Наиболее 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.

При 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.

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

Мощность одной секции:

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:

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.

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

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

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.

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.

Длина проволоки одной секции:

L = (U ф 2 S*10 -6)/(ρ 20 Рс x10 3)

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 = (lx10 3)/ (√h 2 +(πD) 2)

Длина спирали:

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:

Параметры, способствующие неполадкам

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

Факторы, которые влияют на скорость разрушения нагревателя:

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.

Если домашнему мастеру по характеру выполняемых им работ необходима муфельная печь, то он, конечно, может приобрести готовый прибор в магазине или по объявлениям. Однако, стоит подобное оборудование заводского производства – весьма недешево. Поэтому многие умельцы берутся за изготовление таких печей самостоятельно.

Основной «рабочий узел» электрической муфельной печи – нагреватель, который в условиях кустарного производства обычно исполняют в виде спирали из специальной проволоки с высокими показателями сопротивления и термической отдачи. Характеристики его должны строго соответствовать мощности создаваемого оборудования, предполагаемым температурным режимам работы, а также отвечать еще некоторым требованиям. Если планируется самостоятельное изготовление прибора, то советуем применить предлагаемые ниже алгоритм и удобные калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи.

Расчет требует определенных пояснений, которые постараемся изложить максимально доходчиво.

Алгоритм и калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи

Из чего делаются нагревательные спирали

Для начала – буквально несколько слов о проволоке, которая используется для навивки нагревательных спиралей. Обычно для таких целей применяется нихромовая или фехралевая.

• Нихромовая (от сокращений никель + хром) чаще всего представлена сплавами Х20Н80-Н , Х15Н60 или Х15Н60-Н .

Цены на муфельную печь

муфельная печь

Ее достоинства :

— высокий запас прочности при любых температурах нагрева;

— пластична , легко обрабатывается, поддаётся свариванию;

— долговечность, стойкость к коррозии, отсутствие магнитных качеств.

Недостатки :

— высокая стоимость;

— более низкие показатели нагрева и термоустойчивости по сравнению с фехралевой .

• Фехралевая (от сокращений феррум , хром , алюминий) – в наше время чаще используется материал из сплава Х23Ю 5Т.

Достоинства фехраля :

— намного дешевле нихрома, благодаря чему в основном материал и пользуется широкой популярностью;

— имеет более значительные показатели сопротивления и резистивного нагрева;

— высокая жаростойкость.

Недостатки :

— низкая прочность, а после даже однократного нагрева свыше 1000 градусов – выраженная хрупкость спирали;

— невыдающаяся долговечность;

— наличие магнитных качеств, подверженность коррозии из-за наличии в составе железа;

— ненужная химическая активность – способен вступать в реакции с материалом шамотной футеровки печи;

— чрезмерно большое термическое линейное расширение.

Каждый из мастеров волен выбрать любой из перечисленных материалов, проанализировав их «за» и «против» . Алгоритм расчёта учитывает особенности такого выбора.

Шаг 1 – определение мощности печи и силы тока, проходящего через нагреватель.

Чтобы не вдаваться в ненужные в данном случае подробности, сразу скажем, что существуют эмпирические нормы соответствия объема рабочей камеры муфельной печи и ее мощности. Они показаны в таблице ниже:

Если есть проектные наброски будущего прибора, то объем муфельной камеры определить несложно – произведением высоты, ширины и глубины. Затем объем переводится в литры и умножается на указанные в таблице рекомендуемые нормы мощности. Так получаем мощность печи в ваттах.

Табличные значения указаны в некоторых диапазонах, так что или применяйте интерполяцию, или принимайте примерно среднюю величину.

Найденная мощность, при известном напряжении сети (220 вольт) позволяет сразу определить силу тока, который будет проходить через нагревательный элемент.

I = P / U.

I – сила тока.

Р – определённая выше мощность муфельной печи;

U – напряжение питания.

Весь этот первый шаг расчета очень легко и быстро можно проделать с помощью калькулятора: все табличные значения уже внесены в программу вычисления.

