Как изменится теплоотдача электроплитки если укоротить ее спираль

Как изменится теплоотдача электроплитки, если укоротить её спираль? Поподробнее, пожалуйста.

Мощность, выделяемая плиткой рассчитывается по формуле (U^2)/R.
R — сопротивление, пропорционально длине спирали.
U — напряжение в сети (постоянная величина) .
Уменьшая длину снижаем сопротивление и увеличиваем мощность.

Похожие вопросы

Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

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/ρ_ld, где ρ_ld – 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.

�� Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках

Пожаловаться

Все новости и публикации пользователя Борисова Наталья в персональной ленте вашего личного кабинета на Elec.ru

Подписаться
Читайте также
3 марта 2020 г. 12:59
Способы ремонта нихромовой спирали: сварка, спайка. Расчёт сопротивления
11 октября 2018 г. 14:36
Металл металлу рознь: преимущества медных теплообменников
9 июня 2014 г. 15:09
Металлорукав и арматура для металлического рукава. Сферы применения.
1 ноября 2017 г. 9:10
Сфера применения проволочных лотков из коррозионностойкой стали (нержавеющая сталь)
28 марта 2024 г. 12:29
Восстановление или соединение спирали сопротивления из нихрома: сваркой, пайкой, скруткой
6 мая 2020 г. 14:31
«Чистый металл», или Электролитическое рафинирование меди
Новости по теме
Калькулятор подбора аксессуаров для металлорукава Промрукав
19 января 2024 г. 14:01
Новинка — наконечники НШП TEXENERGO
23 мая 2023 г. 17:27
Наконечники кольцевые изолированные с нейлоновой манжетой НКИ-Н – новинка в ассортименте бренда HLT
7 сентября 2021 г. 11:14
Встречайте весну с новыми наконечниками бренда HLT
16 апреля 2021 г. 16:00
Новинка от бренда HLT Electric: наконечник кольцевой изолированный в термоусаживаемой манжете НКИ-Т
13 октября 2020 г. 12:31
На «Спецкабеле» запущено новое производственное оборудование
4 марта 2020 г. 9:14
Объявления по теме

УСЛУГИ: Спираль нихромовая для тепловых пушек из проволоки Х20Н80

Электрические нихромовые спирали из марок нихрома Х20Н80, Х15Н60. Нихромовая проволока высокого качества (нихром не китайский). Нихромовые спирали изготавливаем согласно ТУ заказчика. Компания ПАРТАЛ Предлагает свои услуги по навивке нихромовых спиралей с доставкой по России. Выбираем электрические тепловые пушки Для получения достойного отопления в частном доме, гараже, пристройке или на строительной площадке, лучшим решением окажется использование электрической тепловой пушки, изготавливаемой в однофазном или трехфазном виде. Для быта лучше использовать первые версии, мощность которых редко превышает 3 кВт. Этого считается более чем достаточно, поскольку данное оборудование при мощности в 1 кВт способно прогреть не менее 12 м² окружающего пространства. Если система ЦОС в квартире работает с недостаточной интенсивностью, то 1 кВт вполне хватит на прогрев не менее 36 м²! Данные версии пушек могут иметь различные обогревательные элементы. Чаще всего в бюджетных моделях используются обогревательные элементы в виде нихромовой проволоки Марок Х20Н80, Х15Н60, способной нагреваться до рабочей температуры 1100 °C. Но проволока раскаляется, испаряется и довольно быстро выходит из строя. Лучшими можно считать пушки с предустановленными ТЭНами, имеющими меньшую рабочую температуру нагрева (не более 200 °C), но ценными в плане долговечности. В летнее время, как это ни странно звучит, данные пушки также окажутся востребованными в качестве простых и надежных вентиляторов — нужно только отключить обогревательный элемент! Для производственных или строительных площадок лучше использовать пушки трехфазного исполнения. В советские времена для этих целей использовались мощные калориферы, имеющие свойство потреблять много энергии, поскольку они изготавливались в одноступенчатой конфигурации. В наше время электричество стоит дороже и лучше приобретать похожие версии пушек, но изготовленные в двухступенчатом виде. Как только температура в помещении повысится.

Борисова Наталья · МЕТПАРТСПЛАВ · Сегодня · Россия · Самарская обл

ПРОДАМ: Спираль нихромовая. Как рассчитать нихромовую спираль. Спираль нихромовая расчет длины Нихромовой проволоки

Нагревательные спирали из нихрома марка Х20Н80 или Х15Н60. Нихром только российского производства, высокого качества. Нихромовые спирали производятся по техническим требованиям заказчика. Качественно в короткие сроки. Предлагаем заказывать нихромовые спирали в компании ПАРТАЛ. Доставка в любую точу РФ. Нихромовая спираль Каждый знает, что такое нихромовая спираль. Это нагревательный элемент в виде проволоки, свернутой винтом для компактного размещения. Эта 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.

Куршин Андрей · ПАРТАЛ · Сегодня · Россия · Самарская обл

ПРОДАМ: Нихромовая проволока, нить, лента х20н80, х15н60

Проволока, лента, нить прецизионных сплавов с высоким электрическим сопротивлением, нихром — Х20Н80, Х20Н80-ВИ, Х20Н80-Н, Х15Н60, Х16Н60-Н, Н80ХЮД, фехраль Х23Ю5Т, применяется в качестве нагревательных и резисторных элементов, а также в качестве жаропрочного сплава и химически стойкого сплава в определенных агрессивных средах. Предлагаем купить нихром от 1кг в фирме ООО «ПАРТАЛ». Доставка в любую точу РФ.

Борисова Наталья · МЕТПАРТСПЛАВ · Сегодня · Россия · Самарская обл

ПРОДАМ: Медно-никелевые сплавы Монель Константан. Термоэлектродные сплавы: Алюмель, Хромель, Копель.

Проволока из сплавов хромель, алюмель, копель и константан для термоэлектродов, термоэлектрических преобразователей. ГОСТ 1790-77. Проволока из никелевого и медно-никелевых сплавов применяют для изготовления удлиняющих проводов к термоэлектрическим преобразователям. ГОСТ 1791-67. Предлагаем купить от 1кг в фирме ООО «ПАРТАЛ». Доставка в любую точу РФ.

Куршин Андрей · ПАРТАЛ · Сегодня · Россия · Самарская обл

ПРОДАМ: «Quadro» – клеммные колодки

Электроустановочные изделия, предназначенные для соединения проводов. Изделие представляет собой диэлектрический корпус, в котором закреплено несколько металлических контактов с узлами крепления к ним проводов. Контактная часть клеммных колодок изготовлена из латуни и покрыта слоем никеля. Это позволяет получить надежный контакт с высокими токопроводящими свойствами, остающимися неизменными в течение всего срока эксплуатации.

Бирева Татьяна · ДКС · Вчера · Россия · Тверская обл

• ВКонтакте
• Однокласники
• Facebook
• Twitter
• Telegram
• Pinterest

Как изменится теплоотдача электроплитки при укорочении спирали

Электроплитки являются одним из наиболее распространенных и удобных средств для приготовления пищи в домашних условиях. Однако со временем спираль, которая генерирует тепло на плитке, может стать изношенной или подвержена дефектам. В таких случаях полезным решением может быть укорочение спирали, что позволяет восстановить нормальную работу плитки и улучшить ее теплоотдачу. В данной статье мы рассмотрим несколько полезных советов по изменению теплоотдачи электроплитки при укорочении спирали.

Первый совет: перед началом работы по укорочению спирали необходимо выключить электроплитку и отключить ее от электросети. Это позволит избежать возможных аварийных ситуаций и увеличит безопасность выполнения работ.

Второй совет: для укорочения спирали электроплитки рекомендуется использовать специальные инструменты, предназначенные для работы с электротехникой. Неверное использование инструментов может привести к повреждению спирали или других деталей плитки. Если у вас нет необходимых инструментов, рекомендуется обратиться к специалистам.

Третий совет: при укорочении спирали необходимо быть предельно осторожным и аккуратным. Даже небольшая ошибка может привести к поломке плитки или возникновению других негативных последствий. Если у вас нет опыта работы с электротехникой, лучше обратиться к профессионалам, чтобы избежать проблем и снизить риск возникновения аварийных ситуаций.

