Затем производится расчет плиты, формулы которого следующие:
Расчет печи начинается с ее будущей мощности. Также определяется ток, который будет протекать через корпус нагревателя. Для этого можно использовать основные эмпирические нормы для определения соотношения между размером камеры нагревателя и его мощностью.
Если объем составляет от 1 до 5 литров, желательно, чтобы выходная мощность устройства составляла от 300 до 500 ватт на литр. Если камера предназначена для промышленного использования и ее объем достигает 100 литров и более, в расчет муфельной печи следует включить примерно 50-60 ватт на литр.
Подробная таблица рекомендуемых мощностей для различных объемов камеры
Провести необходимые расчеты несложно. Сам объем можно легко рассчитать по высоте, ширине и глубине камеры, а затем умножить на требуемую величину. Например, печь объемом 5 литров и нагрузкой 300 Вт/литр будет иметь общую мощность 1500 Вт.
Определение силы тока также достаточно простое. Основное напряжение в сети известно и составляет 220 В.
Затем рассчитывается печь, формула следующая:
I=P/U
P – это предварительно рассчитанная мощность, в нашем случае 1500 Вт.
U – сетевое напряжение.
Следовательно, мы имеем: 1500/220 = 6.8 А.
Один нагреватель с лампой накаливания в печи объемом 60 литров.
Расчет нагревателя накаливания для обжиговой печи
Самый простой способ рассчитать обогреватель – воспользоваться онлайн-калькулятором.
Ниже приводится перепечатка статьи с сайта Horse. Ссылка на статью на главной странице постоянно меняется, а картинки куда-то исчезают, поэтому я решил продублировать ее здесь.
Расчет проволочного нагревателя электропечи
Автор: Геннадий Сурков
15.12.2011 00:06
Как связаны объем, мощность и теплоемкость печи.
Как уже упоминалось, здесь нет обычных духовых шкафов. Точно так же нет печей для обжига глиняной посуды или игрушек, красной глины или бисера. Это просто печь (и мы говорим здесь только об электрических печах) с определенным количеством полезного пространства, изготовленная из определенных огнеупорных материалов. В эту печь можно поместить большую или маленькую вазу, а также обжечь целую стопку тарелок с толстыми плитками из огнеупорной глины. Вазу или тарелки можно обжигать при температуре 1000 °C или даже 1300 °C. По производственным или бытовым причинам обжиг должен длиться 5-6 часов или 10-12 часов.
Никто лучше вас не знает, что вам нужно от печи. Поэтому прежде чем приступить к расчетам, необходимо прояснить для себя все эти моменты. Если у вас уже есть плита, но вам нужно установить в ней радиаторы или заменить старые на новые, проект не нужен. Если вы строите плиту с нуля, то начните с определения размеров камеры, т.е. длины, глубины, ширины.
Предположим, что вы уже знаете эти значения. Предположим, что вам нужна камера высотой 490 мм, шириной и глубиной 350 мм. В дальнейшем мы будем называть радиатор с такой камерой 60-литровым радиатором. Одновременно мы спроектируем вторую, более крупную плиту высотой H=800 мм, шириной D=500 мм и глубиной L=500 мм. Мы будем называть эту печь 200-литровой плитой.
Объем духовки в литрах = H x D x L,
где H, D, L выражены в дециметрах.
Если вы правильно пересчитали миллиметры, то объем первой печи должен быть 60 литров, а объем второй печи – 200 литров! Не думайте, что автор злонамерен: самые распространенные ошибки в расчетах – это ошибки в размерах!
Перейдем к следующему вопросу: из чего сделаны стенки плиты? Современные печи почти все изготовлены из легких огнеупоров с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью. Очень старые печи сделаны из тяжелой огнеупорной глины. Такие плиты легко узнать по массивной облицовке, толщина которой почти равна ширине камеры. Если у вас такой случай, то вам повезло: во время обжига 99% энергии будет потрачено на нагрев стенок, а не изделий. Предположим, что стены выполнены из современных материалов (MKRL-08, SWP-350). Тогда только 50-80% энергии будет использовано для обогрева стен.
Масса заряда очень неопределенна. Хотя она обычно меньше, чем огнеупорная масса стен (плюс очаг и крыша) печи, эта масса, безусловно, вносит свой вклад в скорость нагрева.
Теперь о мощности. Мощность – это количество тепла, отдаваемого нагревателем в секунду. Единицей измерения мощности является ватт (сокращенно Ватт). Мощность яркой лампочки составляет 100 ватт, электрического чайника – 1000 ватт, или 1 киловатт (сокращенно 1 кВт). Если вы включите обогреватель мощностью 1 кВт, он будет ежесекундно выделять тепло, которое, согласно закону сохранения энергии, будет расходоваться на нагрев стен, продукты которого будут уходить вместе с воздухом через щели. Теоретически, если нет потерь через щели и стены, 1 кВт способен нагреть что-либо до бесконечной температуры за бесконечное время. На практике фактические (приблизительно средние) тепловые потери для кухонных плит известны, поэтому применяется следующее эмпирическое правило
Для нормального объема нагрева 10-50 литров, необходимая мощность составляет
100 Вт на литр объема.
При нормальной мощности нагревателя в 100-500 литров мощность
50-70 Вт на литр объема.
Удельная мощность должна определяться не только объемом печи, но и массой футеровки и заряда. Чем больше масса заряда, тем большее значение должно быть выбрано. В противном случае нагреватель будет нагреваться, но в течение более длительного времени. Давайте выберем единичную мощность 100 Вт/литр для нашего 60-литрового нагревателя и 60 Вт/литр для 200-литрового нагревателя. Соответственно, получаем, что мощность нагревателей в 60-литровой бутыли должна составлять 60 x 100 = 6000 Вт = 6 кВт, а в 200-литровой бутыли 200 x 60 = 12000 Вт = 12 кВт. Посмотрите, как интересно: объем увеличился более чем в 3 раза, а мощность – только в 2 раза. Почему? (Вопрос для самообразования).
Бывает так, что в вашей квартире нет розетки 6 кВт, а есть только розетка 4 кВт. Но вам нужно ровно 60 литров! Что ж, можно рассчитать печь на 4 киловатта, но придется смириться с тем, что этап нагрева при обжиге займет 10-12 часов. Иногда, наоборот, очень массивную загрузку необходимо разогреть за 5-6 часов. В этом случае вложите 8 кВт в 60-литровую плиту и не обращайте внимания на раскаленную проводку. Для лучшего обоснования ограничимся классическими мощностями 6 и 12 кВт соответственно.
Мощность, амперы, вольты, фазы.
Зная мощность, мы знаем потребность в тепле для отопления. Согласно неумолимому закону сохранения энергии, мы должны получать ту же самую мощность из электрической сети. Вспомните формулу:
Мощность нагревателя (Вт) = Напряжение нагревателя (В) x Ток (A)
или P = U x I
В этой формуле есть две хитрости. Во-первых: напряжение должно измеряться на концах нагревателя, а не на розетке в целом. Напряжение измеряется в вольтах (сокращенно В). Во-вторых: вы имеете в виду ток, проходящий через данный конкретный нагреватель, а не выключатель в целом. Ток измеряется в амперах (сокращенно А).
Мы всегда получаем напряжение сети. Если подстанция работает нормально и это не часы пик, напряжение в обычной бытовой розетке будет 220 В. В промышленной трехфазной системе напряжение между любой фазой и нейтральным проводом также составляет 220 В, а напряжение между любыми двумя фазами – 380 В. Таким образом, в случае однофазной бытовой сети у нас нет выбора напряжения – только 220 В. В случае с трехфазным есть выбор, но небольшой – либо 220, либо 380 В. А что насчет усилителей? Они определяются автоматически из напряжения и сопротивления нагревателя в соответствии с великим законом Ома:
Закон Ома для участка электрической цепи:
Ток (A) = Напряжение линии (В) / Сопротивление линии (Ом)
или I = U / R
Чтобы получить 6 кВт мощности от однофазной цепи, необходим ток I = P / U = 6000/220 = 27,3 ампера. Это большой, но реалистичный ток для хорошей бытовой электросети. Например, это ток, протекающий в электроплите, когда все конфорки и духовка включены на полную мощность. Чтобы получить 12 кВт в однофазной сети для 200-литровой плиты, потребуется вдвое больший ток – 12000/220 = 54,5 ампера! Это неприемлемо для любого бытового водоснабжения. Лучше использовать три фазы, т.е. разделить мощность на три линии. На каждую фазу будет приходиться 12000/3/220 = 18,2 ампера.
