Самодельная муфельная электрическая печь (малая)

Здесь я опишу конструкцию бюджетной электрической муфельной печи небольшого размера. Мощность печи 500 Вт, теоретическая температура до 800 градусов, но я не грел до туда, поскольку для этого у меня есть посерьёзней печь. Особенностью данной конструкции является предельная простота и предельно низкая стоимость комплектующих. Такую конструкцию можно изготовить из подручных материалов всего за несколько дней, из которых основное время уйдёт на сушку муфеля печи.
Верхний корпус печи с открытой дверцей.  В центре корпуса размещается сам муфель. Теплоизоляция дверцы, как видно на фото, при помощи асбестового картона на шпильках. Окно закрыто двумя слоями слюды с некоторым зазором между слоями.
Муфельная печь в сборе. Она состоит из двух скреплённых между собой корпусов. В верхнем корпусе размещён сам муфель, а в нижнем блок управления.

Я сразу советую вам делать печь как у меня в разных корпусах. Это позволит вам не париться с охлаждением блока управления различными вентиляторами. Верхний корпус будет нагреваться и создавать тягу, что в сочетании с перфорацией в нижнем корпусе, будет достаточно для охлаждения регулятора температуры.

Изготовление муфеля.

Муфель можно изготовить множеством разных способов. Можно взять готовую керамическую трубу. Лучше всего муллитокремнезёмистую МКР, можно трубу от старого реостата, от плавкого большого предохранителя. Если предпочитаете прямоугольную камеру, то лучше лепить самому. Поскольку мой сайт заточен на те практические конструкции, какие мне удалось сделать самому, то вот рецепт моего муфеля.

Каолин (каолиновая глина)- 1 часть. Можно найти возле фарфорового завода. Привозят вагонами для производства фарфора, фаянса, электротехнической керамики. Если нет, пойдёт любая глина пожирней.
 Песок- 3 части. Лучше карьерный песок, нежели речной.
 Всё это тщательно перемешиваем, затворяем водой до состояния, когда комок ещё не растекается, а держит форму и оставляем в полиэтиленовом мешке на пару дней. Затем достаём и снова перемешиваем до однородного состояния. Затем уже лепим муфель.
 Отступление.
 Сейчас в продаже есть много того, чего ещё недавно не было. Сейчас я для подобных работ пользуюсь вот таким связующим. Мертель екатеринбургского ооо Печник и его характеристики. Стоит иметь в виду, что это готовый мертель, т. е. в нём уже присутствует наполнитель дабы при сушке не терял объём. Поэтому добавлять к нему крупную фракцию, такую как песок уже в меньшем объёме.

 

Итак, лепка муфеля. Прямоугольный муфель лепится в прямоугольном фанерном или из крагеса ящике. Муфель с ровным подом и арочным сводом лепится в таком же ящике. Размер ящика равен внешнему размеру муфеля плюс 3-6 % усадки. Лепится всегда изнутри ящика, поскольку муфель при сушке сжимается и при лепке снаружи трещины неизбежны. Чтобы смесь не прилипала к стенкам ящика, стенки изнутри прокладываются полиэтиленом. Если смесь полусухая, то можно положить бумагу. Так можно сэкономить время сушки.
 После того, как муфель вылеплен, оставляют сохнуть на несколько дней. Когда стенки муфеля наберут необходимую прочность, переворачивают и снимают коробку с муфеля. Далее, если муфель недостаточно прочен для обмотки спиралью, его несколько дней сушат на батарее или в печи. Затем медленно обжигают до 900 градусов. Если у вас напряжёнка с обжигом, в крайнем случае можно оставить сухой необожжённый муфель. Но прочность будет уже не та.
 Если муфель достаточно прочен, то обматывают спиралью, наносят обмазку и в сборе сушат и обжигают. В сборе это делать предпочтительней, поскольку обмазка лучше будет держаться на полусыром муфеле. Внимательно следите, чтобы внутри спирали не было пустот, всё было заполнено обмазкой. Иначе будет локальный перегрев нихрома.

Расчёт нагревателя.

