Электронагреватели могут производиться с нагревательными спиралями из различных материалов, но наиболее популярными все же являются нихром и фехраль. Нихром – это сплав никеля и хрома, а фехраль – сплав железа, хрома и алюминия. Они имеет высокую коррозионную стойкость и температуру плавления, поэтому и используется в электрических приборах и нагревателях.
Данная статья поможет вам разобраться в расчетах параметров греющих спиралей, а простые и удобные калькуляторы сделают быстрый подсчет нужной длины проволоки и переведут длину в вес и обратно. Воспользуйтесь этими онлайн-калькуляторами нихромовой проволоки, чтобы рассчитать сопротивление, площадь сечения, ток и длину нихромовой и фехралевой проволоки, просто указав мощность и напряжение.
Расчет длины спирали
Требуемая мощность нагревателя
Вт
Напряжение питания
В
Выберете материал
Выберете диаметр проволоки из стандартных промышленных размеров.
мм
Данные результаты не учитывают возрастание электрического сопротивления проводника с ростом его температуры. Поэтому фактическая мощность (как и потребляемый ток от сети) всегда несколько ниже расчетных величин.
Расчет веса и длины
Пересчитать
Вид продукции
Сплав
Диаметр, мм.
Длина, м.
Рассчитать
Расчет спирали из нихрома и фехраля
Существует несколько способов расчета греющих спиралей, рассмотрим для начала более простой метод, учитывающий только сопротивление материала, а потом включим в расчет еще и изменение сопротивления под воздействием темепературы.
Способ расчета спирали по сопротивлению материала
В данном способе все довольно просто. Нам нужны первоначальные данные, на основе которых мы будем проводить вычисления. Они включают в себя:
-
Мощность нагревательного элемента, который хотите получить
-
Напряжение, при котором спираль будет работать
-
Диаметр и тип проволоки, который имеется в наличии
Предположим, у нас имеется электроприбор, который должен работать с мощностью 12 Вт под напряжением 24 В. При этом мы используем проволоку из нихрома с сечением 0,2 мм.
Для вычислений нам потребуется самая элементарная формула из общеобразовательного курса физики:
Мощность (Р) = Напряжение (U) * Сила тока (I)
Отсюда
І = Р: U = 12 : 24 = 0,5 А
Теперь воспользуемся законом Ома для определения сопротивления:
Сопротивление (R ) = Напряжение (U) * Сила тока (I) = 24/0,5 = 48 Ом
Теперь нам нужна формула для определения длины проводника:
Длина (L) = Площадь сечения (S) * Сопротивление (R) / Удельное сопротивление (ρ)
Как же узнать сопротивление нихромовой проволоки? Помочь в решении данной задачи нам помогут таблицы плотности материалов или формулы для вычисления значения. Итак, если у нас проволока имеет диаметр 0,2, значит площадь сечения по формуле будет 0,0314 мм2, сопротивление смотрим по таблице и получаем длину проволоки 1,3 м.
Но это все чисто теоретически, ведь мы не знаем, сможет ли выдержать проволока данного диаметра такой ток. Посмотрим таблицу, в ней указаны максимальные значения тока для проволоки определенного диаметра. В нашем случае это 0,65, значит наше значение 0,5 лежит в допустимых пределах.
Также не забывайте учесть среду, в которой будет работать нагреватель. Если вы греете жидкость, можно смело увеличивать силу тока вдвое, а если замкнутое пространство – наоборот, уменьшать.
Способ расчета спирали по температуре
Тот, способ, который мы описывали выше, является не очень точным по той причине, что нами не было взято в расчет изменение сопротивления резистивной проволоки при росте температуры. Поэтому его можно применять только для не слишком высоких температур до 200-250 градусов. Для высокотемпературных печей данный расчет будет совсем неточным, поэтому рассмотрим второй метод.
Возьмем муфельную печь отжига и определим объем камеры и нужную мощность. Помогут с вычислениями нам такие два правила.
