Почему для изготовления нагревательных элементов применяют проводники

Почему для изготовления нагревательных элементов применяют проводники с большим удельным сопротивлением, а для соединительных проводников — с малым?
2. Каким должно быть удельное сопротивление проводника для плавкого предохранителя Ответ обоснуйте.
3. Почему электрические провода и контакты изготавливают из алюминия и меди?

Проводниковые материалы применяются для изготовления токопроводящих, нагревательных, контактных элементов, проводов, кабелей, резисторов. Наибольшее распространение получили такие твердые проводниковые материалы, как металлы и их сплавы, а также электроугольные изделия.

Удельное электрическое сопротивление проводников r принято выражать в системе СИ в микроомах на метр (мкОм × м), удельную проводимость, которая определяется по формуле: g = 1/r, – в мегасименсах на метр (МСм/м). Так называемая стандартная медь, по отношению к удельной проводимости которой выражают в процентах проводимость других проводниковых материалов, имеет в отожженном состоянии g = 58 МСм/м, чему соответствует r = 0,017241 мкОм × м.
На практике для измерения удельного сопротивления часто применяют внесистемную единицу ом-миллиметр в квадрате на метр (Ом × мм 2 /м), так как при расчете сопротивления токопроводящего элемента удобно его длину выражать в метрах, а площадь поперечного сечения – в квадратных миллиметрах, причем
1 Ом × мм 2 /м = 1 мкОм × м.

Высокая проводимость металлических проводников обусловлена значительной концентрацией свободных электронов. Удельные сопротивления этих материалов при нормальной температуре лежат в сравнительно узком диапазоне (10 –2 – 10 мкОм × м), их разница определяется главным образом различием подвижности электронов проводимости.

Удельное сопротивление металлов связано преимущественно с растяжением свободных электронов при тепловых колебаниях атомов и на дефектах кристаллической решетки (примесные атомы, вакансии, дислокации и др.):

(3.1)

При температуре, превышающей температуру Дебая q (для металлов
q = 100 – 500 К), удельное сопротивление обусловлено в основном тепловыми колебаниями решетки (r_ТЕПЛ) и возрастает практически линейно. При низких (криогенных) значениях температуры r перестает зависеть от температуры и определяется остаточным сопротивлением (r_ОСТ), являющимся количественной мерой концентрации дефектов кристаллической решетки.

В проводниковых металлах высокой проводимости, имеющих при нормальной температуре удельное сопротивление не более 0,1 мкОм × м, содержание примесей ограничивается десятыми, сотыми и даже тысячными долями процента с целью снижения их удельного сопротивления за счет r_ОСТ. Особо чистые металлы с малым r_ОСТ применяются в качестве криопроводниковых материалов, предназначенных для работы при температуре 70 – 100 К и ниже.

Для изготовления реостатов, резисторов, электронагревательных элементов применяются не металлы, а сплавы высокого электрического сопротивления (их удельное сопротивление при нормальной температуре – не менее
0,3 мкОм × м), обладающие повышенным значением r_ОСТ вследствие нарушения правильности структуры решетки. Особенно заметно увеличение удельного
сопротивления у сплавов, являющихся твердыми растворами.

У твердых (твердеющих) металлов и сплавов, подвергнутых холодной протяжке, волочению, удельное сопротивление в результате искажения крис-таллической решетки повышается. Мягкие (отожженные) металлы и сплавы вследствие рекристаллизации восстанавливают искаженную при пластической деформации структуру, и их удельное сопротивление уменьшается.

Изменение сопротивления проводника в зависимости от температуры характеризуется температурным коэффициентом удельного сопротивления
ТК_r, град –1 :

(3.2)

Коэффициент a_r характеризует свойства материала при фиксированной температуре Т. В таблицах часто приводится значение a_r при 20°С. При расчетах удобно пользоваться средним температурным коэффициентом удельного сопротивления:

(3.3)

где r₀ – удельное сопротивление при температуре Т₀, принятой за начальную;

r₁ – то же при температуре Т₁.

