Co je to topné těleso?
Foto: Topné těleso ukryté uvnitř sklokeramické varné desky. Jedná se o jeden souvislý prvek, který začíná u modré tečky a obtáčí se ve tvaru bludiště, dokud nedosáhne červené tečky. Nemá smysl, aby tento prvek měl jiný tvar nebo velikost: musí přesně koncentrovat teplo pod varnou nádobu – a to je nejefektivnější způsob, jak toho dosáhnout.
Typický topný prvek je obvykle cívka, páska (rovná nebo vlnitá) nebo pásek drátu, který vydává teplo podobně jako žárovka. Když jím protéká elektrický proud, rozžhaví se a přemění procházející elektrickou energii na teplo, které vyzařuje do všech směrů.
Materiály
Heating elements are typically either nickel-based or iron-based.Ty na bázi niklu jsou obvykle nichrom, slitina (směs kovů a někdy i dalších chemických prvků), která se skládá přibližně z 80 % niklu a 20 % chromu (existují i jiná složení nichromu, ale směs 80-20 je nejběžnější). Existuje několik dobrých důvodů, proč je nichrom nejoblíbenějším materiálem pro topná tělesa: má vysoký bod tání (asi 1400 °C nebo 2550 °F), neoxiduje (ani při vysokých teplotách), při zahřívání se příliš neroztahuje a má přiměřený (ne příliš nízký, ne příliš vysoký a přiměřeně stálý) odpor (mezi pokojovou teplotou a maximální provozní teplotou se zvyšuje jen asi o 10 %).
V ohřívačích vody je nichromový prvek pokryt vnějším pláštěm z nerezové oceli, mědi potažené cínem nebo INCOLOY® („superslitina“ železa, niklu a chromu, která je odolná proti korozi, má dlouhou životnost a dobře funguje v oblastech s tvrdou vodou). Plášť je od topného tělesa izolován oxidem hořečnatým, neobvyklým materiálem, který je dobrým vodičem tepla, ale špatným vodičem elektrického proudu, takže umožňuje proudění tepla z nichromu, ale ne elektřiny.
Typy topných těles
Existuje mnoho různých druhů topných těles. Někdy se nichrom používá holý, tak jak je, jindy je zapuštěn do keramického materiálu, aby byl robustnější a odolnější (keramika se skvěle vyrovnává s vysokými teplotami a nevadí jí velké zahřívání a ochlazování). Velikost a tvar topného tělesa se do značné míry řídí rozměry spotřebiče, do kterého se musí vejít, a plochou, nad kterou musí produkovat teplo. Kulmy na vlasy mají krátké, spirálovité prvky, protože potřebují produkovat teplo na tenké trubce, kolem které lze vlasy namotat. Elektrické radiátory mají dlouhá holá tělesa, protože potřebují vyzařovat teplo na velkou plochu místnosti. Elektrické sporáky mají svinutá topná tělesa právě takové velikosti, aby mohla ohřívat hrnce a pánve (často jsou tělesa sporáků zakryta kovovými, skleněnými nebo keramickými deskami, takže se snadněji čistí).
Foto: Dva druhy topných těles. 1) Žhavící se nichromové pásky uvnitř ohřívače. 2) Na dně této konvice je zřetelně vidět svinutý elektrický prvek. Nikdy se nerozžhaví do červena stejně jako dráty topinkovače, protože se obvykle dostatečně nerozžhaví. Pokud jste však natolik hloupí, že zapnete konvici bez vody uvnitř (jako jsem to jednou omylem udělal já), zjistíte, že je naprosto možné, aby prvek konvice žhnul do červena. Tato nebezpečná a katastrofální příhoda mi konvici trvale poškodila a mohla způsobit požár v kuchyni.
U některých spotřebičů jsou topná tělesa velmi dobře viditelná: v elektrickém toustovači je snadné rozpoznat stužky nichromu zabudované do stěn toustovače, protože žhnou do červena. Elektrické radiátory (jako je ten na naší horní fotografii) vytvářejí teplo pomocí červeně zářících pruhů (v podstatě jen svinutých, drátěných topných těles, která vrhají teplo sáláním), zatímco elektrické konvektory mají obvykle soustředná, kruhová topná tělesa umístěná před elektrickými ventilátory (takže rychleji transportují teplo konvekcí). Některé spotřebiče mají viditelné prvky, které pracují při nižších teplotách a nesvítí; dobrým příkladem jsou elektrické konvice, které nikdy nemusí pracovat nad bodem varu vody (100 °C nebo 212 °F). Jiné spotřebiče mají své topné prvky zcela skryté, obvykle z bezpečnostních důvodů. Elektrické sprchy a kulmy na vlasy mají prvky skryté, takže (doufejme) nehrozí nebezpečí úrazu elektrickým proudem.
Konstrukce topných prvků
Foto: Prvním krokem při navrhování topného prvku je pochopit, jak přesně bude používán. Toto vyhřívané zadní okno ve staré obytné plechovce VW je v podstatě páskový topný prvek nalepený na tvrzené sklo. Při návrhu je třeba dbát na to, aby prvek nebránil řidiči ve výhledu, trvale přilnul ke sklu, nepoškodil sklo, když se zahřívá, byl dostatečně výkonný, aby relativně rychle rozpustil námrazu a sníh, a mohl být napájen z baterie vozidla (nebo z elektrické sítě).
Všechno to zní, že topné prvky jsou velmi jednoduché a přímočaré, ale ve skutečnosti existuje mnoho různých faktorů, které musí elektrotechnici při jejich návrhu zvážit. Thor Hegbom ve své vynikající knize na toto téma (viz odkazy níže) uvádí zhruba 20-30 různých faktorů, které ovlivňují výkon typického topného článku, včetně samozřejmých věcí, jako je napětí a proud, délka a průměr článku, typ materiálu a provozní teplota. Existují také specifické faktory, které je třeba vzít v úvahu pro každý typ prvku. Například u vinutého prvku z kulatého drátu patří průměr drátu a tvar závitů (průměr, délka, rozteč, protažení atd.) k faktorům, které zásadně ovlivňují výkon. U páskového prvku je třeba zohlednit tloušťku a šířku pásky, plochu povrchu a hmotnost.
Práce: Kde a jak bude topný prvek použit? To je první věc, kterou je třeba zvážit, když přemýšlíte o tom, jaký prvek potřebujete. Zde jsou čtyři další příklady z každodenního života, přičemž na každém obrázku je prvek vybarven červeně. Ve směru hodinových ručiček, zleva nahoře: 1A) Jednoduchý svinutý prvek; 1B) Dvě spirály v keramické plotýnce kamen (zelená); 1C) Dva svinuté prvky v základním prostorovém topení s reflektory (modrá), které „vyzařují“ jejich teplo do místnosti; 1D) Páskové prvky ve fénu na vlasy s ventilátorem (žlutá), který vyfukuje jejich teplo dopředu. Obrázek z amerického patentu 5 641 421: Amorphous metallic alloy electrical heater systems by Vladimir Manov et al, courtesy of US Patent and Trademark Office.
A to je jen část příběhu, protože topný prvek nefunguje izolovaně: musíte zvážit, jak bude zapadat do většího spotřebiče a jak se bude chovat během používání (když je používán, nebo zneužíván, různými způsoby). Jak bude například váš prvek uvnitř spotřebiče podepřen izolátory? Jak velké a tlusté budou muset být a ovlivní to velikost spotřebiče, který vyrábíte? (Zamyslete se například nad různými druhy topných prvků, které byste potřebovali v páječce, velikosti propisky a velkém konvektorovém topení.) Pokud máte prvek „obtažen“ mezi podpůrnými izolátory, co se s ním stane, když se zahřeje? Bude se příliš prohýbat a způsobí to problémy? Potřebujete více izolátorů, aby se to nestalo, nebo musíte změnit materiál nebo rozměry prvku? Pokud navrhujete něco jako elektrický krb s více topnými prvky blízko sebe, co se stane, když se budou používat jednotlivě a v kombinaci? Pokud navrhujete topný prvek, který je obtékán vzduchem (např. konvektorové topení nebo fén), můžete vytvořit dostatečný průtok vzduchu, aby se prvek nepřehřál a výrazně nezkrátil svou životnost? Všechny tyto faktory je třeba vzájemně vyvážit, aby byl výrobek účinný, úsporný, odolný a bezpečný.