Rafmagnsviðnám nikkelblendis hitaeiningar og viðnámsvíra

Inngangur

Sérhver málmur þolir streymi rafstraums að einhverju leyti-það viðnám, mælt á rúmmálseiningu, er kallað rafviðnám. Fyrir verkfræðinga sem hanna hitaeiningar, viðnám og straum-takmarkandi víra er viðnám ekki aukaeiginleiki: það er aðalhönnunarbreytan sem ákvarðar hversu mikinn vír þarf, hversu heitur frumefnið verður og hversu skilvirkt það breytir raforku í hita.

Nikkel og nikkel-undirstaða málmblöndurhafa sérstöðu á þessu sviði. Hreint nikkel hefur um það bil 6,99 μΩ·cm (microohm-sentimetrar) við stofuhita-um það bil sex sinnum hærra en kopar (1,68 μΩ·cm). Þessi hóflega viðnám, ásamt frábæru oxunarþoli nikkels, gerir nikkel að grunni mest notaðu hitaeiningablendifjölskyldunnar: Nichromes. Nikkelblendi eins og Inconel 600, Incoloy 800 og Hastelloy C276 framlengja þennan grunn með viðnámsgildum á bilinu 100-130 μΩ·cm, sem gerir þau tilvalin fyrir nákvæmnisviðnám við hitastig sem er langt umfram það sem kopar eða ál þolir.

Þessi handbók svarar þeim spurningum sem verkfræðingar, innkaupasérfræðingar og nemendur spyrja mest: Hver er viðnám nikkelblendisins míns? Hvernig breytir hitastig því? Hvaða málmblöndu ætti ég að nota fyrir hitaeiningu og hverja fyrir nákvæmni viðnám? Hvernig stærði ég viðnámsvír? Öll svör fylgja niðurstöðu-fyrsta sniði til að auðvelda gervigreindartilvitnun og útdráttur útdráttar frá Google.

Lykill sem hægt er að taka með: Fyrir hitaeiningar yfir 500°C, tilgreinið Nichrome (NiCr) eða Inconel 601 (viðnám 103-108 uOhm-cm, hámark 1150-1200°C). Fyrir nákvæmni viðnám við hóflegt hitastig, tilgreinið Inconel 600, Incoloy 800 eða Hastelloy C276 (viðnám 98-130 uOhm-cm, TCR 0,0001-0,0002). Tilgreinið Manganin eða Constantan (viðnám 440-490 uOhm-cm, TCR nálægt núlli fyrir kryogenic eða stöðuga nákvæmni viðnám).

Hvað er rafviðnám og hvers vegna skiptir hitastig máli?

Rafviðnám (ρ, rho) er mælikvarði á hversu sterkt efni er á móti flæði rafstraums, gefið upp í ohm-metrum (Ω·m) eða míkróóm-sentimetrum (μΩ·cm). Hærri viðnám þýðir að efnið þolir meira straum og breytir meiri raforku í hita á hverja lengdareiningu. Hugsaðu um það eins og núning í vatnspípu: há-núningspípur þurfa meiri dæluþrýsting (spennu) til að hleypa sama magni af vatni (straumi) í gegn og umbreyta meiri orku í hita í leiðinni.

Sambandið milli viðnáms (R), viðnáms (ρ), lengdar (L) og þversniðsflatarmáls (A) er:

R = ρ × (L / A)

Þetta þýðir að fyrir tiltekið viðnámsgildi þarf efni með mikla viðnám minni lengd en efni með lágt viðnám-og þess vegna nota hitaeiningar nikkelblendi í stað kopars. Sama hitunaraflið er hægt að ná með styttri, þéttari vír.

Hvernig hefur hitastig áhrif á viðnám nikkelblendis?

