Меню

Что нагревает спираль напряжение или ток



Расчет параметров нагревателей из нихрома и фехрали

Расчет длины проволоки для спирали

Требуемая мощность нагревателя
Вт

Напряжение питания
В

Выберете материал
Нихром Константан Хромаль Фехраль

Выберете диаметр проволоки из стандартных промышленных размеров.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.2 1.5 2.0 2.2 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 10.0 мм

Сечение проволоки мм 2

Сопротивление проволоки Ом

Длина проволоки м

Ток, потребляемый нагревателем А

Полученные результаты не учитывают рост электрического сопротивления проводника с ростом его температуры. Поэтому фактическая мощность (как и потребляемый ток от сети) всегда несколько ниже расчетных величин.

Расчет веса и длины

Пересчитать Длину в вес Вес в длину Вид продукции Проволока Лента Сплав Фехрали (Х23Ю5Т, GS SY, Х15Ю5) Нихромы (Х15Н60 Х20Н80, GS 40) Диаметр, мм. Толщина, мм. Ширина, мм. Длина, м. Вес, кг. Масса, кг. 11.3040 Рассчитать

Нихром и фехраль являются самыми распространенными материалами для создания резистивного нагревателя. Нихром (в частности, нихром 80) изготавливается из смеси никеля и хрома. Фехраль или другое название Кантал представляет собой сплав железо-хром-алюминий (FeCrAl).

Краткий анализ

Fechral – сплавы группы железо-хром-алюминий (FeCrAl), используемые в широком диапазоне сопротивлений и при высоких температурах. Сплавы известны своей способностью выдерживать высокие температуры (до 1400 ° C (2550 ° F)), и имеющие промежуточное электрическое сопротивление (1,20 — 1,30 Ом · м).

Типичные области применения сплавов FeCrAl — это электрические нагревательные элементы в высокотемпературных печах для термообработки, керамической, стекольной, сталелитейной и электронной промышленности.

Среди достоинств фехрали можно отметить следующие:

высокая рабочая температура;
Ферритные сплавы FeCrAl можно использовать в среднем до 1400 °C, в то время как аустенитные сплавы NiCr имеют максимальную рабочую температуру до 1250 °C.

высокое удельное сопротивление;
Удельное сопротивление сплавов FeCrAl выше, чем сплавов NiCr. Это дает возможность выбирать материалы с большим поперечным сечением, тем самым продлевая срок службы элементов. Значительная экономия веса может быть получена, особенно при использовании тонкой проволоки — чем выше удельное сопротивление, тем меньше материалов используется. Кроме того, на удельное сопротивление сплавов FeCrAl меньше влияет холодная обработка и термообработка по сравнению со сплавами NiCr.

более долгая жизнеспособность;
Сплавы FeCrAl могут использоваться от 2 до 4 раз дольше, чем сплавы NiCr, эксплуатируемые при той же температуре в атмосфере.

более высокая поверхностная нагрузка;
Более высокая рабочая температура и более длительный срок службы сплавов FeCrAl гарантируют способность выдерживать высокие поверхностные нагрузки.

небольшой вес и невысокая стоимость;
Вес сплавов FeCrAl ниже, чем сплавов NiCr. Благодаря тому, что сплавы FeCrAl не содержат никель, его цена ниже, чем на сплавы NiCr. В результате в большом количестве применений может быть достигнута значительная экономия веса и стоимости элементов.

отличные окислительные свойства;
Оксид алюминия (Al2O3), образующийся на поверхности сплавов FeCrAl, имеет лучшие адгезионные свойства и, следовательно, менее загрязняется.

стойкость к сере;
Сплавы FeCrAl могут противостоять коррозии в атмосфере и материалах, загрязненных серой или ее соединениями. В таких условиях сплавы NiCr подвержены сильной эрозии.

Нихром (NiCr) — группа сплавов с содержанием Ni 55-78%, Cr 15-23% в зависимости от марки и добавками Mn, Si, Fe и Al. Сплавы известны своей способностью выдерживать высокие температуры (до 1250 ° C (2280 ° F), и имеют промежуточное электрическое сопротивление (1,05–1,40 Ом * м). Сплавы NiCr обладают отличнойустойчивостью к высокотемпературному окислению, коррозии и имеют хорошую износостойкость.

