методика проведения вычислений, справочные таблицы
Наиболее значительной деталью электротепловой установки является нагревательный элемент. Основная составляющая часть приборов косвенного нагрева — резистор с высоким удельным сопротивлением. А одним из приоритетных материалов — хромоникелевый сплав. Так как сопротивление нихромовой проволоки высоко, этот материал занимает лидирующее место в качестве сырья для различных видов электротепловых установок. Расчёт нагревателя из нихромовой проволоки проводят с целью определения размеров нагревательного элемента.
Основные понятия
В целом производить расчёт нагревательного элемента из нихрома необходимо по четырём вычислениям: гидравлическому, механическому, тепловому и электрическому. Но обычно подсчёты проводят лишь в два этапа: по тепловым и электрическим показателям.
К тепловым характеристикам относятся:
- тепловая изоляция;
- коэффициент полезного действия по теплоте;
- необходимая теплоотдающая поверхность.
Основной целью расчёта нихрома является определение геометрических размеров нагревательного сопротивления.
К электрическим параметрам обогревателей являются:
- напряжение питания;
- способ регулирования мощности;
- коэффициент мощности и электрический коэффициент полезного действия.
При выборе питающего напряжения для устройств обогрева отдают предпочтение тому, что несёт минимальную угрозу животным и обслуживающему персоналу. Напряжение сети в установках сельского хозяйства составляет 380/200 вольт с частотой тока 50 Герц. В случае применения электроустановок в особо сырых помещениях, при повышенной электроопасности напряжение следует снизить. Его значение должно не превышать 12, 24, 36 вольт.
Регулировать температуру и мощность нагревателя можно двумя способами:
- меняя напряжение;
- переменой величины сопротивления.
Наиболее распространённым способом изменять мощность является включение в работу определённого числа секций трехфазной установки. В современных нагревательных установках мощность меняют регулировкой напряжения с помощью тиристоров.
Расчёт по рабочему току основан на табличной зависимости, которая связывает токовую нагрузку на проводник из нихрома, его площадь сечения и температуру.
Табличные данные были составлены для проволоки из нихрома, которая натягивалась в воздухе без учёта колебаний и вибраций при температуре 20 °C.
Для того чтобы перейти к реальным условиям, в расчётах необходимо использовать поправочные коэффициенты.
Алгоритм расчёта для однофазных установок
Расчёт спирали из нихрома следует проводить поэтапно, используя начальные сведения о нагревателе: необходимая мощность и марка нихрома.
Мощность одной секции:
Рс = Р/ (mn)
P — мощность установки, Вт;
m — количество фаз, для однофазной m = 1;
n — число секций в одной фазе, для установок мощностью около 1 квт n = 1.
Рабочий ток одной секции нагревателя:
Ic = P с/(Un)
U — напряжение сети, для однофазных установок U = 220 в
Расчётная температура проволоки:
θр = θд/(Км Кс)
θд — допустимая рабочая температура, выбирается из таблицы 1 в зависимости от материала, °C.
Таблица 1 — Параметры материалов для электрических нагревателей.
| Материал | Удельное сопротивление при 20 °C, x10-6Ом·м | Температурный коэффициент сопротивления, x10— 6 °C -1 | Допустимая рабочая температура, °C | Температура плавления, °C |
| Нихром двойной (Х20Н80-Н) | 1,1 | 16,5 | 1200 | 1400 |
| Нихром тройной (Х15Н60-Н) | 1,1 | 16,3 | 1100 | 1390 |
Км — коэффициент монтажа, выбирают из таблицы 2 в зависимости от конструктивного исполнения.
Таблица 2 — Коэффициент монтажа для некоторых видов конструкций нагревателей в спокойном потоке воздуха.
| Конструктивное исполнение нагревателя | Км |
| Провод при горизонтальном размещении | 1,0 |
| Спираль из провода без тепловой изоляции | 0,8 — 0,9 |
| Спираль из провода на огнеупорном каркасе | 0,7 |
| Провод на огнеупорном каркасе | 0,6 — 0,7 |
| Нагревательные сопротивления между двумя слоями тепловой изоляции | 0,5 |
| Нагревательные сопротивления с хорошей тепловой изоляцией | 0,3 — 0,4 |
Роль коэффициента монтажа в том, что он даёт возможность учитывать повышение температуры нагревателя в реальных условиях по сравнению с данными справочной таблицы.
