Che cos’è un elemento riscaldante?
Foto: L’elemento riscaldante nascosto all’interno di un piano di cottura in ceramica. Questo è un elemento continuo, che inizia dal punto blu e si incurva a forma di labirinto fino a raggiungere il punto rosso. Non ha senso che questo elemento abbia un’altra forma o dimensione: deve concentrare il calore con precisione sotto una pentola e questo è il modo più efficace per ottenerlo.
Un tipico elemento riscaldante è di solito una bobina, un nastro (dritto o ondulato) o una striscia di filo che emette calore come il filamento di una lampada. Quando una corrente elettrica scorre attraverso di esso, si illumina di rosso caldo e converte l’energia elettrica che lo attraversa in calore, che irradia in tutte le direzioni.
Materiali
Gli elementi riscaldanti sono tipicamente o a base di nichel o di ferro.Quelli a base di nichel sono di solito nichelcromo, una lega (una miscela di metalli e a volte altri elementi chimici) che consiste di circa l’80% di nichel e il 20% di cromo (altre composizioni di nichelcromo sono disponibili, ma la miscela 80-20 è la più comune). Ci sono varie buone ragioni per cui il nichelcromo è il materiale più popolare per gli elementi riscaldanti: ha un alto punto di fusione (circa 1400°C o 2550°F), non si ossida (anche ad alte temperature), non si espande troppo quando si riscalda, e ha una resistenza ragionevole (non troppo bassa, non troppo alta, e ragionevolmente costante) (aumenta solo di circa il 10 per cento tra la temperatura ambiente e la sua massima temperatura di funzionamento).
Negli scaldabagni, l’elemento in nichelcromo è coperto da una guaina esterna in acciaio inossidabile, rame ricoperto di stagno o INCOLOY® (una “superlega” ferro-nichel-cromo, che è resistente alla ruggine, di lunga durata e funziona bene in aree con acqua dura). La guaina è isolata dall’elemento riscaldante dall’ossido di magnesio, un materiale insolito che è un buon conduttore di calore ma un povero conduttore elettrico, quindi permette al calore di fluire dal nichelcromo ma non all’elettricità.
Tipi di elementi riscaldanti
Ci sono molti tipi diversi di elementi riscaldanti. A volte il nichelcromo è usato nudo, così com’è; altre volte è incorporato in un materiale ceramico per renderlo più robusto e durevole (la ceramica è ottima per affrontare le alte temperature e non si preoccupa di un sacco di riscaldamento e raffreddamento). La dimensione e la forma di un elemento riscaldante è in gran parte governata da thedimensions dell’apparecchio che deve adattarsi all’interno e l’area sopra la quale ha bisogno di produrre calore. Le pinze per arricciare i capelli hanno brevi, elementi a spirale perché hanno bisogno di produrre calore su un tubearound sottile che i capelli possono essere avvolti. I radiatori elettrici hanno elementi lunghi a spirale perché hanno bisogno di gettare il calore su un’ampia area di una stanza. Le stufe elettriche hanno elementi riscaldanti a spirale della misura giusta per riscaldare pentole e padelle (spesso gli elementi delle stufe sono coperti da piastre di metallo, vetro o ceramica, così sono più facili da pulire).
Foto: Due tipi di elementi riscaldanti. 1) I nastri di nichelcromo incandescenti dentro un tostapane. 2) Si può vedere chiaramente l’elemento elettrico a spirale sul fondo di questo bollitore. Non brilla mai di rosso come i fili del tostapane perché normalmente non si scalda abbastanza. Tuttavia, se sei abbastanza stupido da accendere il tuo bollitore senza acqua all’interno (come ho fatto una volta per caso), scoprirai che è perfettamente possibile che l’elemento del bollitore diventi rosso fuoco. Quell’episodio pericoloso e disastroso ha danneggiato permanentemente il mio bollitore e avrebbe potuto incendiare la mia cucina.
In alcuni apparecchi, gli elementi riscaldanti sono molto visibili: in un tostapane elettrico, è facile individuare i nastri di nichelcromo incorporati nelle pareti del tostapane perché brillano di rosso. I radiatori elettrici (come quello nella nostra foto in alto) producono calore con barre rosse incandescenti (essenzialmente solo elementi riscaldanti a spirale e a filo che buttano fuori il calore per irraggiamento), mentre i termoconvettori elettrici hanno generalmente elementi riscaldanti concentrici e circolari posizionati davanti alle ventole elettriche (quindi trasportano il calore più rapidamente per convezione). Alcuni elettrodomestici hanno elementi visibili che lavorano a temperature più basse e non brillano; i bollitori elettrici, che non hanno mai bisogno di funzionare sopra il punto di ebollizione dell’acqua (100°C o 212°F), sono un buon esempio. Altri apparecchi hanno i loro elementi riscaldanti completamente nascosti, di solito per ragioni di sicurezza. Docce elettriche e arricciacapelli hanno elementi nascosti così non c’è (si spera) rischio di elettrocuzione.