Viðnám flestra málma eykst línulega með hitastigi-eiginleika sem kallast hitastigsviðnámsstuðull (TCR, alfa). Fyrir nikkel málmblöndur eru TCR gildi á bilinu nálægt -núlli (Manganín: 0,00001/K) til miðlungs (hreint nikkel: 0,0067/K). Þetta þýðir að hitaeining úr Inconel 600 mun auka rafviðnám sitt um u.þ.b. 0,02% fyrir hverja gráðu á Celsíus hækkun á hitastigi-sem hefur mikil áhrif á stöðugleika aflgjafans þegar einingin hitnar. Málmblöndur með lágum TCR (Inconel 625: 0,000129/K) veita stöðugri viðnám yfir hitasveiflum, sem er mikilvægt fyrir nákvæmni viðnám.

Hvers vegna eykst viðnám með hitastigi?

Í málmum flæðir rafstraumur í gegnum kristalgrind efnisins þegar frjálsar rafeindir reka á milli atóma. Þegar hitastig hækkar titra frumeindirnar orkumeiri-þessi titringur dreifir rafeindunum oftar, dregur úr meðallausri leið milli árekstra og eykur virka viðnám gegn straumflæði. Þetta er ástæðan fyrir því að viðnám allra hreinna málma eykst með hitastigi. Nikkelblöndur vega að hluta til á móti þessu með blöndun sinni: vísvitandi innleiðing króms, mólýbdens og annarra þátta í fastri lausn skapar dreifingarstöðvar sem eru þegar til staðar við stofuhita, svo að bæta við nokkrum hundruðum gráðum framleiðir minni hlutfallslega breytingu-þaraf lægri TCR á Inconel 600 á móti hreinu nikkeli.

✔ Hreint nikkel (TCR 0,0067/K): 67% viðnám aukning á 100 gráður C. Ekki notað fyrir nákvæmni eða stöðuga upphitun.

✔ Níkróm (TCR 0,0001/K): Aðeins 1% aukning á 100 gráður C. Þessi nærri-stöðugleiki er ástæðan fyrir því að það er alþjóðlegur staðall fyrir hitaeiningar.

✔ Manganín (TCR 0,000001/K): 0,01% á 100 gráður C. Notað í staðlaða viðnám og kvörðunarbúnað. Hentar ekki til upphitunar.

✔ Viðnám Inconel 625 vírs við 800°C: um það bil 129 x (1 + 0.000129 x 800)=142.3 uOhm-cm, 10,3% aukning frá stofuhita.

Hvernig hefur köld vinna (köld aflögun) áhrif á viðnám?

Ályktun: Kaldavinnsla (beygja, teikna, velta) eykur losunarþéttleika í kristalgrindum nikkelblendis, sem eykur viðnám um um það bil 2-5% í mjög köldu-vinnu ástandi. Þetta hefur hagnýtar afleiðingar: viðnámsvír sem hefur verið mikið dreginn til að minnka þvermál hans mun hafa aðeins hærri viðnám en sami vír í glæðu ástandi. Fyrir nákvæmni viðnám, tilgreinið alltaf glóðað (lausnmeðhöndlað) ástandið og mælið viðnám eftir endanlega hitameðferð til að tryggja samkvæmni.

Rafmagnsviðnám nikkelblendis: Heildargagnatafla

Viðnám í nikkelblendi eykst í grófum dráttum við magn málmblöndunnar í föstu lausninni. Incoloy 800 (38% Fe, 32% Ni, 21% Cr) hefur lægsta viðnám meðal háu-nikkelblendisins við ~98 μΩ·cm vegna þess að það inniheldur mest járn-sem hefur lægra viðnám en nikkel. Hastelloy C276 (jafnvægi Ni, 16% Mo, 15% Cr, 4% W) hefur það hæsta við ~130 μΩ·cm vegna þess að mjög hátt mólýbden- og wolfram innihald bætir við verulegum dreifingarstöðvum. Nichrome fjölskyldan (NiCr 80/20) situr við ~108 μΩ·cm-sætur staður fyrir hitaeiningar þar sem miðlungs viðnám og framúrskarandi oxunarþol sameinast.

