Наша первая печка будет следующих размеров: 520х520х150мм. Согласен, что не особо впечатляет, но для выбора именно таких размеров была веская причина. О ней чуть позже.
Печь - девайс не особо сложный, но имеет свои нюансы. Понятно, что в печке должна держаться заданная температура. Для фьюзинга и моллирования (хотя сейчас о моллировании речь не идет - высота не та) необходимой и достаточной будет температура 800 гр.С. Соответственно, материалы (футеровка печи) должны быть рассчитаны на такую температуру. Это раз.
Фьюзинг - процесс ступенчатый, это значит, что стекло подвергается нагреву в несколько этапов и каждый этап имеет свою температуру, скорость нагрева и выдержку на заданной температуре. Чтобы вручную не контролировать весь процесс нам понадобится электроника для печи, которая сделает это за нас. Это два.
Чтобы нагреть печь до заданной температуры за приемлемое время нам понадобятся нагреватели, которые будут излучать тепло в объем печи. Нужно выбрать материал нагревателей и его количество, которое способно выделить требуемое тепло.Нужен электрический расчет. Это три.
Опираясь на эти три здравые мысли мы и будем проектировать печь. Теперь, забегая немного вперед, о выбранном размере печи: объем печи составляет 52х52х15см = 40л, для нагрева такого объема потребуется ток 18 Ампер.Такой ток является почти предельно допустимым для проводки стандартной бытовой сети на 220В. А так как я собираюсь устанавливать печь на лоджии в квартире, то для избежания перегрузки квартирной электросети я выбрал именно такие размеры. Думаю, теперь все встало на свои места. Печи с большим объемом (от 60 литров) обычно рассчитаны на трехфазное питание и для установки в квартире не предназначены.
Думаю, с размерами все понятно. С критериями тоже. Дальше - выбор материалов и оборудования для нашей печи.
Теплоизоляция печи
Для теплоизоляции были выбраны материалы из муллитокремнезема (МКР). Они легкие, удобные в обработке и эксплуатации, имеют низкую теплоемкость и теплопроводность, являются электроизоляторами и вдобавок предлагаются производителями за приемлемую цену. Все это определило мой выбор.
Футеровка будущей печи состоит из 2-х слоев: первый слой - плита КТП толщиной 75мм, второй - фетр МКРФ толщиной 20мм.
Еще один элемент печи, который не относится непосредственно к теплоизоляции печи, но тоже выполнен из МКР - это трубки, на которые будут навиваться греющие спирали из проволоки. Наружный диаметр трубки 30мм. Почему именно 30? Это будет ясно чуть позже, когда мы будем проводить электрический расчет нагревателей.
Ниже - фото того, что мы выбрали.
Плита КТП
Фетр МКРФ-100
МКР трубка 30мм
Электронные и электрические компоненты
Для поддержания заданных температурных режимов в печи для фьюзинга требуется термоконтроллер или, как его еще называют, программируемый ПИД-регулятор. Особенность технологии фьюзинга в том,что для процесса спекания стекла порой требуется до 5 шагов с разными температурными уставками и временем их достижения. Соответственно, термоконтроллер должен поддерживать не менее 5 уставок а также иметь возможность создавать различные программы (графики спекания) для разной толщины и типов стекол. Такие контроллеры выпускают множество фирм как российских, так и зарубежных. Я выбрал контроллер фирмы О В Е Н, считая его оптимальным по соотношению цена-качество.
Для слежения за фактической температурой и удобства настройки термоконтроллера я решил его подключить к компьютеру. Благо,что выбранный девайс поддерживает промышленный интерфейс связи с другими устройствами по RS485. Обычный комп, который стоит у меня на столе ничего не знает (и не должен знать) об интерфейсе RS485. Поэтому нужен адаптер (конвертер). Конвертер - преобразователь интерфейсов, это такая штука, которая позволяет через обычный USB кабель подключить термоконтроллер и наблюдать за температурой, а также с помощью специальной программы настраивать его. Конвертер я взял той же фирмы, что и контроллер - чтобы избежать проблем совместимости.
Чтобы регулировать температуру в печи, ПИД-регулятор должен знать ее фактическое значение. Для измерения температуры служит термодатчик. Датчики бывают различных типов, я не буду останавливаться на этом, скажу только, что для наших целей подойдет любая термопара с характеристикой TXA (K), которая позволяет измерять температуру от -40 до +1300 гр.С. с приемлемой точностью.