Кс — коэффициент окружающей среды, определяется из таблицы 3.
Таблица 3 — Коэффициент поправки на некоторые условия окружающей среды.
| Условия окружающей среды | Кс |
| Спираль из провода в потоке воздуха со скоростью движения, м /с | |
| 3 | 1,8 |
| 5 | 2,1 |
| 10 | 3,1 |
| Нагревательный элемент в неподвижной воде | 2,5 |
| Нагревательный элемент в потоке воды | 3,0−3,5 |
Коэффициент среды даёт поправку на улучшение теплоотдачи из-за условий окружающей среды. Поэтому реальные результаты расчётов будут немного отличаться от табличных значений.
Диаметр d, мм и площадь поперечного сечения S, мм 2 выбирается по рабочему току и расчётной температуре из таблицы 4
Таблица 4 — Допустимая нагрузка на нихромовую проволоку при 20 °C, подвешенную в спокойном воздухе горизонтально.
Длина проволоки одной секции:
L = (U ф
ρ 20 — удельное сопротивление при температуре 20 °C, выбирается из таблицы 1;
α — температурный коэффициент сопротивления, определяется из соответствующего столбца в таблице 1.
Диаметр спирали:
D = (6…10) d, мм.
Определяем шаг спирали:
h = (2…4) d, мм
Шаг спирали влияет на производительность работы. При его больших значениях теплоотдача увеличивается.
Количество витков спирали
W = (lx103)/ (√h2+(πD)2)
Длина спирали:
L = h W x10-3
Если назначением проволочного нагревателя является повышение температуры жидкости, рабочий ток увеличивают в 1,5 раза от расчётного значения. В случае расчёта нагревателя с закрытым типом рабочий ток рекомендуется снизить в 1,2 раза.
Классификация нагревателей по температуре
Нагреватели по предельно допустимой температуре подразделяются на пять классов:
200° C. В этом диапазоне температур наиболее широко распространено использование трубчатых электрических нагревателей. Для того чтобы в рабочем пространстве соблюдалась оптимальная температура, при монтаже ТЕНов необходимо уделить внимание их правильному расположению.- От 200 до 400° C. Используются ленточные нагреватели. Для создания необходимой температуры в рабочей камере охватывают весь её периметр.
- От 400 до 600° C. Материалом для нагревателей должен служить лишь резистивный элемент высокого сопротивления. Распространёнными являются константан, фехраль, нихром. С целью обеспечения необходимой температуры нагреватель должен быть открытым для доступа воздуха. Поэтому расположен внутри или снаружи трубки.
- От 600 до 1250° C
- От 1250 до 1700° C. Высокотемпературные нагреватели изготавливают из дисилицида молибдена, карбида кремния. Основным недостатком обогревателей является их дефицит и высокая стоимость.
200° C. В этом диапазоне температур наиболее широко распространено использование трубчатых электрических нагревателей. Для того чтобы в рабочем пространстве соблюдалась оптимальная температура, при монтаже ТЕНов необходимо уделить внимание их правильному расположению.Параметры, способствующие неполадкам
Наиболее велика вероятность выхода из строя электрических нагревателей вследствие окисления поверхности нагревательного сопротивления.
Факторы, которые влияют на скорость разрушения нагревателя:
- рабочая температура;
- условия окружающей среды, в которых работает нагреватель;
- частота включений.
рабочая температура;Из-за того, что электронагревательные установки работают с превышением допустимых значений этих параметров, происходят наиболее частые поломки: обгорание контактов, нарушение механической прочности нихромовой проволоки.
Ремонт нагревательного элемента из нихрома осуществляется с помощью пайки или скручивания.
