Проектирование нагревателя

КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

Нагреватель – один из основных элементов нагревательной плиты, он осуществляет ее нагрев, имеет максимальную температуру и определяет работоспособность нагревательной плиты в целом.

Основные требования к нагревателям:

1) Нагреватели должны обладать достаточной жаростойкостью и жаропрочностью. Жаростойкие сплавы – материалы которые работают при высоких температурах за определенный период времени в условиях сложнонапряженного состояния и обладающие достаточным сопротивлением к коррозии в газовых средах.Жаропрочные сплавы – материалы которые работают в незагруженном или слабозагруженном состоянии при повышенных температурах (выше 500°С) и обладают стойкостью к коррозии в газовых средах.

2) Нагреватель должен быть сделан из материалов с высоким электрическим сопротивлением. Объясняется это тем, что чем выше электрическое сопротивление нагревателя, тем сильнее он нагревается. Исходя из этого если взять материал с меньшим электрическим сопротивлением, то потребуется нагреватель большей длины. Также надо учитывать что чем больше диаметр проволоки, тем дольше он прослужит.

3) Важным фактором при выборе материала является малый температурный коэффициент сопротивления. Это делается для того чтобы при изменении температуры электрическое сопротивления материала нагревателя менялось не существенно. Если температурный коэффициент электросопротивления большой для включения нагревателя в холодном состоянии, то требуется использование трансформаторы, которые понижают напряжение в начальный момент.

4) Физические свойства материала из которого сделан нагреватель должны быть постоянные. Такие материалы как карборунд, которые является не металлическим нагревателем, через некоторое время может менять свои свойства, в частности электрическое сопротивление, что значительно осложняет условия эксплуатации. Для стабилизации электрического сопротивления применяет трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.

5) Материалы должны обладать хорошими технологическими свойствами, такими как пластичность, свариваемость – чтобы из них можно было сделать проволоку или ленту. Иногда нагреватели изготавливают из неметаллов. Такие нагревателя прессуются или формуются, превращаясь в готовое изделие.

    Чтобы изготовить нагреватель и проволоку нужно рассчитать их диаметр и длину. В качестве исходных данных возьмем:

Мощность (Р) = 800 Вт; Напряжение сети (U)  = 220 В;

Температуру нагревателя (T) = 400°С.

    В качестве нагревательного элемента используется нихромования проволока Х20Н80.

    Определим силу тока, которая будет проходить через нагревательный элемент (расчетная сила тока):

Теперь найдем сопротивление нагревателя:

Исходя из полученных значений силы тока, проходящего через нихромовый нагреватель, нужно выбрать диаметр проволоки. Выбор диаметра является очень важным моментом. Если например при силе тока в 6А и температуре нагревателя 800°С использовать нихромовую проволоку диаметром 0.4мм нельзя, т.к. она просто сгорит. Поэтому рассчитав силу тока из таблицы 4 выберем соответствующее значение диаметра проволоки.

Таблица 3. Допустимая сила тока проходящая через нагреватель из нихромовой проволоки, соответствующая определенным температурам нагрева проволоки, подвешенной горизонтально в спокойном воздухе нормальной температуры.

Для силы тока 3.63А и температуры нагревателя 400°С выбираем нихромовую проволоку диаметром d = 0,6мм и площадью поперечного сечения S = 0.283мм².

Общее правило выбора диаметра проволоки можно сформулировать так: необходимо выбрать проволоку у которой допустимая сила тока не меньше, чем расчетная сила тока, проходящего через нагреватель. С целью экономии материала нагревателя следует выбирать проволоку с ближайшей большей (чем расчетная) допустимой силой тока.

Далее определяем длину нихромовой проволоки:

ρ - удельное электрическое сопротивление проводника нагревателя;

В данном случае в качестве нагревательного элемента используется нихромовая проволока диаметром 0.6мм. В соответствии с ГОСТ 12766.1-90 «Проволока из прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением. Технические условия» номинальное значение удельного электрического сопротивления нихромовой проволоки марки Х20Н80 составляет 1.1Ом  мм²/м.

Таблица 4. Удельное электрическое сопротивление нихрома (номинальное значение) по ГОСТ 12766.1-90.

Найдем длину проводника:

Итогом расчетов данного нагревательного элемента (нихромовой проволоки марки Х20Н80) является его длина 15.6м и диаметр 0.6мм.

Конструкция нагревательной плиты имеет сборку из двух плит: верхняя плита для оплавления кромок крышки, а нижняя плита для оплавления кромок бака.

Верхняя плита (Изображение 2.1) имеет 6 пазов для крепления ее к нижней плите и выступы повторяющие периметр основания крышки для оплавления.

Изображение 2.1 Чертеж верхней сварочной плиты (вид сверху)

Нижняя плита (изображение 2.2) имеет более сложное строение. Имеются 2 специализированных отверстий для прохода выводов аккумулятора при процессе оплавления. Их диаметр составляет 13 мм, чтобы в процессе сварки выводы с легкостью попадали в отверстия, перед начало сварки рабочий выравнивает их оси с помощью легких ударов деревянной или резиновой киянкой. Имеются еще 4 паза для закрепления плиты на установке.

Изображение 2.2 Чертеж нижней сварочной плиты (вид сверху)

Также плита имеет 6 отверстий для присоединения верхней плиты. В плиту проведена термопара. Среди множества методов измерения температуры, одним из наиболее распространенных в отрасли промышленности, является способ измерения с поддержкой термопары. Термопара - данное, датчик температуры состоящих из двух соединенных между собой разнородных электропроводящих элементов, обычно металлических проводников реже полупроводников. Сочетание электроизмерительных приборов пары формируют термоэлектрический термометр, шкала которого регулируется не посредственно в градусах в Кельвинах и Цельсия. Действия термопары основано на эффекте Зеебека, если проводник подвергается воздействию, его сопротивление и напряжение изменяется - это именуется термоэлектрический эффект или эффект Зеебека.
     Термопары для практического измерения температуры созданы из конкретных сплавов, имеющих предсказуемую и повторяемую зависимость между температурой и напряжением. Различные сплавы используются для различных температурных диапазонов, если Вы хотите купить термопару, то предварительно обязательно проконсультируйтесь с продавцом-консультантом выбранной компании.
     Обычно, проводящие элементы, образующие термопару часто называют термоэлектродами. Когда они находится при разных температурах, то в цепи термопары возникает термоэдс, величина которая определяется температурой горячего и холодного контактов и природой материалов. Достигая температуры 220^оС, она и является максимальной, нагревательный элемент отключается и перестает нагревать. При опускании температуры до 210-215^оС нагревательный элемент включается, что ведет за собой повышение температуры.

Электрические нагревательные элементы применяются в бытовой и промышленной технике. Применение различных нагревателей известно всем. Это электрические плиты, жарочные шкафы и духовки, электрокофеварки, электрические чайники и отопительные приборы всевозможных конструкций.

Электрические водонагреватели, чаще именуемые бойлерами, тоже содержат нагревательные элементы. Основой многих нагревательных элементов служит проволока с высоким электрическим сопротивлением. И чаще всего эта проволока изготовлена из нихрома.
    В данной нагревательной плиты используется открытая нихромовая спираль диаметром 0,6мм и длиной 15600мм.

Поверхность непосредственно участвующая в оплавлении, как нижней так и верхней плиты полируется до блеска. Поверхности после полировки и в процессе эксплуатации смазывают силиконовым аэрозолем. Смазкой проходят примерно один раз в 60 - 75 минут.