Благодаря своей стойкости к окислению и стабильности при высоких температурах нихром широко используется в электронагревательных установках, таких как электрические печи, печи для обжига и сушки, его используют в производстве различных нагревательных устройств.

Среди достоинств нихрома можно отметить следующие:

идеальная стабильность формы при высоких температурах;
Сплавы NiCr устойчивы к деформации и сохраняют очень хорошую стабильность формы при высоких температурах благодаря тому факту, что они имеют более высокий предел прочности при нагревании и ползучести, чем сплавы FeCrAl.

немагнитные свойства;
Сплав NiCr — немагнитный материал, который можно использовать при низких температурах. Между тем сплав FeCrAl немагнитен при температурах выше 600 °C.

хорошая пластичность после длительного использования;
Сплавы NiCr остаются пластичными после длительного использования. Это свойство делает нагревательные элементы более прочными.

высокая излучательная способность;
Сплавы NiCr имеют более высокий коэффициент излучения, чем сплавы FeCrAl в полностью окисленном состоянии. При одинаковой поверхностной нагрузке температура элементов сплава NiCr ниже, чем сплавов FeCrAl.

устойчивость к коррозии;
Как правило, сплавы NiCr имеют лучшую коррозионную стойкость при комнатной температуре, чем неокисленные сплавы FeCrAl (за исключением серной среды и контролируемой атмосферы).

Расчеты нагревательных элементов. Калькуляторы вычисления длины спирали и пересчета веса материалов в длину и наоборот

Расчёт сопротивления

В первую очередь стоит определить длину проволоки. За основу для расчета берется мощность и сопротивление. К примеру, нужно изготовить нагревательный элемент для устройства, мощность которого составлять должна 10Вт, а напряжение 12Вольт. Для примера вычислений возьмем нихромовую проволоку, диаметр сечения которой составляет 0,1 мм.

Читайте также:  Переменное напряжение 220 vac

Без учетов нагрева можно применить элементарную формулу расчета:

Р=U∙І → І = Р/ U = 10 / 12 = 0,83 А

R= U/ І = 12 / 0,83 = 14,5 Ом.

На основе имеющихся данных площади сечения проволоки (S) и удельного сопротивления нихромового сплава (ρ) длина проволоки вычисляется довольно просто:

Для определения удельного сопротивления проволоки из нихрома с конкретным диаметром можно использовать формулы или готовую таблицу. Нихром, диаметр которого составляет 0,1 мм будет обладать сопротивлением 14,4 Ом и иметь площадь сечения 0,008 мм.кв — внеся эти данные в таблицу мы определим, что длина такой проволоки должна составлять 10 см.

Для расчета того, сколько витков спирали нужно сделать из проволоки полученной длины, нужно воспользоваться такими формулами:

Вычисление длины одного витка, равного:

Длина витка =π∙( диаметр намотки + 0,5 ∙ диаметр сечения проволоки)

Количество витков = длина проволоки / длина витка

Исходя из этого, проводим следующее соотношение, если диаметр витков проволоки будет 2 мм, то

Количество витков = 100/( 3,14*(2+0,05))=15,5 витков

В теории все складно и хорошо. Но, что покажет практика? Сможет ли нихромовая проволока такого диаметра выдерживать подобную нагрузку. Расчеты в таблицах представленных ниже предоставляют данные максимального тока, который допустим для конкретных показателей диаметра нихромовой нити при определенной температурной нагрузке.

Другими словами, следует высчитать температурный показатель, выше которого не должна прогреваться спираль и подобрать в значениях таблицы подходящее сечение для расчетного тока.

Следует отметить, что для электронагревателей, предназначенных для работы в жидкой среде сила тока должна браться с большим расчетом на 1,5 раза. Для устройств предназначенных для работы в замкнутом пространстве следует ток уменьшить.

