При навивке спирали из нихрома для нагревательных элементов, операцию зачастую выполняют методом проб и ошибок, а затем подают напряжение на спираль и по нагреву нихромовой проволоки, нити подбирают требуемое количество витков.
Обычно такая процедура занимает много времени, а нихром теряет свои характеристики при множественных перегибах, что приводит к быстрому прогоранию в местах деформации. В худшем случае из делового нихрома получается нихромовый лом.
С ее помощью можно точно определить длину намотки виток к витку. В зависимости от Ø нихромовой проволоки и Ø стержня, на который наматывается нихромовая спираль. Пересчитать длину спирали из нихрома на другое напряжение нетрудно, использовав простую математическую пропорцию.
Длина нихромовой спирали в зависимости от диаметра нихрома и диаметра стержня
|
Ø нихрома 0,2 мм |
Ø нихрома 0,3 мм | нихрома 0,4 мм | Ø нихрома 0,5 мм | Ø нихрома 0,6 мм | Ø нихрома 0,7 мм | ||||||
| Ø стержня, мм | длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
| 1,5 | 49 | 1,5 | 59 | 1,5 | 77 | 2 | 64 | 2 | 76 | 2 | 84 |
| 2 | 30 | 2 | 43 | 2 | 68 | 3 | 46 | 3 | 53 | 3 | 64 |
| 3 | 21 | 3 | 30 | 3 | 40 | 4 | 36 | 4 | 40 | 4 | 49 |
| 4 | 16 | 4 | 22 | 4 | 28 | 5 | 30 | 5 | 33 | 5 | 40 |
| 5 | 13 | 5 | 18 | 5 | 24 | 6 | 26 | 6 | 30 | 6 | 34 |
| 6 | 20 | 8 | 22 | 8 | 26 | ||||||
Например, требуется определить длину нихромовой спирали на напряжение 380 В из проволоки Ø 0,3 мм, стержень для намотки Ø 4 мм. Из таблицы видно, что длина такой спирали на напряжение 220 В будет равна 22 см. Составим простое соотношение:
220 В - 22 см
380 В - Х см
тогда:
X = 380 · 22 / 220 = 38 см
Намотав нихромовую спираль, подключите ее, не обрезая, к источнику напряжения и убедитесь в правильности намотки. У закрытых спиралей длину намотки увеличивают на 1/3 значения, приведенного в таблице.
Расчет электронагревательных элементов из нихромовой проволоки
Длину нихромовой проволоки для изготовления спирали определяют исходя из необходимой мощности.
Пример: Определить длину проволоки из нихрома для нагревательного элемента плитки мощностью P = 600 Вт при U сети=220 В.
Решение:
1) I = P/U = 600/220 = 2,72 A
2) R = U/I = 220/2,72 = 81 Ом
3) По этим данным (см. таблицу 1) выбираем d =0,45; S =0,159
тогда длина нихрома
l = SR / ρ = 0,159·81 /1,1 = 11,6 м
где l - длина проволоки (м)
S - сечение проволоки (мм 2)
R - сопротивление проволоки (Ом)
ρ - удельное сопротивление (для нихрома ρ=1.0÷1.2 Ом·мм 2 /м)
| Допустимая сила тока (l), А | |||||||
| Ø нихрома при 700 °C , мм |
0,17 |
0,45 |
0,55 |
0,65 Купить нихромовую спираль в компании ПАРТАЛ удобно и выгодно - онлайн заказ Доставка заказов по России, в Казахстан и Беларусь |
На данной странице мы рассмотрим справочную информацию о материалах, которые применяют для изготовления электрических нагревателей, а также наведем примеры расчета нихромовых нагревателей электрических печей.
Материалы для нагревателей
Нагреватели это наиболее важный элемент печи, и они должны соответствовать многим требованиям.
- Жаростойкость и жаропрочность. Проволочные нагреватели должны обладать хорошей жаростойкостью (сопротивление металла или сплава при высокой температуре к газовой коррозии), а также жаропрочностью.
- Низкий температурный коэффициент сопротивления. Этот фактор важен при выборе материала. Низкий коэффициент говорит, что даже при нагревании материала, его электрическое сопротивление очень слабо меняется. Например, если этот температурный коэффициент велик, то, чтобы включить печь в холодном состоянии, нужно использовать трансформаторы пониженного напряжения в начальный момент.
- Высокое удельное электрическое сопротивление. Этой характеристикой, должен обладать нагреватель в электропечи. Чем выше значение сопротивления, тем больше материал может нагреться, и тем меньшей длины его нужно. Чем больше диаметр нагревательной проволоки, тем больше ее срок службы. Материалы с очень высоким электрическим сопротивлением это хромоникелевые прецизионные сплавы и , и .
- Хорошие технологические свойства. Материалы должны иметь хорошую пластичность, свариваемость, так как из них изготавливаются: проволоки, ленты, сложной формы нагревательные элементы.
- Постоянные физические свойства. Ни не должны меняться при больших нагревах, большие промежутки времени.
Лучше всего для производства электрических нагревателей для электропечей подходят нихром и фехраль, которые имеют высокое электрическое сопротивление. Более подробно о марках и их свойствах можно посмотреть ГОСТ 10994-74.
Марки нихрома подходящие для изготовления нагревателей:
Марки фехрали подходящие для изготовления нагревателей: .
Также железо — хромоникелевые сплавы: Х27Н70ЮЗ, Х15Н60Ю3.
Все эти сплавы обладают теми характеристиками, о которых писалось выше. Например, высокая жаростойкость обеспечивается благодаря образовывавшейся пленке на поверхности из окиси хрома.
Сравним нихром и фехраль
Достоинства нихрома:
- Прекрасные механические свойства при любых температурах;
- крипоустойчивость;
- Пластичный и хорошо обрабатывается;
- Имеет прекрасную свариваемость;
- не стареет;
- немагнитен.
Достоинства фехрали:
- имеет более низкую цену чем нихром, так как нет в его составе дорогого никеля;
- фехраль Х23Ю5Т имеет лучшую жаростойкость чем нихром. Фехралевая проволока толщиной 6 мм может работать при 1400 °С.
Недостатки нихрома:
- Более дорогой чем фехраль, так как основной компонент никель имеет высокую стоимость;
- Рабочая температура ниже чем у фехрали.
Недостатки фехрали:
- сплав более хрупкий, особенно при температурах около 1000 °С и больше;
- Низкое сопротивление ползучести;
- сплав является магнитный, так как имеет в составе железо. Фехраль также ржавеет во влажной среде.
- Взаимодействует с окислами железа и шамотной футеровкой;
- Во время работы фехралевые нагреватели удлиняются.
Также есть сплавы Х27Н70ЮЗ и Х15Н60Ю3 которые содержат 3% алюминия. Этот элемент позволяет улучшить жаростойкость сплавов. Данные сплавы не воздействуют с окисями железа, и с шамотом. Они нехрупкие, прочны и хорошо обрабатываются. Максимальная рабочая температура составляет 1200 °С.
Также нагреватели изготавливают и с тугоплавких металлов, или неметаллов (уголь, дисилицид молибдена, графит, карборунд). Дисилицид молибдена и карборунд применяют для нагревателей в высокотемпературных печах. Графитовые и угольные нагреватели используют в печах с защитной атмосферой.
Тугоплавкие металлы, которые часто используют это тантал, молибден, ниобий, вольфрам. В печах з защитной атмосферой, а также высокотемпературных вакуумных печах применяют вольфрам и молибден. Нагреватели из молибдена используют в вакууме до 1700 °С и в защитной атмосфере при температуре до 2200 °С. Данная особенность в том, что молибден начинает испарятся при температуре 1700 °С (вакуум). Нагреватели из вольфрама способны работать при тем. до 3000 °С. Весьма редко для производства нагревателей используют ниобий и тантал.
Расчет нагревателей для электрических печей
При расчете нагревателей для электрических печей учитываются такие исходные данные:
- объем рабочего пространства печи;
- мощность нагревателей;
- максимальная температура (требуется для осуществления технологического процесса: закалка, отпуск, спекание).
Важно: При отсутствие данных о мощности печи, то ее рассчитывают по эмпирическому правилу. Нужно знать: длину и диаметр проволоки, или длину и площадь сечения ленты, нагревателя.
Мы рассмотрим один из самых популярных сплавов для производства нагревателей это нихром Х20Н80.
Простой расчет длины и диаметра проволоки нагревателя для определенной мощности печи. С одной небольшой особенностью.
Пример. Нихромовая проволока Х20Н80.
Исходные данные:
- Мощность устройства P = 1.5 кВт = 1500 Вт.
- Максимальная температура до которой будет нагреваться нагреватель 900 °C.
- Напряжение U = 220 В.
- Сила тока определяется так:
- Сопротивления нагревателя определяется так:
- Сила тока играет ключевой момент при выборе диаметра проволоки нихромового нагревателя. По таблице, которая находится ниже, мы выбираем необходимый диаметр. В нашем примере, Сила тока = 6,8181 А, а температура нагревателя = 900 °C, то диаметр проволоки будет равен — d = 0,55 мм, и соответственно поперечное сечение — S = 0,238 мм2.