Обратите внимание на последний расчет. На данный момент мы НЕ ЗНАЕМ, какие радиаторы будут находиться в печке, и какое напряжение (220 или 380 вольт) будет подаваться на них. Но мы ЗНАЕМ, что нам нужно взять 12 кВт из трехфазной сети, распределим нагрузку равномерно, т.е. по 4 кВт в каждой фазе нашей сети, поэтому через каждый фазный провод входного (общего) выключателя нагревателя будет протекать ток 18,2 А, и не обязательно, что через нагреватель будет протекать такой ток. Кстати, через счетчик электроэнергии также будет протекать 18,2 А. (Да, и кстати: по нейтральному проводу не будет протекать ток из-за особенностей трехфазного электропитания. Эти особенности здесь игнорируются, так как нас интересует только тепловой режим работы тока). Если на этом этапе у вас возникнут вопросы, прочитайте это еще раз. Подумайте: если в объеме радиатора вырабатывается 12 киловатт, то, согласно закону сохранения энергии, те же 12 киловатт проходят через три фазы, в каждой из которых по 4 киловатта.
Вернемся к однофазной плите объемом 60 литров. Легко видеть, что сопротивление нагревателя печи должно быть R = U / I = 220 В / 27,3 А = 8,06 Ом. Поэтому в самом общем виде схема нагревателя будет выглядеть следующим образом:
Через нагреватель с сопротивлением 8,06 Ом должен протекать ток 27,3 А.
Для трехфазного нагревателя требуется три одинаковых нагревательных контура: На рисунке показана самая общая схема для 200-литрового нагревателя.
Мощность 200-литрового нагревателя должна быть равномерно распределена по 3 контурам – A, B и C.
Но каждый нагреватель может быть подключен либо между фазой и нулем, либо между двумя фазами. В первом случае на концах каждой нагревательной цепи будет 220 В, а ее сопротивление составит R = U / I = 220 В / 18,2 А = 12,08 Ом. Во втором случае на концах каждого отопительного контура будет 380 В. Для достижения мощности 4 кВт необходим ток I = P / U = 4000/380 = 10,5 ампер, поэтому сопротивление должно быть R = U / I = 380 В / 10,5 A = 36,19 Ом. Эти варианты соединения называются “звезда” и “дельта”. Как видно из значений требуемых сопротивлений, невозможно просто изменить схему питания со звезды (нагреватели 12,08 Ом) на треугольник (нагреватели 36,19 Ом) – в каждом случае требуются разные нагреватели.
В схеме “звезда” каждый нагреватель подключается между фазами и нулем к 220 вольтам.
Каждый нагреватель с сопротивлением 12,08 Ом пропускает ток 18,2 А. Через провод N ток не течет.
В схеме “треугольник” каждый нагревательный контур подключен между двумя фазами с напряжением 380 В.
Через каждый нагреватель с сопротивлением 36,19 Ом протекает ток 10,5 А. В проводе, соединяющем точку A1 с выключателем (точка A), течет ток 18,2 A, поэтому 380 x 10,5 = 220 x 18,2 = 4 киловатта!
Аналогично с линиями B1 – B и C1 – C.
Домашнее задание. 200-литровая схема была звездой. Сопротивление каждой цепи равно 12,08 Ом. Какова мощность нагревателя, если эти нагреватели включены в дельту?
Ограничение нагрузки для проволочных нагревателей (X23Y5T).
Полная победа! Мы знаем сопротивление нагревателя! Остается только намотать кусок проволоки соответствующей длины. Не будем занудствовать расчетами с удельным сопротивлением – все уже давно рассчитано с достаточной для практических нужд точностью.
| Диаметр, мм | Метр в 1 кг | Сопротивление 1 метра, Ом |
| 1,5 | 72 | 0.815 |
| 2,0 | 40 | 0.459 |
| 2,5 | 25 | 0.294 |
| 3,0 | 18 | 0.204 |
| 3,5 | 13 | 0.150 |
| 4,0 | 10 | 0.115 |
Для 60-литровой плиты нам потребуется 8,06 Ом. Выберите половину и получите, что требуемое сопротивление дают 10 метров проволоки, которая весит всего 140 грамм!
Давайте проверим еще раз: 10 метров 1,5-мм провода имеют сопротивление 10 x 0,815 = 8,15 Ом. Сила тока при напряжении 220 вольт составит 220 / 8,15 = 27 ампер. Мощность составит 220 x 27 = 5940 Вт = 5,9 кВт. Это то, что мы хотели 6 кВт.
В этом нет никакой ошибки, единственная проблема – отсутствие таких плит…..
Один раскаленный нагреватель в 60-литровой печи.
Нагреватель очень маленький или что-то в этом роде. Именно такое чувство возникает, когда вы смотрите на фотографию выше. Но это расчет, а не философия, поэтому давайте перейдем от чувств к цифрам. Цифры говорят о следующем: 10 погонных метров проволоки диаметром 1,5 мм имеют площадь S = L x d x pi =1000 x 0,15 x 3,14 = 471 квадратный сантиметр. С этой площади поверхности (а где же еще?) в объем печи излучается 5,9 кВт, т.е. 12,5 Вт на см2. Оставляя в стороне детали, важно отметить, что нагреватель должен раскалиться до огромной температуры, прежде чем температура в плите значительно повысится.
Перегрев нагревателя определяется величиной так называемой поверхностной нагрузки p, которую мы рассчитали выше. На практике существуют предельные значения p для каждого типа нагревателя, зависящие от материала нагревателя, диаметра и температуры. С хорошим приближением для проволоки из отечественного сплава Х23Ю5Т любого диаметра (1,5-4 мм) можно использовать значение 1,4-1,6 Вт/см2 для температуры 1200-1250оС.
С физической точки зрения, перерасчет может быть связан с разницей температур на поверхности провода и внутри него. Тепло рассеивается по всему объему, поэтому чем больше нагрузка на поверхность, тем больше будет разница в этих температурах. При температуре поверхности, близкой к предельной рабочей температуре, температура в сердечнике проволоки может приближаться к температуре плавления.
Поверхностная нагрузка выше предельной, еще немного и провод перегорит.
Нормальная нагрузка на поверхность.
Если печь рассчитана на низкие температуры, поверхностная нагрузка может быть выше, например, 2 – 2,5 Вт/см2 для 1000oC. Здесь можно сделать грустный комментарий: настоящий кантал (то есть ортогональный сплав, аналогом которого является российский Фехраль Х23Ю5Т) выдерживает p до 2,5 при 1250oC. Этот вид кантала производится шведской компанией Kantal.
Вернемся к нашей 60-литровой лампе и выберем из таблицы более толстый провод – сдвоенный. Это показывает, что нам нужно взять 8,06 Ом / 0,459 Ом/м = 17,6 метров двойного провода, который будет весить 440 грамм. Рассчитаем нагрузку на поверхность: p = 6000 Вт / (1760 x 0,2 x 3,14) см2 = 5,43 Вт/см2. Это очень много. Для проволоки диаметром 2,5 мм получаем 27,5 метра и p = 2,78. Для тройки – 39 метров, 2,2 килограмма и p = 1,66. Наконец.
Теперь нам нужно намотать 39 метров тройки (если она порвется, начинаем наматывать заново). Однако мы можем использовать ДВА нагревателя, соединенных параллельно. Конечно, сопротивление каждого из них должно быть вдвое больше 8,06 Ом. Таким образом, в случае с двойным радиатором мы будем иметь два радиатора размером 17,6 x 2 = 35,2 м, каждый мощностью 3 кВт и нагрузкой на площадь 3000 Вт / (3520 x 0,2 x 3,14) см2 = 1,36 Вт/см2. А вес составляет 1,7 кг. Сэкономлено полкилограмма. Вы получаете в общей сложности множество витков, которые можно равномерно распределить по всем стенкам каменки.
Хорошо распределенные нагреватели в 60-литровой плите.
Два нагревателя 16,12 Ом подключены параллельно к напряжению 220 вольт. Каждый из них обеспечивает мощность 3 кВт и работает без перегрева.