Температурный расчет

Данный расчет является более сложным и более точным, чем предыдущий. В нем учитывается величина сопротивления материала в холодном состоянии. Ведь логически должно быть понятно, что при изменении температуры меняться должно и сопротивление. Также важно учитывать еще и в каких условиях работает нагревательный прибор. При небольших температурах, например в случае использования обычных обогревателей, первую методику расчета можно легко использовать, для печей высокого сопротивления, где температурная подача сверхвысокая, такой метод уже будет не актуален.

Чтобы показать пример расчета спирали на основе второго метода возьмем греющий элемент, предназначенный для работы в муфельной печи. В первую очередь определяем объем рабочей камеры и исходя из этого высчитываем мощность необходимую при нагреве. Для муфельной печи подбор происходит на основе следующего правила:

Для печных установок, камера которых имеет объем менее 50 л., расчет проводим исходя из 1 литр на 100 Вт

Для оборудования с рабочей камерой более 100 л., но меньше 500 л. Мощность рассчитывается 50-70 Вт на 1 литр

В качестве примера берем печную установку объемом 50 л. Мощность такой печки составляет 50*100= 5000 Вт

Определим силу тока (І) и сопротивление (R) для сети 220В

І = 5000/220 = 22,7 А

R = 220/22,7 = 9,7 Ом

При подключении спирального нагревателя способом «звезда», мощность делим на три фазы.

Мощность на фазу = 5кВт / 3 = 1,66 кВт

Такой тип подключения в трехфазную сеть предполагает подачу к каждой фазе 220В, то есть ток и сопротивление будут соответствовать следующему расчету:

І = 1660/220 = 7,54 А

R = 220/7,54 = 29,1 Ом

При соединении нагревательного элемента в условиях напряжения 380 В использоваться будет схема подключения «треугольник». Расчет будет проведен по формуле учитывающей линейное напряжение 380В.

І = 1660/380 = 4,36 А

R = 380/4,36 = 87,1 Ом

Диаметр определяется при учете удельной поверхностной мощности нагревательного элемента. Рассчитаем длину нагревательной спирали, беря за основу удельные сопротивления из таблиц.

Поверхностная мощность = βэф*α(коэффициент эффективности)

Из проведенной работы можно свободно сделать вывод, что для муфельной печки, которая должна прогреваться до 1000 градусов Цельсия необходимо взять спираль, рассчитанную на подачу температуры в 1100 градусов Цельсия. На основе табличных данных выбираем соответствующие показатели и получаем:

Поверхностная мощность (Вдоп)=4,3∙0,2=0,86Вт/см2=8600 Вт/м2

Удельное сопротивление проволоки при необходимой термической нагрузке (Rt) подбирается из таблицы

При использовании нихромового сплава маркой Х80Н20, Rt составляет 1,025. Исходя из этого, Рт=1,13*106*1,025=1,15*106 Ом на мм

Для подключения греющего элемента по типу звезда: диаметр составляет 1,23 мм, длина = 42 м

Проверяем значения по формуле L=R/(p*k)

Получаем в итоге 29,1/(0,82*1,033)= 34 м

Как видно, при использовании формулы, где температура не учитывается, конечные данные имеют значительные отличия от полученных показателей. Правильно выберите длину одной спирали для соединения звезды равной 42 м, тогда для 3-х спиралей понадобится 126 метров нихромовой проволоки диаметром 1,3.

Выводы

При помощи калькуляторов и формул удастся быстро произвести расчет длины греющей проволоки. Определить диаметр на основе необходимой мощности и температурной выработки греющей спираль также не затруднительно. Но, даже при помощи второго более сложного способа расчета невозможно учесть различные факторы, которые могут возникнуть при непосредственной эксплуатации нагревателя и внести свои коррективы в его работу. Практика показывает обратное. После проведения полных расчетов все же придется подгонять полученные результаты под конкретные условия работы нагревателя.

Читайте также:  Регулятор напряжения 220в 3квт

Провести полный и высокоточный расчет всех параметров нихромовой и фехралевой спирали вам помогут специалисты «Технонагрев». Наши технологи обладают большим опытом и навыками при проектировке и изготовлении нагревателей любой сложности. То, что для вас может показаться нерешаемой задачей для нас окажется работой на несколько минут.

