Нихром и фехраль – два самых распространенных типа материалов, из которых изготавливаются нагревательные элементы. В данной статье мы собрали полезные расчеты, которые могут понадобиться при проектировании нагревательного элемента, а также добавили два удобных калькулятора для расчета длины спирали и пересчета веса материалов в длину и наоборот.
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.
Для начала давайте подробнее рассмотрим расчет длины проволоки из нихрома на основе мощности и электрического сопротивления. Во-первых нужно определиться с тем, какая мощность нагревательной спирали будет нужна. Допустим, нам необходимо изготовить небольшой нагреватель для прибора с мощностью 10Вт с напряжением 12 Вольт. Допустим, у нас имеется в наличии нихромовая проволока с диаметром сечения 0,1 мм.
Самый элементарный расчет без учитывания нагрева производится по формуле, знакомой нам из школьного курса физики:
Р=U∙І → І = Р/ U = 10 / 12 = 0,83 А
По закону Ома:
R= U/ І = 12 / 0,83 = 14,5 Ом.
Знаючи площадь сечения проволоки (S) и удельное сопротивление нихрома (ρ) можно вычислить длину проволоки, которая нам понадобится для изготовления спирали:
І = S∙ R/ ρ
Для того, чтобы узнать удельное сопротивление нихромовой проволоки определенного диаметра можно воспользоваться формулами или готовой таблицей значений. Для нихрома с диаметром 0,1 мм сопротивление будет 14,4 Ом и площадь сечения 0,008 мм2, тогда подставив значения в формулу мы получим длину проволоки равную 10 см.
Для расчета того, сколько витков спирали нужно сделать из проволоки полученной длины, нужно воспользоваться такими формулами:
Вычислим длину одного витка, равную:
Длина витка =π∙( диаметр намотки + 0,5 ∙ диаметр сечения проволоки)
Количество витков = длина проволоки / длина витка
Таким образом, если диаметр навивки нашей проволоки будет 2 мм, то
Количество витков = 100/( 3,14*(2+0,05))=15,5 витков
Теоретические расчеты – это, конечно, хорошо. Но выдержит ли на практике нихром с таким диаметром сечения подобный ток? Таблицы, предоставленные ниже, показывают максимальный ток, который допустим для определенных диаметров нити нихрома при заданной температуре. Говоря проще, нужно определить температуру, до которой должен нагреваться спиральный греющий элемент, и выбрать из таблицы его сечения для расчетного тока.
Если же нагреватель будет использоваться в жидкостной среде, силу тока можно взять больше в 1,2-1,5 раз, а если он будет нагревать замкнутое пространство, то стоит его ток уменьшить.
Выше описанный простой расчет недостаточно точен из-за того, что мы берем величину сопротивления спирали в холодном состоянии. Но с изменением температуры изменяется и сопротивление материала. При этом также следует учесть, каковы условия достижения данной температуры. Для небольшой температуры, к примеру в обогревателях, первый способ расчета может применяться свободно, но для высоких температур в печах сопротивления данный способ будет слишком приблизительным.
Давайте рассчитаем спираль для муфельной печи при помощи второго метода. Для начала нужно вычислить объем камеры и на его основе мощность нагрева. Для муфельных печей существует такое правило подбора:
Для печей с объемом до 50 л мощность берется из расчета 100 Вт на литр
Для печей с объемом от 100 до 500 л мощность берется из расчета 50-70 Вт на литр
Возьмем для примера небольшую печь с объемом 50 литров, тогда мощность печи должна быть 50*100= 5000 Вт
Посчитаем силу тока (І) и сопротивление (R) для напряжения питания 220В
І = 5000/220 = 22,7 А
R = 220/22,7 = 9,7 Ом
Если подключать спирали при 380 В методом подключения «звезда», нужно мощность поделить на 3 фазы, таким образом у нас будет
Мощность на фазу = 5кВт / 3 = 1,66 кВт
При данном типе подключения к трехфазной сети на каждую фазу будет подаваться 220 В, соответственно ток и сопротивление будут равны:
І = 1660/220 = 7,54 А
R = 220/7,54 = 29,1 Ом
Если же соединение спиралей при напряжении 380 производится методом «треугольник», формулы расчета будут с учетом линейного напряжения в 380 В.
І = 1660/380 = 4,36 А
R = 380/4,36 = 87,1 Ом
Диаметр можно вычислить с учетом удельной поверхностной мощности нагревателя. Произведем расчет длины греющей нити, взяв удельные сопротивления из таблиц.
Поверхностная мощность = βэф*α(коэффициент эффективности)
Таким образом, чтобы нагреть муфельную печь до температуры 1000 градусов, нам нужна спираль с нагревом до 1100 С. По таблицам выберем соответствующие значения и получим:
Поверхностная мощность (Вдоп)=4,3∙0,2=0,86Вт/см2=8600 Вт/м2
Диаметр определяется по формуле d=3√((4*Rt*P2)/(π2*U2*Вдоп))
Удельное сопротивление материала при нужной температуре (Rt) берется из таблицы
Если у нас нихром марки Х80Н20, Rt будет равным 1,025. Тогда Рт=1,13*106*1,025=1,15*106 Ом на мм
Для подключения типа звезда: диаметр равен 1,23 мм, длина = 42 м
Проверим значения по формуле L=R/(p*k)
Получим 29,1/(0,82*1,033)= 34 м
Таким образом видим, что в формуле без учета температуры есть существенное отличие в полученных значениях. Правильно выбрать длину одной спирали для подключения звездой равную 42 м, тогда для 3 спиралей вам понадобится 126 метров проволоки нихрома с диаметром 1,3.
На основе формул и калькулятора можно произвести быстрый расчет длины нихромовой или фехралевой проволоки и вычислить ее диаметр исходя из необходимой мощности и температуры нагревательного элемента, однако даже второй более сложный метод расчета не учитывает ряда факторов. На практике после произведенных теоретических расчетов необходимо произвести манипуляции с результатами исходя из особенностей использования нагревателя.
Для точных расчетов длины фехралевых и нихромовых спиралей, а также для получения консультации по нагревательным элементам обращайтесь к нашим специалистам по телефонам или через электронную почту. У нас, кроме готовых промышленных нагревателей, вы также можете приобрести комплектующие для их создания, включая проволоку и ленту фехраль, термостойкие провода, керамические изоляторы, миканит, термостойкие разъемы и прочее.
Возврат к списку