Для каждого диаметра провода можно рассчитать максимальный (в порядке рекомендации) ток, который может протекать через него без перегрузки по току.
| Диаметр проволоки, мм | Предельный ток для p=2 Вт/см2 при 1000 o C | Предельный ток для p=1,6 Вт/см 2 при 1200 o C |
| 1,5 | 10,8 | 9,6 |
| 2,0 | 16,5 | 14,8 |
| 2,5 | 23,4 | 20,7 |
| 3,0 | 30,8 | 27,3 |
| 3,5 | 38,5 | 34,3 |
| 4,0 | 46,8 | 41,9 |
Пример расчета для печи объемом 200 литров.
Теперь, когда основные принципы известны, давайте покажем, как они используются при расчете реальной 200-литровой плиты. Все этапы вычислений, конечно, можно формализовать и записать в простую программу, которая почти все сделает сама.
Нарисуем нашу плиту “в развертку”. Мы смотрим на него сверху, центр находится внизу, а стены – по бокам. Рассчитайте площади всех стен, чтобы правильно организовать теплопоступления пропорционально площади.
“Выкладывание” плиты объемом 200 литров.
Мы уже знаем, что при соединении звездой в каждой фазе должен протекать ток 18,2 А. Из таблицы выше видно, что для проволоки 2,5 мм можно использовать один нагревательный элемент (предел тока 20,7 А), но для проволоки 2,0 мм необходимо использовать два элемента параллельно (так как предел тока составляет всего 14,8 А) – всего 3 x 2 = 6 в печи.
Используйте закон Ома для расчета необходимого сопротивления нагревателей. Для провода диаметром 2,5 мм R = 220 / 18,2 = 12,09 Ом, т.е. 12,09 / 0,294 = 41,1 метра. Вам понадобится 3 таких нагревателя, каждый примерно 480 витков, намотанных на оправку диаметром 25 мм. Общий вес проволоки составит (41,1 x 3) / 25 = 4,9 кг.
Для провода 2,0 мм в каждой фазе имеется два параллельных элемента, поэтому сопротивление каждого из них должно быть вдвое больше – 24,18 Ом. Длина каждого из них составит 24,18 / 0,459 = 52,7 метра. Каждый элемент будет иметь 610 витков с одинаковой обмоткой. Общий вес всех 6 нагревательных элементов составляет (52,7 x 6) / 40 = 7,9 кг.
Ничто не мешает разделить любую катушку на несколько частей, которые мы затем соединим последовательно. Почему? Во-первых, из-за простоты сборки. Во-вторых, если из строя выходит четверть радиатора, то замене подлежит только эта четверть. Точно так же никто не мешает вам вставить в нагреватель массивную катушку. Тогда для каждой двери потребуется отдельная катушка, а у нас есть только три для диаметра 2,5 мм.
Мы предполагаем одну фазу провода 2,5 мм. Нагреватель разделен на 8 независимых коротких катушек, соединенных последовательно.
Если мы расположим все три фазы подобным образом (см. рисунок ниже), то получится следующая картина. Мы забыли о дне! И это занимает 13,5% площади поверхности. Более того, катушки находятся в опасной электрической близости друг от друга. Особенно опасно соседство катушек на левой стене, где напряжение между ними составляет 220 В (фаза-ноль – фаза-ноль…). Если по какой-то причине соседние катушки на левой стенке соприкасаются друг с другом, возникает сильное короткое замыкание. Мы рекомендуем вам самостоятельно оптимизировать размещение и подключение катушек.
Установите все фазы на место.
Для случая, когда мы решили использовать сдвоенный, схема показана ниже. Каждый отрезок длиной 52,7 м разделен на 4 последовательные спирали по 610 / 4 =152 витка (намотаны на оправку диаметром 25 мм).
Для проволоки 2,0 мм расположение нагревателя меняется.
Характеристики намотки, сборка, обработка.
Проволока удобна тем, что ее можно намотать на катушку, а затем растянуть катушку по желанию. Считается, что диаметр намотки должен быть больше, чем 6-8 диаметров проволоки. Оптимальное расстояние между витками составляет 2-2,5 диаметра провода. Но наматывайте его виток за витком: очень легко растянуть виток, но гораздо труднее его сжать.
Толстая проволока может сломаться во время намотки. Это особенно раздражает, когда у вас осталось всего 5 витков из 200. Это идеальный вариант для намотки на токарном станке при очень низкой скорости вращения оправки. Сплав Х23Ю5Т выпускается в закаленном и незакаленном вариантах. Последние ломаются особенно часто, поэтому, если у вас есть выбор, убедитесь, что вы покупаете закаленную проволоку для намотки.
Сколько оборотов? Несмотря на простоту вопроса, ответ не очевиден. Во-первых, диаметр оправки, а значит, и диаметр одного витка, точно не известен. Во-вторых, точно известно, что диаметр проволоки немного меняется по ее длине, поэтому сопротивление катушки также будет меняться. В-третьих, удельное сопротивление данного сплава спая может отличаться от эталонного. На практике вы наматываете катушку на 5-10 витков больше, чем предполагают ваши расчеты, а затем измеряете ее сопротивление – с помощью ОЧЕНЬ точного измерительного прибора, которому можно доверять, а не мыльницы. В частности, убедитесь, что измерительный прибор показывает ноль или число порядка 0,02 Ом, которое должно быть вычтено из измеренного значения при замыкании контактов. При измерении сопротивления катушка должна быть слегка растянута, чтобы устранить эффект кручения. Лишние витки откусываются.
Лучше всего поместить змеевик в печь на муллитокремнеземистой (MSS) трубке. Труба с наружным диаметром 20 мм подходит для катушки диаметром 25 мм, а 30-32 мм – для катушки диаметром 35 мм.
Хорошо, если радиатор нагревается равномерно с пяти сторон (четыре стенки + дно). Сконцентрируйте большую мощность в зоне пола, например, 20-25% от общей номинальной мощности каменки. Это компенсирует приток холодного воздуха извне.
Правильное расположение радиаторов по высоте и на полу делает отопление более равномерным.
К сожалению, идеальной равномерности нагрева достичь невозможно. Это можно устранить с помощью вентиляционных систем с отводом воздуха от нагревателя. (Пример такого нагревателя).
Во время первого нагрева и даже первых двух или трех нагревов на поверхности проволоки образуется окалина. Обязательно удалите его как с отопительных приборов (щеткой), так и с поверхностей плит, кирпичей и т.д. Отложение накипи особенно опасно, когда змеевик просто лежит на кирпичах: оксиды железа с алюмосиликатами при высоких температурах (нагреватель в одном миллиметре!) образуют легкоплавкие композиции, которые могут привести к перегоранию нагревателя.
Определение сопротивления нагревателя электрической печи.
Расчет нагревателей электрических печей
Как правило, исходными данными для определения параметров электронагревателя для обогревателя являются требуемая мощность, максимальная производимая температура и параметры рабочего пространства. Если мощность нагревателя неизвестна, она определяется по эмпирическому правилу. При проектировании нагревательных элементов важно определить диаметр и длину (для проволоки) или сечение и длину (для полосы), которые необходимы для изготовления нагревательных элементов. В самом начале необходимо также определить материал, из которого будут изготовлены нагревательные элементы. В качестве примера возьмем хромоникелевый сплав Х20Н80.
Расчет диаметра и длины электрического нагревателя (нихромовой проволоки) для имеющейся мощности простым методом
Однако этот расчет имеет особенность, которая будет объяснена ниже.
Пример расчета длины и диаметра нагревательного провода
Исходные данные:
Устройство имеет номинальную мощность P = 1200 Вт; подключено к цепи с напряжением U = 240 В; нагреватель достигает температуры 900°C. В качестве нагревателя используется нихром с маркировкой X20H80.
1 Сначала определите ток, протекающий через нагревательный элемент, подставив имеющиеся данные:
I = P / U = 1200 / 240 = 5 A.
