Муфельная печь является неотъемлемым оборудованием мастерских, занимающихся ювелирным искусством или изготовлением керамических изделий. Этот прибор позволяет создать необходимые температурные режимы для нагревания и плавления металла, обжига керамики или соединение эмалей со стеклом. Используется муфельная печь также при изготовлении изразцов, при закалке этих изделий и укрепления эмалевого слоя. Немало и других вариантов использования такого оборудования.
![Муфельная печь своими руками](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе1.jpg)
Приборы заводского изготовления имеют достаточно высокую стоимость. Но ведь вполне возможно изготовить подобное оборудование с необходимыми для работы характеристиками и самостоятельно. Муфельная печь своими руками довольно часто собирается мастерами, занимающимися одним из названных выше типов работ.
А для того чтобы прибор функционировал эффективно, необходимо не только правильно подобрать материал и изготовить саму высокотемпературную камеру, но и правильно просчитать рабочие параметры электротехнической части, приобрести требуемые комплектующие и произвести грамотный монтаж.
Обо всем этом и пойдет речь в данной публикации.
Что такое муфельная печь?
Разновидности муфельных печей
Существует довольно большое разнообразие типов муфельных печей, которые подразделяются по целому ряду критериев — по источнику используемой для нагрева энергии и мощности, по линейным параметрам и расположению рабочей камеры и другим признакам.
![Один из многочисленных примеров самостоятельно изготовленной муфельной печи](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе2.jpg)
- По роду используемого источника энергии для осуществления нагрева подобные печи можно подразделить на три варианта — это твердотопливные (как правило, угольные), газовые и электрические.
— Безусловно, в наше время самыми эффективными моделями считаются электрические муфельные печи. Их удобство состоит в возможности достичь необходимо высокой температуры в кратчайший срок, а также в относительной безопасности при правильной сборке и соблюдений всех требований по эксплуатации. При использовании электрических печей предоставляется возможность очень точно устанавливать и контролировать температуру нагрева в рабочей камере. Такие приборы отличаются компактностью и могут применяться для работы даже в небольшой по площади мастерской (или даже в квартире) от сетевого напряжения в 220 вольт, если, конечно, позволяет мощность линии питания. Розетка, через которую планируется подключать прибор в сеть, должна в обязательном порядке должна быть заземлена. Других требований, по сути и нет, так что установка такой электрической печи не потребует никаких административных процедур, вроде получения соответствующих разрешений на эксплуатацию.
— Собирать в кустарных условиях прибор, работающий на газе — настоятельно не рекомендуется. Дело в том, что самодельные газовые приборы категорически запрещены к эксплуатации из-за их повышенной опасности, и могут возникнуть очень серьезные проблемы с контролирующими организациями.
— Печь, нагреваемая от сгорания угля, недостаточно эффективна, так как долго входит в рабочий режим, для нее необходимо отдельное помещение, а также появятся дополнительные хлопоты, связанные с доставкой твердого топлива и организацией его правильного хранения. Правда, справедливости ради, следует отметить, что угольные муфельные печи долго нагреваются, но зато и дольше поддерживают достигнутую температуру. И в плане экономичности эксплуатации они тоже выигрывают по сравнению с электрическими приборами.
Но преимущества электрической муфельной печи все же значительно перевешивают ее единственный существенный недостаток – высокую стоимость электроэнергии. Поэтому в дальнейшем разговор пойдет только об этом варианте.
- В зависимости от предназначения муфельной печи, она может иметь вертикальное или горизонтальное расположение топки. Кроме этого приборы могут подразделяться на трубчатые, колпаковые, иметь иные специфические формы.
Печи с горизонтально расположенной камерой более просты в изготовлении и удобны в эксплуатации. Они обладают достаточной функциональностью, например, позволяют плавить многие металлы, обжигать керамику, закалять стальные изделия.