Источник

Электрофорум для электриков и домашних мастеров

Меню навигации

  • Форум
  • Участники
  • Правила
  • Поиск
  • Регистрация
  • Войти

Пользовательские ссылки

Объявление

Информация о пользователе

ТЭН термоэлектрический нагреватель (физические процессы)

Сообщений 1 страница 4 из 4

Поделиться1Чт, 30 Сен 2010 19:10

  • Автор: dencsen
  • сила тока
  • dencsen
  • Зарегистрирован : Пн, 7 Апр 2008
  • Приглашений: 0
  • Сообщений: 43
  • Уважение: [+2/-0]
  • Позитив: [+7/-0]
  • Провел на форуме:
    1 день 3 часа
  • Последний визит:
    Вт, 20 Мар 2012 22:37

Здраствуйте!
вопрос! когда ТЭН (Трубчатый электронагреватель) полностью разогрет что происходит с сопротивлением и как изменяется при этом ток и напряжение??

и как на холодном тене?

Поделиться2Чт, 30 Сен 2010 20:39

  • Автор: sergey_sav
  • главный энергетик
  • sergey_sav
  • Откуда: Санкт-Петербург
  • Зарегистрирован : Ср, 23 Май 2007
  • Приглашений: 0
  • Сообщений: 2743
  • Уважение: [+173/-11]
  • Позитив: [+8/-48]
  • Пол: Мужской
  • Возраст: 61 [1959-05-23]
  • Провел на форуме:
    1 месяц 3 дня
  • Последний визит:
    Вт, 30 Май 2017 23:36

Напряжение не меняется, после включения ТЭНа его сопротивление увеличится, а ток упадёт.

Поделиться3Ср, 6 Окт 2010 01:15

  • Автор: drug
  • энергетик
  • drug
  • Откуда: Астана
  • Зарегистрирован : Ср, 15 Авг 2007
  • Приглашений: 0
  • Сообщений: 2478
  • Уважение: [+216/-13]
  • Позитив: [+38/-9]
  • Пол: Мужской
  • Провел на форуме:
    1 месяц 13 дней
  • Последний визит:
    Пт, 4 Апр 2014 09:50

dencsen задумался:

. когда тен полностью разогрет что происходит с сопротивлением и как изменяется при этом ток и напряжение??
и как на холодном тене?

Если разбираться детально, то следует вспомнить, что ТЭН изготовлен их нихрома, а все металлы имеют положительный температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС). Это значит, что при нагреве их омическое сопротивление увеличивается в соответствии с индивидуальным ТКС каждого металла-проводника.
Так, у нихрома ТКС равен 0,00016 1/град., у меди – 0,004, вольфрама – 0,0045 1/град.
ТКС – это изменение сопротивления проводника при его нагревании, приходящееся на 1 Ом первоначального сопротивления и на 1 градус температуры.
Сопротивление проводника в нагретом состоянии определяется по формуле
R(конечн.град.) = R(нач.град.) x [1 + TKC х ( t(конечн) – t(нач))]
Таким образом, если Ваш ТЭН до включения (при +15 град.) имел сопротивление 50 Ом, после включения под ток (разогревшись до 900 град. С.) он будет иметь сопротивление
R(900град.) = 50 x [1 + 0,00016 х (900-15)] = 50 х (1 + 0,00016 х 885) = 57,08 Ом.
Ток в момент включения был равен: I = U / R ; I(15град) = 220 / 50 = 4.4 A;
Ток после разогрева: I(900град) = 220 / 57.08 = 3.85 A.
Мощность ТЭНа: P = U x I P(15 град.) = 220 x 4.4 = 968 Вт.; P(900 град.) = 220 x 3.85 = 847 Вт.
Напряжение при мощной сети и нормальных по сечению и длине проводах не изменяется.