Калькулятор мощности муфельной печи и силы тока, проходящего через нагреватель

Укажите запрашиваемые значения и нажмите
«РАССЧИТАТЬ МОЩНОСТЬ МУФЕЛЬНОЙ ПЕЧИ И СИЛУ ТОКА НА НАГРЕВАТЕЛЕ»

РАЗМЕРЫ РАБОЧЕЙ КАМЕРЫ МУФЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Высота, мм

Ширина, мм

Глубина, мм

Шаг 2 – определение минимального сечения проволоки для навивки спирали

Любой электрический проводник ограничен в своих возможностях. Если через него пропускать ток, выше допустимого, он попросту перегорит или расплавится. Поэтому очередной шаг в расчетах – определение минимально допустимого диаметра проволоки для спирали.

Определить его можно по таблице. Исходные данные – рассчитанная выше сила тока и предполагаемая температура разогрева спирали.

D (мм)	S (мм ²)	Температура разогрева проволочной спирали, °C
		Максимальная допустимая сила тока, А
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

И сила тока, и температура берутся ближайшие, но обязательно с приведением в большую сторону. Например, при планируемом нагреве 850 градусов следует ориентироваться на 900. И, допустим , при силе тока в этом столбце, равной 17 амперам, берется большее ближайшее – 19,1 А. В двух левых столбцах сразу определяется минимально возможная проволока – ее диаметр и площадь поперечного сечение.

Более толстую проволоку использовать можно (иногда это становится и обязательным – о таких случаях будет рассказано ниже). Но меньше – никак нельзя, так как нагреватель просто перегорит в рекордно короткий срок.

Шаг 3 – определение необходимой длины проволоки для навивки спирального нагревателя

Известны мощность, напряжение, сила тока. Намечен диаметр проволоки. То есть имеется возможность, используя формулы электрического сопротивления, определить длину проводника, который будет создавать 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 видно, потребуется еще одна табличная величина – удельное сопротивление материала на единицу площади поперечного сечения и длины проводника. Необходимые для расчета данные – показаны в таблице:

Марка нихромового сплава, из которого изготовлена проволока	Диаметр проволоки, мм	Величина удельного сопротивления, Ом×мм²/м
Х23Ю5Т	независимо от диаметра	1.39
Х20Н80-Н	0,1÷0,5 включительно	1.08
	0,51÷3,0 включительно	1.11
	более 3	1.13
Х15Н60 или Х15Н60-Н	0,1÷3,0 включительно	1.11
	более 3	1.12

Еще проще покажется расчет , если использовать наш калькулятор:

Калькулятор расчета длины проволоки для спирали

Укажите запрашиваемыен значения и нажмите
«РАССЧИТАТЬ ДЛИНУ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ»

Рассчитанное ранее значение силы тока, А

Площадь сечения проволоки, мм²

Марка сплава и диаметр проволоки

Довольно часто нихромовую ил фехралевую проволоку реализуют не на метры, а на вес. Значит, потребуется перевести длину в ее эквивалент по массе. Выполнить такой перевод поможет предлагаемая таблица:

Диаметр проволоки, мм	Вес погонного метра, г			Длина 1 кг, м
	Х20Н80	Х15Н60	ХН70Ю	Х20Н80	Х15Н60	ХН70Ю
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

Нагреватель или не справится со своей задачей, или будет работать на грани возможностей и оттого быстро перегорит, если его поверхностная удельная мощность будет выше допустимого значения.

Поверхностная удельная мощность – это количество тепловой энергии, которое необходимо получить с единицы площади поверхности нагревателя.

Прежде всего – определяем допустимое значение этого параметра. Оно выражается следующей зависимостью:

βдоп = βэф × α

βдоп – допустимая удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/см²

βэф – эффективная удельная поверхностная мощность, зависящая от температурного режима работы муфельной печи.

α – коэффициент эффективности теплового излучения нагревателя.

βэф берем из таблицы. Данными для входа в нее являются:

Левый столбец – ожидаемая температура воспринимающей среды. Проще говоря – до какого уровня требуется разогреть помещенные в печь материалы или заготовки. Каждому уровню соответствует своя строка.

Все остальные столбцы – температура разогрева нагревательного элемента.

Пересечение строки и столбца даст искомое значение βэф.

