Mikä on lämmityselementti?
Kuva: Keraamisen keittotason sisään kätkeytyvä lämmityselementti. Kyseessä on yksi yhtenäinen elementti, joka alkaa sinisestä pisteestä ja kaartuu sokkelonmuotoisesti, kunnes se saavuttaa punaisen pisteen. Tämän elementin ei kannata olla minkään muun muotoinen tai kokoinen: sen on keskitettävä lämpö tarkasti paistinpannun alle – ja tämä on tehokkain tapa saavuttaa se.
Tyypillinen lämmityselementti on tavallisesti kela, nauha (suora tai aaltoileva) tai lankanauha, joka luovuttaa lämpöä lampun hehkulangan tavoin. Kun sen läpi kulkee sähkövirta, se hehkuu punaisena ja muuntaa sen läpi kulkevan sähköenergian lämmöksi, jota se säteilee kaikkiin suuntiin.
Materiaalit
Lämmityselementit ovat tyypillisesti joko nikkeli- tai rautapohjaisia.Nikkelipohjaiset ovat yleensä nikromia, seosta (metallien ja joskus muiden kemiallisten alkuaineiden seos), joka koostuu noin 80 prosenttisesti nikkelistä ja 20 prosenttisesti kromista (muita nikromikoostumuksia on saatavana, mutta 80-20 seos on yleisin). On useita hyviä syitä siihen, miksi nikromi on suosituin lämmityselementtien materiaali: sillä on korkea sulamispiste (noin 1400 °C tai 2550 °F), se ei hapetu (edes korkeissa lämpötiloissa), se ei laajene liikaa kuumentuessaan ja sillä on kohtuullinen (ei liian matala, ei liian korkea ja kohtuullisen vakio) resistanssi (se nousee huoneenlämpötilan ja maksimikäyttölämpötilan välillä vain noin 10prosenttia).
Vedenlämmittimissä nikkelikromielementti on päällystetty ulkovaipalla, joka on valmistettu ruostumattomasta teräksestä, tinapinnoitetusta kuparista tai INCOLOY®:stä (rauta-nikkeli-kromi-”superseoksesta”, joka on ruostumaton, pitkäikäinen ja toimii hyvin kovan veden alueilla). Vaippa on eristetty lämmityselementistä magnesiumoksidilla, epätavallisella materiaalilla, joka on hyvä lämmönjohdin mutta huono sähkönjohdin, joten se sallii lämmön virrata nichromista mutta ei sähköä.
Lämmityselementtien tyypit
Lämmityselementtejä on paljon erilaisia. Joskus nikromia käytetään paljaana, kuten se on, joskus se on upotettu keraamiseen materiaaliin, jotta se olisi kestävämpi ja kestävämpi (keramiikka kestää hyvin korkeita lämpötiloja, eikä sitä haittaa runsas lämmitys ja jäähdytys). Lämmityselementin koko ja muoto määräytyvät suurelta osin sen laitteen mittojen mukaan, johon sen on mahduttava, ja sen pinta-alan mukaan, jonka yli sen on tuotettava lämpöä. Hiusten kihartamispihdeissä on lyhyet, kierteiset elementit, koska niiden on tuotettava lämpöä ohuelle putkelle, jonka ympärille hiukset voidaan kietoa. Sähköpattereissa on pitkät elementit, koska niiden on annettava lämpöä huoneen laajalle alueelle. Sähköliesissä on juuri oikeankokoiset kierteiset lämmityselementit, joilla voidaan lämmittää kattiloita ja pannuja (usein lieden elementit on peitetty metalli-, lasi- tai keraamisilla levyillä, jotta ne on helpompi puhdistaa).
Kuva: Kahdenlaisia lämmityselementtejä. 1) Hehkuvat nichrome-nauhat atoasterin sisällä. 2) Tämän vedenkeittimen pohjassa on selvästi nähtävissä kierretty sähköelementti. Se ei koskaan hehku punaisena samalla tavalla kuin leivänpaahtimen johdot, koska se ei yleensä kuumene tarpeeksi. Jos kuitenkin olet tarpeeksi hölmö kytkeä vedenkeittimesi päälle ilman vettä sisällä (kuten tein kerran vahingossa), huomaat, että on täysin mahdollista, että vedenkeittimen elementti hehkuu punaisena. Tämä vaarallinen ja katastrofaalinen tapaus vahingoitti vedenkeittimeni pysyvästi ja olisi voinut sytyttää keittiöni tuleen.
Joidenkin laitteiden lämmityselementit ovat hyvin näkyviä: sähköpaahtimessa on helppo havaita paahtimen seinämiin asennetut nikrominauhat, koska ne hehkuvat punaisena. Sähköpatterit (kuten yläkuvassamme oleva patteri) tuottavat lämpöä hehkuvilla punaisilla palkeilla (pohjimmiltaan pelkkiä kierrettyjä, lankalämmityselementtejä, jotka luovuttavat lämpöä säteilemällä), kun taas sähköisissä konvektorilämmittimissä on yleensä konsentriset, pyöreät lämmityselementit, jotka on sijoitettu sähkötuulettimien etupuolelle (joten ne kuljettavat lämpöä nopeammin konvektion avulla). Joissakin laitteissa on näkyviä elementtejä, jotka toimivat alhaisemmissa lämpötiloissa eivätkä hehku; hyvä esimerkki tästä ovat vedenkeittimet, joita ei koskaan tarvitse käyttää veden kiehumispisteen (100 °C tai 212 °F) yläpuolella. Toisten laitteiden lämmityselementit ovat täysin piilossa, yleensä turvallisuussyistä. Sähkösuihkuissa ja hiuskihartimissa on piilotetut elementit, joten sähköiskun vaaraa ei (toivottavasti) ole.