Пользуясь коэффициентом a_ср, рассчитанным для интервала температуры Т₀ – Т₁, можно достаточно точно найти значение r₂ для любой температуры Т₂ внутри этого интервала:

(3.4)

Металлы имеют большой температурный коэффициент удельного сопротивления (у большинства – 4 × 10 –3 град –1 и более), поэтому их сопротивление в зависимости от температуры изменяется значительно. У сплавов значение a_r обычно значительно меньше (10 –4 – 10 –6 град –1 ). Сплавы с a_r = 10 –5 – 10 –6 град –1 можно считать материалами, практически не изменяющими сопротивления в широком диапазоне температуры.

Медь считается металлом высокой проводимости, она удачно сочетает в себе следующие технически ценные свойства:

минимальное удельное сопротивление (только серебро имеет r примерно на 5 % меньше, чем медь);

достаточно высокую для большинства случаев практического применения механическую прочность;

удовлетворительную стойкость к воздействию окружающей атмосферы;

хорошую технологичность (благодаря сочетанию прочности и пластич-ности медь перерабатывается в листы, ленты, шины, профили для коллекторов электрических машин, проволоку и другие изделия);

относительную легкость пайки и сварки, что важно при монтажных работах.

Существенным недостатком меди является ее дефицитность. В связи с развитием промышленности (несмотря на увеличение производства меди) вопрос ее замены главным образом алюминием не утратит своей актуальности и в будущем.

К сплавам высокого сопротивления, применяемым для изготовления токоведущих частей электроизмерительных приборов и образцовых резисторов, предъявляется комплекс особых требований: они должны иметь высокое удельное сопротивление для уменьшения размеров и массы; малый ТК_r, обеспечивающий стабильность электрического сопротивления прибора или эталона при изменении температуры; достаточную стабильность электрического сопротивления во времени; малую термоЭДС в паре с медью для уменьшения ошибок измерения из-за возникновения паразитных термоЭДС; хорошую технологичность, позволяющую получать тонкую проволоку и другие полуфабрикаты.

Таким требованиям отвечают в значительной степени сплавы на медной основе – манганин и константан.

Для изготовления проволочных или ленточных резисторов применяются жаростойкие сплавы. Помимо высокого удельного электрического сопротивления и малого ТК_r эти материалы отличаются высокой жаростойкостью – способностью противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздуха или иных газообразных сред при высокой температуре, а также имеют удовлетворительную технологичность, хорошую свариваемость и достаточную жаропрочность – способность выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций при высокой температуре.

Хромоникелевые сплавы (нихромы) сочетают в себе высокие жаростойкость и технологичность (чем больше в составе сплава никеля, тем выше технологичность, однако выше и стоимость).

Порядок выполнения работы

1) Включить монитор, системный блок, измерительный стенд.

2) Запустить лабораторную работу, нажав соответствующий ярлык на рабочем столе.

3) Ознакомиться с параметрами исследуемых образцов, для этого открыть таблицу «Образцы» (ничего в ней не менять).

4) Выбрать в полосе меню команду «Опции» и выполнить следующие действия:

а) выписать параметры трех исследуемых образцов (наименование, площадь поперечного сечения и длину) при помощи подкоманд «Образец 1» – «Образец 3»;

б) выбрать подкоманду «Тест аппаратуры» и выписать данные теста
(сопротивления образцов, температуру);

в) рассчитать удельное сопротивление образцов по формуле:

, (3.5)

где R – сопротивление образца, Ом;

S – площадь поперечного сечения, мм 2 ;

l – длина образца, м;

г) выбрать подкоманду «Температура» и установить по заданию преподавателя конечную температуру и шаг измерений (целые числа). Нажать кнопку «ОК».

5) Выбрать команду «Измерение» в полосе меню. Появится окно в режиме измерения, где левая вертикаль показывает значение сопротивления R, горизонталь – значение температуры t, правая вертикаль – шкалу термометра с установленным пределом. Измерения происходят автоматически до достижения заданной температуры. Результаты измерений фиксируются на графике. Окно нельзя закрывать! По окончании измерений окно закроется автоматически и на экране появится окно с таблицей исходных данных.

