Ce este un element de încălzire?
Foto: Elementul de încălzire ascuns în interiorul unui aragaz ceramic. Acesta este un element continuu, care începe de la punctul albastru și se curbează în formă de labirint până când ajunge la punctul roșu. Nu are rost ca acest element să aibă altă formă sau dimensiune: trebuie să concentreze căldura cu precizie sub o tigaie de gătit – și acesta este cel mai eficient mod de a realiza acest lucru.
Un element de încălzire tipic este, de obicei, o bobină, o panglică (dreaptă sau ondulată) sau o bandă de sârmă care degajă căldură la fel ca un filament de lampă. Atunci când un curent electric trece prin el, acesta se aprinde la roșu și transformă energia electrică care trece prin el în căldură, pe care o radiază în toate direcțiile.
Materiale
Elementele de încălzire sunt de obicei fie pe bază de nichel, fie pe bază de fier.Cele pe bază de nichel sunt de obicei nichel-crom, un aliaj (un amestec de metale și, uneori, de alte elemente chimice) care constă din aproximativ 80 la sută nichel și 20 la sută crom (există și alte compoziții de nichel-crom, dar amestecul 80-20 este cel mai comun). Există mai multe motive întemeiate pentru care nichromul este cel mai popular material pentru elementele de încălzire: are un punct de topire ridicat (aproximativ 1400°C sau 2550°F), nu se oxidează (chiar și la temperaturi ridicate), nu se dilată prea mult atunci când se încălzește și are o rezistență rezonabilă (nici prea mică, nici prea mare și rezonabil de constantă) (crește doar cu aproximativ 10 procente între temperatura camerei și temperatura maximă de funcționare).
La încălzitoarele de apă, elementul de nicrom este acoperit cu un înveliș exterior realizat din oțel inoxidabil, cupru acoperit cu staniu sau INCOLOY® (un „superaliaj” de fier-nichel-crom, care este rezistent la rugină, de lungă durată și funcționează bine în zonele cu apă dură). Învelișul este izolat de elementul de încălzire cu oxid de magneziu, un material neobișnuit care este un bun conducător de căldură, dar un conductor electric slab, astfel încât permite căldurii să curgă de la nicrom, dar nu și electricității.
Tipuri de elemente de încălzire
Există o mulțime de tipuri diferite de elemente de încălzire. Uneori, nicromul este folosit gol, așa cum este; alteori este încorporat într-un material ceramic pentru a-l face mai robust și mai durabil (ceramica este foarte bună pentru a face față la temperaturi ridicate și nu se supără la multe încălziri și răciri). Dimensiunea și forma unui element de încălzire depind în mare măsură de dimensiunile aparatului în care trebuie să încapă și de suprafața pe care trebuie să producă căldură. Cleștele de ondulat părul are elemente scurte și spiralate, deoarece trebuie să producă căldură pe un tub subțire în jurul căruia poate fi înfășurat părul. Radiatoarele electrice au barele lungi pentru că trebuie să arunce căldură pe o suprafață largă a unei încăperi. Sobele electrice au elemente de încălzire spiralate, exact de mărimea potrivită pentru a încălzi oalele și tigăile de gătit (adesea, elementele sobei sunt acoperite de plăci de metal, sticlă sau ceramică pentru a fi mai ușor de curățat).
Foto: Două tipuri de elemente de încălzire. 1) Panglicile incandescente de nicrom din interiorul atoasterului. 2) Se poate vedea clar elementul electric spiralat din partea de jos a acestui ceainic. Acesta nu strălucește niciodată la roșu în același mod ca firele prăjitorului de pâine pentru că, în mod normal, nu se încinge suficient. Cu toate acestea, dacă ești suficient de nebun încât să pornești ceainicul fără apă înăuntru (așa cum am făcut eu o dată din greșeală), vei descoperi că este perfect posibil ca elementul unui ceainic să se aprindă la roșu. Acel episod periculos și dezastruos mi-a deteriorat definitiv ceainicul și ar fi putut da foc bucătăriei mele.
La unele aparate, elementele de încălzire sunt foarte vizibile: la un prăjitor de pâine electric, este ușor de reperat panglicile de nicrom încorporate în pereții prăjitorului de pâine, deoarece acestea strălucesc la roșu. Radiatoarele electrice (precum cel din fotografia noastră de sus) produc căldură cu ajutorul unor bare roșii incandescente (în esență, doar elemente de încălzire înfășurate, din sârmă, care aruncă căldură prin radiație), în timp ce radiatoarele electrice cu convector au, în general, elemente de încălzire concentrice, circulare, poziționate în fața unor ventilatoare electrice (astfel încât transportă călduramai repede prin convecție). Unele aparate au elemente vizibile care funcționează la temperaturi mai scăzute și nu strălucesc; ceainicele electrice,care nu trebuie să funcționeze niciodată peste punctul de fierbere al apei (100°C sau 212°F), sunt un bun exemplu. Alte aparate au elementele de încălzire complet ascunse, de obicei din motive de siguranță. Dușurile electrice și cleștele de ondulat părul au elementele ascunse, astfel încât nu există (sperăm) nici un risc de electrocutare.
Proiectarea elementelor de încălzire
Foto: Primul pas în proiectarea unui element de încălzire este înțelegerea exactă a modului în care acesta va fi utilizat. Acest geam din spate încălzit al unei vechi cutii de rulotă VW este, în esență, un element de încălzire de tip panglică lipit de sticla securizată. Printre considerentele de proiectare se numără asigurarea faptului că elementul nu blochează vederea șoferului, se lipește permanent de geam, nu deteriorează geamul atunci când se încălzește, este suficient de puternic pentru a topi înghețul și zăpada relativ repede și poate fi alimentat de la bateria vehiculului (sau de la sursa de energie electrică).
Toate acestea fac ca elementele de încălzire să pară foarte simple și directe, dar există, de fapt, mulți factori diferiți pe care inginerii electrici trebuie să îi ia în considerare atunci când le proiectează. În excelenta sa carte pe această temă (a se vedea referințele de mai jos), Thor Hegbom enumeră aproximativ20-30 de factori diferiți care afectează performanța unui element de încălzire tipic, inclusiv lucruri evidente, cum ar fi tensiunea și curentul, lungimea și diametrul elementului, tipul de material și temperatura de funcționare. Există, de asemenea, factori specifici pe care trebuie să îi luați în considerare pentru fiecare tip de element în parte. De exemplu, în cazul unui element spiralat din sârmă rotundă, diametrul sârmei și forma bobinelor (diametru, lungime, pas, întindere și așa mai departe) se numără printre elementele care afectează în mod critic performanța. În cazul unui element de panglică, grosimea și lățimea panglicii, suprafața și greutatea, toate acestea trebuie să fie luate în considerare.
Artwork: Unde și cum va fi utilizat un element de încălzire? Acesta este primul lucru care trebuie luat în considerare atunci când vă gândiți la ce fel de element aveți nevoie. Iată încă patru exemple din viața de zi cu zi, cu elementul colorat în roșu în fiecare imagine. În sensul acelor de ceasornic, de sus, din stânga: 1A) Un element spiralat simplu; 1B) Două elemente spiralate într-o placă de aragaz din ceramică (verde); 1C) Două elemente spiralate într-un aparat de încălzire de bază cu reflectoare (albastru) pentru a le „proiecta” căldura în cameră; 1D) Elemente în formă de panglică într-un uscător de păr cu un ventilator (galben) pentru a le sufla căldura în față. Ilustrație preluată din brevetul american 5,641,421: Amorphous metallic alloy electrical heater systems by Vladimir Manov et al, prin amabilitatea US Patent and Trademark Office.
Și aceasta este doar o parte din poveste, deoarece un element de încălzire nu funcționează în mod izolat: trebuie să luați în considerare modul în care se va potrivi într-un aparat mai mare și cum se va comporta în timpul utilizării (atunci când este folosit, sau abuzat, în diferite moduri). Cum, de exemplu, va fi susținut elementul dvs. în interiorul aparatului de către izolatori? Cât de mari și groase vor trebui să fie acestea și cât de mari și groase vor trebui să fie, iar acest lucru va afecta dimensiunea aparatului pe care îl realizați? (De exemplu, gândiți-vă la diferitele tipuri de elemente de încălzire de care ați avea nevoie într-un fier de lipit, de mărimea unui stilou și a unui convector mare de încălzire). Dacă aveți un element „drapat” între izolatori de susținere, ce se va întâmpla cu acesta pe măsură ce se încălzește? Se va încovoia prea mult și asta va cauza probleme? Aveți nevoie de mai mulți izolatori pentru a împiedica acest lucru sau trebuie să schimbați materialul sau dimensiunile elementului? Dacă proiectați ceva de genul unui foc electric cu mai multe elemente de încălzire apropiate, ce se va întâmpla atunci când acestea vor fi utilizate individual și în combinație? Dacă proiectați un element de încălzire pe lângă care se suflă aer (în cazul unui convector sau al unui uscător de păr, de exemplu), puteți genera un flux de aer suficient pentru a împiedica supraîncălzirea elementului și scurtarea dramatică a duratei sale de viață? Toți acești factori trebuie să fie echilibrați unul față de celălalt pentru a realiza un produs care să fie eficient, economic, durabil și sigur.