Цены на муфельную печь
Конструкция муфельной печи
Сразу нужно определиться с тем, что же такое муфель, чтобы в дальнейшем не возникало вопросов по названию прибора. Итак, под этим термином понимают закрытую камеру, в которой создается необходимая для того или иного технологического процесса температура, но при этом исключается контакт обрабатываемого материала с самим топливом или с продуктами его сгорания. В случае с электричеством продуктов сгорания уже не может быть просто по определению, но все же название «муфельная печь» прижилось – их за сходности технологических операций, выполняемых с помощью такого оборудования.
Муфельная печь может иметь разную конструкцию. При создании ее электрического варианта используются те или иные нагревательные элементы, в зависимости от того, какая температура должна быть достигнута в рабочей камере. Как правило, диапазон температур лежит в диапазоне от 200 до 1000?1100 градусов — этого бывает достаточно для качественного обжига керамики, плавления или закалки многих металлов. Но в некоторых случаях необходимо достичь нагрева и до 1300?1500 градусов — правда, такие печи уже обычно используются в производственных или лабораторных условиях.
![Пример распространённой среди мастеров конструкции муфельной печи.](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе3.jpg)
- Нагревательная камера изготавливается из шамотного огнеупорного кирпича или же плит ШПГТ-450, устойчивых к экстремально высоким температурам и химически нейтральных к воздействию щелочей или кислот. Плиты более удобны в использовании, так как имеют достаточно большие линейные размеры. Поэтому, в отличие от кирпича, из одной плиты можно сразу изготовить одну стенку камеры. Кроме того, они обладают оптимальной для подобных условий эксплуатации толщиной, составом и структурным строением, что позволяет быстро нагнетать и поддерживать внутри печи необходимую температуру.
- Для снижения теплопотерь с наружной стороны муфельная камера оборачивается теплоизоляционным жаростойким материалом. Чаще всего для этой цели используется минеральная вата на базальтовой основе, как самая устойчивая к спеканию. Сокращением теплопотерь повышается КПД прибора — печь значительно быстрее нагревается, дольше удерживает высокие температуры и расходует при этом меньше энергии из внешнего источника.
Если для формирования камеры используется шамотный кирпич, то теплоизоляционный слой делается толще. Это и понятно — плиты обладают более высокими термоизоляционными характеристиками и имеют меньшее количество стыковочных швов, которые также часто являются причиной теплопотерь.
Ранее для изоляции муфельной камеры широко использовался асбест. Сегодня же его практически не применяют по двум причинам – он при нагревании выделяет довольно значительное количество вредных веществ, и, нагреваясь до температуры в 1000 и более градусов, теряет свои внутренние связи, постепенно превращаясь в крошку.
- В качестве нагревательного элемента, устанавливаемого внутри камеры, чаще всего используется спираль. При самостоятельной сборке печи и спираль обычно изготавливают своими силами из специальной проволоки, о характеристиках которой будет сказано ниже.
- Для муфельной камеры с помощью сварки изготавливается металлический каркас из стального уголка, который после монтажа в него утепленной муфельной камеры обшивается металлическим листом толщиной в 1,5?2 мм.
- Дверца камеры должна иметь такую же толщину, что и стены, а также дополнительно оснащена слоем термоизоляции, например, из той же минеральной ваты. Кроме того, на дверцу устанавливается надежный запор, который будет плотно прижимать ее к передней части нагревательной камеры. В качестве запора используются задвижки, закрутки, притягивающие крюки и другие подобные приспособления.
Монтируются дверцы на навесные петли, которые фиксируются на каркасе с помощью сварки. Дверца может быть распашной, откидной или даже съемной, если, например, предполагается изготовить печь, открывающуюся сверху. Последний вариант скорее можно назвать крышкой, нежели дверце. Он довольно удобен в эксплуатации, но вот практичным его никак не назовешь — при снятии крышки камера сразу открывается по все длине, что способствует быстрой и массовой утечке выработанного тепла.
