Hvad er et varmeelement?
Foto: Varmeelementet, der er skjult inde i en keramisk kogeplade. Det er ét sammenhængende element, der begynder ved den blå prik og bugter sig rundt i en labyrintform, indtil det når den røde prik. Det nytter ikke noget, at dette element har en anden form eller størrelse: det skal koncentrere varmen præcist under en kogepande – og dette er den mest effektive måde at opnå dette på.
Et typisk varmeelement er normalt en spole, et bånd (lige eller bølget) eller en trådstrimmel, der afgiver varme ligesom en glødetråd til en lampe. Når en elektrisk strøm løber igennem den, gløder den rødglødende og omdanner den elektriske energi, der passerer igennem den, til varme, som den udstråler i alle retninger.
Materialer
Varmeelementer er typisk enten nikkelbaserede eller jernbaserede.De nikkelbaserede er normalt nichrome, en legering (en blanding af metaller og undertiden andre kemiske grundstoffer), der består af ca. 80 procent nikkel og 20 procent krom (der findes andre sammensætninger af nichrome, men 80-20-blandingen er den mest almindelige). Der er flere gode grunde til, at nichrome er det mest populære materiale til varmeelementer: det har et højt smeltepunkt (ca. 1400 °C eller 2550 °F), oxiderer ikke (selv ved høje temperaturer), udvider sig ikke for meget, når det opvarmes, og har en rimelig (ikke for lav, ikke for høj og rimelig konstant) modstand (den stiger kun med ca. 10 % mellem stuetemperatur og den maksimale driftstemperatur).
I vandvarmere er nichrome-elementet dækket af en ydre kappe af rustfrit stål, fortinnet kobber eller INCOLOY® (en jern-nikkel-krom “superlegering”, som er rustfri, langtidsholdbar og fungerer godt i områder med hårdt vand). Kappen er isoleret fra varmeelementet med magnesiumoxid, et usædvanligt materiale, der er en god varmeleder, men en dårlig elektrisk leder, så varme kan strømme fra nichromet, men ikke elektricitet.
Typer af varmeelementer
Der findes mange forskellige typer af varmeelementer. Nogle gange bruges nichromet nøgent, som det er; andre gange er det indlejret i et keramisk materiale for at gøre det mere robust og holdbart (keramik er fantastisk til at klare høje temperaturer og har ikke noget imod masser af opvarmning og afkøling). Størrelsen og formen af et varmelegeme afhænger i høj grad af størrelsen af det apparat, det skal passe ind i, og af det areal, det skal producere varme på. Hårkrøllejern har korte, snoede elementer, fordi de skal producere varme over et tyndt rør, som håret kan vikles om. Elektriske radiatorer har lange barelementer, fordi de skal kaste varme ud over et stort område i et rum. Elektriske komfurer har spiralformede varmeelementer, der har den rette størrelse til at opvarme gryder og pander (ofte er komfurelementerne dækket af metal-, glas- eller keramikplader, så de er lettere at rengøre).
Foto: To slags varmeelementer. 1) De glødende nichrombånd inde i en brødrister. 2) Man kan tydeligt se det spiralformede elektriske element i bunden af denne kedel. Det gløder aldrig rødglødende på samme måde som toasterens ledninger, fordi det normalt ikke bliver varmt nok. Men hvis du er dum nok til at tænde din elkedel uden vand i den (som jeg gjorde en gang ved et uheld), vil du opdage, at det er helt muligt for en elkedel at blive rødglødende. Denne farlige og katastrofale episode beskadigede min kedel permanent og kunne have sat ild til mit køkken.
I nogle apparater er varmeelementerne meget synlige: I en elektrisk brødrister er det let at se de nichrombånd, der er indbygget i brødristerens vægge, fordi de gløder rødt. Elektriske radiatorer (som den på vores øverste billede) producerer varme med glødende røde stænger (i bund og grund blot spolerede, trådformede varmeelementer, der afgiver varme ved stråling), mens elektriske konvektorvarmere generelt har koncentriske, cirkulære varmeelementer, der er placeret foran elektriske ventilatorer (så de transporterer varmen hurtigere ved konvektion). Nogle apparater har synlige elementer, som fungerer ved lavere temperaturer og ikke gløder; elkedler, som aldrig behøver at fungere over vandets kogepunkt (100 °C eller 212 °F), er et godt eksempel herpå. I andre apparater er varmeelementerne helt skjult, som regel af sikkerhedshensyn. Elektriske brusere og krøllejern har skjulte elementer, så der (forhåbentlig) ikke er risiko for elektrisk stød.
Design af varmeelementer
Foto: Det første skridt i konstruktionen af et varmeelement er at forstå præcis, hvordan det skal bruges. Denne opvarmede bagrude i en gammel VW-campingvogn er i det væsentlige et varmeelement af båndtypen, der er bundet til hærdet glas. Ved konstruktionen skal man bl.a. sørge for, at elementet ikke blokerer førerens udsyn, at det sidder permanent fast på glasset, at det ikke beskadiger glasset, når det varmes op, at det er kraftigt nok til at smelte frost og sne relativt hurtigt, og at det kan forsynes med strøm fra køretøjets batteri (eller elforsyning).
Alt dette får varmeelementer til at lyde meget enkle og ligetil, men der er faktisk mange forskellige faktorer, som elektroingeniører skal tage hensyn til, når de konstruerer dem. I sin fremragende bog om emnet (se referencer nedenfor) opregner Thor Hegbom ca. 20-30 forskellige faktorer, der påvirker et typisk varmeelements ydeevne, herunder indlysende ting som spænding og strømstyrke, elementets længde og diameter, materialetype og driftstemperatur. Der er også specifikke faktorer, som du skal tage hensyn til for hver enkelt type element. For eksempel er tråddiameteren og spolernes form (diameter, længde, stigning, strækning osv.) blandt de ting, der har afgørende indflydelse på ydeevnen, når der er tale om et spiralelement fremstillet af rund tråd. Med et båndelement skal der tages hensyn til båndets tykkelse og bredde, overfladeareal og vægt.
Arbejde: Hvor og hvordan skal et varmeelement bruges? Det er det første, du skal overveje, når du tænker over, hvilken type element du har brug for. Her er yderligere fire eksempler fra hverdagen, hvor elementet er farvet rødt på hvert billede. Med uret, fra øverst til venstre: 1A) Et simpelt spiralelement; 1B) To spiraler i en keramisk kogeplade (grøn); 1C) To spiralelementer i et simpelt rumvarmelegeme med reflektorer (blå) til at “stråle” deres varme ud i rummet; 1D) Båndelementer i en hårtørrer med en blæser (gul) til at blæse deres varme fremad. Artwork fra US Patent 5,641,421: Amorphous metallic alloy electrical heater systems by Vladimir Manov et al, courtesy of US Patent and Trademark Office.
Og det er kun en del af historien, for et varmeelement fungerer ikke isoleret: man skal overveje, hvordan det passer ind i et større apparat, og hvordan det vil opføre sig under brug (når det bruges eller misbruges på forskellige måder). Hvordan vil dit element f.eks. blive støttet inde i apparatet af isolatorer? Hvor store og tykke skal de være, og vil det påvirke størrelsen af det apparat, du laver? (Tænk f.eks. på de forskellige slags varmeelementer, du har brug for i en loddekolbe, på størrelse med en kuglepen og et stort konvektorvarmelegeme). Hvis du har et element “draperet” mellem bærende isolatorer, hvad vil der så ske med det, når det bliver varmere? Vil det synke for meget, og vil det give problemer? Har man brug for flere isolatorer for at forhindre, at det sker, eller skal man ændre materialet eller elementets dimensioner? Hvis du konstruerer noget som f.eks. en elektrisk pejs med flere varmeelementer tæt på hinanden, hvad vil der så ske, når de bruges enkeltvis og i kombination? Hvis du konstruerer et varmeelement, hvor der blæses luft forbi det (i noget som f.eks. en konvektorvarmer eller en hårtørrer), kan du så generere tilstrækkelig luftstrøm til at forhindre, at elementet overophedes og forkorter dets levetid dramatisk? Alle disse faktorer skal afvejes mod hinanden for at skabe et produkt, der er effektivt, økonomisk, holdbart og sikkert.