Требуемая температура тепловоспринимающего материала, °С	Поверхностная мощность βэф (Вт/cм ²) при температуре разогрева нагревательного элемента, °С
	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

Теперь – поправочный коэффициент α . Его значение для спиральных нагревателей показано в следующей таблице.

Простое перемножение этих двух параметров как раз и даст допустимую удельную поверхностную мощность нагревателя.

Примечание: Практика показывает, что для муфельных печей с высокотемпературным нагревом (от 700 градусов), оптимальным значением βдоп будет 1,6 Вт/см² для нихромовых проводников, и примерно 2,0÷2,2Вт/см² для фехралевых . Если печь работает в режиме нагрева до 400 градусов, то таких жестких рамок нет – можно ориентироваться на показатели от 4 до 6 Вт/ см² .

Итак, с допустимым значением поверхностной удельной мощности определись. Значит, необходимо найти удельную мощность рассчитанного ранее нагревателя и сравнить с допустимой.

Существует несколько видов подогрева тандыра. Сегодня все большее распространение получает электрический способ, так как он не требует приобретения топлива, не выделяет продуктов горения, облегчает пользование за печью.

Свернуть

Нагревание устройства происходит посредством накаливания спиралей и последующей равномерной теплоотдаче. В статье подробно рассматриваются особенности тандырной спирали. Эта информация поможет правильно выбрать и установить нагревательный элемент на печь.

Что такое спираль для тандыров?

Спираль – важный элемент тандыра, без него устройство не будет работать. Прогревается достаточно быстро. Позволяет поддерживать необходимую температуру длительное время, что особенно важно, если готовить на печи приходится целый день.

Так выглядит спираль

Делается нагревательный элемент из проволоки с высоким удельным сопротивлением электротоку. Длина проволоки достаточно большая, поэтому для удобства закручивается витками. Спирали могут иметь форму цилиндров или плоских змеевиков, снабжаться контактными подводами. К печи нагреватели крепятся на керамические или металлические основания со специальными теплостойкими вставками или изоляторами.

Назначение спирали

Главная функция спирали для тандыра – накаливание и последующее равномерное распределение жара. Для этого элемент должен обладать качествами:

• Жаростойкость (не разрушаться при высоких температурах в тандырах).
• Высокое сопротивление току (от этого зависит скорость прогрева, получаемая температура, срок службы элемента).
• Постоянство свойств (не изменяется в зависимости от условий среды, длительности эксплуатации).

Виды

Самыми практичными материалами для нагревательных деталей являются нихромовые и фехралевые соединения. Рассмотрим коротко их особенности.

Нихромовые

Нихромовые спирали делаются из Cr+Ni . Такой сплав позволяет добиться прогрева устройства до 1200 градусов. Отличается крипоустойчивостью, устойчивостью к окислению. Минус – меньший температурный режим в сравнении с фехралевыми сплавами.

Цена на нихромовые изделия демократичная. К примеру, марка Х20Н80 (20% хрома, 80% никеля), подходящая под стандартное напряжение 220 вольт будет стоить 150-170 руб. за метр.

Фехраль

Фехраль – это сочетание хрома, железа, алюминия и титана . Материал отличается хорошими показателями сопротивления току. Обладает повышенной жароустойчивостью: максимальная температура плавления у спиралей из этого материала достигает 1500 градусов.

Фехралевая спираль

Типы

При подборе нагревательного устройства важно обращать внимание не только на материал, но и на тип изделия: спираль для тандыра на 220 или 380 вольт имеют некоторые отличия.

220 В – это стандартное напряжение для домашних электросетей (то есть для подключения к обычным розеткам в квартирах и загородных коттеджах). Допускается использование и в небольших ресторанах с низкой производительностью. По правилам безопасность к 220 вольт подключаются спирали с мощностью 3,5-7 киловатт.

Мощный тандыр не подключают к стандартной потребительской электросети. Это приведет к сгоранию нагревателя и замыканию. Требуется подсоединение к промышленной трехфазной электросети 380 вольт. Мощность каждой спирали в тандыре в этом случае повышается до 12 киловатт. Особые требования к проводам, использованных в нагревательных элементах: они должны быть сечением не менее 4 мм.

