FILO SUPPORTATO

Il carico superficiale del filo solitamente utilizzato e, in molti casi, il carico superficiale dell'elemento sono elencati nella tabella dei tipi di elementi dell'apparecchio . Il carico superficiale dell'elemento è definito come la potenza divisa per la superficie attiva dell'elemento in filo sotto tensione e che pertanto ha una temperatura elevata.

Solitamente in queste tabelle viene fornita una gamma di carichi superficiali anziché un singolo valore. La scelta all'interno di questo intervallo dipende dai requisiti dell'elemento, nonché dalla tensione, dalla potenza nominale e dalle dimensioni disponibili. Un'alta tensione e un bassa potenza daranno luogo a un filo sottile che, alla stessa temperatura, avrà una durata inferiore rispetto a un filo spesso e pertanto richiederà un carico superficiale inferiore.

TEMPERATURA DEL FILO

Per gli elementi annegati e per quelli supportati, la temperatura del filo dipende sia dal filo stesso che dal carico superficiale dell'elemento. Per i tipi di elementi sospesi, nella maggior parte dei casi non è possibile definire il carico superficiale dell'elemento. Oltre al carico superficiale, fattori quali la temperatura ambiente, le condizioni di dissipazione del calore e la presenza e la posizione di altri elementi influenzeranno la temperatura del filo, che a sua volta incide sulla scelta dei carichi superficiali del filo e dell'elemento.

CARICO SUPERFICIALE

Quando si calcola un elemento, la tensione e la potenza sono di solito noti. Il carico superficiale del filo viene quindi scelto in base ai valori elencati nella tabella. La superficie del filo si ottiene come rapporto tra la potenza nominale e il carico superficiale del filo.

SUPERFICIE E RESISTENZA

Dopo aver calcolato la resistenza allo stato freddo, si determina il rapporto tra la superficie e la resistenza. Nel presente manuale, questo rapporto è elencato per tutti i tipi e i diametri , consentendo la facile identificazione dei fili in tabella.

DIAMETRO SPIRALE E FILO

Per facilità di fabbricazione della spirale occorre calcolare il rapporto tra diametro spirale e filo (O/d). Idealmente, questo rapporto dovrebbe essere compreso tra 5 e 12. Per gli elementi supportati, questo rapporto deve essere confrontato con la curva di deformazione nel grafico . Quando sono noti la lunghezza e il diametro della spirale si può stimare il passo utilizzando la formula (10) nell'Appendice. Normalmente è da 2 a 4 volte il diametro del filo. Per le resistenze in tubo di quarzo, in genere si utilizza un passo più piccolo. Le spirali preossidate in lega FeCrAl Kanthal® utilizzate su questi elementi servono per versioni a passo ridotto.

Per un filo dritto su una barra refrattaria filettata e per molti elementi di tipo sospeso, la lunghezza del filo è fissa. Per il calcolo della resistenza al metro e della dimensione del filo consultare le tabelle del manuale. Se ciò comporta un carico superficiale elevato con il nastro, è possibile scegliere un nastro più largo e con uno spessore più sottile.

RESISTENZE CORAZZATE

Il calcolo di una resistenza corazzata è più complesso perché la resistenza si riduce dal 10 al 30% a causa della compressione dell'elemento. Per tali elementi, il carico superficiale del tubo viene determinato innanzitutto in base all'uso previsto. Il carico superficiale del filo è normalmente da 2 a 4 volte maggiore. Dopo aver calcolato la resistenza in base alla potenza e alla tensione, aumentarla dal 10 al 30% per ottenere la resistenza dopo l'avvolgimento. La superficie del filo diventerà più piccola dal 2 al 7% quando l'elemento viene ridotto. Poiché la lunghezza del tubo aumenta con la compressione da rullatura, la superficie del tubo rimane spesso invariata.

Calcoli per gli elettrodomestici: esempi

Calcoli per forni

I progettisti di apparecchiature che utilizzano materiali resistivi di riscaldo devono determinare quale materiale e quale forma soddisferanno specifici requisiti di temperatura operativa. Di norma si inizia da temperatura operativa e potenza nominale, tensione disponibile e spazio per gli elementi di riscaldo. Si seleziona quindi un materiale e un tipo di elemento adatti, per poi calcolare i parametri degli elementi. Vedere Proprietà fisiche e meccaniche (leghe Kanthal® e leghe Nikrothal®) e Fattori di progettazione (Fattori generali e Fattori specifici del forno)

Questa sezione descrive i calcoli di progettazione per elementi in spirali in filo e elementi a greca in filo e nastro. Vedere l'Appendice per simboli, definizioni e formule dettagliati.