Про расчёт нагревателя в сети много материалов. Все они обладают различной степенью научности сего вопроса. Например, здесь можно не только почитать различные соображения, но и рассчитать нагреватель на встроенном калькуляторе. Входными данными являются мощность печи, материал нагревателя, температуры нагревателя и нагреваемого изделия, конструкция и размещение нагревателей. На выходе получаем диаметр и длину проволоки нагревателя. Но при ближайшем рассмотрении выясняется, что диаметр выбран из соображений экономии материала проволоки и условия эксплуатации близки к идеальным. В жизни обычно бывает всё наоборот. Обычно в закромах лежит моток старого нихрома и его владельца мучит вопрос, можно ли его использовать на благо человека. И с мощностью печи тоже сплошные вопросы.
 Поэтому приведу свою методику расчёта, пусть и не такую научную, но основанную на своём опыте изготовления подобных устройств.
 Итак, первое с чем надо определиться, это мощность печи. Мощность напрямую зависит от величины муфеля и применяемой футеровки. Величину (объём) муфеля определяете сами, в зависимости от величины нагреваемых изделий.
  Для современных печей с применением волокнистых теплоизоляторов (МКРВ, ШПВ-350 и т. п.) примерная мощность на литр объёма будет:
      Объём камеры печи (литров)      Удельная мощность (Вт/литр)
           1-5                                            500-300
           5-10                                          300-120
           10-50                                        120-80
           50-100                                        80-60
           100-500                                      60-50
Допустим, например, у вас объём камеры 3 литра, поэтому мощность печи будет 1200 Вт. У меня объём муфеля чуть больше литра, поэтому мощность нагревателя возьмём 500 Вт.
 Далее, вычисляем ток через нагреватель:
       I = P/U= 500/220 = 2,27 A
 И величину сопротивления нагревателя
     R = U/I = 220/2,27 = 97 Ом
Далее лезем в закрома и смотрим диаметр имеющегося нихрома. У меня оказался нихром диаметром 0,65 мм. Далее по таблице прикидываем, выдержит ли наш нихром такой ток.
 
  Диаметр (мм)               0,17   0,3   0,45   0,55   0,65   0,75   0,85
  Допустимый ток (А)      1       2      3        4        5       6        7

 Как видим, при диаметре 0,65 допустимый ток 5 А, так что наши 2,27 А он выдержит с большим запасом. Вообще, при изготовлении нагревателя, нужно брать проволоку потолще, потому что чем толще проволока, тем больше выдерживаемая ей температура и срок службы.
Максимальные рабочие температуры нагревательных элементов. Здесь:
GS 40     Нихром
GS 23-5  Еврофехраль
GS SY    Суперфехраль
GS T       Еврофехраль

НО! Это палка о двух концах. Сильно утолщать диаметр проволоки мы не можем, потому что чтобы получить расчётное сопротивление 97 Ом, придётся очень сильно увеличивать длину проволоки, что может быть не приемлемо из конструктивных соображений.
 По таблице определяем номинальное сопротивление 1 погонного метра проволоки. Здесь:
GS 40     Нихром
GS 23-5  Еврофехраль
GS SY    Суперфехраль
GS T       Еврофехраль

Итак, из таблицы для диаметра 0,65 мм берём (и последующим измерением прибором подтверждаем), номинальное сопротивление 3,2 ОМ/метр. Следовательно, длина проволоки будет:
   L = R/3,2 = 97/3,2 = 30 Метров
Вот и расплата за излишний диаметр провода излишним метражём. Но это не беда, потому что мотать как есть этот провод не буду, да и есть опасность не уследить и допустить межвитковое замыкание на нашем муфеле. Этот провод нужно навить на стержень. Кончик проволоки вместе со стержнем зажимается в патрон сверлильного станка, на худой конец, патрон ручной дрели. Проволока подаётся под небольшим натягом.

При навивке необходимо соблюсти следующие рекомендации. Диаметр стержня для навивки проволоки диаметром до 4,5 мм должен быть не меньше:
- для нихромов четырёхкратному диаметру проволоки;
- для фехралей пятикратному диаметру проволоки.
 Для всех сплавов при диаметре больше 4,5 мм, не менее шестикратному диаметру проволоки.
 Есть ещё одна засада при работе с фехралем. Фехраль, в отличие от нихрома, после прокалки становится хрупким, поэтому его уже кантовать не стоит.
 Готовую спираль равномерно растягиваем до длины, комфортной для обмотки муфеля. Но не больше, потому что сжать равномерно будет уже значительно трудней. Обматываем муфель по канавкам и наносим обмазку, как на рис.4.
 Далее наш муфель размещаем в металлическом корпусе.

          

Основная футеровка выполнена блоками из кирпичей шамотного легковеса ШЛ-0,4. Кирпич легко обрабатывается инструментом, ранее описанным здесь. Обратите внимание на отверстие в заднем блоке легковеса для термопары и два отверстия для выводов нихрома.
При установке повредилась боковая стенка муфеля, но это не страшно, она будет восстановлена этим же составом после установки.