- Для электрического варианта муфельной печи одним из важнейших ее узлов является система управления прибором, включающую в себя достаточно много элементов. Имеет достаточно сложную конструкцию, которая собирается согласно проведенным расчетам по заранее составленной схеме. Впрочем, нет недостатка и в готовых решениях этой проблемы.
Проведение расчетов электрического нагревателя для самодельной муфельной печи
В связи с тем, что эту часть конструкции можно назвать самой сложной, ее расчетам и сборке стоит посвятить отдельный раздел статьи.
Для проведения подобных расчетов потребуются некоторые исходные данные. К ним относятся размеры создаваемого прибора и его предполагаемая мощность, материал изготовления нагревателя, уровень необходимых температур в муфельной камере, размещение и особенности конструкции нагревательных элементов. Результатом же проведения расчетов станет диаметр используемой для нагревательного элемента проволоки и ее необходимая длина.
![Нагреватели для муфельной электрической печи чаще всего делаются спиральными – навиваются из проволоки с высокими показателями сопротивления и термостойкости.](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе4.jpg)
Мощность печи напрямую зависит от размера муфельной камеры и материала, применяемого для его изготовления. Объем камеры определяется самостоятельно, в зависимости от параметров изделий, которые в нее будут помещаться для обработки.
В связи с тем, что стенки муфеля изготавливаются чаще всего шамотного кирпича или из плит ШПВ-350, которые обладают высокими теплоизоляционными качествами, а в качестве дополнительного теплоизолятора используются такие материалы, как муллитокремнеземистый войлок (МКРВ) или минеральная вата на базальтовой основе, можно оперировать некоторыми эмпирическими рекомендациями (то есть обоснованными опытом практического применения подобных конструкций).
Итак, при определении мощности будущей печи можно отталкиваться от размеров муфельной камеры (в литрах) и следующих эмпирических значений удельной мощности (Вт/л):
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 |
- Чтобы определить объем камеры в литрах, просто перемножают ее линейные размеры (ширину, высоту и глубину), естественно, с учетом используемых единиц измерения. Не забываем, что 1 литр равен 0,001 м?, или 1 дм?, или 1000 см?, или 1000000 мм?.
- По найденному объему камеры определяем оптимальное значение удельной мощности, умножаем его на объем – и получаем искомую величину мощности печи в ваттах.
Есть нюанс – диапазон указанных значений, указанный в таблице, довольно широк. Можно взять или среднее значение, или применить интерполяцию, то есть в максимальной степени привести к показателю объема.
- Далее нужно найти силу тока, проходящего через нагревательный элемент, для обеспечения рассчитанной мощности. Это просто: подставляем значения в формулу закона Ома – и определяем значение силы тока в амперах:
I = P / U.
I – сила тока, проходящего через нагреватель.
Р – определённая выше мощность муфельной печи;
U – напряжение питания. Расчёты проводим в данном случае для однофазной сети, то есть напряжение равно 220 вольт.
Упростим несколько читателю задачу – ниже размещен калькулятор, который позволит быстро и точно найти мощность муфельной печи, исходя из размеров рабочей камеры, и силу тока на нагревательном элементе.
Калькулятор расчета мощности электрической муфельной печи и силы тока на ее нагревательном элементе
- Итак, эти два параметра найдены. Но вопрос – а зачем они нужны далее?
— Во-первых, по этим исходным значениям несложно определить требуемое сопротивление нагревательного элемента.
R = U : I
R – общее сопротивление нагревательного элемента.
Имея значение общего сопротивления и зная удельное сопротивление проволоки, которая используется для изготовления нагревательных спиралей, можно найти длину проводника, из которого эта спираль будет навиваться.
— Во-вторых, есть еще один важный момент – сила тока напрямую влияет на выбор сечения проволоки. Дело в том, что если применить материал с заниженными возможностями, то слишком большой ток вызовет его быстрый перегрев, плавление или перегорание.
Можно воспользоваться таблицей, приведенной ниже.
