Co to jest element grzejny?
Zdjęcie: Element grzewczy ukryty wewnątrz ceramicznej płyty kuchennej. Jest to jeden ciągły element, zaczynający się od niebieskiej kropki i zakręcający w kształcie labiryntu, aż do czerwonej kropki. Nie ma sensu, aby ten element miał jakikolwiek inny kształt lub rozmiar: musi on precyzyjnie koncentrować ciepło pod patelnią do gotowania – i jest to najbardziej efektywny sposób, aby to osiągnąć.
Typowy element grzejny jest zazwyczaj cewką, wstęgą (prostą lub falistą) lub paskiem drutu, który wydziela ciepło podobnie jak żarnik lampy. Kiedy przepływa przez niego prąd elektryczny, jarzy się na czerwono i przekształca energię elektryczną przechodzącą przez niego w ciepło, które wypromieniowuje we wszystkich kierunkach.
Materiały
Elementy grzejne są zazwyczaj albo na bazie niklu, albo na bazie żelaza.Te na bazie niklu są zwykle nichromem, stop (mieszanina metali, a czasem innych pierwiastków chemicznych), który składa się z około 80 procent niklu i 20 procent chromu (inne kompozycje nichromu są dostępne, ale 80-20 mix jest najbardziej powszechne). Istnieje wiele powodów, dla których nichrom jest najbardziej popularnym materiałem na elementy grzejne: ma wysoką temperaturę topnienia (około 1400°C lub 2550°F), nie utlenia się (nawet w wysokich temperaturach), nie rozszerza się zbytnio, gdy się nagrzewa i ma rozsądną (nie za niską, nie za wysoką i rozsądnie stałą) odporność (wzrasta tylko o około 10 procent między temperaturą pokojową a maksymalną temperaturą pracy).
W podgrzewaczach wody, element nichromowy jest pokryty zewnętrzną powłoką wykonaną ze stali nierdzewnej, miedzi powlekanej cyną lub INCOLOY® (żelazo-niklowo-chromowy „superstop”, który jest odporny na rdzę, długotrwały i działa dobrze w obszarach o twardej wodzie). Płaszcz jest izolowany od elementu grzejnego przez tlenek magnezu, niezwykły materiał, który jest dobrym przewodnikiem ciepła, ale słabym przewodnikiem elektrycznym, więc pozwala na przepływ ciepła z nichromu, ale nie elektryczności.
Typy elementów grzejnych
Istnieje wiele różnych rodzajów elementów grzejnych. Czasami nichromemis używane gołe, jak to jest, innym razem jest osadzony w ceramicmaterial, aby uczynić go bardziej wytrzymałe i trwałe (ceramika jest wielki atcoping z wysokich temperatur i nie przeszkadza dużo ogrzewania i chłodzenia). Rozmiar i kształt elementu grzejnego jest w dużej mierze uzależniony od wymiarów urządzenia, w którym ma się on zmieścić oraz od powierzchni, na której ma wytwarzać ciepło. Lokówki do włosów mają krótkie, zwinięte elementy, ponieważ muszą one wytwarzać ciepło na cienkiej rurce, wokół której można zawinąć włosy. Grzejniki elektryczne mają długie elementy, ponieważ muszą wyrzucać ciepło na dużą powierzchnię pomieszczenia. Kuchenki elektryczne mają zwinięte elementy grzewcze tylko rightsize do ogrzewania garnków i patelni (często elementy kuchenki są pokryte metalem, szkłem lub płytami ceramicznymi, więc są łatwiejsze do czyszczenia).
Foto: Dwa rodzaje elementów grzejnych. 1) Żarzące się taśmy nichromowe wewnątrz atoastera. 2) Widać wyraźnie zwinięty element elektryczny na dnie tego czajnika. Nigdy nie żarzy się on na czerwono tak jak przewody tostera, ponieważ zazwyczaj nie jest wystarczająco gorący. Jednakże, jeśli jesteś na tyle głupi, aby włączyć czajnik bez wody w środku (jak ja raz przez przypadek), odkryjesz, że jest to całkowicie możliwe dla elementu czajnika, aby świecić na czerwono. Ten niebezpieczny i katastrofalny epizod trwale uszkodził mój czajnik i mógł spowodować pożar w mojej kuchni.
W niektórych urządzeniach elementy grzewcze są bardzo widoczne: w opiekaczu elektrycznym łatwo jest zauważyć taśmy nichromu wbudowane w ścianki opiekacza, ponieważ żarzą się one na czerwono. Grzejniki elektryczne (jak ten na naszym zdjęciu u góry) wytwarzają ciepło za pomocą żarzących się czerwonych prętów (w zasadzie są to tylko zwinięte, druciane elementy grzewcze, które wyrzucają ciepło przez promieniowanie), podczas gdy elektryczne grzejniki konwektorowe zazwyczaj mają koncentryczne, okrągłe elementy grzewcze umieszczone przed wentylatorami elektrycznymi (dzięki czemu szybciej transportują ciepło przez konwekcję). Niektóre urządzenia mają widoczne elementy, które pracują w niższych temperaturach i nie świecą; dobrym przykładem są czajniki elektryczne, które nigdy nie muszą pracować powyżej temperatury wrzenia wody (100°C lub 212°F). Inne urządzenia mają całkowicie ukryte elementy grzejne, zazwyczaj ze względów bezpieczeństwa. Prysznice elektryczne i lokówki do włosów mają ukryte elementy, więc (miejmy nadzieję) nie ma ryzyka porażenia prądem.
Projektowanie elementów grzejnych
Zdjęcie: Pierwszym krokiem w projektowaniu elementu grzejnego jest dokładne zrozumienie, w jaki sposób będzie on używany. Ta ogrzewana tylna szyba w starej puszce kampera VW jest zasadniczo taśmowym elementem grzewczym przyklejonym do szkła hartowanego. Rozważania projektowe obejmują upewnienie się, że element nie blokuje widoku kierowcy, przylega na stałe do szyby, nie uszkadza szyby, gdy się nagrzewa, jest wystarczająco mocny, aby stopić szron i śnieg stosunkowo szybko, i może być zasilany z akumulatora pojazdu (lub zasilania elektrycznego).
Wszystko to sprawia, że elementy grzejne brzmią bardzo prosto i prosto, ale w rzeczywistości istnieje wiele różnych czynników, które inżynierowie elektrycy muszą rozważyć, gdy je projektują. W swojej doskonałej książce na ten temat (patrz referencje poniżej), Thor Hegbom wymienia około 20-30 różnych czynników, które wpływają na wydajność typowego elementu grzejnego, w tym oczywiste rzeczy, takie jak napięcie i prąd, długość i średnica elementu, rodzaj materiału i temperatura pracy. Istnieją również specyficzne czynniki, które należy rozważyć dla każdego innego typu elementu. Na przykład, w przypadku elementu zwijanego wykonanego z drutu okrągłego, średnica drutu i forma cewek (średnica, długość, skok, rozciągnięcie, i tak dalej) są jednymi z rzeczy, które krytycznie wpływają na wydajność. W przypadku elementów wstęgowych, grubość i szerokość wstęgi, powierzchnia i waga muszą być brane pod uwagę.
Sztuka: Gdzie i jak będzie używany element grzejny? To pierwsza rzecz, którą należy rozważyć, zastanawiając się, jakiego rodzaju elementu potrzebujemy. Oto cztery przykłady z życia codziennego, z elementem oznaczonym kolorem czerwonym na każdym zdjęciu. Zgodnie z ruchem wskazówek zegara, od góry po lewej: 1A) zwykły element w zwojach; 1B) dwa zwoje w ceramicznej płycie kuchenki (zielony); 1C) dwa elementy w zwojach w podstawowym grzejniku z reflektorami (niebieski) do „rozprowadzania” ciepła w pomieszczeniu; 1D) elementy wstęgowe w suszarce do włosów z wentylatorem (żółty) do nadmuchiwania ciepła do przodu. Rysunek pochodzi z patentu USA 5,641,421: Amorphous metallic alloy electrical heater systems by Vladimir Manov et al, courtesy of US Patent and Trademark Office.
And that’s only part of the story, because a heating element does not work in isolation: you have to consider how it will fit into a bigger appliance and how it will behave during use (when it’s used, or abused, in different ways). Jak, na przykład, izolatory będą podtrzymywać element wewnątrz urządzenia? Jak duże i grube będą one musiały być i czy będzie to miało wpływ na wielkość urządzenia, które wykonujesz (na przykład, pomyśl o różnych rodzajach elementów grzejnych, które będą potrzebne w lutownicy, wielkości długopisu i dużym grzejniku konwektorowym). Jeśli element jest „wciągnięty” pomiędzy izolatory podtrzymujące, co się z nim stanie, gdy będzie się bardziej nagrzewał? Czy będzie się za bardzo uginał i czy to spowoduje problemy? Czy potrzeba więcej izolatorów, aby temu zapobiec, czy też trzeba zmienić materiał lub wymiary elementu? Jeśli projektujesz coś takiego jak kominek elektryczny z wieloma elementami grzewczymi umieszczonymi blisko siebie, co się stanie, gdy będą one używane pojedynczo i w połączeniu? Jeśli projektujesz element grzejny, przez który przepływa powietrze (w czymś takim jak grzejnik konwektorowy lub suszarka do włosów), czy możesz wygenerować wystarczający przepływ powietrza, aby zapobiec przegrzaniu elementu i drastycznemu skróceniu jego żywotności? Wszystkie te czynniki muszą być ze sobą zrównoważone, aby stworzyć produkt, który jest skuteczny, ekonomiczny, trwały i bezpieczny.