Нихром широко используется в производстве нагревательных элементов благодаря уникальному сочетанию высокого удельного сопротивления, термостойкости и долговечности. Но для грамотного применения этого материала важно разобраться в том, как зависит его сопротивление от температуры, состава и размеров.
История открытия нихрома и его свойства
Впервые нихром был получен в 1905 году американскими инженерами Альбертом Маршем и Уильямом Хоскинсом на основе сплава никеля и хрома. Они искали материал, который сочетал бы в себе жаропрочность, высокое электрическое сопротивление и стойкость к окислению на воздухе. После многочисленных экспериментов с добавками других элементов удалось получить оптимальный состав, запатентованный под названием «нихром».
Нихром обладает уникальным сочетанием свойств:
- Высокотемпературная прочность до 1250°С
- Жаростойкость и химическая стойкость
- Высокое удельное электрическое сопротивление
- Низкий температурный коэффициент сопротивления
- Пластичность, возможность механической обработки
В отличие от чистых металлов, нихром сохраняет работоспособность и не окисляется на воздухе даже при нагреве до красного каления. Это позволило использовать его для изготовления нагревательных элементов, работающих при высоких температурах.
Основные марки нихрома отличаются соотношением никеля, хрома и других легирующих компонентов: железа, кремния, марганца. Например, наиболее распространен нихром Х20Н80, содержащий 20% хрома и 80% никеля.
Что такое удельное сопротивление и как его рассчитать
Удельное сопротивление ρ - это важнейшая характеристика любого проводника. Она показывает, какое сопротивление R имел бы этот материал, если бы был изготовлен в виде провода длиной 1 метр и площадью поперечного сечения 1 мм2:
Из этой формулы видно, что удельное сопротивление численно равно сопротивлению куба с ребром 1 метр, изготовленного из данного материала. Это позволяет сравнивать проводники по их электрическим свойствам независимо от формы и размеров.
Для расчета сопротивления провода или нагревательного элемента зная его длину l и площадь поперечного сечения S, можно воспользоваться формулой:
Например, удельное сопротивление нихрома Х20Н80 составляет ρ = 1,1 Ом·мм2/м. Тогда сопротивление нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм и длиной 10 метров можно легко посчитать:
- Площадь поперечного сечения: S = π·d2/4 = 3,14·0,22/4 = 0,0314 мм2
- Сопротивление: R = ρ·l/S = 1,1·10/0,0314 = 35 Ом
Из примера видно, что чем тоньше проводник и длиннее, тем выше его сопротивление для заданного материала.
Как меняется сопротивление нихрома с температурой
Важной особенностью нихрома является слабая зависимость удельного сопротивления от температуры. Это важно для применения в качестве нагревательного элемента, чтобы его характеристики менялись несущественно при рабочих температурах.
На графике ниже показана типичная зависимость удельного сопротивления от температуры для нихрома Х20Н80 и ферронихрома X15H20, содержащего 25% железа:
Видно, что для ферронихрома наблюдается более сильный рост сопротивления с нагревом. Это объясняется влиянием железа, имеющего высокий температурный коэффициент сопротивления. Поэтому для более стабильных нагревательных элементов предпочтительнее применять нихром с меньшим содержанием железа.
Другим важным фактором при выборе марки нихрома является максимально допустимая рабочая температура. Она составляет около 1100°С для малолегированных марок и до 1250°С для высоколегированного нихрома типа Х20Н80.
Расчет параметров нагревательного элемента из нихрома
Нихром широко применяется для изготовления нагревательных элементов благодаря оптимальному сочетанию физических свойств. При их проектировании важно учитывать зависимость электрического сопротивления от размеров и температуры. Рассмотрим это на примере.
Допустим, необходимо спроектировать нагревательный элемент из нихромовой проволоки мощностью P = 1 кВт при напряжении сети U = 220 В. Сопротивление нагревателя должно составлять R = U2/P = 220^2/1000 = 48,4 Ом.
Из условия максимальной температуры 1200°С выбираем проволоку из нихрома Х20Н80 с удельным сопротивлением 1,1 Ом·мм2/м. Рассчитаем необходимую длину проволоки из условия получения сопротивления 48,4 Ом:
Где S - площадь поперечного сечения проволоки. Принимаем диаметр проволоки 0,5 мм (стандартный ряд). Тогда длина нагревателя составит L = 390 м.
Конструкции нагревательных элементов на основе нихрома
На практике нихромовую проволоку или ленту формуют в виде спирали или Wen (змеевик). Это позволяет получить большую длину нагревателя в компактном объеме с хорошим теплоотводом.
Существуют открытые и закрытые спирали. В первом случае витки не касаются друг друга, во втором - плотно прижаты. Закрытая конструкция обеспечивает бóльшую механическую прочность и меньшее термическое расширение при нагреве.
Монтаж нагревательного элемента
При монтаже нихромовых нагревателей важно обеспечить их надежную изоляцию и защиту от перегрева. Спираль или змеевик закрепляют на керамических или металлических трубках и помещают в защитный кожух.
Для предотвращения локальных перегревов применяют терморегуляторы и термовыключатели. Они размыкают цепь питания при превышении допустимой температуры нагревателя.
Выбор источника питания
В качестве источника питания нихромовых нагревательных элементов чаще всего используют стабилизированные блоки питания на 220 или 380 В. Они поддерживают напряжение и ток в заданных пределах.
Для предотвращения пулсеев тока и напряжения при включении мощных нагрузок можно использовать плавный пуск через тиристоры или специальные пускатели.
Особенности эксплуатации
При эксплуатации нихромовых нагревательных элементов важно соблюдать ряд условий для обеспечения их долговечности:
- Не превышать максимальную рабочую температуру (1100-1250°С)
- Избегать резких перепадов температур, вибраций и ударов
- Обеспечивать хороший теплоотвод от нагревателя
- Защищать от попадания влаги и агрессивных сред
При соблюдении этих правил срок службы нихромовых ТЭНов может составлять 5-10 тысяч часов непрерывной работы.