6) Активизировать в таблице данных последнее измерение (дату и время) и нажать на кнопку «Просмотр» (последняя справа в нижнем ряду) либо два раза щелкнуть мышкой на интересующей строке. На экране появится чистый график. Развернуть окно на весь экран.

7) Работа с графиком R = f(t). Составить таблицу по графику зависимости R = f(t), используя масштабирование или команду меню «Буфер обмена». При помощи команды «Буфер обмена» можно переносить в текстовый редактор Word график и таблицу (график переносится легко, а таблицу необходимо обработать). При составлении таблицы сначала указывается значение температуры, например 18,3999996185303, далее следует значение сопротивления для меди, например 200,5, затем – значения для никеля (178,7) и для константана (204). После этого снова идет значение температуры, но оно не отделяется от предыдущего значения (для константана): 20422,5. Так как шаг температуры выставлен, например 4, то значение температуры будет 22,5 и т. д.

Масштабирование графика выполнить следующим образом. Удерживая нажатой левую кнопку мыши, отметить прямоугольник слева направо вокруг точки этой зависимости – получится фрагмент графика. Повторить операцию масштабирования вокруг этой же точки. В результате получится фрагмент графика с масштабами этой точки по осям. Выделение прямоугольника справа налево возвращает к исходному размеру графика. При помощи операции масштабирования необходимо обработать графики зависимости удельного сопротивления от состава и температурного коэффициента удельного сопротивления
от состава.

8) Нажимая кнопки «Уд. сопротивление», «Зав. от состава уд. сопр.» и «Зав. от состава темп. коэфф.», можно просмотреть соответствующие зави-симости.

9) Для графиков зависимости сопротивления от температуры и удельного сопротивления от температуры составить таблицы, подобные табл. 3.1, а для графиков зависимости удельного сопротивления от состава и температурного коэффициента удельного сопротивления от состава – табл. 3.2.

Зависимость сопротивления образцов от температуры

Температура Т, °С	Исследуемый материал
медь	никель	константан

Зависимость удельного сопротивления и его температурного
коэффициента от состава образцов

Параметр	Процентное содержание меди (никеля)
0 (100)	30 (70)	60 (40)	80 (20)	100 (0)
r
ТКr

Комментарий к табл. 3.2. На графиках «Зависимость удельного сопротивления от состава» и «Зависимость температурного коэффициента удельного сопротивления от состава» слева направо указано процентное содержание в сплаве меди, а справа налево – никеля.

Методические указания к проведению данной лабораторной работы размещены и в компьютере. Для их вызова необходимо выбрать команду «Помощь» в полосе меню и в ней – подкоманду «Содержание».

Содержание отчета

2) Понятие удельного сопротивления проводниковых материалов и расчетная формула его значения с пояснениями.

3) Результаты исследований в виде таблиц.

4) Графики полученных зависимостей.

5) Выводы по результатам лабораторной работы.

6) Ответы на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1) Каким основным требованиям должны отвечать сплавы высокого омического сопротивления?

2) Что такое термопара? Какие сплавы используют для получения
термопар?

3) Каковы основные свойства меди, никеля, нихрома и константана?

4) Какие факторы влияют на удельное сопротивление в разных температурных диапазонах?

1. Пасынков В. В. Материалы электронной техники / В. В. Пасын-ков, В. В. Сорокин. СПб: Лань, 2004. 368 с.

2. Партала О. Н. Радиокомпоненты и материалы / О. Н. Партала. Киев: Радiоаматор. М.: КУБК-а, 1998. 720 с.

3. Никулин Н. В. Радиоматериалы и радиокомпоненты / Н. В. Никулин, А. С. Назаров. М.: Высшая школа, 1981. 221 с.