Как правильно выбрать спираль?

Габариты проволоки, используемой при создании нагревателей, определяются мощностью тандыра, напряжения в электросети и жаром, который должен выдаваться печкой. Вначале надо по формуле определить силу тока: I = Р:U

• Р — техническая мощность печи.
• U — напряжение в электросети.

К примеру, для печки 800 ватт и напряжением электросети в 220 вольт, величина силы электротока будет равна 3.6 ампер. После по заданным параметрам (температура и сила электротока) в специальной таблице ищутся подходящие габариты проволоки.

Длина проволоки для спирали рассчитывается по формуле l=RхS:ρ . К примеру, при сопротивлении 61 Ом, размером сечения 0.2 кв. мм и сопротивлении 1,1 требуется спираль, сделанная из проволоки длиной 5.3 метра.

Монтажные работы

Специалисты за монтаж нагревательных элементов в печи берут порядка 2300-3000 руб. Если хочется сэкономить и установить спираль в тандыр самостоятельно, то вот несколько важных советов:

• Вертикально размещать нагревательный элемент не стоит. Раскаленная проволока мягкая, поэтому из-за силы тяжести может прогнуться. Лучше укладывать ее горизонтально.
• Не рекомендуется устанавливать нагерватель вплотную к теплоизоляционному кирпичу – увеличивается риск перегрева. Между стенками печи и проволокой делается небольшая «воздушная подушка»
• При установке надо растянуть спираль так, чтобы все витки находились на небольшом удалении друг от друга (специалисты советуют расстояние между кольцами в 1,5-2 раза больше, чем диаметр проволоки).

Альтернативный вариант: на дно тандыра устанавливается тэн (трубчатый электронагреватель, внутри которого находится проволочная спираль). Это удобный и безопасный вариант. Но как показывает практика, прогрев от тэна будет более медленным , чем в случае с открытой спиралью.

На фотографиях ниже показаны несколько видов установки спирали:

Пример установки спирали

Еще один способ

ТЭН вместо спирали

Вывод

Корректная и безопасная работа тандыра зависит от такого важного элемента, как спираль. При покупке готовой печи или изготовлении устройства своими руками важно выбрать подходящий материал, тип, размер нагреватели. Если нет уверенности в своих силах и знаниях, выбор и монтаж пенных спиралей лучше доверить специалистам.

←Предыдущая статья Следующая статья →

В практике домашнего мастера приходится ремонтировать или конструировать нагревательные приборы. Это могут быть различные печи, обогреватели паяльники и резаки. Чаще всего для этого применяют спирали или проволоку из нихрома. Основной задачей при этом является определить длину и сечение материала. В этой статье мы расскажем о том, как рассчитать длину нихромовой проволоки или спирали по мощности, сопротивлению и температуре.

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.

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:

I=P/U=10/12=0,83 A

Расчет сопротивления нихромовой проволоки проводим по :

R=U/I=12/0,83=14,5 Ома

Длина проволоки равна:

l=SR/ρ ,

где S – площадь поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление.

Или по такой формуле:

l= (Rπd2)/4ρ

L=(14.5*3,14*0.12^2)/4*1,1=0,149м=14,9см

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:

L=R треб /R табл =14,4/95,6=0,151м=15,1см

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:

Количество витков:

N=L/(π(D+d/2)),

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:

N=151/(3,14(3+0,12/2))=15,71 витков

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.

Приведем пример расчетов нихрома для печи.

Сначала определяют её объём, допустим 50 литров, далее определяют мощность, для этого есть эмпирическое правило:

• до 50 литров – 100Вт/л;
• 100-500 литров – 50-70 Вт/л.

Тогда в нашем случае:

I=5000/220=22.7 Ампера

R=220/22.7=9,7 Ом

Для 380В при подключении спиралей звездой, расчет будет следующим.