Такие значения мы получили, потому, что проволока выбирается такая, которая имеет допустимую силу тока. Которая в свою очередь меньше, чем расчетная сила тока. То есть мы выбираем проволоку из нихрома с ближайшим больший значением допустимой силы тока.
Примечание:
При условии, что нихромовый нагреватель будет находится внутри нагревательной жидкости, то допустимую силу тока увеличивают в на 10-50%.
Если нагреватель находится в закрытом расположении, то допустимая сила тока уменьшается в на 20% для толстой проволоки, и на 50% для тонкой проволоки.
- Определение длины проволоки.
R — электрическое сопротивление, Ом,
p — удельное электрическое сопротивление материала, Ом мм2 / м,
l – длина нагревателя, м,
S — площадь поперечного сечения, мм2.
Исходя из формулы выше, мы получаем, что длина нагревателя рассчитывается так:
В примере использовался диаметр проволоки d = 0,55 мм.
Номинальное значение удельного электрического сопротивления проволоки Х20Н80 взято из таблички 2, в соответствии с ГОСТом 12766.1-90 и имеет значение ρ = 1,1 Ом мм2/м.
Итог расчетов показал, что при условиях:
мощность устройства P = 1.5 кВт = 1500 Вт;
температура нагревателя 900 °C;
необходима нихромовая проволока долиной: 6,91 м., и диаметром — 0,55 мм.
Таблица 2
Подробный расчет длины, а также диаметра нихромовой проволоки для нагревателей определенной печи.
Здесь представлен сложный расчет, который учитывает: дополнительные параметры нагревателей, различные варианты их подключения к трехфазной сети.
Расчет проводится по внутреннему объему печи.
- Объем камеры рассчитывается по всем известной формуле:
Для примера возьмем:
- высота h = 490 мм,
- ширина камеры d = 350 мм,
- глубина камеры l = 350 мм.
Объем получится:
- Мощность печи рассчитывается по эмпирическому правилу: электропечи объемом от 10 до 50 литров имеют удельную мощность около 100 Вт/л, печи объемом в пределах 100 — 500 литров — соответственно мощность от 50 до 70 Вт/л..
В нашем примере, удельная мощность печи будет — 100 Вт/л.
Исходя из этого мощность нихромового нагревателя должна быть:
Важно!
Нагреватели мощностью 5-10 кВт изготавливают однофазными. При мощности выше 10 кВт, нагреватели изготавливают трехфазными.
- Сила тока, который проходит через нагреватель рассчитывается по:
P — мощность нагревателя из нихрома,
U — напряжение.
Сопротивление нагревателя считают по формуле:
Если нагреватель подключают к одной фазе то U = 220 В, если к трехфазной то U = 220 В будет между нулем и любой другой фазой, или U = 380 В будет между двумя фазами.
Однофазный ток (бытовая сеть)
– сила тока на проволоке нагревателя.
— сопротивление нагревателя печи.
При трехфазном подключении нагрузка идет на три фазы равномерно, то есть 6 разделить на 3 и получится 2 кВт на каждую фазу. Из этого следует, что нам нужно 3 нагревателя по 2 кВт каждый.
Есть два способа подключения сразу трех нагревателей. “ТРЕУГОЛЬНИК” и “ЗВЕЗДА”.
Подключении “ЗВЕЗДА” подразумевает подключение каждого нагревателя между нулем и своей фазой (рис. 2). В таком случае напряжение U = 220 В.
Сила тока:
Сопротивление:
Рис. 1 Подключение «ЗВЕЗДА» в трехфазной сети
Подключении “ТРЕУГОЛЬНИК” подразумевает расположение нагревателя между двумя фазами (рис. 3). Из этого следует, что напряжение U = 380 В.
Сила тока:
Сопротивление:
Рис. 2 Подключение «ТРЕУГОЛЬНИК» в трехфазной сети
- Определив сопротивление нихромного нагревателя, нужно рассчитать его диаметр и длину.
Также необходимо проанализировать удельную поверхностную мощность проволоки (мощность, которая выделяется с 1 см2 площади поверхности). Данная мощность зависит от конструкции самого нагревателя, и температуры нагреваемого материала.
При однофазном подключении, для 60 л. печи сопротивление: R = 8,06 Ом.
Берем проволоку Х20Н80 диаметром d=1 мм.
Чтобы получить наше сопротивление, нужно рассчитать длину:
ρ — номинальное значение электрического сопротивления проволоки длиной 1 метр согласно ГОСТ 12766.1-90, (Ом/м).
Нужный отрезок нихромовой проволоки будет иметь массу:
μ — масса 1 метра нихромовой проволоки.
Площадь поверхности проволоки длиной l=5,7 метра, рассчитывается по формуле:
l – длина в сантиметрах.
d – диаметр в сантиметрах.
По расчетам мы получили, что площадь поверхности проволоки — 179 см2 выделяет 6 кВт. Таким образом, 1 см2 площади проволоки выделяет мощность:
β — поверхностная мощность нагревательной проволоки.
В данном примере мы получили слишком большую поверхностную мощность проволоки, из-за чего нагреватель просто расплавится при нагреве его до такой температуры, которая нужна для получения поверхностной мощности. Такая температура будет определенно выше температуры плавления нихрома. Это пример расчета показывает неправильный выбор диаметра нагревательной проволоки для изготовления нагревателя.
Каждый материал имеет свое допустимое значение поверхностной мощности в зависимости от температуры. Значение берутся из таблиц.
Высокотемпературные печи (700 – 800 °С) имеют допустимую поверхностную мощность, (Вт/м2), которая рассчитывается по формуле:
βэф – поверхностная мощность в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды, (Вт / м2).
α – коэффициент эффективности излучения.
Табл. 4 
Низкотемпературная печь (200 – 300 °С), имеет допустимую поверхностную мощность (4 — 6)×104 Вт/м2.
Предложим, что температура нашего нагревателя 1000 °С, и нам нужно нагреть условную заготовку до 700 °С. Тогда из табл. 3 берется
βэф = 8,05 Вт/см2,
и рассчитываем:
- Далее нужно рассчитать диаметр проволочного нагревателя или толщину и ширину ленточного нагревателя, и конечно длину нагревателя.
Диаметр определяется по формуле:
d — диаметр, м;
U — напряжение на концах нагревателя, В;
P — мощность, Вт;
βдоп — допустимая поверхностная мощность, Вт/м2.
ρt — удельное сопротивление материала при определенной температуре, Ом м;
ρ20 — удельное электрическое сопротивление материала при температуре 20 °С, Ом м.
k — Поправочный коэффициент, который применяет для расчета изменения электрического сопротивления в зависимости от температуры.
Длина нихромовой проволоки определяется так:
l — длина, м.
Удельное электрическое сопротивление Х20Н80 –
Однофазный ток (бытовая сеть)
Смотря на предыдущие расчеты стало ясно, что для печи 60 литров, подключенной к однофазной сети:
U = 220 В, P = 6000 Вт, допустимая поверхностная мощность βдоп = 1,6 × 104Вт/м2. Подставив эти цифры в формулу мы получим толщину проволоки.
Данная толщина округляется до наиболее близкого стандартного размера, которые находится в табличке 8 по ГОСТу 12766.1-90.
Приложение 2, Табл. 8.
В нашем примере, диаметр проволоки из формулы округляется до d= 2,8 мм.
Нагреватель будет иметь такую длину
Для нашего примера требуется проволока длиной l = 43 м.
Иногда нужно также узнать массу всей проволоки которой необходимо.
Для этого есть формула:
m — масса нужного нам отрезка проволоки, кг;
l — длина, м.
μ — удельная масса (1 м. проволоки), кг/м;
Расчет показал, что наша нихромовая проволока будет иметь массу m = 43×0,052 = 2,3 кг.
Наш пример расчета позволяет определить минимальный диаметр проволоки необходимой для нагревателя при определенных условиях. Этот метод является наиболее экономным и оптимальным. Конечно можно использовать и проволоку большим диаметром, но ее количество конечно возрастет тогда.
Проверка
Расчет нихромовой проволоки можно проверить.
Мы получили диаметр проволоки d = 2,8 мм. Длина считается так:
l — длина, м;
ρ — номинальное значение электрического сопротивления проволоки длиной 1 м, Ом/м.
R — сопротивление, Ом;
k — поправочный коэффициент электрического сопротивления в зависимости от температуры;
Расчет показал, что полученная длина проволоки совпадает со длиной полученной в другом расчете.
Чтобы проверить поверхностную мощность, и сравнить с допустимой мощностью. В соответствии с пунктом 4.
и не превышает допустимую βдоп= 1,6 Вт/см2.
Итог
В нашем примере нужно 43 метра нихромовой проволоки марки Х20Н80 с диаметром d = 2,8 мм. Вес проволоки — 2,3 кг.
Трехфазный ток (промышленная сеть)
Находим длину и диаметр проволоки, которую необходимо для производства нагревателей.
Подключение к трехфазному току по типу «ЗВЕЗДА».
У нас есть 3 нагревателя, на каждый из которых нужно мощности по 2 кВт.
Находим длину, диаметр и массу только одного нагревателя.
Ближайший стандартный больший размер d = 1,4 мм.
Длина, l = 30 метров.
Масса нагревателя
Проверяем
При диаметре нихромовой проволоки d = 1,4 мм, рассчитаем длину
Длина практически совпадает с расчетом выше.
Поверхностная мощность проволоки составляет
Итог подсчета
У нас три одинаковых нагревателя подключенных по типу “ЗВЕЗДА”, и для них нужно:
l = 30×3 = 90 метров проволоки массой m = 0,39×3 = 1,2 кг.
Подключение к трехфазному току по типу «ТРЕУГОЛЬНИК». (рис. 3)
Сопоставив наше полученное значение, ближайший большой стандартный размер, d = 0,95 мм.
Один нагреватель будет иметь длину, l = 43 метров.
Масса нагревателя
Проверка расчета
При диаметре проволоки d = 0,95 мм., мы рассчитывает длину проволоки:
Значения по длине проволоки практически совпадают при обеих расчетах.
Поверхностная мощность будет:
и не превышает допустимую.
Подведем итог
Подключения трех нагревателей по схеме “ТРЕУГОЛЬНИК”, нужно:
l = 43×3 = 129 метров проволоки, массой
m = 0,258×3 = 0,8 кг.
Подводя итоги для обеих типов подключения «ЗВЕЗДА» и «ТРЕУГОЛЬНИК» к трем фазам, мы получаем интересные данные.
Для «ЗВЕЗДЫ» нужно проволоку с диаметром d=1.4 мм, а для «ТРЕУГОЛЬНИКА» диаметр d=0.95 мм,
Длина проволоки для схемы «ЗВЕЗДА» будет 90 метров с массой 1.2 кг, а для схемы «ТРЕУГОЛЬНИК» 129 метров с массой 0.8 кг, то есть 800 гр.
Для эксплуатации нихромовой проволоки ее наматывают в спираль. Диаметр спирали принимается равным:
для хромоникелевых сплавов.
— для хромоалюминиевых.
D — диаметр спирали, мм.
d — диаметр проволоки, мм.
Для устранения перегревов, спираль растягивают до такой степени, что бы добиться расстояния между витками в 1,5-2 раза больше, чем диаметр самой нихромовой проволоки.
Мы рассмотрели информацию о электрических нагревателях, примеры о расчета проволочных нагревателей для электрических печей.
Также стоит помнить, что кроме проволоки, в качестве нагревателей можно использовать и ленту. Кроме выбора размера проволоки, стоит учитывать материал нагревателя, тип, расположение.
Расчет проволочного нагревателя электрической печи.
Эта статья открывает самые большие секреты конструкции электрических печей - секреты расчетов нагревателей.
Как связаны объем, мощность и темп нагрева печи.
Как уже говорилось в другом месте, обычных печей не бывает. Точно также не бывает печей для обжига фаянса или игрушек, красной глины или бусин. Бывает просто печь (а здесь мы говорим исключительно об электрических печах) с некоторым объемом полезного пространства, выполненная из некоторых огнеупоров. В эту печь можно поставить на обжиг одну большую или маленькую вазу, а можно - целую этажерку плит, на которых будут лежать толстые шамотные изразцы. Обжигать вазу или изразцы нужно, может быть, на 1000 o C, а может быть и на 1300 o C. По многим производственным или бытовым соображениям, обжиг должен пройти за 5-6 часов или за 10-12.
Никто не знает, что Вам нужно от печи, лучше, чем Вы сами. Поэтому прежде, чем приступить к расчету, нужно прояснить для себя все эти вопросы. Если печь уже есть, но в нее надо установить нагреватели или поменять старые на новые, отпадает необходимость в конструировании. Если печь строится с нуля, начинать надо с выяснения габаритов камеры, то есть с длины, глубины, ширины.
Предположим, Вы уже знаете эти значения. Предположим, что Вам нужна камера с высотой 490 мм, шириной и глубиной 350 мм. Далее в тексте печь с такой камерой мы будем называть 60-литровой. Одновременно мы будем проектировать вторую печь, покрупнее, с высотой H=800 мм, шириной D=500 мм и глубиной L=500 мм. Эту печь мы будем называть 200-литровкой.
Объем печи в литрах = H x D x L,
где H, D, L выражены в
дециметрах.
Если Вы правильно перевели милиметры в дециметры, объем первой печи должен получиться 60 литров, объем второй - действительно 200! Не подумайте, что автор ехидничает: самые распространенные ошибки в расчетах - ошибки в размерностях!
Приступаем к следующему вопросу - из чего сделаны стенки печи. Современные печи практически все выполнены из легких огнеупоров с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью. Очень старые печи сделаны из тяжелого шамота. Такие печи легко узнать по массивной футеровке, толщина которой чуть ли не равна ширине камеры. Если у Вас этот случай, Вам не повезло: во время обжига 99% энергии будет тратиться на нагрев стенок, а не изделий. Предполагаем, что стенки выполнены из современных материалов (МКРЛ-08, ШВП-350). Тогда на нагрев стенок будет тратиться всего 50-80% энергии.
Очень неопределенным остается масса загрузки. Хоть она, как правило, меньше, чем масса огнеупоров стенок (плюс пода и свода) печи, эта масса, конечно же, внесет свой вклад в темп нагрева.
Теперь о мощности. Мощность - это сколько тепла выделяет нагреватель в 1 секунду. Единица измерения мощности - ватт (сокращенно Вт). Яркая лампочка накаливания - это 100 Вт, электрический чайник - 1000 Вт, или 1 киловатт (сокращенно 1 кВт). Если включить нагреватель мощностью 1 кВт, он будет каждую секунду выделять тепло, которое по закону сохранения энергии будет уходить на нагрев стенок, изделий, улетать с воздухом через щели. Теоретически, если никаких потерь через щели и стенки нет, 1 кВт в состоянии за бесконечное время нагреть все что угодно до бесконечной температуры. Практически для печей известны реальные (примерные средние) теплопотери, поэтому есть следующее правило-рекомендация:
Для нормального темпа нагрева печи 10-50 литров нужна
мощность
100 Вт на каждый литр объема.
Для нормального темпа нагрева печи 100-500 литров нужна
мощность
50-70 Вт на каждый литр объема.
Значение удельной мощности нужно определять не только с учетом объема печи, но и с учетом массивности футеровки и загрузки. Чем больше масса загрузки, тем большее значение нужно выбирать. В противном случае печь нагреется, но за большее время. Выберем для нашей 60-литровки удельную мощность 100 Вт/л, а для 200-литровки - 60 Вт/л. Соответственно получим, что мощность нагревателей 60-литровки должна составлять 60 х 100 = 6000 Вт = 6 кВт, а 200-литровки - 200 х 60 = 12000 Вт = 12 кВт. Смотрите, как интересно: объем увеличился в 3 с лишним раза, а мощность - только в 2. Почему? (Вопрос для самостоятельной работы).
Бывает, что нет в квартире розетки на 6 кВт, а есть только на 4. Но нужна именно 60-литровка! Что же, можно посчитать нагреватель на 4 киловатта, но смириться с тем, что стадия нагрева при обжиге будет продолжаться часов 10-12. Бывает, что, наоборот, необходим нагрев за 5-6 часов очень массивной загрузки. Тогда в 60-литровую печь придется вложить 8 кВт и не обращать внимание на раскалившуюся докрасна проводку... Для дальнейших рассуждений ограничимся классическими мощностями - 6 и 12 кВт соответственно.
Мощность, амперы, вольты, фазы.
Зная мощность, мы знаем потребность в тепле для нагрева. По неумолимому закону сохранения энергии мы должны ту же мощность забрать из электрической сети. Напоминаем формулу:
Мощность нагревателя (Вт) = Напряжение на нагревателе (В) х
Ток (А)
или P = U x I
В этой формуле два подвоха. Первый: напряжение нужно брать на концах нагревателя, а не вообще в розетке. Напряжение измеряется в вольтах (сокращенно В). Второй: имеется в виду ток, который течет именно через этот нагреватель, а не вообще через автомат. Ток измеряется в амперах (сокращенно А).
Нам всегда задано напряжение в сети. Если подстанция работает норамально и сейчас не час пик, напряжение в обычной бытовой розетке будет 220 В. Напряжение в промышленной трехфазной сети между любой фазой и нулевым проводом тоже равно 220В, а напряжение между любыми двумя фазами - 380 В. Таким образом в случае бытовой, однофазной, сети у нас нет выбора в напряжении - только 220 В. В случае трехфазной сети выбор есть, но небольшой - или 220, или 380 В. А как же амперы? Они получатся автоматически из напряжения и сопротивления нагревателя по великому закону великого Ома:
Закон Ома для участка электрической цепи:
Ток (А) =
Напряжение на участке (В) / Сопротивление участка (Ом)
или I = U / R
Для того, чтобы получить 6 кВт из однофазной сети , нужен ток I = P / U = 6000/220 = 27,3 ампера. Это большой, но реальный ток хорошей бытовой сети. Например, такой ток течет в электроплите, у которой включены все конфорки на полную мощность и духовка тоже. Чтобы получить в однофазной сети 12 кВт для 200-литровки, потребуется вдвое больший ток - 12000/220 = 54,5 ампера! Это недопустимо ни для какой бытовой сети. Лучше воспользоваться тремя фазами, т.е. распределить мощность на три линии. В каждой фазе будет протекать 12000/3/220 = 18,2 ампера.
