Qu’est-ce qu’un élément chauffant ?
Photo : L’élément chauffant dissimulé à l’intérieur d’une table de cuisson en céramique. Il s’agit d’un élément continu, qui commence au point bleu et s’incurve en forme de labyrinthe jusqu’à atteindre le point rouge. Il n’y a aucun intérêt à ce que cet élément ait une autre forme ou une autre taille : il doit concentrer la chaleur précisément sous une poêle de cuisson – et c’est le moyen le plus efficace d’y parvenir.
Un élément chauffant typique est généralement une bobine, un ruban (droit ou ondulé) ou une bande de fil qui dégage de la chaleur un peu comme un filament de lampe. Lorsqu’un courant électrique le traverse, il devient rougeoyant et convertit l’énergie électrique qui le traverse en chaleur, qu’il rayonne dans toutes les directions.
Matériaux
Les éléments chauffants sont généralement à base de nickel ou de fer.Ceux à base de nickel sont généralement en nichrome, un alliage (mélange de métaux et parfois d’autres éléments chimiques) composé d’environ 80 % de nickel et 20 % de chrome (il existe d’autres compositions de nichrome, mais le mélange 80-20 est le plus courant). Il y a plusieurs bonnes raisons pour lesquelles le nichrome est le matériau le plus populaire pour les éléments chauffants : il a un point de fusion élevé (environ 1400°C ou 2550°F), il ne s’oxyde pas (même à des températures élevées), il ne se dilate pas trop lorsqu’il chauffe et il a une résistance raisonnable (ni trop basse, ni trop élevée, et raisonnablement constante) (elle n’augmente que d’environ 10 % entre la température ambiante et sa température de fonctionnement maximale).
Dans les chauffe-eau, l’élément en nichrome est recouvert d’une gaine extérieure en acier inoxydable, en cuivre étamé ou en INCOLOY® (un « superalliage » fer-nickel-chrome, qui ne rouille pas, dure longtemps et fonctionne bien dans les régions où l’eau est dure). La gaine est isolée de l’élément chauffant par de l’oxyde de magnésium, un matériau inhabituel qui est un bon conducteur de chaleur mais un mauvais conducteur électrique, de sorte qu’il permet à la chaleur de s’écouler de la nichrome mais pas à l’électricité.
Types d’éléments chauffants
Il existe de nombreux types d’éléments chauffants. Parfois, le nichrome est utilisé nu, tel quel ; d’autres fois, il est noyé dans un matériau céramique pour le rendre plus robuste et plus durable (les céramiques sont excellentes pour supporter les hautes températures et ne craignent pas les nombreux chauffages et refroidissements). La taille et la forme d’un élément chauffant sont largement déterminées par les dimensions de l’appareil dans lequel il doit être inséré et la surface sur laquelle il doit produire de la chaleur. Les fers à friser ont des éléments courts et spiralés parce qu’ils doivent produire de la chaleur sur un tube fin autour duquel les cheveux peuvent être enroulés. Les radiateurs électriques ont des éléments longs parce qu’ils doivent diffuser la chaleur sur une grande surface de la pièce. Les poêles électriques ont des éléments chauffants enroulés juste à la bonne taille pour chauffer les casseroles et les poêles (souvent, les éléments des poêles sont recouverts de plaques de métal, de verre ou de céramique pour être plus faciles à nettoyer).
Photo : Deux types d’éléments chauffants. 1) Les rubans de nichrome incandescents à l’intérieur de l’atoaster. 2) Vous pouvez clairement voir l’élément électrique enroulé au fond de cette bouilloire. Il ne s’allume jamais de la même manière que les fils du grille-pain car il n’est normalement pas assez chaud. Cependant, si vous avez la bêtise d’allumer votre bouilloire sans eau à l’intérieur (comme je l’ai fait une fois par accident), vous découvrirez qu’il est parfaitement possible que l’élément de la bouilloire devienne rougeoyant. Cet épisode dangereux et désastreux a définitivement endommagé ma bouilloire et aurait pu mettre le feu à ma cuisine.
Dans certains appareils, les éléments chauffants sont très visibles : dans un grille-pain électrique, il est facile de repérer les rubans de nichrome intégrés dans les parois du grille-pain car ils sont rougeoyants. Les radiateurs électriques (comme celui de notre photo du haut) produisent de la chaleur à l’aide de barres rouges incandescentes (en fait, ce ne sont que des éléments chauffants en fil enroulé qui diffusent de la chaleur par rayonnement), tandis que les convecteurs électriques ont généralement des éléments chauffants concentriques et circulaires placés devant des ventilateurs électriques (afin de transporter la chaleur plus rapidement par convection). Certains appareils sont dotés d’éléments visibles qui fonctionnent à des températures plus basses et qui ne brillent pas ; les bouilloires électriques, qui ne doivent jamais fonctionner au-dessus du point d’ébullition de l’eau (100°C ou 212°F), en sont un bon exemple. Dans d’autres appareils, les éléments chauffants sont complètement cachés, généralement pour des raisons de sécurité. Les douches électriques et les pinces à friser les cheveux ont des éléments dissimulés afin qu’il n’y ait (espérons-le) aucun risque d’électrocution.
