Расчет параметров нагревателей из нихрома и фехрали

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.

Без учетов нагрева можно применить элементарную формулу расчета:

Р=U∙І → І = Р/ U = 10 / 12 = 0,83 А

По закону Ома:

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:

І = S∙ R/ ρ

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

Диаметр d=3√((4*Rt*P2)/(π2*U2*Вдоп))

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.

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.