При ремонте или при самостоятельном изготовлении электрического паяльника или любого другого нагревательного прибора приходится мотать нагревательную обмотку из нихромовой проволоки. Исходными данными для расчета и выбора проволоки является сопротивление обмотки паяльника или нагревательного прибора, которое определяется исходя из его мощности и напряжения питания. Рассчитать, какое должно быть сопротивление обмотки паяльника или нагревательного прибора можно с помощью таблицы.
Зная напряжение питания и измеряв сопротивление любого нагревательного электроприбора, например паяльника, илиэлектрического утюга , можно узнать потребляемую этим бытовым электроприбором мощност ь. Например, сопротивление электрочайника мощностью 1,5 кВт будет равно 32,2 Ом.
| Таблица для определения сопротивления нихромовой спирали в зависимости от мощности и питающего напряжения электрических приборов, Ом | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Потребляемая мощность паяльником, Вт | Напряжение питания паяльника, В | ||||
| 12 | 24 | 36 | 127 | 220 | |
| 12 | 12 | 48,0 | 108 | 1344 | 4033 |
| 24 | 6,0 | 24,0 | 54 | 672 | 2016 |
| 36 | 4,0 | 16,0 | 36 | 448 | 1344 |
| 42 | 3,4 | 13,7 | 31 | 384 | 1152 |
| 60 | 2,4 | 9,6 | 22 | 269 | 806 |
| 75 | 1.9 | 7.7 | 17 | 215 | 645 |
| 100 | 1,4 | 5,7 | 13 | 161 | 484 |
| 150 | 0,96 | 3,84 | 8,6 | 107 | 332 |
| 200 | 0,72 | 2,88 | 6,5 | 80,6 | 242 |
| 300 | 0,48 | 1,92 | 4,3 | 53,8 | 161 |
| 400 | 0,36 | 1,44 | 3,2 | 40,3 | 121 |
| 500 | 0,29 | 1,15 | 2,6 | 32,3 | 96,8 |
| 700 | 0,21 | 0,83 | 1,85 | 23,0 | 69,1 |
| 900 | 0,16 | 0,64 | 1,44 | 17,9 | 53,8 |
| 1000 | 0,14 | 0,57 | 1,30 | 16,1 | 48,4 |
| 1500 | 0,10 | 0,38 | 0,86 | 10,8 | 32,3 |
| 2000 | 0,07 | 0,29 | 0,65 | 8,06 | 24,2 |
| 2500 | 0,06 | 0,23 | 0,52 | 6,45 | 19,4 |
| 3000 | 0,05 | 0,19 | 0,43 | 5,38 | 16,1 |
Рассмотрим на примере как пользоваться таблицей. Допустим, требуется перемотать паяльник мощностью 60 Вт рассчитанный на напряжение питания 220 В. По самой левой колонке таблицы выбираете 60 Вт. По верхней горизонтальной строке выбираете 220 В. В результате расчета получается, что сопротивление обмотки паяльника, не зависимо от материала обмотки, должно быть равно 806 Ом.
Если Вам понадобилось сделать из паяльника мощностью 60 Вт, рассчитанного на напряжение 220 В, паяльник, для питания от сети 36 В, то сопротивление новой обмотки должно будет уже равно 22 Ом. Вы можете самостоятельно рассчитать сопротивление обмотки любого электронагревательного прибора с помощью онлайн калькулятора.
После определения требуемой величины сопротивления обмотки паяльника из ниже приведенной таблицы выбирается подходящий, исходя из геометрических размеров обмотки, диаметр нихромовой проволоки. Нихромовая проволока представляет собой хромоникелевый сплав, который выдерживает температуру нагрева до 1000˚С и маркируется Х20Н80. Это означает, что в сплаве содержится 20% хрома и 80% никеля.
Для намотки спирали паяльника имеющей сопротивление 806 Ом из примера выше, понадобится 5,75 метров нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм (нужно поделить 806 на 140), или 25,4 м проволоки диаметром 0,2 мм, и так далее.
При намотке спирали паяльника витки укладываются вплотную друг к другу. При нагревании докрасна поверхность нихромовой проволоки окисляется и образует изолирующую поверхность. Если вся длина проволоки не вмещается на гильзе в один слой, то намотанный слой покрывается слюдой и мотается второй.
Для электрической и тепловой изоляции обмотки нагревательного элемента лучшими материалами является слюда, стекловолоконная ткань и асбест. Асбест обладает интересным свойством, его можно размочить водой и он делается мягким, позволяет придавать ему любую форму, а после высыхания обладает достаточной механической прочностью. При изолировании обмотки паяльника мокрым асбестом надо учесть, что мокрый асбест хорошо проводит эклектический ток и включать паяльник в электросеть можно будет только после полного высыхания асбеста.
В практике домашнего мастера приходится ремонтировать или конструировать нагревательные приборы. Это могут быть различные печи, обогреватели паяльники и резаки. Чаще всего для этого применяют спирали или проволоку из нихрома. Основной задачей при этом является определить длину и сечение материала. В этой статье мы расскажем о том, как рассчитать длину нихромовой проволоки или спирали по мощности, сопротивлению и температуре.
