Расчет параметров электронагревателей для печи, расчет нихромовой спирали

В работе электрической печи одним из самых ключевых элементов является нагреватель. Именно за счет него печь вырабатывает необходимые температуры. От качества нагревательного элемента еще зависит и работоспособность печной установки в целом. По этой причине выбранный нагреватель должен строго соответствовать определенным требованиям, которые будут указаны далее. 


Расчет параметров электронагревателей для печи, расчет нихромовой спирали


Качества, которыми должен обладать электронагреватель для печи:

  • Нагревательный элемент должен обладать высокой жаростойкостью и прочностью в условиях повышенной температуры.

  • Материал нагревателя должен обладать высоким удельным сопротивлением. От данного критерия зависит максимальная способность нагрева. Зачастую в качестве таких материалов используют сплавы нихрома и фехрали, которые характеризуются как прецизионные.

  • Невысокий коэффициент температуры сопротивления важный критерий при выборе сплава для нагревательного устройства. Если данный показатель высокий придется использовать трансформатор для понижения напряжения на начальном этапе работы. Физические характеристики сплавов электронагревателя должны быть постоянными. Некоторые материалы, такие как карборунд, являющийся неметаллическим нагревателем, могут со временем изменять свои физические свойства, включая электросопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Для стабилизации сопротивления используют трансформаторы с большим числом ступеней и диапазоном напряжения.

  • Металлические материалы должны иметь хорошие технологические свойства, а именно: пластичность и свариваемость, чтобы изготавливать их них ленты или проволоку. Из лент в дальнейшем можно производить элементы сложной конфигурации. Нагреватели также могут быть изготовлены из неметаллического сырья. Неметаллические нагреватели прессуют, или отливают, превращая в готовый продукт.

Материалы для производства нагревателей

Самыми подходящими и наиболее применяемыми при изготовлении нагревателей для электропечей являются прецизионные сплавы с высоким электросопротивлением. К ним относят сплавы на основе хрома и никеля (никель-хром), железа, хрома и алюминия (железо-хром-алюминий). Марки и свойства этих сплавов учтены в ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные». Представителями никель - хромовых сплавов являются нихром марок X20H80, X20H80-H (950-1200°C), X15H60, X15H60-H (900-1125°C), феррохромоалюминий - фехраль марок H23YU5T (950-1400). ° С), Х27Ю5Т (950-1350 ° С), Х23Ю5 (950-1200 ° С), Х15Ю5 (750-1000 ° С). Существуют также железо-хромоникелевые сплавы - Х15Н60Ю3, Х27Н70ЮЗ.

Вышеуказанные материалы для нагревателей обладают хорошей тепло- и термостойкостью. Хорошую термостойкость обеспечивает защитная пленка из оксида хрома, которая образуется на поверхности материала. Температура плавления пленки выше, чем температура плавления самого сплава; он не растрескивается при нагревании и охлаждении.


Расчет параметров электронагревателей для печи, расчет нихромовой спирали


Достоинства нихрома:

  • Отличные механические свойства, как при низких, так и при высоких температурах;

  • Сплав крипоустойчивый;

  • Имеет хорошие технологические свойства;

  • Хорошо поддается обработке;

  • Не устаревает, немагнитится.

Недостатки нихрома:

  • Дорогостоящий;

  • Рабочие температуры ниже, чем у фехраля;

  • Преимущества фехраля:

  • Сравнительно с никелем недорогой;

  • Более жаростойкий.

Недостатки фехрали:

  • Хрупкий;

  • Низкое сопротивление ползучести;

  • Удлиняется при нагреве.

Расчет нагревателей электрических печей

Как правило, в качестве исходных данных для определения параметров электронагревателя для печи берется его необходимая мощность, максимальные показатели вырабатываемой температуры и параметры рабочего пространства. Если мощность печной установки не известна, то ее определяют по эмпирическому правилу. При расчете нагревательных элементов важно определить диаметр и длину (для проволоки) или площадь поперечного сечения и длину (для ленты), которые необходимы для производства нагревательных элементов. Нужно сразу определить и материал, из которого будут изготавливаться нагреватели. Мы же будем рассматривать хромоникелевый сплав Х20Н80.

Вычисление диаметра и длины электронагревателя (проволоки из нихрома) для имеющейся мощности простым способом

Простейшим вариантом определения параметров нагревателя есть вычисление его диаметра и длины в условиях уже известной мощности, напряжения сети, а также температуры, которую будет иметь нагреватель. 

Но, такой расчет имеет одну особенность, о которой будет рассказано далее.

Пример вычисления длины и диаметра нагревательной проволоки

Исходные данные:

Оборудование имеет мощность P = 1200 Вт; подключается к сети с напряжением U = 240 В; нагреватель подает температуру 900 °C. В качестве нагревателя применен нихром маркировкой Х20Н80

1. В первую очередь нам необходимо определить силу тока, проходящую через элемент нагрева, подставляя имеющиеся данные:

    I = P / U = 1200 / 240 = 5 А.

2. Затем находим сопротивление нагревательной проволоки:

    R = U / I = 240 / 5 = 48 Ом;

3. Имея значения силы тока, которая проходит по нагревательной проволоке, высчитываем диаметр нагревательного элемента. Это очень важный момент. К примеру, если сила тока составляет 10 А нихромовая проволока диаметром 0,5 мм сразу же перегорит. Высчитав силу тока, следует из специальной таблицы расчета, которая предоставлена в открытом доступе, подобрать соответствующее значение диаметра проволоки. Исходя из нашего примера, где сила тока составляет 5 А, а термическая подача от нагревателя — 900 °C диаметр нагревателя должен составлять d = 0,4 мм. Площадь поперечного сечения S = 0,126 мм2.


Расчет параметров электронагревателей для печи, расчет нихромовой спирали


Примечание:

Если нагревательное устройство будет эксплуатироваться в жидкостной среде, то нагрузка может быть увеличена в полтора раза.

В условиях закрытой эксплуатации, как в случае использования электропечи, нагрузка должна наоборот уменьшаться в полтора раза.

4. Следующим шагом будет определение длины нихромового элемента нагрева по формуле:

    R = ρ · l / S,

где R - электросопротивление нагревательной проволоки [Ом], ρ - удельное электросопротивление материала нагревательного элемента [Ом · мм2 / м], l – длина [мм], S - площадь поперечного сечения [мм2].

Подставляем свои данные и получаем:

    l = R · S / ρ = 48 · 0,126 / 1,11 = 5,44 м.

В этом примере нагреватель имеет диаметр Ø 0,4 мм, что соответствует ГОСТ 12766.1-90. Номинальное значение удельного электросопротивления нихромового проводника марки Х20Н80 составляет 1,1 Ом · мм2 / м (ρ = 1,1 Ом · мм2 / м), см. табл. 

Удельное электрическое сопротивление нихрома (номинальное значение).

Марка сплава

Диаметр, мм

Удельное сопротивление, мкОм*м

Х20Н80-Н

0,1-0,5

1,08

 

0,5-3,0

1,11

 

более 3,0

1,13

Х15Н60, Х15Н60-Н

0,1-3,0

1,11

 

более 3,0

1,12

Х23Ю5Т

любой диаметр

1,39

 

Итогом расчетов является необходимая длина нихромового проводника, составляющая 5,44 м, диаметр - 0,4 мм.

Вычисление параметров диаметра и длины нихромового проводника для заданной электропечи (более сложный и подробный расчет)

В данном случае будут учтены дополнительные параметры нагревательной проволоки и ее подключение к трехфазной сети. В качестве исходных данных будут взяты внутренние размеры электропечи.

1. В первую очередь определяется внутренний объем камеры печной установки. К примеру: h = 530 мм, d = 420 мм и l = 420 мм (высота, ширина и глубина). Таким образом, получаем объем V = h · d · l = 530· 420 · 420 = 93,4 · 10 6 мм3 = 93,4 л (мера объема).

2. На следующем этапе вычисляется мощность печи, которая будет определяться по эмпирическому правилу: для печной установки объемом 10 - 50 литров удельная мощность составляет 100 Вт/л (Ватт на литр объема), объемом 100 - 500 литров - 50 - 70 Вт/л.

В качестве примера приведем печь с мощностью 100 Вт/л и сразу высчитаем, что мощность элемента нагрева должна составить P = 100 • 93,4 = 9340 Вт = 9,34 КВт. Такие печи предназначаются для однофазной сети. Если нагрузки значительно выше, то такое оборудование предназначается для трехфазного подключения.

3. Далее определяем силу тока, которая будет проходить через нагревательную проволоку по формуле: I = P / U

где P - мощность нагревательной проволоки,

U - напряжение нагревателя между концами,

и его сопротивление R = U / I.

Подключение  при указанных параметрах может происходить по одному из следующих способов:

К однофазному току бытовой сети — 220 В;

К промышленной трехфазной сети 220 В (между нулевым проводом и фазой) или U = 380 В (между двумя любыми фазами).

