КПД паяльного инструмента Текст научной статьи по специальности «Физика»

Компоненты 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

Shtennikov@mail.ru

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