Was ist ein Heizelement?
Foto: Das Heizelement, das sich im Inneren eines Keramikkochfelds befindet. Es handelt sich um ein durchgehendes Element, das am blauen Punkt beginnt und sich in Form eines Labyrinths bis zum roten Punkt windet. Es macht keinen Sinn, dass dieses Element eine andere Form oder Größe hat: Es muss die Wärme genau unter einem Kochtopf konzentrieren – und das ist die effektivste Art, dies zu erreichen.
Ein typisches Heizelement ist in der Regel eine Spule, ein Band (gerade oder gewellt) oder ein Drahtstreifen, der Wärme abgibt, ähnlich wie ein Lampenglühfaden. Wenn ein elektrischer Strom durch das Heizelement fließt, glüht es rot auf und wandelt die elektrische Energie, die durch das Heizelement fließt, in Wärme um, die es in alle Richtungen abstrahlt.
Materialien
Heizelemente sind in der Regel entweder auf Nickel- oder Eisenbasis.Die nickelbasierten Heizelemente sind in der Regel Nickelchrom, eine Legierung (eine Mischung aus Metallen und manchmal anderen chemischen Elementen), die zu etwa 80 Prozent aus Nickel und zu 20 Prozent aus Chrom besteht (es gibt auch andere Zusammensetzungen von Nickelchrom, aber die 80-20-Mischung ist die häufigste). Es gibt verschiedene gute Gründe, warum Nichrom das beliebteste Material für Heizelemente ist: Es hat einen hohen Schmelzpunkt (etwa 1400°C oder 2550°F), oxidiert nicht (auch nicht bei hohen Temperaturen), dehnt sich nicht zu sehr aus, wenn es sich erwärmt, und hat einen vernünftigen (nicht zu niedrigen, nicht zu hohen und einigermaßen konstanten) Widerstand (er steigt nur um etwa 10 Prozent zwischen Raumtemperatur und seiner maximalen Betriebstemperatur).
In Warmwasserbereitern ist das Nichromelement mit einem Außenmantel aus rostfreiem Stahl, verzinntem Kupfer oder INCOLOY® (einer Eisen-Nickel-Chrom-„Superlegierung“, die rostfrei und langlebig ist und in Gebieten mit hartem Wasser gut funktioniert) bedeckt. Die Ummantelung ist vom Heizelement durch Magnesiumoxid isoliert, ein ungewöhnliches Material, das ein guter Wärmeleiter, aber ein schlechter elektrischer Leiter ist, so dass zwar Wärme vom Nichrom, aber kein Strom fließen kann.
Typen von Heizelementen
Es gibt viele verschiedene Arten von Heizelementen. Manchmal wird das Nickelchrom pur verwendet, manchmal ist es in ein Keramikmaterial eingebettet, um es robuster und haltbarer zu machen (Keramik eignet sich gut für hohe Temperaturen und verträgt viel Erhitzung und Abkühlung). Die Größe und Form eines Heizelements hängt weitgehend von den Abmessungen des Geräts ab, in das es passen muss, und von der Fläche, auf der es Wärme erzeugen soll. Lockenstäbe haben kurze, gewendelte Elemente, weil sie Wärme über einen dünnen Schlauch erzeugen müssen, um den das Haar gewickelt werden kann. Elektrische Heizkörper haben lange Heizspiralen, weil sie die Wärme über eine große Fläche in einem Raum abgeben müssen. Elektroherde haben gewickelte Heizelemente, die genau die richtige Größe haben, um Kochtöpfe und Pfannen zu erhitzen (oft sind die Heizelemente durch Metall-, Glas- oder Keramikplatten abgedeckt, damit sie leichter zu reinigen sind).
Foto: Zwei Arten von Heizelementen. 1) Die glühenden Nichrom-Bänder im Inneren des Toasters. 2) Man kann deutlich das gewickelte elektrische Element am Boden dieses Wasserkochers sehen. Es glüht nie so rot wie die Drähte des Toasters, weil es normalerweise nicht heiß genug wird. Wenn Sie jedoch so dumm sind, Ihren Wasserkocher ohne Wasser einzuschalten (wie ich es einmal aus Versehen getan habe), werden Sie feststellen, dass es durchaus möglich ist, dass das Element eines Wasserkochers rot glüht. Dieser gefährliche und verhängnisvolle Vorfall hat meinen Wasserkocher dauerhaft beschädigt und hätte meine Küche in Brand setzen können.
Bei einigen Geräten sind die Heizelemente gut sichtbar: Bei einem elektrischen Toaster kann man die in die Wände des Toasters eingelassenen Chrombänder leicht erkennen, da sie rot glühen. Elektrische Heizkörper (wie der auf unserem oberen Foto) erzeugen Wärme mit rot glühenden Stäben (im Grunde nur gewickelte Drahtheizelemente, die Wärme durch Strahlung abgeben), während elektrische Konvektorheizungen im Allgemeinen konzentrische, kreisförmige Heizelemente haben, die vor elektrischen Lüftern angeordnet sind (damit sie die Wärme schneller durch Konvektion transportieren). Einige Geräte haben sichtbare Heizelemente, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten und nicht glühen; ein gutes Beispiel dafür sind elektrische Wasserkocher, die nie über dem Siedepunkt des Wassers (100°C oder 212°F) arbeiten müssen. Bei anderen Geräten sind die Heizelemente vollständig verborgen, meist aus Sicherheitsgründen. Elektrische Duschen und Lockenstäbe haben verdeckte Elemente, so dass (hoffentlich) keine Gefahr eines Stromschlags besteht.