-
Если объем печи меньше 50 литров, то подбираем мощность 100 Вт на литр
-
Если же объем печи больше 100 литров, мощность рассчитывается как 50-70 Вт на литр
Допустим, наша печь отжига имеет объем 50 литров, мощность тогда будет 5 кВт. Если напряжение в сети должно быть стандартные 220 В, то сила тока и сопротивление будет равны:
І = 5000:220 = 22,7 А
R = 220:22,7 = 9,7 Ом
Подключение звездой при напряжении 380 В потребует деления мощности на 3 фазы, тогда наша мощность для одной фазы будет равна 5кВт / 3 = 1,66 кВт
Подключение звездой предполагает, что на каждую из фаз будет подаваться напряжение питания 220 В, следовательно значения сопротивления и силы тока будет такими:
І = 1660/220 = 7,54 А
R = 220/7,54 = 29,1 Ом
Второй тип подключения ТЭНов для напряжения в 380 В «треугольник» предполагает подачу линейного напряжения в 380 В, поэтому мы получим:
І = 1660/380 = 4,36 А
R = 380/4,36 = 87,1 Ом
При помощи ниже указанных таблиц мы можем найти удельную поверхностную мощность нагревательного элемента и вычислить на его основе длину проволоки.
Поверхностная мощность = βэф*α(коэффициент эффективности)
В итоге, чтобы наша печь нагрелась до 1000 С, нагревательный элемент должен производить температуру в 1100 градусов. Возьмем таблицы и выберем соответствующие значения. Тогда 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*Вдоп))
Rt – удельное сопротивление материала при нужной температуре берем из таблицы
Если наша спираль изготовлена из нихрома марки Х80Н20, Rt будет равняться 1,025. Значит Рт=1,13 * 106 * 1,025 = 1,15 * 106 Ом на мм
При подключении типа «звезда»: диаметр равен 1,23 мм, длина = 42 м
Если же мы проверим результат по упрощенной формуле L=R/(p*k)
Получим 29,1/(0,82*1,033)= 34 м
Из этого мы видим, что не учитывая температуру мы получаем совсем другое значение длины проволоки и более правильным является выбор второго метода.
Итоги
Онлайн калькулятор для расчета спирали поможет вам с быстрыми предварительными расчетами, но для точного учета всех особенностей даже второго метода расчета с учетом температуры может быть не достаточно. На практике существует еще очень много факторов, которые нужно взять во внимание при расчете параметров нагревателя.
Если вам нужна помощь с расчетами нагревателей – обращайтесь к нам. Наши специалисты имеют огромный опыт в проектировании нагревательных элементов для различного промышленного оборудования. Мы поможем с расчетами оптимальных параметров нагревательных элементов для вашего оборудования и можем изготовить любой тип нагревателей для Вас.
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.
Расчет длины спирали
Требуемая мощность нагревателя
Вт
Напряжение питания
В
Выберете материал
Выберете диаметр проволоки из стандартных промышленных размеров.
мм
Данные результаты не учитывают возрастание электрического сопротивления проводника с ростом его температуры. Поэтому фактическая мощность (как и потребляемый ток от сети) всегда несколько ниже расчетных величин.
Расчет веса и длины
Пересчитать
Вид продукции
Сплав
Диаметр, мм.
Длина, м.
Рассчитать
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.
Основные сведения и марки нихрома
Нихромом называют сплав никеля и хрома с добавками марганца, кремния, железа, алюминия. У этого материала параметры зависят от конкретного соотношения веществ в сплаве, но в среднем лежат в пределах:
- удельное электрическое сопротивление — 1,05-1,4 Ом*мм 2 /м (в зависимости от марки сплава);
- температурный коэффициент сопротивления — (0,1-0,25)·10 −3 К −1 ;
- рабочая температура — 1100 °C;
- температура плавления — 1400°C;
В таблицах удельное сопротивление часто приводится в мкОм*м (или 10 -6 Ом*м) – численно значения те же, разница в размерности.
В настоящее время есть две самых распространённых марки нихромовой проволоки:
- Х20Н80. Состоит на 74% из никеля и на 23% хрома, а также по 1% железа, кремния и марганца. Проводники этой марки можно использовать при температуре до 1250 ᵒ С, температура плавления – 1400 ᵒ С. Также он отличается повышенным электросопротивлением. Сплав применяют для изготовления элементов нагревательных приборов. Удельное сопротивление – 1,03-1,18 мкОм·м;
- Х15Н60. Состав: 60% никеля, 25% железа, 15% хрома. Рабочая температура не более 1150 ᵒ С. Температура плавления – 1390 ᵒ С. Содержит больше железа, что повышает магнитные свойства сплава и увеличивает его антикоррозийную устойчивость.
Более подробно о марках и свойствах этих сплавов вы узнаете из ГОСТ 10994-74, ГОСТ 8803-89, ГОСТ 12766.1-90 и других.