Carico superficiale sull'elemento

Un carico superficiale maggiore determina una temperatura dell'elemento più elevata rispetto all'ambiente circostante. Pertanto, la temperatura massima ammissibile dell'elemento impone un limite al carico superficiale. Il carico superficiale massimo consentito diminuisce con l'aumento della temperatura del forno e dipende da fattori quali la temperatura massima dell'elemento, la deformazione dell'elemento e i limiti di corrente.

Il carico superficiale influenza il design dell'elemento in due modi opposti. Se il carico superficiale viene ridotto, è necessario un elemento più grande e più costoso; tuttavia, tale elemento subisce un consumo di materiale più lento, con conseguente maggiore durata. L'obiettivo è selezionare un carico superficiale che fornisca un equilibrio ottimale tra durata utile e costo dell'elemento.

Il carico superficiale dell'elemento di riscaldo p è uguale alla sua potenza, P, divisa per l'area superficiale A:
\(p = P/A \)

Nel sistema metrico, il carico superficiale è solitamente espresso in W/cm², e nel sistema imperiale, in W/in². La temperatura dell'elemento è il fattore principale della durata, determinato dalla temperatura circostante e dal carico superficiale. Poiché le leghe Kanthal® possono essere utilizzate a temperature più elevate rispetto alle leghe Nikrothal®, possono raggiungere un carico superficiale più elevato con una durata equivalente o superiore a quella delle leghe Nikrothal®.

Esistono tre criteri per determinare il carico superficiale massimo:

• Temperatura dell'elemento
• Stabilità di forma (in particolare per le leghe Kanthal®)
• Corrente

Quanto più la forma dell'elemento è libera di irradiare, tanto maggiore è il valore del carico superficiale applicabile. Quindi l'elemento di tipo ROB (Rod Over Bend) sopporta i carichi più elevati, seguito dall'elemento a greca in nastro.

I grafici sottostanti mostrano i carichi superficiali consigliati per le leghe Kanthal® e Nikrothal® nei forni industriali. Poichè le leghe Kanthal® possono lavorare a temperature più elevate rispetto alle leghe Nikrothal®, possiamo applicare un carico superficiale più elevato senza compromettere la durata dell'elemento. Il design dell'elemento è anch'esso cruciale. Quanto più la forma dell'elemento è libera di irradiare, tanto maggiore è il carico superficiale massimo. Quindi l'elemento di tipo ROB (rod over bend) (filo ondulato pesante a montaggio superficiale), sopporta i carichi massimi, seguito dall'elemento a greca in nastro.

Gli elementi a spirale su tubi ceramici sopportano i carichi maggiori di quelli degli elementi a spirale in piastra scanalata. I valori nei diagrammi a pagina 51 sono forniti per le seguenti condizioni di progettazione:

Tipi di elementi A (filo di grosso diametro) e B (nastro):

• Spessore minimo nastro: 2,5 millimetri
• Diametro minimo filo: 5 millimetri
• Passo minimo: 50 mm, lunghezza max. circuito e carico max. superficie

Lunghezza massima consigliata del circuito:

• < 900°C: 300 mm
• 1000°C: 250 mm
• 1100°C: 200 mm
• 1200°C: 150 mm
• 1300°C: 100 mm

Per diametri di filo e spessori del nastro minori occorre scegliere carichi superficiali e lunghezze di spira inferiori per evitare la deformazione dell'elemento e conseguente
minore durata.

Tipo di elemento C:

• Elemento in filo su tubo ceramico
• Diametro minimo filo: 3 mm

Tipo di elemento D:

• Elemento in filo e nastro in piastra scanalata.
• Diametro minimo filo: 3 millimetri
• Spessore minimo nastro: 2 millimetri

Carichi superficiali massimi consigliati per le leghe Nikrothal® nei forni industriali

Carichi superficiali massimi consigliati per le leghe Kanthal® A-1, Kanthal® AF e Kanthal® APM nei forni industriali

Nota: I diagrammi sono validi per il controllo con tiristore. Per il controllo on-off è opportuno scegliere carichi superficiali inferiori (circa - 20%).

Design degli elementi in filo

Calcoli del filo: esempi