Расчёт элементов нагревателя из нихромовой проволоки: методика проведения вычислений, справочные таблицы

Основные понятия

В общем случае необходимо рассчитать нагревательный элемент из нихрома по четырем расчетам: гидравлическому, механическому, тепловому и электрическому. Но обычно расчеты ведутся только в два этапа: по тепловым и электрическим показателям.

Тепловые свойства включают в себя:

• теплоизоляция;
• коэффициент тепловой эффективности;
• необходимая поверхность теплопередачи.

Основной целью расчета нихрома является определение геометрических размеров теплостойкости.

Электрические параметры нагревателей:

• напряжение питания;
• способ управления мощностью;
• коэффициент мощности и электрический КПД.

При выборе напряжения питания обогревателей предпочтение отдается тому, которое представляет минимальную угрозу для животных и обслуживающего персонала. Напряжение сети в сельскохозяйственных установках составляет 380/200 вольт с частотой питающей сети 50 герц.

В случае электроустановок в особо влажных помещениях, с повышенной электроопасностью, напряжение следует снизить. Значение не должно превышать 12, 24, 36 вольт.

Регулировать температуру и мощность нагревателя можно двумя способами:

• изменить напряжение;
• изменение значения сопротивления.

Наиболее распространенным способом изменения тока является включение определенного количества секций трехфазной установки. В современных отопительных установках изменение эффекта осуществляется за счет регулировки напряжения с помощью тиристоров.

Расчет рабочего тока основан на табличном соотношении, связывающем токовую нагрузку на нихромовый проводник, площадь его поперечного сечения и температуру.

Табличные данные составлены для нихромовой проволоки, которую растягивали на воздухе без учета колебаний и вибраций при температуре 20°С.

Для перехода к реальным условиям необходимо использовать в расчетах поправочные коэффициенты.

Теоретический вес нихрома Х20Н80 (проволока и лента)

В этой таблице указана теоретическая масса 1 метра нихромовой проволоки и ленты. Она варьируется в зависимости от размера изделия.

Диаметр, стандартный размер и т.д.	Плотность (удельный вес), г/см³	Средняя площадь, мм²	Вес 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
1×6	8.4	6	0,050
1 х 10	8.4	10	0,084
0,5х10	8.4	5	0,042
1 х 15	8.4	15	0,126
1,2х20	8.4	24	0,202
1,5 х 15	8.4	22,5	0,189
1,5 х 25	8.4	37,5	0,315
2 х 15	8.4	30	0,252
2 х 20	8.4	40	0,336
2х25	8.4	50	0,420
2 х 32	8.4	64	0,538
2 х 35	8.4	70	0,588
2х40	8.4	80	0,672
2,1 х 36	8.4	75,6	0,635
2,2 х 25	8.4	55	0,462
2,2 х 30	8.4	66	0,554
2,5 х 40	8.4	100	0,840
3х25	8.4	75	0,630
3 х 30	8.4	90	0,756
1,8 х 25	8.4	45	0,376
3,2 х 32	8.4	102,4	0,860

Нихромовые нагреватели (NiСг)

Нихромы (сплавы Ni-Cr и Ni-Cr-Fe) применяются как в промышленности, так и в бытовой технике.

«Нихромы» характеризуются: отличными механическими свойствами в «холодном» и «горячем» состоянии, а также после длительной эксплуатации, поэтому не требуют намотки на керамическую трубу; высокая однородность структуры сплава. Максимальная рабочая температура нихромов (особенно лучшего сплава Х20Н80) составляет 1200 °С.

Предостережение, если вы используете нихромовые нагреватели:

• в сернистых средах при температуре выше 650°С проявляется так называемый эффект «зеленой гнили», приводящий к интенсивному разрушению сплавов этого класса;
• в атмосфере, содержащей углерод, в интервале температур 600–900 °С происходит интенсивное разрушение сплавов этого класса. В процессе эксплуатации нихромовых нагревателей происходит отслоение защитной поверхности от поверхности и образование отложений, что приводит к загрязнению нагреваемых поверхностей и термообработанных деталей.

