Расчет нихромовой спирали по мощности


Расчёт элементов нагревателя из нихромовой проволоки: 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.

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 ф2S*10-6)/(ρ 20 [1+α(θ р -20)] Рс x103)

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)/ (√h3+(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:

  1. 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.
  2. От 200 до 400° C. Используются ленточные нагреватели. Для создания необходимой температуры в рабочей камере охватывают весь её периметр.
  3. 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.
  4. От 600 до 1250° C. В печах старого образца используется нихром. Но в этом диапазоне температур он значительно уступает сплаву из алюминия, железа и хрома (фехрали). Поэтому в более современных образцах печей нихром заменён фехралью.
  5. От 1250 до 1700° C. Высокотемпературные нагреватели изготавливают из дисилицида молибдена, карбида кремния. Основным недостатком обогревателей является их дефицит и высокая стоимость.

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.

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

Полезная информация

При намотке спирали из нихрома для нагревательных приборов эту операцию зачастую выполняют «на глазок», а затем, включая спираль в сеть, по нагреву нихромового провода подбирают требующееся количество витков. Обычно такая процедура занимает много времени, да и нихром расходуется попусту.

Чтобы рационализировать эту работу при использовании нихромовой спирали на напряжение 220 В, предлагаю воспользоваться данными приведенными в таблице, из расчета, что удельное сопротивление нихрома =(Ом · мм² / м)C. С ее помощью можно быстро определить длину намотки виток к витку в зависимости от толщины нихромового провода и диаметра стержня, на который наматывается нихромовая спираль. Пересчитать длину спирали из нихрома на другое напряжение нетрудно, использовав простую математическую пропорцию.

Длина нихромовой спирали в зависимости от диаметра нихрома и диаметра стержня

нихрома 0,2 мм

нихрома 0,3 мм

нихрома 0,4 мм

нихрома 0,5 мм

нихрома 0,6 мм

нихрома 0,7 мм

нихрома 0,8 мм

нихрома 0,9 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

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

3

68

3

78

2

30

2

43

2

68

3

46

3

53

3

64

4

54

4

72

3

21

3

30

3

40

4

36

4

40

4

49

5

46

6

68

4

16

4

22

4

28

5

30

5

33

5

40

6

40

8

52

5

13

5

18

5

24

6

26

6

30

6

34

8

31

6

20

8

22

8

26

10

24

Например, требуется определить длину нихромовой спирали на напряжение 127 В из провода толщиной 0,3 мм, стержень для намотки Ø 4 мм. Из таблицы видно, что длина такой спирали на напряжение 220 В будет равна 22 см. Составим простое соотношение: 220 В - 22 см 127 В - Х см тогда:

X =127 · 22 / 220= 12,7 см

Намотав нихромовую спираль, подключите ее, не обрезая, к источнику напряжения и убедитесь в правильности намотки. У закрытых спиралей длину намотки увеличивают на 1/3 значения, приведенного в таблице. В данной таблице приведена теоретическая масса 1 метра нихромовой проволоки и ленты. Она изменяется в зависимости от размеров продукции.

