Как рассчитать спираль

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/ρld, где ρld – 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.

Калькулятор расчета спирали из нихрома и фехраля для нагревателей

Электронагреватели могут производиться с нагревательными спиралями из различных материалов, но наиболее популярными все же являются нихром и фехраль. Нихром — это сплав никеля и хрома, а фехраль – сплав железа, хрома и алюминия. Они имеет высокую коррозионную стойкость и температуру плавления, поэтому и используется в электрических приборах и нагревателях.

Данная статья поможет вам разобраться в расчетах параметров греющих спиралей, а простые и удобные калькуляторы сделают быстрый подсчет нужной длины проволоки и переведут длину в вес и обратно. Воспользуйтесь этими онлайн-калькуляторами нихромовой проволоки, чтобы рассчитать сопротивление, площадь сечения, ток и длину нихромовой и фехралевой проволоки, просто указав мощность и напряжение.

Расчет длины спирали

Требуемая мощность нагревателя
Вт

Напряжение питания
В

Выберете диаметр проволоки из стандартных промышленных размеров.

Данные результаты не учитывают возрастание электрического сопротивления проводника с ростом его температуры. Поэтому фактическая мощность (как и потребляемый ток от сети) всегда несколько ниже расчетных величин.

Расчет веса и длины

Расчет спирали из нихрома и фехраля

Существует несколько способов расчета греющих спиралей, рассмотрим для начала более простой метод, учитывающий только сопротивление материала, а потом включим в расчет еще и изменение сопротивления под воздействием темепературы.

Способ расчета спирали по сопротивлению материала

В данном способе все довольно просто. Нам нужны первоначальные данные, на основе которых мы будем проводить вычисления. Они включают в себя:

Мощность нагревательного элемента, который хотите получить

Напряжение, при котором спираль будет работать

Диаметр и тип проволоки, который имеется в наличии

Предположим, у нас имеется электроприбор, который должен работать с мощностью 12 Вт под напряжением 24 В. При этом мы используем проволоку из нихрома с сечением 0,2 мм.

Для вычислений нам потребуется самая элементарная формула из общеобразовательного курса физики:

Мощность (Р) = Напряжение (U) * Сила тока (I)

І = Р: U = 12 : 24 = 0,5 А

Теперь воспользуемся законом Ома для определения сопротивления:

Сопротивление (R ) = Напряжение (U) * Сила тока (I) = 24/0,5 = 48 Ом

Теперь нам нужна формула для определения длины проводника:

Длина (L) = Площадь сечения (S) * Сопротивление (R) / Плотность материала (ρ)

Как же узнать сопротивление нихромовой проволоки? Помочь в решении данной задачи нам помогут таблицы плотности материалов или формулы для вычисления значения. Итак, если у нас проволока имеет диаметр 0,2, значит площадь сечения по формуле будет 0,0314 мм2, сопротивление смотрим по таблице и получаем длину проволоки 1,3 м.

Но это все чисто теоретически, ведь мы не знаем, сможет ли выдержать проволока данного диаметра такой ток. Посмотрим таблицу, в ней указаны максимальные значения тока для проволоки определенного диаметра. В нашем случае это 0,65, значит наше значение 0,5 лежит в допустимых пределах.

Также не забывайте учесть среду, в которой будет работать нагреватель. Если вы греете жидкость, можно смело увеличивать силу тока вдвое, а если замкнутое пространство – наоборот, уменьшать.

Способ расчета спирали по температуре

Тот, способ, который мы описывали выше, является не очень точным по той причине, что нами не было взято в расчет изменение сопротивления резистивной проволоки при росте температуры. Поэтому его можно применять только для не слишком высоких температур до 200-250 градусов. Для высокотемпературных печей данный расчет будет совсем неточным, поэтому рассмотрим второй метод.

Возьмем муфельную печь отжига и определим объем камеры и нужную мощность. Помогут с вычислениями нам такие два правила.

Если объем печи меньше 50 литров, то подбираем мощность 100 Вт на литр

Если же объем печи больше 100 литров, мощность рассчитывается как 50-70 Вт на литр

Допустим, наша печь отжига имеет объем 50 литров, мощность тогда будет 5 кВт. Если напряжение в сети должно быть стандартные 220 В, то сила тока и сопротивление будет равны:

І = 5000:220 = 22,7 А

R = 220:22,7 = 9,7 Ом

Подключение звездой при напряжении 380 В потребует деления мощности на 3 фазы, тогда наша мощность для одной фазы будет равна 5кВт / 3 = 1,66 кВт

Подключение звездой предполагает, что на каждую из фаз будет подаваться напряжение питания 220 В, следовательно значения сопротивления и силы тока будет такими:

І = 1660/220 = 7,54 А

R = 220/7,54 = 29,1 Ом

Второй тип подключения ТЭНов для напряжения в 380 В «треугольник» предполагает подачу линейного напряжения в 380 В, поэтому мы получим:

І = 1660/380 = 4,36 А

R = 380/4,36 = 87,1 Ом

При помощи ниже указанных таблиц мы можем найти удельную поверхностную мощность нагревательного элемента и вычислить на его основе длину проволоки.

