Wat is een verwarmingselement?
Foto: Het verwarmingselement dat in een keramische kookplaat verborgen zit. Dit is één doorlopend element, dat begint bij de blauwe stip en in een doolhofvorm ronddraait tot aan de rode stip. Het heeft geen zin dit element een andere vorm of grootte te geven: het moet de warmte precies onder een pan concentreren, en dit is de meest effectieve manier om dat te bereiken.
Een typisch verwarmingselement is gewoonlijk een spoel, lint (recht of gegolfd), of strook draad die warmte afgeeft zoals een gloeidraad. Wanneer er een elektrische stroom doorheen loopt, gloeit het roodgloeiend en zet het de elektrische energie die er doorheen gaat om in warmte, die het in alle richtingen uitstraalt.
Materialen
Verwarmingselementen zijn gewoonlijk ofwel op nikkelbasis ofwel op ijzerbasis.De op nikkel gebaseerde zijn gewoonlijk nichroom, een legering (een mengsel van metalen en soms andere chemische elementen) die uit ongeveer 80 percent nikkel en 20 percent chroom bestaat (andere samenstellingen van nichroom zijn beschikbaar, maar het 80-20 mengsel is het gemeenschappelijkst). Er zijn verschillende goede redenen waarom nichroom het meest populaire materiaal voor verwarmingselementen is: het heeft een hoog smeltpunt (ongeveer 1400°C of 2550°F), oxideert niet (zelfs bij hoge temperaturen), zet niet te veel uit wanneer het opwarmt, en heeft een redelijke (niet te laag, niet te hoog, en redelijk constante) weerstand (het stijgt slechts met ongeveer 10 procent tussen kamertemperatuur en de maximale bedrijfstemperatuur).
In warmwatertoestellen wordt het nichroomelement omhuld door een buitenmantel van roestvrij staal, vertind koper of INCOLOY® (een ijzer-nikkel-chroom “superlegering”, die roestvrij is, lang meegaat en goed werkt in gebieden met hard water). De mantel is geïsoleerd van het verwarmingselement door magnesiumoxide, een ongebruikelijk materiaal dat een goede warmtegeleider is, maar een slechte elektrische geleider, dus het laat warmte stromen van het nichroom maar geen elektriciteit.
Typen verwarmingselementen
Er zijn veel verschillende soorten verwarmingselementen. Soms wordt het nichroom kaal gebruikt, zoals het is; andere keren wordt het ingebed in een keramisch materiaal om het robuuster en duurzamer te maken (keramiek is zeer geschikt voor hoge temperaturen en vindt veel verhitten en afkoelen niet erg). De grootte en de vorm van een verwarmingselement worden grotendeels bepaald door de afmetingen van het apparaat waarin het moet passen en het oppervlak waarover het warmte moet produceren. Haarkrultangen hebben korte, opgerolde elementen omdat zij warmte moeten produceren over een dunne buis waarrond het haar kan worden gewikkeld. Elektrische radiatoren hebben lange spiraalelementen omdat zij warmte moeten afgeven over een groot oppervlak van een kamer. Elektrische fornuizen hebben opgerolde verwarmingselementen die precies de juiste maat hebben om pannen te verwarmen (vaak zijn de verwarmingselementen bedekt met metalen, glazen of keramische platen zodat ze gemakkelijker schoon te maken zijn).
Foto: Twee soorten verwarmingselementen. 1) De gloeiende nichroom linten binnenin de broodrooster. 2) U kunt duidelijk het opgerolde elektrische element op de bodem van deze ketel zien. Het gloeit nooit roodgloeiend op dezelfde manier als de draden van het broodrooster omdat het normaal niet heet genoeg wordt. Als u echter zo dom bent uw waterkoker aan te zetten zonder dat er water in zit (zoals ik een keer per ongeluk heb gedaan), zult u ontdekken dat het heel goed mogelijk is dat een element van een waterkoker roodgloeiend wordt. Dat gevaarlijke en rampzalige voorval heeft mijn waterkoker blijvend beschadigd en had mijn keuken in brand kunnen steken.
In sommige apparaten zijn de verwarmingselementen zeer goed zichtbaar: in een elektrische broodrooster zijn de in de broodroosterwand ingebouwde linten van nichroom gemakkelijk te herkennen omdat ze roodgloeiend zijn. Elektrische radiatoren (zoals die op onze bovenste foto) maken warmte met gloeiende rode staven (in wezen gewoon opgerolde, draadvormige verwarmingselementen die warmte afgeven door straling), terwijl elektrische convectorverwarmingen over het algemeen concentrische, cirkelvormige verwarmingselementen hebben die voor elektrische ventilatoren zijn geplaatst (zodat ze warmte sneller transporteren door convectie). Sommige apparaten hebben zichtbare elementen die bij lagere temperaturen werken en niet gloeien; elektrische waterkokers, die nooit boven het kookpunt van water (100°C of 212°F) hoeven te werken, zijn hiervan een goed voorbeeld. Bij andere toestellen is het verwarmingselement volledig verborgen, meestal om veiligheidsredenen. Elektrische douches en haarkrultangen hebben verborgen elementen, zodat er (hopelijk) geen gevaar voor elektrocutie is.
