Mi az a fűtőelem?
Fotó: A kerámia főzőlap belsejében elrejtett fűtőelem. Ez egy összefüggő elem, amely a kék ponttól indul, és labirintus alakban kanyarog körbe, amíg el nem éri a piros pontot. Nincs értelme, hogy ez az elem más alakú vagy méretű legyen: pontosan a főzőedény alá kell koncentrálnia a hőt – és ez a leghatékonyabb módja ennek.
A tipikus fűtőelem általában egy tekercs, szalag (egyenes vagy hullámos) vagy huzalcsík, amely a lámpa izzószálához hasonlóan hőt ad le. Amikor elektromos áram folyik át rajta, vörösen izzik, és a rajta áthaladó elektromos energiát hővé alakítja, amelyet minden irányba kisugároz.
Az anyagok
A fűtőelemek jellemzően nikkel- vagy vasalapúak.A nikkelalapúak általában nikróm, olyan ötvözet (fémek és néha más kémiai elemek keveréke), amely körülbelül 80 százalékban nikkelből és 20 százalékban krómból áll (a nikrómnak más összetétele is létezik, de a 80-20-as keverék a leggyakoribb). Számos jó oka van annak, hogy a nikkelkróm a fűtőelemek legnépszerűbb anyaga: magas az olvadáspontja (kb. 1400 °C vagy 2550 °F), nem oxidálódik (még magas hőmérsékleten sem), nem tágul túlságosan, amikor felmelegszik, és ésszerű (nem túl alacsony, nem túl magas és ésszerű módon állandó) ellenállással rendelkezik (csak körülbelül 10 százalékkal nő a szobahőmérséklet és a maximális működési hőmérséklet között).
A vízmelegítőkben a nikkelkróm elemet rozsdamentes acélból, ónbevonatú rézből vagy INCOLOY®-ból (vas-nikkel-króm “szuperötvözet”, amely rozsdamentes, hosszú élettartamú, és jól működik keményvizes területeken) készült külső burkolat fedi. A köpeny a fűtőelemtől magnézium-oxiddal van szigetelve, egy szokatlan anyaggal, amely jó hővezető, de rossz elektromos vezető, így lehetővé teszi a hőáramlást a nikrómból, de az elektromosságot nem.
A fűtőelemek típusai
A fűtőelemek sokféle típusa létezik. Néha a nikrómot csupaszon használják, ahogy van; máskor kerámiaanyagba ágyazzák, hogy robusztusabb és tartósabb legyen (a kerámia nagyszerűen bírja a magas hőmérsékletet, és nem bánja a sok fűtést és hűtést). A fűtőelem méretét és alakját nagyrészt annak a készüléknek a mérete határozza meg, amelyben el kell férnie, valamint az a terület, amely felett hőt kell termelnie. A hajgöndörítő fogók rövid, tekercselt elemekkel rendelkeznek, mert egy vékony csőre kell hőt termelniük, amely köré a hajat lehet tekerni. Az elektromos radiátorok hosszú csőelemekkel rendelkeznek, mert egy szoba széles területére kell hőt kibocsátaniuk. Az elektromos tűzhelyek tekercselt fűtőelemei éppen megfelelő méretűek a főzőedények és serpenyők melegítéséhez (gyakran a tűzhely elemeit fém-, üveg- vagy kerámialemezek borítják, így könnyebb őket tisztítani).
Fotó: Kétféle fűtőelem. 1) Az izzó nikrómszalagok a pörkölő belsejében. 2) Jól látható a tekercselt elektromos elem ennek a vízforralónak az alján. Soha nem izzik olyan vörösen, mint a kenyérpirító vezetékei, mert általában nem forrósodik fel eléggé. Ha azonban elég bolond ahhoz, hogy bekapcsolja a vízforralót anélkül, hogy víz lenne benne (ahogy én egyszer véletlenül megtettem), akkor felfedezheti, hogy a vízforraló eleme tökéletesen lehetséges, hogy vörösen izzik. Ez a veszélyes és katasztrofális eset tartósan megrongálta a vízforralómat, és felgyújthatta volna a konyhámat.
Egyes készülékekben a fűtőelemek jól láthatóak: egy elektromos kenyérpirítóban könnyű észrevenni a kenyérpirító falába épített nikrómszalagokat, mert vörösen izzanak. Az elektromos radiátorok (mint a felső képünkön látható) izzó piros sávokkal termelik a hőt (lényegében csak tekercselt, drótból készült fűtőelemek, amelyek sugárzás útján adják le a hőt), míg az elektromos konvektoros fűtőtestek általában koncentrikus, kör alakú fűtőelemekkel rendelkeznek, amelyeket elektromos ventilátorok elé helyeznek (így gyorsabban szállítják a hőt konvekció útján). Egyes készülékek látható elemekkel rendelkeznek, amelyek alacsonyabb hőmérsékleten működnek, és nem izzanak; jó példa erre az elektromos vízforralók, amelyeknek soha nem kell a víz forráspontja (100°C vagy 212°F) fölött működniük. Más készülékek fűtőelemei – általában biztonsági okokból – teljesen rejtve vannak. Az elektromos zuhanyzók és hajsütővasak rejtett elemekkel rendelkeznek, így (remélhetőleg) nem áll fenn az áramütés veszélye.
Fűtőelemek tervezése
Fotó: A fűtőelem tervezésének első lépése, hogy pontosan megértsük, hogyan fogják használni. Ez a fűtött hátsó ablak egy régi VW lakókocsiban lényegében egy szalag típusú fűtőelem, amely edzett üveghez van ragasztva. A tervezési szempontok közé tartozik annak biztosítása, hogy az elem ne akadályozza a vezető kilátását, tartósan az üveghez tapadjon, ne károsítsa az üveget, amikor felmelegszik, elég erős legyen a fagy és a hó viszonylag gyors megolvasztásához, és a jármű akkumulátoráról (vagy elektromos hálózatáról) táplálható legyen.
Mindezek alapján a fűtőelemek nagyon egyszerűen és egyszerűen hangzanak, de valójában sok különböző tényezőt kell figyelembe venniük a villamosmérnököknek, amikor tervezik őket. Thor Hegbom a témáról szóló kiváló könyvében (lásd a hivatkozásokat alább) nagyjából 20-30 különböző tényezőt sorol fel, amelyek befolyásolják egy tipikus fűtőelem teljesítményét, köztük olyan nyilvánvaló dolgokat, mint a feszültség és az áram, az elem hossza és átmérője, az anyag típusa és az üzemi hőmérséklet. Vannak olyan speciális tényezők is, amelyeket az egyes különböző típusú fűtőelemeknél figyelembe kell venni. Például egy kerek huzalból készült tekercselt elem esetében a huzal átmérője és a tekercsek formája (átmérő, hosszúság, osztás, nyúlás stb.) a teljesítményt döntően befolyásoló tényezők közé tartozik. Egy szalagelemnél a szalag vastagságát és szélességét, a felületet és a súlyt kell figyelembe venni.
Mű: Hol és hogyan fogják használni a fűtőelemet? Ez az első dolog, amit figyelembe kell venni, amikor azon gondolkodik, hogy milyen fűtőelemre van szüksége. Íme még négy hétköznapi példa, mindegyik képen pirossal színezve az elemet. Az óramutató járásával megegyező irányban, balról fentről: 1A) Egy egyszerű tekercselt elem; 1B) Két tekercs egy kerámia tűzhelylemezben (zöld); 1C) Két tekercselt elem egy egyszerű fűtőtestben, reflektorokkal (kék), amelyek “besugározzák” a hőjüket a szobába; 1D) Szalagelemek egy hajszárítóban, ventilátorral (sárga), amely előre fújja a hőjüket. A kép az 5,641,421 számú amerikai szabadalomból származik: Amorphous metallic alloy electrical heater systems by Vladimir Manov et al, courtesy of US Patent and Trademark Office.
És ez csak a történet egy része, mert egy fűtőelem nem működik elszigetelten: figyelembe kell venni, hogyan illeszkedik egy nagyobb készülékbe, és hogyan viselkedik majd használat közben (amikor különböző módon használják, vagy visszaélnek vele). Hogyan fogják például szigetelők megtámasztani az elemet a készüléken belül? Milyen nagyoknak és vastagoknak kell lenniük, és ez befolyásolja-e a készülő készülék méretét? (Gondoljon például arra, hogy milyen különböző fűtőelemekre lesz szüksége egy forrasztópáka, egy toll méretű és egy nagy konvektoros fűtőtestben.) Ha egy elemet tartó szigetelők közé “drapírozol”, mi fog vele történni, ahogy felforrósodik? Túlságosan megereszkedik, és ez problémát fog okozni? Több szigetelőre van szükség, hogy ez ne történjen meg, vagy meg kell változtatni az anyagot vagy az elem méreteit? Ha valami olyasmit tervez, mint például egy elektromos tűz, amelyben több fűtőelem van egymáshoz közel, mi fog történni, amikor ezeket külön-külön és együttesen használják? Ha olyan fűtőelemet tervez, amely mellé levegőt fújnak (például egy konvektoros fűtőtestben vagy hajszárítóban), tud-e elegendő légáramot generálni ahhoz, hogy megakadályozza az elem túlmelegedését és élettartamának drámai lerövidülését? Mindezeket a tényezőket egymással szemben kell kiegyensúlyozni ahhoz, hogy hatékony, gazdaságos, tartós és biztonságos termék szülessen.