Поверхностная мощность = βэф*α(коэффициент эффективности)

В итоге, чтобы наша печь нагрелась до 1000 С, нагревательный элемент должен производить температуру в 1100 градусов. Возьмем таблицы и выберем соответствующие значения. Тогда получим:

Читайте также  Как сделать футболку с фотографией

Поверхностная мощность (Вдоп)=4,3∙0,2=0,86Вт/см2=8600 Вт/м2

Диаметр определяется по формуле d= 3 √((4*Rt*P 2 )/(π 2 *U 2 *Вдоп))

Rt — удельное сопротивление материала при нужной температуре берем из таблицы

Если наша спираль изготовлена из нихрома марки Х80Н20, Rt будет равняться 1,025. Значит Рт=1,13 * 10 6 * 1,025 = 1,15 * 10 6 Ом на мм

При подключении типа «звезда»: диаметр равен 1,23 мм, длина = 42 м

Если же мы проверим результат по упрощенной формуле L=R/(p*k)

Получим 29,1/(0,82*1,033)= 34 м

Из этого мы видим, что не учитывая температуру мы получаем совсем другое значение длины проволоки и более правильным является выбор второго метода.

Итоги

Онлайн калькулятор для расчета спирали поможет вам с быстрыми предварительными расчетами, но для точного учета всех особенностей даже второго метода расчета с учетом температуры может быть не достаточно. На практике существует еще очень много факторов, которые нужно взять во внимание при расчете параметров нагревателя.

Если вам нужна помощь с расчетами нагревателей – обращайтесь к нам. Наши специалисты имеют огромный опыт в проектировании нагревательных элементов для различного промышленного оборудования. Мы поможем с расчетами оптимальных параметров нагревательных элементов для вашего оборудования и можем изготовить любой тип нагревателей для Вас.

Расчет нихромовой спирали. Готовы для Вас изготовить нихромовую спираль

Как рассчитать спираль из нихрома

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.

Чтобы правильно рассчитать нихромовую спираль (напряжение сети 220 В), предлагаем воспользоваться данными приведенными в таблице, из расчета, что удельное сопротивление нихрома = (Ом · мм 2 / м)

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

нихром Ø 0,2 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

нихром Ø 0,8 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

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

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 Uсети=220 В.

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)

Калькулятор намотки спирали

Вводные параметры i

Рассчитанные параметры i

Каждый вейпер прекрасно знает, что можно использовать в своих обслуживаемых атомайзерах могут использоваться как испарители, так и самостоятельно устанавливаемые спирали. Говорить, что лучше – невозможно, так как каждый любитель ароматного пара выбирает свой «Фэн-Шуй». Стоит отдельно остановиться на устанавливаемых самостоятельно спиралях, купить которые можно в вейп-шопе. Но рано или поздно у большинства вейперов возникает желание самостоятельно изготовить спираль, и при этом далеко не все знают об особенностях койлов, специфике их изготовления и выборе материалов.

Материалы для изготовления спиралей

Немаловажным моментом для получения хорошего вкуса и навала при изготовлении билдов является выбор материала, обладающего необходимым для вейпера техническими характеристиками. На сегодняшний день используются:

  • Нихром (Ni) – равномерно разогревается, обладает высокой пластичностью, стоит недорого;
  • Фехраль или Кантал (A1) – соотношение технические характеристики-цена делают его весьма востребованным среди вейперов, но при этом в режиме термоконтроля на нем парить не стоит – его линейные параметры разогревания колеблются, а это может отразится на качестве пара;
  • Нержавеющая сталь (SS) – материал, который разогревается очень быстро, имеет минимальное сопротивление (поэтому для мехмодов стоит использовать именно его) и может использоваться в режиме ТК;
  • Никель – достаточно дорогой материал, но его теххарактеристики радуют, хотя бытует мнение, что во время работы он выделяет вредные вещества;
  • Титан – материал дорогой, но отлично работает в режиме ТК.

Стоит сказать, что при выборе материала важно учесть не только его сопротивление в спирали, но и девайс, на котором она будет использоваться.