Обращаем внимание на последнее вычисление. На данный момент мы НЕ ЗНАЕМ, какие будут нагреватели в печи, мы НЕ ЗНАЕМ, какое напряжение (220 или 380 В) будет подано на нагреватели. Но мы точно ЗНАЕМ, что от трехфазной сети нужно отобрать 12 кВт, нагрузку распределить равномерно, т.е. по 4 кВт в каждой фазе нашей сети, т.е. по каждому фазному проводу входного (общего) автомата печи потечет 18,2А, и совсем не обязательно такой ток потечет по нагревателю. Кстати, 18,2 А будет проходить и через счетчик электроэнергии. (И еще кстати: по нулевому проводу тока не будет из-за особенностей трехфазного питания. Эти особенности здесь игнорируются, так как нас интересует исключительно тепловая работа тока). Если у Вас в этом месте изложения возникают вопросы, прочитайте все еще раз. И подумайте: если в объеме печи выделяется 12 киловатт, то по закону сохранения энергии те же 12 киловатт проходят по трем фазам, по каждой - 4 кВт...
Вернемся к однофазной 60-литровой печке. Легко найти, что сопротивление нагревателя печи должно составлять R = U / I = 220 В / 27,3 А = 8,06 Ома. Поэтому в самом общем виде электросхема печи будет выглядеть так:
По нагревателю с сопротивлением 8,06 Ома должен течь ток 27,3 А
Для трехфазной печи потребуется три одинаковых цепи нагрева: на рисунке - самая общая электросхема 200-литровки.
Мощность 200-литровой печи надо равномерно распределить на 3 цепи - A, B и C.
Но каждый нагреватель можно включить или между фазой и нулем, или между двумя фазами. В первом случае на концах каждой цепи нагрева будет 220 вольт, и ее сопротивление составит R = U / I = 220 В / 18,2 А = 12,08 Ома. Во втором случае на концах каждой цепи нагрева будет 380 вольт. Для получения мощности 4 кВт нужно, чтобы ток был I = P / U = 4000/380 = 10,5 ампера, т.е. сопротивление должно быть R = U / I = 380 В / 10,5 А = 36,19 Ома. Эти варианты подсоединений называются "звезда" и "треугольник". Как видно из значений необходимого сопротивления, поменять просто так схему питания со звезды (нагреватели по 12,08 Ома) на треугольник (нагреватели по 36,19 Ома) не получится - в каждом случае нужны свои нагреватели.
В схеме "звезда" каждая нагревательная цепь
включена между фазой и нулем
на напряжение 220 Вольт. По каждому нагревателю сопротивлением 12,08 Ома течет
ток 18,2 А. По проводу N ток не течет.
В схеме "треугольник" каждая нагревательная цепь
включена между двумя
фазами на напряжение 380 Вольт. По каждому нагревателю сопротивлением 36,19 Ома
течет ток 10,5 А. По проводу, соединяющему точку А1 с автоматом питания (точка
А) течет ток 18,2 А, так что 380 х 10,5 = 220 х 18,2 = 4 киловатта! Аналогично с
линиями B1 - В и С1 - С.
Домашнее задание. В 200-литровке была звезда. Сопротивление каждой цепи - 12,08 Ома. Какая получится мощность печи, если эти нагреватели включить на треугольник?
Предельные нагрузки проволочных нагревателей (Х23Ю5Т).
Полная победа! Мы знаем сопротивление нагревателя! Осталось просто отмотать кусок проволоки нужной длины. Не будем утомляться расчетами с удельным сопротивлением - все уже давно посчитано с достаточной для практических нужд точностью.
| Диаметр, мм | Метров в 1 кг | Сопротивление 1 метра, Ом |
| 1,5 | 72 | 0.815 |
| 2,0 | 40 | 0.459 |
| 2,5 | 25 | 0.294 |
| 3,0 | 18 | 0.204 |
| 3,5 | 13 | 0.150 |
| 4,0 | 10 | 0.115 |
Для 60-литровой печи нужно 8,06 Ома, выберем полторашку и получим, что искомое сопротивление дадут всего 10 метров проволоки, которые будут весить всего-то 140 грамм! Поразительный результат! Давайте еще раз проверим: 10 метров проволоки диаметром 1,5 мм имеют сопротивление 10 х 0,815 = 8,15 Ома. Ток при 220 вольт будет 220 / 8,15 = 27 ампер. Мощность получится 220 х 27 = 5940 Ватт = 5,9 кВт. Мы и хотели 6 кВт. Нигде не ошиблись, настораживает только то, что таких печей не бывает…
Одинокий раскаленный нагреватель в 60-литровой печи.
Нагреватель очень маленький, что ли. Такое создается ощущение при рассматривании вышеприведенной картинки. Но мы занимаемся расчетами, а не философией, поэтому от ощущений перейдем к цифрам. Цифры говорят следующее: 10 погонных метров проволоки диаметром 1,5 мм имеют площадь S = L x d x пи = 1000 x 0,15 x 3,14 = 471 кв. см. С этой площади (а откуда же еще?) в объем печи излучается 5,9 кВт, т.е. на 1 кв. см площади приходится излучаемая мощность 12,5 Ватт. Опуская детали, укажем, что нагревателю необходимо раскалиться до огромной температуры, прежде чем температура в печи существенно повысится.
Перекал нагревателя определяется значением так называемой поверхностной нагрузки p , которую мы выше и посчитали. На практике для каждого типа нагревателя существуют предельные значения p , зависящие от материала нагревателя, диаметра и температуры. С хорошим приближением для проволоки из отечественного сплава Х23Ю5Т любого диаметра (1,5-4 мм) можно пользоваться значением 1,4-1,6 Вт/см 2 для температуры 1200-1250 o C.
Физически перекал можно связать с разницей температуры на поверхности проволоки и внутри ее. Тепло выделяется во всем объеме, поэтому чем выше поверхностная нагрузка, тем сильнее будут отличаться эти температуры. При температуре на поверхности, близкой к предельной рабочей температуре, температура в сердцевине проволоки может приблизится к температуре плавления.
Если печь проектируется для невысоких температур, поверхностную нагрузку можно выбрать побольше, например, 2 - 2,5 Вт/см 2 для 1000 o C. Здесь можно сделать грустное замечание: настоящий кантал (это оргинальный сплав, аналогом которого является российский фехраль Х23Ю5Т) допускает p до 2,5 при 1250 o C. Делает такой кантал шведская фирма Кантал.
Вернемся к нашей 60-литровке и выберем из таблицы проволоку потолще - двойку. Понятно, что двойки придется брать 8,06 Ом / 0,459 Ом/м = 17,6 метра, а весить они будут уже 440 грамм. Считаем поверхностную нагрузку: p = 6000 Вт / (1760 х 0,2 х 3,14) см 2 = 5,43 Вт/см 2 . Много. Для проволоки диаметром 2,5 мм получится 27,5 метра и p = 2,78. Для тройки - 39 метров, 2,2 килограмма и p = 1,66. Наконец-то.
Теперь нам придется мотать 39 метров тройки (если лопнет - начинать мотать сначала). Но можно использовать ДВА нагревателя, включенные параллельно. Естественно, сопротивление каждого должно быть уже не 8,06 Ома, а вдвое больше. Следовательно, для двойки получится два нагревателя по 17,6 х 2 = 35,2 м, на каждый придется по 3 кВт мощности, а поверхностная нагрузка составит 3000 Вт / (3520 х 0,2 х 3,14) см 2 = 1,36 Вт/см 2 . И вес - 1,7 кг. Полкило сэкономили. Получили в сумме много витков, которые можно равномерно распределить по всем стенкам печи.
Хорошо распределенные нагреватели в 60-литровой печи.
| Диаметр, мм | Предельный ток для p =2 Вт/см 2 при 1000 o C | Предельный ток для p =1,6 Вт/см 2 при 1200 o C |
| 1,5 | 10,8 | 9,6 |
| 2,0 | 16,5 | 14,8 |
| 2,5 | 23,4 | 20,7 |
| 3,0 | 30,8 | 27,3 |
| 3,5 | 38,5 | 34,3 |
| 4,0 | 46,8 | 41,9 |
Пример расчета печи 200 литров.
Теперь, когда известны основные принципы, покажем, как они используются в расчете реальной 200 литровой печи. Все стадии расчета, естественно, можно формализовать и записать в простенькую программу, которая будет почти все делать сама.
Нарисуем нашу печь "в развертке". Мы как бы смотрим на нее сверху, в центре - под, по бокам стенки. Рассчитаем площади всех стенок, чтобы потом правильно, пропорционально площади, организовать подачу тепла.
"Развертка" 200-литровой печи.
Мы уже знаем, что при соединении звездой в каждой фазе должен протекать ток 18,2А. Из вышеприведенной таблицы по предельным токам следует, что для проволоки диаметром 2,5 мм можно использовать один нагревательный элемент (предельный ток 20,7А), а для проволоки 2,0 мм нужно использовать два параллельно включенных элемента (т.к. предельный ток всего 14,8А), всего в печи их будет 3 х 2 = 6.
