O que é um elemento de aquecimento?
Foto: O elemento de aquecimento escondido dentro de um fogão de cerâmica. Este é um elemento contínuo, começando no ponto azul e curvando-se em forma de labirinto até alcançar o ponto vermelho. Não faz sentido que este elemento tenha qualquer outra forma ou tamanho: tem de concentrar o calor precisamente debaixo de uma panela – e esta é a forma mais eficaz de o conseguir.
Um elemento de aquecimento típico é geralmente uma serpentina, fita (direita ou ondulada), ou tira de arame que emite calor, tal como um filamento de uma lâmpada. Quando uma corrente elétrica flui através dela, ela brilha vermelho quente e converte a energia elétrica passando por ela em calor, que irradia em todas as direções.
Materiais
Os elementos de aquecimento são tipicamente à base de níquel ou de ferro.Os à base de níquel são normalmente à base de níquel, uma liga (uma mistura de metais e às vezes outros elementos químicos) que consiste em cerca de 80% de níquel e 20% de cromo (outras composições de níquel estão disponíveis, mas a mistura 80-20 é a mais comum). Existem várias boas razões pelas quais o nicromo é o material mais popular para aquecer elementos: tem um ponto de fusão elevado (cerca de 1400°C ou 2550°F), não oxida (mesmo a altas temperaturas), não se expande muito quando aquece e tem uma resistência razoável (não muito baixa, não muito alta e razoavelmente constante) (aumenta apenas cerca de 10 por cento entre a temperatura ambiente e a sua temperatura máxima de funcionamento).
Em aquecedores de água, o elemento nicromo é coberto com uma bainha externa feita de aço manchado, cobre revestido de estanho, ou INCOLOY® (um “superliga” ferro-níquel-cromo, que é anti-ferrugem, duradouro, e funciona bem em áreas de água dura). A bainha é isolada do elemento de aquecimento por óxido de magnésio, um material incomum que é um bom condutor de calor, mas um mau condutor elétrico, assim permite que o calor flua do nicromo, mas não da eletricidade.
Tipos de elementos de aquecimento
Existem muitos tipos diferentes de elementos de aquecimento. Às vezes o nicromo utilizado é nu, como está; outras vezes está embutido num material cerâmico para o tornar mais robusto e durável (as cerâmicas são óptimas atcoping com temperaturas elevadas e não se importam com muito aquecimento e arrefecimento). O tamanho e a forma de um elemento de aquecimento é em grande parte governado pelas dimensões do aparelho que tem de caber no interior e pela área sobre a qual necessita de produzir calor. As pinças para encaracolar o cabelo têm uma forma curta e encaracolada porque precisam de produzir calor sobre um tubo fino que pode ser enrolado no cabelo. Os radiadores eléctricos têm longos e nus, porque precisam de libertar o calor em toda a vasta área de uma sala. Os fogões eléctricos têm elementos de aquecimento enrolados apenas os direitos de aquecer panelas e frigideiras (muitas vezes os elementos de fogão são cobertos por placas de metal, vidro ou cerâmica para que sejam mais fáceis de limpar).
Photo: Dois tipos de elementos de aquecimento. 1) As fitas de nichos brilhantes dentro do atoaster. 2) Você pode ver claramente o elemento elétrico enrolado no fundo desta chaleira. Ele nunca brilha vermelho quente da mesma forma que os fios da torradeira porque normalmente não aquece o suficiente. No entanto, se for tolo o suficiente para ligar a sua chaleira sem água no interior (como fiz uma vez por acidente), descobrirá que é perfeitamente possível que um elemento da chaleira brilhe a vermelho. Esse episódio perigoso e desastroso danificou permanentemente a minha chaleira e poderia ter incendiado a minha cozinha.
Em alguns aparelhos, os elementos de aquecimento são muito visíveis: numa torradeira eléctrica, é fácil detectar as fitas de nicromo incorporadas nas paredes da torradeira, porque brilham a vermelho. Os radiadores eléctricos (como o da foto de cima) aquecem com barras vermelhas brilhantes (essencialmente apenas enroladas, elementos de aquecimento de arame que lançam calor por radiação), enquanto que os aquecedores eléctricos por convecção têm geralmente elementos de aquecimento concêntricos, circulares, posicionados em frente aos ventiladores eléctricos (por isso transportam o calor mais rapidamente por convecção). Alguns aparelhos têm elementos visíveis que funcionam a temperaturas mais baixas e não brilham; as chaleiras eléctricas, que nunca precisam de funcionar acima do ponto de ebulição da água (100°C ou 212°F), são um bom exemplo. Outros aparelhos têm as suas coberturas de aquecimento completamente escondidas, geralmente por razões de segurança. Os chuveiros eléctricos e as pinças de frisar têm elementos escondidos, pelo que não há (esperemos) qualquer risco de electrocussão.