Нихром сохраняет свою пластичность после остывания: спираль можно снять, поправить, согнуть другим способом, т.е ее целесообразно использовать в тех случаях, когда намотка на керамическую трубу по каким-либо причинам невозможна, например, когда вы ставите намотанную спираль в узких керамических канавках.
Хромоникелевые сплавы могут работать в контакте с шамотом любой марки, не взаимодействуя с ним.

Форма поставки:

• в виде проволоки;
• в виде ленты;
• в заливах.

Расчет спирали из нихрома

Тем, кому очень часто приходится сталкиваться с заменой нихромовых ТЭНов и изготовлением самодельных катушек, будет известен несколько единый подход к проблеме самой намотки катушки, когда известен диаметр стержня обмотки и диаметр нихромовой проволоки.

Для расчета нихромовых катушек ниже 220В исходим из расчета, что удельное сопротивление нихрома равно — 1,1 х ОМ х мм²/м.

Исходя из этого, вы сможете быстро определить длину витка обмотки, которую нужно свернуть, в зависимости от толщины проволоки и диаметра стержня, используемого для намотки, на который вы будете наматывать спираль. Приведена таблица с длинами готовой намотки рулона и диаметрами стержней, используемых для намотки рулона в рулон.

0,2 мм	0,2 мм	0,3 мм	0,3 мм	0,4 мм	0,4 мм	0,5 мм	0,5 мм	0,6 мм	0,6 мм	0,7 мм	0,7 мм	0,8 мм	0,8 мм	0,9 мм	0,9 мм	1,0 мм	1,0 мм
Ø Стержень в мм	Длина Спирали в см	Ø Стержень в мм	Длина Спирали в см	Остров . Стержень в мм	Длина Спирали в см	Ø Стержень в мм	Длина Спирали в см	Ø Стержень в мм	Длина Спирали в см	Ø Стержень в мм	Длина Спирали в см	Ø Стержень в мм	Длина Спирали в см	Ø Стержень в мм	Длина Спирали в см	Ø Стержень 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	четыре	54	четыре	72	четыре	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	1. 3	5	18	5	24	6	26	6	30	6	34	8	31			8	33
				6	20			8	22	8	26	10	24			10	тридцать
										10	22

Вам просто нужна небольшая корректировка в зависимости от того, что у вас есть.

Если вы хотите рассчитать спираль на другое напряжение, это сделать несложно, например, нужно определить длину спирали на напряжение 127В из нихрома диаметром 0,3 мм, имея при этом стержень на намотка спирали диаметром 4 мм.

Из таблицы видно, что длина спирали для напряжения 220В составляет 22 см из этого и составляем пропорцию, где 220В = 22 см, а 127В = Х см. Отсюда 127В х 22/220В = 12,7см.

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

Фехралевые нагреватели

Нагреватели из фехрали (FеСгАl)

«Фехраль» (сплав Fe-Cr-Al) более прогрессивный материал, чем нихром, широко применяется в электропечах сопротивления, для всех отраслей промышленности (машиностроение, литейные и термические цеха, керамическое и стекольное производство, сушильные цеха). Нагреватели фехраля используются в электропечах до температуры 1400 °С. Они аналогичны материалу А-1 от KATHAL.

Преимущества фехралевых нагревателей по сравнению с нихромом:

• цена в три раза меньше, что в итоге приводит к удешевлению печи;
• больший срок службы при той же температуре эксплуатации, что и у нихрома (в зависимости от условий эксплуатации от двух до четырех раз);
• отсутствие накипи, вследствие чего спирали не нужно замыкать;
• более длительный срок службы для восстановительных атмосфер;
• более высокий удельный поверхностный эффект;
• меньшая плотность.

Совместное действие всех вышеперечисленных факторов приводит к значительному снижению массы нагревателя и в конечном итоге к снижению затрат.

Пластичность фехраля увеличивается с повышением температуры; при температуре 800-1000 °С сплавы легко деформируются под собственным весом, поэтому нагревательные элементы необходимо устанавливать на керамические трубы.

При нагреве до температуры 900-950°С и выше происходит быстрый рост зерна, что приводит к необратимому охрупчиванию металла, поэтому ремонт спиралей производят с большой осторожностью, не вынимая спираль из печи.

При температурах выше 1000 °С фехраль может работать только в контакте с высокоглиноземистыми огнеупорами (с содержанием оксида алюминия не менее 50%).