По закону Ома рассчитываем необходимое сопротивление нагревателей. Для проволоки диаметром 2,5 мм R = 220 / 18,2 = 12,09 Ом, или 12,09 / 0,294 = 41,1 метра. Понадобится 3 таких нагревателя, примерно по 480 витков каждый, если наматывать на оправку 25 мм. Общий вес проволоки составит (41,1 х 3) / 25 = 4,9 кг.
Для проволоки 2,0 мм в каждой фазе два параллельных элемента, поэтому сопротивление каждого должно быть вдвое больше - 24,18 Ома. Длина каждого составит 24,18 / 0,459 = 52,7 метра. Каждый элемент будет иметь 610 витков при той же намотке. Общий вес всех 6 нагревательных элементов (52,7 х 6) / 40 = 7,9 кг.
Ничто не мешает нам разделить любую спираль на несколько кусков, которые затем соединить последовательно. Зачем? Во-первых, для удобства монтажа. Во-вторых, если выйдет из строя четверть нагревателя, поменять нужно будет только эту четверть. Точно так же никто не мешает засунуть в печь целиковую спираль. Тогда на дверь потребуется отдельная спираль, а у нас, в случае диаметра 2,5 мм, их всего три...
Поставили одну фазу из проволоки 2,5 мм. Нагреватель разделили на 8 независимых коротких спиралей, все они соединены последовательно.
Когда мы поставим аналогичным образом все три фазы (см. рисунок ниже), выясняется следующее. Мы забыли про под! А он занимает 13,5% площади. Кроме того, спирали находятся в опасной электрической близости друг к другу. Особенно опасно соседство спиралей на левой стенке, где между ними напряжение 220 Вольт (фаза - ноль - фаза - ноль…). Если из-за чего-то соседние спирали левой стенки коснутся друг друга, не миновать большого короткого замыкания. Предлагаем самостоятельно оптимизировать расположение и подсоединение спиралей.
Поставили все фазы.
Для случая, если мы решили воспользоваться двойкой, схема показана ниже. Каждый элемент в 52,7 метра длиной разделен на 4 последовательных спирали по 610 / 4 =152 витка (намотка на оправку 25 мм).
Вариант расположения нагревателей в случае проволоки 2.0 мм.
Особенности намотки, установки, эксплуатации.
Проволока удобна тем, что ее можно намотать в спираль, а спираль потом растянуть так, как удобно. Считается, что диаметр навивки должен быть больше 6-8 диаметров проволоки. Оптимальным шагом между витками является 2-2,5 диаметра проволоки. Но наматывать надо виток к витку: растянуть спираль очень легко, сжать - гораздо труднее.
Толстая проволока может лопнуть во время намотки. Особенно обидно, если из 200 витков осталось намотать 5. Идеально проводить намотку на токарном станке на очень медленной скорости вращения оправки. Сплав Х23Ю5Т выпускается отпущенным и неотпущенным. Последний лопается особенно часто, поэтому, если у Вас есть выбор, обязательно приобретайте проволоку, отпущенную для намотки.
Сколько нужно витков? Не смотря на простоту вопроса, ответ неочевиден. Во-первых, точно не известен диаметр оправки и, следовательно, диаметр одного витка. Во-вторых, точно известно, что диаметр проволоки слегка гуляет по длине, поэтому сопротивление спирали будет тоже гулять. В-третьих, удельное сопротивление сплава конкретной варки может отличаться от справочного. На практике наматывают спираль на 5-10 витков больше, чем по расчету, затем измеряют ее сопротивление - ОЧЕНЬ ТОЧНЫМ прибором, которому можно верить, а не мыльницей. В частности, нужно убедиться, что при коротко-замкнутых щупах прибор показывает ноль, или число порядка 0,02 Ома, которое надо будет вычесть из измеренного значения. При измерении сопротивления спираль слегка растягивают, чтобы исключить влияние межвитковых замыканий. Лишние витки откусывают.
Лучше всего располагать спираль в печи на муллито-кремнеземистой трубке (МКР). Для диаметра навивки 25 мм подойдет трубка с наружным диаметром 20 мм, для диаметра навивки 35 мм - 30 - 32 мм.
Хорошо, если печь обогревается равномерно со пяти сторон (четыре стенки + под). На поде нужно концентрировать значительную мощность, например, 20 -25% всей расчетной мощности печи. Этим компенсируется подсос холодного воздуха извне.
К сожалению, абсолютной равномерности нагрева достичь все равно нельзя. Приблизится к ней можно, используя вентиляционные системы с НИЖНИМ отбором воздуха из печи.
Во время первого нагрева или даже первых двух-трех нагревов на поверхности проволоки образуется окалина. Надо не забыть удалить ее как с нагревателей (щеткой), так и с поверхности плит, кирпичей и т.д. Окалина особенно опасна, если спираль просто лежит на кирпичах: оксиды железа с алюмосиликатами при высокой температуре (нагреватель в одном милиметре!) образуют легкоплавкие составы, из-за которых нагреватель может перегореть.
Вам понадобится
- Спираль, штангенциркуль, линейка. Необходимо знать материал спирализначения силы тока I и напряжения U при которых будет работать спираль, и из какого материала она сделана.
Инструкция
Выясните, какое сопротивление R должно быть у вашей спирали. Для этого воспользуйтесь законом Ома и подставьте значение силы тока I в цепи и напряжения U на концах спирали в формулу R=U/I.
По справочнику определите удельное электрическое сопротивление материала ρ, из которого будет сделана спираль. ρ должно быть выражено в Ом м. Если значение ρ в справочнике дано в Ом мм²/м, то умножьте его на 0,000001.Например: удельное сопротивление меди ρ=0,0175Ом мм²/м, при переводе в СИ имеем ρ=0,0175 0,000001=0,0000000175Ом м.
Длину проволоки найдите по формуле: Lₒ=R S/ρ.
Отмерьте линейкой на спирали произвольную длину l (например: l=10см=0,1м). Посчитайте число витков n, приходящих на эту длину. Определите шаг спирали H=l/n или измерьте его штангенциркулем.
Найдите сколько витков N можно сделать из проволоки длиной Lₒ: N= Lₒ/(πD+H).
Длину самой спирали найдите по формуле: L=Lₒ/N.
Шарф-спираль также называют шарф-боа, шарф-волна. Здесь главное - вовсе не вид пряжи, не рисунок вязки и не расцветка готового изделия , а техника исполнения и оригинальность модели. Шарф-спираль олицетворяет праздничность, пышность, торжественность. Он похож и на изящное кружевное жабо, и на экзотическое боа, и на обычный, но очень оригинальный шарф.
Как связать шарф-спираль спицами
Чтобы связать шарф-спираль, наберите на спицы 24 петли и провяжите 1-й ряд:
- 1 кромочная петля;
- 11 лицевых;
- 12 изнаночных петель.
Качество и цвет пряжи для этой модели спирального шарфа – на ваше усмотрение.
1-й ряд: сначала 1 кромочная петля, затем 1 накид, далее 1 лицевая петля, после этого 1 накид и 8 лицевых петель. Одну снимите на правую спицу как изнаночную, протяните нить между спицами вперед. Снятую петлю возвратите на левую спицу, протяните нить между спицами назад (при этом петля получится обернутой нитью). Поверните работу и свяжите 12 изнаночных петель.
2-й ряд: сначала свяжите 1 кромочную петлю, затем 1 накид, после этого провяжите 3 лицевые петли, 1 накид и 6 лицевых петель. Одну снимите на правую спицу как изнаночную, протяните нить между спицами вперед. Далее возвратите петлю на левую спицу, протяните нить между спицами назад, после чего поверните работу и свяжите 12 изнаночных петель.
3-й ряд: свяжите 1 кромочную петлю, затем 2 петли вместе лицевой, после этого 1 лицевая, далее 2 петли вместе лицевой и 4 лицевые петли. Одну снимите на правую спицу как изнаночную, протяните нить между спицами вперед, возвратите петлю на левую спицу, затем протяните нить между спицами назад. После этого поверните работу и свяжите 8 изнаночных петель.
4-й ряд: свяжите 1 кромочную, затем 3 петли вместе лицевой, после этого 4 лицевых петли, *достаньте снизу обернутую петлю и провяжите вместе со следующей лицевой, 1 лицевая* (повторите вязание от * до * 3 раза). Не переворачивая работу, свяжите изнаночные петли.
Таким образом вяжите спиральный шарф до необходимой длины блоками из этих 4 рядов.
Практически перед всеми женщинами встает вопрос контрацепции. Одним из надежных и проверенных способов является внутриматочная спираль, которая востребована и сегодня.
Виды спиралей
Внутриматочные спирали изготавливаются из пластика и бывают двух видов: спирали, содержащие медь (серебро) и спирали, содержащие гормоны. Их размер – 3X4 см. Выбор метода контрацепции и самой спирали происходит на приеме у гинеколога. Самостоятельно этого делать не стоит. Внутриматочная спираль устанавливается гинекологом во время месячных. Она невелика по размерам и напоминает по форме букву Т.
Медная спираль изготавливается из медной проволоки. Ее особенностью является способность действовать на матку таким образом, что яйцеклетка не может к ней прикрепиться. Этому способствуют два медных усика.