Af hverju hefur Hastelloy C276 hærri viðnám en Inconel 625?

Hitaefnisnotkun: Hvaða nikkelblendi fyrir hvaða hitastig?

Kröfurnar fimm sem gerðar eru til álfelgurs hitaeininga eru, í mikilvægisröð: (1) mikil viðnám (til að lágmarka vírlengd), (2) frábært oxunarþol við vinnsluhitastig (til að koma í veg fyrir niðurbrot), (3) nægjanlega háan-hitastyrk (til að standast lafandi og skrið), (4) stöðugt viðnám yfir hitastigi (fyrir stöðugan aflkostnað) og (5) Engin einstök málmblöndur fínstillir allar fimm-og þess vegna ráða mismunandi málmblöndur mismunandi hitastigssvið.

Hvaða nikkelblendihitunarefni ætti ég að tilgreina fyrir hvert hitastig?

Ákjósanlegur hitunareiningur fer eftir rekstrarhitastigi: undir 600 gráður, Nichrome (NiCr 80/20) er alþjóðlegur staðall; 600-1000 gráður, Inconel 601 eða Inconel 625 eru valin; yfir 1000 gráður, Kanthal A/APM eða Inconel 601 með súrálmyndandi tækni eru notuð. Hastelloy málmblöndur eru ekki notaðar til að hita þætti þrátt fyrir mikla viðnám vegna þess að vélrænni styrkur þeirra yfir 540 gráður er ófullnægjandi fyrir álag á upphengdum vír.

Af hverju er Nichrome staðallinn fyrir hitaeiningar og hver eru takmörk hans?

Nichrome (NiCr 80/20, UNS N06003) er alþjóðlegur staðall fyrir rafhitunareiningar vegna þess að hann sameinar á einstakan hátt fjóra mikilvæga eiginleika: (1) viðnám 108 μΩ·cm-nóg hátt fyrir þétta vírhönnun; (2) TCR sem nemur aðeins 0,0001/K-afköstum breytist aðeins um 1% fyrir hverja 100 gráðu hitahækkun; (3) hámarks þjónustuhiti 1150 gráður í lofti; og (4) getu til að mynda verndandi Cr2O3/NiO kvarða sem endurnýjast eftir hitauppstreymi. Takmörk þess eru: vélrænni styrkur lækkar verulega yfir 900 gráður, og það er ekki hægt að nota það til að draga úr andrúmslofti (vetni, sundrað ammoníak) vegna þess að hlífðaroxíðkvarðinn mun ekki myndast.

✔ Nichrome 80/20: 80% Ni + 20% Cr. Viðnám 108 uOhm-cm. TCR 0,0001/K. Hámark 1150°C loft. Vinnuhestur heimilis- og iðnaðarhitunareininga (brauðristar, ofna, ofna).

✔ Nichrome 70/30: 70% Ni + 30% Cr. Viðnám 107 uOhm-cm. TCR 0,00006/K. Hámark 1200°C loft. Betri viðloðun við háan hita; notað í þungaiðnaðarofna og keramikofna.

✔ Inconel 601 vs Nichrome: Inconel 601 hefur 23% Cr (á móti 20% í NiCr 80/20) auk 1,4% Al, sem gefur betri hringlaga oxunarþol. Inconel 601 er ákjósanlegt fyrir hitakerfisbundnar hitaeiningar (ofna með tíðri upphitun/kælingu).

✔ Kanthal A vs Nichrome: Kanthal (FeCrAl álfelgur) hefur viðnám 139 uOhm-cm og hámarkshiti 1350 gráður C á móti níkrómi 1150 gráður C. Kanthal myndar Al2O3 kvarðann (á móti Cr2O3 fyrir NiCr), sem gefur stiga 1200+ oxun er C. en Kanthal járn-undirstaða og brothættari.