Виды спиралей

Если зайти в любой поисковик и набрать «виды спиралей для вейпа», то можно получить сотни вариантов, картинок и видео с их разновидностями. Каждая из спиралей имеет свои особенности, достоинства и недостатки, о которых стоит знать:

  • MicroCoil – самая простая намотка, представляющая собой небольшую спираль из проволоки с ножками для установки. Изготавливается очень просто – достаточно иметь под рукой проволоку и сверло (или любой другой предмет) заданного диаметра. К таким же койлам можно отнести и ParallelCoil – две проволоки, размещенные параллельно, которые в итоге образуют единое целое. Среди плюсов можно отметить простоту изготовления, но много вкуса и пара от нее ожидать не стоит;
  • Twist или «косичка» — две проволоки (возможно даже разного диаметра) заплетенные в косичку, что позволяет снизить сопротивление спирали и увеличить площадь нагрева. Создается просто при помощи подручных средств;
  • ZIPPER COIL – это два твиста, расположенные параллельно, причем направление косичек – друг к другу (визуально очень напоминает молнию на одежде). Намотка достаточно простая в изготовлении, дающая среднее количество пара и вкуса;
  • CLAPTON COIL – сразу стоит сказать, что для его изготовления понадобиться шуруповерт и два типа проволоки – основа (различного диаметра) и более тонкая для навивки на нее. Особенность такой спирали в том, что помимо увеличенной площади нагрева, наличие мелких канавок между витками тонкой проволоки позволяет заметно улучшить вкусовые ощущения и дать больше пара;
  • FUSED CLAPTON – основа такой спирали – это две параллельно расположенных проволоки одного диаметра, обмотанные проволокой малого диаметра. Подобная конструкция позволяет получить сотни мелких ванночек, которые способны в несколько раз усилить вкус жидкости. Такой тип спиралей является одним из самых распространенных, так как стоит недорого и делается достаточно просто;
  • TRIPLE FUSED – отличие от фьюзед-клэптона в том, что основа изготавливается из трех жил проволоки одного диаметра. Один из оптимальных вариантов для получения вкуса и навала;
  • ALIEN CLAPTON – аналог трипл-фьюзд, но обмотка производится при помощи проволоки, имеющей форму растянутой волны, что позволяет увеличить площадь обматываемой основы из трех основных жил в 1,5-2 раза. Отличается отличной вкусопередачей, но для своего разогрева требует больших мощностей;
  • STITCHED ALIEN – одна из вариаций Алиена, но три жилы расположены в виде треугольника, что положительно сказывается на вкусе и навале. Спираль порадует не только вкусом и навалом, но и оригинальным внешним видом – в Инстаграм выставить будет не стыдно;
  • STAGGERED CLAPTON – одна из вариаций фьзюда, состоящая из двух размещенных параллельно клэптонов, витки которых слегка раздвинуты. В полученные «щели» навивается тонкая проволока, которая крепит клэптоны. Позволяет получить очень много вкуса и пара, но требует достаточно большой мощности бокс-мода;
  • Juggernaut – аналог стаггеда, но параллель из двух клептонов обматывается плоским канталом для получения максимума навала;
  • CATERPILLAR CLAPTON – четыре или пять основных отрезков проволоки, обмотанные более тонкой. Особенность в том, что после изготовления спираль простукивается молотком для получения плоской поверхности, напоминающей гусеницы одноименной спецтехники. Сочетание вкуса и навала – на высоте, но о мощности бокс-мода не стоит забывать;
  • Green Mamba – паралелль, которая обматывается двумя твистами, расположенными навстречу друг другу. Подобное сочетание позволяет получить максимальное количество микрованночек и, соответственно, вкуса и навала, из-за чего и пользуется спросом среди вейперов. Подходит для дрипок и баков с большой базой.

Естественно, вариаций спиралей могут десятки – все ограничивается только фантазией вейпера, его усидчивостью и наличием соответствующих материалов. Существуют множество комбинаций основных видов спиралей с дополнительными вплетениями, позволяющими улучшить базовые характеристики койла.

Читайте также  Как рисовать улыбку

Практика показывает, что владельцам мехмодов стоит отдавать предпочтение спиралям, изготовленным на основе нержавеющей стали – сопротивление их значительно ниже, чем у аналогов из кантала или нихрома и разогреваются они значительно быстрее — ALIEN FOR MECHANICAL MODS или FUSED FOR MECHANICAL MODS. При использовании бокс-модов важно контролировать сопротивление, так как далеко не все модели способны работать с сопротивлением ниже 0,1 Ом, но при этом у них имеется возможность использовать сложные высокомощные намотки — STAGGERED CLAPTON COIL, ALIEN CLAPTON COIL, TRIPLE CORE ALIEN CLAPTON BY HOPPERS FACTORY, TRIPLE FUSED BY GRADE COILS, STAGGERED BY GRADE COILS или INTERLOCKING ALIEN BY GRADE COILS.