В заключение, укорочение спирали электроплитки – это важная процедура, которая позволяет улучшить теплоотдачу плитки и восстановить ее работоспособность. Однако для выполнения этой процедуры необходимо быть предельно осторожным и аккуратным. Если у вас нет опыта работы с электротехникой, лучше обратиться к профессионалам, чтобы избежать негативных последствий и обеспечить безопасность в процессе работы.

Первый шаг при укорочении спирали

Перед тем как приступить к укорочению спирали электроплитки, необходимо выполнить несколько предварительных шагов. Эти шаги помогут вам безопасно и эффективно изменить теплоотдачу плитки.

Первым шагом является отключение электропитания плитки. Убедитесь, что она полностью выключена и отсоединена от розетки. Это важно для вашей безопасности и предотвращения возможности получения электрического удара.

После отключения питания, следующим шагом будет снятие верхней крышки плитки. Обычно она крепится с помощью нескольких винтов или зажимов. Осторожно откройте крышку, следя за не повреждением проводов и электронных компонентов.

При открытии плитки вы увидите основную часть – нагревательную спираль. Она обычно представляет собой прямую металлическую проволоку, обмотанную на специальную подложку. Для укорочения спирали вам понадобится специальный инструмент для снятия проволоки с подложки.

Перед тем как использовать инструмент, необходимо убедиться в том, что спираль остыла после выключения питания и что она не подключена к электрической сети. Это снизит риск получения термических и электрических ожогов.

Во время работы с инструментом будьте осторожны и не допускайте повреждения самой спирали или проводов. Если вы не уверены в своих навыках, лучше обратиться за помощью к специалисту или квалифицированному электрику.

Второй шаг: укоротите спираль правильно

Когда вы поняли, что нужно укоротить спираль, наступает время перейти к ее изменению. Ошибочное сокращение спирали может привести к непредсказуемым последствиям, поэтому важно следовать определенным шагам.

Вот несколько полезных советов, которые помогут вам правильно укоротить спираль:

1. Выключите электроплитку. Перед началом работы убедитесь, что плитка выключена из розетки и остыла. Таким образом, вы избежите возможных травм и повреждений.
2. Отсоедините спираль от плитки. Некоторые модели электроплиток имеют отсоединяемую спираль. Если это возможно, снимите спираль и переведите ее на рабочую поверхность для удобства работы.
3. Измерьте необходимую длину. При помощи измерительной ленты или линейки определите требуемую длину спирали. Обратите внимание, что укорочение должно быть равномерным по всей длине спирали.
4. Отметьте точку укорочения. На спирали отметьте точку, в которой будет производиться укорочение. Для этого можно использовать маркер или клейкую ленту.
5. Используйте специальные инструменты. Для укорачивания спирали рекомендуется использовать специальные инструменты, такие как кусачки, пассатижи или ножницы для металла. Они позволят вам точно отрезать спираль без повреждения проводов.
6. Отделите излишки спирали. Отрежьте необходимую часть спирали, следуя отметке, которую вы сделали на предыдущем шаге. Убедитесь, что обрезанная часть спирали не будет мешать установке на плитку.
7. Установите спираль обратно. После укорачивания спирали верните ее на место. Отсоединенную спираль установите точно так же, как она была при монтаже.
8. Проверьте работу электроплитки. Включите плитку в розетку и убедитесь, что спираль функционирует должным образом. Если есть какие-либо проблемы, обратитесь к специалисту или производителю электроплитки.

Следуя этим простым шагам, вы сможете безопасно и эффективно укоротить спираль на своей электроплитке.

Третий шаг: проверьте равномерность нагрева

После того, как вы укоротили спираль электроплитки, важно убедиться в равномерном нагреве поверхности. Для этого следуйте следующим рекомендациям:

1. Включите электроплитку и установите желаемую температуру нагрева.
2. Подождите несколько минут, чтобы плитка достаточно прогрелась и равномерно распределила тепло по поверхности.
3. Ощутите поверхность плитки для определения равномерности нагрева. Руки должны ощущать одинаковую температуру на всей поверхности плитки.
4. Используйте термометр для точного измерения температуры различных участков плитки. Разница не должна быть более 5 градусов Цельсия.
5. При необходимости, повторите процесс регулировки или укорачивания спирали, чтобы достичь равномерного нагрева.