⚠ Mikilvæg viðvörun: Hastelloy málmblöndur (C276, C22, B2) hafa framúrskarandi tæringarþol en EKKI er mælt með því fyrir hitaeiningar vegna þess að: (1) þau missa vélrænan styrk yfir 540 gráður C, (2) mólýbdeninnihald þeirra veldur því að hlífðaroxíðhleifurinn rokkar upp yfir 8027 C, í (8027 C) óstöðugt í oxandi andrúmslofti yfir 900°C.

Hvernig hefur umhverfi hitaeiningarinnar áhrif á álfelgur?

Viðnámsvír og nákvæmni viðnám forrit

Nákvæmni viðnámsvír hefur í grundvallaratriðum mismunandi kröfur frá hitaþáttum: aðalmarkmiðið er stöðugt viðnám yfir hitastigi og tíma, ekki hátt hitastig. Lykilkröfurnar fjórar eru: (1) stöðugt viðnám yfir hitastigi (TCR eins nálægt núlli og mögulegt er), (2) lágt hitauppstreymi EMF gegn kopar (mikilvægt fyrir nákvæma mælingu), (3) stöðugt viðnám yfir tíma (engin rek eða öldrun) og (4) mikil viðnám til að leyfa þétta spóluhönnun. Nikkel málmblöndur með TCR gildi 0,0001-0,0002/K (Inconel 600/625, Hastelloy C276) eru ákjósanlegur kostur fyrir nákvæmni viðnám og rheostats í iðnaðartækjabúnaði.

Hvaða nikkelblendi er best fyrir-straumtakmarkandi viðnám og öryggi?

Strauma-takmarkandi viðnám og öryggisþættir krefjast málmblöndur sem þola hitaálag frá bilunarstraumum án þess að bráðna eða missa stöðugleika viðnáms. Inconel 625 og Hastelloy C276 eru ákjósanlegir fyrir há-straumnákvæmniviðnám vegna þess að mikil viðnám þeirra (129-130 μΩ·cm) gerir styttri, þéttari þættir kleift og há bræðslumark þeirra (Inconel 625: 1290-) veita hámarkshitastigið 1350 gráður. Fyrir staðlaða straumtakmarkandi notkun undir 500 gráður er Inconel 600 hagkvæmur kosturinn.

Hvernig virkar Inconel 600 sem viðnámsvír miðað við Manganin og Constantan?

Ályktun: Inconel 600 (UNS N06600) er besta almenna-nikkelblendi fyrir iðnaðarviðnámsvíra og rheostats, sem býður upp á viðnám 103 μΩ·cm, TCR 0,00013/K og hámarks þjónustuhitastig upp á 1095 gráður. Manganín (Cu84Mn12Ni4) og Constantan (Cu55Ni45) hafa yfirburða TCR-afköst (nálægt -núll) en takmarkast við hitastig undir 80 gráður og 200 gráður í sömu röð- sem gerir þau óhentug fyrir hvers kyns notkun sem felur í sér verulega upphitun. Inconel 600 er valið úr nikkelblendi þegar viðnámið mun starfa við hærra hitastig eða í ætandi umhverfi.

Stærð vír og útreikningar á afköstum fyrir nikkelblendihitunarefni

Fyrir tiltekið hitunarafl (P, í vöttum) og spennu (V, í voltum) er nauðsynleg viðnám R=V² / P. Þegar R er þekkt er nauðsynleg vírlengd L=R × A / ρ, þar sem A er þvermálsflatarmál vírs- og ρ er viðnám málmblöndunnar. Til dæmis þarf 1000W hitaeining sem starfar við 240V R=240²/1000=57.6 Ω. Notkun Nichrome (NiCr 80/20) með ρ=108 μΩ·cm og 0,5 mm þvermál vír (A=0.196 mm²=0.00196 cm²): L=57.6 × 0,00196 / (108 × 10⁻⁶}) {{20.} metrar

Hvað er wattaþéttleiki og hvers vegna skiptir það máli fyrir hönnun hitaeininga?