Как уже было сказано, нихромовая проволока применяется повсеместно где нужны нагревательные элементы. Высокое удельное сопротивление и температура плавления позволяют использовать нихром в качестве основы для разных нагревательных элементов, начиная от чайника или фена, заканчивая муфельной печью.
Справочные таблицы
Расчет электрического сопротивления нихромовой проволоки и ленты Х20Н80
Электрическое сопротивление — это одна из самых важных характеристик нихрома.
Оно определяется многими факторами, в частности электрическое сопротивление нихрома зависит от размеров проволоки или ленты, марки сплава.
Общая формула для активного сопротивления имеет вид:
R = ρ · l / S
R — активное электрическое сопротивление (Ом), ρ- удельное электрическое сопротивление (Ом·мм), l- длина проводника (м), S — площадь сечения (мм 2 )
Значения электрического сопротивления для 1 м нихромовой проволоки Х20Н80
| № | Диаметр, мм | Электрическое сопротивление нихрома (теория), Ом |
| 1 | Ø 0,1 | 137,00 |
| 2 | Ø 0,2 | 34,60 |
| 3 | Ø 0,3 | 15,71 |
| 4 | Ø 0,4 | 8,75 |
| 5 | Ø 0,5 | 5,60 |
| 6 | Ø 0,6 | 3,93 |
| 7 | Ø 0,7 | 2,89 |
| 8 | Ø 0,8 | 2,2 |
| 9 | Ø 0,9 | 1,70 |
| 10 | Ø 1,0 | 1,40 |
| 11 | Ø 1,2 | 0,97 |
| 12 | Ø 1,5 | 0,62 |
| 13 | Ø 2,0 | 0,35 |
| 14 | Ø 2,2 | 0,31 |
| 15 | Ø 2,5 | 0,22 |
| 16 | Ø 3,0 | 0,16 |
| 17 | Ø 3,5 | 0,11 |
| 18 | Ø 4,0 | 0,087 |
| 19 | Ø 4,5 | 0,069 |
| 20 | Ø 5,0 | 0,056 |
| 21 | Ø 5,5 | 0,046 |
| 22 | Ø 6,0 | 0,039 |
| 23 | Ø 6,5 | 0,0333 |
| 24 | Ø 7,0 | 0,029 |
| 25 | Ø 7,5 | 0,025 |
| 26 | Ø 8,0 | 0,022 |
| 27 | Ø 8,5 | 0,019 |
| 28 | Ø 9,0 | 0,017 |
| 29 | Ø 10,0 | 0,014 |
Значения электрического сопротивления для 1 м нихромовой ленты Х20Н80
| № | Размер, мм | Площадь, мм 2 | Электрическое сопротивление нихрома, Ом |
| 1 | 0,1×20 | 2 | 0,55 |
| 2 | 0,2×60 | 12 | 0,092 |
| 3 | 0,3×2 | 0,6 | 1,833 |
| 4 | 0,3×250 | 75 | 0,015 |
| 5 | 0,3×400 | 120 | 0,009 |
| 6 | 0,5×6 | 3 | 0,367 |
| 7 | 0,5×8 | 4 | 0,275 |
| 8 | 1,0×6 | 6 | 0,183 |
| 9 | 1,0×10 | 10 | 0,11 |
| 10 | 1,5×10 | 15 | 0,073 |
| 11 | 1,0×15 | 15 | 0,073 |
| 12 | 1,5×15 | 22,5 | 0,049 |
| 13 | 1,0×20 | 20 | 0,055 |
| 14 | 1,2×20 | 24 | 0,046 |
| 15 | 2,0×20 | 40 | 0,028 |
| 16 | 2,0×25 | 50 | 0,022 |
| 17 | 2,0×40 | 80 | 0,014 |
| 18 | 2,5×20 | 50 | 0,022 |
| 19 | 3,0×20 | 60 | 0,018 |
| 20 | 3,0×30 | 90 | 0,012 |
| 21 | 3,0×40 | 120 | 0,009 |
| 22 | 3,2×40 | 128 | 0,009 |
Методики расчета
По сопротивлению
Давайте разберемся как рассчитать длину нихромовой проволоки по мощности и сопротивлению. Расчёт начинается с определения требуемой мощности. Представим, что, нам нужна нить из нихрома для паяльника малых размеров мощностью в 10 Ватт, который будет работать от блока питания на 12В. Для этого у нас есть проволока диаметром 0.12 мм.