Гормональная спираль имеет контейнер, который содержит прогестин. Этот гормон предотвращает наступление овуляции. В случае использования гормональной внутриматочной спирали сперматозоиды не могут оплодотворять яйцеклетку. Как отмечают женщины, при использовании такой спирали менструации становятся более скудными и менее болезненными. Однако вреда это не приносит, потому что связано с действием гормонов, находящихся внутри спирали. Гинекологи рекомендуют женщинам, страдающим болезненными месячными, установку гормональной спирали.
Выбор спирали
Гинекологические внутриматочные спирали бывают разных марок, как отечественного, так и зарубежного производства. Кроме того, их стоимость может варьироваться от 250 рублей до нескольких тысяч. На это влияет много факторов.
Достаточной популярность среди российских женщин пользуется спираль «Юнона Био». Она привлекает, прежде всего, невысокой стоимостью. Однако низкая эффективность действия данной спирали влечет за собой высокий риск наступления беременности.
Хорошо зарекомендовала себя внутриматочная спираль «Мирена», однако она является одной из самых дорогих в своем ряду. При этом использование внутриматочной спирали считается самым дешевым и доступным видом контрацепции.
Это гормональная спираль. Ее производители обещают, что спираль «Мирена» реже смещается в матке или выпадает. А именно это приводит к наступлению беременности, потому пациенткам рекомендуется регулярно проверять наличие внутриматочного контрацептива на положенном месте.
Стандартное напряжение в бытовой электросети U=220В. Сила тока ограничивается предохранителями в электрощитке и равна, как правило, I=16А.
Источники:
- Таблицы физических величин, И.К. Кикоин, 1976
- длина спирали формула
Электрический паяльник, это ручной инструмент , предназначенный для скрепления между собой деталей посредством мягких припоев , путем разогрева припоя до жидкого состояния и заполнения ним зазора между спаиваемыми деталями.
Электрические паяльники выпускаются рассчитанные на напряжение питающей сети 12, 24, 36, 42 и 220 В, и этому есть свои причины. Главной, является безопасность человека, второй – напряжение сети в месте выполнена паяльных работ. В производстве, где все оборудование заземлено и имеется высокая влажность , разрешено использовать паяльники напряжением не более 36 В, при этом корпус паяльника должен быть обязательно заземлен. Бортовая сеть у мотоцикла имеет напряжение постоянного тока 6 В, легкового автомобиля – 12 В, грузового – 24 В. В авиации используют сеть частотой 400 Гц и напряжением 27 В. Есть и конструктивные ограничения, например, паяльник мощностью 12 Вт сложно сделать на питающее напряжение 220 В, так как спираль потребуется мотать из очень тонкого провода и поэтому намотать много слоев, паяльник получится большим, не удобным для мелкой работы . Так как обмотка паяльника намотана из нихромовой проволоки , то питать его можно как переменным, так и постоянным напряжением. Главное чтобы напряжение питания соответствовало напряжению, на которое рассчитан паяльник.
Мощностью электрические паяльники бывают 12, 20, 40, 60, 100 Вт и больше. И это тоже не случайно. Для того, чтобы припой при пайке хорошо растекался по поверхностям спаиваемый деталей, их нужно прогреть до температуры чуть большей, чем температура плавления припоя. При контакте с деталью тепло передается от жала к детали и температура жала падает. Если диаметр жала паяльника не достаточный или мощность нагревательного элемента мала, то отдав тепло, жало не сможет нагреться до заданной температуры, и паять будет невозможно. В лучшем случае получится рыхлая и не прочная пайка. Более мощным паяльником можно паять маленькие детали, но возникает проблема недоступности к месту пайки. Как, например, запаять в печатную плату микросхему с шагом ножек 1,25 мм жалом паяльника размером в 5 мм? Правда есть выход, на такое жало навивают несколько витков медного провода диаметром 1мм и концом уже этого провода паяют. Но громоздкость паяльника делают работу практически не выполнимой. Есть и еще одно ограничение. При большой мощности, паяльник быстро прогреет элемент, а многие радиодетали не допускают нагрева выше 70˚С и по этому, допустимое время их пайки составляет не более 3 секунд. Это диоды, транзисторы, микросхемы.
Устройство паяльника
Паяльник представляет собой стержень из красной меди, который нагревается спиралью из нихрома до температуры плавления припоя. Стержень паяльника делается из меди благодаря высокой ее теплопроводности. Ведь при пайке нужно быстро передать жалу паяльника от нагревательного элемента тепло. Конец стержня имеет клиновидную форму, является рабочей частью паяльника и называется жалом. Стержень вставляется в стальную трубку, обернутую слюдой или стеклотканью. На слюду намотана нихромовая проволока, которая служит нагревательным элементом.
Поверх нихрома намотан слой слюды или асбеста, служащий для снижения потерь тепла и электрической изоляции спирали из нихрома от металлического корпуса паяльника.
Концы нихромовой спирали соединены с медными проводниками электрического шнура с вилкой на конце. Для обеспечения надежности этого соединения концы нихромовой спирали согнуты и сложены вдвое, что снижает нагрев в месте соединения с медным проводом. В дополнение соединение обжато металлической пластинкой, лучше всего обжим делать из алюминиевой пластины, которая имеет высокую теплопроводность и будет эффективнее отводить тепло от места соединения. Для электрической изоляции на место соединения надевают трубки из термостойкого изоляционного материала, стеклоткани или слюды.
Медный стержень и нихромовая спираль закрывается металлическим корпусом, состоящим из двух половинок или сплошной трубки, как на фотографии. Корпус паяльника на трубке фиксируется накидными колечками. На трубку, для защиты руки человека от ожога, насаживается ручка из плохо провидящего тепло материала, дерева или термостойкой пластмассы.
При вставлении вилки паяльника в розетку электрический ток поступает на нихромовый нагревательный элемент, который нагревается и передает тепло медному стержню. Паяльник готов к пайке.
Маломощные транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, микросхемы и тонкие провода паяют паяльником мощностью 12 Вт. Паяльники 40 и 60 Вт служат для пайки мощных и крупногабаритных радиодеталей, толстых проводов и небольших деталей. Для пайки крупных деталей, например, теплообменников газовой колонки, потребуется уже паяльник мощностью сто и более Вт.
Как видите на чертеже электрическая схема паяльника очень простая, и состоит всего из трех элементов: вилки, гибкого электропровода и нихромовой спирали.
Как видно из схемы, в паяльнике отсутствует возможность регулировки температуры нагрева жала. И даже, если мощность паяльника выбрана правильно, то все равно не факт, что температура жала будет требуемой для пайки, так как длина жала со временем уменьшается за счет постоянной его заправки, припои тоже имеют разные температуры плавления. Поэтому для поддержания оптимальной температуры жала паяльника приходится подключать его через тиристорные регуляторы мощности с ручной регулировкой и автоматическим поддержанием заданной температуры жала паяльника.
Расчет и ремонт нагревательной обмотки паяльника
При ремонте или при самостоятельном изготовлении электрического паяльника или любого другого нагревательного прибора приходится мотать нагревательную обмотку из нихромовой проволоки. Исходными данными для расчета и выбора проволоки является сопротивление обмотки паяльника или нагревательного прибора, которое определяется исходя из его мощности и напряжения питания. Рассчитать, какое должно быть сопротивление обмотки паяльника или нагревательного прибора можно с помощью таблицы.
Электрические нагревательные элементы применяются в бытовой и промышленной технике. Применение различных нагревателей известно всем. Это электрические плиты, жарочные шкафы и духовки, электрокофеварки, электрические чайники и отопительные приборы всевозможных конструкций.
Электрические водонагреватели, чаще именуемые , тоже содержат нагревательные элементы. Основой многих нагревательных элементов служит проволока с высоким электрическим сопротивлением. И чаще всего эта проволока изготовлена из нихрома.
Открытая нихромовая спираль
Самым старым нагревательным элементом является, пожалуй, обычная нихромовая спираль. Когда-то давно, в ходу были самодельные электрические плитки, кипятильники для воды и обогреватели типа «козёл». Имея под рукой нихромовый провод, которым можно было «разжиться» на производстве, изготовить спираль требуемой мощности не представляло никаких проблем.
Конец провода нужной длины вставляется в пропил воротка, сам провод пропускается между двумя деревянными брусками. Тиски нужно зажать так, чтобы вся конструкция держалась, как показано на рисунке. Усилие зажима должно быть таким, чтобы провод проходил сквозь бруски с некоторым усилием. Если усилие зажима будет велико, то провод попросту оборвется.
Рисунок 1. Навивка нихромовой спирали
Вращением воротка проволока протаскивается сквозь деревянные бруски, и аккуратно, виток к витку, укладывается на металлический стержень. В арсенале электриков был целый набор воротков различного диаметра от 1,5 до 10 мм, что позволяло навивать спирали на все случаи жизни.
Известно было, какого диаметра провод и какая длина требуется для намотки спирали нужной мощности. Эти магические числа до сих пор можно найти в сети интернет. На рисунке 2 показана таблица, где приведены данные о спиралях различной мощности при напряжении питания 220В.
