Спираль нихром

Вейпинг предоставляет большое поле для экспериментов людям, которые их любят. Например, можно попробовать заменить обычный танк на обслуживаемый атомайзер, а вместо того, чтобы приобретать готовые спирали, наматывать их самостоятельно.

В этой статье мы попытаемся простыми словами объяснить все сложные моменты, поговорим о видах проволоки и о том, какие из них наиболее популярны в намотках для вейпа. Основное внимание уделим спиралям из одной проволоки и не будем затрагивать сложные конфигурации, когда для намотки используется 2 или более соединенных в 1 провод проволок.

Проволока: толщина, сопротивление и время нагревания

Проволока может быть сделана из различных металлов или сплавов, но помимо материала есть другие характеристики, которыми можно максимально точно описать проволоку.

Первым таким параметром является диаметр проволоки, в России это десятые доли миллиметра, в Америке же существует такое понятие как калибр проволоки. Проволоку нужного диаметра производят путем волочения более крупного провода сквозь отверстия меньшего размера, а количество таких волочений и будет составлять значение калибра. Чем это число больше, тем диаметр меньше. Наиболее популярные калибры: 32, 30, 26, 24, 22.

От диаметра проволоки обычно зависят ее сопротивление (чем меньше площадь, тем больше сопротивление) и время, необходимое для разогрева проволоки (чем меньше сечение, тем быстрее проволока нагревается).

Некоторые вейперы упоребляют словосочетание “время разгона” – это то время, которое необходимо, чтобы разогреть проволоку до температуры, при которой соприкасающаяся с ней жидкость испаряется.

Термоконтроль

Казалось бы, все просто, нагреваем спираль, жидкость соприкасается с ней и превращается в пар. На деле все обстоит несколько сложнее. Некоторые металлы изменяют свое сопротивление в зависимости от температуры. Режим термоконтроля создан для того, чтобы поддерживать одну и ту же температуру спирали, при этом варьировать ток и напряжение в зависимости от того, как изменилось сопротивление. Однако не все проволоки могут использоваться с этим режимом.

Основные типы материала

Фехраль/Еврофехраль/Кантал

Кантал – это сплав на основе железа с алюминием и хромом, он устойчив к окислению, и его можно использовать при высоких температурах. Канталовая проволока стоит недорого, может использоваться с вариватт и механическими модами, с ней легко работать, и она хорошо держит форму, поэтому многие начинают с нее. Однако она не совместима с режимом термоконтроля.

Нихром

Помимо кантала в вейпинге используются спирали из нихрома или сплава никеля с хромом, в котором также могут быть другие металлы, но не обязательно. Рабочие температуры нихрома высоки, 800-1100 градусов, поэтому помимо вейпинга он применяется в других сферах: в изготовлении нагревательных элементов, в качестве жаропрочного и химически стойкого сплава в некоторых агрессивных средах, в реостатах, также используется в стоматологии.

Сопротивление у нихрома ниже, чем у кантала, поэтому он нагревается быстрее. Он хорошо держит форму, и с ним легко работать. Однако и у нихромовых проволок есть недостатки. Во-первых, у некоторых людей может проявиться аллергия на никель: одну из составляющих сплава. Во-вторых, температура плавления ниже, чем у кантала, что следует учитывать при прожиге спиралей. В-третьих, не используется в режиме термоконтроля.

Нержавеющая сталь

Это единственная проволока, которая может использоваться в режимах и вариватт, и термоконтроля, что облегчает вейп, если вы часто переключаетесь с одного режима на другой. Есть много разных марок нержавеющей стали, однако наиболее популярная для спиралей электронных сигарет – 316, и намотка – не единственное ее применение, она также используется в пищевой промышленности, в фармацевтике и медицине.

С нержавеющей сталью легко работать, она хорошо держит форму, нагревается быстрее, чем канталовый аналог, но это также неподходящий вариант для людей с аллергией на никель.

