Электрические нагревательные элементы, тэны, виды, конструкции, подключение и проверка. Применение и расчёт электрической спирали из нихрома​ Рассчитать спираль из нихрома на 220 вольт

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

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

Как пример проведем на основе имеющихся показателей следующие исчисления.

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.

Нихромовая спираль - это нагревательный элемент в виде проволоки, свернутой винтом для компактного размещения. Проволока изготавливается из нихрома - прецизионного сплава, главными компонентами которого являются никель и хром. «Классический» состав этого сплава - 80% никеля, 20% хрома. Композицией наименований этих металлов было образовано название, которым обозначается группа хромоникелевых сплавов - «нихром».

Самые известные марки нихрома - Х20Н80 и Х15Н60 . Первый из них близок к «классике». Он содержит 72-73 % никеля и 20-23 % хрома. Второй разработан с целью снижения стоимости и повышения обрабатываемости проволоки. Содержание никеля и хрома в нем уменьшено – до 61 % и до 18 % соответственно. Но увеличено количество железа – 17-29 % против 1,5 у Х20Н80.

На базе этих сплавов были получены их модификации с более высокой живучестью и стойкостью к окислению при высокой температуре. Это марки Х20Н80-Н (-Н-ВИ) и Х15Н60 (-Н-ВИ). Они применяются для нагревательных элементов, контактирующих с воздухом. Рекомендуемая максимальная температура эксплуатации – от 1100 до 1220 °С

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.

При ремонте или при самостоятельном изготовлении электрического паяльника или любого другого нагревательного прибора приходится мотать нагревательную обмотку из нихромовой проволоки. Исходными данными для расчета и выбора проволоки является сопротивление обмотки паяльника или нагревательного прибора, которое определяется исходя из его мощности и напряжения питания. Рассчитать, какое должно быть сопротивление обмотки паяльника или нагревательного прибора можно с помощью таблицы.

Зная напряжение питания и измеряв сопротивление любого нагревательного электроприбора, например паяльника, илиэлектрического утюга , можно узнать потребляемую этим бытовым электроприбором мощност ь. Например, сопротивление электрочайника мощностью 1,5 кВт будет равно 32,2 Ом.

Рассмотрим на примере как пользоваться таблицей. Допустим, требуется перемотать паяльник мощностью 60 Вт рассчитанный на напряжение питания 220 В. По самой левой колонке таблицы выбираете 60 Вт. По верхней горизонтальной строке выбираете 220 В. В результате расчета получается, что сопротивление обмотки паяльника, не зависимо от материала обмотки, должно быть равно 806 Ом.

Если Вам понадобилось сделать из паяльника мощностью 60 Вт, рассчитанного на напряжение 220 В, паяльник, для питания от сети 36 В, то сопротивление новой обмотки должно будет уже равно 22 Ом. Вы можете самостоятельно рассчитать сопротивление обмотки любого электронагревательного прибора с помощью онлайн калькулятора.

После определения требуемой величины сопротивления обмотки паяльника из ниже приведенной таблицы выбирается подходящий, исходя из геометрических размеров обмотки, диаметр нихромовой проволоки. Нихромовая проволока представляет собой хромоникелевый сплав, который выдерживает температуру нагрева до 1000˚С и маркируется Х20Н80. Это означает, что в сплаве содержится 20% хрома и 80% никеля.

Для намотки спирали паяльника имеющей сопротивление 806 Ом из примера выше, понадобится 5,75 метров нихромовой проволоки диаметром 0,1 мм (нужно поделить 806 на 140), или 25,4 м проволоки диаметром 0,2 мм, и так далее.

При намотке спирали паяльника витки укладываются вплотную друг к другу. При нагревании докрасна поверхность нихромовой проволоки окисляется и образует изолирующую поверхность. Если вся длина проволоки не вмещается на гильзе в один слой, то намотанный слой покрывается слюдой и мотается второй.

Для электрической и тепловой изоляции обмотки нагревательного элемента лучшими материалами является слюда, стекловолоконная ткань и асбест. Асбест обладает интересным свойством, его можно размочить водой и он делается мягким, позволяет придавать ему любую форму, а после высыхания обладает достаточной механической прочностью. При изолировании обмотки паяльника мокрым асбестом надо учесть, что мокрый асбест хорошо проводит эклектический ток и включать паяльник в электросеть можно будет только после полного высыхания асбеста.