Муфельная печь своими руками
     

Муфельная печь своими руками

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

Муфельная печь своими руками

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

Один из многочисленных примеров самостоятельно изготовленной муфельной печи

  • 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.

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.

Пример распространённой конструкции муфельной печи.

  • 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.

Нагреватели для муфельной электрической печи чаще всего делаются спиральными – навиваются из проволоки с высокими показателями сопротивления и термостойкости.

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÷5300÷500
6÷10120÷300
11÷5080÷120
51÷10060÷80
101÷50050÷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 м³, или 1 дм³, или 1000 см³, или 1000000 мм³.
  • 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 обесечения 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

 
Укажите запрашиваемые значения и нажмите
«РАССЧИТАТЬ МОЩНОСТЬ МУФЕЛЬНОЙ ПЕЧИ И СИЛУ ТОКА НА НАГРЕВАТЕЛЕ»
РАЗМЕРЫ РАБОЧЕЙ КАМЕРЫ МУФЕЛЬНОЙ ПЕЧИ
Высота, мм
Ширина, мм
Глубина, мм

  • 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 ²)Температура разогрева проволочной спирали, °C
2004006007008009001000
Максимальная допустимая сила тока, А
519.65283105124146173206
412.637608093110129151
37.0722.337.554.5647788102
2.54.9116.627.54046.657.566.573
23.1411.719.628.733.839.54751
1.82.541016.924.92933.13943.2
1.62.018.614.42124.52832.936
1.51.777.913.219.222.425.73033
1.41.547.251217.42023.32730
1.31.336.610.915.617.82124.427
1.21.1369.81415.818.721.624.3
1.10.955.48.712.413.916.519.121.5
10.7854.857.710.812.114.316.819.2
0.90.6364.256.79.3510.4512.314.516.5
0.80.5033.75.78.159.1510.812.314
0.750.4423.45.37.558.49.9511.2512.85
0.70.3853.14.86.957.89.110.311.8
0.650.3422.824.46.37.158.259.310.75
0.60.2832.5245.76.57.58.59.7
0.550.2382.253.555.15.86.757.68.7
0.50.19623.154.55.25.96.757.7
0.450.1591.742.753.94.455.25.856.75
0.40.1261.52.343.33.854.455.7
0.350.0961.271.952.763.33.754.154.75
0.30.0851.051.632.272.73.053.43.85
0.250.0490.841.331.832.152.42.73.1
0.20.03140.651.031.41.651.8222.3
0.150.01770.460.740.991.151.281.41.62
0.10.007850.10.470.630.720.80.91
D - диаметр нихромовой проволоки, мм
S - площадь поперечного сечения нихромовой проволоки, мм²

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 мм².

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 Ом×мм²/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 = ρ × L / S

ρ — удельное сопротивление нихромового проводника, Ом×мм²/м;

L — длина проводника, м;

S  — площадь поперечного сечения проводника, мм².

Отсюда недолго получить и интересующую нас в конечном счёте формулу:

L = (U / I) × S / ρ

  • 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 далеее 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.

Фехралевая проволока значительно дешевле и обладает более высокими показателями теплоотдачи. Но по большинству важных критериев все же серьезно проигрывает нихромовой.

Фехралевая проволока значительно дешевле и обладает более высокими показателями теплоотдачи. Но по большинству важных критериев все же серьезно проигрывает нихромовой.

Ниже в таблице приведены значения удельного сопротивления для проволоки различных марок и диаметров:

Марка нихромового сплава, из которого изготовлена проволокаДиаметр проволоки, ммВеличина удельного сопротивления, Ом×мм²/м
Х23Ю5Тнезависимо от диаметра1.39
Х20Н80-Н0,1÷0,5 включительно1.08
0,51÷3,0 включительно1.11
более 31.13
Х15Н60
или
Х15Н60-Н
0,1÷3,0 включительно1.11
более 31.12

Как видно, для проволоки из наиболее распространённых нихромовых сплавов и в диапазоне самых употребляемых диаметров, этот показатель равен 1,11 Ом×мм²/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

Укажите запрашиваемыен значения и нажмите
«РАССЧИТАТЬ ДЛИНУ НАГРЕВАТЕЛЬНОЙ ПРОВОЛОКИ»
Рассчитанное ранее значение силы тока, А
Площадь сечения проволоки, мм²
Марка сплава и диаметр проволоки

