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

РАСЧЁТ ПРОВОЛОЧНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ

Расчёт проволочного нагревателя нужен в первую очередь для определения потребного источника питания, то есть таких его параметров как напряжение и ток, ну и как следствие – мощности.

Хочу обратить ваше внимание, что существую онлайн-калькуляторы для расчёта сопротивления и остальных параметров проволочного нагревателя (примеры: раз, два)

Вот огромная подробная статья с расчётом ниромовых нагревателей.

Есть много различных сплавов с высоким удельным сопротивлением, из которых можно делать нагреватели. В нашем примере рассмотрим нихром и кантал. Для простоты расчётов ниже приведена таблица, содержащая в себе отношение диаметра проволоки к её сопротивлению на 1 метр (Ом/м).

Чтобы найти полное сопротивление отрезка проволоки, нужно:

1. Определить (задать) диаметр проволоки и её материал (это можно сделать при покупке =)
2. Согласно полученным (заданным) данным, найти его сопротивление (Ом/м) из таблицы
3. Умножить длину отрезка проволоки (в метрах!) на удельное, в итоге получится величина сопротивления (Ом).

Проделав эти шаги в обратной последовательности, можно найти ДЛИНУ проволоки, зная её сопротивление, и варьируя ПЛОЩАДЬ СЕЧЕНИЯ.

Зная сопротивление, можно “подключить” нашу проволоку к источнику питания, чтобы найти потребляемый ток. По закону Ома (I=U/R) ток равен напряжение (в Вольтах) / сопротивление (в Омах), на выходе получится ток в Амперах. Это нужно в такой ситуации: у вас есть блок питания например на 12 вольт и максимум на 3 Ампера. И вам нужно проверить, не будет ли ток от вашего нагревателя превышать максимальный допустимый ток с блока питания. Чтобы найти мощность нагревателя в Ваттах, нужно умножить ток на напряжение (P=U*I), где P – электрическая мощность в Ваттах.

Обратная задача: спроектировать нагреватель заданной мощности. Например, для стульчака с подогревом нужно около 30 Ватт.

1. Зададимся источником питания, пусть это будет БП на 12 Вольт от светодиодной ленты.
2. Смотрим, какой будет ток: I=P/U=30/12

2.5 Ампер. Значит, нужен блок питания как минимум на 3 Ампера, чтобы был запас по току.

Ещё одно важное дополнение: при последовательном соединении нагревателей их сопротивление складывается (R1+R2+R3…..). А вот при параллельном – складывается очень хитро.

Надеюсь данная статья будет полезна желающим разобраться “в сути вещей”. А так конечно можно использовать готовые калькуляторы =)

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.

Калькулятор расчета потерь напряжения

Расчет электрической цепи

Онлайн калькулятор расчета трансформатора

Расчет мощности ТЭНа

Калькулятор расчёта сечения кабеля

Онлайн калькулятор расчета тока по мощности

Как рассчитать длину нихромовой проволоки

Основные сведения и марки нихрома

Нихромом называют сплав никеля и хрома с добавками марганца, кремния, железа, алюминия. У этого материала параметры зависят от конкретного соотношения веществ в сплаве, но в среднем лежат в пределах:

• удельное электрическое сопротивление — 1,05-1,4 Ом*мм 2 /м (в зависимости от марки сплава);
• температурный коэффициент сопротивления — (0,1-0,25)·10 −3 К −1 ;
• рабочая температура — 1100 °C;
• температура плавления — 1400°C;

В таблицах удельное сопротивление часто приводится в мкОм*м (или 10 -6 Ом*м) – численно значения те же, разница в размерности.

В настоящее время есть две самых распространённых марки нихромовой проволоки:

• Х20Н80. Состоит на 74% из никеля и на 23% хрома, а также по 1% железа, кремния и марганца. Проводники этой марки можно использовать при температуре до 1250 ᵒ С, температура плавления – 1400 ᵒ С. Также он отличается повышенным электросопротивлением. Сплав применяют для изготовления элементов нагревательных приборов. Удельное сопротивление – 1,03-1,18 мкОм·м;
• Х15Н60. Состав: 60% никеля, 25% железа, 15% хрома. Рабочая температура не более 1150 ᵒ С. Температура плавления – 1390 ᵒ С. Содержит больше железа, что повышает магнитные свойства сплава и увеличивает его антикоррозийную устойчивость.