Рисунок 2. Расчет электрической спирали нагревательного элемента (для увеличения нажмите на рисунок)
Здесь все просто и понятно. Задавшись требуемой мощностью и диаметром нихромового провода, имеющимся под рукой, остается только отрезать кусок нужной длины и навить его на оправку соответствующего диаметра. При этом в таблице указана длина получившейся спирали. А что делать, если имеется провод с диаметром не указанным в таблице? В этом случае спираль придется просто рассчитать.
При необходимости рассчитать спираль достаточно просто. В качестве примера приведен расчет спирали из нихромовой проволоки диаметром 0,45мм (такого диаметра в таблице нет) мощностью 600Вт на напряжение 220В. Все расчеты выполняются по закону Ома .
О том, как перевести амперы в ватты и, наоборот, ватты в амперы:
I = P/U = 600/220 = 2,72 A
Для этого достаточно заданную мощность поделить на напряжение и получить величину тока, проходящего через спираль. Мощность в ваттах, напряжение в вольтах, результат в амперах. Все согласно системе СИ.
Формула для подсчета сопротивления проводника R=ρ*L/S,
где ρ - удельное сопротивление проводника (для нихрома 1.0÷1.2 Ом.мм2/м), L - длина проводника в метрах, S - сечение проводника в квадратных миллиметрах. Для проводника диаметром 0,45 мм сечение составит 0,159 мм2.
Отсюда L = S * R / ρ = 0.159 * 81 / 1.1 = 1170 мм, или 11,7 м.
В общем, получается не столь уж сложный расчет. Да собственно и изготовление спирали не так уж и сложно, что, несомненно, является достоинством обычных нихромовых спиралей. Но это достоинство перекрывается множеством недостатков, присущих открытым спиралям.
Прежде всего, это достаточно высокая температура нагрева - 700…800˚C. Нагретая спираль имеет слабое красное свечение, случайное прикосновение к ней может причинить ожог. Кроме того возможно поражение электрическим током. Раскаленная спираль выжигает кислород воздуха, привлекает к себе пылинки, которые выгорая, дают весьма неприятный аромат.
Но главным недостатком открытых спиралей следует считать их высокую пожароопасность. Поэтому пожарная охрана попросту запрещает применение обогревателей с открытой спиралью. К таким обогревателям, прежде всего, относится, так называемый «козел», конструкция которого показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Самодельный обогреватель «козел»
Вот такой вот получился дикий «козел»: сделан он нарочито небрежно, просто, даже очень плохо. Пожара с таким обогревателем ждать придется недолго. Более совершенная конструкция подобного отопительного прибора показана на рисунке 4.
Рисунок 4. «Козел» домашний
Нетрудно видеть, что спираль закрыта металлическим кожухом, именно это предотвращает прикосновение к разогретым токоведущим частям. Пожароопасность такого устройства намного меньше, чем показанного на предыдущем рисунке.
Когда-то давно в СССР выпускались обогреватели-рефлекторы. В центре никелированного отражателя имелся керамический патрон, в который наподобие лампочки с цоколем E27, вворачивался нагреватель мощностью 500Вт. Пожароопасность такого рефлектора тоже очень высока. Ну, вот как-то не задумывались в те времена, к чему может привести использование таких обогревателей.
Рисунок 5. Обогреватель рефлекторного типа
Совершенно очевидно, что различные обогреватели с открытой спиралью можно, вопреки требованиям пожарной инспекции, использовать лишь под неусыпным присмотром: ушел из помещения - выключи обогреватель! Еще лучше просто отказаться от использования обогревателей подобного типа.
Нагревательные элементы с закрытой спиралью
Чтобы избавиться от открытой спирали, были изобретены Трубчатые Электрические Нагреватели - ТЭНы. Конструкция ТЭНа показана на рисунке 6.
Рисунок 6. Конструкция ТЭНа
Нихромовая спираль 1 спрятана внутри тонкостенной металлической трубки 2. Спираль изолирована от трубки наполнителем 3 с высокой теплопроводностью и высоким электрическим сопротивлением. В качестве наполнителя чаще всего применяется периклаз (кристаллическая смесь окиси магния MgO, иногда с примесями других окислов).
После заполнения изолирующим составом трубку опрессовывают, и под большим давлением периклаз превращается в монолит. После такой операции спираль жестко фиксируется, поэтому электрический контакт с корпусом - трубкой исключен полностью. Конструкция получается настолько прочной, что любой ТЭН можно изгибать, если того требует конструкция отопительного прибора. Некоторые ТЭНы имеют весьма причудливую форму.
Спираль соединяется с металлическими выводами 4, которые выходят наружу через изоляторы 5. Подводящие провода присоединяются к резьбовым концам выводов 4 с помощью гаек и шайб 7. Крепление ТЭНов в корпусе устройства осуществляется при помощи гаек и шайб 6, обеспечивающих, при необходимости, герметичность соединения.
При соблюдении условий эксплуатации подобная конструкция достаточно надежна и долговечна. Именно это и привело к весьма широкому применению ТЭНов в устройствах различного назначения и конструкции.
По условиям эксплуатации ТЭНы делятся на две большие группы: воздушные и водяные. Но это просто такое название. На самом деле воздушные ТЭНы предназначены для работы в различных газовых средах. Даже обычный атмосферный воздух является смесью нескольких газов: кислорода, азота, углекислого газа, имеются даже примеси аргона, неона, криптона и т.д.
Воздушная среда бывает самой разнообразной. Это может быть спокойный атмосферный воздух или поток воздуха, движущийся со скоростью до нескольких метров в секунду, как в тепловентиляторах или тепловых пушках.
Разогрев оболочки ТЭНа может достигать 450 ˚C и даже более. Поэтому для изготовления внешней трубчатой оболочки применяются различные материалы. Это может быть обычная углеродистая сталь, нержавеющая сталь или жаропрочная, жаростойкая сталь. Все зависит от окружающей среды.
Для улучшения теплоотдачи некоторые ТЭНы снабжаются ребрами на трубках в виде навитой металлической ленты. Такие нагреватели называются оребренными. Применение таких элементов наиболее целесообразно в движущейся воздушной среде, например, в тепловентиляторах и тепловых пушках.
Водяные ТЭНы также применяются не обязательно в воде, это общее название различных жидкостных сред. Это может быть масло, мазут и даже различные агрессивные жидкости. Жидкостные ТЭНы , дистилляторах, электрических опреснителях морской воды и просто в титанах для кипячения питьевой воды.
Теплопроводность и теплоемкость воды намного выше, нежели у воздуха и других газовых сред, что обеспечивает, по сравнению с воздушной средой, лучший, более быстрый, отвод тепла от ТЭНа. Поэтому при одинаковой электрической мощности водяной нагреватель имеет меньшие геометрические размеры.
Тут можно привести простой пример: при выкипании воды в обычном электрическом чайнике ТЭН может разогреться докрасна, после чего прогореть до дыр. Такую же картину можно наблюдать и с обычными кипятильниками, предназначенными для кипячения воды в стакане или в ведре.
Приведенный пример наглядно говорит о том, что водяные ТЭНы ни в коем случае нельзя применять для работы в воздушной среде. Воздушные ТЭНы для нагрева воды использовать можно, вот только придется долго ждать, пока вода закипит.
Не на пользу водяным ТЭНам пойдет и слой накипи, образующийся в процессе работы. Накипь, как правило, имеет пористую структуру, и ее теплопроводность невелика. Поэтому тепло, выделяемое спиралью, в жидкость уходит плохо, зато сама спираль внутри нагревателя разогревается до весьма высокой температуры, что рано или поздно приведет к ее перегоранию.
Чтобы такого не произошло, желательно периодически очищать ТЭНы с помощью различных химических средств. Например, в телевизионной рекламе для защиты нагревателей стиральных машин рекомендуется средство «Calgon». Хотя по поводу этого средства существует множество самых различных мнений.
Как избавиться от накипи
Кроме химических средств для защиты от накипи используются различные устройства. Прежде всего, это магнитные преобразователи воды. В мощном магнитном поле кристаллы «жестких» солей меняют свою структуру, превращаются в хлопья, становятся мельче. Из таких хлопьев накипь образуется менее активно, большая часть хлопьев просто вымывается потоком воды. Этим и достигается защита нагревателей и трубопроводов от накипи. Магнитные фильтры-преобразователи выпускаются многими зарубежными фирмами, такие фирмы существуют и в России. Подобные фильтры выпускаются как врезного, так и накладного типа.
Электронные умягчители воды
В последнее время все более популярными становятся электронные умягчители воды. Внешне все выглядит очень просто. На трубу устанавливается небольшая коробочка, из которой выходят провода-антенны. Провода накручиваются вокруг трубы, при этом даже не надо счищать краску. Установить прибор можно в любом доступном месте, как показано на рисунке 7.
Рисунок 7. Электронный умягчитель воды
Единственное, что потребуется для подключения прибора, это розетка на 220В. Прибор рассчитан на долговременное включение, его не надо периодически отключать, поскольку выключение приведет к тому, что вода снова станет жесткой, опять будет образовываться накипь.
Принцип работы прибора сводится к излучению колебаний в диапазоне ультразвуковых частот, которые могут достигать до 50КГц. Частота колебаний регулируется с помощью пульта управления прибора. Излучения производятся пакетами по нескольку раз в секунду, что достигается использованием встроенного микроконтроллера. Мощность колебаний невелика, поэтому никакой угрозы для здоровья человека подобные приборы не представляют.