Lämmityselementtien suunnittelu
Kuva: Ensimmäinen askel lämmityselementin suunnittelussa on ymmärtää tarkalleen, miten sitä tullaan käyttämään. Tämä vanhan VW-mönkijän lämmitettävä takaikkuna on pohjimmiltaan nauhatyyppinen lämmityselementti, joka on liimattu karkaistuun lasiin. Suunnittelussa on muun muassa varmistettava, että elementti ei estä kuljettajan näkymää, että se pysyy pysyvästi kiinni lasissa, että se ei vahingoita lasia lämmetessään, että se on riittävän voimakas sulattamaan pakkasen ja lumen suhteellisen nopeasti ja että se voidaan syöttää virtalähteenä ajoneuvon akusta (tai virtalähteestä).
Lämmityselementit kuulostavat näin yksinkertaisilta ja suoraviivaisilta, mutta sähkötekniikan insinöörit joutuvat ottamaan huomioon monia eri tekijöitä suunnitellessaan lämmityselementtejä. Thor Hegbom luettelee erinomaisessa aihetta käsittelevässä kirjassaan (ks. viitteet jäljempänä) noin20-30 erilaista tekijää, jotka vaikuttavat tyypillisen lämmityselementin suorituskykyyn, mukaan lukien ilmeiset asiat, kuten jännite ja virta, elementin pituus ja halkaisija, materiaalityyppi ja käyttölämpötila. On myös erityisiä tekijöitä, jotka on otettava huomioon kunkin eri elementtityypin kohdalla. Esimerkiksi pyöreästä langasta valmistetussa kelatussa elementissä langan halkaisija ja kelojen muoto (halkaisija, pituus, jako, venytys jne.) ovat asioita, jotka vaikuttavat ratkaisevasti suorituskykyyn. Nauhaelementissä nauhan paksuus ja leveys, pinta-ala ja paino on otettava huomioon.
Teksti: Missä ja miten lämmityselementtiä aiotaan käyttää? Tämä on ensimmäinen asia, joka on otettava huomioon, kun mietit, millaisen elementin tarvitset. Seuraavassa on vielä neljä arkipäiväistä esimerkkiä, joissa jokaisessa kuvassa elementti on väritetty punaisella. Kello myötäpäivään ylhäältä vasemmalta: 1A) Yksinkertainen kierreelementti; 1B) Kaksi kierrettä keraamisessa hellalevyssä (vihreä); 1C) Kaksi kierreelementtiä peruslämmittimessä, jossa on heijastimet (sininen), jotka ”säteilevät” lämpöä huoneeseen; 1D) Nauhaelementit hiustenkuivaajassa, jossa on puhallin (keltainen), joka puhaltaa lämpöä eteenpäin. Taideteos Yhdysvaltain patentista 5,641,421: Amorphous metallic alloy electrical heater systems by Vladimir Manov et al, courtesy of US Patent and Trademark Office.
Ja tämä on vain osa tarinaa, sillä lämmityselementti ei toimi irrallisena: on pohdittava, miten se sopii isompaan laitteeseen ja miten se käyttäytyy käytön aikana (kun sitä käytetään tai käytetään väärin eri tavoin). Miten esimerkiksi eristimet tukevat elementtiä laitteen sisällä? Kuinka suuria ja paksuja niiden on oltava, ja vaikuttaako se valmistamasi laitteen kokoon? (Mieti esimerkiksi, millaisia erilaisia lämmityselementtejä tarvitset juotospultissa, kynän kokoisessa laitteessa ja suuressa konvektorilämmittimessä). Jos elementti on ”drapattu” tukevien eristeiden väliin, mitä sille tapahtuu, kun se kuumenee? Taipuuko se liikaa ja aiheuttaako se ongelmia? Tarvitaanko lisää eristeitä, jotta näin ei tapahtuisi, vai pitääkö materiaalia tai elementin mittoja muuttaa? Jos suunnittelet esimerkiksi sähkötakkaa, jossa on useita lämmityselementtejä lähellä toisiaan, mitä tapahtuu, kun niitä käytetään erikseen ja yhdessä? Jos suunnittelet lämmityselementin, jonka ohi puhalletaan ilmaa (esimerkiksi konvektorilämmittimessä tai hiustenkuivaajassa), pystytkö tuottamaan tarpeeksi ilmavirtaa, jotta elementti ei ylikuumene ja sen käyttöikä lyhene dramaattisesti? Kaikki nämä tekijät on tasapainotettava keskenään, jotta saadaan aikaan tehokas, taloudellinen, kestävä ja turvallinen tuote.