Более подробно о марках и свойствах этих сплавов вы узнаете из ГОСТ 10994-74, ГОСТ 8803-89, ГОСТ 12766.1-90 и других.

Как уже было сказано, нихромовая проволока применяется повсеместно где нужны нагревательные элементы. Высокое удельное сопротивление и температура плавления позволяют использовать нихром в качестве основы для разных нагревательных элементов, начиная от чайника или фена, заканчивая муфельной печью.

Методики расчета

По сопротивлению

Давайте разберемся как рассчитать длину нихромовой проволоки по мощности и сопротивлению. Расчёт начинается с определения требуемой мощности. Представим, что, нам нужна нить из нихрома для паяльника малых размеров мощностью в 10 Ватт, который будет работать от блока питания на 12В. Для этого у нас есть проволока диаметром 0.12 мм.

Простейший расчет длины нихрома по мощности без учета нагрева выполняется так:

Определим силу тока:

Расчет сопротивления нихромовой проволоки проводим по закону Ома:

Длина проволоки равна:

где S – площадь поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление.

Или по такой формуле:

Но сначала нужно рассчитать удельное сопротивление для нихромовой проволоки диаметром 0.12мм. Оно зависит от диаметра – чем он больше, тем меньше сопротивление.

Тоже самое можно взять из ГОСТ 12766.1-90 табл. 8, где указана величина в 95.6 Ом/м, если по ней пересчитать, то получится почти тоже самое:

Для нагревателя мощностью 10 ватт, который питается от 12В, нужно 15.1см.

Если вам нужно выполнить расчет числа витков спирали, чтобы её свить из нихромовой проволоки такой длины, то используйте следующие формулы:

Длина одного витка:

где L и d – длина и диаметр проволоки, D – диаметр стержня на котором будут мотать спираль.

Допустим мы будем мотать нихромовую проволоку на стержень диаметром 3 мм, тогда расчеты проводим в миллиметрах:

Но при этом нужно учитывать, способен ли вообще нихром такого сечения выдержать этот ток. Подробные таблицы для определения максимального допустимого тока при определенной температуре для конкретных сечений приведены ниже. Простыми словами – вы определяете, до скольки градусов должна греться проволока и выбираете её сечение для расчётного тока.

Также учтите, что если нагреватель находится внутри жидкости, то ток можно увеличить в 1.2-1.5 раз, а если в замкнутом пространстве, то наоборот – уменьшить.

По температуре

Проблема приведенного выше расчёта в том, что мы считаем сопротивление холодной спирали по диаметру нихромовой нити и её длине. Но оно зависит от температуры, при этом же нужно учитывать при каких условиях получится её достичь. Если для резки пенопласта или для обогревателя такой расчет еще применим, то для муфельной печи он будет слишком грубым.

Приведем пример расчетов нихрома для печи.

Сначала определяют её объём, допустим 50 литров, далее определяют мощность, для этого есть эмпирическое правило:

• до 50 литров – 100Вт/л;
• 100-500 литров – 50-70 Вт/л.

Тогда в нашем случае:

Дальше считаем силу тока и сопротивление:

Для 380В при подключении спиралей звездой, расчет будет следующим.

Делим мощность на 3 фазы:

Pф=5/3=1,66 кВт на фазу

При подключении звездой, к каждой ветви прикладывается 220В (фазное напряжение, может отличаться в зависимости от вашей электроустановки), тогда ток:

Для соединения треугольником рассчитываем по линейному напряжению 380В:

Для определения диаметра учитывают удельную поверхностную мощность нагревателя. Рассчитаем длину, удельные сопротивления берем с табл. 8. ГОСТ 12766.1-90, но прежде определим диаметр.

Для расчета удельной поверхностной мощности печи используют формулу.

Bэф (зависит от теплопринимающей поверхности) и a (коэф. Эффективности излучения) – выбираются по следующим таблицам.

Итак, для нагрева печи до 1000 градусов, возьмём температуру спирали в 1100 градусов, тогда по таблице подбора В_эф выбираем значение в 4,3 Вт/см 2 , а по таблице подбора коэффициента а – 0,2.

