Если домашнему мастеру по характеру выполняемых им работ необходима муфельная печь, то он, конечно, может приобрести готовый прибор в магазине или по объявлениям. Однако, стоит подобное оборудование заводского производства – весьма недешево. Поэтому многие умельцы берутся за изготовление таких печей самостоятельно.
Основной «рабочий узел» электрической муфельной печи – нагреватель, который в условиях кустарного производства обычно исполняют в виде спирали из специальной проволоки с высокими показателями сопротивления и термической отдачи. Характеристики его должны строго соответствовать мощности создаваемого оборудования, предполагаемым температурным режимам работы, а также отвечать еще некоторым требованиям. Если планируется самостоятельное изготовление прибора, то советуем применить предлагаемые ниже алгоритм и удобные калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи.
Расчет требует определенных пояснений, которые постараемся изложить максимально доходчиво.
Алгоритм и калькуляторы расчета нагревателя муфельной печи
Из чего делаются нагревательные спирали
Для начала – буквально несколько слов о проволоке, которая используется для навивки нагревательных спиралей. Обычно для таких целей применяется нихромовая или фехралевая.
- Нихромовая (от сокращений никель + хром) чаще всего представлена сплавами Х20Н80-Н, Х15Н60 или Х15Н60-Н.
Цены на муфельную печь
Ее достоинства:
— высокий запас прочности при любых температурах нагрева;
— пластична, легко обрабатывается, поддаётся свариванию;
— долговечность, стойкость к коррозии, отсутствие магнитных качеств.
Недостатки:
— высокая стоимость;
— более низкие показатели нагрева и термоустойчивости по сравнению с фехралевой.
- Фехралевая (от сокращений феррум, хром, алюминий) – в наше время чаще используется материал из сплава Х23Ю5Т.
Достоинства фехраля:
— намного дешевле нихрома, благодаря чему в основном материал и пользуется широкой популярностью;
— имеет более значительные показатели сопротивления и резистивного нагрева;
— высокая жаростойкость.
Недостатки:
— низкая прочность, а после даже однократного нагрева свыше 1000 градусов – выраженная хрупкость спирали;
— невыдающаяся долговечность;
— наличие магнитных качеств, подверженность коррозии из-за наличии в составе железа;
— ненужная химическая активность – способен вступать в реакции с материалом шамотной футеровки печи;
— чрезмерно большое термическое линейное расширение.
Каждый из мастеров волен выбрать любой из перечисленных материалов, проанализировав их «за» и «против». Алгоритм расчёта учитывает особенности такого выбора.
Шаг 1 – определение мощности печи и силы тока, проходящего через нагреватель.
Чтобы не вдаваться в ненужные в данном случае подробности, сразу скажем, что существуют эмпирические нормы соответствия объема рабочей камеры муфельной печи и ее мощности. Они показаны в таблице ниже:
| Объем муфельной камеры печи (литры) | Рекомендуемая удельная мощность печи (Вт/л) |
|---|---|
| 1÷5 | 300÷500 |
| 6÷10 | 120÷300 |
| 11÷50 | 80÷120 |
| 51÷100 | 60÷80 |
| 101÷500 | 50÷60 |
Если есть проектные наброски будущего прибора, то объем муфельной камеры определить несложно – произведением высоты, ширины и глубины. Затем объем переводится в литры и умножается на указанные в таблице рекомендуемые нормы мощности. Так получаем мощность печи в ваттах.
Табличные значения указаны в некоторых диапазонах, так что или применяйте интерполяцию, или принимайте примерно среднюю величину.
Найденная мощность, при известном напряжении сети (220 вольт) позволяет сразу определить силу тока, который будет проходить через нагревательный элемент.
I = P / U.
I – сила тока.
Р – определённая выше мощность муфельной печи;
U – напряжение питания.
Весь этот первый шаг расчета очень легко и быстро можно проделать с помощью калькулятора: все табличные значения уже внесены в программу вычисления.
Калькулятор мощности муфельной печи и силы тока, проходящего через нагреватель
Перейти к расчётам
Шаг 2 – определение минимального сечения проволоки для навивки спирали
Любой электрический проводник ограничен в своих возможностях. Если через него пропускать ток, выше допустимого, он попросту перегорит или расплавится. Поэтому очередной шаг в расчетах – определение минимально допустимого диаметра проволоки для спирали.