4. Богородицкий Н. П. Электротехнические материалы / Н. П. Богородицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев. Л.: Энергоатомиздат, 1985. 304 с.

ЦАРЕВА Лена Алексеевна,

ЛУТЧЕНКО Сергей Святославович

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

Редакторы Н. А. Майорова, Т. С. Паршикова

Подписано в печать .06.2007. Формат 60 ´ 84 1 /₁₆.

Плоская печать. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,2.
Тираж 100 экз. Заказ .

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа

644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

Дата добавления: 2016-11-02 ; просмотров: 377 | Нарушение авторских прав

электропечей сопротивления

Нагревательные элементы имеют самую высокую температуру в печи и, как правило, предопределяют работоспособность установки в целом.

К этим материалам предъявляются следующие требования:

1. Достаточная жаростойкость (окалиностойкость).

2. Достаточная жаропрочность — механическая прочность при высоких температурах, необходимая для того, чтобы нагреватели могли поддерживать сами себя.

3. Большое удельное электрическое сопротивление. Чем меньше удельное электрическое сопротивление, тем больше длина нагревателя и меньше его поперечное сечение. Сечение нагревателя должно быть достаточно большим для обеспечения необходимого срока службы. Длинный нагреватель не всегда возможно разместить в печи. Таким образом, желательно, чтобы материалы нагревательных элементов имели высокое значение удельного электрического сопротивления.

4. Малый температурный коэффициент сопротивления. Данное требование должно выполняться для того, чтобы мощность, выделяемая нагревателями в горячем и холодном состояниях, была одинаковой или отличалась незначительно. Если температурный коэффициент сопротивления велик, для включения печи в холодном состоянии приходится использовать трансформаторы, дающие в начальный момент пониженное напряжение.

5. Постоянство электрических свойств. Некоторые материалы, например карборунд, с течением времени стареют, т. е. увеличивают электрическое сопротивление, что усложняет условия их эксплуатации. Требуются трансформаторы с большим количеством ступеней и диапазоном напряжений.

6. Обрабатываемость. Металлические материалы должны обладать пластичностью и свариваемостью, чтобы из них можно было изготовить проволоку, ленту, а из последних — сложные по конфигурации нагревательные элементы. Неметаллические нагреватели прессуются или формуются, с тем чтобы нагреватель представлял собой готовое изделие.

Основными материалами для нагревательных элементов являются сплавы на основе железа, никеля, хрома и алюминия.

Это, в первую очередь, — хромоникелевые, а также железохромоалюминиевые сплавы. Свойства и характеристики этих сплавов представлены в [22].

Двойные сплавы состоят из никеля и хрома (хромоникелевые сплавы), тройные — из никеля, хрома и железа (железохромоникелевые сплавы). Тройные сплавы — дальнейшее развитие хромоникелевых сталей, так как Х23Н18, Х15Н60-Н применяются примерно до 1000°С.

Двойные сплавы — это, например, Х20Н80-Н. Они образуют на поверхности защитную пленку из окиси хрома. Температура плавления этой пленки выше, чем самого сплава; пленка не растрескивается при нагреве и охлаждении. Эти сплавы имеют хорошие механические свойства как при низких, так и при высоких температурах, они крипоустойчивы, пластичны, хорошо обрабатываются, свариваются.

Хромоникелевые сплавы имеют удовлетворительные электротехнические свойства, не стареют, немагнитны. Основной их недостаток — высокая стоимость и дефицитность, в первую очередь никеля. Поэтому были созданы железохромоалюминиевые сплавы, содержащие железо, хром и до 5 % алюминия. Эти сплавы могут быть более жаростойкими, чем хромоникелевые, т. е. могут работать до 1400°С (например, сплав Х23Ю5Т). Однако эти сплавы достаточно хрупки и непрочны, особенно после пребывания при температуре, большей 1000°С. Поэтому после работы нагревателя в печи его нельзя вынуть и отремонтировать. Данные сплавы магнитны, могут ржаветь во влажной атмосфере при нормальной температуре. Они имеют низкое сопротивление ползучести, что должно быть учтено при конструировании из них нагревателей. Недостатком этих сплавов является также их взаимодействие с шамотной футеровкой и окислами железа. В местах соприкосновения этих сплавов с футеровкой при температуре эксплуатации выше 1000°С футеровка должна быть выполнена из высокоглиноземистого кирпича или покрыта’ специальной высокоглиноземистой обмазкой. Во время эксплуатации эти нагреватели существенно удлиняются, что также должно быть учтено при конструировании, т. е. необходимо предусматривать возможность их удлинения.