Диаметр определяют по формуле:

р_т – удельное сопротивление материала нагревателя при заданной t, определяется по ГОСТ 12766.1, таблица 9 (приведена ниже).

Для нихрома Х80Н20 – 1,025

Тогда для подключения к трёхфазной сети по схеме «Звезда»:

Длина рассчитывается по формуле:

Значения отличаются из-за высокой температуры спирали, проверка не учитывает ряда факторов. Поэтому примем за длину 1 спирали – 42м, тогда для трёх спиралей нужно 126 метров нихрома 1,3 мм.

Заключение

Таким образом вы можете посчитать длину проволоки для нихромовой спирали и определить нужный диаметр по мощности, сечению и температуре. Важно при этом учитывать:

• условия окружающей среды;
• расположение нагревательных элементов;
• температуру спиралей;
• температуру, до которой должна нагреться поверхность и другие факторы.

Даже приведенный расчет, несмотря на его сложность, нельзя назвать достаточно точным. Потому что расчет нагревательных элементов — это сплошная термодинамика и можно привести еще ряд факторов, которые влияют на его результаты, например, теплоизоляцию печи и прочее.

На практике после оценочных подсчетов спирали добавляют или убирают в зависимости от полученного результата или используют температурные датчики и устройства для её регулировки.

Расчет проволочного нагревателя для печи

Компания Электронагрев производит нагреватели в основе которых используются проволочные или ленточные (нихромовые/фехралевые) греющие элементы. Сегодня мы производим нагреватели проволочного типа для высокотемпературных печей сопротивления. К устройству нагрева при этом предъявляется следующие требования:

низкий коэффициент сопротивления;

высокое удельное сопротивление;

устойчивость к перепадам температур.

Наиболее часто для печей сопротивления применяют нихромовые сплавы по составу Х20Н80, Х20Н80-Н и пр, фехралевые сплавы Х23Ю5Т, Х23Ю5 и пр. Нихромовые и фехралевые нагреватели имеют технологические и производственные отличия по применению, монтажу и эксплуатации.

Просчитать параметры проволочного нагревателя для термопечей можно по нескольким примерам, в основе которых лежат разные задачи и уже имеющиеся характеристики печной установки и фазы тока. Изначально, приступим к самой примитивной задаче, вычислению таких характеристик как диаметр и длина спирально проволочного нагревателя для печи, для которой уже определена рабочая мощность.

Пример расчета необходимых параметров нихромового нагревателя проволочного типа с маркировкой Х20Н80 по предоставленным параметрам:

Мощность нагрева Р = 1200 Вт;

Сетевое напряжение питания U = 230 В;

Температурная подача нагревательного элемента – 500 °C.

1. Для начала нужно вычислить силу тока проходящую или расчетную по формуле:

2. После этого нужно рассчитать сопротивление нагревателя:

После расчета силы тока высчитываем необходимый диаметр проволоки. Для нагревательного элемента, по которому проходит сила тока более 6 Ампер, полагаясь на табличные данные, проволока должна иметь диаметр сечения 0,55 мм. Поэтому, по рассчитанным нами параметров силы тока в 5.2 А и рабочей температуры в 800°C греющая проволока должна иметь диаметр не менее 0,6 мм, а поперечное сечение ее составлять площадь 0,283 м.кв.

Основное правило расчета диаметра проволочного нагревателя – это подбор проволоки, которая имеет силу тока не меньше расчетной по заданной формуле. Но также стоит помнить, что для минимального расходования нагревающего материала необходимо выбрать проволочный элемент с ближайшими данными по силе проходящего тока.

Далее делаем вычисления по длине нагревательного элемента:

И, соответственно, высчитаем длину самого проволочного нагревателя:

l = R • S / ρ = 44 • 0,283 / 1,11 = 9.43 м.

В предоставленном примере расчета функцию нагревательного элемента выполняет проволока из сплава нихрома диаметром 0,6 мм. По ГОСТу 12766.1-90 значение удельного электросопротивления нихромовой проволоки маркой Х20Н80 имеет следующие показатели:

1,1 Ом • мм2 / м (ρ = 1,1 Ом • мм2/ м).

