемо за довжину 1 спіралі - 42м, тоді для трьох спіралей потрібно 126 метрів ніхрому 1,3 мм.
Висновок
- умови навколишнього середовища;
- розташування нагрівальних елементів;
- температуру спіралей;
- температуру, до якої має нагрітися поверхня та інші фактори.
Навіть наведений розрахунок, незважаючи на його складність, не можна назвати досить точним. Тому що розрахунок нагрівальних елементів - це суцільна термодинаміка і можна навести ще ряд факторів, що впливають на його результати, наприклад, теплоізоляцію печі та інше.
На практиці після оцінних підрахунків спіралі додають або прибирають в залежності від отриманого результату або використовують температурні датчики та пристрої для її регулювання.
Матеріали
Електричні нагрівальні елементи застосовуються в побутовій та промисловій техніці. Застосування різних нагрівачів відоме всім. Це електричні плити, шафи та духовки, електрокавоварки, електричні чайники та опалювальні прилади всіляких конструкцій.
Електричні водонагрівачі, найчастіше звані, теж містять нагрівальні елементи. Основою багатьох нагрівальних елементів служить дріт із високим електричним опором. І найчастіше цей дріт виготовлений з ніхрому.
Відкрита ніхромова спіраль
Найстарішим нагрівальним елементом є, мабуть, звичайна ніхромова спіраль. Колись давно, у ході були саморобні електричні плитки, кип'ятильники для води та обігрівачі типу «козел». Маючи під рукою ніхромовий провід, яким можна було «розжитися» на виробництві, виготовити спіраль необхідної потужності не мало жодних проблем.
Кінець дроту потрібної довжини вставляється в пропил коміра, сам провід пропускається між двома дерев'яними брусками. Тиски потрібно затиснути так, щоб вся конструкція трималася, як показано на малюнку. Зусилля затиску має бути таким, щоб провід проходив крізь бруски з деяким зусиллям. Якщо зусилля затиску буде велике, то провід просто обірветься.
Малюнок 1. Навивка ніхромової спіралі
Обертанням коміра дріт протягується крізь дерев'яні бруски, і акуратно, виток до витка, укладається на металевий стрижень. В арсеналі електриків був цілий набір комірів різного діаметра від 1,5 до 10 мм, що дозволяло навівати спіралі попри всі випадки життя.
Відомо було, якого діаметра провід та яка довжина потрібна для намотування спіралі потрібної потужності. Ці магічні числа досі можна знайти в Інтернеті. На малюнку 2 показана таблиця, де наведено дані про спіралі різної потужності при напрузі живлення 220В.
Рисунок 2. Розрахунок електричної спіралі нагрівального елемента (для збільшення натисніть на малюнок)
Тут усе просто та зрозуміло. Задавшись необхідною потужністю та діаметром ніхромового дроту, що є під рукою, залишається тільки відрізати шматок потрібної довжини і навити його на оправлення відповідного діаметра. При цьому в таблиці зазначена довжина спіралі, що вийшла. А що робити, якщо є провід із діаметром не вказаним у таблиці? І тут спіраль доведеться просто розрахувати.
За потреби розрахувати спіраль досить просто. Як приклад наведено розрахунок спіралі з ніхромового дроту діаметром 0,45мм (такого діаметра в таблиці немає) потужністю 600Вт на напругу 220В. Усі розрахунки виконуються згідно із законом Ома.
Про те, як перевести ампери до ватів і, навпаки, ватів до амперів:
I = P/U = 600/220 = 2,72 A
Для цього достатньо задану потужність поділити на напругу та отримати величину струму, що проходить через спіраль. Потужність у ватах, напруга у вольтах, результат у амперах. Все згідно з системою СІ.
Формула для підрахунку опору провідника R=ρ*L/S,
де ρ – питомий опір провідника (для ніхрому 1.0÷1.2 Ом.мм2/м), L – довжина провідника в метрах, S – переріз провідника у квадратних міліметрах. Для провідника діаметром 0,45 мм перетин становитиме 0,159 мм2.
Звідси L=S*R/ρ=0.159*81/1.1=1170 мм, або 11,7 м.
