На главную (The main) | Выбор раздела (Parts) | Выбор расчета (Electrical) | Карта номограмм | Справочная информация |
С появлением в цепи электрического тока провода, составляющие цепь, нагреваются, т.е. проявляется тепловое действие тока. Это свойство позволяет проектировать множество самых разных нагревательных приборов, в которых в качестве нагревателя выступает резистивный элемент, т.е. участок цепи, обладающий специально подобранным электрическим сопротивлением.
P = I2· R.
Это и есть знаменитый закон Джоуля-Ленца, который примерно в одно время, в первой половине девятнадцатого века, открыли академик Ленц из Петербурга и Джоуль, живший в Англии.
С помощью известного закона Ома (опубликован Георгом Омом в 1820 г., хотя еще в 1770 г. экспериментально получен Кавендишем) закон Джоуля-Ленца можно выразить также следующей известной формулой
P = U2/ R.
Итак, это самые важные выражения (в комплексе с формулой расчета удельного электрического сопротивления) для проектирования резистивных электрических нагревателей.
В общем случае, в зависимости от выбранного материала проволоки, мощности нагревателя, напряжения источника питания и значения расчетной максимальной силы тока выбирается сечение электрического провода,
т.е. площадь сечения (диаметр) проволоки выбранной марки и её длина. К примеру, если источник электропитания рассчитан на невысокое напряжение питания постоянным током – 10 В,
а необходимая для подогрева мощность питания ≈ 40 Вт, то, соответственно, расчетное значение силы тока – 0,25 А или 250 мА.
Теперь, исходя из характеристик выбранного материала (удельное электрическое сопротивление, плотность), определяются габаритно-массовые характеристики нагревателя.
Формулы для расчета электрического сопротивления провода приведены на странице
"Расчет нагрева электрического провода".
Дальше выбираем подходящую по условиям эксплуатации электрическую изоляцию или выбираем стандартный электрический провод, характеристики которого регламентированы техническими условиями.
При необходимости уточняем расчеты с учетом выбранных конструктивных характеристик. К примеру, оцениваем потери тепла на излучение в окружающее пространство и т.д.
Большинство электрических нагревателей в качестве нагревательного элемента используют
- по видам резистивного элемента;
- по видам электроизоляции резистивного элемента.
Это деление досататочно условно. К примеру, можно выделить такие виды нагревателей, как жесткие нагреватели и гибкие пленочные нагреватели, но это уже более частный случай, который рассмотрим при оценке разных видов электрической изоляции нагревателей. Отдельным обширным вопросом является тема высокотемпературных электрических неметаллических нагревателей (карбидо-кремниевых, углеродных композиционных), а также тема высокотемпературной керамической изоляции.
Итак, рассмотрим следующие виды резистивных элементов электрических нагревателей:
- металлические - алюминий, медь, сталь, фехраль, константан, манганин, нихром, вольфрам;
- неметаллические - карбидокремниевые, углеродные..
Обычно резистивным элементом электронагревателя является металлическая проволока - металлическая спираль (резистивная спираль).
В зависимости от требуемой температуры нагрева (рабочей температуры наревателя) используется, в основном, определенные металлические материалы:
- при сравнительно невысоких температурах нагрева используется
- при высоких температурах применяется
По отношению к высокотемпературным металлическим проволочным нагревателям часто используется термин "жаростойкость", однако, возможно, более подходщим термином может быть "теплостойкость", так как в случае резистивных электрических нагревателей более вероятно их расплавление при критических температурах.
В таблице приведены характеристики материалов, используемых в качестве
|
|
|
|
|
|
|
|
Алюминий | 0,027 | 2710 | 250 - 300 |
Медь | 0,017 | 8900 | 500 - 600 |
Константан | 0,5 | 8900 | 500 |
Сталь (ХН60ВТ) | 1,1 | 7900 | 1100 |
Нихром | 1,1 | 8300 | 1100 |
Никель | 0,087 | 8900 | 1300 |
Фехраль | 1,1 - 1,4 | 7300 | 1200 - 1400 |
Вольфрам | 0,056 | 19100 | до 3000 |
Каждый из приведенных материалов обладает своими особенностями, которые необходимо учитывать при разработке электрического нагревателя.
