Методика расчёта нагревателя из нихромовой проволоки

Методика расчёта нагревателя из нихромовой проволокиНаиболее значительной деталью электротепловой установки является нагревательный элемент. Основная составляющая часть приборов косвенного нагрева — резистор с высоким удельным сопротивлением. А одним из приоритетных материалов — хромоникелевый сплав. Так как сопротивление нихромовой проволоки высоко, этот материал занимает лидирующее место в качестве сырья для различных видов электротепловых установок. Расчёт нагревателя из нихромовой проволоки проводят с целью определения размеров нагревательного элемента.

Основные понятия

В целом производить расчёт нагревательного элемента из нихрома необходимо по четырём вычислениям: гидравлическому, механическому, тепловому и электрическому. Но обычно подсчёты проводят лишь в два этапа: по тепловым и электрическим показателям.

К тепловым характеристикам относятся:

  • тепловая изоляция;
  • коэффициент полезного действия по теплоте;
  • необходимая теплоотдающая поверхность.

Основной целью расчёта нихрома является определение геометрических размеров нагревательного сопротивления.

К электрическим параметрам обогревателей являются:

  • напряжение питания;
  • способ регулирования мощности;
  • коэффициент мощности и электрический коэффициент полезного действия.

Тепловые характеристики нихромовой проволокиПри выборе питающего напряжения для устройств обогрева отдают предпочтение тому, что несёт минимальную угрозу животным и обслуживающему персоналу. Напряжение сети в установках сельского хозяйства составляет 380/200 вольт с частотой тока 50 Герц. В случае применения электроустановок в особо сырых помещениях, при повышенной электроопасности напряжение следует снизить. Его значение должно не превышать 12, 24, 36 вольт.

Регулировать температуру и мощность нагревателя можно двумя способами:

  • меняя напряжение;
  • переменой величины сопротивления.

Наиболее распространённым способом изменять мощность является включение в работу определённого числа секций трехфазной установки. В современных нагревательных установках мощность меняют регулировкой напряжения с помощью тиристоров.

Расчёт по рабочему току основан на табличной зависимости, которая связывает токовую нагрузку на проводник из нихрома, его площадь сечения и температуру.

Табличные данные были составлены для проволоки из нихрома, которая натягивалась в воздухе без учёта колебаний и вибраций при температуре 20 °C.

Для того чтобы перейти к реальным условиям, в расчётах необходимо использовать поправочные коэффициенты.

Алгоритм расчёта для однофазных установок

Расчёт спирали из нихрома следует проводить поэтапно, используя начальные сведения о нагревателе: необходимая мощность и марка нихрома.

Электрические параметры нихромовой проволоки

Мощность одной секции:

Рс = Р/ (mn)

P — мощность установки, Вт;

m — количество фаз, для однофазной m = 1;

n — число секций в одной фазе, для установок мощностью около 1 квт n = 1.

Рабочий ток одной секции нагревателя:

Ic = P с/(Un)

U — напряжение сети, для однофазных установок U = 220 в

Расчётная температура проволоки:

θр = θд/(Км Кс)

θд — допустимая рабочая температура, выбирается из таблицы 1 в зависимости от материала, °C.

Таблица 1 — Параметры материалов для электрических нагревателей.

Материал Удельное сопротивление при 20 °C, x10-6Ом·м Температурный коэффициент сопротивления, x10— 6 °C -1 Допустимая рабочая температура, °C Температура плавления, °C
Нихром двойной (Х20Н80-Н) 1,1 16,5 1200 1400
Нихром тройной (Х15Н60-Н) 1,1 16,3 1100 1390

Км — коэффициент монтажа, выбирают из таблицы 2 в зависимости от конструктивного исполнения.

Алгоритм расчёта для однофазных установок

Таблица 2 — Коэффициент монтажа для некоторых видов конструкций нагревателей в спокойном потоке воздуха.

Конструктивное исполнение нагревателя Км
Провод при горизонтальном размещении 1,0
Спираль из провода без тепловой изоляции 0,8 — 0,9
Спираль из провода на огнеупорном каркасе 0,7
Провод на огнеупорном каркасе 0,6 — 0,7
Нагревательные сопротивления между двумя слоями тепловой изоляции 0,5
Нагревательные сопротивления с хорошей тепловой изоляцией 0,3 — 0,4

Роль коэффициента монтажа в том, что он даёт возможность учитывать повышение температуры нагревателя в реальных условиях по сравнению с данными справочной таблицы.