220v.guru
0,1 0,20,30,40,50,60,70,80,91,01,21,52,02,22,53,03,54,04,55,05,56,06,57,07,58,08,59,010,0 Диаметр нихромовой проволоки, мм Требуемая мощность нагревателя, Вт Напряжение, В
Необходимая длина проволоки, м Ток, А В некоторых бытовых нагревательных приборах до сих пор используется нихромовая проволока. Она обладает высокой жаростойкостью, характерной для сплава никеля и хрома. У этого материала отмечается хорошая пластичность, высокое удельное электрическое сопротивление и низкий температурный коэффициент сопротивления. Поэтому, когда выполняется расчет нихромовой проволоки для нагревателя, данные параметры должны обязательно учитываться. В противном случае результаты вычислений будут неточными и не дадут желаемого результата. Использование калькулятора-онлайн в расчетахБыстрые расчеты могут быть выполнены с помощью онлайн-калькулятора. С его помощью можно вычислить и приблизительно установить нужную длину нихромовой проволоки. Как правило, рассматриваются марки, получившие наиболее широкое распространение в нагревательных приборах – Х20Н80, Х20Н80-Н, Х15Н60. Для выполнения расчетов необходимы обязательные исходные данные. Прежде всего, это величина мощности нагревателя, которую планируется получить, диаметр нихромовой проволоки и значение питающего напряжения сети. Вычисления проводятся следующим образом. В первую очередь нужно установить силу тока в соответствии с заданными параметрами, по формуле: I = P/U. После этого рассчитывается сопротивление на весь нагревательный элемент. Далее понадобится удельное электрическое сопротивление, для конкретной марки нихромовой проволоки. Эта величина будет нужна для того, чтобы установить наиболее оптимальную длину нагревательного элемента уже по другой формуле: l = SR/ρ. Правильный выбор длины приведет сопротивление нагревателя R к нужному значению.
После выполнения расчетов, полученные данные рекомендуется проконтролировать с помощью таблицы и убедиться, что расчетный ток соответствует допустимому значению. В случае превышения расчетным током допустимых пределов, следует выполнить повторные вычисления, увеличив диаметр нихромовой проволоки или уменьшив мощность самого нагревательного элемента. Необходимо учитывать тот фактор, что все приведенные в таблицах параметры рассчитаны для нагревателей, находящихся в горизонтальном положении и функционирующих в воздушной среде. Если же нихромовую спираль планируется использовать помещенной в жидкость, значение допустимого тока следует умножить на коэффициент 1,1-1,5. При закрытом расположении спирали допустимый ток, наоборот, нужно уменьшить в 1,2-1,5 раза. |
electric-220.ru
Онлайн расчет длины нихромовой проволоки, спирали, для нагревателя
Для одного знакомого связиста расчет длины проволоки для нагревателя было мегазадачей. 
Он вообще не парился этим вопросом, а просто сопел и замерял сопротивление проволоки спирали омметром каждые двадцать-тридцать витков, весь окутанный сигаретным дымом от «Примы». И матерился,
если наматывал слишком мало или много. Впрочем, мужик и специалист в телефонии он был классный.
На данном этапе жизни намотка обогревателей для меня не особо актуальна, но я все равно решила написать этот онлайн калькулятор расчета длины проволоки. Может кому-то будет полезен.
Для использования калькулятора вводим необходимые параметры обогревателя или электроплиты в соответствующие поля и нажимаем кнопку «Рассчитать длину проволоки для спирали нагревателя«.
Полученные результаты не учитывают рост электрического сопротивления проводника с ростом его температуры. Поэтому фактическая мощность (как и потребляемый ток от сети) всегда несколько ниже расчетных величин.
Требуемая мощность обогревателя или электроплиты
Вт
Напряжение питания
В
Выберете материал проволоки для намотки спирали
НихромКонстантанХромальФехраль
Выберете диаметр проволоки из стандартных промышленных размеров. Не забываем, что сечение и диаметр проволоки — разные понятия. Если не знаем диаметра — пользуемся микрометром или штангельциркулем. Интересно, для чего нужен нихром диаметром в 10 мм, что им вообще такое мотать? Наверно, детонатор для термоядерного реактора.