Загалом, виходить не настільки складний розрахунок. Та власне і виготовлення спіралі не так уже й складно, що, безперечно, є гідністю звичайних ніхромових спіралей. Але це перевага перекривається безліччю недоліків, властивих відкритим спіралям.
Насамперед, це досить висока температура нагріву - 700…800˚C. Нагріта спіраль має слабке червоне свічення, випадковий дотик до неї може спричинити опік. Крім того, можливе ураження електричним струмом. Розпечена спіраль випалює кисень повітря, приваблює до себе порошинки, які вигоряючи, дають дуже неприємний аромат.
Але головним недоліком відкритих спіралей слід вважати їхню високу пожежну небезпеку. Тому пожежна охорона просто забороняє застосування обігрівачів з відкритою спіраллю. До таких обігрівачів, перш за все, відноситься так званий «козел», конструкція якого показана на малюнку 3.
Малюнок 3. Саморобний обігрівач "козел"
Ось такий вийшов дикий «козел»: зроблений він навмисне недбало, просто, навіть дуже погано. На пожежу з таким обігрівачем чекати доведеться недовго. Більш досконала конструкція такого опалювального приладу показана на малюнку 4.
Малюнок 4. «Козел» домашній
Неважко бачити, що спіраль закрита металевим кожухом, саме це запобігає дотику до розігрітих струмоведучих частин. Пожежонебезпечність такого пристрою набагато менша, ніж показаного на попередньому малюнку.
Колись давно в СРСР випускалися обігрівачі-рефлектори. У центрі нікельованого відбивача був керамічний патрон, в який на кшталт лампочки з цоколем E27, повертався нагрівач потужністю 500Вт. Пожежонебезпека такого рефлектора також дуже висока. Ну от якось не замислювалися в ті часи, до чого може привести використання таких обігрівачів.
Малюнок 5. Обігрівач рефлекторного типу
Цілком очевидно, що різні обігрівачі з відкритою спіраллю можна, всупереч вимогам пожежної інспекції, використовувати лише під невсипущим наглядом: пішов із приміщення – вимкни обігрівач! Ще краще просто відмовитися від використання обігрівачів такого типу.
Нагрівальні елементи із закритою спіраллю
Щоб позбутися відкритої спіралі, були винайдені трубчасті електричні нагрівачі - тени. Конструкція Тена показана малюнку 6.
Малюнок 6. Конструкція ТЕНу
Ніхромова спіраль 1 захована всередині тонкостінної металевої трубки 2. Спіраль ізольована від трубки наповнювачем 3 з високою теплопровідністю та високим електричним опором. Як наповнювач найчастіше застосовується периклаз (кристалічна суміш окису магнію MgO, іноді з домішками інших оксидів).
Після заповнення ізолюючим складом трубку опресовують, і під великим тиском периклаз перетворюється на моноліт. Після такої операції спіраль жорстко фіксується, тому електричний контакт із корпусом - трубкою виключено повністю. Конструкція виходить настільки міцною, що будь-який ТЕН можна згинати, якщо цього вимагає конструкція опалювального приладу. Деякі ТЕНи мають дуже химерну форму.
Спіраль з'єднується з металевими висновками 4, які виходять назовні через ізолятори 5. Підвідні дроти приєднуються до різьбових кінців висновків 4 за допомогою гайок і шайб 7. Кріплення ТЕНів в корпусі пристрою здійснюється за допомогою гайок і шайб 6, що забезпечують, при необхідності, герметичність.
За умови дотримання умов експлуатації подібна конструкція досить надійна і довговічна. Саме це й призвело до досить широкого застосування ТЕНів у пристроях різного призначення та конструкції.
За умовами експлуатації ТЕНи поділяються на дві великі групи: повітряні та водяні. Але це просто така назва. Насправді повітряні тени призначені для роботи в різних газових середовищах. Навіть звичайне атмосферне повітря є сумішшю кількох газів: кисню, азоту, вуглекислого газу, є навіть домішки аргону, неону, криптону і т.д.
Повітряне середовище буває найрізноманітнішим. Це може бути спокійне атмосферне повітря або потік повітря, що рухається зі швидкістю до декількох метрів за секунду, як у тепловентиляторах або теплових гарматах.