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:
I=P/U=10/12=0,83 A
Расчет сопротивления нихромовой проволоки проводим по :
R=U/I=12/0,83=14,5 Ома
Длина проволоки равна:
l=SR/ρ ,
где S – площадь поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление.
Или по такой формуле:
l= (Rπd2)/4ρ
L=(14.5*3,14*0.12^2)/4*1,1=0,149м=14,9см
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:
L=R треб /R табл =14,4/95,6=0,151м=15,1см
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:
Количество витков:
N=L/(π(D+d/2)),
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:
N=151/(3,14(3+0,12/2))=15,71 витков
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:
I=5000/220=22.7 Ампера
R=220/22.7=9,7 Ом
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:
I=1660/220=7.54 А
Сопротивление:
R=220/7.54=29.1 Ом
Для соединения треугольником рассчитываем по линейному напряжению 380В:
I=1660/380=4.36 А
R=380/4.36=87.1 Ом
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.
В доп =В эф *а=4,3*0.2= 0,86 Вт/см 2 =0.86*10^4 Вт/м 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
р т =р 20 *р 1000 =1.13*10^6*1.025=1.15*10^6 Ом/мм
Тогда для подключения к трёхфазной сети по схеме «Звезда»:
Длина рассчитывается по формуле:
Проверим значения:
L=R/(p*k)=29.1/(0.82*1.033)=34м
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
- 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.
Материалы
Наиболее значительной деталью электротепловой установки является нагревательный элемент. Основная составляющая часть приборов косвенного нагрева - резистор с высоким удельным сопротивлением. А одним из приоритетных материалов - хромоникелевый сплав. Так как сопротивление нихромовой проволоки высоко, этот материал занимает лидирующее место в качестве сырья для различных видов электротепловых установок. Расчёт нагревателя из нихромовой проволоки проводят с целью определения размеров нагревательного элемента.
Основные понятия
В целом производить расчёт нагревательного элемента из нихрома необходимо по четырём вычислениям: гидравлическому, механическому, тепловому и электрическому. Но обычно подсчёты проводят лишь в два этапа: по тепловым и электрическим показателям.
К тепловым характеристикам относятся:
- тепловая изоляция;
- коэффициент полезного действия по теплоте;
- необходимая теплоотдающая поверхность.
Основной целью расчёта нихрома является определение геометрических размеров нагревательного сопротивления.
К электрическим параметрам обогревателей являются:
- напряжение питания;
- способ регулирования мощности;
- коэффициент мощности и электрический коэффициент полезного действия.
При выборе питающего напряжения для устройств обогрева отдают предпочтение тому, что несёт минимальную угрозу животным и обслуживающему персоналу. Напряжение сети в установках сельского хозяйства составляет 380/200 вольт с частотой тока 50 Герц. В случае применения электроустановок в особо сырых помещениях, при повышенной электроопасности напряжение следует снизить. Его значение должно не превышать 12, 24, 36 вольт.
Регулировать температуру и мощность нагревателя можно двумя способами:
- меняя напряжение;
- переменой величины сопротивления.
Наиболее распространённым способом изменять мощность является включение в работу определённого числа секций трехфазной установки. В современных нагревательных установках мощность меняют регулировкой напряжения с помощью тиристоров.
Расчёт по рабочему току основан на табличной зависимости, которая связывает токовую нагрузку на проводник из нихрома, его площадь сечения и температуру.
Табличные данные были составлены для проволоки из нихрома, которая натягивалась в воздухе без учёта колебаний и вибраций при температуре 20 °C.
Для того чтобы перейти к реальным условиям, в расчётах необходимо использовать поправочные коэффициенты.
Расчёт спирали из нихрома следует проводить поэтапно, используя начальные сведения о нагревателе: необходимая мощность и марка нихрома.
Мощность одной секции:
P - мощность установки, Вт;
m - количество фаз, для однофазной m = 1;
n - число секций в одной фазе, для установок мощностью около 1 квт n = 1.
Рабочий ток одной секции нагревателя:
U - напряжение сети, для однофазных установок U = 220 в
Расчётная температура проволоки:
θр = θд/(Км Кс)
θд - допустимая рабочая температура, выбирается из таблицы 1 в зависимости от материала, °C.
Таблица 1 - Параметры материалов для электрических нагревателей.
Км - коэффициент монтажа, выбирают из таблицы 2 в зависимости от конструктивного исполнения.
Таблица 2 - Коэффициент монтажа для некоторых видов конструкций нагревателей в спокойном потоке воздуха.
Роль коэффициента монтажа в том, что он даёт возможность учитывать повышение температуры нагревателя в реальных условиях по сравнению с данными справочной таблицы.
Кс - коэффициент окружающей среды, определяется из таблицы 3.
Таблица 3 - Коэффициент поправки на некоторые условия окружающей среды.
Коэффициент среды даёт поправку на улучшение теплоотдачи из-за условий окружающей среды. Поэтому реальные результаты расчётов будут немного отличаться от табличных значений.
Диаметр d, мм и площадь поперечного сечения S, мм 2 выбирается по рабочему току и расчётной температуре из таблицы 4
Таблица 4 - Допустимая нагрузка на нихромовую проволоку при 20 °C, подвешенную в спокойном воздухе горизонтально.
