金屬管狀電熱元件的滾珠絲桿設(shè)計(jì)程序較為復(fù)雜，相關(guān)參數(shù)較多，要合理最優(yōu)化的確定電阻絲綜合數(shù)據(jù)，往往需要反復(fù)計(jì)算，而這些參數(shù)的計(jì)算又是一環(huán)套一環(huán)，所以說(shuō)最佳方案的確定必須花費(fèi)一定精力和時(shí)間。因此說(shuō)如何快速計(jì)算品牌，提高工作效率也是電熱制造行業(yè)廣大技術(shù)人員的共同愿望。
　　1、電阻加熱基本原理及相關(guān)內(nèi)容
　　將電能轉(zhuǎn)換為熱能，并加以利用是電學(xué)中的一個(gè)重要效應(yīng)。
　　其以電轉(zhuǎn)化為熱的方式也是多種的，有等離子加熱、電子束加熱、電弧加熱、感應(yīng)加熱和電阻加熱(不單純限于電阻絲加熱)。
　　1.1電阻加熱：利用導(dǎo)體的電阻而產(chǎn)生熱量在相關(guān)媒界物質(zhì)的輔助下加熱各種物質(zhì)是電阻加熱的基本原理和工作原理。電阻加熱的依賴材料有多種，但是以合金電阻絲作為發(fā)熱材料是用途最廣泛的主流材料，而作為金屬管狀電熱體的電熱絲材料基本以鎳鉻Ni-Cr，鐵鉻鋁Fe-Cr-AL和帶鉬的鉻鋁Cr-AL-Mo為主要材料。對(duì)合金電阻絲最基本的條件和技術(shù)要求有：電阻率、電阻值的均勻性、化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性、高溫強(qiáng)度等。
　　1.2電阻絲的相關(guān)參數(shù)
　　1.2.1電阻率
　　電阻絲的電阻率又稱電阻系數(shù)或比電阻，它是表示導(dǎo)體抵抗電流通過(guò)特性的一個(gè)電氣參數(shù)，導(dǎo)體的電阻率同電阻間的關(guān)系如下：
　　R=ρC/S
　　R—導(dǎo)體的電阻Ω
　　L—導(dǎo)體的長(zhǎng)度m
　　S—導(dǎo)體的橫斷面積(截面積)mm2
　　ρ—導(dǎo)體的電阻率μΩ.m
　　電阻率同合金的化學(xué)成份、金相結(jié)構(gòu)、工作溫度相關(guān)，是計(jì)算不同規(guī)格電阻絲米電阻值的重要數(shù)據(jù)。所以說(shuō)我們可以通過(guò)以上公式，只要知道其材質(zhì)的電阻率，就可以隨時(shí)計(jì)算出各種規(guī)格電阻絲的米電阻(每米長(zhǎng)度的電阻值)。
　　1.2.2電阻絲的溫度系數(shù)
　　合金電阻絲隨著溫度的變化其電阻值(電阻率)也進(jìn)行變化，這個(gè)變化的數(shù)值稱之為電阻溫度系數(shù)。在工作溫度下的電阻率Pt與20℃時(shí)的電阻率P20之比稱之為電阻率修正系數(shù)，其關(guān)系式如下：
　　Ct=Rt/R
　　Ct—溫度為℃時(shí)電阻溫度系數(shù)
　　Rt—溫度為t時(shí)的電阻值
　　R—溫度常溫狀態(tài)下的電阻值
　　如果已知某種牌號(hào)電阻絲Ct(電阻溫度系數(shù))那么就可以利用以上關(guān)系式計(jì)算出不同溫度時(shí)的電阻值。
　　電阻絲的溫度系數(shù)在管狀電熱元件設(shè)計(jì)時(shí)是一個(gè)重要參數(shù)，直接影響產(chǎn)品的功率大小，實(shí)際工作中要參考上圖的大致變化曲線，同時(shí)要結(jié)合元件的實(shí)際工作狀況進(jìn)行模擬測(cè)試，即在常溫狀態(tài)下電阻值與工作溫度下的阻值之比，根據(jù)這個(gè)系數(shù)(實(shí)測(cè))確定常溫狀態(tài)下的電阻值。(這里指成品電阻值)
　　1.2.3表面負(fù)荷
　　絲表面負(fù)荷是指電熱絲的展開(kāi)總長(zhǎng)度的單位表面積所擔(dān)負(fù)的電功率值W/cm2。通常情況下元件的工作條件越差(散熱條件差)，絲表面負(fù)荷應(yīng)選擇越小，反之元件的工作條件較好(散熱條件好)絲表面負(fù)荷相對(duì)可以選擇稍大，當(dāng)然散熱條件取決于加熱物質(zhì)、物體的大小、流體的流動(dòng)、空氣的風(fēng)速等等條件，如果說(shuō)單純以加熱介質(zhì)來(lái)定管表面負(fù)荷和絲表面負(fù)荷這是不全面的。比如說(shuō)加熱元件功率是一樣，但是鑄造在1Kg鋁材和鑄造在3Kg材料中其散熱條件是不一樣。又如說(shuō)同樣是流動(dòng)空氣加熱風(fēng)速不一樣其效果是不一要的。所以在考慮加熱介質(zhì)的同時(shí)考慮其它條件來(lái)決定絲表面負(fù)荷才是可靠的。