Результатом вычислений выявляет, что требуемая длина нихромовой проволоки составляет 9.43 м при диаметре – 0,6 мм.

Следующие расчет параметров считается более усложненным. На этом этапе мы уже учитываем дополнительные технические особенности нагревателей. Расчет будет проводиться на примере электропечи. В качестве исходных данных возьмем внутренние параметры печной установки.

1. Первое, что необходимо сделать – посчитать объем камеры внутри печи. В данном случае возьмем h = 520 мм, d = 420 мм и l = 420 мм (высота, ширина и глубина соответственно). Таким образом, получаем объем V = h • d • l = 520• 420 • 420 = 92 • 10 6 мм

2. Далее необходимо определить мощность, которую должна выдавать печь. Мощность определяется эмпирическим правилом. Электрическая печь объемом 30 – 100 литров обладает удельной мощностью 100 Вт/л. Мощность нагревателя для такой установки должна высчитываться по следующей формуле: P = 100 • 92 = 9200 Вт = 9.2 КВт.

Стоит отметить, что при мощности 5-10 кВт нагреватели стандартно производят однофазными. При больших мощностях, чтобы обеспечить равномерную загрузку сети нагреватели создают трехфазными.

3. Затем нужно найти силу тока, проходящего через нагреватель по формуле I = P / U.

Чтобы развязать данную производственную задачу можно использовать один из двух способов подключения:

К бытовой однофазной сети – U = 230 В;

К промышленной сети трехфазного тока – U = 230 В (между нулевым проводом и фазой) или

U = 380 В (между любыми двумя фазами тока).

Однофазная сеть (бытовая).

I = P / U = 9200/230 = 40 А – вычисляем ситу тока, который проходит через нагреватель.

Далее нам нужно узнать сопротивление нагревателя действующего в печи сопротивления.

R = U / I = 230/40= 5.75 Ом.

Промышленная сеть трехфазного тока

В данной сети нагрузка тока в равномерном порядке распределяется на все имеющиеся фазы, а именно 9.2 / 3 = 3.1 кВт на каждую фазу. Исходя из этого, мы понимаем, что в наличии у нас должно быть три нагревателя. Затем следует выбрать способ, по которому произведем подключение. Существует два метода подключения нагревателей в решении данной задачи: «ЗВЕЗДА» или «ТРЕУГОЛЬНИК».

При подключении по типу “ЗВЕЗДА” нагреватель подключается между фазой и нулем. Напряжение на выводах подключеня нагревателя будет U = 230 В.

Ток, проходящий через нагреватель –

I = P / U = 3100 / 230 = 13.5 А.

Сопротивление одного нагревателя –

R = U / I = 230 / 13.5 = 17.04 Ом.

При подключении типа “ТРЕУГОЛЬНИК” нагреватель подключается между двумя фазами. Напряжение на концах нагревающего элемента будет составлять U = 380 В.

Ток, проходящий через нагреватель –

I = P / U = 3100 / 380 = 8.16 А.

Расчет сопротивления одного из трех нагревателей –

R = U / I = 380/ 8.16 = 46.6 Ом.

Вычислив сопротивление необходимо подобрать диаметр и длину проволоки. Но, перед тем как приступить к решению этой задачи придется найти значения удельной поверхностной мощности нагревателя, т.е. мощности, которая выделяется с единицы площади.

На величину поверхностной мощности устройства производящего нагрев влияют несколько факторов:

Изначальная температура объекта обогревания;

Параметры нагревательного устройства.

Для каждого материала зависимо от требуемой термической обработки существует свое определенное допустимое значение поверхностной мощности. Эти значения можно определить с помощью специальных таблиц или графиков.

Для печей с подачей высоких температур (более 700 – 800°С) допустимая поверхностная мощность, Вт/м2, равна βдоп = βэф • α, где βэф – поверхностная мощность нагревателей в зависимости от температуры тепловоспринимающей среды [Вт / м2], α – коэффициент эффективности излучения.

βэф выбирается с помощью специальной таблицы.

Если печь низкотемпературная (температура менее 200 – 300°С), то допустимую поверхностную мощность можно считать равной (4 – 6) • 104 Вт/м 2 .