Помните, что равномерное распределение тепла по поверхности плитки обеспечивает эффективность и качество приготавливаемых блюд, поэтому следите за равномерностью нагрева и вносите корректировки при необходимости.

Четвёртый шаг: регулируйте температуру

После укорочения спирали электроплитки будет необходимо провести регулировку температуры, чтобы достичь нужного уровня нагрева. Важно обратить внимание на то, что при увеличении температуры теплоотдача также будет увеличиваться.

Для этого можно воспользоваться встроенным терморегулятором на плитке или установить дополнительный регулятор температуры. Подключение регулятора может потребовать определенных знаний и навыков, поэтому рекомендуется проконсультироваться с профессионалами.

Помимо этого, существуют устройства для регулировки температуры, которые можно установить непосредственно на спираль электроплитки. Они позволяют точно контролировать и поддерживать нужную температуру.

Правильно отрегулированная температура позволит достичь оптимальных условий для приготовления пищи и избежать перегрева или недогрева продуктов.

Важно помнить, что при проведении работ по регулировке температуры плитки необходимо соблюдать меры безопасности и отключить питание электроплитки.

Пятый шаг: следите за энергопотреблением

После укорочения спирали электроплитки, важно следить за энергопотреблением устройства. Ведь изменение размера спирали может повлиять на эффективность работы и, соответственно, на расход электроэнергии.

Чтобы контролировать и уменьшить энергопотребление электроплитки, рекомендуется:

1. Использовать электроплитку только для приготовления пищи. Избегайте использования ее для подогрева или размораживания готовых блюд, так как это может быть ненужным расходом энергии.
2. Регулярно проверять состояние и работу спирали. Если заметна потеря эффективности, необходимо заменить спираль или обратиться к специалисту для диагностики и ремонта электроплитки.
3. Поддерживать чистоту и порядок на плитке. Пыль, грязь и жир могут создавать излишнее сопротивление и ухудшать теплоотдачу. Регулярно чистите поверхность электроплитки, используя мягкую тряпку или губку с мягким моющим средством.
4. Приготовление пищи на электроплитке лучше планировать заранее, чтобы избегать лишнего времени прогрева и ожидания. Это поможет сэкономить энергию и время.

Следуя этим рекомендациям, вы сможете максимально сэкономить энергию и эффективно использовать свою электроплитку даже после укорочения спирали.

Шестой шаг: правила безопасности при изменении спирали

При изменении спирали электроплитки необходимо соблюдать определенные правила безопасности, чтобы предотвратить возможные травмы или повреждения. Вот несколько рекомендаций:

1. Перед началом работы обязательно выключите электроплитку и отсоедините ее от электросети. Это позволит избежать удара током и других опасностей.
2. Используйте подходящие инструменты, такие как отвертка, щипцы или специальные инструменты для снятия спирали. Не используйте силу или острые предметы для удаления старой спирали.
3. Будьте осторожны при работе с горячими элементами. Дайте электроплитке полностью остыть перед тем, как начать менять спираль.
4. Не забудьте поставить глаза и руки в защитные перчатки и очки. Они помогут предотвратить возможные травмы и защитить вас от осколков или других опасных частей.
5. Если у вас возникают сомнения или проблемы при изменении спирали, лучше обратиться к профессионалам или сервисному центру. Не пытайтесь решать проблемы самостоятельно, если вы не уверены в своих навыках.
6. После замены спирали тщательно проверьте ее работу, включите электроплитку и убедитесь, что она функционирует безопасно и эффективно.
7. Следуйте инструкциям производителя электроплитки и спирали при замене. Несоблюдение указаний может привести к неисправности или повреждению электроплитки.