Достаточно интересным сплавом является
Самым распространенным материалом высоктемпературных нагревателей можно назвать сплав нихром, поэтому уделим ему больше внимания.
В качестве резистивного элемента нихромовая проволока широко распространена в высокотемпературных нагревательных приборах, так как имеет приемлемые электрические и эксплуатационные характеристики,
её удельное электрическое сопротивление изменяется значительно меньше, чем у молибденовой и вольфрамовой проволоки.
К примеру, у вольфрама (как и у молибдена) удельное электрическое сопротивление при температуре 700 °С примерно 24 мкОм·см, при температуре 1300 °С уже примерно 41 мкОм·см,
т.е. изменяется почти в два раза, а у нихрома остается на уровне примерно 110 мкОм·см.
При включении вольфрамого нагревателя из холодного состояния (при постоянном значении напряжения на источнике) будет значительный «бросок» силы тока,
так как в холодном состояние удельное электрическое сопротивление у вольфрама значительно ниже, чем в горячем.
Нихромовая проволока может эксплуатироваться на воздухе без значительных ухудшений эксплуатационных характеристик в отличие от жаропрочных материалов, которые быстро окисляются на воздухе.
К примеру, через 10 мин нахождения молибдена при температуре 1000 °С потеря массы будет составлять примерно 90 мг/см2, а через 30 мин вырастет уже примерно до 200 мг/см2.
Характеристики жаропрочных материалов, их структура, значительно меняется с температурой. К примеру, жаропрочные сплавы из тугоплавких металлов плохо обрабатываются и являются достаточно хрупкими при нормальных условиях, –
требуется их подогрев для механической обработки, но нельзя превысить граничную температуру их эксплуатации на воздухе.
Ниже приведены графики зависимости максимальной силы тока от температуры и диаметра проволоки, которыми руководствуются при проектировании электрических нагревателей на базе нихромовой проволоки.
|
|
|
|
Замечательными свойствами для применения в качестве резистивного элемента электрического нагревателя обладает
При работе с тугоплавкими металлами (вольфрам, молибден и т.д.), используемыми в качестве высокотемпературных электрических нагревателей, также имеются свои сложности, поэтому поиск эффективных нагревательных элементов постоянно продолжается. В последние десятилетия активно применяются карбидо-кремниевые нагреватели. Для работы данных электрических нагревателей при высоких температурах (примерно до 1500 °С) также требуется вакуум или специальная газовая атмосфера (инертный газ). Данные нагреватели имеют жесткую конструкцию, промышленно выпускаются рядом предприятий и включают целый ряд конфигураций для установки в различные конструкции. Такие промышленно выпускаемые карбидо-кремниевые нагреватели имеют диаметры примерно от 25 мм и значительную длину в несколько десятков сантиметров. В основном данные нагреватели устанавливаются в специальные печи, поэтому имеют достаточно большие габариты. При необходимости такие нагреватели могут изготавливаться и меньших типоразмеров. Существуют, однако, ограничения по толщине данных резистивных нагревателей, так как они достаточно хрупки. Толщина карбидокремниевых резистивных трубок (или спиралей) составляет несколько миллиметров или более.
