Медно-никелевый сплав константан входит в группу электротехнических материалов с высоким удельным электросопротивлением. Величина температурного коэффициента сопротивления этого сплава равна 0,03·10-3 К-1 и принимается как максимально близкая к нулю, в связи с чем, его электрическое сопротивление практически не меняется при изменении температуры.
Иными словами, при подключении отрезка ленты или проволоки константана к источнику питания, и превращения его тем самым в нагреватель, мощность исходящего от него теплового потока всегда будет иметь фактически одинаковое (постоянное) значение при любом температурном режиме работы, и будет равняться:
где W – тепловой поток; U – напряжение на отрезке константана (нагревателе); R – электрическое сопротивление отрезка (нагревателя).
В контексте сказанного необходимо отметить, что электрическое напряжение на нагревателе будет равно напряжению переменного тока (при использовании соответствующего источника электроэнергии).
Из-за такого постоянства электрического сопротивления константан и получил своё название (constans - постоянный, неизменный). Вместе с этим, константан обладает хорошей жаропрочностью (сохраняет механическую прочность при нагреве) и сопротивляемостью газовой коррозии (жаростойкостью). Благодаря перечисленным достоинствам константановая проволока и лента широко используются в электронагревательных приборах и печах сопротивления в виде пластин, лент, спиралей. Из константана изготавливают нагреватели для электрических печей с верхней температурной границей в 500 градусов, поскольку при более высоких температурах и при отсутствии изоляции сплав начинает интенсивно окисляться.
Рисунок 1. Ленточные нагреватели из константана
Преимущества нагревателей из константана
За счет высокого электрического сопротивления константан способен быстро и сильно нагреваться, что позволяет изготавливать из сплава нагреватели малой длины и с большой площадью поперечного сечения. Это свойство константана является его безусловным, и возможно, ключевым достоинством, так как конструкции многих типов печей, например, лабораторных, не позволяют встраивать в них слишком длинные нагреватели. Кроме того, нагреватель с большим диаметром обладает большим сроком службы даже при активной эксплуатации, что, в свою очередь, выгодно с экономической точки зрения – нет необходимости в частой замене нагревательного элемента. Этим обстоятельством объясняется и тот факт, что константановая нить выступает в качестве нагревателя значительно реже, чем проволока или лента.
Важным преимуществом константана является упомянутый выше нулевой температурный коэффициент сопротивления. Это существенно упрощает и удешевляет использование константановых нагревателей - для запуска печи из холодного состояния не нужно использовать трансформаторы, понижающие напряжение в момент включения. Еще один плюс сплава в том, что он обладает хорошими технологическими характеристиками. В этом велика заслуга никеля, который существенно упрочняет медь, сохраняя при этом её традиционную пластичность и вязкость. За счёт того, что константановая лента и проволока хорошо поддается изгибу, из них можно создавать нагреватели любой, даже самой сложной конфигурации. Кстати, именно благодаря высокой пластичности и вязкости сплава, из него изготавливается так же константановая фольга и нить.
Расчет длины константанового нагревателя
Высокая технологичность сплава открывает широкие возможности изготовления открытых нагревателей в условиях эксплуатации печей. Для этого параметры нагревательного элемента предварительно рассчитываются с учётом напряжения в сети и мощности печи. Зная удельное сопротивление и площадь сечения, которые имеет константановая лента (обычно с шириной более 5 мм), или диаметр - в случае, если в качестве заготовки выступает проволока, можно по формуле определить оптимальную длину нагревателя по формуле:
где R - электрическое сопротивление нагревателя (Ом); S - площадь сечения ленты или проволоки (мм²); ρ - удельное электрическое сопротивление константана (Ом·мм²/м); l - длина нагревателя (мм).
Константан в электрических печах и ТЭНах
Нагреватели из константана могут быть открытыми и закрытыми. Для изготовления открытых нагревателей электрических печей термообработки с максимальным нагревом до 400-450°С в основном используется проволока и лента, поскольку константановая нить со слишком малым диаметром на открытом воздухе быстро горит. Это, впрочем, не отменяет эффективности нити в вакуумных печах и в печах с инертным газом, а также в закрытых нагревателях типа ТЭН, предназначенных для обогрева воздуха, жидкостей, тёплых полов и т.п. Закрытыми такие нагреватели называют потому, что константан в них не имеет прямого контакта с нагреваемым материалом. В большинстве случаев конструкция закрытого нагревателя состоит из металлической трубки или иной оболочки, герметично закрытой с обеих сторон, внутрь которой помещается константановая нить в виде спирали. Для более мощных приборов (печей) используется проволока и лента в различной конфигурации, в зависимости от конструкции печи и требуемого режима термообработки.
По технико-экономическим показателям константановая проволока часто оказывается предпочтительнее ленты. Для больших промышленных печей используется проволока Ø 3-7 мм, а для печей меньшего масштаба проволока Ø 0,03-2,5. Ключевыми аргументами в пользу проволочного константанового нагревателя является простота и низкая стоимость его изготовления и монтажа без специальных понижающих напряжение трансформаторов. Классические спиральные нагреватели из проволоки легко изготовить путем навивки на станке.
При необходимости проволоку можно разместить на стенках и сводах печи по лабиринтному типу или в виде зигзагов, навить на цилиндрическое основание, или предварительно заготовленную спираль подвесить на керамических изоляторах (последнее применяется в низкотемпературных печах). Из всех перечисленных вариантов, нагреватель в виде спирали, навитой на трубчатое основание, обеспечивает более высокую удельную мощность печи в расчете на 1 м2 внутренней поверхности рабочей камеры.
Несмотря на то, что константановая лента требует больше средств и усилий для изготовления из неё нагревателей из-за большей площади сечения, существует целый ряд обстоятельств, когда она оказывается более целесообразной в виде нагревателя, чем проволока. В каждом отдельном случае принятие решения об использовании в печи проволоки или ленты основывается на анализе технико-экономических показателей того или иного варианта. Тем более, что с точки зрения общей эффективности константановые нагреватели из проволоки и ленты не имеют существенных различий.