Определить его можно по таблице. Исходные данные – рассчитанная выше сила тока и предполагаемая температура разогрева спирали.
| D (мм) | S (мм ²) | Температура разогрева проволочной спирали, °C | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Максимальная допустимая сила тока, А | ||||||||
| 5 | 19.6 | 52 | 83 | 105 | 124 | 146 | 173 | 206 |
| 4 | 12.6 | 37 | 60 | 80 | 93 | 110 | 129 | 151 |
| 3 | 7.07 | 22.3 | 37.5 | 54.5 | 64 | 77 | 88 | 102 |
| 2.5 | 4.91 | 16.6 | 27.5 | 40 | 46.6 | 57.5 | 66.5 | 73 |
| 2 | 3.14 | 11.7 | 19.6 | 28.7 | 33.8 | 39.5 | 47 | 51 |
| 1.8 | 2.54 | 10 | 16.9 | 24.9 | 29 | 33.1 | 39 | 43.2 |
| 1.6 | 2.01 | 8.6 | 14.4 | 21 | 24.5 | 28 | 32.9 | 36 |
| 1.5 | 1.77 | 7.9 | 13.2 | 19.2 | 22.4 | 25.7 | 30 | 33 |
| 1.4 | 1.54 | 7.25 | 12 | 17.4 | 20 | 23.3 | 27 | 30 |
| 1.3 | 1.33 | 6.6 | 10.9 | 15.6 | 17.8 | 21 | 24.4 | 27 |
| 1.2 | 1.13 | 6 | 9.8 | 14 | 15.8 | 18.7 | 21.6 | 24.3 |
| 1.1 | 0.95 | 5.4 | 8.7 | 12.4 | 13.9 | 16.5 | 19.1 | 21.5 |
| 1 | 0.785 | 4.85 | 7.7 | 10.8 | 12.1 | 14.3 | 16.8 | 19.2 |
| 0.9 | 0.636 | 4.25 | 6.7 | 9.35 | 10.45 | 12.3 | 14.5 | 16.5 |
| 0.8 | 0.503 | 3.7 | 5.7 | 8.15 | 9.15 | 10.8 | 12.3 | 14 |
| 0.75 | 0.442 | 3.4 | 5.3 | 7.55 | 8.4 | 9.95 | 11.25 | 12.85 |
| 0.7 | 0.385 | 3.1 | 4.8 | 6.95 | 7.8 | 9.1 | 10.3 | 11.8 |
| 0.65 | 0.342 | 2.82 | 4.4 | 6.3 | 7.15 | 8.25 | 9.3 | 10.75 |
| 0.6 | 0.283 | 2.52 | 4 | 5.7 | 6.5 | 7.5 | 8.5 | 9.7 |
| 0.55 | 0.238 | 2.25 | 3.55 | 5.1 | 5.8 | 6.75 | 7.6 | 8.7 |
| 0.5 | 0.196 | 2 | 3.15 | 4.5 | 5.2 | 5.9 | 6.75 | 7.7 |
| 0.45 | 0.159 | 1.74 | 2.75 | 3.9 | 4.45 | 5.2 | 5.85 | 6.75 |
| 0.4 | 0.126 | 1.5 | 2.34 | 3.3 | 3.85 | 4.4 | 5 | 5.7 |
| 0.35 | 0.096 | 1.27 | 1.95 | 2.76 | 3.3 | 3.75 | 4.15 | 4.75 |
| 0.3 | 0.085 | 1.05 | 1.63 | 2.27 | 2.7 | 3.05 | 3.4 | 3.85 |
| 0.25 | 0.049 | 0.84 | 1.33 | 1.83 | 2.15 | 2.4 | 2.7 | 3.1 |
| 0.2 | 0.0314 | 0.65 | 1.03 | 1.4 | 1.65 | 1.82 | 2 | 2.3 |
| 0.15 | 0.0177 | 0.46 | 0.74 | 0.99 | 1.15 | 1.28 | 1.4 | 1.62 |
| 0.1 | 0.00785 | 0.1 | 0.47 | 0.63 | 0.72 | 0.8 | 0.9 | 1 |
| D — диаметр нихромовой проволоки, мм | ||||||||
| S — площадь поперечного сечения нихромовой проволоки, мм² | ||||||||
И сила тока, и температура берутся ближайшие, но обязательно с приведением в большую сторону. Например, при планируемом нагреве 850 градусов следует ориентироваться на 900. И, допустим, при силе тока в этом столбце, равной 17 амперам, берется большее ближайшее – 19,1 А. В двух левых столбцах сразу определяется минимально возможная проволока – ее диаметр и площадь поперечного сечение.
