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.
Удельное сопротивление никелевой проволоки
Медно-никелевые термостойкие провода были созданы в результате научного исследования, ставящего цель получить проводник с очень высокой электропроводимостью из доступных металлов и с не сложной технологией производства.
Для получения сверхпроводника на медный провод в вакууме по всему периметру наносят токопроводящий слой, состоящий из сплава никеля и меди, с диффузией в поверхностный слой проволоки-основы. Снаружи наносится защитный слой металла. После чего полученный провод проходит отжиг в вакууме в течение 30 – 180 мин при 850-950 o С. Для создания медно-никелевого провода применяется чистые (99,99) медь и никель.
Эффект повышенной проводимости образуется в состоящем из двух металлов слое сплава, который представляет собой тонкостенную токопроводящую трубку-прослойку. Благодаря диффузионному взаимодействию слоев металла, примыкающих к трубке прослойке с обеих сторон, поверхность получается почти идеальной.
Нанесение слоев провода происходит в вакуумном оборудовании для исключения окисления проводящего слоя. Следовательно длина зависит от возможностей вакуумного оборудования.
Чертеж медно-никелевого проводника.
1 – медная или никелевая проволока основа
2 – токопроводящий слой из сплава меди и никеля. Толщина слоя делается достаточной для обеспечения неразрывности слоя
3 – защитный слой. Толщина выбирается достаточной для обеспечения защиты от механических воздействий
Металлической промышленности отводится одно из ведущих мест в жизни человечества. Ее продукция широко применима в направлении, которое использует печи с электронагревом, печки обжига, сушки, а также агрегаты, что нагреваются до высокого температурного режима, приспособления с воздействием тепла.
Почему реостаты изготавливают из проволоки с большим удельным сопротивлением?
Определите силу тока, проходящего через реостат, изготовленный из константановой проволоки длиной 20 метров и площадью поперечного сечения 0, 8 мм2, если напряжение на зажимах реостата равно 45 В.
Реостат изготовлен из никелиновой проволоки площадью поперечного сечения 1 мм2?
Реостат изготовлен из никелиновой проволоки площадью поперечного сечения 1 мм2.
Напряжение на его зажимах 45 В.
Сила тока , проходящего через реостат , 2, 25 А.
Определите длинну проволоки .
Удельное сопротивление никелина 0, 4 ом×мм2 / м .
Наверное, самый адекватный вариант из всех возможных для того, кому требуется качественная проволока определенного сечения, особенно когда требуется всего несколько метров материала.
Сплав отличается хорошей пластичностью и высоким электрическим сопротивлением. Его показатель может составлять от 1100 до 1400 Ом·мм²/м в зависимости от марки металла.
Таблица 1. Технические характеристики нихрома.
Коэффициент линейного теплового сопротивления
Предел прочности на растяжение
Изделия из нихрома легко деформируются, сохраняя заданную форму.
Нихром не обладает магнитными свойствами за исключением сплава, в составе которого имеется лигатура железа.
Рисунок 2. Нагревательный элемент.
Сплавы нихрома отличаются высоким электрическим сопротивлением.
Показатели удельного сопротивления нихрома в 10 раз выше, чем у оцинкованной стали и в 70 раз превышают показатели меди.
К другим достоинствам относятся:
- высокая механическая прочность и твердость;
- жаростойкость и отсутствие температурных деформаций;
- малый удельный вес и хорошая пластичность;
- устойчивость к коррозии и воздействию агрессивных сред;
Материал легко поддается обработке: заточке, штамповке, сварке и т. д. Не меняет своих характеристик под действием высоких температур.
Благодаря устойчивости к коррозии и агрессивной внешней среде сплав имеет практически неограниченный срок службы.
К недостаткам материала относится высокая стоимость.
Уменьшение процентного содержания хрома в сплаве удешевляет изделия, но и понижает технические свойства материала.
По фото нихромовой проволоки судить о виде и происхождении материала сложно, но можно. Так, новый материал отличается блестящим, бело-серым оттенком. Продукт, бывший в употреблении, наоборот, имеет темно-серый цвет. Это объясняется наличием оксидной пленки. При удалении окислов цвет нихрома должен смениться на светлый.
Маркировка
У нихромовой проволоки не одна марка, поэтому каждый вид изделия имеет определенные качественные характеристики. Основные группы нихрома такие.
- Резисторный.
- Материал встречается в составе конструкции нагревательных элементов бытового и промышленного типа. Группа имеет высокие жаропрочные возможности.
- Группа нихрома, предназначенная для работы с завышенной температурой до 9 сотен градусов.
Проволока резисторной группы характеризуется диаметром 0,009-0,4 миллиметра.
Данный показатель для второй группы металла может составлять от 0,2 до 7,5 миллиметров. К «сородичам» проволоки сплава относят канталы и фехрали, что имеют вид хромированного сплава с железом и алюминием.
Этим материалам характерно высокое электросопротивление, устойчивость к температурным режимам до 1400 градусов по Цельсию. Несмотря на все вышеперечисленные преимущества, канталы и фехрали не так надежны, как нихром, но стоят намного дешевле.
Нихромовая продукция имеет разное процентное соотношение составных частей. К наиболее распространенным можно отнести такие.