Розігрів оболонки ТЕНу може досягати 450 ˚C і навіть більше. Тому виготовлення зовнішньої трубчастої оболонки застосовуються різні матеріали. Це може бути звичайна вуглецева сталь, нержавіюча сталь або жароміцна, жаростійка сталь. Все залежить від довкілля.
Для покращення тепловіддачі деякі ТЕНи забезпечуються ребрами на трубках у вигляді навитої металевої стрічки. Такі нагрівачі називаються оребреними. Застосування таких елементів найбільш доцільно в повітряному середовищі, що рухається, наприклад, в тепловентиляторах і теплових гарматах.
Водяні тени також застосовуються не обов'язково у воді, це загальна назва різних рідинних середовищ. Це може бути олія, мазут і навіть різні агресивні рідини. Рідинні ТЕНи, дистилятори, електричні опріснювачі морської води і просто в титанах для кип'ятіння питної води.
Теплопровідність і теплоємність води набагато вища, ніж у повітря та інших газових середовищ, що забезпечує, порівняно з повітряним середовищем, найкраще, швидше, відведення тепла від ТЕНу. Тому при однаковій електричній потужності водяний нагрівач має менші геометричні розміри.
Тут можна навести простий приклад: при википанні води в звичайному електричному чайнику ТЕН може розігрітися до червоного кольору, після чого прогоріти до дірок. Таку ж картину можна спостерігати і зі звичайними кип'ятильниками, призначеними для кип'ятіння води у склянці чи відрі.
Наведений приклад наочно говорить про те, що водяні ТЕНи в жодному разі не можна застосовувати для роботи в повітряному середовищі. Повітряні тени для нагрівання води використовувати можна, ось тільки доведеться довго чекати, поки вода закипить.
Не на користь водяним Тена піде і шар накипу, що утворюється в процесі роботи. Накип, як правило, має пористу структуру і її теплопровідність невелика. Тому тепло, що виділяється спіраллю, рідина йде погано, зате сама спіраль всередині нагрівача розігрівається до дуже високої температури, що рано чи пізно призведе до її перегорання.
Щоб цього не сталося, бажано періодично очищати ТЕНи за допомогою різних хімічних засобів. Наприклад, у телевізійній рекламі для захисту нагрівачів пральних машин рекомендується засіб Calgon. Хоча з приводу цього засобу існує безліч різних думок.
Як позбавитися від накипу
Крім хімічних засобів для захисту від накипу, використовуються різні пристрої. Насамперед, це магнітні перетворювачі води. У потужному магнітному полі кристали «жорстких» солей змінюють свою структуру, перетворюються на пластівці, стають дрібнішими. З таких пластівців накип утворюється менш активно, більшість пластівців просто вимивається потоком води. Цим і досягається захист нагрівачів та трубопроводів від накипу. Магнітні фільтри-перетворювачі випускаються багатьма зарубіжними фірмами, такі існують і в Росії. Подібні фільтри випускаються як урізного, так і накладного типу.
Електронні пом'якшувачі води
Останнім часом дедалі популярнішими стають електронні пом'якшувачі води. Зовні все дуже просто. На трубу встановлюється невелика коробочка, з якої виходять дроти-антени. Провід накручуються навколо труби, при цьому навіть не треба зчищати фарбу. Встановити прилад можна у будь-якому доступному місці, як показано на малюнку 7.
Малюнок 7. Електронний пом'якшувач води
Єдине, що знадобиться для підключення приладу, це розетка на 220В. Прилад розрахований на довготривале включення, його не треба періодично відключати, оскільки вимкнення призведе до того, що вода знову стане жорсткою, знову утворюватиметься накип.
Принцип роботи приладу зводиться до випромінювання коливань у діапазоні ультразвукових частот, які можуть сягати 50КГц. Частота коливань регулюється за допомогою пульта керування приладу. Випромінювання виробляються пакетами по кілька разів на секунду, що досягається використанням вбудованого мікроконтролера. Потужність коливань невелика, тому жодної загрози здоров'ю людини подібні прилади не представляють.