Далее, термоконтроллер управляет температурой в печи, периодически включая и выключая нагревательные элементы (ТЭНы). Напрямую коммутировать большую силовую нагрузку регуляторы, как правило, не умеют. Поэтому применяется следующая схема: от блока управления выдается сигнал выключения/выключения на промежуточное устройство, которое осуществляет коммутацию силовой цепи. Этим промежуточным устройством может быть электромеханическое реле, блок тиристоров или симисторов, а также твердотельное реле.
Не буду рассматривать достоинства и недостатки каждого устройства - интересующихся отсылаю к специальной литературе. Скажу лишь то, что я в качестве коммутирующего устройства выбрал твердотельное реле. Достоинства: практически неограниченное кол-во переключений, отсутствие механического шума (камень в огород э/м реле), защита нагревателей (осуществляется переключение в нуле - жаждущим знать, что это такое - вэлком в спецлитературу). Недостатки: не годятся для коммутации индуктивной нагрузки (точнее, годятся, но с дополнительной защитой. как бы то ни было, но к нашему случаю это не относится: ТЭН является преимущественно резистивной нагрузкой), довольно чувствительны к перегреву (при высоком нагреве возможны ложные срабатывания и выход из строя - во избежание подобных казусов требуется хороший радиатор).
Итак, программируемый ПИД-регулятор, конвертер для связи с компьютером, термопара с характеристикой ТХА (К) и твердотельное реле с радиатором - вот комплект для управления нашей печью. Картинки прилагаю.
Программируемый ПИД-регулятор
Конвертер
Термопара ТХА (К)
Тведотельное реле
Радиатор
Каркас печи и прочие железки
Каркас я решил сделать сварным из стального квадратного профиля 20х20мм, толщина стенки в принципе особой роли не играет и в нашем случае - чем тоньше, тем лучше (легче). При небольших размерах печи жесткости выбранного профиля должно хватить с избытком.
Наружная обшивка будет из листовой стали толщиной 1мм.
Для внутреннего основания, на которое мы уложим и закрепим футеровку печи, я решил использовать стальную сварную сетку с размером ячеек 10х10мм.
Вся конструкция собирается так: Сваривается каркас из профиля, к нему с внутренней стороны приваривается сетка, а наружная обшивка крепится с внешней стороны каркаса при помощи болтов М6. Печь у нас будет настольного исполнения, поэтому снизу прикрепим ножки с регулировкой по длине. Регулировка нужна для точного выравнивания печи в горизонтальной плоскости. Если этого не сделать, то стекло при спекании поплывет и вместо изделия мы получим брак. К передней части печи на каркас также потребуется ручка для открывания крышки. Поскольку эта самая крышка будет весить прилично, то для облегчения усилий при открывании нужно предусмотреть газ-лифт. Почитав информацию о них, выяснил что для комфортного подъема нужно ставить от автомобильного багажника. Крышка и под (основание) будут крепиться друг с другом на шарнирные петли.
Корпус блока управления соберем из тех же материалов (профиль, лист), но без внутренней обшивки, которая там будет только мешать. Прикрепим его на болты М6 с боковой стороны крышки печи.
Вот все железки для сборки корпуса:
Профиль квадратный
Лист стальной
Тут будет фото
Сетка
Болт М5
Газ-лифт
Ручка
Тут будет фото
Петли
Ножки
Тут будет фото
Электрический расчет печи
Чтобы правильно сконструировать тэн нужно провести несложный электрический расчет. Исходными параметрами у нас будут ширина, глубина и высота рабочей камеры печи (не путать с габаритными размерами печи!). Конечным результатом мы должны получить количество и диаметр проволоки для намотки спиралей нагревателя, а также количество самих нагревателей и их электрическую схему включения.