Соблюдение этих правил безопасности поможет вам изменить спираль на электроплитке безопасно и без проблем. Однако, если вы не уверены в своих навыках или сталкиваетесь с какими-либо проблемами, всегда лучше обратиться к профессионалам или сервисному центру для помощи.

Вопрос-ответ

Какое влияние оказывает укорочение спирали на теплоотдачу электроплитки?

Укорочение спирали может значительно снизить теплоотдачу электроплитки. Это связано с тем, что при укорочении спирали меняется площадь поверхности, через которую передается тепло. В результате, плитка может нагреваться неравномерно и меньше обогревать посуду.

Как правильно укоротить спираль на электроплитке?

Для укорочения спирали на электроплитке необходимо отключить прибор от сети, демонтировать плитку и найти спираль. Затем с помощью специальных инструментов (например, кусачек) аккуратно укоротить спираль до желаемой длины. Важно не повредить спираль и обязательно проверить ее работоспособность перед сборкой плитки.

Какие преимущества и недостатки имеет укорочение спирали на электроплитке?

Преимуществом укорочения спирали на электроплитке является возможность лучше контролировать нагрев и экономить электроэнергию, так как уменьшенная спираль быстрее нагревается. Однако это может привести к проблемам с равномерностью нагрева и повышенному риску перегрева. Также, укорочение спирали требует определенных навыков и внимательности при выполнении.

Как измерить теплоотдачу электроплитки?

Для измерения теплоотдачи электроплитки можно использовать термометр или термокамеру. Необходимо разместить датчик температуры на поверхности плитки и включить ее на максимальную мощность. Затем следует измерять температуру в разных точках плитки в течение определенного времени и записывать результаты. Таким образом можно получить представление о равномерности теплоотдачи и ее изменения при укорочении спирали.

Можно ли самостоятельно укоротить спираль на электроплитке без специальных инструментов?

В принципе, можно попытаться укоротить спираль на электроплитке без специальных инструментов, однако это может быть опасно и рискованно. Такая попытка может привести к повреждению спирали и даже к короткому замыканию при следующем включении плитки. Поэтому рекомендуется обратиться к специалисту или использовать специальные инструменты для выполнения данной операции.

Нагревательные элементы — что такое и зачем нужны?!

Огонь был одним из первых и величайших открытий человечества около миллиона или двух миллионов лет назад. В наш современный век реактивных двигателей, космических ракет, небоскребов из стали и синтетического пластика дым и пламя могут показаться доисторическими. Но все четыре изобретения — и десятки других — в той или иной степени основаны на огне.
Иногда требуется много времени, чтобы разжечь огонь: угольные локомотивы, например, нужно запускать за несколько часов до буксировки поездов. Иногда пожар возникает, когда вы меньше всего этого ожидаете, угрожая вашей жизни, имуществу и всему, что вам дорого. Разве не было бы здорово, если бы огонь можно было контролировать так же легко, как электричество, чтобы его можно было включать и выключать в любое время? Это основная идея нагревательных элементов. Они являются «огнем» в таких вещах, как электрические плиты, душевые кабины, тостеры, кухонные плиты, фены, сушилки, паяльники и любые другие устройства, которые только можно вообразить. Нагревательные элементы дают нам силу огня с удобством электричества. Давайте подробнее рассмотрим, что они из себя представляют и как они работают!

На фото: электрическая плита с открытым змеевиком. После нагрева спираль начинает светиться красным.

Производство тепла из электроэнергии

В школе мы узнаем, что одни материалы хороши для электричества, а другие плохи. Хорошие векторы тока называются проводниками, а плохие векторы тока называются изоляторами. Проводники и изоляторы часто лучше всего описываются тем, какое сопротивление они оказывают, когда через них протекает электрический ток. Таким образом, проводники имеют низкое сопротивление (ток легко проходит через них), в то время как изоляторы имеют гораздо более высокое сопротивление (пропустить ток сложно). В электрической или электронной цепи мы можем использовать устройства, называемые резисторами, для управления потоком тока; Используйте циферблат, чтобы увеличить сопротивление и уменьшить ток. Например, в схеме динамика это один из способов уменьшить громкость.

На фото: крупный план вольфрамовой нити, скрученной в лампу накаливания, которая излучает свет, выделяя много тепла. Количество света, излучаемого нитью, напрямую связано с ее длиной: чем длиннее нить, тем больше света она излучает. Вот почему он скрученный: катушка вмещает больше длины (и света) в то же пространство.

Резисторы преобразуют электрическую энергию в тепло; другими словами, они нагреваются, когда через них протекает ток. Но это делает не только сопротивление. Даже тонкий кусок провода нагреется, если через него пропустить достаточный ток. Это идея ламп накаливания (старомодные лампы в форме лампочек). Внутри стеклянной колбы находится очень тонкая катушка проволоки, называемая нитью. Когда через него протекает достаточный ток, он становится очень ярким, так что он действительно излучает свет и излучает тепло. Около 95 процентов энергии, поглощаемой такой лампой, преобразуется в тепло и расходуется целиком (гораздо эффективнее при использовании энергосберегающей люминесцентной лампы, так как большая часть потребляемой лампой электроэнергии преобразуется в свет без потерь тепла) .
Забудьте сейчас о свете — что, если мы действительно заботимся о тепле? Внезапно мы обнаруживаем, что наша расточительная лампочка на самом деле очень эффективна, потому что она преобразует 95 процентов энергии, которую мы в нее вкладываем, в тепло. вымысел! Только вот проблема. Если вы когда-либо приближались к лампочке, вы знаете, что если вы дотронетесь до нее, она станет достаточно горячей, чтобы обжечь вас (не пытайтесь). Но если вы подниметесь хотя бы на метр или около того, тепло от 100-ваттной лампочки будет слишком слабым, чтобы до вас добраться. Что, если бы мы захотели сделать электрическую плиту так же, как электрическую лампу? Нам нужно что-то вроде увеличенной нити накала лампы, возможно, в 20-30 раз сильнее, чтобы мы действительно могли чувствовать тепло. Нам нужен довольно прочный материал (тот, который не расплавится и долго не прослужит при многократном нагревании и охлаждении), и нам нужно, чтобы он выделял много тепла при разумной температуре. Здесь речь идет о сущности нагревательного элемента: прочного электрического компонента, предназначенного для рассеивания тепла при прохождении через него большого электрического тока.

Что такое нагревательный элемент?

На фото: нагревательный элемент, спрятанный в стеклокерамической варочной панели. Это непрерывный элемент, который начинается в синей точке и изгибается в лабиринте, пока не достигнет красной точки. Не имеет смысла, что этот элемент имеет другую форму или размер: он должен концентрировать тепло прямо под кастрюлей — и это самый эффективный способ его получить.

Нагревательный элемент к которому мы привыкли, обычно представляет собой катушку, ленту (прямую или волнистую) или полоску проволоки, которая излучает тепло подобно нити накала лампы. Когда через него проходит электрический ток, он раскаляется докрасна и преобразует электрическую энергию, проходящую через него, в тепло, которое излучается во всех направлениях.
Нагревательные элементы обычно изготавливаются на основе никеля или железа. Сплавы на основе никеля обычно представляют собой нихром, сплав, состоящий примерно из 80 процентов никеля и 20 процентов хрома (доступны другие составы нихрома, но предпочтительнее смесь 80-20). Нихром является наиболее популярным материалом для нагревательных элементов по нескольким причинам:

• имеет высокую температуру плавления (около 1400 °С),
• не окисляется (даже при высоких температурах),
• не слишком расширяется при нагревании,
• имеет удовлетворительную (не слишком низкую, не слишком высокую и достаточно постоянную) стойкость (увеличивается только примерно на 10 процентов между температурой окружающей среды и максимальной рабочей температурой).

Сплав на основе железа называется фехраль. Это железо-хром-алюминиевый сплав с небольшим содержанием никеля (около 0,6%). Он также часто используется в нагревательных элементах, поскольку имеет ряд преимуществ перед нихромом:

• Низкая стоимость (во много раз ниже, чем у нихрома)
• Высокая температура плавления (около 1500°С)
• Высокая термостойкость

Однако есть у фехраля и недостатки:

• Низкая прочность, повышенная хрупкость
• Подверженность окислению
• Сокращенный срок службы ТЭНов из этого материала

Типы ТЭНов

Существует несколько типов нагревательных элементов. Иногда в качестве таковых применяют нихромовые или фехралевые катушки; В других случаях змеевики утоплены в керамический материал, чтобы сделать его более стойким и долговечным (керамика отлично выдерживает высокие температуры и не боится сильного нагрева и охлаждения), или изолированы миканитом и заключены в металлический корпус (кольцевые и плоские нагреватели для экструдера).
Размер и форма нагревательного элемента во многом определяются размером прибора, в котором он должен быть размещен, и площадью, над которой он должен генерировать тепло. У бигуди короткие спирали, потому что они должны генерировать тепло через тонкую трубку, вокруг которой можно обернуть волосы. Электрические радиаторы имеют длинные стержни, потому что им приходится рассеивать тепло по большой площади помещения. Электрические плиты имеют спиральные нагревательные элементы, достаточно большие для нагрева кастрюль и сковородок (часто элементы плиты покрывают металлическими, стеклянными или керамическими пластинами для облегчения очистки). Масляные нагреватели для больших емкостей или резервуаров представляют собой огромные металлические трубы с керамическими нагревательными элементами, поскольку они должны генерировать мягкий нагрев на большой площади контакта с горючими жидкостями.

На фото: два типа нагревательных элементов. 1) Световые полоски из нихрома в инфракрасном кварцевом обогревателе для сушки. 2) Хорошо видна спираль электрический ТЭН на дне чайника. Он никогда не становится таким горячим, как нагревательные кабели, потому что обычно он не нагревается достаточно. Однако, если вы достаточно глупы, чтобы включить чайник без воды (как я однажды случайно сделал), вы обнаружите, что элемент чайника вполне может стать красным. Этот опасный и катастрофический эпизод навсегда повредил мой чайник и мог поджечь мою кухню.
На некоторых приборах хорошо видны нагревательные элементы: на электрическом тостере легко заметить нихромовые полосы, встроенные в стенки тостера, потому что они горячие. Электрические радиаторы производят тепло с помощью ярко-красных лент (по сути, это спиральные проволочные нагревательные элементы, которые выделяют тепло за счет излучения), в то время как электрические конвекторы обычно имеют концентрические круглые нагревательные элементы, расположенные перед электрическими вентиляторами (поэтому они быстрее). конвекцией).
Некоторые устройства имеют видимые элементы, которые работают при более низких температурах и не светятся; Хорошим примером являются электрические чайники, которые нельзя использовать при температуре выше кипения воды (100°C). В других устройствах нагревательные элементы обычно полностью закрыты из соображений безопасности. Электрический душ и щипцы для завивки имеют скрытые части, поэтому (надеюсь) нет риска поражения электрическим током.

Конструкция нагревательных элементов

Все это делает нагревательные элементы очень простыми и понятными, но на самом деле есть много разных факторов, которые инженеры-электрики должны учитывать при проектировании. В своей превосходной книге на эту тему Тор Хегбом перечисляет от 20 до 30 различных факторов, влияющих на работу типичного нагревательного элемента, включая очевидные элементы, такие как напряжение и сила тока, длина и диаметр элемента, тип материала и рабочая температура. Есть также некоторые факторы, которые следует учитывать для каждого типа статьи. Например, в намотанном круглом проволочном элементе диаметр проволоки и форма витков (диаметр, длина, шаг, удлинение и т. д.) входят в число факторов, существенно влияющих на рабочие характеристики. С толщиной элемента ленты и шириной ленты. И это только часть истории, почему нагревательный элемент не работает изолированно: вы должны учитывать, как он вписывается в более крупное устройство и как он ведет себя во время использования (используется ли он по-разному или злоупотребляет). Например, как ваш элемент поддерживается изоляторами внутри устройства? Насколько большими и толстыми они должны быть, и влияет ли это на размер приспособления, которое вы делаете? Например, подумайте о различных типах нагревательных элементов, которые вам нужны в паяльнике, в форме ручки и в большом конвекторе. Если между опорными изоляторами есть «задрапированный» элемент, что произойдет с нагревательным элементом, если он перегреется? Не будет ли он провисать слишком низко и вызывать проблемы? Вам нужно больше изоляторов, чтобы избежать этого, или вам нужно изменить материал или элемент? Размер?
Что происходит при проектировании чего-то вроде электрического камина с несколькими близко расположенными нагревательными элементами, когда они используются по отдельности или в комбинации? Если вы проектируете нагревательный элемент, через который проходит воздух (например, конвектор или фен), то можно ли создать достаточный поток воздуха, чтобы предотвратить перегрев и значительно увеличить срок его службы? Все эти факторы должны быть сбалансированы, чтобы продукт был эффективным, экономичным, долговечным и безопасным.

