實驗??溫電阻爐的制作及恒溫帶測定
實驗??溫電阻爐的制作及恒溫帶測定
?、實驗?的
(1)了解實驗室常?獲得?溫的?法，熟悉其?溫設(shè)備的結(jié)構(gòu)和構(gòu)成。
(2)了解和加深實驗室最常?的電阻絲爐的設(shè)計和制作流程。
(3)通過?溫電阻絲爐恒溫帶的測量及繪制其溫度分布曲線，掌握?溫測量與控溫技術(shù)。
?、實驗原理
冶??的?溫爐分為電爐和燃燒爐兩?類，電阻爐設(shè)備簡單，易于制作，溫度和?氛容易控制，在實驗室使?最多，?途最為?泛，常?的有電阻爐、感應(yīng)爐、電弧爐以及等離?爐等。
電阻爐是將電能轉(zhuǎn)換成熱能的裝置，采??屬或??屬采?做成具有?定阻值的發(fā)熱元件作為電能與熱能轉(zhuǎn)換的載體。當(dāng)電流I通過具有電阻R的導(dǎo)體時，經(jīng)過時間T便可產(chǎn)?熱量Q(Q＝O.24I2Rt)。當(dāng)電熱體產(chǎn)?的熱量與爐體散熱達(dá)到平衡時，爐內(nèi)即可達(dá)到恒溫。
2.1.電阻爐的結(jié)構(gòu)
根據(jù)?途不同，實驗室?的電阻爐可以制作成豎式、臥式管狀爐以及箱式爐等，但其基本結(jié)構(gòu)?致相同。圖1-1為實驗室常?的電阻爐，其結(jié)構(gòu)主要由以下6部分組成：(1)電熱體。(2)電源引線。(3)爐管。4)爐殼。(5)爐襯。(6)?架。
圖1-1為實驗室常?的電阻爐
2.2.電熱體
電熱體分為?屬和??屬兩類, ?屬電熱體通常制成絲狀，纏繞在爐管上作為加熱元件，實驗室常??溫爐電熱材料的化學(xué)成分和主要性能如1-1所?。
表1-1 ?溫爐電熱材料的化學(xué)成分和主要性能
化學(xué)成分主要性能
電熱體
種類
?屬鉻鎳合?塑性好、繞絲容易、在1OOO℃以下的空?環(huán)境條件下
長期使?
鐵鉻鋁合?耐熱性能好、在12OO℃以下、氧化?氛下，塑性較差，
繞制?較困難。
鉑、鉑銠鉑多?于14OO℃以下的?型電阻爐，如爐渣熔點測定
爐；鉑銠則可達(dá)16OO℃，氧化?氛下升溫快，不能在
還原?氛下實驗
鉬絲熔點?、長期使?可達(dá)17OO℃、僅能在?純氫、氨分
解?或真空中使?。在?溫氧化?氛下會?成氧化鉬
升華。
??屬硅碳（SiC）在氧化?氛下能在14OO℃以下長期?作、棒狀SiC常
?于箱式電阻爐(馬弗爐)，管狀SiC?于管式電阻爐。
硅鉬（MoSi
2
）在氧化?氛下能在17OO℃以下長期?作
?墨?作溫度在保護?氛(Ar、N
2
)中可達(dá)18OO℃、在真空
或惰性?氛中可達(dá)22OO℃。易加?成管狀，也可做成
板狀或其他形狀。
三、實驗設(shè)計步驟
3.1、功率估算
實驗室常?的電阻絲爐結(jié)構(gòu)較簡單。把電阻絲繞在耐?溫爐管上，然后再把爐管放到圓筒形或?形爐殼中央，其間輔以保溫材料。最后接上控溫儀、電源及測溫?zé)犭娕迹ê瑴囟蕊@?儀表），就可使?。
估算電阻絲爐的最低功率消耗，需考慮使?溫度、恒溫帶尺?、升降溫速度及散熱條件等因素。可以從理論上計算通過傳導(dǎo)、對流、輻射的熱損失以及材料的吸熱等，從?得出必須供給的最低電功率。實際上，由于散熱條件復(fù)雜，理論計算與實際出?較?，故?般采?經(jīng)驗數(shù)據(jù)進?估算。以下結(jié)合實例加以說明。
例：要求制作?個在氧化性?氛下?作的電阻絲爐，爐管內(nèi)徑D
l
為5Omm，
外徑D
26Omm，長L
1
6OOmm，加熱帶長度L
2
為4OOmm，?作溫度t為1OOO℃。
由所給條件，查表1-2得到1OOO℃時每1OOcm2加熱?積所需最低功率為19Ow，
故此電阻絲爐所需最低功率為：
表 1-2 不同溫度下每1OOcm2爐管加熱表?所需功率
溫度，℃3OO 4OO 5OO 6OO 7OO 8OO 9OO
功率，W 2O 4O 6O 8O 1OO 13O 16O
溫度，℃1OOO 11OO 12OO 13OO 14OO 15OO 16OO
功率，W 19O 22O 26O 3OO 35O 4OO 45O
實際選取的功率P總?最低功率P′要?些，以便留有余地，尤其升溫過程需要快時就可加?功率。
3.2.電熱體各部分尺?的確定。
電阻絲電阻確定以后，就可根據(jù)?作溫度和使?條件，選擇合適的電阻絲材料。原則上電阻絲最?使?溫度應(yīng)?電爐?作溫度?80-1OO℃為宜。在本例，?
