CC BY
60Компоненты и технологии, № 1'2005
Технологии
КПД паяльного инструмента
В статье дается новое определение КПД паяльника и выводится простая зависимость для расчета этого параметра.
Василий Штенников
На стр. 246 своей монографии [1] Манко дает определение КПД1 паяльника как «отношение количества тепла, подведенного к наконечнику и выделенного нагревательным элементом».
У паяльника с наружным нагревателем необходимо учитывать только тепло, выделяемое с выступающей из корпуса части стержня.
Но если стержень паяльника имеет постоянный по длине круглый профиль диаметром й, то мощность, рассеиваемая им со стержня Рст, можно определить следующим образом [2-5]:
Р т = X х т х 5 х г х гк(тЬ)
(1)
а * к х йгш
(2)
тЬд * 0,053 х й-^х
(3)
Во всех случаях указана длина выступающей из корпуса части стержня. При меньших длинах паяльных стержней значения тЬэ меньше.
Таким образом, обычно все используемые наконечники паяльников попадают в диапазон тЬэ < 0,4 и тогда можно принять (см. рис.):
гЬ(тЬэ) * тЬэ
(4)
X — коэффициент теплопроводности материала стержня, Дж/(с-см-°С);
а’ — коэффициент теплообмена паяльного стержня с окружающей средой, Вт/(°С-см2).
В приведенном уравнении I — длина теплоизолированного с торца стержня. Чтобы учесть теплоотдачу с его торца, достаточно упомянутую длину увеличить на величину, равную Ьдоп = (1/4, так как площадь торца стержня совпадает с площадью его боковой поверхности длиной (1/4.
Оценим величину тЬэ для широкого круга используемых паяльников и паяльных станций, где Ь3 = I + (1/4. Для этого используем следующее выражение для коэффициента теплопередачи из публикаций [6-7]:
Для практических расчетов величину гиперболического тангенса можно принимать равной 1 только при величине аргумента 2 и более [4], так как гк2 *0,96 (см. рис.). Однако это реализуется, например, для выступающей части 3-миллиметрового стержня паяльника длиной почти 8 см или для выступающей части 6-миллиметрового стержня длиной около 12,5 см. То и другое на практике не используется.
С учетом соотношений (1-4) КПД1 паяльника с наружным нагревателем по определению [1] можно рассчитать по формуле:
КПД1 = 0,0085 х гк х 1э х й 1,2/Р
(5)
Приведенные данные для коэффициента теплообмена стержней паяльников диаметром 0,2-0,6 см, полученные автором настоящей работы, удовлетворительно согласуются с литературными данными [8].
Принимая X = 3,73 Вт/см^2-°С1 при температуре 280 °С [9], К я 2,7х10-3Вт-°Сг-смъ/гпо нашим данным, опуская промежуточные выкладки, получим:
Здесь Р — мощность паяльника, указанная в паспорте. При необходимости она может быть уточнена путем измерения напряжения питания и потребляемого тока в установившемся режиме холостого хода.
Соотношение (5) можно получить и другим образом, определив количество рассеиваемого тепла в единицу времени с поверхности выступающей части стержня паяльника Бп (принимая постоянную температуру стержня по всей длине равной к и используя выражение (2) для а').
Численные значения для т1э составят:
0,36 — для стержня диаметром 0,2 см и длиной 2 см; 0,40 — для стержня диаметром 0,3 см и длиной 3 см; 0,43 — для стержня диаметром 0,4 см и длиной 4 см; 0,40 — для стержня диаметром 0,6 см и длиной 5 см; 0,43 — для стержня диаметром 1,0 см и длиной 8 см.
178
www.finestreet.ru
Компоненты и технологии, № 1'2005 Технологии
Таким образом, для 15-ваттного паяльника при ^ = 300 °С со стержнем диаметром 0,3 см и длиной 3 см КПД1 по выражению (3) составит около 30%.
Согласно приведенному определению КПД1 паяльного инструмента с внутренним разогревом всегда равен единице. Значит, такой паяльный инструмент с бесконечно длинным стержнем, имея по определению 100-процентный коэффициент полезного действия, всю энергию будет тратить на подогрев воздуха, что наш взгляд не соответствует сути понятия КПД как показателя эффективности использования потраченной энергии.
Поэтому наряду с определением [1] нами впервые предложено определение КПД2 паяльного инструмента — отношение тепло-поглощения (тепла, передаваемого паяным соединениям) к потребляемой мощности паяльного инструмента во время пайки:
КПД2 = Р1/(Р + Р1) (6)
где Р1 — теплопоглощение при пайке [10], Вт.
Например, при номинальной мощности паяльной станции 15 Вт ее КПД2 при пайке электрорадиоизделий на поверхность и в отверстия печатных плат составит примерно 6-17% соответственно.
Выводы
1. Получено простое выражение для расчета КПД паяльного инструмента.
2. Наряду с традиционным определением КПД предложено его новое определение: отношение теплопоглощения во время пайки к потребляемой мощности паяльного инструмента.
Литература
1. Манко Г. Пайка и припои. М.: Машиностроение. 1968.
2. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия. 1977.
3. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача: Учебник для вузов. М.: Энер-гоиздат. 1981.
4. Жуковский В. С. Основы теории теплопередачи. Л.: Энергия. 1969.
5. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. М.: Машгиз. 1962.
6. Штенников В. Н., Байдаков В. Г. Наука и производство. Повышение качества приборов автоматики // Компоненты и технологии. 2004. № 6.
7. Штенников В. Н., Ушаков С. М. Зависимость перепада температуры по длине паяльного стержня от его геометрических и теплофизических параметров. Сб. ВИМИ. 1985. Сер. Им. Вып. 21.
8. Тадеуш Хоблер. Теплопередача и теплообменники. Л.: Госхимиздат. 1961.
9. Пехович А. И., Жидких В. М. Расчеты теплового режима твердых тел. Л.: Энергия. 1976.
10. Штенников В. Н. Теплопоглощение при пайке приборов автоматики // Компоненты и технологии. 2004. № 7.
----------------------www.finestreet.ru -
179