Таблица допустимого соответствия сечения нихромовой проволоки силе тока в цепи и температуре нагрева.
D (мм) | S (мм ?) | Температура разогрева проволочной спирали, °C | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
200 | 400 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1000 | ||
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, мм? |
Обратите внимание – допустимая сила тока для нихромовых проводников различного сечения зависит еще и от температуры нагрева. Таким образом, в таблице необходимо выбрать то значение сечения нихромовой проволоки, которое будет соответствовать и температурному режиму, в котором планируется эксплуатация муфельной печи, и рассчитанной величине силы тока.
При этом оба исходных параметра должны приводиться к табличным в большую сторону. То есть, если температурный режим предполагается, скажем, в 640 градусов, используем столбец для 700 градусов. И если рассчитанная сила тока, например, 13,1 А, то ближайшее большее значение в таблице – 13.9 А. Продолжая приведенный пример, в левой части таблицы находим, что потребуется нихромовая проволока диаметром не менее 1.1 мм, и, соответственно, с площадью поперечного сечения 0,95 мм?.
Такое приведение к ближайшим табличным значениям не особо скажется на точности результата. Но зато тем самым будет задан и определенный эксплуатационный запас возможностей нагревательного элемента.
Важный нюанс. В таблице указан и диаметр проволоки (первый столбец), и площадь ее поперечного сечения (второй столбец). Почему важно знать еще и площадь сечения проводника? Потому что расчет дальше будет вестись с опорой на величину удельного сопротивления, которое выражается в Омxмм?/м, то есть учитывающее именно площадь и длину проводника (которую нам как раз и требуется найти).
- Итак, сопротивление нагревателя выражается формулами:
— через силу тока и напряжение:
R = U / I
— через характеристики проводника
R = r x L / S
r — удельное сопротивление нихромового проводника, Омxмм?/м;
L — длина проводника, м;
S — площадь поперечного сечения проводника, мм?.
Отсюда недолго получить и интересующую нас в конечном счёте формулу:
L = (U / I) x S / r
- Итак, почти все величины известны, за исключением удельного сопротивления нихромовой проволоки. А это – табличная величина, которая зависит от марки применяемого сплава, и, в незначительное мере, еще и от диаметра проволоки.
Оговоримся сразу, что просто для упрощения изложения ранее и далее упоминается нихромовая проволока. Но на практике для изготовления нагревательной спирали может быть использована как нихромовая (чаще всего используются сплавы Х20Н80-Н, Х15Н60 или Х15Н60-Н), так и фехралевая (самая распространенная – из сплава Х23Ю5Т).
— Нихромовая проволока (из названия понятно, что доминирующими компонентами сплава являются никель и хром) — более прочная, долговечная, не меняет существенно своих качеств при сильном нагреве, пластичная, хорошо поддаётся обработке. Недостаток – высокая цена. Кроме того, по показателям жаропрочности проигрывает фехралю.
— Фехралевая проволока (фехраль – от сокращений феррум, то есть железо, хром и алюминий) обладает более высоким сопротивлением, то есть при других равных показателях обеспечивает большее выделение тепла. Жаропрочность тоже выше, чем у нихрома. Явным достоинством такой проволоки является ее куда более доступная цена. Но по многим другим параметрам, и главным образом – по своей долговечности, материал серьезно проигрывает. Так, при высоких температурах (свыше 1000 градусов) теряется пластичность – проволока становится ломкой. Наличие в составе железа предопределяет коррозионную неустойчивость спирали во влажной среде. Может вступать в химические реакции с шамотной футеровкой муфельной камеры. Чрезмерно большое линейное расширение при нагреве. Тем не менее, довольно популярный материал, видимо, в силу высокой теплоотдачи и доступной стоимости.
Цены на печи
![Фехралевая проволока значительно дешевле и обладает более высокими показателями теплоотдачи. Но по большинству важных критериев все же серьезно проигрывает нихромовой.](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе5.jpg)
Ниже в таблице приведены значения удельного сопротивления для проволоки различных марок и диаметров:
Марка нихромового сплава, из которого изготовлена проволока | Диаметр проволоки, мм | Величина удельного сопротивления, Омxмм?/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 |
Как видно, для проволоки из наиболее распространённых нихромовых сплавов и в диапазоне самых употребляемых диаметров, этот показатель равен 1,11 Омxмм?/м. то есть можно без особого риска потерять в точности вычислений остановиться именно на этом значении. Впрочем, если есть необходимость и желание, можно оперировать и более точными цифрами, взяв их из таблицы.
И вновь, чтобы не утруждать нашего читателя расчетами «на бумажке» предложим воспользоваться онлайн-калькулятором:
Калькулятор расчета длины нихромовой или фехралевой проволоки для изготовления нагревателя муфельной печи
- Итак, длина проводника для навивки спирали определена. Можно выполнить еще одно действие. Дело в том, что очень часто нихромовую проволоку реализуют не метражом, а катушками или бухтами определённого веса. Стало быть, может понадобиться перевод линейной величины в весовой эквивалент. В этом поможет следующая таблица:
Таблица для перевода длины нихромовой проволоки в ее вес
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 |
Подробнее на этом расчете останавливаться не будет – чтобы перемножить длину проволоки на удельный вес ее погонного метра, наверное, дополнительного калькулятора не требуется.
- Казалось бы – расчет окончен. Но следует провести еще одну проверку. Дело в том, что иногда можно прийти к таким результатам, что нагреватель рассчитанной длины и сечения или просто не будет справляться с поставленной задачей, или моментально оплавится, или «век его будет крайне недолог». Необходимо оценить нагревательный элемент еще и с позиций допустимой удельной поверхностной мощности. Это, по сути, количество ватт тепловой энергии, которое способен вырабатывать нагревательный проводник на единицу своей поверхностной площади без потери своих механических и эксплуатационных качеств. Превышать это допустимое значение – нельзя, так как затраченные средства и усилия на изготовления спирали будут затрачены впустую.
Итак, откуда взять значение допустимой удельной поверхностной мощности? Оно вычисляется по формуле:
vдоп = vэф x a
vдоп – допустимая удельная поверхностная мощность, Вт/см?
vэф – эффективная удельная поверхностная мощность, зависящая от температурного режима работы муфельной печи.
a – коэффициент эффективности теплового излучения нагревателя.
vэф можно взять из таблицы. Здесь используются два исходных параметра:
— В столбцах указана температура, до которой будет разогреваться сам нагревательный элемент.
— В строках – температура воспринимающей среды. Иными словами, какой нагрев необходимо задать помещенному в печь для термической обработки материалу.
Пересечение столбца и строки даст значение vэф.
Требуемая температура тепловоспринимающего материала, °С | Поверхностная мощность vэф (Вт/cм ?) 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 |
А коэффициент зависит от особенностей расположения нагревательного элемента в камере печи. Всю таблицу приводить не будем – остановимся только на вариантах с использованием проволочной спирали.
Теперь уже не составит труда по данным этих двух таблиц определить значение допустимой удельной поверхностной мощности.
Практика показывает, что для высокотемпературных печей (с нагревом более 700 градусов) требуемую долговечность наряду с необходимой эффективностью работы показывают нагревательные элементы с показателем допустимой удельной поверхностной мощностью не более 1,6 Вт/см? — для нихромовой проволоки, и порядка 2,0?2,4 Вт/см? — для фехралевой.
Для печей же с невысокими показателями нагрева (порядка 200?400 градусов) этот показатель не столь критичен. Здесь вполне можно исходить из допустимых значений 4 ? 6 Вт/см?.
Если со значением допустимой удельной поверхностной мощности определились, то можно сравнить их с аналогичным показателем нагревателя, который у нас получился в ходе ранее проведенного расчета. Предлагаем опять воспользоваться возможностями онлайн-калькулятора.
Калькулятор расчета удельной поверхностной мощности проволочного нагревателя муфельной печи
Если полученное значение укладывается в допустимые рамки, то расчет можно считать окончательно законченным – останется приобрести нужное количество проволоки немеченого диаметра.
Но если показатель поверхностной удельной мощности слишком велик, то следует внести коррективы. Это означает, что или придется просчитать вариант с проволокой большего диаметра или увеличит общую длину нагревательного элемента. Впрочем, с нашими таблицами и калькуляторами процесс пересчета займет буквально минуты. В итоге необходимо прийти к конечным значениям сечения проволоки и ее длины, которые бы удовлетворяли всем перечисленным выше требованиям.
- Спираль изготавливается из проволоки путем навивки ее на трубу или стержень. Работу нужно производить очень аккуратно, так, чтобы витки получались ровными и плотными. После навивки полученную спираль несколько растягивают, с таким расчетом, чтобы между витками образовывались просветы, шириной 1.5?2 диаметра проволоки, чтобы не создавалось областей локального перегрева.
Навивку спирали можно производить с помощью специального электроинструмента, но в домашних условиях мастера обычно обходятся подручными приспособления, например, как показано на иллюстрации ниже.
![Навивка спирали с помощью несложного приспособления](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе6.jpg)
Проволока в данном примере подается через отверстие, просверленное в небольшом отрезке бруса. Подача идет с небольшим натягом, а свободно закрепленная труба прокручивается с помощью установленной в ее торец рукоятки. Как можно видеть, такой «станок» является весьма удобной самоделкой, которая значительно ускоряет работу, и изготовить ее — труда не составит.
Для изготовления спирали выбирается диаметр трубы или стержня D, который соответствует определенным требованиям – он зависит от типа проволоки и от ее диаметра d:
— для нихромовых спиралей – D = (7?10) x d;
— для фехралевых спиралей – D = (4?6) x d
Полученный диаметр спирали является минимальным.
По готовности готовая спираль будет равномерно растягивается и раскладываться внутри муфеля в проделанных для нее нишах. Эти ниши могут быть только на стенках, но нередко для большей эффективности спираль также прокладывается и по потолочной поверхности, и даже по донной.
![Нагревательные элементы, растянутые и разложенные в нишах камеры муфельной печи.](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе7.jpg)
Некоторые мастера наносят на спиральные нагреватели обмазку из шамотной глины, с целью увеличить их долговечность. Другие предпочитают сверху спирали надевать изоляционные керамические элементы или кварцевые трубки. Однако, в большинстве случаев при самостоятельном изготовлении муфельных печей спирали остаются открытыми.
Система коммутации и управления муфельной печью
![Пример комплекта для создания электротехнической части муфельной печи.](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе8.1.jpg)
Блок управления печью включает в себя несколько приборов, которые собираются в одну общую схему. К таким составляющим электронной части муфельной печи относятся:
Термопара, «рабочая» передняя часть которой находится в муфельной камере, проводится через заднюю стенку.
![Вариант расположения термопары внутри муфельной камеры.](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе9.jpg)
Сигнальные провода, идущие от термопары, подключаются к терморегулятору. Он отслеживает температуру, созданную внутри муфеля, и при достижении требуемого верхнего порога передаёт управляющий сигнал на реле, которое размыкает цепь питания нагревательного элемента. При понижении температуры до заданного уровня, происходит обратный процесс – реле включает питание нагревателя.
![Реле, установленное на задней наружной стенке муфельной печи. Играет основную коммутирующую роль в электрической схеме печи.](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе10.jpg)
Как правило, все коммутационные элементы электрической схемы располагают на задней стенке, непосредственно на ней, или обустроив для их закрепления ту или иную подставку (кронштейн, полку). На фасад же печи для удобства работы выносится терморегулятор, клавиши переключателей и индикаторы, показывающие режим работы прибора.
![Пример расположения органов контроля и управления на лицевой стенке муфельной печи](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе11.jpg)
Таких индикаторов может быть несколько. Например, общее питание, режим нагрева спирали, режим «простоя» нагревателя.
![Рекомендуемая электрическая схема при использовании терморегулятора Ш-4501. Но и с другими терморегуляторами принципиальные отличия невелики.](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе8.jpg)
На иллюстрации выше показана рекомендуемая схема подключения с использованием терморегулятора Ш-4501. В полной комплектации прибора он уже может быть оснащен встроенным реле, так что в дополнительном коммутационном устройстве надобность даже отпадает – останется только правильно подсоединить кабель питания, выводы нихромового нагревателя и сигнальные провода термопары.
![Компактная муфельная печь с блоком коммутации и управления на базе терморегулятора Ш-4501](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе12.jpg)
Муфельную печь, как уже говорилось выше, можно запитать и от более современного готового блока питания и управления. И нужно сказать, что это более безопасный и надежный вариант, правда, довольно дорогой. Удобство состоит в том, что при возникновении необходимости использовать блок управления для других нужд, его можно отключить от муфельной печи и подключить к другому прибору.
Изготовление муфельной печи
Приступая к созданию прибора, первым шагом, безусловно, необходимо составить примерный проект печи. Это необходимо и для того, чтобы рассчитать электрические параметры будущего прибора (о чем уже рассказывалось), и чтобы определиться с нужным количеством материалов для его изготовления.
![Примерно так может выглядеть «рукописный» чертеж самодельной муфельной печи.](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе13.1.jpg)
Выполняется небольшой чертеж, на котором проставляются все размеры будущего изделия. Никто в данном случае не будет требовать от мастера строго соблюдения всех канонов исполнения чертежа – главное, чтобы схема была понятной для него самого и стала хорошим помощников при изготовлении деталей конструкции и выполнении монтажных работ.
Ну а размеры муфельной камеры, безусловно, будут зависеть от характера предстоящих задач, которые хозяин собирается решать с помощью создаваемой печи.
Инструменты и материалы для изготовления печи
Чтобы изготовить сам муфель и металлический корпус для него, потребуется подготовить для работы все необходимое — это инструменты и материалы.
![Инструментальный «арсенал» готов к началу работ](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе13.jpg)
Из изготовления потребуется инструмент, который, как правило, есть в мастерской у каждого хорошего хозяина дома, так как без этого трудно обойтись во время ремонта или строительства. В список инструментов входит следующее:
- Электрическая дрель и набор сверл по металлу. Кроме того, потребуется также сверло по дереву длиной в 600 мм и диаметром 16 мм.
![Такое сверло потребуется для проделки ниш для укладки нагревательной спирали](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе14.jpg)
Цены на популярные электрические дрели
- «Болгарка» и расходные материалы к ней – отрезные и шлифовальные круги.
- Сварочный аппарат и электроды.
- Монтажные работы значительно облегчатся при использовании струбцин и магнитных уголков для сварки.
- Саморезы разной длины — от 50 до 120 мм.
- Ножовка по дереву.
- Рулетка, металлическая линейка и строительный угольник.
- Шуруповерт.
Из материалов для изготовления рассматриваемой в качестве примера муфельной печи с камерой, имеющей размер 130x130x470 мм, мастер использовал следующие материалы:
![Плиты ШПГТ-450 – отличный материал для создания рабочей камеры муфельной печи](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе15.jpg)
- Плиты ШПГТ-450 размером 490 x 490 толщина 100 мм. Этот материал производится из огнеупорного муллито-кремнеземистого волокна. В качестве связующего вещества, а также для придания изделиям прочности, в волокна добавляется глинистая масса. Сформованные изделия проходят прессование, а затем обжиг.
Плиты ШПГТ-450 — это легко обрабатываемый, прочный конструкционный изоляционный материал, который успешно используется для постройки печей. Плиты легко режутся обычной ножовкой, а также их можно склеить неорганическим клеем и скрепить металлическими креплениями.
Материал обладает следующими качествами, необходимыми для хорошего функционирования муфеля:
— высокая термостойкость;
— низкая теплопроводность;
— невысокая плотность;
— устойчивость к химическим веществам;
— конструктивная прочность;
— незначительная усадка в процессе эксплуатации;
— легкость обработки;
— электроизоляционные качества;
— негорючесть.
- Металлический уголок 40x40 мм для создания каркаса печи. Для приводимой в пример модели его потребуется порядка 7 метров.
- Металлический уголок 90x90 мм, длиной в 500?600 мм для формирования углублений для установки нагревательных элементов. Вместо уголка можно использовать треугольный напильник. Этот пункт правильнее было бы даже отнести к перечню инструментов.
- Стальной лист толщиной в 1,5?2 мм для обшивки каркаса.
- Теплоизоляционный материал – рулонная или блочная фольгированная базальтовая вата, выдерживающая нагрев до 600 градусов.
- Термостойкий герметик для склеивания плит, способный выдержать температуру как минимум в 1500 градусов.
- Текстолит, на который будут монтироваться крепления спирали.
- Наждачная бумага.
- Проволока для нагревательной спирали в данном случае мастер использовал фехраль Х23Ю5Т-д, диаметром 1,2 мм. Ее по расчетам потребуется около 25 метров. Однако, как уже говорилось выше, для изготовления спирали может быть применен и другой вид проволоки — главное, правильно рассчитать ее диаметр и длину.
- Стальная труба диаметром 12 мм для наматывания спирали.
![Расходные материалы и некоторые элементы будущей электрической схемы печи](https://dc-gold.ru/wp-content/uploads/2018/01/мупе16.jpg)
- Набор приборов и элементов для сборки схемы электрической части печи. Об этом уже рассказывалось выше.
Процесс изготовления муфельной печи – пошагово
В данном разделе статьи будет рассмотрен один из многочисленных вариантов изготовления муфельной печи. Этот пошагово показанный пример, надеемся, поможет яснее определиться с параметрами прибора, а также увидеть основные монтажные операции.
Цены на плиты ШПГТ
* * * * * * *
Если после ознакомления с публикацией вы пришли к выводу, что такая работа вам посильна – беритесь за дело. Правда, очень трезво оценивайте свои возможности – как видно, потребуется выполнение немалого количества разноплановых технологических операций различного уровня сложности. Был приведен лишь пример монтажа. А так каждая конкретная модель должна просчитываться индивидуально. Приобретение всей необходимой электротехнической «начинки» следует производить только после составления проекта и проведения необходимых расчетов.
И, наконец, в завершение публикации предлагаем посмотреть еще один пример создания муфельной печи – в это раз с футеровкой из шамотного кирпича.
Видео: Пример самостоятельного изготовления муфельной печи
https://www.youtube.com/watch?v=gZ-4X7n6P48
Артур
Здравствуйте! очень понравилась ваша статья! Но все же соей печке никак не могу дать ума. не могу толком провести расчеты.
Дмитрий
Очень интересная статья, попробовал рассчитать нагревательный элемент для печки, не получается подобрать проволоку с допустимой удельной мощностью… может я что не так забиваю к калькуляторы… Было бы замечательно увидеть калькулятор который выдавал бы сразу параметры нагревательного элемента (рекомендательные) в зависимости от размеров печки и требуемого диапазона температур. А то у меня при расчетах по первой части получаются нагреватель, который при проверке удельной поверхностной мощности ни как в допустимые не попадает…
Владимир
Здравствуйте Евгений Афанасьевич. Очень объемный и познавательный материал. Спасибо. Вопрос у меня. В муфеле желаю расположить три спирали. Левая стенка, правая стенка и под (дно). В расчетах немного запутался или скорее всего не допонял. Для меня это новое. Как рассчитать каждую отдельную спираль по мощности току и длине. Заранее благодарен. Владимир.