Томас Алва Эдисон использовал в конце девятнадцатого века угольные нити в вакуумных трубках ламп накаливания (вместо вольфрамовых спиралей). Достаточно интересным направлением развития высокотемпературных электрических нагревателей в последние годы является разработка нагревателей из углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) – материала, состоящего из углеродной матрицы и углеродных волокон (с различными примесями). Данные нагреватели также работают при высоких температурах (примерно до 2500 °С) в вакууме или специальной газовой атмосфере, имеют низкую плотность (примерно 1,5 г/см3) и высокую скорость нагрева. В воздушной атмосфере нагреватель из углеродного материала работает примерно до температуры 300 °С, которая достигается достаточно быстро. УУКМ относятся к классу полупроводников. Удельное электрическое сопротивление УУКМ на порядок выше, чем у металлов, а электрическая проводимость выше, чем у большинства керамических материалов. В отличии от жаропрочных металлических нагревателей удельное электрическое сопротивление углерод-углеродных нагревателей изменяется не столь значительно, и с повышением температуры не увеличивается, а уменьшается. К примеру, при температуре 200 °С удельное электрическое сопротивление условного УУКМ (их существует целый ряд модификаций) примерно 4200 мкОм·см, а при 1200 °С – уже ~ 3000 мкОм·см. Сила тока у УУКМ с увеличением температуры резистивного элемента (при постоянном значении напряжения питания), соответственно, увеличивается. Отдельным вопросом является заделка металлических выводов электроподвода в тело углеродного нагревателя. Обычно используется паянное соединение.
При необходимости заказать изготовление электрического нагревателя или купить готовые электрические нагреватели разных типов посетите перечень предприятий, занимающихся изготовлением и поставкой электрических нагревателей "Изготовители и поставщики электрических нагревателей".
Так как условия эксплуатации электронагревателей могут значительно отличаться, то важным вопросом является подбор электроизоляционного материала для металлической жилы нагревателя.
При невысоких рабочих температурах
Если рабочая температура электрического нагревателя превышает температуру
Если рабочая температура провода уже достигает
В качестве электроизоляционного материала в специальных электронагревателях может использоваться и специальные лаки или клеевые составы,
выдерживающие повышенные температуры с сохранением электроизоляционных свойств. Существуют гостированные методики получения таких материалов.
К примеру, кремнийорганический электроизоляционный лак КО-916 может длительно работать при температуре до 180 °С, в ГОСТ 16508 приводятся его электроизоляционные характеристики.
Электрическое сопротивление эпоксидной смолы при 300 К, используемой для изготовления электроизоляционных лаков и клеев, - 1012 Ом·м.
При разработке нагревательных приборов, в которых рабочая температура превышает температуру эксплуатации обычной неметаллической электроизоляции, целесообразно нанесение специального электроизоляционного покрытия на поверхность детали в месте установки электропроводной жилы (или/и непосредственно на резистивный нагревательный элемент). Могут использоваться разные типы покрытий, к примеру электроизоляционное оксидирование. Описание разных процессов оксидирования приведены на странице Термическое оксидирование стали сайта "ВСЕ СВОИМИ РУКАМИ". В случае нанесения специальных электроизоляционных покрытий речь идет скорее о промышленном производстве нагревателей и специальных технологических процессах, которые приводятся в ТУ на изготовление электрического нагревателя, однако все возможно и своими руками... Описание различных видов покрытий приведено на странице Свойства покрытий по ГОСТ 9.303-84 сайта НПП Электрохимия. При проектировании необходимо оценить электроизоляционные характеристики покрытия при различных температурах (для исключения пробоя). К примеру, для получения электронагревателя с минимальными габаритами при большой длине жилы малого диаметра, её скручивают в спираль и укладывают в паз в жестком основании с имеющимся электроизоляционным покрытием или размещают в металлической трубке (патронные или трубчатые электронагреватели - ТЭН), заполненной изоляционным порошковым наполнителем. В результате получается жесткий нагреватель малой толщины или диаметра. Между витками резистивной спирали не должен возникнуть пробой при заданных электрических характеристиках нагревателя и условиях эксплуатации. В качестве изоляционного наполнителя ТЭН применяется кварц или периклаз (электротехнический магнезитовый порошок - оксид магния). Согласно ГОСТ 13236 удельное объемное сопротивление электротехнических периклазовых порошков при 1000 °С в зависимости от марки - от 2·106 (ППЭ-ВМ) до 2,2·107Ом·см (ППЭ-ВМ). Рабочая температура периклаза примерно 650 °С. Кроме плоских, трубчатых по форме нагревателей распространены также и хомутовые или кольцевые нагреватели.