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.21.52.02.22.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.58.08.59.010.0 мм
Постоянный адрес страницы http://nemezida.su/online_raschet_dlini_provoloki_plita_nagrevatel.htm
www.nemezida.su
Калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи
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.
Калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи
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.
Содержание статьи
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.
Ее достоинства:
— высокий запас прочности при любых температурах нагрева;
— пластична, легко обрабатывается, поддаётся свариванию;
— долговечность, стойкость к коррозии, отсутствие магнитных качеств.
Недостатки:
— высокая стоимость;
— более низкие показатели нагрева и термоустойчивости по сравнению с фехралевой.
- Фехралевая (от сокращений феррум, хром, алюминий) – в наше время чаще используется материал из сплава Х23Ю5Т.
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:
| Объем муфельной камеры печи (литры) | Рекомендуемая удельная мощность печи (Вт/л) |
|---|---|
| 1÷5 | 300÷500 |
| 6÷10 | 120÷300 |
| 11÷50 | 80÷120 |
| 51÷100 | 60÷80 |
| 101÷500 | 50÷60 |
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
Перейти к расчётам
Шаг 2 – определение минимального сечения проволоки для навивки спирали
Любой электрический проводник ограничен в своих возможностях. Если через него пропускать ток, выше допустимого, он попросту перегорит или расплавится. Поэтому очередной шаг в расчетах – определение минимально допустимого диаметра проволоки для спирали.
Определить его можно по таблице. Исходные данные – рассчитанная выше сила тока и предполагаемая температура разогрева спирали.
| D (мм) | S (мм ²) | Температура разогрева проволочной спирали, °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 | 60 | 80 | 93 | 110 | 129 | 151 |
| 3 | 7.07 | 22.3 | 37.5 | 54.5 | 64 | 77 | 88 | 102 |
| 2.5 | 4.91 | 16.6 | 27.5 | 40 | 46.6 | 57.5 | 66.5 | 73 |
| 2 | 3.14 | 11.7 | 19.6 | 28.7 | 33.8 | 39.5 | 47 | 51 |
| 1.8 | 2.54 | 10 | 16.9 | 24.9 | 29 | 33.1 | 39 | 43.2 |
| 1.6 | 2.01 | 8.6 | 14.4 | 21 | 24.5 | 28 | 32.9 | 36 |
| 1.5 | 1.77 | 7.9 | 13.2 | 19.2 | 22.4 | 25.7 | 30 | 33 |
| 1.4 | 1.54 | 7.25 | 12 | 17.4 | 20 | 23.3 | 27 | 30 |
| 1.3 | 1.33 | 6.6 | 10.9 | 15.6 | 17.8 | 21 | 24.4 | 27 |
| 1.2 | 1.13 | 6 | 9.8 | 14 | 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 | 0.785 | 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 |
| 0.75 | 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 | 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 | 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 |
| D — диаметр нихромовой проволоки, мм | ||||||||
| S — площадь поперечного сечения нихромовой проволоки, мм² | ||||||||
И сила тока, и температура берутся ближайшие, но обязательно с приведением в большую сторону. Например, при планируемом нагреве 850 градусов следует ориентироваться на 900. И, допустим, при силе тока в этом столбце, равной 17 амперам, берется большее ближайшее – 19,1 А. В двух левых столбцах сразу определяется минимально возможная проволока – ее диаметр и площадь поперечного сечение.
Более толстую проволоку использовать можно (иногда это становится и обязательным – о таких случаях будет рассказано ниже). Но меньше – никак нельзя, так как нагреватель просто перегорит в рекордно короткий срок.
Шаг 3 – определение необходимой длины проволоки для навивки спирального нагревателя
Известны мощность, напряжение, сила тока. Намечен диаметр проволоки. То есть имеется возможность, используя формулы электрического сопротивления, определить длину проводника, который будет создавать необходимый резистивный нагрев.
L = (U / I) × S / ρ
ρ — удельное сопротивление нихромового проводника, Ом×мм²/м;
L — длина проводника, м;
S — площадь поперечного сечения проводника, мм².