　　電阻絲的表面負(fù)荷計(jì)算式為：
　　W/cm2=P/(D.л.L)
　　式中W/cm2—絲表面負(fù)荷
　　P—電功率
　　D—電阻絲直徑
　　L—展開(kāi)長(zhǎng)度
　　1.2.4繞制圈徑
　　根據(jù)管狀電熱元件中的額定電壓、額定功率、加熱介質(zhì)條件及所選擇確定的絲表面負(fù)荷后，確定電阻絲規(guī)格并合理地、科學(xué)地組裝固定到電熱元件中央。要達(dá)到這一目的就必須要對(duì)電阻絲進(jìn)行螺旋圈繞制(特殊的極少數(shù)產(chǎn)品不需要繞制)。在其它條件不變的情況下，合理選擇繞制芯棒，達(dá)到理想圈徑的電熱絲也是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要內(nèi)容，具體如下：
　　A.繞制圈徑不宜太大、太大了會(huì)使電阻絲與金屬管的距離減小，這樣會(huì)降低元件的絕緣耐壓性能。其次圈徑太大會(huì)使電阻絲的機(jī)械張力(彈力)減小，這樣在加粉過(guò)程易帶來(lái)電阻絲下垂現(xiàn)象，從而帶來(lái)成品發(fā)熱不均勻結(jié)果。當(dāng)然有時(shí)用戶來(lái)圖對(duì)引出棒的直徑要求就是大一點(diǎn)，那么我們?nèi)匀灰哉w性能考慮，應(yīng)該什么樣的圈徑就是什么樣的圈徑，寧可把引出棒與電阻絲連接的一端減小直徑(見(jiàn)圖)進(jìn)行連接，也不可以影響繞制圈徑的合理性。
　　B.圈徑不宜太小，繞制圈徑太小了會(huì)降低電阻絲產(chǎn)生的熱量不能快速地傳遞到金屬管外殼。由于不能快速地傳遞熱量，那必然會(huì)帶來(lái)自身溫度增高，從而縮短了產(chǎn)品的壽命。其次，對(duì)于少數(shù)特殊的產(chǎn)品，發(fā)熱區(qū)還很長(zhǎng)，但是功率并不大，如果按照正常熱負(fù)荷計(jì)算電阻絲往往是在繞制后密繞長(zhǎng)度太短，拉開(kāi)后絲距太大，好像就逼著往繞制芯棒減小方面發(fā)展，其實(shí)大有不必，完全可以把電阻絲選擇再大一點(diǎn)，或者采用雙絲繞制，這樣即可解決這一矛盾。
　　從目前大多數(shù)廠家設(shè)計(jì)中對(duì)電阻絲與芯棒之間的選擇大致是：
　　4
　　D-芯棒直徑
　　d-電阻絲直徑
　　1.2.5繞制距離
　　螺旋電阻絲每圈之間必須有一定的距離，這個(gè)距離我們稱之為絲距(節(jié)距)。絲距是電熱元件在設(shè)計(jì)時(shí)所考慮一個(gè)極其重要參數(shù)，它對(duì)產(chǎn)品的發(fā)熱均勻性，填料密實(shí)度及產(chǎn)品壽命影響很大。通常情況下我們習(xí)慣把絲距的說(shuō)法定為是電阻絲直徑的倍數(shù)來(lái)進(jìn)行。
　　A.絲距不宜太小，太小了危險(xiǎn)之一是會(huì)使電阻絲所產(chǎn)生的熱量不能快速地傳遞到金屬管外殼，導(dǎo)致電阻絲自身溫度升高，這樣易降低電性能。危害之二是產(chǎn)品在制作過(guò)程中，在加粉時(shí)帶來(lái)“分篩”現(xiàn)象，即產(chǎn)品在填料加粉時(shí)，氧化鎂粉不能充分地密實(shí)地填入到圈徑內(nèi)，因?yàn)槊軐?shí)的電阻絲成了一層“篩子”擋住了鎂粉進(jìn)入到螺旋圈中間去。由于這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，同樣會(huì)帶來(lái)電阻絲自身溫度升高，燒毀電阻絲周圍的氧化鎂降低電性能，縮短產(chǎn)品壽命。
　　B.絲距也不是越大越好
　　一般情況下絲距大一點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品的性能是有益的，但是也不是無(wú)限地大。如果絲距大到一定的范圍時(shí)將會(huì)帶來(lái)斷絲現(xiàn)象(小直徑電阻絲最易有這種現(xiàn)象)?；螂娮杞z絲徑減小現(xiàn)象。所以說(shuō)，要適當(dāng)選擇絲距比。通常情況下應(yīng)以以下數(shù)據(jù)為好。
　　2.5
　　S—絲距
　　d—電阻絲直徑
　　注意：這里提示對(duì)<Φ0.2mm，電阻絲的下限有時(shí)要考慮必須大于2.5倍了(或更大些)。
　　2、快速計(jì)算電阻綜合參數(shù)的技巧
　　管狀電熱元件的設(shè)計(jì)中電阻絲設(shè)計(jì)優(yōu)劣對(duì)其整體產(chǎn)品性能和材料的消耗有著密切的影響。能掌握一些快速設(shè)計(jì)的技巧無(wú)疑對(duì)提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量將會(huì)起到積極的作用。
　　2.1技巧之一，快速計(jì)算出任何規(guī)格的米電阻
　　大家知道電阻絲的米電阻是電熱絲設(shè)計(jì)綜合參數(shù)中最基本參數(shù)，無(wú)論是絲表面負(fù)荷，還是電阻絲絲距都離不并首先要考慮電阻絲的米電阻為前題。對(duì)于常用幾個(gè)規(guī)格的電阻絲米電阻應(yīng)該說(shuō)能夠記住，但是如果所有規(guī)格電阻絲能記住可能不太容易。前面已敘，只要記住某種牌號(hào)的電阻絲的電阻率也能算出，但是要算出這個(gè)值仍然是很繁鎖。本人總結(jié)的技巧是以Φ0.2mm一個(gè)規(guī)格的米電阻值為一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)(實(shí)際上這也是一個(gè)電阻率)。如Cr25AC5牌號(hào)Φ0.2mm的米電阻是45.2Ω，那么只要記住這個(gè)數(shù)值，求任何一個(gè)規(guī)格的米電阻就容易了。具體計(jì)算方法是把要求的這個(gè)規(guī)格的半徑的平方算出，然后45.2去除以這個(gè)數(shù)的100倍就得出這個(gè)規(guī)格的米電阻。
　　例1：求Φ0.76mm的米電阻值
　　1)0.382=0.1444
　　2)45.2/14.44=3.13Ω
　　例2：求Φ0.11mm的米電阻值
　　1)0.0552=0.003025
　　2)45.2/0.3025=149Ω
　　對(duì)于鎳鉻合金或其它合金材料的電阻只要Φ0.2mm的米電阻同樣可計(jì)算出。
　　2.2技巧之二：通過(guò)計(jì)算列出管狀電熱元件常用電阻絲綜合參數(shù)速查表。
　　這張表是以Cr25AC5材料為基準(zhǔn)計(jì)算得出，使用時(shí)只要根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格(額定電壓、額定功率)和管徑，發(fā)熱區(qū)長(zhǎng)度就快速查出你需要的相關(guān)性數(shù)據(jù)，然后稍加以計(jì)算即可得出綜合參數(shù)。
　　例1：220V、1000W、管徑Φ8、發(fā)熱區(qū)長(zhǎng)度900mm，使用場(chǎng)合為流動(dòng)空氣(空調(diào)用)。
　　首先應(yīng)知道Φ8管徑的元件通常情況電阻絲繞制圈徑應(yīng)<Φ3mm
　　假如說(shuō)繞制電阻值取52縮變后為47.4Ω為中心值的話，那么取Φ0.3～Φ0.4之間均可的話那么取Φ3.6mm規(guī)格，對(duì)應(yīng)表芯桿直徑為Φ2mm，繞制100mm時(shí)電阻值為28.6Ω，絲表面積為27.2cm2。
　　計(jì)算：
　　1)52/28.6=1.818
　　已知：密繞長(zhǎng)度=181.8mm
　　2)已知：發(fā)熱區(qū)長(zhǎng)度為900
　　密繞長(zhǎng)度為181.8mm
　　絲距為900/181.8=4.95倍
　　3)已知100mm密繞長(zhǎng)度表面積為27.2cm2，那么該支元件絲表面積為：
　　27.2×1.818=49.45
　　單位負(fù)荷：1000/49.45=20.2W/cm2
　　如果覺(jué)得20.2W/cm2這個(gè)負(fù)荷認(rèn)為太大的話可以再查表計(jì)算。
　　總之通過(guò)這個(gè)表要快速算出電阻絲綜合參數(shù)那也是很容易的事了。