Wattþéttleiki (W/cm²) er aflmagn á hverja flatarmálseiningu hitavírsins, reiknað sem P deilt með heildaryfirborðsflatarmáli vírsins (ekki bara þversniðið). Mikill wattaþéttleiki þýðir að yfirborð vírsins er mjög heitt miðað við stærð sína-sem flýtir fyrir oxun, dregur úr líftíma frumefna og getur valdið ótímabæra bilun. Hver álfelgur hefur ráðlagðan hámarks wattaþéttleika sem fer eftir rekstrarhitastigi og alvarleika umhverfisins.

⚠ Hönnunarviðvörun: Nichrome 80/20 vír með wattaþéttleika yfir 15 W/cm2 við 800°C mun bila innan 1000 klukkustunda. Athugaðu alltaf málmblöndur-sértækar wattaþéttleikatöflur frá álframleiðanda áður en þú lýkur vali á vírmæli.

Algengar spurningar

Við 20°C hefur Inconel 625 (129 uOhm-cm) 19% hærri viðnám en Nichrome 80/20 (108 uOhm-cm). Við 800 gráður á C hækkar Inconel 625 upp í um það bil 142 uOhm-cm (á móti Nichrome 80/20 við 116 uOhm-cm, 22% munur), vegna þess að Inconel 625 hefur hærri TCR (0,000129/K á móti 1,000129/K á móti 1,000 grunnstöðu) og hærra grunngildi fyrir Nikróm. Þetta þýðir að fyrir sama vírmæli mun Inconel 625 frumefni hafa um það bil 19-22% hærri viðnám en Nichrome frumefni við vinnsluhita. Hins vegar getur Inconel 625 starfað við 980 gráður C í lofti á móti Nichrome 80/20 við 1150 gráður C, sem gerir Nichrome að betri kostinum fyrir notkun við mjög háan hita þar sem tæringarþol er fullnægjandi.

Er hægt að nota Hastelloy málmblöndur sem hitaeiningar?

Almennt er EKKI mælt með Hastelloy málmblöndur (C276, C22, B2) til notkunar í hitaeiningum þrátt fyrir mikla viðnám (130 uOhm-cm fyrir C276), fyrst og fremst af tveimur ástæðum: (1) Vélrænni styrkur lækkar verulega yfir 540 gráður C, sem gerir þeim hætt við að lafna og skríða í upphengdum vírum. (2) Mólýbden og wolfram í Hastelloy C276/C22 mynda rokgjörn oxíð yfir 800 gráður C í lofti, sem rýra yfirborð vírsins smám saman og dregur úr líftíma frumefna. Eina undantekningin: Hastelloy C276 er hægt að nota fyrir hitaeiningar í ætandi umhverfi undir 540 gráðum C þar sem 316L eða 304L myndu bila og þar sem aukakostnaður er réttlættur með tæringarárangri. Fyrir venjulegan háan-hita skal tilgreina Nichrome eða Inconel 601.

Hvernig hefur kaldvinnsla áhrif á viðnám nikkelblendiviðnámsvírs?

Köldvinnsla eykur viðnám í nikkelblendi um um það bil 2-5% í mjög köldu-vinnu ástandi, vegna aukinnar tilfærsluþéttleika sem dreifir leiðandi rafeindum. Fyrir Inconel 625 eykst viðnám úr 129 uOhm-cm (glæðið) í um það bil 133 uOhm-cm (50% kaldvinnið). Fyrir nákvæmni viðnám, tilgreinið nikkel álviðnámsvír í lausninni-glæðu ástandi og endurglæðið eftir allar mótunaraðgerðir sem eykur losunarþéttleikann. Fyrir hitaeiningar þar sem viðnám er stillt af vírlengd (ekki viðnám), hefur kaldvinnsla engin hagnýt áhrif á frammistöðu þar sem hönnuðurinn tilgreinir heildarrásarviðnám beint.