Итак, сначала по размерам вычисляем объем печи:
Затем вычисляем требуемую мощность для достаточного нагрева печи с приемлемой скоростью. Мощность напрямую зависит от объема печи.Тут многое зависит от типа материалов и массивности футеровки, конструкции печи. Поэтому я не стал мудрить, а посмотрел соотношение мощность/объем у промышленных образцов. Будем считать, что наша самодельная печь по качеству теплоизоляции будет не хуже промышленных. Тогда для печей объемом до 50 литров мощность рассчитывается исходя из 100Вт на 1 литр, для печей объемом от 50 до 100 литров - 80Вт/л, от 100 до 500 литров - 60Вт/л. Итак, подсчитаем требуемую мощность для нашей печи объемом 40 л:
Исходя из мощности и напряжении в сети вычислим необходимый ток, который должен протекать через наши нагревательные элементы (проволочные спирали):
Зная ток, несложно подсчитать требуемое сопротивление всего нагревателя. Будем считать, что сеть у нас однофазная (справедливо для бытовой проводки многоквартирного дома), т.е. вся мощность обеспечивается нагревателем на одной фазе и суммарный ток будет протекать по ней же:
Сопротивление нагревателя мы знаем. Теперь, вычисляем длину проволоки, из которого будет создан нагреватель. Проволока у нас фехралевая (сплав Х23Ю5Т) или точнее, я взял сплав еврофехраль (сплав GS SY), который аналогичен фехрали, но имеет улучшенные механические свойства (менее хрупкий), что немаловажно при намотке спирали. Удельное сопротивление 1 метра проволоки различного диаметра приведен в табличке ниже.Возьем проволоку диаметром 2.5мм. Подсчитаем длину проволоки:
Код:
Диаметр, мм Сопротивление в 1 м,Ом/м
1.5 0.815
2.0 0.459
2.5 0.294
3.0 0.204
3.5 0.150
4.0 0.115
Теперь один маленький, но очень важный нюанс. После расчета длины проволоки нагревателя нам необходимо сделать проверку на удельную допустимую рассеиваемую мощность. Что это такое? Если коротко, то это такая допустимая мощность, которая может быть излучена нагревателем без фатальных последствий для него. Т.е. проволока не может нагреваться бесконечно, если излучаемая мощность превысит определенное значение, то она просто-напросто перегорит. Физику опускаем, учтем лишь, что для фехраля удельная допустимая излучаемая мощность при температуре 1000 гр.С составляет в среднем 2.3Вт/см2. Рассчитаем удельную излучаемую мощность нагревателя нашей печи:
Полученное значение сравниваем с предельно допустимой. В нашем случае излучаемая мощность ниже предельной, значит все выбрано верно и проволока не перегорит. Если же получившееся значение выше предельного, то есть 3 варианта снизить его: взять проволоку потолще, снизить потребляемый ток в нагревателе (использовать 3-х фазное питание) или в случае однофазной схемы просто включить 2 нагревателя параллельно (тогда сопротивление каждого нагревателя нужно взять в 2 раза больше).
Дальше считаем длину спирали, которую мы собираемся навить из полученной проволоки. Хорошим правилом считается, если диаметр спирали больше диаметра проволоки в 6-8 раз, а межвитковый шаг 2-2.5 диаметра проволоки. Исходя из этих рекомендаций считаем длину спирали:
Спирали мы разместим параллельно ширине печи. Значит, получаем количество спиралей:
Длина каждой отдельной спирали:
Общее количество витков всей спирали:
Количество витков на каждой спирали:
http://s57.radikal.ru/i156/1007/9c/469440e5a752.jpg
Итак, для навивки спиралей нам потребуется приблизительно 41м фехралевой проволоки диаметром 2.5мм. Проволока продается на вес, поэтому, используя табличку ниже, подсчитаем сколько это будет в килограммах:
Код:
Диаметр, мм Метров в 1 кг
1.5 72
2.0 40
2.5 25
3.0 18
3.5 13
4.0 10
Мотать проволоку в спираль мы будем на оправку диаметром 30мм. Всего у нас будет 6 таких спиралей по 67 витков в каждой. Все спирали соединяются последовательно на 1 фазу. Еще обратим внимание на максимальное значение тока, протекающего через все нагреватели - 18.44А. На такой ток с запасом 20% (25А) мы будем использовать автоматический выключатель. В случае, если вдруг в печке случится короткое замыкание или перегрузка, то автомат отключит нашу печь и предотвратит неприятные последствия.
Вот так выглядит фехралевая проволока диаметром 2,5мм
Схематично, вся электрическая часть будет выглядеть вот так:
На этом, пожалуй, можно закончить расчет. Мы рассчитали спираль, выбрали проволоку и защитный автомат.