Работоспособность фехраля обеспечивается образующейся на его поверхности защитной пленкой Al2O3, поэтому при эксплуатации в неокислительных средах эту защитную пленку необходимо периодически обновлять путем отжига в окислительной среде (на воздухе).

Читайте также: Характер нагрузки потребителя электрической энергии в заявке

Форма поставки нагревателей из фехрали:

• в виде проволоки — фехралевая проволока;
• в бухтах;
• в виде спиралей разного диаметра, как на керамических трубах, так и без керамических труб — фехралевая спираль;
• в виде готовых нагревательных элементов, снабженных силовыми линиями из того же материала, но большего диаметра, с керамическими монтажными изоляторами и монтажной арматурой — фекальные нагреватели.

Алгоритм расчёта для однофазных установок

Расчет нихромовой катушки следует проводить поэтапно, используя исходные данные о нагревателе: требуемую мощность и марку нихрома.

Мощность одной секции:

Рс = Р/(мн)

Р — мощность установки, Вт;

m — количество фаз, для одной фазы m = 1;

n — количество секций в одной фазе, для установок мощностью ок. 1 кВт n = 1.

Рабочий ток для нагревательной секции:

Ic = Ps/(Un)

U — напряжение сети, для однофазных установок U = 220 В

Расчетная температура проволоки:

θр = θd/(Км·Кс)

θd — допустимая рабочая температура, выбираемая по таблице 1 в зависимости от материала, °С.

Таблица 1 – Параметры материалов для электронагревателей.

Материал	Удельное сопротивление при 20 °С, х10-6 Ом·м	Температурный коэффициент сопротивления, х10 — 6 °С -1	Допустимая рабочая температура, °С	Температура плавления, °С
Нихром двойной (Х20Н80-Н)	1.1	16,5	1200	1400
Нихром тройной (Х15Н60-Н)	1.1	16,3	1100	1390

Km – коэффициент установки, выбираемый по таблице 2 в зависимости от конструкции.

Таблица 2 — Монтажный коэффициент для некоторых типов исполнения отопителя в стоячем воздушном потоке.

Конструкция нагревателя	Км
Провод в горизонтальном положении	1,0
Спиральный провод без теплоизоляции	0,8 — 0,9
Спираль проволоки на огнеупорном каркасе	0,7
Проволока на огнеупорном каркасе	0,6 — 0,7
Термическое сопротивление между двумя слоями теплоизоляции	0,5
Нагревательные резисторы с хорошей теплоизоляцией	0,3 — 0,4

Роль установочного коэффициента заключается в том, что он позволяет учесть повышение температуры нагревателя в реальных условиях по сравнению с данными справочной таблицы.

Kc – фактор окружающей среды, определяемый по табл. 3.

Таблица 3 – Поправочный коэффициент для определенных условий окружающей среды.

Условия окружающей среды	Кс
Спираль проволоки в воздушном потоке со скоростью движения, м/с
3	1,8
5	2.1
10	3.1
Нагревательный элемент в стоячей воде	2,5
Нагревательный элемент в потоке воды	3,0–3,5

Фактор окружающей среды корректирует улучшенную теплопередачу из-за условий окружающей среды. Поэтому фактические результаты расчетов будут незначительно отличаться от табличных значений.

Диаметр d, мм и площадь поперечного сечения S, мм 2 выбираются в зависимости от рабочего тока и расчетной температуры из таблицы 4

Таблица 4 — Допустимая нагрузка на нихромовую проволоку при 20 °С, подвешенную горизонтально в неподвижном воздухе.

Длина провода одной секции:

L = (U f2S * 10-6)/(ρ 20 1 + α (θ p -20) Ps x103)

ρ 20 — удельное сопротивление при температуре 20°С, выбранное из таблицы 1;

α — температурный коэффициент сопротивления, определяемый по соответствующему столбцу таблицы 1.

Диаметр спирали:

D = (6…10) d, мм.

Определить шаг спирали:

h = (2…4) d, мм

Шаг спирали влияет на производительность работы. При более высоких значениях теплоотдача увеличивается.