2. затем найдите сопротивление нагревательного провода:
R = U / I = 240 / 5 = 48 Ом;
3. имея значение тока, протекающего через нагревательный провод, рассчитать диаметр нагревательного элемента. Это очень важный момент. Например, если сила тока составляет 10 А, нихромовая проволока диаметром 0,5 мм сгорит мгновенно. После расчета тока выберите соответствующий диаметр провода из специальной расчетной таблицы, которая находится в открытом доступе. Исходя из нашего примера, где ток составляет 5 А, а тепловой поток от нагревателя – 900 °C, диаметр нагревателя должен быть d = 0,4 мм. Площадь поперечного сечения S = 0,126 мм2.
Предупреждение:
Если нагреватель будет использоваться в жидкой среде, нагрузка может быть увеличена в полтора раза.
В закрытой среде, например, в электропечи, нагрузка должна быть снижена в полтора раза.
Следующий шаг – определение длины нихромового нагревательного элемента по формуле:
R = ρ – l / S,
где R – электрическое сопротивление греющего кабеля [Ом], ρ – удельное электрическое сопротивление материала нагревательного элемента [Ом – мм2 / м], l – длина [мм], S – площадь поперечного сечения [мм2].
Подставим наши данные и получим:
l = R – S / ρ = 48 – 0,126 / 1,11 = 5,44 м.
В данном примере радиатор имеет диаметр Ø 0,4 мм, что соответствует ГОСТ 12766.1-90. Номинальное значение удельного электрического сопротивления нихромового проводника класса Х20Н80 составляет 1,1 Ом – мм2 / м (ρ = 1,1 Ом – мм2 / м), см. таблицу.
Удельное электрическое сопротивление нихрома (номинальное значение).
удельное сопротивление, мкОм*м
Расчет диаметра и длины нихромового проводника для данной электропечи (более сложные и подробные расчеты)
В этом случае будут учитываться дополнительные параметры нагревательного провода и его подключение к трехфазной сети. Исходными данными являются внутренние размеры электроплиты.
1. Прежде всего, необходимо определить внутренние размеры электрической духовки. внутренний объем топочной камеры. Например: h = 530 мм, d = 420 мм и l = 420 мм (высота, ширина и глубина). Поэтому получаем объем V = h – d – l = 530 – 420 = 93,4 – 10 6 мм3 = 93,4 л (мера объема).
Следующим шагом является вычисление мощность печи, которая будет определяться в соответствии со следующим правиломдля нагревателя емкостью 10 – 50 литров удельная мощность составляет 100 Вт/литр, для нагревателя емкостью 100 – 500 литров удельная мощность составляет 50 – 70 Вт/литр.
Например, рассмотрим духовку с удельной мощностью 100 Вт/литр и сразу рассчитаем, что мощность нагревательного элемента должна быть P = 100 – 93,4 = 9340 Вт = 9,34 кВт. Такие печи рассчитаны на однофазную электросеть. Если нагрузки намного выше, то такие приборы рассчитаны на трехфазное подключение.
3. Затем определите ток, который будет протекать через нагревательный кабель, используя формулу: I = P / U
где P – мощность нагревательного кабеля,
U – напряжение греющего кабеля между его концами,
и его сопротивление R = U / I.
Проводка может быть выполнена одним из следующих способов:
К однофазной бытовой электросети 220 В;
К промышленной трехфазной сети 220 В (между нейтральным проводником и фазой) или U = 380 В (между любыми двумя фазами).
Бытовая однофазная сеть
I = P / U = 9340 / 220 = 42,5 A – ток, протекающий через нагревательный провод.
Определение электрического сопротивления нагревательной проволоки печи.
R = U / I = 220 / 42,5 = 5,18 Ом.
Промышленная сеть трехфазного тока
Обратите внимание, что формулы для определения тока и сопротивления трехфазной линии не являются классическими. Мы выбрали их для упрощения расчетов. Точность полученных данных не искажается.
Ток, протекающий через нагреватель:
I = P / U = 3113 / 220 = 14,15 A.
Сопротивление одного нагревательного элемента:
R = U / I = 220 / 14,15 = 15,54 Ом.
При использовании схемы “TRIANGLE” нагревательный элемент подключается Нагревательный элемент подключен между двумя фазами, и напряжение на его концах составляет 380 В.
Ток, проходящий через нагреватель:
I = P / U = 3113 / 380 = 8,19 A.
Сопротивление одного нагревательного элемента:
R = U / I = 380 / 8,19 = 46,4 Ом.
Определив сопротивление греющего кабеля для соответствующего типа сетевого подключения, рассчитайте диаметр и длину кабеля.
Удельная поверхностная мощность
Пример
В предыдущем расчете мы определили сопротивление электронагревателя. Для нагревателя емкостью 93,4 литра, подключенного к однофазной сети, сопротивление составляет R = 5,18 Ом. Для примера выберем сплав нихрома с маркировкой Х20Н80 диаметром 1 мм. Для получения требуемого сопротивления необходимо: l = R / = 5,18 / 1,4 = 3,7 м нихромовой проволоки, где – номинальное значение электрического сопротивления 1 м проволоки ГОСТ 12766.1-90, [Ом/м].
Масса имеющегося куска проволоки составит m = l – = 3,7 – 0,007 = 0,0259 кг = 26 г, где – масса 1 м проволоки. Затем определите площадь поверхности куска проволоки из сплава нихрома длиной 3,7 м. S = l – – d = 370 – 3,14 – 0,1 = 116,2 см2, где l – длина нагревательного элемента [см], а d – его диаметр [см]. Исходя из этого, с площади 116,2 см2 должно излучаться 9,34 кВт. Используя простое соотношение, можно увидеть, что мощность на 1 см2 составляет = P / S = 9340 / 116,2 = 80,4 Вт, где – поверхностная мощность нагревательного элемента.
Эта мощность слишком высока. Сплав нихрома не выдержит, если его нагреть до температуры, которая даст значение поверхностной мощности. Приведенный выше пример является демонстрацией неправильного выбора диаметра провода для нагревателя.
Каждый материал, в зависимости от требуемых тепловых показателей, имеет свое допустимое значение поверхностной мощности. Это можно рассчитать с помощью специальных таблиц и графиков.
Используя эти примеры, легко рассчитать необходимые параметры нагревателя для электрических печей, включая муфельные печи с различными схемами подключения. При заказе электронагревателей TEHN24 параметры катушки Nichrom, катушки Fechral и нагревательного устройства рассчитываются совместно с технологом индивидуально для каждой печи и типа подключения.
– Высокий запас прочности при любых температурах нагрева;
Алгоритм и калькуляторы расчета для муфельного нагревателя
Из чего сделаны нагревательные змеевики
Для начала несколько слов о проволоке, используемой для намотки нагревательных спиралей. Обычно используется нихромовая или перьевая проволока.
- Нихромовая проволока (от аббревиатуры никель + хром) в основном представлены сплавами X20H80-H, X15H60 или X15H60-H.
Цены на муфельные печи
Его преимущества:
– высокая маржинальная прочность при любой температуре нагрева;
– ковкий, легко поддающийся механической обработке и сварке;
– длительный срок службы, устойчивость к коррозии, отсутствие магнитных свойств.
Недостатки:
– более низкая тепло- и термостойкость по сравнению с фехралем .
- Фехраль (от аббревиатуры ferrum, chromium, aluminium) – в настоящее время чаще используется материал из сплава Х23 У5Т.
Преимущества фехраль
– намного дешевле нихрома, поэтому этот материал пользуется наибольшей популярностью;
– Он имеет более высокое сопротивление и нагревательную способность;
Недостатки:
– низкая прочность, а после даже однократного нагрева свыше 1000 градусов – выраженная хрупкость рулона;
– магнитные свойства, восприимчивость к коррозии из-за наличия железа
– Излишняя химическая активность – которая может вступить в реакцию с шамотным материалом футеровки печи;
– Чрезмерное тепловое линейное расширение.
Каждый мастер может выбрать любой из перечисленных материалов после анализа преимуществ и недостатков. Алгоритм расчета учитывает специфику этого выбора.
Шаг 1 – определить мощность печи и ток, протекающий через нагреватель.
Чтобы не вдаваться в излишние подробности, существуют эмпирические стандарты соответствия объема муфельной печи и ее мощности. Они представлены в таблице ниже:
| Объем камеры муфельной печи (литры) | Рекомендуемая удельная мощность печи (ватт/литр) |
|---|---|
| 1÷5 | 300÷500 |
| 6÷10 | 120÷300 |
| 11÷50 | 80÷120 |
| 51÷100 | 60÷80 |
| 101÷500 | 50÷60 |
Если имеются проектные чертежи будущего аппарата, объем камеры муфельной печи легко определить, перемножив высоту, ширину и глубину. Затем объем переводится в литры и умножается на рекомендуемую мощность, указанную в таблице. Это дает мощность плиты в ваттах.
Значения в таблице имеют диапазон, поэтому либо используйте интерполяцию, либо возьмите среднее значение.
Приведенное выходное значение дает ток, который будет протекать через нагревательный элемент, если известно напряжение сети (220 В).
I = P / U.
I – текущий.
Р – мощность муфельной печи, определенная выше;
U – напряжение питания.
Этот первый шаг расчета можно очень быстро и легко выполнить с помощью калькулятора: все значения таблицы уже введены в программу расчета.
Подавление мощности и тока печи вычислителем нагревателя
Шаг 2 – Определение минимальной площади поперечного сечения наматываемого провода
Каждый электрический проводник ограничен в том, что он может сделать. Если через него пропускать больший ток, он просто перегорит или расплавится. Поэтому следующим шагом в расчете является определение минимально допустимого диаметра проволоки для катушки.
Это можно определить по таблице. Входными данными являются рассчитанный выше ток и ожидаемая температура нагрева спирали.
| D (мм) | S (мм²) | Температура нагрева проволочной катушки, °C | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Максимально допустимый ток, A | ||||||||
| 5 | 19.6 | 52 | 83 | 105 | 124 | 146 | 173 | 206 |
| 4 | 12.6 | 37 | 60 | 80 | 93 | 110 | 129 | 151 |
| 3 | 7.07 | 22.3 | 37.5 | 54.5 | 64 | 77 | 88 | 102 |
| 2.5 | 4.91 | 16.6 | 27.5 | 40 | 46.6 | 57.5 | 66.5 | 73 |
| 2 | 3.14 | 11.7 | 19.6 | 28.7 | 33.8 | 39.5 | 47 | 51 |
| 1.8 | 2.54 | 10 | 16.9 | 24.9 | 29 | 33.1 | 39 | 43.2 |
| 1.6 | 2.01 | 8.6 | 14.4 | 21 | 24.5 | 28 | 32.9 | 36 |
| 1.5 | 1.77 | 7.9 | 13.2 | 19.2 | 22.4 | 25.7 | 30 | 33 |
| 1.4 | 1.54 | 7.25 | 12 | 17.4 | 20 | 23.3 | 27 | 30 |
| 1.3 | 1.33 | 6.6 | 10.9 | 15.6 | 17.8 | 21 | 24.4 | 27 |
| 1.2 | 1.13 | 6 | 9.8 | 14 | 15.8 | 18.7 | 21.6 | 24.3 |
| 1.1 | 0.95 | 5.4 | 8.7 | 12.4 | 13.9 | 16.5 | 19.1 | 21.5 |
| 1 | 0.785 | 4.85 | 7.7 | 10.8 | 12.1 | 14.3 | 16.8 | 19.2 |
| 0.9 | 0.636 | 4.25 | 6.7 | 9.35 | 10.45 | 12.3 | 14.5 | 16.5 |
| 0.8 | 0.503 | 3.7 | 5.7 | 8.15 | 9.15 | 10.8 | 12.3 | 14 |
| 0.75 | 0.442 | 3.4 | 5.3 | 7.55 | 8.4 | 9.95 | 11.25 | 12.85 |
| 0.7 | 0.385 | 3.1 | 4.8 | 6.95 | 7.8 | 9.1 | 10.3 | 11.8 |
| 0.65 | 0.342 | 2.82 | 4.4 | 6.3 | 7.15 | 8.25 | 9.3 | 10.75 |
| 0.6 | 0.283 | 2.52 | 4 | 5.7 | 6.5 | 7.5 | 8.5 | 9.7 |
| 0.55 | 0.238 | 2.25 | 3.55 | 5.1 | 5.8 | 6.75 | 7.6 | 8.7 |
| 0.5 | 0.196 | 2 | 3.15 | 4.5 | 5.2 | 5.9 | 6.75 | 7.7 |
| 0.45 | 0.159 | 1.74 | 2.75 | 3.9 | 4.45 | 5.2 | 5.85 | 6.75 |
| 0.4 | 0.126 | 1.5 | 2.34 | 3.3 | 3.85 | 4.4 | 5 | 5.7 |
| 0.35 | 0.096 | 1.27 | 1.95 | 2.76 | 3.3 | 3.75 | 4.15 | 4.75 |
| 0.3 | 0.085 | 1.05 | 1.63 | 2.27 | 2.7 | 3.05 | 3.4 | 3.85 |
| 0.25 | 0.049 | 0.84 | 1.33 | 1.83 | 2.15 | 2.4 | 2.7 | 3.1 |
| 0.2 | 0.0314 | 0.65 | 1.03 | 1.4 | 1.65 | 1.82 | 2 | 2.3 |
| 0.15 | 0.0177 | 0.46 | 0.74 | 0.99 | 1.15 | 1.28 | 1.4 | 1.62 |
| 0.1 | 0.00785 | 0.1 | 0.47 | 0.63 | 0.72 | 0.8 | 0.9 | 1 |
| D – диаметр нихромовой проволоки, мм. | ||||||||
| S – площадь поперечного сечения нихромовой проволоки, мм². | ||||||||
Как сила тока, так и температура берутся из ближайшего, но должны быть пересчитаны в более высокое значение. Например, для запланированного нагрева 850 градусов, обратитесь к 900 градусам. Так, например, при значении силы тока 17 ампер в этой колонке, ближайшим значением будет 19,1 ампер. Левые две колонки сразу определяют наименьший возможный размер провода – его диаметр и площадь поперечного сечения.
Можно использовать более толстую проволоку (иногда это обязательно – такие случаи будут описаны ниже). Но меньше нельзя ни в коем случае, потому что нагреватель просто сгорит в рекордно короткие сроки.
Шаг 3 – Определите необходимую длину провода для намотки нагревателя на катушку
Знайте мощность, напряжение, силу тока. Определяется диаметр проволоки. Это означает, что с помощью формул электрического сопротивления можно определить длину провода, который будет производить необходимый резистивный нагрев.
L = (U / I) × S / ρ
ρ – удельное сопротивление нихромового проводника, Ом×мм²/м;
L – длина проводника, м ;
S – площадь поперечного сечения проводника, мм².
Как видите, необходима еще одна табличная величина – удельное сопротивление материала на единицу площади поперечного сечения и длины проводника. Данные, необходимые для расчетов, приведены в таблице:
| Марка никелевого сплава, из которого изготовлена проволока | Диаметр проволоки, мм | Значение сопротивления, Ом×мм²/м |
|---|---|---|
| X23YU5T | независимо от диаметра | 1.39 |
| X20H80-H | 0,1÷0,5 включительно | 1.08 |
| 0,51÷3,0 включительно | 1.11 | |
| выше 3 | 1.13 | |
| CR15NI60 или CR15NI60-H |
0,1÷3,0 включительно | 1.11 |
| выше 3 | 1.12 |
Рассчитать еще проще с помощью нашего калькулятора длины провода:
Калькулятор длины спиральной проволоки
Довольно часто нихромовая или фехтовальная проволока продается на вес, а не на метры. Это означает, что необходимо перевести длину в ее весовой эквивалент. Приведенная ниже таблица поможет вам выполнить это преобразование:
| Диаметр проволоки, мм | Вес на метр, г | Длина 1 кг, м | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| X20H80 | CR15N60 | CRN70U | CR20N80 | CR15N60 | CRN70U | |
| 0.6 | 2.374 | 2.317 | 2.233 | 421.26 | 431.53 | 447.92 |
| 0.7 | 3.231 | 3.154 | 3.039 | 309.5 | 317.04 | 329.08 |
| 0.8 | 4.22 | 4.12 | 3.969 | 236.96 | 242.74 | 251.96 |
| 0.9 | 5.341 | 5.214 | 5.023 | 187.23 | 191.79 | 199.08 |
| 1 | 6.594 | 6.437 | 6.202 | 151.65 | 155.35 | 161.25 |
| 1.2 | 9.495 | 9.269 | 8.93 | 105.31 | 107.88 | 111.98 |
| 1.3 | 11.144 | 10.879 | 10.481 | 89.74 | 91.92 | 95.41 |
| 1.4 | 12.924 | 12.617 | 12.155 | 77.37 | 79.26 | 82.27 |
| 1.5 | 14.837 | 14.483 | 13.953 | 67.4 | 69.05 | 71.67 |
| 1.6 | 16.881 | 16.479 | 15.876 | 59.24 | 60.68 | 62.99 |
| 1.8 | 21.365 | 20.856 | 20.093 | 46.81 | 47.95 | 49.77 |
| 2 | 26.376 | 25.748 | 24.806 | 37.91 | 38.84 | 40.31 |
| 2.2 | 31.915 | 31.155 | 30.015 | 31.33 | 32.1 | 33.32 |
| 2.5 | 41.213 | 40.231 | 38.759 | 24.26 | 24.86 | 25.8 |
| 2.8 | 51.697 | 50.466 | 48.62 | 19.34 | 19.82 | 20.57 |
| 3 | 59.346 | 57.933 | 55.814 | 16.85 | 17.26 | 17.92 |
| 3.2 | 67.523 | 65.915 | 63.503 | 14.81 | 15.17 | 15.75 |
| 3.5 | 80.777 | 78.853 | 75.968 | 12.38 | 12.68 | 13.16 |
| 3.6 | 85.458 | 83.424 | 80.371 | 11.7 | 11.99 | 12.44 |
| 4 | 105.504 | 102.992 | 99.224 | 9.48 | 9.71 | 10.08 |
| 4.5 | 133.529 | 130.349 | 125.58 | 7.49 | 7.67 | 7.96 |
| 5 | 164.85 | 160.925 | 155.038 | 6.07 | 6.21 | 6.45 |
| 5.5 | 199.469 | 194.719 | 187.595 | 5.01 | 5.14 | 5.33 |
| 5.6 | 206.788 | 201.684 | 194.479 | 4.84 | 4.95 | 5.14 |
| 6 | 237.384 | 231.732 | 223.254 | 4.21 | 4.32 | 4.48 |
| 6.3 | 261.716 | 255.485 | 246.138 | 3.82 | 3.91 | 4.06 |
| 6.5 | 278.597 | 271.963 | 262.013 | 3.59 | 3.68 | 3.82 |
| 7 | 323.106 | 315.413 | 303.874 | 3.09 | 3.17 | 3.29 |
| 8 | 422.016 | 411.968 | 396.896 | 2.37 | 2.43 | 2.52 |
| 9 | 534.114 | 521.397 | 502.322 | 1.87 | 1.92 | 1.99 |
| 10 | 659.4 | 643.7 | 620.15 | 1.52 | 1.55 | 1.61 |
Шаг 4 – Проверка соответствия удельной поверхностной мощности рассчитанного нагревателя допустимому значению
Если поверхностная плотность мощности превышает допустимое значение, нагреватель выйдет из строя или будет работать ниже своей проектной мощности и, следовательно, быстро перегорит.
Поверхностная плотность мощности – это количество тепловой энергии, которое должно быть извлечено из единицы площади радиатора.
Прежде всего – определите приемлемое значение этого параметра. Это выражается следующим соотношением:
βдоп = βэф × α
βdop – удельная поверхностная мощность радиатора, Вт/см²
βef – эффективная удельная поверхностная мощность, зависящая от температурных характеристик муфельной печи.
α – коэффициент тепловой эффективности радиатора.
β-эфф берется из таблицы. Входными данными являются:
В левой колонке указана ожидаемая температура среды. Проще говоря, до какого уровня должны быть нагреты материалы или предметы, помещенные в печь. Каждый уровень имеет свой собственный ряд.
Все остальные столбцы – это температура нагрева нагревательного элемента.
Пересечение строки и столбца дает искомое значение βef.
| Требуемая температура материала, получающего тепло, °C | Поверхностная мощность βeff (Вт/см²) при температуре нагревательного элемента, °C | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 800 | 850 | 900 | 950 | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1200 | 1250 | 1300 | 1350 | |
| 100 | 6.1 | 7.3 | 8.7 | 10.3 | 12.5 | 14.15 | 16.4 | 19 | 21.8 | 24.9 | 28.4 | 36.3 |
| 200 | 5.9 | 7.15 | 8.55 | 10.15 | 12 | 14 | 16.25 | 18.85 | 21.65 | 24.75 | 28.2 | 36.1 |
| 300 | 5.65 | 6.85 | 8.3 | 9.9 | 11.7 | 13.75 | 16 | 18.6 | 21.35 | 24.5 | 27.9 | 35.8 |
| 400 | 5.2 | 6.45 | 7.85 | 9.45 | 11.25 | 13.3 | 15.55 | 18.1 | 20.9 | 24 | 27.45 | 35.4 |
| 500 | 4.5 | 5.7 | 7.15 | 8.8 | 10.55 | 12.6 | 14.85 | 17.4 | 20.2 | 23.3 | 26.8 | 34.6 |
| 600 | 3.5 | 4.7 | 6.1 | 7.7 | 9.5 | 11.5 | 13.8 | 16.4 | 19.3 | 22.3 | 25.7 | 33.7 |
| 700 | 2 | 3.2 | 4.6 | 6.25 | 8.05 | 10 | 12.4 | 14.9 | 17.7 | 20.8 | 24.3 | 32.2 |
| 800 | – | 1.25 | 2.65 | 4.2 | 6.05 | 8.1 | 10.4 | 12.9 | 15.7 | 18.8 | 22.3 | 30.2 |
| 850 | – | – | 1.4 | 3 | 4.8 | 6.85 | 9.1 | 11.7 | 14.5 | 17.6 | 21 | 29 |
| 900 | – | – | – | 1.55 | 3.4 | 5.45 | 7.75 | 10.3 | 13 | 16.2 | 19.6 | 27.6 |
| 950 | – | – | – | – | 1.8 | 3.85 | 6.15 | 8.65 | 11.5 | 14.5 | 18.1 | 26 |
| 1000 | – | – | – | – | – | 2.05 | 4.3 | 6.85 | 9.7 | 12.75 | 16.25 | 24.2 |
| 1050 | – | – | – | – | – | – | 2.3 | 4.8 | 7.65 | 10.75 | 14.25 | 22.2 |
| 1100 | – | – | – | – | – | – | – | 2.55 | 5.35 | 8.5 | 12 | 19.8 |
| 1150 | – | – | – | – | – | – | – | – | 2.85 | 5.95 | 9.4 | 17.55 |
| 1200 | – | – | – | – | – | – | – | – | – | 3.15 | 6.55 | 14.55 |
| 1300 | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | – | 7.95 |
поправочный коэффициент α. Его значение для спиральных нагревателей приведено в таблице ниже.
| Иллюстрация | Вариант расположения спирального нагревателя | Значение α |
|---|---|---|
 |
Нагревательная спираль скрыта в углублениях футеровки муфельной печи. | 0,16 ÷ 0,24 |
 |
Нагревательная спираль заключена в кварцевые трубки и расположена на полках вдоль стен камеры. | 0,30 ÷ 0,36 |
Простое умножение этих двух параметров дает допустимую удельную мощность нагревателя.
Примечание: Практика показывает, что для муфельных печей с высокотемпературным нагревом (700°C и выше) оптимальное значение βдоп составляет 1,6 Вт/см² для нихромовых трубок и прибл. 2,0÷2,2 Вт/см² для Fe-Cr. В случае работы нагревателя при температуре до 400 градусов таких строгих ограничений нет – значение 4-6 Вт/см² см².
Таким образом, вы определили допустимую плотность мощности на поверхности. Поэтому вам нужно найти удельную мощность нагревателя, которую вы рассчитали ранее, и сравнить ее с допустимой удельной мощностью.
Калькулятор поможет вам быстро рассчитать это:
Калькулятор мощности поверхности нагревателя
Если найденное значение не превышает допустимого, расчет можно считать завершенным.
Если найденное значение превышает допустимый уровень удельной мощности поверхности, расчет должен быть немного скорректирован. Это можно сделать, вернувшись к №2 — 3и повторите расчет, увеличивая диаметр проволоки на одну или несколько опорных позиций – одновременно увеличивая длину проволоки. Затем снова проверьте значения. Повторяйте процедуру до тех пор, пока не найдете оптимальный вариант, как с точки зрения максимальной прибыльности, так и соответствия заданному параметру.
С нашим набором калькуляторов перерасчет – дело нескольких минут. На этом расчеты завершены. Вы можете купить проволоку из выбранного вами сплава, с рассчитанным диаметром и длиной.
Как собрать собственную муфельную печь
В данной публикации особое внимание уделяется расчету нагревательного элемента. И более конкретно о процессе изготовление собственной муфельной печи – читайте в специальной статье на нашем портале.
m – масса необходимого отрезка проволоки, кг;
Расчет нагревателей для электрических печей
При расчете нагревателей для электрических печей учитываются следующие исходные данные
- Объем рабочего пространства нагревателя;
- мощность нагревателя;
- Максимальная температура (необходимая для технологического процесса: закалка, отпуск, спекание).
Важно: При отсутствии данных о мощности печи, она рассчитывается на основе эмпирического правила. Необходимо знать: длину и диаметр провода, или длину и площадь поперечного сечения полосы, нагревателя.
Мы рассмотрим один из самых популярных сплавов для изготовления радиаторов – нихром Х20Н80.
Простой расчет длины и диаметра проволоки нагревателя для заданной мощности нагревателя. С одной маленькой особенностью.
Пример. Нихромовая проволока Cr20H80.
- Единичная мощность P = 1,5 кВт = 1500 Вт.
- Максимальная температура, до которой может быть нагрет нагреватель, составляет 900 °C.
- Напряжение U = 220 В.
- Сила тока определяется следующим образом:
- Сопротивление нагревателя определяется следующим образом:
- Сила тока играет ключевую роль при выборе диаметра нихромовой нагревательной проволоки. Используйте приведенную ниже таблицу для выбора необходимого диаметра. В нашем примере при токе = 6,8181 A и температуре нагревателя = 900°C диаметр провода составит – d = 0,55 мм и, соответственно, площадь поперечного сечения – S = 0,238 мм2.
Эти значения обусловлены тем, что провод выбирается по допустимой силе тока. Что, в свою очередь, меньше расчетной силы тока. Это означает, что мы выбираем нихромовую проволоку с наибольшей допустимой силой тока.
Если нихромовый нагреватель находится внутри греющей жидкости, допустимая сила тока увеличивается на 10-50%.
Если нагреватель находится в замкнутом контуре, допустимый ток уменьшается на 20% для толстой проволоки и на 50% для тонкой.
- Определение длины провода.
R – электрическое сопротивление, Ом,
p – электрическое сопротивление материала, Ом – мм2 /м,
l – длина радиатора, м,
S – площадь поперечного сечения, мм2.
Из приведенной выше формулы длина нагревателя рассчитывается следующим образом:
В примере используется проволока диаметром d = 0,55 мм.
Номинальное значение удельного сопротивления Х20Н80 проволоки берется из таблицы 2, согласно ГОСТ 12766.1-90 и имеет значение ρ = 1,1 Ом-м2/м.
Результаты расчетов показали, что в условиях:
мощность устройства P = 1,5 кВт = 1500 Вт;
температура нагревателя составляет 900 °C;
Требуется нихромовая проволока с длиной долины 6,91 м и диаметром 0,55 мм.
Давайте рассмотрим звезду. Сопротивление одного нагревателя должно быть 21,67 Ом, поэтому нам потребуется 21,67/0,815 = 26,6 метра полупровода нагревателя. Для трех нагревателей нам понадобится 80 метров кабеля. Допустим, это не так уж мало. Но с другой стороны, мало или много – это наше здравомыслие и нежелание давать лишние деньги, а расчет говорит, что нам понадобится именно столько проволоки. Что – мы можем заказать?
Нет смысла рассчитывать провод большего диаметра – ведь двойной имеет вдвое большее сопротивление, а значит, нам понадобится вдвое больше. Также нет смысла рассчитывать версию с треугольником, потому что нам нужно 64 Ом сопротивления на цепь, то есть в три раза больше провода. Итак, расчет окончен? Нет, это не так!
Давайте рассчитаем площадь поверхности наших радиаторов. Зная площадь поверхности, мы можем рассчитать, сколько энергии выделяется с 1 кв. см площади поверхности.
Площадь поверхности S = Длина (L) х Диаметр (d) х 3,14 (Pi) = 8000 (в сантиметрах) х 0,15 (в сантиметрах) х 3,14 = 3768 кв. см. Таким образом, 3768 см2 излучает 6,7 кВт мощности. Это означает, что 1,77 Вт излучается с 1 квадратного сантиметра.
То, что мы сейчас рассчитали, является ничем иным, как значением поверхностной нагрузки. Зная это значение, мы можем определить, будет ли наш провод перегреваться. Дело в том, что с увеличением этого значения увеличивается разница между температурой в сердцевине провода и температурой на его поверхности. При значениях более 2 ватт на квадратный см – это значение может изменяться на сто градусов. Думаю, понятно, что это может означать – пока внешняя поверхность находится при рабочей температуре, сердцевина может нагреваться до температуры, близкой к температуре плавления, что приводит к перегоранию проволоки. Для домашних проводов оптимальное соотношение составляет от 1,2 до 1,4 Вт/кв.см. Полученное нами значение немного выше, но все же применимо.
В качестве иллюстрации посмотрим, что получится, если взять следующий диаметр – два.
21,67/0,459 = 47,21 м на обогреватель. То есть, на 3 обогревателя – 141 метр кабеля!
Рассчитаем значение поверхностной нагрузки – получим 0,76 Вт/кв.см. – Это очень низкое значение. Почти половина рекомендуемого значения – это означает, что кабель будет отдавать тепло менее эффективно. А если взять те же 80 метров двойного провода? Тогда сопротивление в цепи для одного нагревателя составит 12,24 Ом, поэтому ток будет 18 А и мощность цепи составит 4 кВт, три нагревателя дадут мощность 12 кВт, а поверхностная нагрузка составит 2,38 Вт/кв.см.
Расчет и изготовление муфельной печи. Первая часть – это расчет мощности плиты.
Я решил вынести все свои расчеты в отдельную статью. Во-первых, это может быть полезно кому-то еще. Во-вторых, возможно, кто-то укажет на очевидные ошибки, которые я упустил из виду. Вот так.
Электрическая печь сопротивления – один из самых простых и дешевых типов печей для обжига керамики и плавки некоторых металлов. Высокая температура в рабочей камере достигается за счет нагрева катушки из проволоки сопротивления с высокой температурой плавления. Традиционно для этих печей использовались различные марки нихромовой проволоки или фехтунга. Нихромовая проволока более чем в два раза дороже утюга и имеет несколько более низкую рабочую температуру. С другой стороны, фехраль становится хрупким при высоких температурах и имеет более высокий коэффициент теплового расширения. Это означает, что спираль фехраля может выпасть из паза при нагревании, поэтому при проектировании необходимо уделить этому особое внимание.
Никелевая проволока стоит около 2 000 рублей за килограмм, а фехралевая – менее 1 000. С другой стороны, фехраль сложнее достать на месте. Однако мы не торопимся – поэтому закажем фехралевую проволоку с доставкой. Сочетание лучшей цены и возможности поддерживать более высокую температуру в топочной камере заставило меня сделать выбор в пользу fehral. Кроме того, сопротивление нихромовой проволоки на 25% выше, чем у нихрома, а значит, мне нужно на 25% меньше проволоки (один метр нихромовой проволоки х20н80 диаметром 1,5 мм составляет 0,62 Ом, а сопротивление ферросплава х23Ю5Т – 0,815 Ом).
Для заказа проволоки необходимо знать марку сплава, диаметр проволоки и количество погонных метров. Что ж, давайте попробуем все это рассчитать.
Давайте выберем X23Yu5T. Температура плавления составляет 1500 градусов, что позволяет нагревать печь до 1200-1300 при хорошей теплоизоляции рабочей камеры.
Объем рассчитываемой печи составляет 61 литр, а пекарной камеры – 560x340x320.
Для небольших печей мощность выбирается в соответствии с простым соотношением – 100 Вт мощности на литр объема камеры, поэтому для 61 литра мощность печи составляет 6,1 кВт. Изначально я рассчитывал на печь объемом 67 литров, но поскольку мне лень пересчитывать, я добавлю 600 ватт мощности про запас – хуже от этого не будет.
