Даже представленные расчеты, невзирая на их сложность, нельзя считать абсолютно точными. Дело в том, что расчет нагревательных элементов представляет собой сложный процесс, зависящий от термодинамических принципов, и существует множество факторов, способных оказать влияние на его результаты, например, теплоизоляционные свойства печи и другие аспекты.
Удельное сопротивление никелевой проволоки
Медно-никелевые термостойкие провода были разработаны в ходе научных исследований, целью которых было создание проводника с высокой электропроводимостью из доступных металлов и с относительно простой технологией производства.
Для получения сверхпроводящего материала на медном проводе в вакуумной среде по всему периметру наносят токопроводящий слой, который состоит из сплава никеля и меди. При этом происходит диффузия этого слоя в поверхностный уровень проволоки-основы. Затем снаружи наносится защитный металлический слой. Завершается процесс отжигом в вакууме, который длится от 30 до 180 минут при температуре 850-950 °C. При создании медно-никелевого провода используются высококачественные (99,99%) медь и никель.
Эффект улучшенной проводимости возникает в слое, сформированном из двух металлов, который представляет собой тонкостенную токопроводящую трубку-прослойку. Благодаря диффузионному взаимодействию между слоями металла, которые соприкасаются с этой трубкой с обеих сторон, достигается почти идеальная поверхность.
Процесс нанесения проводящих слоев осуществляется в вакуумном оборудовании с целью предотвращения окисления. Таким образом, длина провода определяется характеристиками используемого вакуумного оборудования.
Схема медно-никелевого проводника.
1 – основа из медной или никелевой проволоки
2 – токопроводящий слой, состоящий из медно-никелевого сплава. Этот слой должен иметь достаточную толщину для обеспечения его целостности
3 – защитный слой. Его толщина выбирается с учетом необходимости защиты от механических повреждений
Металлическая промышленность занимает ключевое место в жизни человечества. Ее продукция находит широкое применение в областях, связанных с печами на электронагреве, обжиговыми печами, сушилками, а также в устройствах, работающих при высоких температурах и тепловом воздействии.
Почему реостаты изготавливаются из проволоки с высоким удельным сопротивлением?
Необходимо вычислить силу тока, протекающего через реостат, изготовленный из константановой проволоки длиной 20 метров и с площадью поперечного сечения 0,8 мм². Напряжение на зажимах этого реостата составляет 45 В.
Реостат выполнен из никелиновой проволоки с площадью поперечного сечения 1 мм².
Данный реостат изготовлен из никелиновой проволоки площадью поперечного сечения 1 мм².
На его зажимах также установлено напряжение в 45 В.
Сила тока, который проходит через этот реостат, равна 2,25 А.
Теперь давайте определим длину проволоки.
Удельное сопротивление никелина составляет 0,4 Ом·мм²/м.
Вероятно, наиболее оптимальное решение для тех, кому нужна качественная проволока определенного диаметра, особенно если потребуется всего несколько метров такого материала.
Сплав характеризуется высокой пластичностью и значительным электрическим сопротивлением. Его значение может варьироваться от 1100 до 1400 Ом·мм²/м, в зависимости от конкретной марки металла.
Таблица 1. Технические параметры нихрома.
Коэффициент линейного теплового сопротивления
Предел прочности на растяжение
Изделия из нихрома имеют высокую способность к деформации, при этом сохраняют заданные формы.
Исключая составные сплавы с содержанием железа, нихром не демонстрирует магнитных свойств.
Рисунок 2. Нагревательный элемент.
Сплавы на основе нихрома характеризуются значительным электрическим сопротивлением.
Параметры удельного сопротивления нихрома в десять раз превосходят показатели оцинкованной стали и в семьдесят раз превышают значения меди.
К числу основных преимуществ относятся:
- высокая прочность и твердость;
- устойчивость к высоким температурам и отсутствие деформаций под воздействием тепла;
- небольшой удельный вес при достаточной пластичности;
- стойкость против коррозии и способности противостоять агрессивным веществам;
Материал легко обрабатывается: его можно точить, штамповать, сваривать и так далее. Он сохраняет свои свойства даже при воздействии высоких температур.
Благодаря своей коррозионной стойкости и устойчивости к агрессивной среде, сплав обеспечивает практически неограниченный срок эксплуатации.