Количество оборотов в спирали

B = (lx103)/(√h2+(πD)2)

Длина спирали:

L = высота Вт x 10-3

Если назначением проволочного нагревателя является повышение температуры жидкости, рабочий ток увеличивают в 1,5 раза от расчетного значения. При расчете нагревателя закрытого типа рекомендуется уменьшить рабочий ток в 1,2 раза.

Классификация нагревателей по температуре

Обогреватели по максимально допустимой температуре делятся на пять классов:

1. 200°С. В этом диапазоне температур чаще всего используются трубчатые электронагреватели. Для поддержания оптимальной температуры в рабочем помещении при установке нагревательных элементов необходимо учитывать их правильное расположение.
2. от 200 до 400°С. Используются ленточные нагреватели. Для создания необходимой температуры в рабочей камере они охватывают всю окружность.
3. от 400 до 600° C. Нагревательный материал должен быть только элементом сопротивления с высоким сопротивлением. Распространенными являются константан, фехраль, нихром. Для обеспечения нужной температуры обогреватель должен быть открыт для воздуха. Поэтому его размещают внутри или снаружи трубы.
4. От 600 до 1250°С. Нихром применяют в печах старого образца. Но в этом диапазоне температур он значительно уступает сплаву алюминия, железа и хрома (фехралю). Поэтому в более современных моделях печей нихром заменен на фехраль.
5. От 1250 до 1700°С. Высокотемпературные нагреватели изготавливаются из дисилицида молибдена, карбида кремния. Основным недостатком обогревателей является их дефицитность и высокая стоимость.

Применение нихромовой проволоки

Главное качество нихрома — высокая стойкость к электрическому току. Он определяет степень сплава. Нихромовая катушка используется в двух качествах — как нагревательный элемент или как материал для электрического сопротивления электрических цепей.

Для нагревателей используется электрическая катушка из сплавов Х20Н80-Н и Х15Н60-Н. Примеры применения:

• бытовые теплоотражатели и тепловентиляторы;
• ТЭНы для бытовых приборов отопления и электрообогрева;
• нагреватели для промышленных печей и термического оборудования.

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

Катушка из нихрома марок Х15Н60, Х20Н80, Х20Н80-ВИ отличается тем, что ее электрическое сопротивление мало изменяется с температурой. Из него изготавливают резисторы, контакты электронных схем, ответственные детали вакуумных приборов.

Устройство и ремонт электрического паяльника

Электрический паяльник — это ручной инструмент, предназначенный для скрепления деталей между собой с помощью мягких припоев, путем нагревания припоя до жидкого состояния и заполнения им зазора между спаиваемыми деталями.

Электрическая схема паяльника

Как видно на рисунке, электрическая схема паяльника очень проста, состоит всего из трех элементов: вилки, гибкого электрического провода и нихромовой катушки.

Как видно из схемы паяльник не имеет возможности регулировки температуры нагрева жала.

И даже если мощность паяльника подобрана правильно, все равно не факт, что температура жала будет необходима для пайки, так как длина жала со временем уменьшается из-за его постоянного пополнения, припои тоже имеют разную температуры плавления.

Поэтому для поддержания оптимальной температуры жала необходимо его подключение через тиристорные регуляторы мощности с ручной регулировкой и автоматическим поддержанием заданной температуры жала.

Устройство паяльника

Паяльник представляет собой красный медный стержень, который нагревается нихромовой спиралью до температуры плавления припоя. Стержень паяльника изготовлен из меди из-за ее высокой теплопроводности.

Ведь при пайке нужно быстро передавать тепло жалом паяльника от нагревательного элемента. Конец стержня имеет форму клина, является рабочей частью паяльника и называется жалом. Стержень вставляется в стальную трубку, обернутую слюдой или стекловолокном.

Слюда обмотана нихромовой проволокой, выполняющей роль нагревательного элемента.

Поверх нихрома наматывается слой слюды или асбеста, который служит для уменьшения потерь тепла и электрической изоляции нихромовой катушки от металлического тела припоя.

Концы нихромовой катушки соединяют с медными жилами электрического провода с вилкой на конце. Для обеспечения надежности этого соединения концы нихромовой спирали загнуты и сложены пополам, что снижает нагрев в месте соединения с медным проводом.