Verwarmingselementen ontwerpen
Foto: De eerste stap bij het ontwerpen van een verwarmingselement is precies begrijpen hoe het zal worden gebruikt. Deze verwarmde achterruit in een oude VW camperbus is in wezen een lintvormig verwarmingselement dat op gehard glas is gelijmd. Bij het ontwerp moet er onder meer op worden gelet dat het element het zicht van de bestuurder niet belemmert, permanent aan het glas blijft kleven, het glas niet beschadigt wanneer het warm wordt, krachtig genoeg is om vorst en sneeuw relatief snel te smelten, en van stroom kan worden voorzien via de accu (of de elektriciteitsvoorziening) van het voertuig.
Dit alles maakt dat verwarmingselementen heel eenvoudig en ongecompliceerd klinken, maar er zijn in feite veel verschillende factoren waarmee elektrotechnici rekening moeten houden wanneer zij ze ontwerpen. In zijn uitstekende boek over het onderwerp (zie referenties hieronder), Thor Hegbom somt ruwweg20-30 verschillende factoren op die de prestaties van een typisch verwarmingselement beïnvloeden, met inbegrip van voor de hand liggende dingen zoals de spanning en de stroom, de lengte en de diameter van het element, het type materiaal, en de werkende temperatuur. Er zijn ook specifieke factoren waarmee u rekening moet houden voor elk verschillend type element. Bij een opgerold element van ronde draad bijvoorbeeld, zijn de diameter van de draad en de vorm van de spoelen (diameter, lengte, steek, rek, enzovoort) enkele van de zaken die de prestaties kritisch beïnvloeden. Bij een lintelement moet rekening worden gehouden met de dikte en breedte van het lint, de oppervlakte en het gewicht.
Kunstwerk: Waar en hoe gaat een verwarmingselement gebruikt worden? Dat is het eerste waar je aan moet denken als je bedenkt wat voor element je nodig hebt. Hier zijn nog vier alledaagse voorbeelden, met het element rood gekleurd in elke foto. Met de klok mee, van linksboven: 1A) Een eenvoudig opgerold element; 1B) Twee spiralen in een keramische kachelplaat (groen); 1C) Twee opgerolde elementen in een eenvoudige ruimteverwarmer met reflectoren (blauw) om hun warmte in de kamer te “stralen”; 1D) Lintelementen in een haardroger met een ventilator (geel) om hun warmte naar voren te blazen. Afbeeldingen uit US Patent 5,641,421: Amorfe metaallegering elektrische verwarmingssystemen door Vladimir Manov et al, met dank aan US Patent and Trademark Office.
En dat is slechts een deel van het verhaal, want een verwarmingselement werkt niet op zichzelf: je moet overwegen hoe het zal passen in een groter apparaat en hoe het zich zal gedragen tijdens het gebruik (wanneer het wordt gebruikt, of misbruikt, op verschillende manieren). Hoe zal uw element bijvoorbeeld in het toestel worden ondersteund door isolatoren? Hoe groot en dik moeten die zijn en heeft dat invloed op de grootte van het apparaat dat je maakt? (Denk bijvoorbeeld aan de verschillende soorten verwarmingselementen die je nodig hebt in een soldeerbout, de grootte van een pen en een groot convectorverwarmingselement). Als je een element “drapeert” tussen ondersteunende isolatoren, wat zal er dan mee gebeuren als het warmer wordt? Zal het te veel doorzakken en zal dat problemen veroorzaken? Heb je meer isolatoren nodig om dat te voorkomen, of moet je het materiaal of de afmetingen van het element veranderen? Als je iets ontwerpt zoals een elektrische haard met meerdere verwarmingselementen dicht bij elkaar, wat zal er dan gebeuren als ze afzonderlijk en in combinatie worden gebruikt? Als je een verwarmingselement ontwerpt waar lucht langs wordt geblazen (in iets als een convectorverwarming of een haardroger), kun je dan genoeg luchtstroming genereren om te voorkomen dat het element oververhit raakt en de levensduur drastisch wordt verkort? Al deze factoren moeten tegen elkaar worden afgewogen om een product te maken dat doeltreffend, economisch, duurzaam en veilig is.