Предположим, что температура нагревателя 900 °С, и хотим нагреть заготовку до температуры 800°С. Тогда с помощью таблиц подбираем βэф = 2.65 Вт/см2, α = 0,2, βдоп = βэф • α = 2.65 • 0,2 = 0.53 Вт/см2=0.53 • 10 4 Вт/м2.

После определения допустимой поверхностной мощности нагревателя необходимо найти его диаметр (для проволочных нагревателей) или ширину и толщину (для ленточных нагревателей), а также длину. Диаметр проволоки можно определить по следующей формуле:

Длину проволоки можно определить по следующей формуле:

Полагаясь на уже имеющиеся данные можно с легкость определить подключения к сети однофазного и трехфазного тока. Можно сразу обозначить, что для «Звезды» требуется проволока с большим диаметром, чем для «Треугольника», чтобы обеспечить мощность в 9.2 кВт. При этом длина проволоки при подключении по типу «Звезда» должна быть меньшей, чем для типа «Треугольник», а требуемая масса наоборот больше.

Для эксплуатации рассчитанной нихромовой проволоки из нее нужно создать спираль. Диаметры спирали нагревателя принимаются равными:

D = (7 ÷ 10) ⋅ d – для сплавов из никеля и хрома.

D = (4÷6) ⋅d – для хромоалюминиевых сплавов.

Для устранения перегревов, спираль нужно растянуть так, чтобы расстояние между витками было в полтора раза больше, чем имеющийся диаметр самого нагревательного элемента. Также стоит помнить, что кроме проволоки, в качестве нагревателей можно использовать и ленту. Кроме выбора размера проволоки, стоит учитывать материал нагревателя, тип, расположение.

Расчет параметров электронагревателей для печи, расчет нихромовой спирали

В работе электрической печи одним из самых ключевых элементов является нагреватель. Именно за счет него печь вырабатывает необходимые температуры. От качества нагревательного элемента еще зависит и работоспособность печной установки в целом. По этой причине выбранный нагреватель должен строго соответствовать определенным требованиям, которые будут указаны далее.

Качества, которыми должен обладать электронагреватель для печи:

Нагревательный элемент должен обладать высокой жаростойкостью и прочностью в условиях повышенной температуры.

Материал нагревателя должен обладать высоким удельным сопротивлением. От данного критерия зависит максимальная способность нагрева. Зачастую в качестве таких материалов используют сплавы нихрома и фехрали, которые характеризуются как прецизионные.

Невысокий коэффициент температуры сопротивления важный критерий при выборе сплава для нагревательного устройства. Если данный показатель высокий придется использовать трансформатор для понижения напряжения на начальном этапе работы. Физические характеристики сплавов электронагревателя должны быть постоянными. Некоторые материалы, такие как карборунд, являющийся неметаллическим нагревателем, могут со временем изменять свои физические свойства, включая электросопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Для стабилизации сопротивления используют трансформаторы с большим числом ступеней и диапазоном напряжения.

Металлические материалы должны иметь хорошие технологические свойства, а именно: пластичность и свариваемость, чтобы изготавливать их них ленты или проволоку. Из лент в дальнейшем можно производить элементы сложной конфигурации. Нагреватели также могут быть изготовлены из неметаллического сырья. Неметаллические нагреватели прессуют, или отливают, превращая в готовый продукт.

Материалы для производства нагревателей

Самыми подходящими и наиболее применяемыми при изготовлении нагревателей для электропечей являются прецизионные сплавы с высоким электросопротивлением. К ним относят сплавы на основе хрома и никеля (никель-хром), железа, хрома и алюминия (железо-хром-алюминий). Марки и свойства этих сплавов учтены в ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные». Представителями никель – хромовых сплавов являются нихром марок X20H80, X20H80-H (950-1200°C), X15H60, X15H60-H (900-1125°C), феррохромоалюминий – фехраль марок H23YU5T (950-1400). ° С), Х27Ю5Т (950-1350 ° С), Х23Ю5 (950-1200 ° С), Х15Ю5 (750-1000 ° С). Существуют также железо-хромоникелевые сплавы – Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.

Достоинства нихрома:

Отличные механические свойства, как при низких, так и при высоких температурах;

Имеет хорошие технологические свойства;

Хорошо поддается обработке;

Не устаревает, немагнитится.

Недостатки нихрома:

Рабочие температуры ниже, чем у фехраля;

Сравнительно с никелем недорогой;

Недостатки фехрали:

Низкое сопротивление ползучести;

Удлиняется при нагреве.

Расчет нагревателей электрических печей

Как правило, в качестве исходных данных для определения параметров электронагревателя для печи берется его необходимая мощность, максимальные показатели вырабатываемой температуры и параметры рабочего пространства. Если мощность печной установки не известна, то ее определяют по эмпирическому правилу. При расчете нагревательных элементов важно определить диаметр и длину (для проволоки) или площадь поперечного сечения и длину (для ленты), которые необходимы для производства нагревательных элементов. Нужно сразу определить и материал, из которого будут изготавливаться нагреватели. Мы же будем рассматривать хромоникелевый сплав Х20Н80.

Вычисление диаметра и длины электронагревателя (проволоки из нихрома) для имеющейся мощности простым способом

Но, такой расчет имеет одну особенность, о которой будет рассказано далее.

Пример вычисления длины и диаметра нагревательной проволоки

Оборудование имеет мощность P = 1200 Вт; подключается к сети с напряжением U = 240 В; нагреватель подает температуру 900 °C. В качестве нагревателя применен нихром маркировкой Х20Н80

1. В первую очередь нам необходимо определить силу тока, проходящую через элемент нагрева, подставляя имеющиеся данные:

I = P / U = 1200 / 240 = 5 А.

2. Затем находим сопротивление нагревательной проволоки:

R = U / I = 240 / 5 = 48 Ом;

3. Имея значения силы тока, которая проходит по нагревательной проволоке, высчитываем диаметр нагревательного элемента. Это очень важный момент. К примеру, если сила тока составляет 10 А нихромовая проволока диаметром 0,5 мм сразу же перегорит. Высчитав силу тока, следует из специальной таблицы расчета, которая предоставлена в открытом доступе, подобрать соответствующее значение диаметра проволоки. Исходя из нашего примера, где сила тока составляет 5 А, а термическая подача от нагревателя — 900 °C диаметр нагревателя должен составлять d = 0,4 мм. Площадь поперечного сечения S = 0,126 мм2.

Если нагревательное устройство будет эксплуатироваться в жидкостной среде, то нагрузка может быть увеличена в полтора раза.

В условиях закрытой эксплуатации, как в случае использования электропечи, нагрузка должна наоборот уменьшаться в полтора раза.

4. Следующим шагом будет определение длины нихромового элемента нагрева по формуле:

где R – электросопротивление нагревательной проволоки [Ом], ρ – удельное электросопротивление материала нагревательного элемента [Ом · мм2 / м], l – длина [мм], S – площадь поперечного сечения [мм2].

Подставляем свои данные и получаем:

l = R · S / ρ = 48 · 0,126 / 1,11 = 5,44 м.

В этом примере нагреватель имеет диаметр Ø 0,4 мм, что соответствует ГОСТ 12766.1-90. Номинальное значение удельного электросопротивления нихромового проводника марки Х20Н80 составляет 1,1 Ом · мм2 / м (ρ = 1,1 Ом · мм2 / м), см. табл.

Удельное электрическое сопротивление нихрома (номинальное значение).

Удельное сопротивление, мкОм*м

Вычисление параметров диаметра и длины нихромового проводника для заданной электропечи (более сложный и подробный расчет)

В данном случае будут учтены дополнительные параметры нагревательной проволоки и ее подключение к трехфазной сети. В качестве исходных данных будут взяты внутренние размеры электропечи.

1. В первую очередь определяется внутренний объем камеры печной установки. К примеру: h = 530 мм, d = 420 мм и l = 420 мм (высота, ширина и глубина). Таким образом, получаем объем V = h · d · l = 530· 420 · 420 = 93,4 · 10 6 мм3 = 93,4 л (мера объема).

2. На следующем этапе вычисляется мощность печи, которая будет определяться по эмпирическому правилу: для печной установки объемом 10 – 50 литров удельная мощность составляет 100 Вт/л (Ватт на литр объема), объемом 100 – 500 литров – 50 – 70 Вт/л.

В качестве примера приведем печь с мощностью 100 Вт/л и сразу высчитаем, что мощность элемента нагрева должна составить P = 100 • 93,4 = 9340 Вт = 9,34 КВт. Такие печи предназначаются для однофазной сети. Если нагрузки значительно выше, то такое оборудование предназначается для трехфазного подключения.

3. Далее определяем силу тока, которая будет проходить через нагревательную проволоку по формуле: I = P / U

где P – мощность нагревательной проволоки,

U – напряжение нагревателя между концами,

и его сопротивление R = U / I.

Подключение при указанных параметрах может происходить по одному из следующих способов:

К однофазному току бытовой сети — 220 В;

К промышленной трехфазной сети 220 В (между нулевым проводом и фазой) или U = 380 В (между двумя любыми фазами).

Бытовая сеть однофазного тока

I = P / U = 9340 / 220 = 42,5 А – ток протекающий через нагревательную проволоку.

Определение сопротивления электронагреватели для печи.

R = U / I = 220 / 42,5 = 5,18 Ом.

Промышленная сеть трехфазного тока

Обратите внимание, что применяемые формулы для определения силы тока и сопротивления к трехфазной сети не классические. Мы их подобрали для упрощения расчетов. Точность полученных данных не искажена.

Ток, который проходит по нагревателю:

I = P / U = 3113 / 220 = 14,15 А.

Сопротивление одного нагревательного элемента:

R = U / I = 220 / 14,15 = 15,54 Ом.

При использовании схемы “ТРЕУГОЛЬНИК” нагревательный элемент подключают между двумя фазами и напряжение на его концах — 380 В.

Ток, который проходит по нагревателю:

I = P / U = 3113 / 380 = 8,19 А.

Сопротивление одного нагревательного элемента:

R = U / I = 380/ 8,19 = 46,4 Ом.

4. Определив сопротивление нагревательной проволоки для соответствующего типа подключения к сети далее нужно вычислить диаметр и длину проволоки.

Удельная поверхностная мощность

В предыдущих расчетах мы определили сопротивление электронагревателя. Для печной установки в 93,4 литра, которая включается в однофазную сеть сопротивление равно R = 5,18 Ом. Для примера подберем нихромовый сплав маркировкой Х20Н80 диаметром 1 мм. Для получения требуемого сопротивления, нужно: l = R / = 5,18 / 1,4 = 3,7 м нихромовой проволоки, где – номинальное значение электрического сопротивления 1 м проволоки по ГОСТ 12766.1-90, [Ом/м].

Масса имеющегося отрезка проводника составит m = l · = 3,7 · 0,007 = 0,0259 кг = 26 г, где – масса 1 м проволоки. Затем определяем площадь поверхности отрезка проводника из нихромового сплава длиной 3,7 м. S = l · · d = 370 · 3,14 · 0,1 = 116,2 см2, где l – длина нагревательного элемента [см], d – его диаметр [см]. Исходя из этого, из площади 116,2 см2 должно выделяться 9,34 кВт. Прибегнув к простой пропорции выявляем, что с 1 см2 выделяется мощность = P / S = 9340 / 116,2 = 80,4 Вт, где – поверхностная мощность нагревательного элемента.

Такая мощность слишком большая. Нихромовый сплав ее не выдержит, если прогревать его до температур, которые обеспечили бы полученное значение поверхностной мощности. Приведенный пример является демонстрацией неправильного выбора диаметра проволоки, которая будет использоваться для изготовления нагревателя.

Каждому материалу, зависимо от требуемых термических значений характерно свое допустимое значение поверхностной мощности. Его можно высчитать за счет специальных табличек и графиков.

Используя приведенные примеры, вы сможете с легкостью рассчитать необходимые параметры нагревателей для электропечей, в том числе муфельных печей при разных схемах подключения. При заказе электронагревателей у компании «ТЭН24» расчет нихромовой спирали, фехралевой спирали и параметров устройства нагрева проводится совместно с технологом для каждой печи и типа подключения индивидуально.

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.