Хочется предостеречь вас от некоторых засад, которые могут подстерегать вас при изготовлении футеровки.
 Прежде всего хочу предупредить при соблазне применить асбест. Да, плавится он при 1500 градусов, но при 800 градусах он теряет химически связанную воду превращается в порошок. Поэтому такие изделия из него, как картон или шнур могут работать до этой температуры. Кроме того, фехраль не должен контактировать с асбестом. Я его применил, так как эта печь заточена до этой температуры и у меня нихром.
 Далее, по поводу применения в качестве связующего жидкого стекла. Его можно применять для лепки муфелей, работающих до 1088 градусов, при превышении этой температуры муфель поплывёт.Кроме того, фехраль тоже не любит контакта с жидким стеклом.
 По поводу применения волокнистых материалов на минеральной (базальтовой) основе, повторю что писал на одном из форумов.  Это почти одно и то же. Производят выдуванием из расплава. Хорошо держат температуру. Но они имеют связующее, которое не выдержит и 250 градусов. Но в инетах хитрые продавцы приводят огнеупорность самого волокна. Формально они правы. Но то, что после первой прокалки связующее выгорит и они осыпятся кучкой, это не пишут. Есть сорта и с огнеупорным связующим, но информации очень мало. Только косвенные признаки- допустим, предназначенные для бань и каминов. И опять проводят огнеупорность самого волокна. И стоит ли повторять, что фехраль их тоже не любит. Так что если есть возможность пролететь, лучше использовать уже проверенные. А из проверенных мной подойдут более всего муллитокремнезёмные войлоки, например, МКРВХ-250 (1300 гр).
Кстати, в Сухом Логе наладили производство керамических одеял Cerablanket, Cerachem Blanket, Cerachrom Blanket. Я с первым из них имел дело, выдерживает прямое пламя горелки. Два последних ещё более огнеупорны. Но сам их не пробовал.
 По сети гуляют описания печей, которые все передирают друг у друга, в которых фигурирует в качестве материала муфеля шамотная глина. Обычная глина обладает большой усадкой и используется как связующее. Шамот же не что иное, как обожжённая глина. Шамот не лепится, используется как наполнитель и требует связующего, например, обычную необожжённую глину. Поэтому что подразумевают под выражением шамотная глина, совершенно не понятно.

Блок управления.

Поскольку я обещал описание наибюджетнейшей, наипростейшей печи, то и регулятор температуры будет соответствующий. Хороший недорогой регулятор Ш-4501, который можно купить по цене от 1 до 2 тысяч рублей. Самый дешёвый и сердитый регулятор. Выпускается с диапазонами измерения и регулирования температур от 0- 200 до 0-1600 градусов. В качестве измерительного элемента термопары ХК, ХА и ПП.
Техническое описание и инструкция по эксплуатации милливольтметра регулирующего типа Ш4501. Почитаете на досуге.
Передняя панель блока управления. Данное исполнение регулятора на диапазон от0 до 800 градусов, термопара ХА.
Внизу справа налево включатель блока управления, неоновая лампа ТЛО (оранжевая) индикации подачи напряжения на нагрузку, лампа ТЛЗ (зелёная) индикации отключения нагрузки и красная лампа индикации обрыва термопары.

         

Расключения на задней стороне Ш4501. Для непонятливых на пластмассовой крышечке ещё раз приведена схема расключений. Прошу обратить внимание- компенсационный провод должен идти до самого клеммника с компенсационной катушкой.
Такая арматура для индикаторных ламп уже не выпускается, поэтому рекомендую применить современные типа XB2-EV161. Они бывают красного, жёлтого, зелёного, белого и синего цветов. Схема электрическая блока управления. Если не найдёте достаточно мощный тумблер включения блока управления, то поместите его после контактов реле ПЭ23. Реле идёт в комплекте с прибором Ш4501. Мощность контактов реле 500 ВА в цепи переменного тока. На схеме не показано- 3 группы контактов у меня в параллель, поэтому коммутируемая мощность до 1500 ВА. На схеме исправлено- лампа ТЛЗ подходит к нормальнозамкнутым контактам, ТЛО к нормальноразомкнутым.

Реализация монтажа блока управления в этой коробке. Регулятор засовывается спереди по лыжам. Подсоединяется разъём (справа). Реле крепится на задней крышке изнутри.

            

Печь в сборе. Вид сзади. Как видите, провода термопары и выводы нагревателя охлаждаются просто на воздухе, без излишеств. Провода нагревателя подключаются через клеммник, желательно с керамическим основанием. Рекомендую использовать керамическое нутро от розетки или керамического патрона лампы.
 Выводы термопары тоже через клеммник. К этим же контактам клеммника подключается отрезок соответствующего градуировке компенсационного провода. Если это будет обычный провод, то прибор будет врать на величину разности температур между этим клеммником и задней панелью Ш4501 с измерительной катушкой. Снаружи на задней крышке смонтирована накладная розетка для подключения нагрузки, а на задней крышке коробки муфеля клеммник для подключения термопары. Это позволяет использовать этот блок управления не только с этим муфелем, но и для регулирования температуры в других ваших устройствах. Достаточно прикрутить термопару такой градуировки к клеммнику и всунуть вилку в розетку.

 Немного о самодельной термопаре. Для окончательной бюджетности нашей печи я применил самодельную термопару градуировки ХА. Я предпочитаю самодельные термопары не из-за жадности, а просто потому, что они обладают меньшей инерционностью по сравнению с заводскими. Хотя есть риск сжечь входные цепи регулятора. Подробно на изготовлении такой термопары я останавливаться не буду, потому что этот процесс хорошо освещён в литературе (Бастанов. 300 практических советов) и в интернете.

Материалом послужили жилы из компенсационного провода градуировки ХА. Концы сварены вольфрамовым электродом в атмосфере аргона. Если так сварить вам слабо, тогда как это описано в книгах в графите с бурой с помощью мощного трансформатора. Затем термопара засовывается в керамическую двухканальную МКР трубку. Тут уж вам, пардон, придётся раскошелиться.