Меню

Плотность тока по сечению нихрома

Удельное сопротивление нихрома, плотность, теплопроводность, теплоемкость

Удельное сопротивление нихрома, плотность, теплопроводность, теплоемкость

Рассмотрены состав и основные физические свойства нихрома: удельное электрическое сопротивление, температура плавления, максимальная рабочая температура, удельная теплоемкость, коэффициент теплового линейного расширения, плотность нихрома и его теплопроводность.

Свойства в таблицах указаны для следующих марок:

  • ферронихром Х15Н60;
  • нихром Х20Н80;
  • сплав Nikrothal 80;
  • сплав, содержащий 10% хрома и 90% никеля.

Удельное сопротивление нихрома, его температура плавления и применения

В таблице представлено удельное электрическое сопротивление нихрома в зависимости от температуры в интервале от 20 до 1200°С. Удельное сопротивление нихрома указано в размерности мкОм·м. Например, при температуре 900°С нихром Х20Н80-Н имеет удельное электрическое сопротивление, равное 1,149 микро Ом·м (или 1,149·10 -6 Ом·м).

С ростом температуры удельное сопротивление нихрома увеличивается. В процессе нагрева увеличение сопротивления нихрома от температуры может составлять 7…11% в интервале 20…1200°С. Однако, прямая линейная зависимость удельного сопротивления от температуры характерна только для ферронихрома Х15Н60, содержащего большое количество железа.

Сплавы Ni-Cr с низким содержанием железа имеют иной характер зависимости сопротивления от температуры: нихром Х20Н80 показывает снижение величины удельного сопротивления в диапазоне от 500 до 900°С; удельное сопротивление нихрома марки Nikrothal 80 не зависит от температуры в интервале 400…900°С.

Удельное сопротивление нихрома (мкОм·м) в зависимости от температуры

Температура, °C Х15Н60 Х20Н80-Н Nikrothal 80
20 1,12 1,13 1,09
100 1,135 1,137 1,101
200 1,152 1,147 1,112
300 1,172 1,155 1,123
400 1,189 1,163 1,134
500 1,203 1,166 1,134
600 1,213 1,156 1,134
700 1,213 1,148 1,134
800 1,22 1,147 1,134
900 1,229 1,149 1,134
1000 1,238 1,158 1,145
1100 1,248 1,167 1,155
1200 1,175 1,166

Температура плавления нихрома составляет 1400°С. Ферронихром Х15Н60 имеет чуть более низкую температуру плавления. Максимальная рабочая температура рассмотренных сплавов имеет значение 1125…1200°С.

Основное назначение нихрома — применение в виде ленты и проволоки для электрических нагревателей. Необходимо отметить, что максимальная температура применения нихромовой проволоки существенно зависит от ее диаметра. Например, согласно ГОСТ 12766.1-90, для проволоки Х20Н80-Н диаметром 0,2 мм максимальная рабочая температура на воздухе составляет всего 950°С. При увеличении диаметра такой проволоки до 1 мм ее рабочая температура может достигать 1100°С.

Состав нихрома, его температура плавления и максимальная рабочая температура

Марка нихрома Состав tпл, °C tраб, °C
Х15Н60 55-61% Ni, 15-18% Cr, остальное Fe 1390 1125
Х20Н80-Н Основной Ni, 20-23% Cr, Fe не более 1% 1400 1200
Nikrothal 80 Основной Ni, 19-21% Cr, Fe не более 2% 1400 1200

Теплоемкость, линейное расширение, плотность и теплопроводность нихрома

В таблице представлены следующие физические свойства нихрома: удельная теплоемкость при 25°С, средний коэффициент теплового линейного расширения в интервале температуры от 20 до 1000°С и плотность нихрома при 25°С.

Следует отметить, что рассмотренные марки нихрома имеют близкие значения физических свойств. Плотность нихрома находится в диапазоне 8200…8660 кг/м 3 и повышается с увеличением содержания в сплаве никеля. Коэффициент теплового линейного расширения нихрома при 20…1000°С имеет значение (17…18)·10 -6 град -1 . Удельная теплоемкость нихрома, в зависимости от марки, составляет 440…460 Дж/(кг·град).

Удельная теплоемкость, линейное расширение и плотность нихрома

Марка нихрома C, Дж/(кг·град) α·10 6 , град -1 ρ, кг/м 3
Нихром (10%Cr + 90%Ni) 460 18 8660
Х15Н60 460 17 8200
Х20Н80-Н 440 18 8400
Nikrothal 80 460 17,2 8300

Теплопроводность нихрома имеет величину, близкую по значению с теплопроводностью нержавеющей стали. В таблице приведены данные по теплопроводности рассмотренных сплавов при различных температурах в интервале от 0 до 600°С.

Теплопроводность нихрома увеличивается при нагревании. С повышением содержания никеля в сплаве его коэффициент теплопроводности повышается. К примеру, сплав, содержащий 10% Cr и 90% Ni, имеет наибольшую теплопроводность из рассмотренных сплавов, равную 17,4 Вт/(м·град) при 20°С.

Источник

Как рассчитать длину нихромовой проволоки

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.

Нихром на нагревателе

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.

Читайте также:  Ошейник с током для маленьких собак

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.

Резак для пенопласта

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.

Нихром 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.

Допустимый длительный ток

Допустимый длительный ток

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.

Муфельная печь

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:

Дальше считаем силу тока и сопротивление:

Схема подключения звездой и треугольником

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:

Для соединения треугольником рассчитываем по линейному напряжению 380В:

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.

Формула для определения коэффициента BBэф (зависит от теплопринимающей поверхности) и a (коэф. Эффективности излучения) – выбираются по следующим таблицам.

Выбор поверхностной мощности нагревателя B

Выбор поверхностной мощности нагревателя B

Таблица для выбора коэффициента эффективности излучения

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

Диаметр определяют по формуле:

Формула определения диаметра

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

Таблица выбора поправочного коэффициента

Для нихрома Х80Н20 – 1,025

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

Длина рассчитывается по формуле:

Формула расчёта длины

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

Таким образом вы можете посчитать длину проволоки для нихромовой спирали и определить нужный диаметр по мощности, сечению и температуре. Важно при этом учитывать:

  • 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.

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.

Читайте также:  Электрический ток в полупроводниках акцепторные примеси

Расчет длины проволоки для спирали

Требуемая мощность нагревателя
Вт

Напряжение питания
В

Выберете диаметр проволоки из стандартных промышленных размеров.

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

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*P 2 )/(π 2 *U 2 доп))

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.

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.

Читайте также:  Свечение вольфрамовой нити какое действие тока

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.

Источник



Применение и расчёт электрической спирали из нихрома​

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.

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.

Навивка спирали

Теперь сделаем геометрический расчет нихромовой спирали. У нас выбран диаметр проволоки d, определена требуемая длина L и есть стержень диаметром D для навивки. Сколько нужно сделать витков? Длина одного витка составляет: π(D+d/2). Количество витков – N=L/(π(D+d/2)).

На практике редко кто занимается самостоятельной навивкой проволоки для резистора или нагревателя. Проще купить нихромовую спираль с требуемыми параметрами и при необходимости отделить от нее нужное количество витков.

Источник