Как видно, потребуется еще одна табличная величина – удельное сопротивление материала на единицу площади поперечного сечения и длины проводника. Необходимые для расчета данные – показаны в таблице:
| Марка нихромового сплава, из которого изготовлена проволока | Диаметр проволоки, мм | Величина удельного сопротивления, Ом×мм²/м |
|---|---|---|
| Х23Ю5Т | независимо от диаметра | 1.39 |
| Х20Н80-Н | 0,1÷0,5 включительно | 1.08 |
| 0,51÷3,0 включительно | 1.11 | |
| более 3 | 1.13 | |
| Х15Н60 или Х15Н60-Н | 0,1÷3,0 включительно | 1.11 |
| более 3 | 1.12 |
Еще проще покажется расчет, если использовать наш калькулятор:
Калькулятор расчета длины проволоки для спирали
Довольно часто нихромовую ил фехралевую проволоку реализуют не на метры, а на вес. Значит, потребуется перевести длину в ее эквивалент по массе. Выполнить такой перевод поможет предлагаемая таблица:
| Диаметр проволоки, мм | Вес погонного метра, г | Длина 1 кг, м | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Х20Н80 | Х15Н60 | ХН70Ю | Х20Н80 | Х15Н60 | ХН70Ю | |
| 0.6 | 2.374 | 2.317 | 2.233 | 421.26 | 431.53 | 447.92 |
| 0.7 | 3.231 | 3.154 | 3.039 | 309.5 | 317.04 | 329.08 |
| 0.8 | 4.22 | 4.12 | 3.969 | 236.96 | 242.74 | 251.96 |
| 0.9 | 5.341 | 5.214 | 5.023 | 187.23 | 191.79 | 199.08 |
| 1 | 6.594 | 6.437 | 6.202 | 151.65 | 155.35 | 161.25 |
| 1.2 | 9.495 | 9.269 | 8.93 | 105.31 | 107.88 | 111.98 |
| 1.3 | 11.144 | 10.879 | 10.481 | 89.74 | 91.92 | 95.41 |
| 1.4 | 12.924 | 12.617 | 12.155 | 77.37 | 79.26 | 82.27 |
| 1.5 | 14.837 | 14.483 | 13.953 | 67.4 | 69.05 | 71.67 |
| 1.6 | 16.881 | 16.479 | 15.876 | 59.24 | 60.68 | 62.99 |
| 1.8 | 21.365 | 20.856 | 20.093 | 46.81 | 47.95 | 49.77 |
| 2 | 26.376 | 25.748 | 24.806 | 37.91 | 38.84 | 40.31 |
| 2.2 | 31.915 | 31.155 | 30.015 | 31.33 | 32.1 | 33.32 |
| 2.5 | 41.213 | 40.231 | 38.759 | 24.26 | 24.86 | 25.8 |
| 2.8 | 51.697 | 50.466 | 48.62 | 19.34 | 19.82 | 20.57 |
| 3 | 59.346 | 57.933 | 55.814 | 16.85 | 17.26 | 17.92 |
| 3.2 | 67.523 | 65.915 | 63.503 | 14.81 | 15.17 | 15.75 |
| 3.5 | 80.777 | 78.853 | 75.968 | 12.38 | 12.68 | 13.16 |
| 3.6 | 85.458 | 83.424 | 80.371 | 11.7 | 11.99 | 12.44 |
| 4 | 105.504 | 102.992 | 99.224 | 9.48 | 9.71 | 10.08 |
| 4.5 | 133.529 | 130.349 | 125.58 | 7.49 | 7.67 | 7.96 |
| 5 | 164.85 | 160.925 | 155.038 | 6.07 | 6.21 | 6.45 |
| 5.5 | 199.469 | 194.719 | 187.595 | 5.01 | 5.14 | 5.33 |
| 5.6 | 206.788 | 201.684 | 194.479 | 4.84 | 4.95 | 5.14 |
| 6 | 237.384 | 231.732 | 223.254 | 4.21 | 4.32 | 4.48 |
| 6.3 | 261.716 | 255.485 | 246.138 | 3.82 | 3.91 | 4.06 |
| 6.5 | 278.597 | 271.963 | 262.013 | 3.59 | 3.68 | 3.82 |
| 7 | 323.106 | 315.413 | 303.874 | 3.09 | 3.17 | 3.29 |
| 8 | 422.016 | 411.968 | 396.896 | 2.37 | 2.43 | 2.52 |
| 9 | 534.114 | 521.397 | 502.322 | 1.87 | 1.92 | 1.99 |
| 10 | 659.4 | 643.7 | 620.15 | 1.52 | 1.55 | 1.61 |
Шаг 4 – Проверка соответствия удельной поверхностной мощности рассчитанного нагревателя допустимому значению
Нагреватель или не справится со своей задачей, или будет работать на грани возможностей и оттого быстро перегорит, если его поверхностная удельная мощность будет выше допустимого значения.