Среди недостатков данного материала можно отметить его высокую стоимость.
Снижение количества хрома в сплаве приводит к уменьшению стоимости изделий, однако это также отрицательно сказывается на технических характеристиках материала.
По изображению нихромовой проволоки сложно точно определить тип и источник материала, но все же можно составить представление. Новый продукт отличается блестящим бело-серым цветом, тогда как использованный материал имеет более темный, серый оттенок. Это связано с образованием оксидной пленки. При удалении окисных слоев цвет нихрома меняется на светлый.
Маркировка
Нихромовая проволока представлена несколькими марками, каждая из которых обладает своими уникальными качественными характеристиками. Основные категории нихрома следующие:
- Резисторный.
- Материал используется в конструкциях нагревательных элементов для быта и промышленности. Эта группа характеризуется высокой жаропрочностью.
- Нихромовая группа, предназначенная для эксплуатации при температурах до 900 градусов.
Проволока резисторной категории имеет диаметр от 0,009 до 0,4 миллиметра.
Для второй группы металлов этот показатель варьируется от 0,2 до 7,5 миллиметров. В категорию «сородичей» проволоки сплава входят канталы и фехрали, представляющие собой хромированные сплавы с железом и алюминием.
Эти материалы обладают высоким уровнем электросопротивления и способны сохранять свою устойчивость при температурах до 1400 градусов по Цельсию. Хотя канталы и фехрали имеют множество преимуществ, их надежность уступает показателям нихрома, что, однако, компенсируется более доступной стоимостью.
Продукция на основе нихрома может иметь различные процентные соотношения своих компонентов. Среди наиболее распространенных вариантов выделяются следующие:
- Х20Н73ЮМ производится методом вакуумно-индукционной плавки и состоит из таких компонентов: 20% хрома, 73% никеля, 3% алюминия и 1,5% молибдена.
- ХН70Ю–Н включает в себя 20% хрома, 70% никеля, 3% алюминия, менее 0,3% марганца и менее 1,5% железа. Данный сплав широко применяется в изготовлении компонентов, которые являются важной частью нагревательных устройств.
- ХН20ЮС используется в промышленных печах, обладающих функцией нагрева. Сплав включает в себя 20% хрома и никеля, 1% алюминия и 50% железа.
При покупке нихрома обратите внимание на маркировку:
- Н – предназначен для нагревательных элементов;
- С – используется в качестве элементов сопротивления;
- ТЭН – применяется в бойлерах с трубчатой конструкцией.
Как распознать?
Нихромовая проволока внешне может напоминать многие другие материалы, поэтому каждому пользователю важно знать, как ее отличить от аналогичных продуктов. Вот основные характеристики устойчивого к коррозии нихрома:
- новый металл обладает белым цветом, тогда как подержанный становится темнее;
- магнитные свойства проволоки минимальны или полностью отсутствуют;
- нихром отличается высокой жесткостью;
- это вещество подвержено разрушению под воздействием кислот;
- изделия не подвержены окислению при воздействии высоких температур.
Для выбора проволоки из нихронового сплава необходимо внимательно изучить ее номинальные эксплуатационные характеристики.
В этом процессе рассчитывают удельное сопротивление рабочего элемента с использованием формулы R = ρ · l / S, где учитываются длина и площадь поперечного сечения.
После того как мы определили необходимую мощность, можем переходить к вычислению нужного сопротивления. Если основным параметром выступает мощность, сначала рассчитываем требуемую силу тока по формуле I=P/U. После нахождения силы тока можно вычислить требуемое сопротивление, применяя закон Ома: R=U/I.
Методы расчета
По сопротивлению
Теперь рассмотрим, как определить длину нихромовой проволоки на основе мощности и сопротивления. Начнем с определения необходимой мощности. Допустим, нам требуется нихромовая нить для компактного паяльника с мощностью 10 Ватт, который будет подключён к источнику питания с напряжением 12В. У нас имеется проволока диаметром 0.12 мм.
Определение длины нихромовой проволоки по мощности без учета нагрева осуществляется следующим образом:
Сопротивление нихромовой проволоки вычисляется с использованием закона Ома:
где S – площадь поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала.