Бытовая сеть однофазного тока 


Расчет параметров электронагревателей для печи, расчет нихромовой спирали


 I = P / U = 9340 / 220 = 42,5 А - ток протекающий через нагревательную проволоку.

Определение сопротивления электронагреватели для печи.

     R = U / I = 220 / 42,5 = 5,18 Ом.

Промышленная сеть трехфазного тока 

Нагрузка при таком типе подключения распределиться равномерно на три фазы. Поэтому понадобятся сразу три нагревательных элемента. Способов подключения существует два, из них и следует выбирать.

Обратите внимание, что применяемые формулы для определения силы тока и сопротивления к трехфазной сети не классические. Мы их подобрали для упрощения расчетов. Точность полученных данных не искажена.


Расчет параметров электронагревателей для печи, расчет нихромовой спирали


Подключение по схеме «ЗВЕЗДА» подразумевает подсоединение нагревателя между фазой и нулем. В соответствии с этим напряжение на концах нагревательной проволоки будет составлять 220 В.

Ток, который проходит по нагревателю:

     I = P / U = 3113 / 220 = 14,15 А.

Сопротивление одного нагревательного элемента:

     R = U / I = 220 / 14,15 = 15,54 Ом.

При использовании схемы “ТРЕУГОЛЬНИК” нагревательный элемент подключают между двумя фазами и напряжение на его концах — 380 В.

Ток, который проходит по нагревателю:

     I = P / U = 3113 / 380 = 8,19 А.

Сопротивление одного нагревательного элемента:

     R = U / I = 380/ 8,19 = 46,4 Ом.

4. Определив сопротивление нагревательной проволоки для соответствующего типа подключения к сети далее нужно вычислить диаметр и длину проволоки.

Удельная поверхностная мощность

Вычислив все указанные параметры, следует проанализировать удельную поверхностную мощность электронагревателя, которая зависит от термических значений материала поддающегося нагреву и от конструкции выбранного элемента нагрева.

Пример

В предыдущих расчетах мы определили сопротивление электронагревателя. Для печной установки в 93,4 литра, которая включается в однофазную сеть сопротивление равно R = 5,18 Ом. Для примера подберем нихромовый сплав маркировкой Х20Н80 диаметром 1 мм. Для получения требуемого сопротивления, нужно: l = R /  = 5,18 / 1,4 = 3,7 м нихромовой проволоки,  где  - номинальное значение электрического сопротивления 1 м проволоки по ГОСТ 12766.1-90, [Ом/м].

Масса имеющегося отрезка проводника составит m = l ·  = 3,7 · 0,007 = 0,0259 кг = 26 г, где  - масса 1 м проволоки. Затем определяем площадь поверхности отрезка проводника из нихромового сплава длиной 3,7 м. S = l ·  · d = 370 · 3,14 · 0,1 = 116,2 см2, где l – длина нагревательного элемента [см], d – его диаметр [см]. Исходя из этого, из площади 116,2 см2 должно выделяться 9,34 кВт. Прибегнув к простой пропорции выявляем, что с 1 см2 выделяется мощность  = P / S = 9340 / 116,2 = 80,4 Вт, где  - поверхностная мощность нагревательного элемента.

Такая мощность слишком большая. Нихромовый сплав ее не выдержит, если прогревать его до температур, которые обеспечили бы полученное значение поверхностной мощности. Приведенный пример является демонстрацией неправильного выбора диаметра проволоки, которая будет использоваться для изготовления нагревателя.

 

Каждому материалу, зависимо от требуемых термических значений характерно свое допустимое значение поверхностной мощности. Его можно высчитать за счет специальных табличек и графиков.

Высокотемпературным печам  (700 – 800 °С) допустима поверхностная мощность, которая равна βдоп = βэф · α, где βэф – поверхностная мощность нагревательных элементов зависящая от температуры воспринимающей тепло среды [Вт / м2], α – коэффициент эффективности излучения. Низкотемпературных печам (менее 200 – 300 °С) допустима поверхностная мощность (4 - 6) · 104 Вт/м2.

Используя приведенные примеры, вы сможете с легкостью рассчитать необходимые параметры нагревателей для электропечей, в том числе муфельных печей при разных схемах подключения. При заказе электронагревателей у компании «ТЭН24» расчет нихромовой спирали, фехралевой спирали и параметров устройства нагрева проводится совместно с технологом для каждой печи и типа подключения индивидуально.





Возврат к списку


.

Задать вопрос

Логотип ТЭН 24
Для того, чтобы купить нагреватели или задать вопрос специалисту заполните форму или просто позвоните по телефонам