Поверхностная удельная мощность – это количество тепловой энергии, которое необходимо получить с единицы площади поверхности нагревателя.
Прежде всего – определяем допустимое значение этого параметра. Оно выражается следующей зависимостью:
βдоп = βэф × α
βдоп – допустимая удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/см²
βэф – эффективная удельная поверхностная мощность, зависящая от температурного режима работы муфельной печи.
α – коэффициент эффективности теплового излучения нагревателя.
βэф берем из таблицы. Данными для входа в нее являются:
Левый столбец – ожидаемая температура воспринимающей среды. Проще говоря – до какого уровня требуется разогреть помещенные в печь материалы или заготовки. Каждому уровню соответствует своя строка.
Все остальные столбцы – температура разогрева нагревательного элемента.
Пересечение строки и столбца даст искомое значение βэф.
| Требуемая температура тепловоспринимающего материала, °С | Поверхностная мощность βэф (Вт/cм ²) при температуре разогрева нагревательного элемента, °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 | 21.8 | 24.9 | 28.4 | 36.3 |
| 200 | 5.9 | 7.15 | 8.55 | 10.15 | 12 | 14 | 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 | 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 | 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 | 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 | 4.8 | 6.85 | 9.1 | 11.7 | 14.5 | 17.6 | 21 | 29 |
| 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 |
| 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 | 19.8 |
| 1150 | — | — | — | — | — | — | — | — | 2.85 | 5.95 | 9.4 | 17.55 |
| 1200 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | 3.15 | 6.55 | 14.55 |
| 1300 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | 7.95 |
Теперь – поправочный коэффициент α. Его значение для спиральных нагревателей показано в следующей таблице.
| Иллюстрация | Вариант расположения спирального нагревательного элемента | Значение коэффициента α |
|---|---|---|
| Нагревательная спираль спрятана в ниши футеровки муфельной печи. | 0,16 ÷ 0,24 | |
| Нагревательная спираль заключена в кварцевые трубки и расположена на полочках по стенкам камеры | 0,30 ÷ 0,36 |
Простое перемножение этих двух параметров как раз и даст допустимую удельную поверхностную мощность нагревателя.
Примечание: Практика показывает, что для муфельных печей с высокотемпературным нагревом (от 700 градусов), оптимальным значением βдоп будет 1,6 Вт/см² для нихромовых проводников, и примерно 2,0÷2,2 Вт/см² для фехралевых. Если печь работает в режиме нагрева до 400 градусов, то таких жестких рамок нет – можно ориентироваться на показатели от 4 до 6 Вт/см².
Итак, с допустимым значением поверхностной удельной мощности определись. Значит, необходимо найти удельную мощность рассчитанного ранее нагревателя и сравнить с допустимой.
Быстро рассчитать этот параметр поможет калькулятор:
Калькулятор расчета удельной поверхностной мощности нагревателя
Перейти к расчётам
Если полученное значение не превышает допустимого – расчет может считаться законченным.
В том случае, когда найденное значение превосходит допустимый уровень поверхностной удельной мощности, придется проведенные расчеты несколько откорректировать. Сделать это можно, вернувшись к шагам №2—3, и повторив вычисления с увеличением диаметра проволоки на одну или несколько стандартных позиций – одновременно с этим возрастет и ее длина. Затем – снова сверить показатели. И так – пока не будет найден оптимальный вариант и с точки зрения максимальной экономичности, и с позиций обеспечения соответствия указанному параметру.