Никель

Спирали из никеля, еще они маркируются как Ni200, были первыми, которые применялись в режиме термоконтроля. Однако проволока слишком мягкая и может легко деформироваться при смачивании. Опять же не подходит людям с аллергией на никель. Использовать можно только в режиме термоконтроля

Титан

Последняя проволока, о которой мы поговорим, – титановая. Вопрос безопасности титана спорный. Есть вероятность выделения токсичного диоксида титана при температуре свыше 648 градусов Цельсия, кроме того, он остывает хуже, чем спирали из других материалов, что может быть небезопасно с пожарной точки зрения. Но если ваш мод в режиме термоконтроля справляется со своей функцией, то нет причин для беспокойства. С титановой проволокой легко работать, и она хорошо держит форму. Нельзя использовать в режиме вариватт.

Источник: zen.yandex.ru

Применение нихромовой проволоки

 Главное качество нихрома – это высокое сопротивление электрическому току. Оно определяет области применения сплава. Нихромовая спираль применяется в двух качествах — как нагревательный элемент или как материал для электросопротивлений электрических схем.

Для нагревателей используется электрическая спираль из сплавов Х20Н80-Н и Х15Н60-Н. Примеры применений:

• бытовые терморефлекторы и тепловентиляторы;
• ТЭНы для бытовых нагревательных приборов и электрического отопления;
• нагреватели для промышленных печей и термооборудования.

Сплавы Х15Н60-Н-ВИ и Х20Н80-Н-ВИ, получаемые в вакуумных индукционных печах, используют в промышленном оборудовании повышенной надежности.

Спираль из нихрома марок Х15Н60, Х20Н80, Х20Н80-ВИ отличается тем, что его электросопротивление мало меняется при изменении температуры. Из нее изготавливают резисторы, соединители электронных схем, ответственные детали вакуумных приборов.

Как навить спираль из нихрома

 Резистивная или нагревательная спираль может быть изготовлена в домашних условиях. Для этого нужна проволока из нихрома подходящей марки и правильный расчет требуемой длины.

Расчёт спирали из нихрома опирается на удельное сопротивление проволоки и требуемую мощность или сопротивление, в зависимости от назначения спирали. При расчете мощности нужно учитывать максимально допустимый ток, при котором спираль нагревается до определенной температуры.

Учет температуры

 Например, проволока диаметром 0,3 мм при токе 2,7 А нагреется до 700 °С, а ток в 3,4 А нагреет ее до 900 ⁰С. Для расчета температуры и тока существуют справочные таблицы. Но еще нужно учитывать условия эксплуатации нагревателя. При погружении в воду теплоотдача повышается, тогда максимальный ток можно повысить на величину до 50 % от расчетного. Закрытый трубчатый нагреватель, наоборот, ухудшает отвод тепла. В этом случае и допустимый ток необходимо уменьшить на 10—50 %.

На интенсивность теплоотвода, а значит и на температуру нагревателя, влияет шаг навивки спирали. Плотно расположенные витки дают более сильный нагрев, больший шаг усиливает охлаждение. Следует учитывать, что все табличные расчеты приводятся для нагревателя, расположенного горизонтально. При изменении угла к горизонту условия теплоотвода ухудшаются.

Расчет сопротивления нихромовой спирали и ее длины

 Определившись с мощностью, приступаем к расчету требуемого сопротивления. Если определяющим параметром является мощность, то вначале находим требуемую силу тока по формуле I=P/U. Имея силу тока, определяем требуемое сопротивление. Для этого используем закон Ома: R=U/I.

Обозначения здесь общепринятые:

• P – выделяемая мощность;
• U – напряжение на концах спирали;
• R – сопротивление спирали;
• I – сила тока.

Расчет сопротивления нихромовой проволоки готов. Теперь определим нужную нам длину. Она зависит от удельного сопротивления и диаметра проволоки. Можно сделать расчет, исходя из удельного сопротивления нихрома: L=(Rπd²)/4ρ. Здесь:

• L – искомая длина;
• R – сопротивление проволоки;
• d – диаметр проволоки;
• ρ – удельное сопротивление нихрома;
• π – константа 3,14.