Сначала необходимо рассчитать удельное сопротивление для нихромовой проволоки с диаметром 0,12 мм. Это значение зависит от диаметра: чем он больше, тем меньше возникает сопротивление.
Эти данные также можно получить из ГОСТ 12766.1-90, таблица 8, где указано удельное сопротивление в 95,6 Ом/м. Если произвести пересчет по этой информации, то результаты будут схожи:
Для нагревателя мощностью 10 ватт, работающего на напряжении 12В, необходима длина проволоки около 15,1 см.
Если вам нужно рассчитать количество витков спирали, которую планируется изготовить из нихромовой проволоки данной длины, воспользуйтесь следующими формулами:
где L и d обозначают длину и диаметр проволоки, а D – диаметр стержня, на который будет намотана спираль.
Предположим, что мы наматываем нихромовую проволоку на стержень с диаметром 3 мм. Все расчеты будем проводить в миллиметрах:
Необходимо учесть, способен ли нихром подобного сечения выдерживать заданный ток. Ниже приведены подробные таблицы, которые помогут определить максимальный допустимый ток для конкретных сечений проволоки при различных температурах. Проще говоря, вы должны установить, до какой температуры может нагреваться проволока, и выбрать соответствующее сечение для расчетного тока.
Необходимо учитывать, что если нагревательный элемент погружен в жидкость, то ток можно увеличить на 1.2-1.5 раза. В случае, когда он находится в замкнутом пространстве, рекомендуется наоборот – снижать ток.
По температурным условиям
Проблема вышеупомянутого расчёта заключается в том, что мы основываем сопротивление холодной спирали на диаметре нихромовой нити и её длине. Однако это значение зависит от температуры, и важно учесть, при каких обстоятельствах её удастся достичь. Если для резки пенопласта или обогревателя такой подход ещё приемлем, то для муфельной печи он будет слишком упрощённым.
Рассмотрим пример расчета нихрома для устройства печи.
Сначала необходимо установить её объём, предположим, он составляет 50 литров. Затем переходим к определению мощности, для чего существует эмпирическое правило:
После этого можно вычислить силу тока и сопротивление:
Для системы на 380В при подключении нагревательных спиралей в конфигурации «звезда» расчет будет следующего характера.
При использовании соединения типа «звезда», к каждой из фаз подается напряжение 220В (фазное напряжение может варьироваться в зависимости от характеристик вашей электрической установки), и тогда ток:
Для подключения в схеме «треугольник» расчет выполняется по линейному напряжению 380В:
Для вычисления диаметра необходимо учитывать удельную мощность нагревателя. Рассчитаем длину проволоки, а значения удельного сопротивления возьмем из таблицы 8 ГОСТ 12766.1-90, но сначала следует определить диаметр.
Заключение
Таким образом, вы сможете рассчитать длину проволоки для ниобиевой спирали и установить необходимый диаметр в зависимости от мощности, сечения и рабочей температуры. При этом важно принимать во внимание:
- условия окружающей среды;
- расположение нагревательных элементов;
- температуру самих спиралей;
- температуру, до которой должна нагреться поверхность, а также другие факторы.
Даже приведенный расчет, несмотря на его сложность, нельзя считать абсолютно точным. Дело в том, что вычисление параметров нагревательных элементов связано с термодинамикой, и существует множество факторов, которые могут оказать влияние на результаты, например, эффективность теплоизоляции печи и другие нюансы.
В реальных условиях, после предварительных расчетов, количество спиралей может корректироваться: их добавляют или убирают в зависимости от достигнутых результатов, или же применяются температурные датчики и устройства для управления температурой.
Нихромовая спираль представляет собой нагревательный элемент, выполненный в форме проволоки, закрученной по спирали для удобства размещения. Эта проволока изготовлена из нихрома — специализированного сплава, основными компонентами которого являются никель и хром. «Классический» состав данного сплава включает 80% никеля и 20% хрома. Название «нихром» произошло от сочетания обозначений этих металлов и используется для обозначения группы сплавов на основе хрома и никеля.
Наиболее известные марки нихрома — Х20Н80 и Х15Н60. Первая марка близка к «классическому» составу, так как содержит 72-73 % никеля и 20-23 % хрома. Вторая марка была разработана с целью оптимизации стоимости и улучшения обработки проволоки, поэтому содержание никеля и хрома в ней снижено до 61 % и 18 % соответственно. При этом доля железа увеличена до 17-29 %, что значительно отличается от содержания всего 1,5 % в Х20Н80.
На основе этих сплавов были разработаны их современные модификации, отличающиеся повышенной живучестью и устойчивостью к окислению при высоких температурах. К ним относятся марки Х20Н80-Н (-Н-ВИ) и Х15Н60 (-Н-ВИ). Эти материалы находят применение в нагревательных элементах, которые работают в атмосфере воздуха. Рекомендуемая максимальная температура их эксплуатации составляет от 1100 до 1220 °C.
Изготовление бытовых приборов
Теперь настало время переключиться с абстрактных тем на более практичные, которые касаются жизни обычных людей. Возможно, не все об этом осведомлены, но нихром также широко используется в изготовлении домашних приборов, которыми люди ежедневно пользуются.
Кто мог бы представить, что нихромовую проволоку можно встретить в стандартном фен для сушки волос? Она используется для генерации необходимого тепла воздуха.
Если у вас есть желание, вы можете самостоятельно извлечь нихромовую проволоку из фена для волос. Для этого потребуется разобрать устройство и аккуратно вынуть проволоку, которая намотана в форме кольца.
Не забывайте отключать прибор от сети.
- Нихром можно найти также в других бытовых устройствах, таких как плиты и чайники.
- Как видно, нихром встречается практически во всех приборах с нагревательными элементами.
- В этих устройствах нагревательный элемент обычно трубчатый, что может затруднить его извлечение.
- Если у вас нет доступных приборов, из которых проще взять нихром, рассмотрите возможность покупки готовой проволоки в магазине электроматериалов.
Не следует сдерживать расходы на данный продукт, так как нихромовая проволока представляет собой крайне ценное изделие с разнообразными сферами применения.
Нагревательные элементы из фехраля должны быть установлены на керамических трубках, поскольку при температурах выше 800°C спирали могут деформироваться даже под своим собственным весом.
Выбор нихрома
Как правильно выбрать нихромовую проволоку для определенных нужд? Важно учитывать три основных критерия:
Маркировка. Наличие буквы «Н» в обозначении свидетельствует о том, что данное изделие подходит для создания нагревательных элементов с диаметром до 0,2 мм.
Маркировка “С” указывает на то, что данный продукт предназначен для создания элементов сопротивления. Аббревиатура ТЭН свидетельствует о том, что нихромовая нить может использоваться в производстве трубчатых электронагревателей.
Диаметр нихромовой проволоки варьируется в пределах от 0,05 до 12 мм. Этот параметр влияет на массу мотка и уровень сопротивления. Принцип зависимости очевиден: с уменьшением диаметра возрастает электросопротивление.
Диаметр проволоки, производимой различными компаниями, варьируется от 0,05 до 12 мм. Размер проволоки из нихрома влияет на ее сечение, массу катушки и соответствующее электрическое сопротивление.
Правильный выбор труб ВГП: распространённые размеры, рекомендации по подбору и особенности водогазопроводных труб
Руководство по выбору и расчету швеллера: рекомендации по использованию, таблицы размеров, методика расчета нагрузок и подбор веса профиля.
Как выбрать и установить фиксаторы для арматуры: разновидности, характеристики, правила установки и использования
Производитель. Важно уточнить, по каким стандартам (ГОСТ или ТУ) был изготовлен товар. Наличие сопроводительных документов и сертификатов является гарантией его качества.
Разновидности продукции
Выбор любого сплава, обладающего высокими технологическими и механическими характеристиками, должен быть тщательно обоснован и регламентирован. Это особенно важно в случае материалов с высокой стоимостью. Одним из таких современных и дорогостоящих веществ является нихромовая проволока. Согласно нормативам Гост 8803-89, 12766.1-90, 12766.3-90, 12766.4-90 устанавливаются требования к этому материалу, а также его маркировка и области применения. В зависимости от типа сплава и его назначения, металл может предлагаться потребителям в форме проволоки или лент, выбор которых определяется диаметром, сечением, длиной и специфическими условиями эксплуатации.
Такой прокат является основным сырьем для дальнейшего промышленного производства ленточных зигзагов и проволочных спиралей.