Hver er hámarksspenna sem nikkelblendihitunarefni getur örugglega starfað á?

Það er engin alhliða hámarksspenna fyrir hitaeiningar úr nikkelblendi- takmarkandi þátturinn er rafsviðsstyrkur (volt á metra, V/m) við yfirborð vírsins, sem ákvarðar hvort ljósbogi eða yfirborðsrof á sér stað í umhverfismiðlinum. Í lofti við andrúmsloftsþrýsting er öruggt rafsvið fyrir sléttan NiCr vír um það bil 2000-3000 V/m. Í lofttæmi getur það verið 10x hærra. Í MgO-einangruðum skothylkihitara setur niðurbrotsspenna þjappaðs MgO (u.þ.b. 10-15 kV/mm þegar það er þurrt) mörkin. Fyrir iðnaðarvinnsluhitara er hámarks hlífðarspenna venjulega 480V eða 600V AC samkvæmt IEEE/NEC stöðlum fyrir vinnsluhitunarbúnað. Tilgreinið alltaf keramikeinangruð tengi og jarðtengd málmslíður fyrir ofna sem starfa yfir 50V í iðnaðaraðstöðu.

Hvers vegna hefur manganín nærri-núll TCR og hvers vegna er það ekki notað fyrir hitaeiningar?

Manganín (Cu84Mn12Ni4) hefur nærri-núll TCR vegna þess að hitastig-háð viðnámsaukning frá kopar- og nikkelhlutunum er næstum nákvæmlega stöðvuð vegna hitastigs-háðrar viðnámslækkunar frá manganhlutanum-, skammtameðræn áhrif sem kallast "Mannjöfnun". Á atómstigi veldur uppbygging mangan-sd-rafeindabanda viðnám þess lítillega minnkandi með hitastigi (ólíkt flestum málmum), sem bætir upp eðlilega aukningu frá Cu og Ni. Manganín er ekki notað fyrir hitaeiningar vegna þess að: (1) hámarkshitastig þess er aðeins 80 gráður C (200 gráður í hámarki í stuttan tíma), (2) yfir 200 gráður C, manganið oxast skelfilega og (3) við hærra hitastig brotna TCR-jöfnunaráhrifin niður og viðnámið verður ófyrirsjáanlegt. Manganín er eingöngu notað fyrir nákvæmnismælingar, staðlaða viðnám og kvörðunarbúnað þar sem stöðugleiki hitastigs við umhverfisaðstæður er mikilvægur.

Hvernig er Inconel 600 samanborið við Incoloy 800 fyrir viðnámsvír í iðnaðar rheostats?

Inconel 600 (viðnám 103 uOhm-cm, TCR 0,00013/K, hámark 1095 gráður C) er ákjósanlegur fram yfir Incoloy 800 (viðnám 98 uOhm-cm, TCR 0,00023/K, hámarks viðnám í iðnaði og 815 breytilegum viðnámum) fyrir flestar viðnám. Inconel 600 hefur: hærra viðnám (103 á móti 98 uOhm-cm, 5% kostur), lægri TCR (0,00013 á móti 0,00023, sem þýðir 43% minna viðnámsrek á gráðu C), og hærra hámarkshitastig (1095 á móti 815 gráðum C, sem gefur 280 gráður á C). Incoloy 800 er aðeins valinn í einni atburðarás: þegar hitastillirinn starfar við hitastig á bilinu 400-800°C og hærra járninnihaldið 800 (46% Fe á móti 8% Fe í Inconel 600) veitir kostnaðarhagræði. Fyrir róttafla sem starfa undir 400°C eru Manganin eða Constantan hagkvæmari val ef TCR er aðal áhyggjuefnið.