Более толстую проволоку использовать можно (иногда это становится и обязательным – о таких случаях будет рассказано ниже). Но меньше – никак нельзя, так как нагреватель просто перегорит в рекордно короткий срок.
Шаг 3 – определение необходимой длины проволоки для навивки спирального нагревателя
Известны мощность, напряжение, сила тока. Намечен диаметр проволоки. То есть имеется возможность, используя формулы электрического сопротивления, определить длину проводника, который будет создавать необходимый резистивный нагрев.
L = (U / I) × S / ρ
ρ — удельное сопротивление нихромового проводника, Ом×мм²/м;
L — длина проводника, м;
S — площадь поперечного сечения проводника, мм².
Как видно, потребуется еще одна табличная величина – удельное сопротивление материала на единицу площади поперечного сечения и длины проводника. Необходимые для расчета данные – показаны в таблице:
| Марка нихромового сплава, из которого изготовлена проволока | Диаметр проволоки, мм | Величина удельного сопротивления, Ом×мм²/м |
|---|---|---|
| Х23Ю5Т | независимо от диаметра | 1.39 |
| Х20Н80-Н | 0,1÷0,5 включительно | 1.08 |
| 0,51÷3,0 включительно | 1.11 | |
| более 3 | 1.13 | |
|
Х15Н60 или Х15Н60-Н |
0,1÷3,0 включительно | 1.11 |
| более 3 | 1.12 |
Еще проще покажется расчет, если использовать наш калькулятор:
Калькулятор расчета длины проволоки для спирали
Довольно часто нихромовую ил фехралевую проволоку реализуют не на метры, а на вес. Значит, потребуется перевести длину в ее эквивалент по массе. Выполнить такой перевод поможет предлагаемая таблица:
| Диаметр проволоки, мм | Вес погонного метра, г | Длина 1 кг, м | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Х20Н80 | Х15Н60 | ХН70Ю | Х20Н80 | Х15Н60 | ХН70Ю | |
| 0.6 | 2.374 | 2.317 | 2.233 | 421.26 | 431.53 | 447.92 |
| 0.7 | 3.231 | 3.154 | 3.039 | 309.5 | 317.04 | 329.08 |
| 0.8 | 4.22 | 4.12 | 3.969 | 236.96 | 242.74 | 251.96 |
| 0.9 | 5.341 | 5.214 | 5.023 | 187.23 | 191.79 | 199.08 |
| 1 | 6.594 | 6.437 | 6.202 | 151.65 | 155.35 | 161.25 |
| 1.2 | 9.495 | 9.269 | 8.93 | 105.31 | 107.88 | 111.98 |
| 1.3 | 11.144 | 10.879 | 10.481 | 89.74 | 91.92 | 95.41 |
| 1.4 | 12.924 | 12.617 | 12.155 | 77.37 | 79.26 | 82.27 |
| 1.5 | 14.837 | 14.483 | 13.953 | 67.4 | 69.05 | 71.67 |
| 1.6 | 16.881 | 16.479 | 15.876 | 59.24 | 60.68 | 62.99 |
| 1.8 | 21.365 | 20.856 | 20.093 | 46.81 | 47.95 | 49.77 |