Progettazione di elementi riscaldanti
Foto: Il primo passo nella progettazione di un elemento riscaldante è capire esattamente come verrà utilizzato. Questo finestrino posteriore riscaldato in un vecchio camper VW è essenzialmente un elemento riscaldante di tipo a nastro incollato al vetro temperato. Le considerazioni di progettazione includono l’assicurarsi che l’elemento non blocchi la visuale del guidatore, si attacchi permanentemente al vetro, non danneggi il vetro quando si riscalda, sia abbastanza potente da sciogliere la brina e la neve in modo relativamente rapido, e possa essere alimentato dalla batteria del veicolo (o dalla fornitura di elettricità).
Tutto ciò fa sembrare gli elementi riscaldanti molto semplici e diretti, ma ci sono, infatti, molti fattori diversi che gli ingegneri elettrici devono considerare quando li progettano. Nel suo eccellente libro sull’argomento (vedi riferimenti sotto), Thor Hegbom elenca circa 20-30 fattori diversi che influenzano le prestazioni di un tipico elemento riscaldante, incluse cose ovvie come la tensione e la corrente, la lunghezza e il diametro dell’elemento, il tipo di materiale e la temperatura di funzionamento. Ci sono anche fattori specifici da considerare per ogni diverso tipo di elemento. Per esempio, con un elemento a spirale fatto di filo rotondo, il diametro del filo e la forma delle spire (diametro, lunghezza, passo, allungamento e così via) sono tra le cose che influenzano criticamente le prestazioni. Con un elemento a nastro, lo spessore e la larghezza del nastro, l’area della superficie e il peso devono essere tutti presi in considerazione.
Artwork: Dove e come verrà usato un elemento riscaldante? Questa è la prima cosa da considerare quando si pensa a quale tipo di elemento si ha bisogno. Ecco altri quattro esempi quotidiani, con l’elemento colorato in rosso in ogni immagine. In senso orario, da sinistra in alto: 1A) Un semplice elemento a spirale; 1B) Due bobine in una piastra di stufa in ceramica (verde); 1C) Due elementi a spirale in una stufa di base con riflettori (blu) per “irradiare” il loro calore nella stanza; 1D) Elementi a nastro in un asciugacapelli con un ventilatore (giallo) per soffiare il loro calore in avanti. Opera d’arte dal brevetto USA 5.641.421: Amorphous metallic alloy electrical heater systems by Vladimir Manov et al, courtesy of US Patent and Trademark Office.
E questa è solo una parte della storia, perché un elemento riscaldante non funziona da solo: bisogna considerare come si inserirà in un apparecchio più grande e come si comporterà durante l’uso (quando viene usato, o abusato, in modi diversi). Come, per esempio, il tuo elemento sarà sostenuto all’interno del suo apparecchio dagli isolatori? Quanto grandi e spessi dovranno essere e questo influenzerà le dimensioni dell’apparecchio che stai facendo? (Per esempio, pensa ai diversi tipi di elementi riscaldanti di cui avresti bisogno in un saldatore, le dimensioni di una penna, e un grande riscaldatore a convettore). Se hai un elemento “drappeggiato” tra isolanti di supporto, cosa gli succederà mentre si riscalda? Si affloscerà troppo e questo causerà problemi? Avete bisogno di più isolanti per evitare che ciò accada, o dovete cambiare il materiale o le dimensioni dell’elemento? Se stai progettando qualcosa come un fuoco elettrico con più elementi riscaldanti vicini, cosa succederà quando vengono usati singolarmente e in combinazione? Se stai progettando un elemento riscaldante che ha l’aria soffiata attraverso di esso (in qualcosa come un convettore o un asciugacapelli), puoi generare abbastanza flusso d’aria per evitare che l’elemento si surriscaldi e riduca drasticamente la sua vita? Tutti questi fattori devono essere bilanciati l’uno contro l’altro per fare un prodotto che sia efficace, economico, durevole e sicuro.