Кроме того, соединение обжимается металлической пластиной, лучше всего обжимать алюминиевой пластиной, которая обладает высокой теплопроводностью и будет эффективнее отводить тепло от места соединения.

Для электроизоляции в месте соединения укладывают трубы из термостойкого изоляционного материала, стеклопластика или слюды.

Медный стержень и нихромовая спираль закрыты металлическим корпусом, состоящим из двух половинок или цельной трубки, как на картинке. Корпус припоя на трубе фиксируется колпачковыми кольцами. Для предохранения руки человека от ожогов на трубу крепится ручка из материала, плохо видящего тепло, дерева или термостойкого пластика.

Когда штекер припоя вставляется в розетку, электрический ток течет к нихромовому нагревательному элементу, который нагревается и передает тепло медному стержню. Паяльник готов к пайке.

Маломощные транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, микросхемы и тонкие провода припаиваются паяльником мощностью 12 Вт. Паяльники мощностью 40 и 60 Вт используются для пайки мощных и крупногабаритных радиодеталей, толстых проводов и мелких деталей. Для пайки крупных деталей, например теплообменников газовых колонок, нужен паяльник мощностью от ста и более ватт.

Напряжение питания паяльников

Электропаяльники выпускаются на напряжение сети 12, 24, 36, 42 и 220 В, и на это есть свои причины. Самое главное — безопасность человека, второе — напряжение сети в месте проведения паяльных работ.

На производстве, где все оборудование заземлено и имеется повышенная влажность, допускается применение паяльников напряжением не более 36 В, при этом корпус паяльника должен быть заземлен.

Бортовая сеть мотоцикла имеет постоянное напряжение 6 В, легкового автомобиля — 12 В, грузового автомобиля — 24 В. В авиации используется сеть с частотой 400 Гц и напряжением 27 В.

Есть и конструктивные ограничения, например, паяльник мощностью 12 Вт сложно сделать на напряжение питания 220 В, так как спираль надо наматывать из очень тонкого провода и поэтому будет намотано много слоев, паяльник будет оказаться большой, не практично слишком мало работы.

Так как обмотка паяльника намотана из нихромовой проволоки, он может питаться как переменным, так и постоянным напряжением. Главное, чтобы напряжение питания соответствовало напряжению, на которое рассчитан паяльник.

Мощность нагрева паяльников

Электропаяльники бывают 12, 20, 40, 60, 100 Вт и более. И это тоже не случайно. Для того чтобы припой хорошо растекался по поверхностям спаиваемых деталей при пайке, их необходимо нагреть до температуры, несколько превышающей температуру плавления оловянного припоя.

При контакте с деталью тепло передается от наконечника к детали, и температура наконечника падает. Если диаметр жала паяльника недостаточен или мощность нагревательного элемента мала, жало не сможет нагреться до заданной температуры после выделения тепла, и паять будет невозможно.

В лучшем случае вы получите рыхлый и непрочный припой.

Более мощный паяльник может паять мелкие детали, но есть проблема труднодоступности места пайки.

Например, как впаять микросхему с шагом 1,25 мм в плату с жалом паяльника 5 мм? Правда выход есть, на такое жало наматывают несколько витков медного провода диаметром 1 мм и припаивают к концу этого провода. Но размеры паяльника делают эту работу практически невыполнимой.

Как навить спираль из нихрома

Резистивный или нагревательный змеевик можно сделать дома. Для этого понадобится нихромовая проволока подходящей марки и правильный расчет необходимой длины.

Расчет нихромовой катушки производится исходя из удельного сопротивления проволоки и требуемой мощности или сопротивления в зависимости от назначения катушки. При расчете мощности необходимо учитывать максимально допустимый ток, при котором катушка нагревается до определенной температуры.

Параметры, способствующие неполадкам

Наибольшая вероятность выхода из строя электронагревателей из-за окисления поверхности нагревательного сопротивления.

Факторы, влияющие на скорость разрушения утеплителя:

• рабочая температура;
• условия окружающей среды, в которых работает обогреватель;
• частота переключения.

В связи с тем, что электронагревательные установки работают за пределами допустимых значений этих параметров, наиболее часто возникают поломки: обгорание контактов, нарушение механической прочности нихромовой проволоки.