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.

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)

Отсюда:

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 < 50 л, мощность будет 100 Ватт на литр

• Для печей < 50 л, мощность будет 50-70 Ватт на литр

Согласно этому правилу, для печи с камерой 50л мощность будет 5 000 Ватт. Подключать ее мы будем к питанию в 220 Вольт, поэтому сила тока и сопротивление по формулам будет равна:

I (сила тока) = Р (мощность) : U (напряжение) = 5000 / 220 = 22,7 А

R (сопротивление) = U (напряжение) * I (сила тока) = 220 / 22,7 = 9,7 Ом

Если же мы включим муфельную печь в сеть питания 380 Вольт, то мощность будет разделена на 3 фазы, а значит для одной она будет равна 5000/3= 1 666 Ватт

При включении нагревательных спиралей по схеме ЗВЕЗДА на каждую фазу будет подано 220 Вольт, тогда по формулам

I (сила тока) = 1666 / 220 = 7,54 Ампер

R (сопротивление) = 220 / 7,54 = 29 Ом

Если будет применяться тип подключения 380В со схемой ТРЕУГОЛЬНИК, то будет подаваться 380 Вольт, тогда:

I (сила тока) = 1666 / 380 = 4,36 Ампер

R (сопротивление) = 380 / 4,36 = 87 Ом

Ниже размещены таблицы, в которых можно определить длину проводника на основе удельной поверхностной мощности нагревательной спирали.

Р пов (поверхностная мощность) = βэф * α (коэффициент эффективности)

Итак, нам нужно, чтобы муфельная печь нагревала материал до 1000С, тогда сама греющая спираль должна выдавать 1100С. Воспользовавшись таблицами определим значения параметров.

Р пов (поверхностная мощность)  = 4,3 * 0,2 = 8,6 кВт/м2

D (диаметр) = 3√((4*Rt*P2)/(π2*U2* Р пов))

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 * 10⁶ * 1,025 = 1,15 * 10⁶ 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.