Простейший расчет длины нихрома по мощности без учета нагрева выполняется так:
Определим силу тока:
Расчет сопротивления нихромовой проволоки проводим по закону Ома:
Длина проволоки равна:
где S – площадь поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление.
Или по такой формуле:
Но сначала нужно рассчитать удельное сопротивление для нихромовой проволоки диаметром 0.12мм. Оно зависит от диаметра – чем он больше, тем меньше сопротивление.
Тоже самое можно взять из ГОСТ 12766.1-90 табл. 8, где указана величина в 95.6 Ом/м, если по ней пересчитать, то получится почти тоже самое:
Для нагревателя мощностью 10 ватт, который питается от 12В, нужно 15.1см.
Если вам нужно выполнить расчет числа витков спирали, чтобы её свить из нихромовой проволоки такой длины, то используйте следующие формулы:
Длина одного витка:
где L и d – длина и диаметр проволоки, D – диаметр стержня на котором будут мотать спираль.
Допустим мы будем мотать нихромовую проволоку на стержень диаметром 3 мм, тогда расчеты проводим в миллиметрах:
Но при этом нужно учитывать, способен ли вообще нихром такого сечения выдержать этот ток. Подробные таблицы для определения максимального допустимого тока при определенной температуре для конкретных сечений приведены ниже. Простыми словами – вы определяете, до скольки градусов должна греться проволока и выбираете её сечение для расчётного тока.
Также учтите, что если нагреватель находится внутри жидкости, то ток можно увеличить в 1.2-1.5 раз, а если в замкнутом пространстве, то наоборот – уменьшить.
По температуре
Проблема приведенного выше расчёта в том, что мы считаем сопротивление холодной спирали по диаметру нихромовой нити и её длине. Но оно зависит от температуры, при этом же нужно учитывать при каких условиях получится её достичь. Если для резки пенопласта или для обогревателя такой расчет еще применим, то для муфельной печи он будет слишком грубым.
Расчет нихромовой спирали
Методика расчета по сопротивлению
Для начала давайте подробнее рассмотрим расчет длины проволоки из нихрома на основе мощности и электрического сопротивления. Во-первых нужно определиться с тем, какая мощность нагревательной спирали будет нужна. Допустим, нам необходимо изготовить небольшой нагреватель для прибора с мощностью 10Вт с напряжением 12 Вольт. Допустим, у нас имеется в наличии нихромовая проволока с диаметром сечения 0,1 мм.
Самый элементарный расчет без учитывания нагрева производится по формуле, знакомой нам из школьного курса физики:
Р=U∙І → І = Р/ U = 10 / 12 = 0,83 А
R= U/ І = 12 / 0,83 = 14,5 Ом.
Знаючи площадь сечения проволоки (S) и удельное сопротивление нихрома (ρ) можно вычислить длину проволоки, которая нам понадобится для изготовления спирали:
Для того, чтобы узнать удельное сопротивление нихромовой проволоки определенного диаметра можно воспользоваться формулами или готовой таблицей значений. Для нихрома с диаметром 0,1 мм сопротивление будет 14,4 Ом и площадь сечения 0,008 мм2, тогда подставив значения в формулу мы получим длину проволоки равную 10 см.
Для расчета того, сколько витков спирали нужно сделать из проволоки полученной длины, нужно воспользоваться такими формулами:
Вычислим длину одного витка, равную:
Длина витка =π∙( диаметр намотки + 0,5 ∙ диаметр сечения проволоки)
Количество витков = длина проволоки / длина витка
Таким образом, если диаметр навивки нашей проволоки будет 2 мм, то
Количество витков = 100/( 3,14*(2+0,05))=15,5 витков
Теоретические расчеты – это, конечно, хорошо. Но выдержит ли на практике нихром с таким диаметром сечения подобный ток? Таблицы, предоставленные ниже, показывают максимальный ток, который допустим для определенных диаметров нити нихрома при заданной температуре. Говоря проще, нужно определить температуру, до которой должен нагреваться спиральный греющий элемент, и выбрать из таблицы его сечения для расчетного тока.
Если же нагреватель будет использоваться в жидкостной среде, силу тока можно взять больше в 1,2-1,5 раз, а если он будет нагревать замкнутое пространство, то стоит его ток уменьшить.
Методика расчета по температуре
Выше описанный простой расчет недостаточно точен из-за того, что мы берем величину сопротивления спирали в холодном состоянии. Но с изменением температуры изменяется и сопротивление материала. При этом также следует учесть, каковы условия достижения данной температуры. Для небольшой температуры, к примеру в обогревателях, первый способ расчета может применяться свободно, но для высоких температур в печах сопротивления данный способ будет слишком приблизительным.
Давайте рассчитаем спираль для муфельной печи при помощи второго метода. Для начала нужно вычислить объем камеры и на его основе мощность нагрева. Для муфельных печей существует такое правило подбора:
Для печей с объемом до 50 л мощность берется из расчета 100 Вт на литр
Для печей с объемом от 100 до 500 л мощность берется из расчета 50-70 Вт на литр
Возьмем для примера небольшую печь с объемом 50 литров, тогда мощность печи должна быть 50*100= 5000 Вт
Посчитаем силу тока (І) и сопротивление (R) для напряжения питания 220В
І = 5000/220 = 22,7 А
R = 220/22,7 = 9,7 Ом
Если подключать спирали при 380 В методом подключения «звезда», нужно мощность поделить на 3 фазы, таким образом у нас будет
Мощность на фазу = 5кВт / 3 = 1,66 кВт
При данном типе подключения к трехфазной сети на каждую фазу будет подаваться 220 В, соответственно ток и сопротивление будут равны:
І = 1660/220 = 7,54 А
R = 220/7,54 = 29,1 Ом
Если же соединение спиралей при напряжении 380 производится методом «треугольник», формулы расчета будут с учетом линейного напряжения в 380 В.
І = 1660/380 = 4,36 А
R = 380/4,36 = 87,1 Ом
Диаметр можно вычислить с учетом удельной поверхностной мощности нагревателя. Произведем расчет длины греющей нити, взяв удельные сопротивления из таблиц.
Поверхностная мощность = βэф*α(коэффициент эффективности)
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*Вдоп))
Удельное сопротивление материала при нужной температуре (Rt) берется из таблицы
Если у нас нихром марки Х80Н20, Rt будет равным 1,025. Тогда Рт=1,13*10 6 *1,025=1,15*10 6 Ом на мм
Для подключения типа звезда: диаметр равен 1,23 мм, длина = 42 м
Проверим значения по формуле L=R/(p*k)
Получим 29,1/(0,82*1,033)= 34 м
Таким образом видим, что в формуле без учета температуры есть существенное отличие в полученных значениях. Правильно выбрать длину одной спирали для подключения звездой равную 42 м, тогда для 3 спиралей вам понадобится 126 метров проволоки нихрома с диаметром 1,3.
Калькулятор рассчета нагревателей из фехраля и нихрома
Для расчета нагревателя печи нужно задать значение его мощности, диаметр проволоки, напряжение сети, а также значение удельного сопротивления. Удельное сопротивление проволоки Суперфехраль (Х23Ю5Т-Н-ВИ) 1,39 Ом×мм²/м, Еврофехраль (Х27Ю5Т-Н-ВИ) — 1,44 Ом×мм²/м. Для нихрома — в среднем 1,1 Ом×мм²/м. Чтобы не было перекала проволоки, значение поверхностной нагрузки не должно превышать 1,4-1,6 Вт/см.
Расчет нагревателей из фехраля или нихрома
Более подробно о подборе и расчете нагревателей в печи для обжига можно почитать на нашем форуме: Расчет нагревателей-спиралей печи для обжига.
Спасибо разработчикам. Очень полезная, а главное, удобная вещь. Спасибо!
Здорово↨ Я бы такую програмку хотел бы на телефон и планшетник.
Ток и сопротивление не изменяются при изменении диаметра
Ошибочные данные выдает. при 30квт 4мм 380в должно быть 67 м а не 671м В 10 раз ошщибиться….
Скорее всего вы ввели в поле мощность не 30000 Вт, а 3000. При правильном вводе и удельном сопротивлении 1,1 получается 54.96 метра.
врет как сивый мерин прога чем больше Вт тем меньше провода хотел бы я 200000Вт получить на 3м провода аха-ха… внесите ясность в чем измеряете
Адрей, если возьмете 10 см провода, то мощность будет еще больше! Попробуйте засунуть его в розетку, и вы почувствуете всю мощь на собственном опыте))
Я Вам больше скажу, чем тоньше провод, тем меньше его нужно по расчётам мощность/сопротивление) Программа все правильно считает, ваша задача уменьшить поверхностную нагрузку.