Диаметр, типоразмер, мм

Плотность (удельный вес), г/см³

Площадь сечения, мм²

Масса 1 м, кг

0,4

8,4

0,126

0,001

0,5

8,4

0,196

0,002

0,6

8,4

0,283

0,002

0,7

8,4

0,385

0,003

0,8

8,4

0,503

0,004

0,9

8,4

0,636

0,005

1,0

8,4

0,785

0,007

1,2

8,4

1,13

0,009

1,4

8,4

1,54

0,013

1,5

8,4

1,77

0,015

1,6

8,4

2,01

0,017

1,8

8,4

2,54

0,021

2,0

8,4

3,14

0,026

2,2

8,4

3,8

0,032

2,5

8,4

4,91

0,041

2,6

8,4

5,31

0,045

3,0

8,4

7,07

0,059

3,2

8,4

8,04

0,068

3,5

8,4

9,62

0,081

3,6

8,4

10,2

0,086

4,0

8,4

12,6

0,106

4,5

8,4

15,9

0,134

5,0

8,4

19,6

0,165

5,5

8,4

23,74

0,199

5,6

8,4

24,6

0,207

6,0

8,4

28,26

0,237

6,3

8,4

31,2

0,262

7,0

8,4

38,5

0,323

8,0

8,4

50,24

0,422

9,0

8,4

63,59

0,534

10,0

8,4

78,5

0,659

1 x 6

8,4

6

0,050

1 x 10

8,4

10

0,084

0,5 x 10

8,4

5

0,042

1 x 15

8,4

15

0,126

1,2 x 20

8,4

24

0,202

1,5 x 15

8,4

22,5

0,189

1,5 x 25

8,4

37,5

0,315

2 x 15

8,4

30

0,252

2 x 20

8,4

40

0,336

2 x 25

8,4

50

0,420

2 x 32

8,4

64

0,538

2 x 35

8,4

70

0,588

2 x 40

8,4

80

0,672

2,1 x 36

8,4

75,6

0,635

2,2 x 25

8,4

55

0,462

2,2 x 30

8,4

66

0,554

2,5 x 40

8,4

100

0,840

3 x 25

8,4

75

0,630

3 x 30

8,4

90

0,756

1,8 x 25

8,4

45

0,376

3,2 x 32

8,4

102,4

0,860

«Нихромы» (сплавы Ni-Cr и Ni-Cr-Fe) применяются как в промышленности, так и в бытовых приборах. «Нихромы» характеризуются: отличными механическими свойствами в «холодном» и «горячем» состоянии, а также после длительной эксплуатации, поэтому не требуют намотки на керамическую трубку; высокой однородностью структуры сплавов. Максимальная температура эксплуатации нихромов (в частности наилучшего сплава Х20Н80) – 1200 °C.
  • в серосодержащих атмосферах при температурах выше 650 °C проявляется, так называемый, эффект «зеленой гнили», приводящий к интенсивному разрушению сплавов этого класса;
  • в атмосфере, содержащей углерод, в температурном интервале 600-900 °C происходит интенсивное разрушение сплавов этого класса. В процессе эксплуатации нихромовых нагревателей поверхностная защитная пленка отслаивается, образуя окалину, что приводит к загрязнению нагреваемых поверхностей и термообрабатываемых деталей.
Нихром сохраняет пластичность после остывания: спираль можно снять, поправить форму, согнуть по другому, т.е. его целесообразно применять в тех случаях, когда намотка на керамическую трубку по каким-либо причинам невозможна, например, при укладке намотанной спирали в узкие пазы из керамики. Никельхромовые сплавы могут работать в контакте с шамотом любой марки, не взаимодействуя с ним.
  • в виде проволоки;
  • в виде ленты;
  • в бухтах.
Те, кому очень часто приходится иметь с заменой нагревательных элементов из нихрома и самодельным изготовлением спиралей обратят внимание на несколько унифицированный поход к самой проблеме намотки спирали, когда известен диаметр стержня для намотки и диаметр нихромового провода. Для расчета спиралей из нихрома под 220V исходим из расчета, что удельное сопротивление из нихрома равно - 1,1 х ОМ х мм²/м. Исходя из этого можно довольно быстро определить длину намотки виток к витку в зависимости от толщины провода и диаметра применяемого для намотки стержня на котором, вы собираетесь наматывать вашу спираль. Приводится таблица с уже готовыми длинами намотки спирали и диаметрами применяемых стержней для намотки спирали виток к витку.

