КПД паяльного инструмента

В статье дается новое определение КПД паяльника и выводится простая зависимость для расчета этого параметра.

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 d, то мощность, рассеиваемая им со стержня P_ст, можно определить следующим образом [2–5]:

Pст = λ* m * S * tк * th(mL)   (1)

где

λ— коэффициент теплопроводности материала
стержня, Дж/(с·см·°С);
a² — — коэффициент теплообмена паяльного стержня с окружающей средой, Вт/(°С·см₂).

В приведенном уравнении L — длина теплоизолированного с торца стержня. Чтобы учесть теплоотдачу с его торца, достаточно упомянутую длину
увеличить на величину, равную L_доп = d/4, так как площадь торца стержня совпадает с площадью его боковой поверхности длиной d/4.

Оценим величину mLэ для широкого круга используемых паяльников и паяльных станций, где Lэ = L + d/4. Для этого используем следующее выражение для коэффициента теплопередачи из публикаций [6–7]:

α^‘ ≈ K * d^–1/2  (2)

Приведенные данные для коэффициента теплообмена стержней паяльников диаметром 0,2–0,6 см,
полученные автором настоящей работы, удовлетворительно согласуются с литературными данными [8].

Принимая λ= 3,73Вт/см^–2·°С–1 при температуре 280 °С [9], K ≈ 2,7*10^–3Вт·°С–1·см^–3/2 по нашим данным, опуская промежуточные выкладки, получим:

mL₃≈0,053 * d_–3/4 * Lэ

Численные значения для mL_э 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.

Во всех случаях указана длина выступающей
из корпуса части стержня. При меньших длинах
паяльных стержней значения mLэ меньше.

Таким образом, обычно все используемые наконечники паяльников попадают в диапазон ML₂≤
и тогда можно принять (см. рис.):

th(mL_э) ≈mL_э  (4)

Для практических расчетов величину гиперболического тангенса можно принимать равной 1 только
при величине аргумента 2 и более [4], так как th2≈≈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 * t_к * L_э * d1^1/2/P  (5)

Здесь P — 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 S_п(принимая постоянную температуру стержня по всей длине равной t_к и используя выражение (2) для a’).

Таким образом, для 15-ваттного паяльника
при t_к = 300 °C 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 теплопоглощения (тепла, передаваемого паяным соединениям) к потребляемой мощности паяльного инструмента во время пайки:

КПД₂ = P₁/(P + P₁)  (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.: Энергоиздат. 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.

Статьи в журнале Технологии в электронной промышленности по тематике