Применение нихромовой проволоки
Главное качество нихрома – это высокое сопротивление электрическому току. Оно определяет области применения сплава. Нихромовая спираль применяется в двух качествах — как нагревательный элемент или как материал для электросопротивлений электрических схем.
Для нагревателей используется электрическая спираль из сплавов Х20Н80-Н и Х15Н60-Н. Примеры применений:
- бытовые терморефлекторы и тепловентиляторы;
- ТЭНы для бытовых нагревательных приборов и электрического отопления;
- нагреватели для промышленных печей и термооборудования.
Сплавы Х15Н60-Н-ВИ и Х20Н80-Н-ВИ, получаемые в вакуумных индукционных печах, используют в промышленном оборудовании повышенной надежности.
Спираль из нихрома марок Х15Н60, Х20Н80, Х20Н80-ВИ отличается тем, что его электросопротивление мало меняется при изменении температуры. Из нее изготавливают резисторы, соединители электронных схем, ответственные детали вакуумных приборов.
Как навить спираль из нихрома
Резистивная или нагревательная спираль может быть изготовлена в домашних условиях. Для этого нужна проволока из нихрома подходящей марки и правильный расчет требуемой длины.
Расчёт спирали из нихрома опирается на удельное сопротивление проволоки и требуемую мощность или сопротивление, в зависимости от назначения спирали. При расчете мощности нужно учитывать максимально допустимый ток, при котором спираль нагревается до определенной температуры.
Учет температуры
Например, проволока диаметром 0,3 мм при токе 2,7 А нагреется до 700 °С, а ток в 3,4 А нагреет ее до 900 0 С. Для расчета температуры и тока существуют справочные таблицы. Но еще нужно учитывать условия эксплуатации нагревателя. При погружении в воду теплоотдача повышается, тогда максимальный ток можно повысить на величину до 50 % от расчетного. Закрытый трубчатый нагреватель, наоборот, ухудшает отвод тепла. В этом случае и допустимый ток необходимо уменьшить на 10—50 %.
На интенсивность теплоотвода, а значит и на температуру нагревателя, влияет шаг навивки спирали. Плотно расположенные витки дают более сильный нагрев, больший шаг усиливает охлаждение. Следует учитывать, что все табличные расчеты приводятся для нагревателя, расположенного горизонтально. При изменении угла к горизонту условия теплоотвода ухудшаются.
Расчет сопротивления нихромовой спирали и ее длины
Определившись с мощностью, приступаем к расчету требуемого сопротивления. Если определяющим параметром является мощность, то вначале находим требуемую силу тока по формуле I=P/U. Имея силу тока, определяем требуемое сопротивление. Для этого используем закон Ома: R=U/I.
Обозначения здесь общепринятые:
- P – выделяемая мощность;
- U – напряжение на концах спирали;
- R – сопротивление спирали;
- I – сила тока.
Расчет сопротивления нихромовой проволоки готов. Теперь определим нужную нам длину. Она зависит от удельного сопротивления и диаметра проволоки. Можно сделать расчет, исходя из удельного сопротивления нихрома: L=(Rπd 2 )/4ρ. Здесь:
- L – искомая длина;
- R – сопротивление проволоки;
- d – диаметр проволоки;
- ρ – удельное сопротивление нихрома;
- π – константа 3,14.
Но проще взять готовое линейное сопротивление из таблиц ГОСТ 12766.1-90. Там же можно взять и температурные поправки, если нужно учитывать изменение сопротивления при нагреве. В этом случае расчет будет выглядеть так: L=R/ρld, где ρld – это сопротивление одного метра проволоки, имеющей диаметр d.
Итоги
Онлайн калькулятор для расчета спирали поможет вам с быстрыми предварительными расчетами, но для точного учета всех особенностей даже второго метода расчета с учетом температуры может быть не достаточно. На практике существует еще очень много факторов, которые нужно взять во внимание при расчете параметров нагревателя.
Если вам нужна помощь с расчетами нагревателей – обращайтесь к нам.
Наши специалисты имеют огромный опыт в проектировании нагревательных элементов для различного промышленного оборудования. Мы поможем с расчетами оптимальных параметров нагревательных элементов для вашего оборудования и можем изготовить любой тип нагревателей для Вас.
