Матеріали для виготовлення нагрівних елементів приладів

Основною частиною електронагрівних приладів є нагрівний елемент, у якому електрична енергія перетворюється у теплову. Електронагрівні елементи виконують з електропровідних матеріалів з високим значенням питомого опору. Принцип дії електронагрівних елементів базується на тому, що під час проходження електричного струму через провідник у ньому виділяється теплова енергія, кількість якої Q пропорційна квадрату значення струму I, опорові провідника та часу t проходження струму. Цей закон має назву закону Джоуля – Ленца і записується так:

Q = I² R t.

Для збереження утвореної теплової енергії нагрівний елемент розташовують у корпусі приладу, який ізольований від довкілля теплоізоляційними матеріалами.

Використання електричної енергії для нагрівання має ряд переваг перед іншими видами нагрівання (на газовому, твердому чи рідкому паливі). До переваг відносяться: рівномірне нагрівання; Простота регулювання температури зміною значення сили струму; Автоматичне увімкнення і вимкнення у будь-який момент часу; кращі гігієнічні умови теплоутворення; менша пожежонебезпека тощо.

Нагрівні елементи виготовляють з константану, ніхрому, фехралі та інш. Основні вимоги до матеріалів для виготовлення нагрівних елементів такі: високий питомий опір; мала залежність опору від температури, яка характеризується температурним коефіцієнтом опору (ТКО), здатність витримувати високі температури тощо. Технічні характеристики деяких сплавів наведені у табл. 3.9.

Константан – сплав міді з нікелем (міді 60 %, нікелю 40 %) може працювати при температурах до 450 – 500 ⁰С. Виготовляється у вигляді дроту діаметром від 0,03 мм і більше. Він використовується переважно для виготовлення нагрівних елементів кип’ятильників.

Таблиця 3.9

Технічні характеристики сплавів високого опору

Ніхром – сплав нікелю хрому, заліза і марганцю. Виготовляється у вигляді дроту діаметром від 0,2 до 10 мм, або у вигляді стрічки товщиною 0,2 – 3,0 мм і шириною 6 – 30 мм. Нагрівні елемента застосовуються у електричних плитках, прасках, електричних чайниках та інших побутових приладах.

Фехраль – сплав заліза, хрому, алюмінію, марганцю і нікелю. Випускається у вигляді дроту діаметром від 0,2 до 6 мм. Застосовується у нагрівних приладах, як і ніхром.

У всіх нагрівних приладах нагрівні елементи надійно ізолюють від корпуса за допомогою фарфору, слюди, шамоту, периклазу (MgO), кварцового піску тощо.

Від нагрівного елемента до об’єкта нагрівання тепло передається теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням. Нагрівні елемента бувають відкритого та закритого типу, а також герметичні нагрівні елементи трубчастого типу (ТЕНи). У трубчастих нагрівних елементах спіралі з ніхрому встановлюють у трубку з латуні, нержавіючої чи хромонікелевої сталі, трубку заповнюють кварцовим піском або периклазом, утрамбовують засипку і ущільнюють механічним обтисканням. Кінці трубки герметично ущільнюють, а через ізолятори виводять назовні кінці спіралі. Внаслідок захищеності від кисню з повітря ТЕНи мають термін служби до 10 000 годин. Сьогодні ТЕНи застосовуються майже у всіх нагрівних приладах побутового призначення.

Таблиця 3.10

Залежність діаметра ніхромового дроту від допустимого значення струму

Розраховуючи нагрівні елементи, треба зважати, що їх опір зростає зі збільшенням температури: ρ_Г=ρ₂₀ (1+α (t_Г– 20)).

Для кожного діаметра і матеріалу дроту дроту існує допустиме значення струму І_ДОП, які для ніхромового дроту наведені у табл. 3.10.

Значення струму розраховують за формулою І=P/U, площу поперечного перерізу визначають за даними табл.3.8, а довжину дроту - за такою формулою:

L = S ·U²/(ρ_Г· Р), м,

де U – напруга мережі живлення, В; Р – потужність нагрівного елемента, Вт; S – площа поперечного перерізу дроту, мм²; ρ_Г - питомий опір дроту у нагрітому стані, Ом ·мм²/м.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: