Расчет нихрома и фехрали для производства нагревателей

Нихром и фехраль — два наиболее распространенных вида материалов, из которых изготавливаются нагревательные элементы. В этой статье мы собрали полезные расчеты, которые могут понадобиться при проектировании нагревательного элемента, а также вы можете воспользоваться калькулятором для расчета ваттной нагрузки тэн.

Расчет нихромовой спирали

Методика расчета по сопротивлению

Во-первых, давайте взглянем на расчет длины нихромовой проволоки на основе мощности и электрического сопротивления. Сначала нужно решить, какой ток потребуется нагревательной спирали. Допустим, нам нужно сделать небольшой нагреватель для электроприбора мощностью 10 Вт и напряжением 12 вольт. Предположим, что у нас есть нихромовая проволока с диаметром сечения 0,1 мм.

Самый простой расчет без учета разминки проводится по формуле, знакомой нам из школьного курса физики:
P = U ∙ I → I = P / U = 10 / 12 = 0,83 А

Закон Ома:
R = U/I = 12/0,83 = 14,5 Ом.

Зная площадь поперечного сечения проволоки (S) и удельное сопротивление нихрома (ρ), мы можем рассчитать длину проволоки, необходимой для изготовления спирали:
І = S∙ R/ ρ

Чтобы узнать удельное сопротивление нихромовой проволоки определенного диаметра, можно воспользоваться формулами или готовой таблицей значений. Для нихрома диаметром 0,1 мм сопротивление составляет 14,4 Ом, а площадь поперечного сечения — 0,008 мм2. Если потом ввести значения в формулу, то получится длина провода 10 см.

Чтобы рассчитать, сколько витков спирали нужно сделать из пряжи полученной длины, нужно воспользоваться следующими формулами:

Вычислите длину одной петли, равную:
Длина намотки = π∙(диаметр намотки + 0,5∙диаметр сечения провода)
Количество бобин = длина проволоки / длина бобины
Так если диаметр намотки нашего провода 2мм, то
Количество витков = 100/(3,14*(2+0,05))=15,5 витков

Теоретические расчеты, очевидно, хороши. А на практике выдержит ли нихром с таким диаметром сечения такой ток? В приведенных ниже таблицах указан максимально допустимый ток для конкретных диаметров нихромовых нитей при данной температуре. Проще говоря, нужно определить температуру, до которой должен быть нагрет винтовой нагреватель и подобрать его сечение по номинальному току в таблице.

Если нагреватель используется в жидкой среде, силу тока можно брать в 1,2-1,5 раза больше, а если он обогревает замкнутое пространство, то его силу тока следует уменьшить.

Методика расчета по температуре

Простой расчет, описанный выше, недостаточно точен, потому что мы берем значение сопротивления холодной спирали. Но при изменении температуры изменяется и прочность материала. В этом случае также стоит учитывать, каковы условия достижения этой температуры. Для низких температур, например в нагревателях, можно свободно применять первый метод расчета, но для высоких температур в печах сопротивления этот метод будет весьма приблизительным.
Рассчитаем муфельную спираль вторым методом. Для начала нужно рассчитать объем камеры и в зависимости от этого мощность нагрева. Для муфельных печей существует правило выбора:

• Для духовок объемом до 50 литров мощность берется из расчета 100 Вт на литр.
• Для духовок объемом 100-500 литров мощность берется из расчета 50-70 Вт на литр.

Возьмем, к примеру, небольшую духовку объемом 50 литров, тогда мощность духовки должна быть 50*100=5000 Вт.
Рассчитаем силу (I) и сопротивление (R) тока для напряжения питания 220В.
I = 5000/220 = 22,7 А
R = 220/22,7 = 9,7 Ом
Если соединить катушки 380В методом соединения «звезда», то мощность нужно разделить на 3 фазы, поэтому будем иметь
Мощность на фазу = 5 кВт / 3 = 1,66 кВт
При таком типе подключения к трехфазной сети на каждую фазу будет подаваться 220 В, соответственно ток и сопротивление будут равны:
I = 1660/220 = 7,54 А
R = 220 / 7,54 = 29,1 Ом
Если соединение спиралей при напряжении 380 В осуществляется методом «треугольник», то расчетные формулы исходят из линейного напряжения 380 В.
I = 1660/380 = 4,36 А
R = 380/4,36 = 87,1 Ом
Диаметр можно рассчитать с учетом удельной плотности потока мощности нагревательного элемента. Рассчитаем длину нагревательной нити, взяв удельное сопротивление из таблиц.
Поверхностная мощность = βэфф * α (коэффициент полезного действия)

Таким образом, чтобы нагреть муфельную печь до температуры 1000 градусов, нам нужна спираль с нагревом до 1100 С. По таблицам выберем соответствующие значения и получим:

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

Диаметр определяется по формуле d=³√((4*Rt*P²)/(π²*U²*В_доп))

Удельное сопротивление материала при нужной температуре (Rt) берется из таблицы

Если имеем нихром Х80Н20, Rt равно 1,025. Тогда Pt = 1,13*106*1,025=1,15*106 Ом на мм
Для соединения звездой: диаметр = 1,23 мм, длина = 42 м
Проверяем значения по формуле L = R/(p*k)
Получаем 29,1/(0,82*1,033)=34 м
Итак, мы видим, что в формуле без учета температуры есть существенная разница в полученных значениях. Правильно подобрать длину одной спирали для соединения звезды длиной 42 м, тогда на 3 спирали потребуется 126 метров нихромовой проволоки диаметром 1,3.

На основе формул и калькулятора можно быстро рассчитать длину нихромовой или фехралевой проволоки и рассчитать ее диаметр исходя из требуемой мощности и температуры нагревательного элемента, но даже второй способ более сложного расчета не учитывает количество факторов. На практике после проведения теоретических расчетов необходимо манипулировать результатами в соответствии со спецификой использования нагревателя.
Для точного расчета длины спирали из фехрали и нихрома для тэн, а также консультации по нагревательным элементам обращайтесь к нашим специалистам по телефону или электронной почте.