Источник
Расчет нихрома и фехрали для нагревателей
Нихром и фехраль – два самых распространенных типа материалов, из которых изготавливаются нагревательные элементы. В данной статье мы собрали полезные расчеты, которые могут понадобиться при проектировании нагревательного элемента, а также добавили два удобных калькулятора для расчета длины спирали и пересчета веса материалов в длину и наоборот.
Расчет длины проволоки для спирали
Требуемая мощность нагревателя
Вт
Напряжение питания
В
Выберете материал
Выберете диаметр проволоки из стандартных промышленных размеров.
мм
Полученные результаты не учитывают рост электрического сопротивления проводника с ростом его температуры. Поэтому фактическая мощность (как и потребляемый ток от сети) всегда несколько ниже расчетных величин.
Расчет веса и длины
Пересчитать
Вид продукции
Сплав
Диаметр, мм.
Длина, м.
Рассчитать
Расчет нихромовой спирали
Методика расчета по сопротивлению
Для начала давайте подробнее рассмотрим расчет длины проволоки из нихрома на основе мощности и электрического сопротивления. Во-первых нужно определиться с тем, какая мощность нагревательной спирали будет нужна. Допустим, нам необходимо изготовить небольшой нагреватель для прибора с мощностью 10Вт с напряжением 12 Вольт. Допустим, у нас имеется в наличии нихромовая проволока с диаметром сечения 0,1 мм.
Самый элементарный расчет без учитывания нагрева производится по формуле, знакомой нам из школьного курса физики:
Р=U∙І → І = Р/ U = 10 / 12 = 0,83 А
По закону Ома:
R= U/ І = 12 / 0,83 = 14,5 Ом.
Знаючи площадь сечения проволоки (S) и удельное сопротивление нихрома (ρ) можно вычислить длину проволоки, которая нам понадобится для изготовления спирали:
І = S∙ R/ ρ
Для того, чтобы узнать удельное сопротивление нихромовой проволоки определенного диаметра можно воспользоваться формулами или готовой таблицей значений. Для нихрома с диаметром 0,1 мм сопротивление будет 14,4 Ом и площадь сечения 0,008 мм2, тогда подставив значения в формулу мы получим длину проволоки равную 10 см.
Для расчета того, сколько витков спирали нужно сделать из проволоки полученной длины, нужно воспользоваться такими формулами:
Вычислим длину одного витка, равную:
Длина витка =π∙( диаметр намотки + 0,5 ∙ диаметр сечения проволоки)
Количество витков = длина проволоки / длина витка
Таким образом, если диаметр навивки нашей проволоки будет 2 мм, то
Количество витков = 100/( 3,14*(2+0,05))=15,5 витков
Теоретические расчеты – это, конечно, хорошо. Но выдержит ли на практике нихром с таким диаметром сечения подобный ток? Таблицы, предоставленные ниже, показывают максимальный ток, который допустим для определенных диаметров нити нихрома при заданной температуре. Говоря проще, нужно определить температуру, до которой должен нагреваться спиральный греющий элемент, и выбрать из таблицы его сечения для расчетного тока.
Если же нагреватель будет использоваться в жидкостной среде, силу тока можно взять больше в 1,2-1,5 раз, а если он будет нагревать замкнутое пространство, то стоит его ток уменьшить.
Методика расчета по температуре
Выше описанный простой расчет недостаточно точен из-за того, что мы берем величину сопротивления спирали в холодном состоянии. Но с изменением температуры изменяется и сопротивление материала. При этом также следует учесть, каковы условия достижения данной температуры. Для небольшой температуры, к примеру в обогревателях, первый способ расчета может применяться свободно, но для высоких температур в печах сопротивления данный способ будет слишком приблизительным.
Давайте рассчитаем спираль для муфельной печи при помощи второго метода. Для начала нужно вычислить объем камеры и на его основе мощность нагрева. Для муфельных печей существует такое правило подбора:
-
Для печей с объемом до 50 л мощность берется из расчета 100 Вт на литр
-
Для печей с объемом от 100 до 500 л мощность берется из расчета 50-70 Вт на литр
Возьмем для примера небольшую печь с объемом 50 литров, тогда мощность печи должна быть 50*100= 5000 Вт
Посчитаем силу тока (І) и сопротивление (R) для напряжения питания 220В
І = 5000/220 = 22,7 А
R = 220/22,7 = 9,7 Ом
Если подключать спирали при 380 В методом подключения «звезда», нужно мощность поделить на 3 фазы, таким образом у нас будет
Мощность на фазу = 5кВт / 3 = 1,66 кВт
При данном типе подключения к трехфазной сети на каждую фазу будет подаваться 220 В, соответственно ток и сопротивление будут равны:
І = 1660/220 = 7,54 А
R = 220/7,54 = 29,1 Ом
Если же соединение спиралей при напряжении 380 производится методом «треугольник», формулы расчета будут с учетом линейного напряжения в 380 В.