Concepção dos elementos de aquecimento
Foto: O primeiro passo para desenhar um elemento de aquecimento é compreender exactamente como ele será utilizado. Esta janela traseira aquecida numa antiga lata de campista VW é essencialmente um elemento de aquecimento do tipo fita colada a um vidro temperado. As considerações de design incluem garantir que o elemento não bloqueie a visão do motorista, se cola permanentemente ao vidro, não danifica o vidro quando aquece, é poderoso o suficiente para derreter a geada e a neve relativamente rápido, e pode ser alimentado pela bateria do veículo (ou fornecimento de eletricidade).
Tudo isso faz com que os elementos de aquecimento pareçam muito simples e diretos, mas existem, de fato, muitos fatores diferentes que os engenheiros elétricos têm que considerar quando os projetam. Em seu excelente livro sobre o assunto (ver referências abaixo), Thor Hegbom lista aproximadamente 20-30 fatores diferentes que afetam o desempenho de um elemento de aquecimento típico, incluindo coisas óbvias como a tensão e corrente, o comprimento e diâmetro do elemento, o tipo de material e a temperatura de operação. Há também fatores específicos que você precisa considerar para cada tipo diferente de elemento. Por exemplo, com um elemento enrolado feito de fio redondo, o diâmetro do fio e a forma das bobinas (diâmetro, comprimento, passo, estiramento e assim por diante) são coisas que afetam criticamente o desempenho. Com um elemento de fita, a espessura e largura da fita, a área de superfície e o peso devem ser levados em conta.
Artwork: Onde e como vai ser utilizado um elemento de aquecimento? Essa é a primeira coisa a considerar quando você pensa sobre que tipo de elemento você precisa. Aqui estão mais quatro exemplos diários, com o elemento colorido de vermelho em cada imagem. No sentido horário, do alto à esquerda: 1A) Um simples elemento enrolado; 1B) Duas bobinas num fogão de cerâmica (verde); 1C) Dois elementos enrolados num aquecedor de espaço básico com reflectores (azul) para “irradiar” o seu calor para a sala; 1D) Elementos de fita num secador de cabelo com ventilador (amarelo) para soprar o seu calor para a frente. Arte da patente americana 5,641,421: Sistemas de aquecimento elétrico em liga metálica amorfa de Vladimir Manov et al, cortesia do US Patent and Trademark Office.
E isso é apenas parte da história, porque um elemento de aquecimento não funciona isoladamente: você tem que considerar como ele vai caber em um aparelho maior e como ele vai se comportar durante o uso (quando ele é usado, ou abusado, de maneiras diferentes). Como, por exemplo, o seu elemento será suportado dentro do seu aparelho por isoladores? De que tamanho e espessura terão de ser e isso afectará o tamanho do aparelho que está a fazer (por exemplo, pense nos diferentes tipos de elementos de aquecimento de que precisaria num ferro de soldar, do tamanho de uma caneta e de um grande aquecedor de convectores). Se tiver um elemento “drapeado” entre os isoladores de suporte, o que lhe acontecerá à medida que ficar mais quente? Será que vai ficar muito flácido e isso vai causar problemas? Você precisa de mais isoladores para impedir que isso aconteça, ou você precisa mudar o material ou as dimensões do elemento? Se você estiver projetando algo como um fogo elétrico com vários elementos de aquecimento próximos uns dos outros, o que acontecerá quando eles forem usados individualmente e em combinação? Se você estiver projetando um elemento de aquecimento que tenha ar soprado por ele (em algo como um aquecedor de convector ou um secador de cabelo), você pode gerar fluxo de ar suficiente para parar o superaquecimento do elemento e encurtar drasticamente sua vida útil? Todos estes factores têm de ser equilibrados uns contra os outros para que um produto seja eficaz, económico, durável e seguro.