Раз мы упомянули о жестких электрических нагревателях, необходимо отметить достаточно активное развитие и тонких гибких нагревателей (пленочных электрических нагревателей),
удобных для установки не только на плоских, но и на криволинейных поверхностях. Для их изготовления используются специальные промышленные технологии, которые, впрочем, доступны и для индивидуального производства.
Такие нагреватели представляют собой сборку резистивного элемента (проволока, фольга), уложенного (или нанесенного на поверхность) зигзагообразно между двух диэлектрических слоев.
Диэлектрические слои пленочного нагревателя могут изготавливаться из фольги с электроизоляционным клеевым слоем, полиимидных пленок, полиэстера, слюды, силиконовых каучуков или других диэлектрических материалов.
Для придания проволочному резистивному элементу определенной формы применяется его нагрев в специальном фиксирующем приспособлении. К резистивному элементу крепятся контакты электроподвода.
Полученный «сэндвич» хорошо защищает резистивный элемент от воздействия масел, влаги, а также разных химических, радиационных воздействий. Толщина пленочного нагревателя зависит от применяемых диэлектрических материалов.
К примеру толщина полиимидной пленки – до 200 мкм, пленка из полиэстера примерно в два раза толще. При этом полиэстерная пленка менее гибкая, чем полиимидная.
Использование полиимидной пленки позволяет получать весьма гибкие электронагреватели – некоторые модели нагревателей можно обвести вокруг пальца, т.е. обернуть :).
При необходимости повышенной температуры в качестве диэлектрических слоев применяется слюдяной материал с рабочей температурой до 600 °С, что выше максимальной рабочей температуры полиимидной пленки
(от минус 200 до плюс 260 °С). А вот максимальная рабочая температура полиэстера почти в два раза меньше, чем у полиимидной пленки, – от минус 40 до плюс 105 °С.
Поверхностная мощность полиимидной пленки (2 - 3) Вт/см2, у полиэстера – (2 - 10) Вт/см2.
Известные марки полиимидных пленок (термоскотча) – Kapton, Apical, Novax, Espanex.
К примеру, пленка Kapton Тape имеет следующие основные характеристики:
– рабочая температура – от минус 200 до плюс 350 °С;
– срок службы при температуре плюс 220 °С – 10 лет;
– общая толщина пленки – 0,065 мм;
– толщина клеящего основания – 0,025 мм.
Для создания диэлектрического покрытия также могут использоваться полиимидные лаки.
К примеру, лаки типа Pyre ML RC 5069 (США), АД 9103 (РФ). Полиимидные лаки наносятся методами окунания, распыления, центрифугирования.
Известно применение полиимидных лаков в составе эмалей, используемых в качестве изоляции проводов.
Полиимидные лаки имеют низкое выделение летучих веществ, термостабильны, поэтому их применение также целесообразно в изделиях, эксплуатируемых в вакууме.
Известные мировые (в основном США) изготовители гибких пленочных нагревателей:
- Minco;
- Vulcan Electric Company;
- Chromalox Precision Heat and Control Company;
- Tempco Electric Heater Corporation;
- O.E.M. Heaters и др.
Пленочные нагреватели компании «Minco» имеют ряд типоразмеров (длина х ширина) с соответствующим значениями электрического сопротивления, толщину 1,14 мм, диапазон рабочей температуры от минус 200 до плюс 260 °С,
напряжение питания постоянным током 28 В. Поверхностная мощность нагревателей «Minco» 25 Вт/дюйм2. Например, пленочный нагреватель «Minco» с размерами 12,7 х 12,7 мм имеет электрическое сопротивление 37,89 Ом.
В Российской Федерации изготовлением гибких нагревателей занимаются ОАО НИИЭМ, «Симметрон» и др.
К примеру, толщина нагревателя «Симметрона» (0,1 - 0,15) мм, температура эксплуатации – от минус 60 до плюс 260 °С.
Данные нагреватели разрабатываются для широкого диапазона значений напряжения питания и удельной мощности.
Распространенность применения пленочных нагревателей можно оценить по заявленным областям применения пленочных полиимидных нагревателей компании «Симметрон»: медицинское, диагностическое оборудование,
электронная промышленность, пищевая промышленность, компьютерная техника, химическая промышленность, системы видеонаблюдения антиобледенительные системы и т.д.