0.2мм

0,2мм

0,3мм

0,3мм

0,4мм

0,4мм

0,5мм

0,5мм

0,6мм

0,6мм

0,7мм

0,7мм

0,8мм

0,8мм

0,9мм

0,9мм

1,0мм

1,0мм

Ø Стержня в мм

Длина Спирали в см

Ø Стержня в мм

Длина Спирали в см

Ø . Стержня в мм

Длина Спирали в см

Ø Стержня в мм

Длина Спирали в см

Ø Стержня в мм

Длина Спирали в см

Ø Стержня в мм

Длина Спирали в см

Ø Стержня в мм

Длина Спирали в см

Ø Стержня в мм

Длина Спирали в см

Ø Стержня в мм

Длина Спирали в см

1,5

49

1,5

59

1,5

77

2

64

3

76

2

84

3

68

3

78

3

75

2

30

2

43

2

68

3

46

3

53

3

62

4

54

4

72

4

63

3

21

3

30

3

40

4

36

4

40

4

49

5

46

6

68

5

54

4

16

4

22

4

28

5

30

5

33

5

40

6

40

8

52

6

48

5

13

5

18

5

24

6

26

6

30

6

34

8

31

8

33

6

20

8

22

8

26

10

24

10

30

10

22

Вам всего лишь потребуется не большая корректировка в зависимости от того, что вы имеете у себя в наличии. Если вы хотите рассчитать спираль на другое напряжение то это довольно сделать не трудно, например вам необходимо определить длину спирали на напряжение 127V из нихрома диаметром 0,3 мм при этом у вас стержень для намотки спирали диаметром 4 мм. Из таблицы видно, что длина спирали на напряжение 220V равна 22 см из этого и составляем пропорцию, где 220V = 22 cм, а 127V = Х см. То тогда отсюда 127V х 22 / 220V = 12.7 cм.

Если вы хотите применять спирали в закрытом виде, то длину намотки спирали от получаемой в таблице необходимо увеличить на 1/3 значения это вас сбережет от быстрого перегрева и выхода из строя спирали.

«Фехраль» (сплав Fe-Cr-Al) – более прогрессивный нежели нихром материал, широко используется в электропечах сопротивления, для всех отраслей промышленности (машиностроение, литейные и термические цеха, производство керамики и стекла, сушильные цеха). Нагреватели из фехрали применяются в электропечах до температур 1400 °C. Являются аналогом материала А-1 фирмы KANTHAL.
  • цена – меньше в три раза, что приводит в конечном итоге к снижению стоимости печи;
  • более длительный срок службы при одинаковой с нихромом температуре эксплуатации (в зависимости от условий эксплуатации от двух до четырех раз);
  • отсутствие окалины, вследствие чего спирали не требуется закрывать;
  • больший срок службы в восстановительных атмосферах;
  • более высокая удельная поверхностная мощность;
  • меньшая плотность.
Совокупное действие всех вышеперечисленных факторов приводит к существенному снижению массы нагревателя и, в конечном итоге, к снижению его стоимости. Пластичность фехрали растет с ростом температуры, при температуре 800-1000 °C сплавы легко поддаются деформации под собственным весом, поэтому нагревательные элементы требуется устанавливать на керамических трубках. При нагреве до температуры 900-950 °C и выше наступает быстрый рост зерна, приводящий к необратимому охрупчиванию металла, поэтому ремонт спиралей производится с большой осторожностью, неснимая спираль с печи. При температуре выше 1000 °C фехраль может работать в контакте лишь с высокоглинозёмистыми огнеупорными материалами (с содержанием оксида алюминия не менее 50 %). Работоспособность фехрали обеспечивается образующейся на ее поверхности защитной пленкой из Al2O3, поэтому при работе в безокислительных средах данную защитную пленку необходимо периодически возобновлять, производя отжиг в окислительной среде (на воздухе).
  • в виде проволоки - фехралевая проволока;
  • в бухтах;
  • в виде спиралей различного диаметра, как на керамических трубках, так и без керамических трубок - фехралевая спираль;
  • в виде готовых нагревательных элементов, снабженных токовыводами из того же материала, но большего диаметра, с керамическими установочными изоляторами и крепежной фурнитурой - фехралевые нагреватели.

ni-cr.ru

Расчет нихромовой проволоки для нагревателя

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 расчетах

Быстрые 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

Расчет нагревателей электрической печи

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 нихром Х20Н80 и Х15Н60, и сплав фехраль Х23Ю5Т.
  • 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: Х20Н80, Х20Н80-Н, Х15Н60, Х15Н60-Н.

Марки фехрали подходящие для изготовления нагревателей: Х23Ю5, Х23Ю5Т, Х15Ю5, Х27Ю5Т.

Также железохромоникелевые 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.
  1. Сила тока определяется так:

  1. Сопротивления нагревателя определяется так:

  1. 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.

Табл. 1

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.

  1. 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;

U = 220 В.

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.

  1. 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:

  1. 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.

  1. 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.

Далее мы рассчитаем два подключения – однофазное, и трехфазное.

Однофазный ток (бытовая сеть)

– сила тока на проволоке нагревателя.

— сопротивление нагревателя печи.

Трехфазный ток (промышленная сеть)

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

  1. 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.

Пример

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).

Табл. 3

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

α = 0,2,

βэф = 8,05 Вт/см2,

и рассчитываем:

  1. 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.

atomsteel.com


Смотрите также