І = 1660/380 = 4,36 А
R = 380/4,36 = 87,1 Ом
Диаметр можно вычислить с учетом удельной поверхностной мощности нагревателя. Произведем расчет длины греющей нити, взяв удельные сопротивления из таблиц.
Поверхностная мощность = βэф*α(коэффициент эффективности)
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*Вдоп))
Удельное сопротивление материала при нужной температуре (Rt) берется из таблицы
Если у нас нихром марки Х80Н20, Rt будет равным 1,025. Тогда Рт=1,13*106*1,025=1,15*106
Ом на мм
Для подключения типа звезда: диаметр равен 1,23 мм, длина = 42 м
Проверим значения по формуле L=R/(p*k)
Получим 29,1/(0,82*1,033)= 34 м
Таким образом видим, что в формуле без учета температуры есть существенное отличие в полученных значениях. Правильно выбрать длину одной спирали для подключения звездой равную 42 м, тогда для 3 спиралей вам понадобится 126 метров проволоки нихрома с диаметром 1,3.
Вывод
На основе формул и калькулятора можно произвести быстрый расчет длины нихромовой или фехралевой проволоки и вычислить ее диаметр исходя из необходимой мощности и температуры нагревательного элемента, однако даже второй более сложный метод расчета не учитывает ряда факторов. На практике после произведенных теоретических расчетов необходимо произвести манипуляции с результатами исходя из особенностей использования нагревателя.
Для точных расчетов длины фехралевых и нихромовых спиралей, а также для получения консультации по нагревательным элементам обращайтесь к нашим специалистам по телефонам или через электронную почту. У нас, кроме готовых промышленных нагревателей, вы также можете приобрести комплектующие для их создания, включая проволоку и ленту фехраль, термостойкие провода, керамические изоляторы, миканит, термостойкие разъемы и прочее.
Требуемая мощность нагревателя, Вт
Напряжение, В
Необходимая длина проволоки, м
Ток, А
Применение нихромовых проволок в качестве нагревательных элементов обусловлено сочетанием следующих характеристик этих сплавов:
– высоких показателей жаростойкости сплавов никеля с хромом;
– высоким удельным электрическим сопротивлением;
– хорошей пластичностью;
– низким температурным коэффициентом электрического сопротивления.
Предложенный калькулятор может быть использован для подсчета и примерной оценки необходимой длины нихромовой проволоки наиболее распространенных в настоящее время марок Х20Н80, Х20Н80-Н и Х15Н60 для нагревателей.
Для расчета потребуются следующие данные: желаемая мощность нагревателя. питающее напряжение и стандартное значение диаметра используемой проволоки.
Вначале, исходя из заданных параметров определяется сила тока (I=P/U). Далее, производится расчет сопротивления всего нагревательного элемента (R=U/I).
Затем, используя данные удельного электрического сопротивления (ρ) упомянутых выше марок проволоки находим ее необходимую длину (l=SR/ρ), которая обеспечит сопротивление нагревателя R.
После проведения расчета рекомендуется убедиться в соответствии полученного расчетного тока его допустимому значению из приведенной ниже таблицы:
Если полученный ток превышает допустимый, необходимо повторить расчет, выбрав большее значение диаметра нихромовой проволоки или снизив мощность нагревательного элемента.
Обязательно следует учесть, что допустимые значения тока в зависимости от выбранного диаметра проволоки и температуры нагрева, приведенные в таблице стоит рассматривать для нагревателей, закрепленных в горизонтальном состоянии в воздушной среде.
Так, в случае если спираль погружена в нагреваемую жидкость, то допустимый ток может быть увеличен в 1,1-1,5 раза, а закрытое расположение спирали в связи с гораздо худшим охлаждением наоборот, предполагает уменьшение допустимого тока в 1,2-1,5 раза.