  • 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, ммВес погонного метра, гДлина 1 кг, м
Х20Н80Х15Н60ХН70ЮХ20Н80Х15Н60ХН70Ю
0.62.3742.3172.233421.26431.53447.92
0.73.2313.1543.039309.5317.04329.08
0.84.224.123.969236.96242.74251.96
0.95.3415.2145.023187.23191.79199.08
16.5946.4376.202151.65155.35161.25
1.29.4959.2698.93105.31107.88111.98
1.311.14410.87910.48189.7491.9295.41
1.412.92412.61712.15577.3779.2682.27
1.514.83714.48313.95367.469.0571.67
1.616.88116.47915.87659.2460.6862.99
1.821.36520.85620.09346.8147.9549.77
226.37625.74824.80637.9138.8440.31
2.231.91531.15530.01531.3332.133.32
2.541.21340.23138.75924.2624.8625.8
2.851.69750.46648.6219.3419.8220.57
359.34657.93355.81416.8517.2617.92
3.267.52365.91563.50314.8115.1715.75
3.580.77778.85375.96812.3812.6813.16
3.685.45883.42480.37111.711.9912.44
4105.504102.99299.2249.489.7110.08
4.5133.529130.349125.587.497.677.96
5164.85160.925155.0386.076.216.45
5.5199.469194.719187.5955.015.145.33
5.6206.788201.684194.4794.844.955.14
6237.384231.732223.2544.214.324.48
6.3261.716255.485246.1383.823.914.06
6.5278.597271.963262.0133.593.683.82
7323.106315.413303.8743.093.173.29
8422.016411.968396.8962.372.432.52
9534.114521.397502.3221.871.921.99
10659.4643.7620.151.521.551.61

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:

βдоп = βэф × α

βдоп – допустимая удельная поверхностная мощность, Вт/см²

βэф – эффективная удельная поверхностная мощность, зависящая от температурного режима работы муфельной печи.

α – коэффициент эффективности теплового излучения нагревателя.

βэф 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 βэф.

Требуемая температура тепловоспринимающего материала, °СПоверхностная мощность βэф (Вт/cм ²)  при температуре разогрева нагревательного элемента, °С
80085090095010001050110011501200125013001350
1006.17.38.710.312.514.1516.41921.824.928.436.3
2005.97.158.5510.15121416.2518.8521.6524.7528.236.1
3005.656.858.39.911.713.751618.621.3524.527.935.8
4005.26.457.859.4511.2513.315.5518.120.92427.4535.4
5004.55.77.158.810.5512.614.8517.420.223.326.834.6
6003.54.76.17.79.511.513.816.419.322.325.733.7
70023.24.66.258.051012.414.917.720.824.332.2
800-1.252.654.26.058.110.412.915.718.822.330.2
850--1.434.86.859.111.714.517.62129
900---1.553.45.457.7510.31316.219.627.6
950----1.83.856.158.6511.514.518.126
1000-----2.054.36.859.712.7516.2524.2
1050------2.34.87.6510.7514.2522.2
1100-------2.555.358.51219.8
1150--------2.855.959.417.55
1200---------3.156.5514.55
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.

ИллюстрацияВариант расположения спирального нагревательного элементаЗначение коэффициента α
Нагревательная спираль спрятана в ниши футеровки муфельной печи.0,16 ÷ 0,24
Нагревательная спираль заключена в кварцевые трубки и расположена на полочках по стенкам камеры0,30 ÷ 0,36

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/см² — для нихромовой проволоки, и порядка 2,0÷2,4 Вт/см² — 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/см².

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

 
Укажите запрашивемые значения и нажмите
«РАССЧИТАТЬ УДЕЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТНУЮ МОЩНОСТЬ НАГРЕВАТЕЛЯ»
РАСЧЕТНАЯ МОЩНОСТЬ МУФЕЛЬНОЙ ПЕЧИ, кВт
ДИАМЕТР ПРОВОЛОКИ, миллиметров
РАСЧЕТНАЯ ДЛИНА ПРОВОЛОКИ, метров

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

Навивка спирали с помощью несложного приспособления

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) × d;

— для фехралевых спиралей – D = (4÷6) × 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.

Нагревательные элементы, растянутые и разложенные в нишах камеры муфельной печи.

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.

Пример комплекта для создания электротехнической части муфельной печи.

