Кварцевые спирали — виды, применение и температурные режимы

Содержание

Термин «кварцевые спирали» объединяет три разных по конструкции изделия, у которых общим остаётся материал — кварцевое стекло SiO₂. Первое значение — кварцевый нагревательный элемент, спираль из жаростойкого сплава внутри прозрачной кварцевой трубки, основа инфракрасного излучателя. Второе — кварцевая трубка, навитая змеевиком, как греющий элемент дистиллятора. Третье — спиральный теплообменник из кварца для конденсации паров.

Объединяет их кварцевое стекло с рабочей температурой до 1100-1200 °C и стойкостью к термоудару. Спираль сопротивления внутри трубки изготавливают из фехраля (FeCrAl) или нихрома (Х20Н80). Кварцевая трубка-змеевик защищает нагреватель и сохраняет чистоту дистиллята. Спиральный теплообменник работает там, где обычное лабораторное стекло разрушается от температуры или агрессивной среды.

Кварцевое стекло пропускает инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, химически инертно, не загрязняет нагреваемую среду. Эти свойства определяют все три применения. Кварцевая спираль для нагревателя выходит на режим за секунды, температура поверхности трубки достигает 300-700 °C. Дистилляторы с кварцевым змеевиком дают воду без примесей металла. Теплообменники-холодильники из кварца выдерживают пары, от которых трескается стекло в холодильниках типа ХСН по ГОСТ 25336-82.

Три типа кварцевых спиралей

Разница между тремя изделиями — в том, что именно навито спиралью: металлическая нить, кварцевая трубка или змеевик-холодильник.

Три типа кварцевых спиралей: спираль сопротивления, змеевик-нагреватель и холодильник ХСН

Спираль сопротивления в кварцевой трубке

Кварцевый нагревательный элемент собирают из спирали жаростойкого сплава, помещённой внутрь прозрачной кварцевой трубки. Используют фехраль (Х23Ю5Т) или нихром (Х20Н80). Спираль фиксируют керамическими блоками, которые центрируют нить и не дают ей касаться стенок. Внешний корпус отражателя выполняют из нержавеющей стали.

Излучатель даёт средневолновое инфракрасное излучение. Температура поверхности кварцевой трубки в работе — 300-700 °C, выход на рабочий режим занимает секунды. По данным tehnonagrev.ru, такие элементы применяют там, где нужен быстрый старт и точный зональный нагрев. Спираль можно заменить, не меняя весь излучатель.

Кварцевая трубка-змеевик для нагрева

Здесь спиралью навита сама кварцевая трубка, внутри которой проходит ТЭН. Конструкцию ставят в дистилляторы и бидистилляторы. Кварц отделяет нагреватель от воды и не отдаёт в неё ионы металла.

Чистота дистиллята зависит от материала контакта с водой. Кварцевое стекло химически инертно, поэтому вода после такого нагрева пригодна для фармацевтики и аналитической химии. Площадь теплообмена увеличена за счёт спиральной навивки, и нагрев идёт равномернее, чем у прямой трубки.

Спиральный кварцевый теплообменник

Змеевик-холодильник конденсирует пары при перегонке. По функции это аналог холодильника типа ХСН (холодильник спиральный) по ГОСТ 25336-82, но изготовленный из кварца. Замена стекла на кварц нужна для высоких температур и агрессивных сред.

Спиральная форма даёт большую площадь конденсации при компактных размерах. Пары проходят по внутреннему змеевику, охлаждающая вода — по внешнему контуру. Где обычный лабораторный холодильник трескается от термоудара, кварцевый держит перепад без разрушения.

Где применяются кварцевые спирали

Кварцевый нагреватель в камере термоформования — оранжевое ИК-свечение спирали

Инфракрасный нагрев — основная область, где кварцевые спирали сопротивления в трубке работают штатно. Средневолновое ИК-излучение поглощается пластиками, лаками, водой и применяется в производстве, где нужен бесконтактный быстрый нагрев.

• Термоформование пластика — равномерный прогрев листа перед формовкой.
• Сушильные камеры — сушка ЛКМ, текстиля, бумаги.
• Паяльные станции — преднагрев плат и зональная пайка.
• Зональный нагрев — обогрев конкретного участка конвейера или зоны сборки.

Лабораторное направление — дистилляция и конденсация. Кварцевые змеевики работают в дистилляторах для медицины, фармацевтики и химии, где к воде предъявляют требования по чистоте. Кварцевая спираль для дистиллятора служит дольше металлической: она не корродирует и не передаёт продукту ионы железа, что критично для инъекционной воды и реактивов квалификации «ч.д.а.». Спиральные теплообменники конденсируют пары растворителей при перегонке.

Отдельная область — кварцевые лампы. Кварцевое стекло пропускает ультрафиолет в диапазоне 205-315 нм, и при этом спектре идёт генерация озона O₃ для обеззараживания воздуха и воды. В озонаторах кварцевую трубку ставят как барьер газоразрядного промежутка — она держит ультрафиолет и стойка к воздействию озона.

Мы подбираем тип спирали под задачу заказчика: для одной мощности ИК-нагрева подходит фехралевая спираль, для другой — нихромовая, а змеевик дистиллятора рассчитываем под конкретный объём перегонки. Чаще всего ошибаются именно с подбором сплава и шага навивки, а не с самой трубкой.

Свойства кварцевого стекла и греющих сплавов

Кварцевое стекло — это плавленый диоксид кремния SiO₂. Температура размягчения около 1550 °C, длительная рабочая температура — 1100-1200 °C. Температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла составляет примерно 5,5×10⁻⁷ K⁻¹, что в десятки раз ниже, чем у боросиликатного стекла, и именно это обеспечивает стойкость к термоудару при резком перепаде температур: раскалённую трубку можно опустить в воду без растрескивания.

Материал прозрачен для инфракрасного и ультрафиолетового излучения, химически инертен к большинству кислот (кроме плавиковой) и не вносит примесей в нагреваемую среду. Чистота и термостойкость закладываются ещё на этапе производства — подробнее о том, как они зависят от технологии, в материале про способы получения кварцевого стекла.

Спираль внутри трубки навивают из жаростойких сплавов. Фехраль FeCrAl марки Х23Ю5Т выдерживает до 1400 °C, удельное сопротивление — около 1,39 Ом·мм²/м. Нихром Х20Н80 рассчитан до 1250 °C, сопротивление — около 1,1 Ом·мм²/м (по данным zaogross.ru).

Ограничения тоже считаны. При длительной работе у верхнего предела температуры кварц расстекловывается — переходит в кристобалит и мутнеет. Загрязнения на поверхности (отпечатки, пыль) при нагреве спекаются и ускоряют этот процесс, поэтому кварцевые элементы монтируют в перчатках.

Сравнение типов ИК-излучателей

Инфографика: сравнение кварцевого, галогенного и карбонового ИК-нагревателей по длине волны и температуре

Выбор излучателя сводится к длине волны, скорости выхода на режим и температуре поверхности. Пластики и лаки поглощают средневолновый инфракрасный спектр эффективнее коротковолнового, и в этом ключевое преимущество кварцевого излучателя для термоформования и сушки.

По данным veito.ru, карбоновый излучатель с углеродной нитью в вакууме служит до 10 лет и экономит 40-50 % энергии относительно классических ламп. Кварцевый нагревательный элемент со спиралью сопротивления выигрывает в ремонтопригодности — спираль меняется отдельно. Галогенный берут там, где критичен мгновенный коротковолновый нагрев. Для промышленного термоформования и сушки кварцевые спирали остаются рабочим выбором по соотношению цены, ресурса и ремонтопригодности.

Размеры и обозначения

Кварцевые трубки-основы выпускают диаметром 10-300 мм при длине до 3000 мм. Кроме трубок, изготавливают стержни и капилляры. Диаметр спирали сопротивления и шаг её навивки — расчётные величины. Их подбирают под заданную мощность: чем плотнее навивка и тоньше проволока, тем выше сопротивление и температура нити при той же длине рабочей зоны. Поэтому спираль из кварцевого стекла проектируют не «по образцу», а от электрических параметров.

Лабораторные холодильники-змеевики маркируют по ГОСТ 25336-82. Обозначения зависят от конструкции:

Кварцевый спиральный теплообменник повторяет геометрию ХСН, но материал и допуски рассчитывают отдельно под температуру и среду.

Нормативная база

Производство кварцевых изделий опирается на три основных стандарта. ГОСТ 8680-73 (взамен ГОСТ 8680-58) задаёт требования к трубам из прозрачного кварцевого стекла — размеры, допуски, рабочую среду до 1000 °C. По нему изготавливают трубки-основы для ИК-излучателей и змеевиков.

ГОСТ 15130-86 нормирует кварцевое стекло оптическое: марки, прозрачность, содержание примесей. К нему обращаются, когда к изделию предъявляют оптические требования.

ГОСТ 25336-82 распространяется на лабораторную стеклянную посуду и аппаратуру, включая холодильники-змеевики. Стандарт задаёт типы, обозначения (ХСН, ХПТ и другие) и присоединительные размеры. На практике по этому стандарту берут геометрию и присоединительные конусы, а кварцевый аналог изготавливают по той же схеме с поправкой на температурный режим и стойкость материала.

Изготовление кварцевых спиралей по чертежу

Кварц-Пром изготавливает кварцевые спирали и змеевики по чертежам и техническому заданию заказчика. Под оптические требования подбирают марки кварцевого стекла — КУ-1, КУ-2, КВ или КИ — в зависимости от прозрачности и содержания примесей. Дальше идёт расчёт под мощность и температурный диапазон.

1. Подбор материала — выбор марки кварца (КУ-1, КУ-2, КВ, КИ) и сплава спирали (фехраль Х23Ю5Т или нихром Х20Н80) под условия работы.
2. Проектирование — расчёт диаметра и шага навивки спирали под заданную мощность, диаметра и длины трубки или змеевика.
3. Производство — навивка, сборка элемента, крепление керамическими блоками.
4. Контроль качества — проверка геометрии и параметров каждой партии.
5. Отгрузка — комплектация по спецификации заказчика.

Какой сплав закладывать в спираль — фехраль или нихром? Решает рабочая температура и требуемое сопротивление: фехраль держит до 1400 °C, нихром удобнее в навивке и стабильнее по сопротивлению. Для высокотемпературных процессов, где спираль в кварцевой трубке уже не справляется, мы предлагаем карбидкремниевые (SiC) нагреватели — они работают там, где кварцу не хватает запаса по температуре.

Если нужна кварцевая спираль или змеевик под нестандартную задачу — пришлите чертёж или опишите параметры мощности и среды, мы подберём материал и геометрию.

Частые вопросы

Что такое кварцевая спираль?

Термин объединяет три изделия из кварцевого стекла SiO₂. Это спираль сопротивления из фехраля или нихрома внутри кварцевой трубки (нагреватель ИК-излучателя), кварцевая трубка-змеевик в дистилляторе и спиральный кварцевый теплообменник для конденсации паров. Общее у них — материал с рабочей температурой до 1100-1200 °C.

Из чего сделана спираль в кварцевом нагревателе?

Спираль навивают из жаростойких сплавов сопротивления. Чаще всего это фехраль FeCrAl марки Х23Ю5Т или нихром Х20Н80. Спираль помещают внутрь прозрачной кварцевой трубки и фиксируют керамическими блоками.

Какую температуру выдерживает кварцевая спираль?

Кварцевое стекло работает длительно при 1100-1200 °C, размягчается около 1550 °C. Сплав спирали выдерживает больше: фехраль Х23Ю5Т — до 1400 °C, нихром Х20Н80 — до 1250 °C. Реальный предел узла задаёт кварцевая трубка, а не металл.

Чем кварцевый ИК-излучатель отличается от галогенного и карбонового?

Кварцевый даёт средневолновое излучение, выходит на режим за секунды, температура поверхности 300-700 °C, спираль ремонтопригодна. Галогенный — коротковолновый, разогревается до 200-400 °C примерно за 30 секунд. Карбоновый — длинноволновый, с углеродной нитью в вакууме, служит до 10 лет и экономит 40-50 % энергии (по данным veito.ru).

Где применяются кварцевые спирали?

ИК-спирали используют в термоформовании, сушильных камерах, паяльных станциях и зональном нагреве. Кварцевые змеевики работают в дистилляторах для медицины, фармацевтики и химии. Кварцевые лампы в спектре 205-315 нм генерируют озон O₃ для обеззараживания.

Можно ли заказать кварцевую спираль по чертежу?

Да, Кварц-Пром изготавливает спирали и змеевики по чертежам и ТЗ. Под задачу подбирают марку кварца (КУ-1, КУ-2, КВ, КИ), сплав спирали, диаметр и шаг навивки под заданную мощность. Контроль параметров проводят для каждой партии.