Резистивный элемент ОАО НИИЭМ изготавливается из манганиновой фольги марки МНМцАЖ (сплав меди, никеля и марганца) с высоким омическим сопротивлением.
В качестве диэлектрического основания используется полиимидная пленка или теплостойкая стеклоткань, пропитанная эпоксидным лаком.
Использование полиимидной пленки повышает на 20% теплостойкость нагревателя (120 °С вместо 100 °С).
В Украине изготавливается полиимидная пленка типа ПМ-А толщиной (30 – 60) мкм (ООО "ЭлектроПласт" и др.).
Разработкой гибких пленочных нагревателей занимается ООО «Светодиодные технологии Украина» (г. Харьков).
В данных нагревателях также применяется в качестве диэлектрического основания полиимидная пленка, а вот нагреватель изготавливается из никелевой фольги толщиной (5 - 10) мкм.
Плотность мощности такого нагревателя от 005 до 2,5 Вт/см2.
При рабочих температурах в районе
Здесь уже идет речь не о типичной электроизоляции проводов, пусть и высокотемпературных, а о специальных конструктивах, которые могут одновременно выполнять несколько функций. К примеру, электроизоляции резестивного элемента и его фиксации, как в случае с вольфрамовой спиралью лампы накаливания, или электроизоляции и герметизации полости с нагревателем и т.д.
Если речь идет о рабочих температурах, приближающихся к
Таким образом, мы перешли к высокотемпературным нагревателям, резистивные элементы которых изготавливаются из жаропрочных материалов. Здесь возможно достижение рабочих температур от
При разработке высокотемпературного электрического нагревателя с керамической изоляцией необходимо учитывать, что удельное электрическое сопротивление керамики снижается с увеличением температуры. Для разных типов керамики своя зависимость удельного электрического сопротивления от температуры, поэтому необходимо выполнить подбор марки керамики для работы электрического нагревателя в определенном диапазоне значений температуры. К примеру, удельное электрическое сопротивление корундовой керамики при температуре 100 °С – 1014 Ом·см, при температуре 800 °С – 109 Ом·см, при 1400 °С – 105 Ом·см. В интернете имеется много изображений промышленных керамических, в том числе фарфоровых, высокотемпературных электроизоляторов. В «помощь» керамическим материалам могут применяться различные высокотемпературные покрытия, о которых уже шла речь выше. Так называемые футеровки. Здесь уже должны внимательно оцениваться такие характеристики, как расширение материалов с повышением температуры (т.е. коэффициент термического расширения) для обеспечения необходимого контакта деталей, исключения растрескивания, осыпания покрытий и разрушения деталей. К примеру, в качестве футеровки можно рассмотреть применение алюмосиликатного огнеупора – муллитокремнеземистого волокна, работающего до температуры 1500 °С. Плотность данного материала – (130 - 320) кг/м3. Выпускается высокотемпературный материал (температура плавления 1200 °С) на основе аэрогеля – пирогель на основе геля из диоксида кремния, армированный нетканым материалом из стекловолокна.
В условиях высоких температур электрические спирали из тугоплавких металлов со временем "проседают", поэтому необходимо также предусматривать элементы, поддерживающие резистивную спираль.
Температура вольфрамовой нити в лампе накаливания поднимается до 2000 К, когда она светит на полную мощность. Мы видим, как в обычной лампочке используются специальные держатели из молибдена,
которые установлены в основания из электроизоляционного стекла.
Электрические нагреватели могут классифицироваться с использованием разных дополнительных критериев, требующих отдельного рассмотрения. К примеру, по способу организации управления работой электрических нагревателей. Самый простой способ - это использование датчика температуры (или термопары), по показаниям которого включается-отключается нагреватель. Самое простое и известное использование подобного контроллера – при поддержании температуры в теплице или инкубаторе...
web-сайт "ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ" Контактная информация (e-mail): nomogramka@gmail.com
Copyright © 2005-2022 г. Все права защищены.