Требует ли нагревательный элемент высокого или низкого сопротивления?

Можно подумать, что нагревательный элемент должен иметь действительно высокое сопротивление — ведь именно сопротивление позволяет материалу выделять тепло. Но на самом деле это не так. Тепло создает ток, протекающий через элемент, а не сопротивление, которому он подвергается. Гораздо важнее получить максимальный ток через нагревательный элемент, чем пропускать этот ток через большой резистор. Это может показаться запутанным и нелогичным, но достаточно легко понять, почему это верно (и должно быть) как интуитивно, так и математически.

Интуитивно …

Допустим, вы сделали сопротивление вашего нагревательного элемента как можно более высоким, причем бесконечно большим. Итак, закон Ома (напряжение = ток ∙ сопротивление или V = I ∙ R) говорит нам, что ток, протекающий через ваш элемент, должен быть бесконечно малым (когда I = V / R, I стремится к нулю, когда R v становится «бесконечным»). У них огромное сопротивление, нет тока и, следовательно, нет тепла. Что, если мы впадем в другую крайность и сделаем сопротивление бесконечно малым? Тогда у нас будет другая проблема. Хотя ток I может быть огромным, R практически равен нулю, поэтому ток протекает через элемент как скоростной поезд, даже не останавливаясь, и вообще не выделяет тепла.
Таким образом, в нагревательном элементе нам нужен баланс между двумя крайностями: достаточное сопротивление для выделения тепла, но не настолько сильное, чтобы это слишком сильно уменьшало ток. Нихром и фехраль — отличный выбор. Сопротивление нихромовой проволоки (примерно) в 100 раз больше, чем у медной проволоки того же диаметра (очень хороший проводник), но только на четверть меньше, чем у графитового стержня того же размера (достаточно хороший изолятор). и, возможно, лишь на миллионную часть триллиона меньше, чем у такого отличного изолятора, как стекло. Цифры говорят сами за себя: Нихром — средний проводник с умеренным сопротивлением и ни в коем случае не изолятор!

Математически…

Используя математику, мы можем прийти к точно такому же заключению. Мощность, генерируемая или рассеиваемая током, равна напряжению, умноженному на силу тока (ватты = вольты ∙ ампер или P = V ∙ I). Из закона Ома мы также знаем, что V = IR. Исключите V из этих уравнений, и мы обнаружим, что мощность, рассеиваемая в нашем элементе, равна I 2 R. Другими словами, теплота пропорциональна сопротивлению, но также пропорциональна квадрату силы тока. Следовательно, ток оказывает гораздо большее влияние на выделяемое тепло, чем сопротивление. Удвойте сопротивление и удвойте мощность (отлично!), но удвойте ток и увеличьте мощность в четыре раза (отлично!). Так что это зависит от текущих событий.
Несложно подсчитать, что сопротивление нити накала типичной лампы накаливания составляет несколько сотен Ом.

Нагреватели сопротивления?

Мы часто называем электрический нагрев — который делают нагревательные элементы — «джоулевым нагревом» или «резистивным нагревом», как будто сопротивление было единственным важным фактором. Но на самом деле, как я объяснял выше, существует множество взаимосвязанных факторов, которые необходимо учитывать при разработке нагревательного элемента, который эффективно работает в данном приборе. Сопротивление — это не всегда то, что вы контролируете и определяете — оно часто определяется для вас выбором материалов, размером нагревательного элемента и т. д.