Расчет греющей нихромовой и фехралевой спирали

Нихромы — это сплавы никеля и хрома. Они имеют высокую коррозионную стойкость и температуру плавления, поэтому используются в электрических приборах и нагревательных элементах. Нихром намотан катушками с определенным электрическим сопротивлением, и через них пропускается ток, выделяющий тепло.

Фехрали — это ферромагнитные сплавы, свойства электрического сопротивления которых аналогичны никель-хромовым сплавам. Это делает их пригодными для применения в системах электрического нагрева. Хотя отсутствие никеля делает фехраль дешевле, чем нихромовые сплавы, это также делает его более подверженным коррозии. Следует проявлять осторожность при эксплуатации нагревательных элементов из фехраля в сухих условиях, чтобы минимизировать коррозию. Воздействие высоких температур также может привести к ползучести и охрупчиванию, но с соответствующими опорными элементами этих проблем можно избежать.

Используйте этот онлайн-калькулятор нихромовой и фехралевой проволоки, чтобы рассчитать сопротивление, площадь сечения, ток и длину нихромовой и фехралевой проволоки, просто указав мощность и напряжение.

Расчет длины спирали

Требуемая мощность нагревателя
Вт

Напряжение питания
В

Выберете диаметр проволоки из стандартных промышленных размеров.

Данные результаты не учитывают возрастание электрического сопротивления проводника с ростом его температуры. Поэтому фактическая мощность (как и потребляемый ток от сети) всегда несколько ниже расчетных величин.

Расчет веса и длины

Нихром

Сплавы нихрома обычно состоят из 80% никеля и 20% хрома (нихром 80/20), хотя другие составы могут быть найдены в различных соотношениях. Нихром имеет серебристо-серый цвет и обладает высокой устойчивостью к электрическому потоку и теплу. Он также очень устойчив к коррозии и износу, очень прочен и имеет очень высокую температуру плавления — около 1400 ° C.

Устойчивость к окислению делает нихром популярным материалом для использования в нагревательных элементах. Например, нагревательные элементы в бытовом тостере чаще всего изготавливаются из толстой нихромовой проволоки. При таком использовании нихром обычно наматывают катушками до определенного электрического сопротивления перед тем, как пропустить ток, чтобы произвести выделяемое тепло. Когда нихром нагревается до высоких температур, на нем образуется внешний слой оксида хрома, в отличие от других металлов, которые могут начать окисляться при нагревании на воздухе. Это означает, что он в основном непроницаем для кислорода, и поэтому нагревательный элемент защищен от окисления.

Нихромовые сплавы известны своей более высокой механической прочностью при высоких температурах по сравнению со сплавами железо-хром-алюминий (FeCrAl) фехраль, а также более высокой прочностью на ползучесть. Никель-хромовые сплавы также остаются более пластичными по сравнению с железно-хромовыми алюминиевыми сплавами после длительных периодов воздействия температуры. Никель-хромовые сплавы демонстрируют хорошую коррозионную стойкость, за исключением сред, в которых присутствует сера.

Заметное увеличение удельного электросопротивления наблюдается при увеличении добавок хрома. Уровень добавления 20% хрома считается оптимальным для проводов с электрическим сопротивлением, подходящих для нагревательных элементов. Этот состав сочетает в себе хорошие электрические свойства с хорошей прочностью и пластичностью, что делает его пригодным для волочения проволоки.

Фехраль

Сплавы железа, хрома, алюминия (FeCrAl) — это материалы с высоким сопротивлением, которые обычно используются в приложениях с максимальными рабочими температурами до 1400 ° C.

Известно, что эти ферритные сплавы обладают более высокой способностью к нагрузке на поверхность, более высоким удельным сопротивлением и более низкой плотностью, чем альтернативный ни хром (NiCr), что может привести к меньшему количеству материала в применении и экономии веса. Более высокие максимальные рабочие температуры могут также продлить срок службы элемента.

Железо Хром Алюминиевые сплавы образуют светло-серый оксид алюминия (Al2O3) при температурах выше 1000 ° C, который увеличивает коррозионную стойкость, а также действует как электрический изолятор. Образование оксида считается самоизолирующим и защищает от короткого замыкания в случае контакта металла с металлом. Железо-Хром Алюминиевые сплавы имеют более низкую механическую прочность по сравнению с никель-хромовыми материалами, а также более низкий предел ползучести.