Делим мощность на 3 фазы:

Pф=5/3=1,66 кВт на фазу

При подключении звездой, к каждой ветви прикладывается 220В (фазное напряжение, может отличаться в зависимости от вашей электроустановки), тогда ток:

I=1660/220=7.54 А

Сопротивление:

R=220/7.54=29.1 Ом

Для соединения треугольником рассчитываем по линейному напряжению 380В:

I=1660/380=4.36 А

R=380/4.36=87.1 Ом

Для определения диаметра учитывают удельную поверхностную мощность нагревателя. Рассчитаем длину, удельные сопротивления берем с табл. 8. ГОСТ 12766.1-90, но прежде определим диаметр.

Для расчета удельной поверхностной мощности печи используют формулу.

Bэф (зависит от теплопринимающей поверхности) и a (коэф. Эффективности излучения) – выбираются по следующим таблицам.

Итак, для нагрева печи до 1000 градусов, возьмём температуру спирали в 1100 градусов, тогда по таблице подбора В эф выбираем значение в 4,3 Вт/см 2 , а по таблице подбора коэффициента а – 0,2.

В доп =В эф *а=4,3*0.2= 0,86 Вт/см 2 =0.86*10^4 Вт/м 2

Диаметр определяют по формуле:

р т – удельное сопротивление материала нагревателя при заданной t, определяется по ГОСТ 12766.1, таблица 9 (приведена ниже).

Для нихрома Х80Н20 – 1,025

р т =р 20 *р 1000 =1.13*10^6*1.025=1.15*10^6 Ом/мм

Тогда для подключения к трёхфазной сети по схеме «Звезда»:

Длина рассчитывается по формуле:

Проверим значения:

L=R/(p*k)=29.1/(0.82*1.033)=34м

Значения отличаются из-за высокой температуры спирали, проверка не учитывает ряда факторов. Поэтому примем за длину 1 спирали – 42м, тогда для трёх спиралей нужно 126 метров нихрома 1,3 мм.

Заключение

• условия окружающей среды;
• расположение нагревательных элементов;
• температуру спиралей;
• температуру, до которой должна нагреться поверхность и другие факторы.

Даже приведенный расчет, несмотря на его сложность, нельзя назвать достаточно точным. Потому что расчет нагревательных элементов - это сплошная термодинамика и можно привести еще ряд факторов, которые влияют на его результаты, например, теплоизоляцию печи и прочее.

На практике после оценочных подсчетов спирали добавляют или убирают в зависимости от полученного результата или используют температурные датчики и устройства для её регулировки.

Материалы

Навивка нихромовой спирали для дальнейшего нагрева проводится в основном методом проб и ошибок. После навивки на элемент нагрева подается напряжение и уже по тому, как нагревается проволока, определяется нужное число витков.

Такой процесс может занимать много времени. При этом стоит помнить, что нихром способен терять при большом количестве перегибов свои характеристики. Проволока будет быстро прогорать на участках деформирования. В конечном счете, может получиться, что хороший материал превратиться в лом.

Для правильного расчета нихромовой спирали обычно пользуются специальными таблицами, где удельное сопротивление нихромовой проволоки = (Ом мм2 / м). Но, в этих таблицах выведены данные для напряжения 220В. Для работы нагревательного элемента в промышленной среде придется проводить расчет самостоятельно, подставляя имеющиеся данные.

По табличным данным можно с точностью определить длину намотки и расстояние между витками. Зависимо от диаметра проволоки и диаметра стержня намотки нихрома провести пересчет длины спирали для эксплуатации при другом напряжении будет несложно. Здесь нужно воспользоваться простой математической пропорцией.

К примеру, если нужно вычислить длину спирали для напряжения 380 В используя проволоку диаметром Ø 0,6 мм, и стержень для намотки Ø 6 мм. В таблице можно увидеть, что длина спирали при напряжении 220 В должна составлять 30 см. Далее ведем расчёт по следующему соотношению:

220 В – 30 см
380 В – Х см

Исходя из этих данных:

Х= 380 30/220=52 см

После того как спираль уже намотана ее следует подключить к энергоносителю и убедиться в правильности намотке. При этом намотанная проволока не обрезается. У спирали в закрытом нагревателе длина намотки должна на 1/3 быть больше значений, приведенных в таблице.

Расчет нагревательного элемента из нихромовой проволоки

Длина проволоки определяется исходя из показателей нужной мощности.

Как пример проведем на основе имеющихся показателей следующие исчисления.