С набором наших калькуляторов провести повторный расчет – это дело буквально нескольких минут. И вот на этом расчет может считаться законченным. Можно приобретать проволоку выбранного сплава, с рассчитанными диаметром и длиной.
Как собрать муфельную печь своими руками
В этой публикации акцент был сделан именно на расчетах нагревательного элемента. А более подробно именно о процессе самостоятельного изготовления муфельной печи – читайте в специальной статье нашего портала.
Как собрать муфельную печь своими рукамиstroyday.ru
Расчет спирали из нихрома. Намотка нихромовых спиралей. Сопротивление нихрома
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.
Содержание никеля и хрома в нем уменьшено – до 61 % и до 18 % соответственно. Но увеличено количество железа – 17—29 % против 1,5 у Х20Н80.
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.
Здесь:
- 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.
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 нихромовой спирали: ТЕРМОЭЛЕМЕНТ
Навивка нихромовой спирали для дальнейшего нагрева проводится в основном методом проб и ошибок. После навивки на элемент нагрева подается напряжение и уже по тому, как нагревается проволока, определяется нужное число витков.Такой процесс может занимать много времени. При этом стоит помнить, что нихром способен терять при большом количестве перегибов свои характеристики. Проволока будет быстро прогорать на участках деформирования. В конечном счете, может получиться, что хороший материал превратиться в лом.
Для правильного расчета нихромовой спирали обычно пользуются специальными таблицами, где удельное сопротивление нихромовой проволоки = (Ом • мм2 / м). Но, в этих таблицах выведены данные для напряжения 220В. Для работы нагревательного элемента в промышленной среде придется проводить расчет самостоятельно, подставляя имеющиеся данные.
По табличным данным можно с точностью определить длину намотки и расстояние между витками. Зависимо от диаметра проволоки и диаметра стержня намотки нихрома провести пересчет длины спирали для эксплуатации при другом напряжении будет несложно. Здесь нужно воспользоваться простой математической пропорцией.
К примеру, если нужно вычислить длину спирали для напряжения 380 В используя проволоку диаметром Ø 0,6 мм, и стержень для намотки Ø 6 мм. В таблице можно увидеть, что длина спирали при напряжении 220 В должна составлять 30 см. Далее ведем расчёт по следующему соотношению:
220 В – 30 см
380 В – Х см
Исходя из этих данных:
Х= 380•30/220=52 см
После того как спираль уже намотана ее следует подключить к энергоносителю и убедиться в правильности намотке. При этом намотанная проволока не обрезается. У спирали в закрытом нагревателе длина намотки должна на 1/3 быть больше значений, приведенных в таблице.
Расчет нагревательного элемента из нихромовой проволоки
Длина проволоки определяется исходя из показателей нужной мощности.Как пример проведем на основе имеющихся показателей следующие исчисления: нагревательный элемент плитки имеет мощность Р=500Вт, подключается к сети U=220В.
Решение:
1) I = P/U = 500/220 = 2,2 A
2) R = U/I = 220/2,2= 100 Ом
3) Используя получившиеся данные (см. таблицу 2) выбираем d=0,3; S=0,0707
тогда длина нихрома
l = SR / ρ = 0,0707·100 /1,1 = 6,4 м
l — длина проволоки (м)
S — сечение проволоки (мм2)
R — сопротивление проволоки (Ом)
ρ – значение удельного сопротивления (для нихрома ρ=1.0÷1.2 Ом·мм2/м)
telemento.ru
Применение и расчёт электрической спирали из нихрома / Статьи и обзоры / Элек.ру
19 июля 2018 г. в 09:18, 2554
Нихромовая спираль — это нагревательный элемент в виде проволоки, свернутой винтом для компактного размещения. 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. Содержание никеля и хрома в нем уменьшено – до 61 % и до 18 % соответственно. Но увеличено количество железа – 17-29 % против 1,5 у Х20Н80.
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 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 0С. 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. Здесь:
- 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.
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.
Компания «ПАРТАЛ»
www.elec.ru