Но проще взять готовое линейное сопротивление из таблиц ГОСТ 12766.1-90. Там же можно взять и температурные поправки, если нужно учитывать изменение сопротивления при нагреве. В этом случае расчет будет выглядеть так: L=R/ρ_ld, где ρ_ld – это сопротивление одного метра проволоки, имеющей диаметр d.

Навивка спирали

Теперь сделаем геометрический расчет нихромовой спирали. У нас выбран диаметр проволоки d, определена требуемая длина L и есть стержень диаметром D для навивки. Сколько нужно сделать витков? Длина одного витка составляет: π(D+d/2). Количество витков – N=L/(π(D+d/2)).

Расчет закончен.

На практике редко кто занимается самостоятельной навивкой проволоки для резистора или нагревателя. Проще купить нихромовую спираль с требуемыми параметрами и при необходимости отделить от нее нужное количество витков.

Компания «ПАРТАЛ»

Источник: www.elec.ru

Основные марки фехраля и нихрома и их химическая составляющая

Нихром

В базовом химическом составе нихрома может содержаться до 80% никеля, до 23% хрома, до 1,5% марганца и немного примесей. Существует всего две группы нихромовых сплавов: нежелезистый (железо не превышает 1,5% от всего состава) и железистый (железа около 75%).

Нихром марками Х20Н80 и Х15Н60

Самой известной и применяемой маркой нихрома есть Х20Н80, которая относится к нежелезистой группе и изготавливается согласно ГОСТу 10994-74. Нихром маркировкой Х15Н60 является железистым сплавом и производится согласно ГОСТу с 60%-ным составом никеля.

Главным компонентом нихрома является никель, именно этот элемент определяет ключевое технологическое свойство материала. Поэтому беря за основу основной сплав маркой Х20Н80, создали улучшенную модификацию с буквенным обозначением «Н» в конце. Согласно ГОСТу количество хрома в марке Х20Н80-Н не поменялось, а вот никеля стало больше, плюс был добавлен цирконий с сокращением количества остальных составляющих компонентов. Х15Н60-Н создается на основе такого же принципа.

Фехраль

Базисными компонентами фехраля есть железо, хром и алюминий в различных концентрациях с добавлением циркония и марганца. Данный сплав создается с различными маркировками для возможности подбора оптимального состава под решение разнообразных задач и рабочих условий.

Фехраль марок Х23Ю5Т, Х27Ю5Т, Х15Ю5

Марки фехраля изготавливаемые в нашей стране с большим спросом: Х23Ю5Т, Х27Ю5Т, Х15Ю5.

речисленные сплавы характеризуются стабильными физическими свойствами при воздействии высоких температур с учетом работы в агрессивной среде. Фехраль Х23Ю5Т самый применяемый сплав в составе, которого близко 70% железа. У маркировки Х15Ю5 железа еще больше (близко 78%), что характеризует его как более прочный и менее хрупкий материал. Фехраль Х27Ю5Т имеет очень высокую концентрацию хрома (около 28%) и на сегодняшний день практически не изготавливается, его замещают более современные аналоги.

Сравнительный анализ нихрома и фехраля

Физические особенности

Общей характеристикой фехраля и нихрома есть их высокие показатели удельного сопротивления. Номинальное удельное сопротивление нихрома напрямую зависит от диаметра нагревателя, а у фехраля оно определяется только лишь маркировкой. Температура, при которой плавится нихром, должна составлять более 1400°C, а фехраля – 1500°C. Удельная масса нихрома достигает более 8,40 г/см3, фехраль имеет меньшую массу – 7,21-7,28 г/см³.

Прочность фехраля и нихрома без нагрева

Нихром обладает пластичностью в комнатных условиях не меньше 20% относительно удлинению либо поперечному сужению проволоки. Фехраль маркой Х15Ю5 имеет пластичность около 16%, а маркировке Х23Ю5Т характерно 10%, что говорит о более низкой прочности, чем у нихрома. Временное сопротивление разрыву по средним показателям также выше у нихрома.

А вот по твердости выигрывает фехраль, но это способствует его ломкости. Ведь чем больше в составе хрома, тем выше ломкость материала. Поэтому навивать фехралевую проволоку можно лишь после ее нагрева до 300 градусов. А чтобы навить нихром, прогрев не нужен, он отлично собирается в катушку и при комнатной температуре.

Прочность при максимальных температурах на воздухе

Фехраль пригоден для высокотемпературных нагрузок и способен функционировать длительное время. Нихром выделяется абсолютно противоположными свойствами, он легко переносит частые включения и выключения, и незаменим в часто прерываемых рабочих циклах. А вот при сильном нагреве на протяжении длительного времени нихромовый нагреватель быстро выйдет из строя.

Стойкость к окислению нихрома и фехраля

Высокая концентрация никелевого состава не позволяет нихрому интенсивно окисляться. За время нагревания на поверхности нихромового элемента появляется тоненькая защищающая пленка окиси хрома, что понижает стойкость сплава в агрессивных условиях. Нихром быстрее окисляется в электропечах с повышением кислородного давления. Фехраль из-за большего количества железа и наличия алюминия имеет более высокую окисляемость с быстрым образованием плотной защитной пленки оксидного происхождения. Поэтому эксплуатация тонких проволок и лент затруднена, но фехраль имеет устойчивость к глинозёмной керамике в серосодержащих и углеродных печах.

Сферы применения фехраля и нихрома

Нихром зачастую используют для нагревательных приборов входящих в состав электрических печей обжига и сушек промышленных и лабораторных назначений, электрических плит, нагревающих воздух систем и т. д. Нихром выполняет функцию элемента нагрева в производстве реостатов. Фехраль используют для нагревателей с высокой термической выработкой.

Форма изготовления нихрома и фехраля (полуфабрикаты)

Изготавливают фехралевый и нихромовый сплавы по ГОСТу на данную категорию продукции. В основном готовые изделия имеют вид нити намотанной на катушку и проволоки собранную в бухту. Также существуют и полуфабрикаты в виде ленты и прутка.

Цены на фехраль и нихром

Рассмотренные нами проволочные нагревательные элементы имеют значительные различия в цене, нихром в три раза дороже фехраля. Причиной этому является разная рыночная оценка на элементы входящие в состав сплавов. Например, железо, входящее в состав фехраля стоит дешевле никеля для нихрома.

Выбирая необходимый сплав важно брать во внимание не только цены на материалы, но и учитывать максимальные показатели температурной нагрузки, период беспрерывной эксплуатации, и условия окружающей среды. Ведь в итоге неправильно выбранный нагревательный элемент может быстро износиться, и издержки превзойдут стоимость производимой продукции. Поэтому выбирая сплав, ориентируйтесь не на его стоимость, а на свойства сплавов, которые необходимы для решения задач в имеющихся условиях. Также, чтобы не обмануться лучше обращайтесь к поставщику, который существует на рынке не менее пяти лет. Соблюдение таких критериев позволит подобрать максимально качественный и подходящий элемент.

Источник: electro-nagrev.ru

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 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.

1. Сила тока определяется так:

2. Сопротивления нагревателя определяется так:

3. 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.

4. 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:

2. 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.

2. 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

4. 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:

5. 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.

Источник: atomsteel.com

Расчет нагревательного элемента из нихромовой проволоки

Длина проволоки определяется исходя из показателей нужной мощности.

Как пример проведем на основе имеющихся показателей следующие исчисления: нагревательный элемент плитки имеет мощность Р=500Вт, подключается к сети U=220В.

Решение:

1) I = P/U = 500/220 = 2,2 A
2) R = U/I = 220/2,2= 100 Ом
3) Используя получившиеся данные (см. таблицу 2) выбираем d=0,3; S=0,0707

тогда длина нихрома

l = SR / ρ = 0,0707·100 /1,1 = 6,4 м

l – длина проволоки (м)
S – сечение проволоки (мм2)
R – сопротивление проволоки (Ом)
ρ – значение удельного сопротивления (для нихрома ρ=1.0÷1.2 Ом·мм2/м)

Источник: telemento.ru