Блок управления печью включает в себя несколько приборов, которые собираются в одну общую схему. К таким составляющим электронной части муфельной печи относятся:

ИллюстрацияОсновное предназначение прибора или элемента схемы
Терморегулятор. В данном случае на иллюстрации представлен регулятор температуры RЕХ-C100, но для разных моделей могут быть использованы разные варианты этого прибора.
Например, «бюджетная» модель терморегулятора, простая в управлении Ш-4501, которую можно поискать и на «вторичном рынке» по объявлениям. Прибор прошел «проверку временем», и хотя по нынешним временам считается уже морально устаревшим – вполне способен справиться с задачей поддержания нужного уровня нагрева в муфельной печи. Есть модели с разными диапазонами измерения температуры нагрева - от 200 и до 1600 градусов.
Термопара – это элемент, который «в реальном времени» измеряет температуру внутри муфеля и передает данные на терморегулятор. Термопара чаще всего устанавливается в заднюю стенку муфельной камеры, в которой для этого просверливается сквозное отверстие. Для муфельной печи подходит термопара с маркировкой ПП, ХА и ХК.
Полупроводниковое твердотельное реле на 25÷40 ампер, которое исполняет коммуникационные функции в цепи управления. Оно чаще всего устанавливается в комплексе с радиатором охлаждения.
Радиатор с закрепленным на нем твердотельном реле.
Один двухклавишный или два одноклавишных выключателя.
При возможности и желании, вместо отдельных приборов, которые потребуется соединять в единую цепь, можно использовать готовый блок питания и управления со встроенным реле и терморегулятором. К нему подключается и нагревательная спираль, установленная в муфеле, и термодатчик (термопара).

Термопара, «рабочая» передняя часть которой находится в муфельной камере, проводится через заднюю стенку.

Вариант расположения термопары внутри муфельной камеры.

Вариант расположения термопары внутри муфельной камеры.

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.

Реле, установленное на задней наружной стенке муфельной печи. Играет основную коммутирующую роль в электрической схеме печи.

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

Пример расположения органов контроля и управления на лицевой стенке муфельной печи

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.

Рекомендуемая электрическая схема при использовании терморегулятора Ш-4501. Но и с другими терморегуляторами принципиальные отличия невелики.

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

Компактная муфельная печь с блоком коммутации и управления на базе терморегулятора Ш-4501

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.

Примерно так может выглядеть «рукописный» чертеж самодельной муфельной печи.

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

Инструментальный «арсенал» готов к началу работ

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

Такое сверло потребуется для проделки ниш для укладки нагревательной спирали

  • «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 130×130×470 мм, мастер использовал следующие материалы:

Плиты ШПГТ-450 – отличный материал для создания рабочей камеры муфельной печи

Плиты ШПГТ-450 – отличный материал для создания рабочей камеры муфельной печи

  • Плиты ШПГТ-450 размером 490 × 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 40×40 мм для создания каркаса печи. Для приводимой в пример модели его потребуется порядка 7 метров.
  • Металлический уголок 90×90 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

Расходные материалы и некоторые элементы будущей электрической схемы печи

  • 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.

ИллюстрацияКраткое описание выполняемых операций
Первым шагом плиты ШПГТ-450 размечаются согласно составленному чертежу и распиливаются ножовкой по дереву.
Чтобы рез получился ровным, его рекомендовано производить, уложив по намеченной линии разметки стальной уголок и крепко прижав его к плите.
Для создания муфеля нужно подготовить шесть деталей – четыре боковых и одна задняя стенка, а также передняя крышка.
Следующим шагом производится примерка боковых стенок муфеля друг к другу — для этого из них «вчерне» собирается камера. При проведении такой предварительной сборки сразу будет видно, где потребуется корректировка плит, так как их поверхности должны как можно плотнее были подогнаны друг к другу.
На этом же этапе определяется и размечается месторасположение нагревательных элементов.
Далее, для лучшей стыковки плит между собой, их необходимо выровнять - этот процесс производится методом затирки, который вполне возможен благодаря низкой плотности материала.
Для выравнивания поверхностей плиту двигают вперед-назад по абразивной поверхности, которую можно создать, надежно закрепив на столе или прочной панели лист наждачной бумаги с крупным зерном.
Таким образом, с плиты снимаются мешающие подгонке неровности.
Следующим шагом по поставленным на торцах плит отметкам определяется месторасположение участков нагревательной спирали, так как для них необходимо будет сделать своеобразные ниши.
Чтобы они были ровными и аккуратными, на плитах вымеряются и прочерчиваются линии.
Следующим шагом по расчерченным линиям с помощью ножовки в плите делаются запилы на глубину в 20 мм, так как диаметр нагревательного элемента в данном варианте будет составлять примерно 14÷14,5 мм.
Расстояние между запиленными линиями будет составлять примерно 120 мм.
Далее, в плитах необходимо просверлить сквозные каналы, которые впоследствии как раз и станут нишами для размещения нагревательных спиралей.
С торцевой стороны плиты нужно найти середину высоты запила - это будет точка, в которую будет установлено острие сверла. С его помощью вдоль запила внутри плиты и будут просверлены сквозные отверстия.
Материал сверлится легко, но очень важно держать инструмент ровно, чтобы сверло не ушло в сторону или вниз.
Затем с помощью стального уголка 90×90 мм производится соединение запилов с внутренними отверстиями, то есть проделанные каналы необходимо «открыть».
Для этого металлический уголок устанавливается своей вершиной в запил, и его перемещают вперед-назад, а при движении он снимает излишек материал двух сторон зазора, оставляя за собой ровные края.
Вместо стального уголка, для открытия высверленных каналов может быть использован треугольный напильник.
Результатом проведенных работ становятся открытые ниши-каналы, в которые и будут укладываться спиральные нагреватели.
В данном случае таких каналов придется сделать четыре, по две на противоположных стенках муфеля. В других моделях нагревательные элементы могут быть расположены не только в боковых стенках, но и в верхней и нижней плите камеры.
Следующим шагом производится примерка подготовленных плит, путем сборки их в единую конструкцию.
При обнаружении слишком широких зазоров на их стыках, поверхности снова притираются.
На этот раз процесс притирки производится по месту их установки, например, вертикально установленную плиту торцевой стороной двигают вперед-назад по сопрягаемой поверхности именно в том месте, где будет находиться их стык.
Аналогичным образом притираются как горизонтальные, так и вертикальные стыки, если они есть.
В результате оставшиеся просветы между деталями камеры должны иметь минимальную ширину. То есть плиты должны прилегать друг к другу как можно плотнее.
Далее, можно переходить к склеиванию плит между собой с помощью жаростойкого герметика, который наносится полностью на всю склеиваемую поверхность.
Герметик лучше всего распределять с помощью шпателя — так слой получится равномерным и будет иметь необходимую толщину.
Когда боковые стенки муфеля будут скреплены, к ним приклеивается задняя.
В результате на стыках плит должны получиться аккуратные швы. Желательно, чтобы излишки герметика как можно меньше выступали в камеру нагрева.
После склеивания, желательно плиты дополнительно скрутить между собой длинными саморезами (скажем, 120 мм).
Это сделать достаточно просто, так как крепежные элементы легко входят в материал плит и довольно надёжно в нем фиксируются.
После склеивания все швы, как внутренние, так и наружные, а также поверхности плит зачищаются с помощью наждачной бумаги.
В результате должна получиться аккуратная, с практически незаметными швами конструкция.
Следующим шагом смонтированный из плит муфель оборачивается фольгированной каменной ватой, которая обеспечит требуемый уровень термоизоляции камеры.
Закрепление материала на плитах производится с помощью термостойкого скотча, который обматывается вокруг утеплительного материала.
Задняя стенка может быть утеплена тем же материалом или же жесткой плитой каменной ваты.
Далее, идет изготовление нагревательной спирали. Для этого на трубу аккуратно накручивается проволока диметром в 1,2 мм.
Процесс производится с помощью специального приспособления. Более подробно об этой операции было рассказано выше.
Результатом работы является аккуратный нагревательный элемент, который неотличим по внешнему виду от заводских изделий.
Но обойдется он гораздо дешевле, нежели приобретать готовый вариант в магазине.
Следующим этапом идет изготовление из стального уголка рамы каркаса, в которую будет установлена уже «одетая» в термоизоляцию муфельная камера.
Чтобы каркас был выполнен точно, и не возникло проблем с установкой в него муфеля, лучше всего заранее составить чертеж конструкции и проставить на нем все размеры, по которым затем и нарезаются отдельные детали.