Длина проволоки одной секции:
L = (U ф 2 S*10 -6)/(ρ 20 Рс x10 3)
ρ 20 - удельное сопротивление при температуре 20 °C, выбирается из таблицы 1;
α - температурный коэффициент сопротивления, определяется из соответствующего столбца в таблице 1.
Диаметр спирали:
D = (6…10) d, мм.
Определяем шаг спирали:
h = (2…4) d, мм
Шаг спирали влияет на производительность работы. При его больших значениях теплоотдача увеличивается.
Количество витков спирали
W = (lx10 3)/ (√h 2 +(πD) 2)
Длина спирали:
Если назначением проволочного нагревателя является повышение температуры жидкости, рабочий ток увеличивают в 1,5 раза от расчётного значения. В случае расчёта нагревателя с закрытым типом рабочий ток рекомендуется снизить в 1,2 раза.
Классификация нагревателей по температуре
Нагреватели по предельно допустимой температуре подразделяются на пять классов:
Параметры, способствующие неполадкам
Наиболее велика вероятность выхода из строя электрических нагревателей вследствие окисления поверхности нагревательного сопротивления.
Факторы, которые влияют на скорость разрушения нагревателя:
Из-за того, что электронагревательные установки работают с превышением допустимых значений этих параметров, происходят наиболее частые поломки: обгорание контактов, нарушение механической прочности нихромовой проволоки.
Ремонт нагревательного элемента из нихрома осуществляется с помощью пайки или скручивания.
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.
При навивке спирали из нихрома для нагревательных элементов, операцию зачастую выполняют методом проб и ошибок, а затем подают напряжение на спираль и по нагреву нихромовой проволоки, нити подбирают требуемое количество витков.
Обычно такая процедура занимает много времени, а нихром теряет свои характеристики при множественных перегибах, что приводит к быстрому прогоранию в местах деформации. В худшем случае из делового нихрома получается нихромовый лом.
С ее помощью можно точно определить длину намотки виток к витку. В зависимости от Ø нихромовой проволоки и Ø стержня, на который наматывается нихромовая спираль. Пересчитать длину спирали из нихрома на другое напряжение нетрудно, использовав простую математическую пропорцию.
Длина нихромовой спирали в зависимости от диаметра нихрома и диаметра стержня
|
Ø нихрома 0,2 мм |
Ø нихрома 0,3 мм | нихрома 0,4 мм | Ø нихрома 0,5 мм | Ø нихрома 0,6 мм | Ø нихрома 0,7 мм | ||||||
| Ø стержня, мм | длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
Ø стержня, мм |
длина спирали, см |
| 1,5 | 49 | 1,5 | 59 | 1,5 | 77 | 2 | 64 | 2 | 76 | 2 | 84 |
| 2 | 30 | 2 | 43 | 2 | 68 | 3 | 46 | 3 | 53 | 3 | 64 |
| 3 | 21 | 3 | 30 | 3 | 40 | 4 | 36 | 4 | 40 | 4 | 49 |
| 4 | 16 | 4 | 22 | 4 | 28 | 5 | 30 | 5 | 33 | 5 | 40 |
| 5 | 13 | 5 | 18 | 5 | 24 | 6 | 26 | 6 | 30 | 6 | 34 |
| 6 | 20 | 8 | 22 | 8 | 26 | ||||||
Например, требуется определить длину нихромовой спирали на напряжение 380 В из проволоки Ø 0,3 мм, стержень для намотки Ø 4 мм. Из таблицы видно, что длина такой спирали на напряжение 220 В будет равна 22 см. Составим простое соотношение:
220 В - 22 см
380 В - Х см
тогда:
X = 380 · 22 / 220 = 38 см
Намотав нихромовую спираль, подключите ее, не обрезая, к источнику напряжения и убедитесь в правильности намотки. У закрытых спиралей длину намотки увеличивают на 1/3 значения, приведенного в таблице.
Расчет электронагревательных элементов из нихромовой проволоки
Длину нихромовой проволоки для изготовления спирали определяют исходя из необходимой мощности.
Пример: Определить длину проволоки из нихрома для нагревательного элемента плитки мощностью P = 600 Вт при U сети=220 В.
Решение:
1) I = P/U = 600/220 = 2,72 A
2) R = U/I = 220/2,72 = 81 Ом
3) По этим данным (см. таблицу 1) выбираем d =0,45; S =0,159
тогда длина нихрома
l = SR / ρ = 0,159·81 /1,1 = 11,6 м
где l - длина проволоки (м)
S - сечение проволоки (мм 2)
R - сопротивление проволоки (Ом)
ρ - удельное сопротивление (для нихрома ρ=1.0÷1.2 Ом·мм 2 /м)
| Допустимая сила тока (l), А | |||||||
| Ø нихрома при 700 °C , мм |
0,17 |
0,45 |
0,55 |
0,65 Купить нихромовую спираль в компании ПАРТАЛ удобно и выгодно - онлайн заказ Доставка заказов по России, в Казахстан и Беларусь |