Расчет греющей нихромовой и фехралевой спирали

Для того, чтобы произвести расчет параметров спиральных нагревательных элементов из проволоки высокого сопротивления, можно воспользоваться несколькими алгоритмами подсчетов. Наиболее простым и быстрым будет рассчитать все параметры по формулам без учета динамики значения сопротивления под влиянием высоких температур. Для начала рассмотрим этот метод.

Расчет параметров нихромовой и фехралевой спирали от сопротивления

Тут все очень и очень просто. Нужно только знать исходные параметры, которые можно узнать, ответив на вопросы:

Какая мощность должна быть у нагревательного элемента, который вы хотите изготовить?

Какое напряжение питания будет на него подаваться?

Какая проволока имеется в наличии (материал, диаметр)?

Пусть вам требуется изготовить нагреватель с совсем небольшой мощностью в 12 Ватт, который будет работать от сети 24 Вольта. В наличии есть только катушка нихромовой проволоки с диаметром сечения 0,2 мм.

Формулы, которые мы будем использовать при расчетах по данному методу, знакомы каждому из школьного курса по физике. Мощность равна произведению силы тока и напряжения:

Р (мощность) = U (напряжение) * I (сила тока)

Из этой формулы мы можем найти силу тока в нашем нагревателе. Она будет равна

І = Р/ U = 12/24 = 0,5 Ампер

Закон Ома звучит так: «напряжение равняется произведению сопротивления и силы тока»

U (напряжение) = I (сила тока)* R (сопротивление)

R (сопротивление) = U (напряжение) * I (сила тока) = 24 : 0,5 = 48 Ом

Длину проволоки мы можем определить по формуле:

L (длина проводника) = S (площадь сечения) · R (сопротивление) : ρ (плотность проводника)

Определение сопротивления материала

Для того, чтобы узнать значение сопротивления проводника, из которого мы будем изготавливать нагреватель, можно использовать формулу и таблицу значений. Сначала нужно узнать площадь сечения. Если у нас проволока с круглым сечением с диаметром 0,2 мм, то по формуле площади круга ее сечение будет равно 0,0314 мм2. Теперь заглянем в таблицу со значениями сопротивления и ищем соответствие с вычисленным сечением. В нашем случае это 1300 мм.

С теоретическими расчетами закончили. Теперь нужно узнать, а хватит ли диаметра нашей проволоки, чтобы выдержать такой уровень силы тока. Ниже в таблице можно определить максимальное значение силы тока для каждого диаметра проволоки. Согласно таблице для проволоки с диаметром 0,2 максимальный ток равен 0,65, а это значит что рассчитанный нами показатель 0,5 А имеет допустимое значение.

Учтите, что среда нагрева также имеет большое значение! Для подогрева жидкости можно увеличивать максимально допустимую силу тока, а для замкнутого контура наоборот, нужно уменьшать.

Расчет параметров нихромовой и фехралевой спирали с учетом температуры

Первый метод хорош своей простотой и быстротой вычислений, однако в реальных условиях сопротивление нихрома и фехраля существенно изменяется с ростом температуры. Такие простые подсчеты можно применять только для не очень высоких температур, не более 250 градусов, а вот для более высоких значений температуры лучше применять второй способ.

Допустим, нам нужно изготовить муфельную печь с объемом камеры в 50 литров. Для того, чтобы узнать, какова же будет мощность, используем простое правило.

Для печей Параметр Rt (удельное сопротивление проводника при определенной температуре) получим из таблицы.

Мы будем делать печь с нихромовыми спиралями из нихрома самой распространенной марки Х80Н20, Rt в таком случае будет 1,025.

Рассчитаем Рт=1,13 * 10 6 * 1,025 = 1,15 * 10 6 Ом на мм

Для подключения типа «звезда»: диаметр будет равен 1,23 мм, длина — 42 м

По упрощенной формуле первого способа L=R/(p*k)

Получим 29,1/(0,82*1,033)= 34 м

Таким образом видно, что значения будет разными и нужно учитывать температуру нагрева спирали.

Для быстрых расчетов воспользуйтесь калькулятором из данной статьи, а если хотите учесть все-все мельчайшие детали, обращайтесь к нам в компанию Хитл, мы сами произведем все нужные расчеты и изготовим нужный вам нагревательный элемент быстро и качественно.

Расчет параметров нагревателей из нихрома и фехрали

Расчет длины проволоки для спирали

Требуемая мощность нагревателя
Вт

Напряжение питания
В

Выберете диаметр проволоки из стандартных промышленных размеров.

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.

Расчет веса и длины

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).

Читайте также  Как рассчитать количество шлакоблока

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

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:

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.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: