Al equilibrar estas variables con las propiedades del material, los diseñadores pueden garantizar una eficiencia, fiabilidad y rentabilidad óptimas. Además, el capítulo incluye pautas detalladas para diseñar elementos de bobinas de alambre y describe tolerancias estándar para dimensiones de alambre y resistencia eléctrica para garantizar precisión y consistencia en la fabricación.
Contenido:
Cálculos de electrodomésticos
Cálculos de hornos
Diseño de elementos de hilo
Cálculos para electrodomésticos
HILO SOPORTADO
La carga superficial del hilo que se utiliza normalmente y, en muchos casos, la carga superficial del elemento, se enumeran en la tabla de tipos de elementos de electrodomésticos. La carga superficial del elemento se define como la potencia dividida entre la parte de la superficie del elemento que está cerca del hilo energizado y, por lo tanto, tiene una temperatura elevada.
Por lo general, en estas tablas se muestra un rango de cargas superficiales en lugar de una sola cifra. La elección dentro de este rango depende de los requisitos del elemento, así como del voltaje, la clasificación y las dimensiones disponibles. Una tensión alta y una potencia baja darán como resultado un hilo delgado, que a la misma temperatura tiene una vida útil más corta que un hilo grueso y, por lo tanto, requerirá una carga superficial de hilo más baja.
TEMPERATURA DEL HILO
Para los tipos de elementos embebidos y soportados, la temperatura del hilo depende tanto del hilo como de la carga superficial del elemento. Para los tipos de elementos suspendidos, la carga superficial del elemento, en la mayoría de los casos, no se puede definir. Además de la carga superficial, factores como la temperatura ambiente, las condiciones de disipación de calor y la presencia y ubicación de otros elementos influirán en la temperatura del hilo que, a su vez, afecta a la elección de las cargas superficiales del hilo y del elemento.
CARGA SUPERFICIAL
Al calcular un elemento, generalmente se conocen el voltaje y la intensidad. Luego, la carga superficial del hilo se elige según las cifras que aparecen en la tabla. Luego, la superficie del hilo se halla como la relación entre la potencia y la carga de la superficie del hilo.
SUPERFICIE Y RESISTENCIA
Después de calcular la resistencia en estado frío, se determina la relación entre la superficie y la resistencia. Esta relación se detalla para todos los tipos y dimensiones de hilos en este manual, lo que permite identificar fácilmente el tamaño de hilo correcto en las tablas.
DIÁMETRO DE LA BOBINA Y DEL ALAMBRE
Se debe calcular la relación entre el diámetro de la bobina y el del alambre (O/d) para garantizar que la bobina se pueda fabricar fácilmente. Idealmente, esta relación debe estar dentro del rango de 5 a 12. Para los elementos soportados, esta relación debe compararse con la curva de deformación en el gráfico . Cuando se conocen la longitud y el diámetro de la bobina, el paso de la bobina se puede estimar utilizando la Fórmula (10) en el Apéndice. Normalmente es de 2 a 4 veces el diámetro del hilo. Para los calentadores de tubo de cuarzo, normalmente se utiliza un paso más pequeño. Las bobinas preoxidadas hechas de Kanthal® FeCrAl en dichos elementos se pueden usar con una ligera bobina.
En el caso de un hilo recto sobre una rejilla roscada y muchos elementos de tipo suspendido, la longitud del hilo es fija. La resistencia por metro se puede calcular y el tamaño del hilo se puede determinar a partir de las tablas de este manual. Si esto genera una carga superficial elevada en la cinta, se puede elegir una cinta más ancha y delgada de la misma sección transversal.
ELEMENTO TUBULAR REVESTIDO DE METAL
El cálculo de un elemento tubular revestido de metal es más complejo porque la resistencia se reduce entre un 10 y un 30% debido a la compresión del elemento. Para dichos elementos, la carga de la superficie del tubo se determina primero de acuerdo con el uso previsto. La carga superficial del hilo es normalmente de 2 a 4 veces mayor. Después de calcular la resistencia a partir de la intensidad y el voltaje, se debe aumentar entre un 10 y un 30 % para llegar a la resistencia después del bobinado. La superficie del hilo se volverá entre un 2 y un 7 % más pequeña cuando se reduzca el elemento. Aunque la longitud del tubo aumenta mediante la compresión por laminación, la superficie del tubo a menudo permanece inalterada.
Cálculos para electrodomésticos: ejemplos
Cálculos de hornos
Los diseñadores de equipos que utilizan materiales de calentamiento por resistencia eléctrica deben determinar qué material y forma satisfarán los requisitos de calentamiento específicos. El enfoque general es comenzar con la temperatura y potencia de funcionamiento requeridas, el voltaje disponible y el espacio para los elementos de calentamiento. Luego se selecciona un material y tipo de elemento adecuados y se realizan los cálculos de los parámetros del elemento. Consulte Propiedades físicas y mecánicas (Aleaciones Kanthal® y aleaciones Nikrothal®) y Factores de diseño (Factores generales y factores específicos del horno).
En esta sección se describen los cálculos de diseño relevantes para elementos de hilo en espiral y elementos de hilo y pletina corrugada. Consulte el Apéndice para obtener símbolos, definiciones y fórmulas detalladas.
Carga superficial del elemento
El aumento de la carga superficial da como resultado una temperatura del elemento más alta en comparación con su entorno. Por tanto, la temperatura máxima admisible del elemento impone un límite a la carga superficial. La carga superficial máxima admisible disminuye con el aumento de la temperatura del horno y depende de factores como la temperatura máxima del elemento, la deformación del elemento y los límites de corriente.
La carga superficial afecta el diseño del elemento de dos maneras opuestas. Si se reduce la carga superficial, se requiere un elemento más grande y más costoso; sin embargo, dicho elemento experimenta un consumo de material más lento, lo que resulta en una vida útil más larga. El objetivo es seleccionar una carga superficial que proporcione un equilibrio óptimo entre la vida útil y el coste del elemento.
La carga superficial de un elemento calefactor, p, es igual a su potencia, P, dividida por su área superficial, A:
\(p = P/A \)
En el sistema métrico, la carga superficial generalmente se expresa en W/cm², y en el sistema imperial, en W/in². La temperatura del elemento es el factor principal en la vida de un elemento y está determinada por su temperatura circundante y la carga superficial. Dado que las aleaciones Kanthal® pueden funcionar a temperaturas más altas que las aleaciones Nikrothal®, pueden lograr una mayor carga superficial con una vida útil equivalente o más larga que Nikrothal®.
Existen tres criterios para determinar la carga superficial máxima:
- Temperatura del elemento
- Estabilidad de forma (especialmente para aleaciones Kanthal®)
- Intensidad de corriente eléctrica
Cuanto más libremente irradie la forma del elemento, mayor será la carga superficial máxima. Por lo tanto, el elemento tipo ROB (Rod Over Bend) puede soportar la carga más alta, seguido por el elemento de pletina corrugada. El tipo espiral, al ser más oculto, tiene una carga superficial máxima menor. Las espirales en tubos pueden soportar una carga mayor que las espirales en ranuras.
Los gráficos a continuación muestran las cargas superficiales recomendadas para las aleaciones Kanthal® y Nikrothal® en hornos industriales. Dado que las aleaciones Kanthal® pueden funcionar a temperaturas más altas que las aleaciones Nikrothal®, se puede aceptar una mayor carga superficial sin poner en peligro la vida útil del elemento. El diseño de elementos también es crucial. Cuanto más libremente radie la forma del elemento, mayor será la carga superficial máxima. Por lo tanto, el elemento de tipo ROB (hilo en ondas, montado en la superficie) puede soportar la carga más alta, seguido del elemento de pletina ondulada.
Los elementos de bobina en tubos cerámicos pueden soportar una carga más alta que los elementos de bobina en ranuras. Los valores en los diagramas de la página 51 se dan para las siguientes condiciones de diseño:
Tipos de elementos A (hilo grueso) y B (pletina):
- Espesor mínimo de la pletina: 2,5 milímetros
- Diámetro mínimo del hilo: 5 milímetros
- Paso mínimo: 50 mm con longitud máxima de onda y carga superficial máxima
Longitud máxima de onda recomendada:
- < 900°C: 300 mm
- 1.000°C: 250 mm
- 1.100°C: 200 mm
- 1.200°C: 150 mm
- 1.300°C: 100 mm
Para diámetros de hilo más finos y espesores de pletina más pequeños, se deben elegir cargas superficiales más bajas y longitudes de onda más cortas para evitar la deformación del elemento y la consiguiente
menor vida útil del elemento.
Tipo de elemento C:
- Elemento de hilo sobre tubo cerámico
- Diámetro mínimo del hilo: 3 milímetros
Tipo de elemento D:
- Elemento de hilo y pletina en ranuras
- Diámetro mínimo del hilo: 3 milímetros
- Espesor mínimo de la pletina: 2 milímetros
Cargas superficiales máximas recomendadas para aleaciones Nikrothal® en hornos industriales
Cargas superficiales máximas recomendadas para las aleaciones Kanthal® A-1, Kanthal® AF y Kanthal® APM en hornos industriales
Nota: Los diagramas son válidos para control con tiristores. Para control con contactores se deben elegir cargas de superficie más bajas (aproximadamente - 20%).
Diseño de elementos de hilo