Кс — коэффициент окружающей среды, определяется из таблицы 3.

Таблица 3 — Коэффициент поправки на некоторые условия окружающей среды.

Условия окружающей среды Кс
Спираль из провода в потоке воздуха со скоростью движения, м /с  
3 1,8
5 2,1
10 3,1
Нагревательный элемент в неподвижной воде 2,5
Нагревательный элемент в потоке воды 3,0−3,5

Коэффициент среды даёт поправку на улучшение теплоотдачи из-за условий окружающей среды. Поэтому реальные результаты расчётов будут немного отличаться от табличных значений.

Диаметр d, мм и площадь поперечного сечения S, мм 2 выбирается по рабочему току и расчётной температуре из таблицы 4

Таблица 4 — Допустимая нагрузка на нихромовую проволоку при 20 °C, подвешенную в спокойном воздухе горизонтально.

Допустимая нагрузка на нихромовую проволоку

Длина проволоки одной секции:

L = (U ф2S*10-6)/(ρ 20 [1+α(θ р -20)] Рс x103)

ρ 20 — удельное сопротивление при температуре 20 °C, выбирается из таблицы 1;

α - температурный коэффициент сопротивления, определяется из соответствующего столбца в таблице 1.

Диаметр спирали:

D = (6…10) d, мм.

Определяем шаг спирали:

h = (2…4) d, мм

Шаг спирали влияет на производительность работы. При его больших значениях теплоотдача увеличивается.

Количество витков спирали

W = (lx103)/ (√h2+(πD)2)

Длина спирали:

L = h W x10-3

Если назначением проволочного нагревателя является повышение температуры жидкости, рабочий ток увеличивают в 1,5 раза от расчётного значения. В случае расчёта нагревателя с закрытым типом рабочий ток рекомендуется снизить в 1,2 раза.

Классификация нагревателей по температуре

Нагреватели по предельно допустимой температуре подразделяются на пять классов:

  1. Классификация нихромовых нагревателей по температуре200° C. В этом диапазоне температур наиболее широко распространено использование трубчатых электрических нагревателей. Для того чтобы в рабочем пространстве соблюдалась оптимальная температура, при монтаже ТЕНов необходимо уделить внимание их правильному расположению.
  2. От 200 до 400° C. Используются ленточные нагреватели. Для создания необходимой температуры в рабочей камере охватывают весь её периметр.
  3. От 400 до 600° C. Материалом для нагревателей должен служить лишь резистивный элемент высокого сопротивления. Распространёнными являются константан, фехраль, нихром. С целью обеспечения необходимой температуры нагреватель должен быть открытым для доступа воздуха. Поэтому расположен внутри или снаружи трубки.
  4. От 600 до 1250° C. В печах старого образца используется нихром. Но в этом диапазоне температур он значительно уступает сплаву из алюминия, железа и хрома (фехрали). Поэтому в более современных образцах печей нихром заменён фехралью.
  5. От 1250 до 1700° C. Высокотемпературные нагреватели изготавливают из дисилицида молибдена, карбида кремния. Основным недостатком обогревателей является их дефицит и высокая стоимость.

Параметры, способствующие неполадкам

Наиболее велика вероятность выхода из строя электрических нагревателей вследствие окисления поверхности нагревательного сопротивления.

Факторы, которые влияют на скорость разрушения нагревателя:

  • Выход из строя электрических нагревателей рабочая температура;
  • условия окружающей среды, в которых работает нагреватель;
  • частота включений.

Из-за того, что электронагревательные установки работают с превышением допустимых значений этих параметров, происходят наиболее частые поломки: обгорание контактов, нарушение механической прочности нихромовой проволоки.

Ремонт нагревательного элемента из нихрома осуществляется с помощью пайки или скручивания.

Оцените статью
(голосов: 55, среднее: 4.8 из 5)
Рекомендуем почитать
Комментарии к статье