| 2 | 26.376 | 25.748 | 24.806 | 37.91 | 38.84 | 40.31 |
| 2.2 | 31.915 | 31.155 | 30.015 | 31.33 | 32.1 | 33.32 |
| 2.5 | 41.213 | 40.231 | 38.759 | 24.26 | 24.86 | 25.8 |
| 2.8 | 51.697 | 50.466 | 48.62 | 19.34 | 19.82 | 20.57 |
| 3 | 59.346 | 57.933 | 55.814 | 16.85 | 17.26 | 17.92 |
| 3.2 | 67.523 | 65.915 | 63.503 | 14.81 | 15.17 | 15.75 |
| 3.5 | 80.777 | 78.853 | 75.968 | 12.38 | 12.68 | 13.16 |
| 3.6 | 85.458 | 83.424 | 80.371 | 11.7 | 11.99 | 12.44 |
| 4 | 105.504 | 102.992 | 99.224 | 9.48 | 9.71 | 10.08 |
| 4.5 | 133.529 | 130.349 | 125.58 | 7.49 | 7.67 | 7.96 |
| 5 | 164.85 | 160.925 | 155.038 | 6.07 | 6.21 | 6.45 |
| 5.5 | 199.469 | 194.719 | 187.595 | 5.01 | 5.14 | 5.33 |
| 5.6 | 206.788 | 201.684 | 194.479 | 4.84 | 4.95 | 5.14 |
| 6 | 237.384 | 231.732 | 223.254 | 4.21 | 4.32 | 4.48 |
| 6.3 | 261.716 | 255.485 | 246.138 | 3.82 | 3.91 | 4.06 |
| 6.5 | 278.597 | 271.963 | 262.013 | 3.59 | 3.68 | 3.82 |
| 7 | 323.106 | 315.413 | 303.874 | 3.09 | 3.17 | 3.29 |
| 8 | 422.016 | 411.968 | 396.896 | 2.37 | 2.43 | 2.52 |
| 9 | 534.114 | 521.397 | 502.322 | 1.87 | 1.92 | 1.99 |
| 10 | 659.4 | 643.7 | 620.15 | 1.52 | 1.55 | 1.61 |
Шаг 4 – Проверка соответствия удельной поверхностной мощности рассчитанного нагревателя допустимому значению
Нагреватель или не справится со своей задачей, или будет работать на грани возможностей и оттого быстро перегорит, если его поверхностная удельная мощность будет выше допустимого значения.
Поверхностная удельная мощность – это количество тепловой энергии, которое необходимо получить с единицы площади поверхности нагревателя.
Прежде всего – определяем допустимое значение этого параметра. Оно выражается следующей зависимостью:
βдоп = βэф × α
βдоп – допустимая удельная поверхностная мощность нагревателя, Вт/см²
βэф – эффективная удельная поверхностная мощность, зависящая от температурного режима работы муфельной печи.
α – коэффициент эффективности теплового излучения нагревателя.
βэф берем из таблицы. Данными для входа в нее являются:
Левый столбец – ожидаемая температура воспринимающей среды. Проще говоря – до какого уровня требуется разогреть помещенные в печь материалы или заготовки. Каждому уровню соответствует своя строка.
Все остальные столбцы – температура разогрева нагревательного элемента.
Пересечение строки и столбца даст искомое значение βэф.
| Требуемая температура тепловоспринимающего материала, °С | Поверхностная мощность βэф (Вт/cм ²) при температуре разогрева нагревательного элемента, °С | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 800 | 850 | 900 | 950 | 1000 | 1050 | 1100 | 1150 | 1200 | 1250 | 1300 | 1350 | |
| 100 | 6.1 | 7.3 | 8.7 | 10.3 | 12.5 | 14.15 | 16.4 | 19 | 21.8 | 24.9 | 28.4 | 36.3 |
| 200 | 5.9 | 7.15 | 8.55 | 10.15 | 12 | 14 | 16.25 | 18.85 | 21.65 | 24.75 | 28.2 | 36.1 |
| 300 | 5.65 | 6.85 | 8.3 | 9.9 | 11.7 | 13.75 | 16 | 18.6 | 21.35 | 24.5 | 27.9 | 35.8 |
| 400 | 5.2 | 6.45 | 7.85 | 9.45 | 11.25 | 13.3 | 15.55 | 18.1 | 20.9 | 24 | 27.45 | 35.4 |
| 500 | 4.5 | 5.7 | 7.15 | 8.8 | 10.55 | 12.6 | 14.85 | 17.4 | 20.2 | 23.3 | 26.8 | 34.6 |
| 600 | 3.5 | 4.7 | 6.1 | 7.7 | 9.5 | 11.5 | 13.8 | 16.4 | 19.3 | 22.3 | 25.7 | 33.7 |
| 700 | 2 | 3.2 | 4.6 | 6.25 | 8.05 | 10 | 12.4 | 14.9 | 17.7 | 20.8 | 24.3 | 32.2 |
| 800 | — | 1.25 | 2.65 | 4.2 | 6.05 | 8.1 | 10.4 | 12.9 | 15.7 | 18.8 | 22.3 | 30.2 |
| 850 | — | — | 1.4 | 3 | 4.8 | 6.85 | 9.1 | 11.7 | 14.5 | 17.6 | 21 | 29 |
| 900 | — | — | — | 1.55 | 3.4 | 5.45 | 7.75 | 10.3 | 13 | 16.2 | 19.6 | 27.6 |
| 950 | — | — | — | — | 1.8 | 3.85 | 6.15 | 8.65 | 11.5 | 14.5 | 18.1 | 26 |
| 1000 | — | — | — | — | — | 2.05 | 4.3 | 6.85 | 9.7 | 12.75 | 16.25 | 24.2 |
| 1050 | — | — | — | — | — | — | 2.3 | 4.8 | 7.65 | 10.75 | 14.25 | 22.2 |
| 1100 | — | — | — | — | — | — | — | 2.55 | 5.35 | 8.5 | 12 | 19.8 |
| 1150 | — | — | — | — | — | — | — | — | 2.85 | 5.95 | 9.4 | 17.55 |
| 1200 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | 3.15 | 6.55 | 14.55 |
| 1300 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | 7.95 |
Теперь – поправочный коэффициент α. Его значение для спиральных нагревателей показано в следующей таблице.
| Иллюстрация | Вариант расположения спирального нагревательного элемента | Значение коэффициента α |
|---|---|---|
| Нагревательная спираль спрятана в ниши футеровки муфельной печи. | 0,16 ÷ 0,24 | |
| Нагревательная спираль заключена в кварцевые трубки и расположена на полочках по стенкам камеры | 0,30 ÷ 0,36 |
Простое перемножение этих двух параметров как раз и даст допустимую удельную поверхностную мощность нагревателя.
Примечание: Практика показывает, что для муфельных печей с высокотемпературным нагревом (от 700 градусов), оптимальным значением βдоп будет 1,6 Вт/см² для нихромовых проводников, и примерно 2,0÷2,2 Вт/см² для фехралевых. Если печь работает в режиме нагрева до 400 градусов, то таких жестких рамок нет – можно ориентироваться на показатели от 4 до 6 Вт/см².
Итак, с допустимым значением поверхностной удельной мощности определись. Значит, необходимо найти удельную мощность рассчитанного ранее нагревателя и сравнить с допустимой.
Быстро рассчитать этот параметр поможет калькулятор:
Калькулятор расчета удельной поверхностной мощности нагревателя
Перейти к расчётам
Если полученное значение не превышает допустимого – расчет может считаться законченным.
В том случае, когда найденное значение превосходит допустимый уровень поверхностной удельной мощности, придется проведенные расчеты несколько откорректировать. Сделать это можно, вернувшись к шагам №2—3, и повторив вычисления с увеличением диаметра проволоки на одну или несколько стандартных позиций – одновременно с этим возрастет и ее длина. Затем – снова сверить показатели. И так – пока не будет найден оптимальный вариант и с точки зрения максимальной экономичности, и с позиций обеспечения соответствия указанному параметру.
С набором наших калькуляторов провести повторный расчет – это дело буквально нескольких минут. И вот на этом расчет может считаться законченным. Можно приобретать проволоку выбранного сплава, с рассчитанными диаметром и длиной.
Как собрать муфельную печь своими руками
В этой публикации акцент был сделан именно на расчетах нагревательного элемента. А более подробно именно о процессе самостоятельного изготовления муфельной печи – читайте в специальной статье нашего портала.