Поделиться4Ср, 6 Окт 2010 11:14

  • Автор: drug
  • энергетик
  • drug
  • Откуда: Астана
  • Зарегистрирован : Ср, 15 Авг 2007
  • Приглашений: 0
  • Сообщений: 2478
  • Уважение: [+216/-13]
  • Позитив: [+38/-9]
  • Пол: Мужской
  • Провел на форуме:
    1 месяц 13 дней
  • Последний визит:
    Пт, 4 Апр 2014 09:50

densen задал вопрос о ТЭНах, но более наглядными получаются результаты расчетов изменения электрического сопротивления нити лампы накаливания при ее включении (electro показал видео с примерами экспериментирования, продолжу его начинание теоретически).
Под рукой оказалась лампа накаливания 100 W, 230 V, D7, Made in Hungary. Мультиметр показал сопротивление ее спирали 39,4 Ом. при температуре +20 град.С. (правда, он точность не гарантирует, но тенденция все равно просматривается)
Материал спирали – вольфрам с ТКС = 0,0045 1/град, температура светящейся спирали около t = 2500 град.С.
Краткий расчет показал, что лампа накаливания, до включения (при +20 град.) имевшая сопротивление спирали 39,4 Ом, после включения под ток будет иметь сопротивление:
R(2500град.) = 39,4 x [1 + 0,0045 х (2500-20)] = 39,4 х (1 + 0,0045 х 2480) = 479,1 Ом.
Ток в момент включения был равен: I = U / R ; I(20град) = 220 / 39,4 = 5.58 A;
Ток после включения (в рабочем режиме) I(2500град) = 220 / 479.1 = 0.46 A.
Мощность лампы: в рабочем режиме Р(2500град) = 220 х 0,46 = 101 Вт.;
в момент включения Р(20 град) = 220 х 5,58 = 1228 Вт. (более 1,2 кВт. . )
Четко видно, что ток в момент включения лампы в 12 раз превышает номинальный, чем и объясняется то, что лампы накаливания чаще всего «сгорают» именно в момент включения, когда 12-кратный ток в спирали вызывает мощные механические силы, которые энергично встряхивают спираль, особенно уже «немолодую», провисшую, и вызывают ее обрыв.
Именно в таких ситуациях выручаю блоки защиты ламп «Барьер», «Гранит» и др., которые обеспечивают подключение лампы при нулевом напряжении, а затем медленно его наращивают до номинальной величины.
В различных проекционных приборах, имеющих очень мощные лампы накаливания (до одного кВт.) применяют предварительный разогрев спирали за счет подачи на нее напряжения величиной до 2. 3 В. (при этом спираль в темноте «обозначается после прогрева»)

Читайте также:  Формулы величин сила тока напряжение сопротивление

Отредактировано drug (Ср, 6 Окт 2010 11:28)

Источник

Применение и расчёт электрической спирали из нихрома

Нихромовая спираль — это нагревательный элемент в виде проволоки, свернутой винтом для компактного размещения. Проволока изготавливается из нихрома — прецизионного сплава, главными компонентами которого являются никель и хром. «Классический» состав этого сплава — 80% никеля, 20% хрома. Композицией наименований этих металлов было образовано название, которым обозначается группа хромоникелевых сплавов — «нихром».

Самые известные марки нихрома — Х20Н80 и Х15Н60. Первый из них близок к «классике». Он содержит 72-73 % никеля и 20-23 % хрома. Второй разработан с целью снижения стоимости и повышения обрабатываемости проволоки. Содержание никеля и хрома в нем уменьшено – до 61 % и до 18 % соответственно. Но увеличено количество железа – 17-29 % против 1,5 у Х20Н80.

На базе этих сплавов были получены их модификации с более высокой живучестью и стойкостью к окислению при высокой температуре. Это марки Х20Н80-Н (-Н-ВИ) и Х15Н60 (-Н-ВИ). Они применяются для нагревательных элементов, контактирующих с воздухом. Рекомендуемая максимальная температура эксплуатации – от 1100 до 1220 °С

Применение нихромовой проволоки

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

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

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

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

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

Как навить спираль из нихрома

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

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

Учет температуры

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

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

Расчет сопротивления нихромовой спирали и ее длины

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

Обозначения здесь общепринятые:

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

Расчет сопротивления нихромовой проволоки готов. Теперь определим нужную нам длину. Она зависит от удельного сопротивления и диаметра проволоки. Можно сделать расчет, исходя из удельного сопротивления нихрома: L=(Rπd 2 )/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)).

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.

Источник