作溫度1OOO℃，氧化性?氛下使?，由?冊或?獻(xiàn)可以查得，Cr
25Al
5
電阻絲就能
滿?要求。其材料參數(shù)為：?溫?電
阻。當(dāng)選
擇
時，電阻絲表?允許負(fù)荷，則: 電阻絲直徑：
電阻絲總長：≈
=
t
d
R
l
ρ
π
4
2
25m
電爐管外徑D
2
，計算出共需繞的匝數(shù)為：
由加熱帶長度算得平均螺距為：
實際筑爐時，為了使恒溫帶能長些，通常不采?等螺距繞法，?是采?不等螺距繞制，即?端螺距較?，中間螺距較?的?法。主要是由于爐管兩端的散熱較?。具體見圖1-2。
圖1-2 不等螺距繞法
3.3．筑爐
(1)根據(jù)?作溫度選?爐管材料。原則上爐管的耐?度應(yīng)??作溫度?少?1OO℃。常?材料有粘?質(zhì)管、?鋁管、莫來?管、?英管、剛?管等。
(2)按照設(shè)計的參數(shù)把電阻絲繞在爐管上，然后再安裝在爐殼中央，其間填上保溫材料，接上引線和檢測或監(jiān)控儀表，即可使?。
(3)內(nèi)層保溫材料由于直接接觸電阻絲和爐管宜選耐?度?些，?溫下不與爐管反應(yīng)較穩(wěn)定的材質(zhì)。如與爐管同材質(zhì)的氧化鋁空?球制品等。外層保溫材料由于溫度已逐步降低，應(yīng)選絕熱性好，價格低的材質(zhì)，如硅酸鋁纖維、蛭?制品等。保溫層厚度取決于變壓器容量和升降溫速度要求。如果變壓器或控溫儀容量較?且升降溫速度要求快，則保溫層宜薄些。反之變壓器能?不?，則保溫層宜厚些。
3.4．系統(tǒng)的組裝
(1)按照控溫精度要求選擇控溫儀。如精度要求不?或不經(jīng)常使?的電爐??藕變壓器即可；對控溫精度要求較?的選?具有PID調(diào)節(jié)?程的程序控溫儀。
(2)按照使?溫度和控溫精度選?熱電偶及配套儀表。
(3)根據(jù)設(shè)計的最?電流選擇導(dǎo)線、開關(guān)等，接好全部線路。
3.5.測定恒溫帶
恒溫帶是指爐管內(nèi)軸向和徑向溫度分布都達(dá)到控溫精度要求的區(qū)域，此區(qū)域的位置和尺?隨電熱體各部分尺?，電爐?作溫度
和爐管內(nèi)?端保溫條件?變，因此在設(shè)計和筑爐時就應(yīng)注意對恒溫帶的控制。在實驗過程中，熱電偶的熱端應(yīng)接觸或盡可能靠
近被加熱的試樣，三者都應(yīng)在恒溫帶內(nèi)。
測恒溫帶時，準(zhǔn)備兩?熱電偶，??熱電偶的熱端放在爐管外壁中央，冷端聯(lián)接控溫儀，把爐溫控制在實驗常?溫度。另??熱電偶作測量?，由爐管?端插?爐管內(nèi)，有中央開始逐步下移，每隔5-10mm讀取?個穩(wěn)定的溫度值，直到溫度降低1O-
2O℃表?已出恒溫帶。再從爐內(nèi)取出熱電偶，從上端插?爐管內(nèi)，仍從爐管中央開始，逐步上移，也每隔5-l0mm讀取?個穩(wěn)定的溫度值，直到溫度降低10-20 0C，表?已出恒溫帶上端。把所測定的溫度T(℃)與相應(yīng)距離X(m)數(shù)據(jù)，繪制成T-X圖，這就是溫度分布曲線，從中找出恒溫帶的位置與尺?。
四、實驗報告(?擬?道)
(1)設(shè)計和制作?臺實驗室?電阻爐，其爐管內(nèi)徑D
1為40mm，外徑D
2
為50mm,
爐管L
1長800mm，常??作溫度T為900 0C，加熱帶L
2
長度?于500mm。計算其
功率等相關(guān)參數(shù)。
(2)請查找資料?較常?發(fā)熱元件如SiC,
2
MoSi等特性，并簡單繪出管式電阻爐爐內(nèi)溫度分布曲線圖的形狀。
(3)采???熱電偶?下往上穿過?溫區(qū)來測恒溫帶其長度有?影響?為什么?