Entwurf von Heizelementen
Foto: Der erste Schritt bei der Entwicklung eines Heizelements besteht darin, genau zu verstehen, wie es verwendet werden soll. Diese beheizte Heckscheibe in einem alten VW-Wohnmobil besteht im Wesentlichen aus einem bandförmigen Heizelement, das mit gehärtetem Glas verbunden ist. Bei der Konstruktion ist darauf zu achten, dass das Heizelement die Sicht des Fahrers nicht behindert, dauerhaft auf dem Glas haftet, das Glas beim Aufheizen nicht beschädigt, stark genug ist, um Frost und Schnee relativ schnell zu schmelzen, und von der Fahrzeugbatterie (oder der Stromversorgung) gespeist werden kann.
All dies lässt Heizelemente sehr einfach und unkompliziert klingen, aber in Wirklichkeit gibt es viele verschiedene Faktoren, die Elektroingenieure bei der Konstruktion berücksichtigen müssen. In seinem ausgezeichneten Buch zu diesem Thema (siehe Referenzen unten) listet Thor Hegbom etwa 20 bis 30 verschiedene Faktoren auf, die die Leistung eines typischen Heizelements beeinflussen, darunter so offensichtliche Dinge wie Spannung und Stromstärke, die Länge und der Durchmesser des Elements, die Art des Materials und die Betriebstemperatur. Darüber hinaus gibt es spezifische Faktoren, die Sie für jeden Elementtyp berücksichtigen müssen. Bei einem gewickelten Element aus Runddraht beispielsweise sind der Durchmesser des Drahtes und die Form der Windungen (Durchmesser, Länge, Teilung, Dehnung usw.) von entscheidender Bedeutung für die Leistung. Bei einem Bandelement müssen die Dicke und Breite des Bandes, die Oberfläche und das Gewicht berücksichtigt werden.
Artwork: Wo und wie wird ein Heizelement eingesetzt? Das ist der erste Punkt, den man bedenken sollte, wenn man überlegt, welche Art von Element man braucht. Hier sind vier weitere alltägliche Beispiele, wobei das Element in jedem Bild rot gefärbt ist. Im Uhrzeigersinn, von oben links: 1A) Ein einfaches Spiralelement; 1B) Zwei Spiralen in einer keramischen Herdplatte (grün); 1C) Zwei Spiralelemente in einem einfachen Raumheizgerät mit Reflektoren (blau), die die Wärme in den Raum „strahlen“; 1D) Bandelemente in einem Haartrockner mit einem Gebläse (gelb), das die Wärme nach vorne bläst. Bildmaterial aus US-Patent 5,641,421: Amorphous metallic alloy electrical heater systems von Vladimir Manov et al, mit freundlicher Genehmigung des US-Patent- und Markenamts.
Und das ist nur ein Teil der Geschichte, denn ein Heizelement funktioniert nicht isoliert: Man muss bedenken, wie es in ein größeres Gerät passt und wie es sich während des Gebrauchs verhält (wenn es auf unterschiedliche Weise benutzt oder missbraucht wird). Wie wird Ihr Element zum Beispiel im Gerät durch Isolatoren gestützt werden? Wie groß und dick müssen sie sein, und wird sich das auf die Größe des Geräts auswirken, das Sie bauen? (Denken Sie zum Beispiel an die verschiedenen Arten von Heizelementen, die Sie für einen Lötkolben, einen Kugelschreiber und einen großen Konvektor benötigen). Wenn Sie ein Element zwischen stützenden Isolatoren „drapieren“, was wird dann mit ihm passieren, wenn es heißer wird? Wird es zu sehr durchhängen, und wird das Probleme verursachen? Braucht man mehr Isolatoren, um dies zu verhindern, oder muss man das Material oder die Abmessungen des Elements ändern? Wenn Sie z. B. einen elektrischen Kamin mit mehreren eng beieinander liegenden Heizelementen entwerfen, was passiert dann, wenn diese einzeln und in Kombination verwendet werden? Wenn Sie ein Heizelement entwerfen, an dem Luft vorbeigeführt wird (z. B. bei einem Konvektor oder einem Haartrockner), können Sie dann einen ausreichenden Luftstrom erzeugen, um zu verhindern, dass das Element überhitzt und seine Lebensdauer drastisch verkürzt wird? All diese Faktoren müssen gegeneinander abgewogen werden, um ein wirksames, wirtschaftliches, langlebiges und sicheres Produkt zu schaffen.