电阻丝的设计原理

姓名：张杰学号：S20156019第一次作业电阻丝的设计原理1.电阻丝炉的基本原理它主要由电阻丝和绝热材料两部分组成，电阻丝是用来将电能转换成热能，绝热材料起保温作用。使炉膛达到要求的温度并有合适的温度分布，此外，炉体还包括炉管、炉架、炉壳、接线柱等。炉管用于放置试料，炉壳内容纳绝缘材料，炉架支撑炉体，接线柱用接通电源和电阻丝连接。电阻炉是一个将电能转换成热能的装置，当电流I流过电阻R的导体时，经过时间t便可产生热量Q：20.24QIRt可见通过控制I、R、t、即可达到控制发热体的目的。为此就要合理地选用电阻丝，另一方面，即使电阻丝能发出足够的热量，电炉能否达到足够高温，这很大程度上取决于电炉的散热情况。实际上，电炉的温度取决于炉子的供热和散热。因此炉子的保温能力非常重要，采用保温材料，减少热量损失是必要的措施。电阻丝一般分为金属和非金属两大类。在金属电阻丝中常用的有铁铬铝合金和镍铬合金、铂-铑、钼、钨、钽电阻丝。非金属的有石墨电阻丝和碳化硅电阻丝。2.电阻丝的选取镍铬合金电阻丝镍铬合金电阻丝一般情况下使用温度不能超过1345℃，超过这一温度会产生相变，在使用的过程中，我们希望不产生相变，因为相变会发生体积变化，减小电阻丝的使用寿命。但是也希望电阻丝的使用温度更高。根据Cr-Ni相图，镍铬合金成分控制在黄色线条以内，这样可以避免发生相变，电阻丝的使用温度也较高。这类合金电阻丝适用于1000℃以下的温度，其型号为Cr20Ni80、Cr15Ni60，其性能见表1。此种材料易加工、有较高的电阻率和抗氧化性，在高温下能生成Cr2O3或NiCr4氧化膜，但不宜再还原气氛中使用。Ni-Cr合金经高温使用后，只要没有过烧仍然很柔软。表1Ni-Cr合金性能合金种类wt％Crwt％Niwt％Fe熔点℃最高使用温度℃Cr20Ni8020-2375-78余量14001100Cr15Ni6015-1855-61余量13901000在实验室中，根据各种需要设计制作的电炉多为小型管式炉，功率一般在10KW左右。这里所讲的设计主要包括功率的确定，电热体的选择，耐火材料和保温材料的选择。（1）电阻炉功率的确定电炉功率是从能量角度衡量电炉大小的指标。实际上，由于电路散热条件的复杂性，要想从理论上确定炉子的功率消耗和炉子在一定功率输入下所能达到的温度是非常困难的。故一般都靠一些经验或、半经验的方法辅助能量平衡的基本概念来确定。对于一个圆形炉膛来说，首先求出欲加热炉管部分内表面积。假设炉子为中等保温程度，则可由表2的经验数据查出每100cm2加热内表面积所需的功率瓦数，然后乘以被加热炉膛内表面积，即可得到需要的功率。表2不同温度下每100cm2炉管表面所需功率温度℃6007008009001000110012001300功率w80100130160190220260300示例:由炉管内径为10cm，加热部分长为80cm，预计加热到1100℃，求在中等保温情况下炉子所需功率。首先算出被加热炉膛的内表面积：S=∏*D*L=3.14*10*80=2513(cm2)由表1-4查出1100℃时，每100cm2炉膛表面积所需功率Ρ=220w，所以上述炉管的总功率：)(5.51002513*220100kwspP总用这种经验办法计算小型电炉所需功率，虽不十分严格，但实践证明还是很适用的。（2）电热体的计算根据炉膛所要达到的最高温度和炉子的工作气氛决定电热体的种类。例如要制作一台在空气中最高使用温度为1100℃的电炉，则可选用Cr25Al5电热丝为发热体，但必须明确，电热元件的最高使用温度是指电热体在干燥空气中表面最高温度。并非只炉膛温度。由于散热条件不同，一般要求炉膛最高温度比电热体最高使用温度低100℃左右为宜。另外，还必须明确，电热体表面负荷是指电热体在单位表面积所承担的炉子的功率数。在一定的炉子功率条件下，电热体表面负荷选的大，则电热体用量就少，但电热体表面负荷越大，其寿命越短，所以选择要适当。表3为Ni-Cr电热体的表面负荷值，它是电热体计算的重要参数。在进行电热体计算时，为了使用安全，电热体允许表面负荷一般取下线，为了留出电压可调余地。工作电压通常以200v计算。下面，以电阻丝炉为例说明计算步骤：炉管尺寸为Φ100*110*1000mm,要求炉膛温度1100℃，电压220v，氧化性气氛，炉体中等保温，加热带长度800mm,求电阻丝长度和直径。1）加热带面积的计算加热带内表面积S=∏*D*L=3.14*10*800=2513cm2功率的计算由表3查出，1100℃时，每100cm2炉管面积所需功率p=220w,所以电炉所需功率：)(5.51002513*220100kwspP总2）电热体及其参数的确定根据要求和表1-1，可选择Cr25Al5铁铬铝丝为电热体，再根据表1-5，Cr25Al5电热体在1100℃时准许的表面积负荷为10w/cm2。由表1-1查出Cr25Al5在20℃时的比电阻Po=1.45Ω*mm2/m,温度系数=（3-4）*10-5/℃，因此1100℃时的比电阻mmmtp/51.1)1100*10*41(*45.1)1(250电热丝直径的计算：对圆线电热丝来说，其直径可按式(1-7)计算：32225***10*4wvpdt式中：t－在工作温度t时的比电阻Ω*mm/mP－炉子的功率(Kw)W－电热体表面负荷w/cm2V－电压VD－电热丝直径mm把已知数据带入（1-7）式即可得到电热丝直径)(6.310*200*14.35.5*51.1*10*432225mmd电热丝长度的计算：电热丝的截面积：2*4df电热丝电阻：pvR3210电热丝长度：tfRL*式中：R—电热体总电阻Ω；f—电阻丝截面积mm2；L—电热体总长度m把已知数据代入（1-9）(1-10)(1-11)可得：22332007.310105.5vRp)(6.3*414.3*422mmdf.7.310.249.31.51RfLmt表3Ni-Cr电热体的表面负荷值温度正常表面积负荷（w/cm2）正常表面积负荷（w/cm2）Cr20Ni80电热体Cr15Ni60电热体Cr20Ni80Cr15Ni605002.4-3.45502.25-3.156002.05-2.956501.9-2.757001.7-2.557501.55-2.308001.35-2.108501.2-1.859001.05-1.659500.9-1.4510000.75-1.2510500.6-1.0110011500.5-0.81200验算：上面的计算是否正确，可按表面负荷公式验算：)/(**10*23cmwLdpw把有关数据代入（1-12）式，可得：)/(99.0490*6.3*14.310*5.5**10*233cmwLdpw这与设计时选用的表面负荷还小，故可保证安全使用。