Целесообразность установки подобных приборов определить достаточно легко. Все сводится к тому, чтобы определить, насколько жесткая вода течет из водопроводной трубы. Тут даже не надо никаких «заумных» приборов: если после мытья ваша кожа становится сухой, от брызг воды на кафельной плитке появляются белые разводы, в чайнике появляется накипь, стиральная машина стирает медленнее, чем в начале эксплуатации - однозначно из крана течет жесткая вода. Все это может привести к выходу из строя нагревательных элементов, и, следовательно, самих чайников или стиральных машин.
Жесткая вода плохо растворяет различные моющие средства - от обычного мыла до супермодных стиральных порошков. В результате порошков приходится класть больше, но это помогает мало, так как кристаллы солей жесткости задерживаются в тканях, качество стирки оставляет желать лучшего. Все перечисленные признаки жесткости воды красноречиво говорят о том, что необходимо устанавливать умягчители воды.
Подключение и проверка ТЭНов
При подключении ТЭНа должен использоваться провод подходящего сечения. Здесь все зависит от тока, протекающего через ТЭН. Чаще всего известны два параметра. Это мощность самого нагревателя и напряжение питания. Для того, чтобы определить ток, достаточно разделить мощность на напряжение питания.
Простой пример. Пусть имеется ТЭН мощностью 1КВт (1000Вт) на напряжение питания 220В. Для такого нагревателя получается, что ток составит
I = P/U = 1000/220 = 4,545A.
Согласно таблицам, размещенным в ПУЭ, такой ток может обеспечить провод сечением 0,5мм2 (11А), но с целью обеспечения механической прочности лучше применить провод сечением не менее 2,5мм2. Как раз таким проводом чаще всего выполняется подвод электричества к розеткам.
Но перед тем, как производить подключение, следует убедиться в исправности даже нового, только что купленного ТЭНа. Прежде всего, надо измерить его сопротивление и проверить целостность изоляции. Сопротивление ТЭНа достаточно просто рассчитать. Для этого надо напряжение питания возвести в квадрат, и поделить на мощность. Например, для нагревателя мощностью 1000Вт этот расчет выглядит так:
220*220/1000=48,4Ом.
Такое сопротивление должен показать мультиметр при подключении его к выводам ТЭНа. Если же спираль оборвана, то, естественно, мультиметр покажет обрыв. Если взять ТЭН иной мощности, то сопротивление, естественно, будет другим.
Для проверки целостности изоляции следует измерить сопротивление между любым из выводов и металлическим корпусом ТЭНа. Сопротивление наполнителя-изолятора таково, что на любом пределе измерений мультиметр должен показать обрыв. Если окажется, что сопротивление равно нулю, то спираль имеет контакт с металлическим корпусом нагревателя. Такое может случиться даже с новым, только купленным ТЭНом.
Вообще для проверки изоляции применяется , но не всегда и не у всех он есть под рукой. Так что вполне подойдет и проверка обычным мультиметром. Хотя бы такую проверку надо сделать обязательно.
Как уже было сказано, ТЭНы можно изгибать даже после наполнения изолятором. Существуют нагреватели самой разнообразной формы: в виде прямой трубки, U-образные, свернутые в кольцо, змейку или спираль. Все зависит от устройства нагревательного прибора, в который предполагается установить ТЭН. Например, в проточном водонагревателе стиральной машины применяются ТЭНы свитые в спираль.
Некоторые ТЭНы имеют элементы защиты. Самая простая защита это термопредохранитель. Уж если он сгорел, то приходится менять весь ТЭН, но до пожара дело не дойдет. Есть и более сложная система защиты, позволяющая использовать ТЭН после ее срабатывания.
Одной из таких защит является защита на основе биметаллической пластины: тепло от перегретого ТЭНа изгибает биметаллическую пластину, которая размыкает контакт и обесточивает нагревательный элемент. После того, как температура снизится до допустимого значения, биметаллическая пластина разгибается, контакт замыкается и ТЭН снова готов к работе.
ТЭНы с терморегулятором
При отсутствии горячего водоснабжения приходится пользоваться бойлерами. Конструкция бойлеров достаточно проста. Это металлическая емкость, спрятанная в «шубу» из теплоизолятора, поверх которого находится декоративный металлический корпус. В корпус же врезан термометр, показывающий температуру воды. Конструкция бойлера показана на рисунке 8.
Рисунок 8. Бойлер накопительного типа
Некоторые бойлеры содержат магниевый анод. Его назначение защита от коррозии нагревателя и внутреннего бака бойлера. Магниевый анод является расходным материалом, его приходится периодически менять при обслуживании бойлера. Но в некоторых бойлерах, видимо, дешевой ценовой категории, такая защита не предусмотрена.
В качестве нагревательного элемента в бойлерах применяется ТЭН с терморегулятором, конструкция одного из них показана на рисунке 9.
Рисунок 9. ТЭН с терморегулятором
В пластмассовой коробке расположен микровыключатель, который срабатывает от жидкостного термодатчика (прямая трубка рядом с ТЭНом). Форма собственно ТЭНа может быть самой разнообразной, на рисунке показана самая простая. Все зависит от мощности и конструкции бойлера. Степень нагрева регулируется за счет положения механического контакта, управляемого белой круглой рукояткой, расположенной внизу коробки. Здесь же находятся клеммы для подвода электрического тока. Крепление нагревателя производится при помощи резьбы.
Мокрые и сухие ТЭНы
Подобный нагреватель находится в непосредственном контакте с водой, поэтому такой ТЭН называют «мокрым». Срок службы «мокрого» ТЭНа находится в пределах 2…5 лет, после чего его приходится менять. В общем-то, срок службы невелик.
Для увеличения срока службы нагревательного элемента и всего бойлера в целом французской компанией Atlantic в 90-х годах прошлого века была разработана конструкция «сухого» ТЭНа. Если сказать проще, то нагреватель был спрятан в металлическую защитную колбу, исключающую прямой контакт с водой: нагревательный элемент греется внутри колбы, которая передает тепло воде.
Естественно, что температура колбы намного ниже, чем собственно ТЭНа, поэтому образование накипи при той же жесткости воды происходит не столь интенсивно, в воду передается большее количество тепла. Срок службы таких нагревателей достигает 10…15 лет. Сказанное справедливо для хороших условий эксплуатации, прежде всего стабильности напряжения питания. Но даже и в хороших условиях «сухие» ТЭНы тоже вырабатывают свой ресурс, и их приходится менять.
Вот здесь обнаруживается еще одно достоинство технологии «сухого» ТЭНа: при замене нагревателя нет никакой необходимости сливать воду из бойлера, для чего следует отключать его от трубопровода. Достаточно просто вывернуть нагреватель и заменить его на новый.
Компания Atlantic, конечно же, запатентовала свое изобретение, после чего стала продавать лицензию другим фирмам. В настоящее время бойлеры с «сухим» нагревательным элементом выпускают и другие фирмы, например, Electrolux и Gorenje. Конструкция бойлера с «сухим» ТЭНом показана на рисунке 10.
Рисунок 10. Бойлер с «сухим» нагревателем
Кстати, на рисунке показан бойлер с керамическим стеатитовым нагревателем. Устройство такого нагревателя показано на рисунке 11.
Рисунок 11. Керамический нагреватель
На керамическом основании закреплена обычная открытая спираль из проволоки с высоким сопротивлением. Температура нагрева спирали достигает 800 градусов и передается в окружающую среду (воздух под защитной оболочкой) конвекцией и теплоизлучением. Естественно, что такой нагреватель применительно к бойлерам может работать только в защитной оболочке, в воздушной среде, прямой контакт с водой попросту исключен.
Спираль может быть намотана в несколько секций, о чем говорит наличие нескольких клемм для подключения. Это позволяет менять мощность нагревателя. Максимальная удельная мощность подобных нагревателей не превышает 9Вт/см 2 .
Условием нормальной работы такого нагревателя является отсутствие механических нагрузок, изгибов и вибраций. На поверхности не должно быть загрязнений в виде ржавчины и масляных пятен. И, конечно же, чем более стабильным будет напряжение питания, без выбросов и скачков, тем более долговечна работа нагревателя.
Но электротехника не стоит на месте. Технологии развиваются, усовершенствуются, поэтому кроме ТЭНов в настоящее время разработаны и успешно применяются самые разнообразные нагревательные элементы. Это керамические нагревательные элементы, карбоновые нагревательные элементы, инфракрасные нагревательные элементы, но это будет темой для другой статьи.
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.
Расчёт спирали из нихрома следует проводить поэтапно, используя начальные сведения о нагревателе: необходимая мощность и марка нихрома.
Мощность одной секции:
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:
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.
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.
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.
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 2 S*10 -6)/(ρ 20 Рс x10 3)
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 = (lx10 3)/ (√h 2 +(πD) 2)
Длина спирали:
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:
Параметры, способствующие неполадкам
Наиболее велика вероятность выхода из строя электрических нагревателей вследствие окисления поверхности нагревательного сопротивления.
Факторы, которые влияют на скорость разрушения нагревателя:
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.