- Х20Н73ЮМ плавится вакуумно-индукционным способом и в качестве составных элементов содержит такие доли веществ: 20% хрома, 73% никеля, 3% алюминия, 1, 5% молибдена.
- ХН70Ю–Н состоит из 20% хрома, 70% никеля, 3% алюминия, менее 0, 3% марганца, менее 1, 5% железа. Этот сплав часто используется для производства элементов, что являются составной частью нагревательных приборов.
- ХН20ЮС применяют в промышленных печах с нагревательной функцией. В составе сплава по 20% хрома и никеля, 1% алюминия, а также 50% железа.
Покупая нихром, стоит брать во внимание на маркировку:
- Н – категория нагревательных элементов;
- С – используется в элементах сопротивления;
- ТЭН – для бойлеров с трубчатым типом конструкции.
Как определить?
Внешне нихромовая проволока выглядит как многие другие изделия, поэтому каждому потребителю важно узнать, как отличить ее от другой. Главные отличительные черты стойкого к коррозии нихрома:
- новый металл имеет белый окрас, а уже использованный темнеет;
- магнитность проволоки минимальна либо полностью отсутствует;
- нихром – довольно жесткий материал;
- этот металл могут разрушить кислоты;
- изделия не окисляются, если на них оказывает влияние повышенная температура.
Чтобы выбрать проволоку из нихромного сплава, потребуется правильно проанализировать ее номинальные эксплуатационные характеристики.
Для этого рассчитывают удельное сопротивление рабочего элемента по формуле R = ρ · l / S, где берется во внимание длина, площадь сечения.
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.
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:
Расчет сопротивления нихромовой проволоки проводим по закону Ома:
где S – площадь поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление.
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:
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:
Дальше считаем силу тока и сопротивление:
Для 380В при подключении спиралей звездой, расчет будет следующим.
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.
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.
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
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
Изготовление бытовых приборов
Теперь самое время перейти от отвлеченных тем к бытовым, более близким обычным людям. Многие могут этого не знать, но нихром так же очень полезен в производстве бытовых приборов, которыми люди пользуются ежедневно.
Кто бы мог подумать, но обнаружить нихромовую проволоку можно в классическом фене для сушки волос. Его применяют, чтобы создавать нужный нагрев воздуха.
Нихромовую проволоку из фена для волос можно даже извлечь самостоятельно при должном желании. Для этого нужно разобрать аппарат и достать проволоку, намотанную в виде бублика.
Главное, не забывайте выключить прибор из сети.
- Другие бытовые инструменты, в которых можно найти нихром — плиты и чайники.
- Как уже можно понять, нихром присутствует практически везде, где есть нагревательный элемент.
- У таких приборов нагревательный элемент является не спиральным, а трубчатым, что может усложнить его извлечение.
- Если у вас нет других приборов, из которых достать нихром для последующего применения проще, то лучше приобрести готовую проволоку в магазине электроматериалов.
Не стоит экономить на этом, ведь нихромовая проволока — это очень полезный элемент с широким применением.
Нагревательные элементы из фехраля необходимо размещать на керамических трубках, так как при температуре свыше 800°С спирали могут деформироваться даже под собственным весом.
Выбираем нихром
Как выбрать нихромовую проволоку для конкретных задач? Необходимо обращать внимание на 3 критерия:
Маркировка. Присутствие в обозначении буквы “Н” указывает на то, что изделие подойдет для изготовления нагревательных элементов диаметром до 0,2 мм.
Маркировка “С” предупреждает, что область применения – изготовление элементов сопротивления. Аббревиатура ТЭН означает, что нихромовая нить может применяться в производстве трубчатых электронагревателей.
Диаметр нихромовой проволоки. Колеблется от 0,05 до 12 мм. От величины зависит вес мотка и сопротивление. Зависимость проста – чем меньше диаметр, тем больше электросопротивление.
Диаметр проволоки, изготавливаемой производителями, представляется в пределах 0,05-12 мм. Диаметр проволоки-нихрома определяет ее сечение, вес мотка и соответственное объективное сопротивление.
Выбираем трубы ВГП по уму: типовые размеры, советы по выбору и характеристики водогазопроводных труб
Как выбрать и рассчитать швеллер — правила использования, таблицы размеров, расчет нагрузок и подбор веса профиля
Как выбрать и установить фиксаторы для арматуры: виды, характеристики, правила монтажа и применения
Изготовитель. Обязательно уточняйте, по какому стандарту (ГОСТ или ТУ) произведен продукт. Наличие сопроводительных документов, сертификатов – залог качественного товара.
Виды продукции
Выбор любого сплава, который характеризуется качественными технологическими и механическими характеристиками, должен быть обоснованным и регламентированным. Особенно когда речь идет о высокой стоимости. Таким высокотехнологичным и дорогостоящим материалом является проволока нихром. Гост 8803-89, 12766.1-90, 12766.3-90, 12766.4-90 определяет требования, особенности маркировки и применения. В соответствии со стандартами и в зависимости от типажа, металл представлен в продаже в виде проволоки или лент, выбор которых зависит от диаметра, сечения, длины, особенностей использования.
Соответственный прокат является исходным для промышленного изготовления ленточных зигзагов, проволочных спиралей.