Доцільність встановлення таких приладів визначити досить легко. Все зводиться до того щоб визначити, наскільки жорстка вода тече з водопровідної труби. Тут навіть не треба ніяких «розумних» приладів: якщо після миття ваша шкіра стає сухою, від бризок води на кахельній плитці з'являються білі розлучення, в чайнику з'являється накип, пральна машина стирає повільніше, ніж на початку експлуатації - однозначно з крана тече тверда вода. Все це може призвести до виходу з ладу нагрівальних елементів, а отже, самих чайників або пральних машин.
Жорстка вода погано розчиняє різні миючі засоби – від звичайного мила до супермодних пральних порошків. В результаті порошків доводиться класти більше, але це допомагає мало, оскільки кристали солей жорсткості затримуються в тканинах, якість прання залишає бажати кращого. Всі перелічені ознаки жорсткості води красномовно свідчать, що необхідно встановлювати пом'якшувачі води.
Підключення та перевірка ТЕНів
При підключенні Тена повинен використовуватися провід відповідного перерізу. Тут все залежить від струму, що протікає через ТЕН. Найчастіше відомі два параметри. Це потужність самого нагрівача та напруга живлення. Щоб визначити струм, достатньо розділити потужність на напругу живлення.
Простий приклад. Нехай є ТЕН потужністю 1КВт (1000Вт) на напругу живлення 220В. Для такого нагрівача виходить, що струм складе
I = P/U = 1000/220 = 4,545A.
Згідно з таблицями, розміщеними в ПУЕ, такий струм може забезпечити провід перетином 0,5 мм2 (11А), але з метою забезпечення механічної міцності краще застосувати провід перерізом не менше 2,5 мм2. Саме таким проводом найчастіше виконується підведення електрики до розеток.
Але перед тим, як робити підключення, слід переконатися у справності навіть нового, щойно купленого ТЕНу. Насамперед, треба виміряти його опір і перевірити цілісність ізоляції. Опір Тена досить просто розрахувати. Для цього треба напругу живлення звести в квадрат і поділити на потужність. Наприклад, для нагрівача потужністю 1000Вт цей розрахунок виглядає так:
220 * 220 / 1000 = 48,4 Ом.
Такий опір має показати мультиметр при підключенні його до висновків ТЕНу. Якщо ж спіраль обірвана, то, звісно, мультиметр покаже урвище. Якщо взяти ТЕН іншої потужності, то опір, звичайно, буде іншим.
Для перевірки цілісності ізоляції слід виміряти опір між будь-яким із висновків та металевим корпусом ТЕНу. Опір наповнювача-ізолятора такий, що на будь-якій межі вимірювань мультиметр повинен показати урвище. Якщо виявиться, що опір дорівнює нулю, то спіраль має контакт із металевим корпусом нагрівача. Таке може статися навіть із новим, тільки купленим ТЕНом.
Взагалі для перевірки ізоляції застосовується, але не завжди і не всі вони є під рукою. Отже, цілком підійде і перевірка звичайним мультиметром. Хоча таку перевірку треба зробити обов'язково.
Як уже було сказано, ТЕНи можна згинати навіть після наповнення ізолятором. Існують нагрівачі найрізноманітнішої форми: у вигляді прямої трубки, U-подібні, згорнуті в кільце, змійку або спіраль. Все залежить від пристрою нагрівального приладу, який передбачається встановити ТЕН. Наприклад, у проточному водонагрівачі пральної машини застосовуються ТЕНи, звиті в спіраль.
Деякі ТЕНи мають елементи захисту. Найпростіший захист це термозапобіжник. Якщо він згорів, то доводиться міняти весь ТЕН, але до пожежі справа не дійде. Є й складніша система захисту, що дозволяє використовувати ТЕН після її спрацьовування.
Однією з таких захистів є захист на основі біметалічної пластини: тепло від перегрітого ТЕНу згинає біметалеву пластину, яка розмикає контакт і знеструмлює нагрівальний елемент. Після того, як температура зменшиться до допустимого значення, біметалічна пластина розгинається, контакт замикається і ТЕН знову готовий до роботи.
ТЕНи з терморегулятором
За відсутності гарячого водопостачання доводиться користуватися бойлерами. Конструкція бойлерів досить проста. Це металева ємність, захована в «шубу» із утеплювача, поверх якого знаходиться декоративний металевий корпус. У корпус врізаний термометр, що показує температуру води. Конструкція бойлера показана малюнку 8.
Малюнок 8. Бойлер накопичувального типу
Деякі бойлери містять магнієвий анод. Його призначення захист від корозії нагрівача та внутрішнього бака бойлера. Магнієвий анод є витратним матеріалом, його доводиться періодично змінювати під час обслуговування бойлера. Але в деяких бойлерах, мабуть, дешевої цінової категорії такий захист не передбачений.
Як нагрівальний елемент у бойлерах застосовується ТЕН з терморегулятором, конструкція одного з них показана на малюнку 9.
Малюнок 9. ТЕН з терморегулятором
У пластмасовій коробці розташований мікровимикач, який спрацьовує від рідинного термодатчика (пряма трубка поруч із ТЕНом). Форма власне ТЕНу може бути найрізноманітнішою, на малюнку показано найпростішу. Все залежить від потужності та конструкції бойлера. Ступінь нагріву регулюється за рахунок положення механічного контакту, що керується білою круглою рукояткою, розташованою внизу коробки. Тут же знаходяться клеми для підведення електричного струму. Кріплення нагрівача здійснюється за допомогою різьблення.
Мокрі та сухі ТЕНи
Подібний нагрівач знаходиться у безпосередньому контакті з водою, тому такий ТЕН називають «мокрим». Термін служби «мокрого» ТЕНу знаходиться в межах 2...5 років, після чого його доводиться міняти. Загалом термін служби невеликий.
Для збільшення терміну служби нагрівального елемента та всього бойлера загалом французькою компанією Atlantic у 90-х роках минулого століття було розроблено конструкцію «сухого» ТЕНу. Якщо сказати простіше, то нагрівач був захований у металеву захисну колбу, що виключає прямий контакт із водою: нагрівальний елемент гріється всередині колби, яка передає тепло воді.
Природно, що температура колби набагато нижча, ніж власне ТЕНу, тому утворення накипу за тієї ж твердості води відбувається не настільки інтенсивно, у воду передається більша кількість тепла. Термін служби таких нагрівачів сягає 10...15 років. Сказане справедливо для хороших умов експлуатації, насамперед стабільності напруги живлення. Але навіть і в добрих умовах «сухі» Тени теж виробляють свій ресурс, і їх доводиться міняти.
Ось тут виявляється ще одна перевага технології «сухого» ТЕНу: при заміні нагрівача немає жодної необхідності зливати воду з бойлера, для чого слід відключати його від трубопроводу. Достатньо просто вивернути нагрівач та замінити його на новий.
Компанія Atlantic, звичайно ж, запатентувала свій винахід, після чого почала продавати ліцензію іншим фірмам. В даний час бойлери з «сухим» нагрівальним елементом випускають інші фірми, наприклад, Electrolux і Gorenje. Конструкція бойлера із «сухим» ТЕНом показана малюнку 10.
Малюнок 10. Бойлер із «сухим» нагрівачем
До речі, на малюнку показаний бойлер із керамічним стеатитовим нагрівачем. Пристрій такого нагрівача показано малюнку 11.
Рисунок 11. Керамічний нагрівач
На керамічному підставі закріплена звичайна відкрита спіраль із дроту із високим опором. Температура нагріву спіралі досягає 800 градусів і передається у навколишнє середовище (повітря під захисною оболонкою) конвекцією та тепловипромінюванням. Звичайно, такий нагрівач стосовно бойлерів може працювати тільки в захисній оболонці, в повітряному середовищі, прямий контакт з водою просто виключений.
Спіраль може бути намотана в кілька секцій, про що свідчить наявність кількох клем для підключення. Це дозволяє змінювати потужність нагрівача. Максимальна питома потужність таких нагрівачів не перевищує 9Вт/см2.
Умовою нормальної роботи такого нагрівача є відсутність механічних навантажень, вигинів та вібрацій. На поверхні не повинно бути забруднень у вигляді іржі та масляних плям. І, звичайно ж, чим стабільнішим буде напруга живлення, без викидів і стрибків, тим довговічніша робота нагрівача.
Але електротехніка не стоїть дома. Технології розвиваються, удосконалюються, тому крім ТЕНів в даний час розроблені та успішно застосовуються найрізноманітніші нагрівальні елементи. Це керамічні нагрівальні елементи, карбонові нагрівальні елементи, інфрачервоні нагрівальні елементи, але це буде темою іншої статті.
Якщо домашньому майстру за характером виконуваних ним робіт необхідна муфельна піч, він, звісно, може придбати готовий прилад у магазині чи з оголошенням. Проте, стоїть подібне обладнання заводського виробництва дуже недешево. Тому багато умільців беруться за виготовлення таких печей самостійно.
Основний "робочий вузол" електричної муфельної печі - нагрівач, який в умовах кустарного виробництва зазвичай виконують у вигляді спіралі зі спеціального дроту з високими показниками опору та термічної віддачі. Характеристики його повинні суворо відповідати потужності устаткування, що створюється, передбачуваним температурним режимам роботи, а також відповідати ще деяким вимогам. Якщо планується самостійне виготовлення приладу, то радимо застосувати запропоновані алгоритм і зручні калькулятори розрахунку нагрівача муфельної печі.
Розрахунок вимагає певних пояснень, які намагатимемося викласти максимально зрозуміло.
Алгоритм та калькулятори розрахунку нагрівача муфельної печі
З чого робляться нагрівальні спіралі
Для початку – буквально кілька слів про дріт, який використовується для навивки нагрівальних спіралей. Зазвичай для таких цілей застосовується ніхромова або фехралева.
- Ніхромова(від скорочень нікель + хром) найчастіше представлена сплавами Х20Н80-Н, Х15Н60 або Х15Н60-Н.
Ціни на муфельну піч
муфельна піч
Її переваги :
- Високий запас міцності при будь-яких температурах нагріву;
- Пластична, легко обробляється, піддається зварюванню;
- Довговічність, стійкість до корозії, відсутність магнітних якостей.
Недоліки :
- висока вартість;
— нижчі показники нагріву та термостійкостів порівнянні з фехралевою.
- Фехралева(від скорочень ферум, хром, алюміній) - у наш час частіше використовується матеріал зі сплаву Х23Ю 5Т.
Переваги фехралю:
— набагато дешевше за ніхром, завдяки чому в основному матеріал і користується широкою популярністю;
- має більш значні показники опору та резистивного нагріву;
- Висока жаростійкість.
Недоліки :
- Низька міцність, а після навіть одноразового нагріву понад 1000 градусів - виражена крихкість спіралі;
- Невидатна довговічність;
- Наявність магнітних якостей, схильність корозії через наявність у складі заліза;
- Непотрібна хімічна активність - здатний вступати в реакції з матеріалом шамотного футерування печі;
- Надмірно велике термічне лінійне розширення.
Кожен із майстрів вільний вибрати будь-який із перерахованих матеріалів, проаналізувавши їх «за» та «проти». Алгоритм розрахунку враховує особливості такого вибору.
Крок 1 – визначення потужності печі та сили струму, що проходить через нагрівач.
Щоб не вдаватися в непотрібні даномуу випадку подробиці, відразу скажемо, що існують емпіричні норми відповідностіобсягуробочої камери муфельної печіта її потужності. Вони показані в таблиці нижче:
Якщо є проектні начерки майбутнього приладу, то об'єм муфельної камери визначити нескладно – твором висоти, ширини та глибини. Потім об'єм переводиться в літри і множиться на зазначені в таблиці норми потужності, що рекомендуються. Так отримуємо потужність печі у ватах.
Табличні значення вказані в деяких діапазонах, тому або застосовуйте інтерполяцію, або приймайте приблизно середню величину.
Знайдена потужність при відомій напрузі мережі (220 вольт) дозволяє відразу визначити силу струму, який проходитиме через нагрівальний елемент.
I = P/U.
I- сила струму.
Р- Визначена вище потужність муфельної печі;
U- напруга живлення.
Весь цей перший крок розрахунку дуже легко і швидко можна виконати за допомогою калькулятора: всі табличні значення вже внесені до програми обчислення.