Conception des éléments chauffants
Photo : La première étape de la conception d’un élément chauffant consiste à comprendre exactement comment il sera utilisé. Cette lunette arrière chauffante dans un vieux camping-car VW est essentiellement un élément chauffant de type ruban collé à un verre trempé. Les considérations de conception consistent à s’assurer que l’élément ne bloque pas la vue du conducteur, qu’il adhère de manière permanente à la vitre, qu’il n’endommage pas la vitre lorsqu’il chauffe, qu’il est suffisamment puissant pour faire fondre le gel et la neige relativement rapidement et qu’il peut être alimenté par la batterie (ou l’alimentation électrique) du véhicule.
Tout cela fait que les éléments chauffants semblent très simples et directs, mais il y a, en fait, de nombreux facteurs différents que les ingénieurs électriciens doivent prendre en compte lorsqu’ils les conçoivent. Dans son excellent livre sur le sujet (voir les références ci-dessous), Thor Hegbom énumère environ 20 à 30 facteurs différents qui affectent les performances d’un élément chauffant typique, y compris des éléments évidents comme la tension et le courant, la longueur et le diamètre de l’élément, le type de matériau et la température de fonctionnement. Il existe également des facteurs spécifiques que vous devez prendre en compte pour chaque type d’élément. Par exemple, dans le cas d’un élément bobiné en fil rond, le diamètre du fil et la forme des bobines (diamètre, longueur, pas, étirement, etc.) sont parmi les éléments qui influent le plus sur les performances. Dans le cas d’un élément en ruban, l’épaisseur et la largeur du ruban, la surface et le poids doivent tous être pris en compte.
Artwork : Où et comment un élément chauffant va-t-il être utilisé ? C’est la première chose à prendre en compte lorsque vous réfléchissez au type d’élément dont vous avez besoin. Voici quatre autres exemples de la vie quotidienne, l’élément étant coloré en rouge sur chaque photo. Dans le sens des aiguilles d’une montre, en partant du haut à gauche : 1A) Un élément hélicoïdal simple ; 1B) Deux éléments hélicoïdaux dans une plaque de cuisson en céramique (vert) ; 1C) Deux éléments hélicoïdaux dans un chauffage d’appoint de base avec des réflecteurs (bleu) pour « diffuser » leur chaleur dans la pièce ; 1D) Des éléments en ruban dans un sèche-cheveux avec un ventilateur (jaune) pour souffler leur chaleur vers l’avant. Illustration tirée du brevet américain 5,641,421 : Amorphous metallic alloy electrical heater systems par Vladimir Manov et al, avec l’aimable autorisation de l’US Patent and Trademark Office.
Et ce n’est qu’une partie de l’histoire, car un élément chauffant ne fonctionne pas de manière isolée : vous devez considérer comment il s’intégrera dans un appareil plus grand et comment il se comportera pendant son utilisation (lorsqu’il est utilisé, ou maltraité, de différentes manières). Comment, par exemple, votre élément sera-t-il soutenu par des isolateurs à l’intérieur de son appareil ? Quelle taille et quelle épaisseur devront-ils avoir et cela aura-t-il une incidence sur la taille de l’appareil que vous fabriquez (par exemple, pensez aux différents types d’éléments chauffants dont vous auriez besoin dans un fer à souder, de la taille d’un stylo, et dans un gros convecteur). Si vous avez un élément « drapé » entre des isolants de soutien, que va-t-il lui arriver lorsqu’il sera plus chaud ? S’affaissera-t-il trop et cela posera-t-il des problèmes ? Avez-vous besoin de plus d’isolateurs pour empêcher cela, ou devez-vous modifier le matériau ou les dimensions de l’élément ? Si vous concevez quelque chose comme un feu électrique avec plusieurs éléments chauffants proches les uns des autres, que se passera-t-il lorsqu’ils seront utilisés individuellement et en combinaison ? Si vous concevez un élément chauffant sur lequel de l’air est soufflé (dans un appareil comme un convecteur ou un sèche-cheveux), pouvez-vous générer un flux d’air suffisant pour empêcher l’élément de surchauffer et de réduire considérablement sa durée de vie ? Tous ces facteurs doivent être équilibrés les uns par rapport aux autres pour fabriquer un produit efficace, économique, durable et sûr.