Поскольку в цехе три фазы, печь будет питаться от трехфазной сети. Поскольку имеется три фазы, то и нагревателей будет три. Таким образом, нам нужно взять 6,7 кВт мощности из трехфазной системы.
Для начала рассчитаем ток, который нам понадобится для прохождения через нагревательные элементы в соединении “звезда”. I=P/U. I = 6 700/220 = 30,45A. Но это общий ток, разделите его на 3 фазы и получите 10,15 А на фазу. Это очень удобный ток.
Подключение треугольником дает еще меньший ток 17,63 А – или 5,88 А на фазу. Однако этот ток проходит через нагреватели, подключенные между двумя фазами. В цепи от входа до подключения нагревателя также протекает ток 10,15 А. Поэтому разница невелика. Мы решим, какую схему проводки выбрать с точки зрения оптимизации количества проводов в катушке, так как сопротивление будет разным.
Кстати, теперь мы также можем рассчитать сопротивление провода, необходимое для достижения расчетной мощности.
Для каждого участка звездной цепи это будет R=U/I R=220В/10,15А = 21,67 Ом. Для каждой треугольной цепи это будет 380 В/5,8 А = 64,6 Ом.
Сопротивление есть, осталось найти таблицу и отмерить соответствующее количество провода.
Для выбранных шлейфов сопротивление одного метра провода будет следующим: D=1,5 мм – 0,815 Ом, D=2 мм – 0,459 Ом, D=2,5 мм – 0,294 Ом, D=3 мм – 0,204 Ом.
Давайте рассмотрим звезду. Сопротивление одного нагревателя должно быть 21,67 Ом, поэтому нам понадобится 21,67/0,815 = 26,6 метра провода. Для трех нагревателей требуется 80 метров провода. Допустим, что это не так уж мало. Но опять же, мало или много – это наше здравомыслие и нежелание давать лишние деньги, а расчет говорит, что нам понадобится именно столько проволоки. Что – мы можем заказать?
Нет смысла рассчитывать провод большего диаметра – ведь двойной имеет вдвое большее сопротивление, а значит, нам понадобится вдвое больше. Также нет смысла рассчитывать версию с треугольником, потому что нам нужно 64 Ом сопротивления на цепь, то есть в три раза больше провода. Итак, расчет окончен? Нет, это не так!
Давайте рассчитаем площадь поверхности наших радиаторов. Зная площадь поверхности, мы можем рассчитать, сколько энергии излучает 1 кв. см поверхности.
Площадь поверхности S = Длина (L) х Диаметр (d) х 3,14 (Pi) = 8000(в сантиметрах) х 0,15 (в сантиметрах) х 3,14 = 3768 кв.см. Таким образом, 3768 кв.см излучает 6,7 кВт мощности. Это означает, что 1,77 Вт излучается с 1 квадратного сантиметра.
То, что мы сейчас рассчитали, является ничем иным, как значением поверхностной нагрузки. Зная это значение, мы можем определить, будет ли наш кабель перегреваться. Дело в том, что с увеличением этого значения увеличивается разница между температурой в сердцевине провода и температурой на его поверхности. Для значений, превышающих 2 ватта на квадратный см – это значение может изменяться на сто градусов. Думаю, понятно, что это может означать – пока внешняя поверхность находится при рабочей температуре, сердцевина может нагреться почти до температуры плавления, что приведет к перегоранию провода. Для бытовых проводов оптимальное соотношение составляет от 1,2 до 1,4 Вт/кв.см. Полученное нами значение немного выше, но все же вполне приемлемо.
Для иллюстрации посмотрим, что получится, если взять следующий диаметр-два.
21,67/0,459 = 47,21 м на обогреватель. Таким образом, для 3 нагревателей – 141 метр кабеля!
Рассчитаем значение нагрузки на поверхность – получим 0,76 Вт/кв.см. – Это очень низкое значение. Почти половина рекомендуемого значения – это означает, что кабель будет отдавать тепло менее эффективно. А если взять те же 80 метров двойного провода? Тогда сопротивление на участке цепи для одного нагревателя составит 12,24 Ом, поэтому ток будет равен 18 А, а мощность цепи – 4 кВт, три нагревателя дадут мощность 12 кВт, а поверхностная нагрузка составит 2,38 Вт/смкв.
Что произойдет, если участок цепи с одним нагревателем преобразовать в участок с двумя параллельно подключенными нагревателями? Тогда вам придется удвоить сопротивление каждого нагревателя и, соответственно, количество проводов. Этот трюк может сэкономить деньги, если диаметр проволоки 2 мм не соответствует величине поверхностной нагрузки, и приходится наматывать тройную. Тогда вместо одного тройного нагревателя стоит установить два параллельно соединенных двойных нагревателя, так как метраж и вес будут меньше. Но в нашем случае я не хочу использовать меньший провод, чем 1,5 м.
Что еще мы можем сделать? Вы можете запитать всю длину провода от одной фазы – тогда вы получите 220/30,45 = 7,22 Ом.
Очевидно, что мы не можем использовать здесь полтора провода, потому что нагрузка на поверхность зашкаливает! Действительно, для достижения сопротивления 7,22 Ом нам потребуется всего 9 метров провода, и, во-первых, это будет очень маленький нагревательный элемент, который не сможет равномерно обогреть весь объем духовки, а во-вторых, как уже говорилось, нагрузка на поверхность составит ошеломляющие 15,8 Вт на кв. см.
Однако здесь прекрасно подойдет проволока большего диаметра. Если взять диаметр 3,5 мм и сопротивление 0,15 Ом на метр, то вам понадобится всего 48 метров этого материала! Поверхностная нагрузка составит 1,27 – что очень хорошо. Однако 48 метров проволоки 3,5 весят 3,7 кг, а 80 метров проволоки 1,5 весят всего 1,1 кг! В сочетании с тем, что контролировать ток 30А несколько сложнее, чем ток 10А – это изначально наилучший результат для данной печи.
Кстати, здесь может быть использована та же схема, только параллельно соединены две катушки меньшего диаметра, а не одна большего диаметра. Действительно, если мы соединим не 1 катушку диаметром 3,5 мм длиной 48 метров с сопротивлением 7,22 Ом, а две катушки из провода 2,0 мм с сопротивлением 14,44 – получим две катушки по 31,3 метра = 62,6 метра при весе 1,5 кг, что уже неплохо. Каждая катушка будет иметь половину этой нагрузки – т.е. 3,35 кВт, что дает нам общую нагрузку на поверхность 3350/(3130×0,2×3,14) = 1,7 Вт/кв.см. Это фактически то же самое, что и яйца в профиле. Однако здесь есть момент, который снова заставляет меня принять первоначальный расчет как рабочий. Дело в том, что даже разделение этого раздела на две параллельные секции ничего не дает. Вам все еще нужно на полкилограмма больше проволоки, чем на полкилограмма. Ток, протекающий через 1 цепь, будет 15 ампер, а не 10, что близко к максимальной нагрузке того же bt139, которым я планирую питать весь этот зоопарк. В то же время, даже если я поставлю bt139 на каждую цепь, повешу гигантский радиатор с активным охлаждением, я все равно не смогу подключить эти цепи отдельно, потому что весь ток пойдет через коммутируемую цепь. И тогда симистор обязательно выйдет из строя – это одно, а поверхностная нагрузка на подключенную цепь резко удвоится.
Давайте остановимся на первом варианте:
На сегодня это все. У меня голова забита, так что я могу ошибаться. Буду признателен, если кто-нибудь укажет на мои ошибки.
Читайте далее:- Как работает индукционный нагреватель и как он устроен; Школа электротехники: электротехника и электроника.
- Системы охлаждения. Часть 1.
- Как рассчитать мощность обогревателя – Далтан производство и продажа электрических нагревательных элементов.
- Что такое сухие и мокрые нагревательные элементы в водонагревателе, бойлере, стиральной машине.
- Сечение кабеля – как выбрать в зависимости от силы тока или мощности.
- Конструкция и оболочка кабеля из сшитого полиэтилена. Секторные или круглые проводники, в зависимости от того, что лучше.
- Изготовление собственных индукционных нагревателей и плит: от теории к реализации.