Каждый мастер-сварщик использует свой способ соединения уголков между собой. В данном случае на краях уголков делаются срезы под углом в 45 градусов. Швы получаются аккуратными и надежными.
Чтобы сварку каркаса было производить легче, для временного скрепления металлических деталей используются специальные магнитные уголки. Эти приспособления фиксируют взаимное расположение металлических элементов конструкции, удерживают их в заданной позиции до капитального скрепления сваркой.
Уголки помогают не только временно скрепить детали каркаса, но и идеально выставить прямые углы в узлах соединений.
После того как металлические детали будут скреплены сваркой, магнитные уголки снимаются.
В тех местах, где временное скрепление элементов каркаса с помощью магнитных уголков по тем или иным причинам невозможно, применяются обычные струбцины.
Задняя часть каркаса изготавливается отдельно, так как предполагается съемной и закрепляться на основной конструкции будет с помощью саморезов.
Чтобы она была установлена жестко, соединительные отрезки уголков, приваренные к ней, при сборке будут находиться с внутренней стороны уголков основной части конструкции.
Для соединения частей каркаса на участках наложения уголков просверливаются сквозные отверстия «под потай», через которые и будут вкручиваться саморезы по металлу.
Когда все элементы каркаса будут готовы, поверхности конструкции рекомендуется сразу обезжирить и покрыть антикоррозийным составом.
Далее, после того как нанесенное защитное покрытие полностью высохнет, каркас «надевают» на покрытую термоизоляцией муфельную камеру.
Камеру устанавливают так, чтобы ее задняя стенка оказалась с незакрытой стороны каркаса.
После этого устанавливается и окончательно фиксируется саморезами задняя часть каркасной рамы.
Чтобы ножки конструкции были устойчивы, и высоту установки прибора можно было подкорректировать, с нижней их стороны привариваются «пятачки», в которых высверливаются отверстия и нарезается резьба.
Сюда будут вкручиваться регулируемые ножки.
В качестве ножек вполне могут быть использованы болты с шестигранной головкой.
Стенки печи обшиваются металлическим листом. Причем он прикручивается не только в области муфеля, но и на ножки конструкции.
Фиксация листа производится с помощью саморезов с широкой шляпкой.
Далее, в муфель в подготовленные ранее ниши раскладывается нагревательный элемент.
Его концы через донную часть или заднюю стенку камеры выводятся наружу для подключения к общей электрической цепи печи.
Следующим этапом работ идет изготовление дверцы печи.
Для нее также из уголка сваривается каркас по определенным чертежом размерам, в который закладывается сначала металлическая пластина, а затем вырезанная плита.
На предыдущем фото видно, что плита дверцы обрамлена металлическими пластинами толщиной в 2 мм.
Они враспор вбиваются между плитой и уголками каркаса, и в процессе дальнейшей эксплуатации надежно предохранят плиту от механических повреждений и раскрашивания.
Дверца закрепляется на основном каркасе печи с помощью воротных стальных петель, которые привариваются к уголку каркаса и дверцы.
При желании можно использовать другой вариант петель. Главное — чтобы они выдержали немалый вес дверцы.
Нужно отметить, что дверцу можно сделать распашной, откидной или подъемной вверх — принципиального значения это не имеет.
Главное, чтобы она плотно притягивалась к муфелю, так как от этого будет зависеть время нагрева камеры и сохранение в ней достигнутой температуры.
На этой иллюстрации показан винтовой механизм притягивания дверцы к корпусу печи.
Здесь же демонстрируется более сложный вариант открывания дверцы – с ее подъемом вверх. Однако, нужно отметить, что данный способ, хотя и имеет более сложный механизм, но менее удобен в эксплуатации.
Часть блока управления чаще всего устанавливается с фасадной стороны печи, под ее дверцей.
Для установки терморегулятора и клавиш выключателя из металлического листа вырезается пластина, в которой, в свою очередь, делаются окошки под размер устанавливаемых приборов.
На пластину устанавливается выключатель и терморегулятор.
Затем эта панель закрепляется с лицевой части на ножках каркаса саморезами.
Соединительные кабели от регулятора температуры и выключателя проводятся под корпусом печи к задней стенке, где располагаются остальные элементы электротехнической схемы питания и управления печью.
В задней стенке просверливается отверстие и для термопары, концы которой также подключаются к приборам управления.
Принцип подключения приборов и элементов электрической схемы был описан выше.
Все соединения должны быть хорошо изолированы. На иллюстрации показано, что соединение контактов произведено через изоляционную текстолитовую пластину, закрепленную на металлических деталях каркаса.
Не забываем про заземление.
Можно непосредственно к корпусу (каркасу), например, на приваренный к нему болт, подсоединить провод заземляющего контура, если он имеется в мастерской.
Другой вариант – контактное соединение корпуса с зеленым (зелено-желтым) проводом кабеля питания, если предусмотрены розетки с заземлением.
После того как электрическая цепь будет собрана, рекомендуется еще раз дополнительно проверить правильность коммутации и качество изоляции.
Затем можно переходить к испытаниям прибора. Сначала лучше всего выставить на терморегуляторе среднюю температуру нагрева. Если испытание пройдет удачно, можно ее повысить до максимальной.
Результат работы – муфельная печь компактного размера с распашной, притягиваемой с помощью винтового замка дверцей.

*  *  *  *  *  *  *

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

Задайте вопрос здесь или на нашем форуме

 

Получай лучшее на почту
Нажимая на кнопку, вы даёте согласие на обработку своих персональных данных

Присоединяйтесь к нашему сообществу

И получите ещё больше идей и лайфхаков по ремонту, дизайну и строительству из наших социальных сетей


Уже 400 000 участников с нами, присоединяйтесь и вы!