Представителями этих сплавов являются Х15Ю5 (температура применения — около 800°С); Х23Ю5 (1200°С); Х27Ю5Т (1300°С) и Х23Ю5Т (1400°С).

В последнее время разработаны сплавы типа Х15Н60Ю3 и Х27Н70ЮЗ, т. е. с добавлением 3 % алюминия, что значительно улучшило жаростойкость сплава, а наличие никеля практически исключило имеющиеся у железохромо-алюминиевых сплавов недостатки.

Сплавы Х15Н60ЮЗ, Х27Н60ЮЗ не взаимодействуют с шамотом и окислами железа, достаточно хорошо обрабатываются, механически прочны, нехрупки.

В высокотемпературных печах используются неметаллические нагреватели: карборундовые и из дисилицида молибдена.

Для печей с защитной атмосферой и вакуумных используются угольные и графитовые нагреватели. Нагреватели в этом случае выполняются в виде стержней, труб и пластин.

В высокотемпературных вакуумных печах и печах с защитной атмосферой применяются нагреватели из молибдена и вольфрама. Нагреватели из молибдена в вакууме могут работать до 1700°С, а в защитной атмосфере – до 2200°С. Температура применения в вакууме ниже, что объясняется испарением молибдена. Нагреватели из вольфрама могут работать до 3000°С.

В отдельных случаях применяются нагреватели из ниобия и тантала.

Нагревательные элементы большинства промышленных печей выполняются либо из ленты, либо из проволоки (рис. 3.4 – 3.7). Обычно для изготовления нагревателей промышленных печей применяется проволока диаметром от до мм. Однако для печей с рабочей температурой С и выше следует брать проволоку диаметром менее мм. Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбирают таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость и в то же время не затруднить чересчур теплоотдачу от них к изделиям.

Чем больше диаметр спирали и чем гуще ее шаг, тем легче разместить в печи нагреватели, но с увеличением диаметра уменьшается прочность спирали, увеличивается склонность ее витков лечь друг на друга. С другой стороны, с увеличением густоты намотки увеличивается экранирующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности. Практика установила вполне определенные, рекомендуемые соотношения между диаметром проволоки, шагом и диаметром спирали для проволоки от

до

мм диаметром. Эти соотношения следующие:

для нихрома и

– для менее прочных железохромоалюминиевых сплавов. Здесь

– шаг спирали,

– диаметр спирали,

– диаметр проволоки.

а б

Рис. 3.4. Эскизы проволочных и ленточных нагревателей с обозначением основных геометрических размеров: а – проволочный зигзагообразный; б – то же ленточный; в – спиральный

Для более тонких проволок отношение диаметров спирали и проволоки, а также шаг спирали обычно берутся больше. Значительно распространены спиральные нагреватели на керамических трубках. Такие нагреватели с точки зрения излучения и размещения мощности на стенках печи практически почти эквивалентны свободно излучающим спиралям и, наоборот, они существенно эффективнее, чем спирали в пазах и полочках. Конструкция проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках является универсальной и с точки зрения применения материалов, и по расположению нагревателей в камере печи. Отношение внутреннего диаметра спирали к наружному диаметру трубки у таких нагревателей может быть принято равным примерно , расстояние между осями трубок диаметра спирали. Обычно для изготовления нагревателей промышленных печей применяется проволока диаметром от до мм. Однако для печей с рабочей температурой С и выше следует брать проволоку диаметром менее мм.

Соотношения между шагом спирали и ее диаметром и диаметром проволоки выбирают таким образом, чтобы облегчить размещение нагревателей в печи, обеспечить достаточную их жесткость и в то же время не затруднить чересчур теплоотдачу от них к изделиям. Чем больше диаметр спирали и чем гуще ее шаг, тем легче разместить в печи нагреватели, но с увеличением диаметра уменьшается прочность спирали, увеличивается склонность ее витков лечь друг на друга. С другой стороны, с увеличением густоты намотки увеличивается экранирующее действие обращенной к изделиям части ее витков на остальные и, следовательно, ухудшается использование ее поверхности.

Рис. 3.5. Конструкции ленточных нагревателей: а – ленточные зигзагообразные нагреватели на боковой стенке на металлических крючках; б – ленточный зигзагообразный нагреватель в поду; в – то же в своде; г – то же на керамических полочках; д – выемной высокотемпературный рамочный элемент; е – низкотемпературный рамочный элемент; ж – нагреватель «плоская волна» на керамических трубках; з – ленточный зигзагообразный нагреватель на выемных крючках; и – условное обозначение размеров ленточного зигзагообразного нагревателя

Практика установила вполне определенные, рекомендуемые соотношения между диаметром проволоки, шагом и диаметром спирали для проволоки от до мм диаметром. Эти соотношения следующие: и для нихрома и — для менее прочных железохромоалюминиевых сплавов. Здесь – шаг спирали, – диаметр спирали, – диаметр проволоки.

Рис. 3.6. Конструкции проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках: а – сводовые нагреватели; б – трубки на боковых стенках, крепление на жароупорных подвесках; в – то же в пазах керамических столбиков; г – трубки в поду

Рис. 3.7. Проволочные нагреватели: а – проволочный зигзагообразный нагреватель на боковой стенке на металлических крючках; б – проволочный зигзагообразный нагреватель в поду; в – то же в своде; г – то же на керамических полочках; д – проволочная спираль на выступающих кирпичах боковой стены с привязкой к крючкам; е – проволочная спираль в сводовых камнях и в пазах пода; ж – проволочная спираль на керамических полочках; з – проволочная спираль на керамической трубке; и – вывод проволочного нагревателя; к – условное обозначение размеров проволочного нагревателя

Конструкция проволочных спиральных нагревателей на керамических трубках является универсальной и с точки зрения применения материалов, и по расположению нагревателей в камере печи. Отношение внутреннего диаметра спирали к наружному диаметру трубки у таких нагревателей может быть принято равным примерно , расстояние между осями трубок диаметра спирали.

Ленточные нагреватели выполняются в виде зигзагов различных размеров и крепятся на металлических (из жароупорной стали или нихрома) или керамических крючках. Чем гуще ленточные зигзагообразные нагреватели, тем более длинный нагреватель можно разместить в печи, но тем больше взаимоэкранирование витков, тем хуже используется поверхность ленты. Поэтому установились принятые размеры ленточных зигзагообразных нагревателей, обеспечивающие достаточную их прочность и малое взаимоэкранирование. Наиболее употребительное отношение ширины ленты к ее толщине равно 10.

Для температур на нагревателе до С в промышленных печах применяют ленту размером не менее 1 х 10 мм, при более высоких температурах – не менее 2 х 20 мм.

В ЭПС с номинальной температурой 1350°С применяются карборундовые нагреватели (SiC) (рис. 3.8), а в ЭПС с номинальной температурой 1700°С – нагреватели, изготовленные из дисилицида молибдена (MoSi₂) (рис. 3.9) и хромит лантана (рис. 3.10).


Рис. 3.8 Эскизы карборундовых нагревателей: а – цельный нагреватель; б – составной нагреватель	Рис. 3.9. Эскизы нагревателей из дисилицида молибдена а – с прямыми выводами; б – с выводами, отогнутыми под углом 90º

Рис. 3.10. Электронагреватель хромитлантановый спиральный

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском: