Vad är ett värmeelement?
Foto: Värmeelementet som döljer sig i en keramisk kokplatta. Detta är ett sammanhängande element som börjar vid den blå pricken och kröker sig runt i en labyrintform tills det når den röda pricken. Det finns ingen mening med att detta element skulle ha någon annan form eller storlek: det måste koncentrera värmen exakt under en stekpanna – och detta är det mest effektiva sättet att uppnå detta.
Ett typiskt värmeelement är vanligtvis en spole, ett band (rakt eller korrugerat) eller en trådremsa som avger värme ungefär som en glödtråd i en lampa. När en elektrisk ström går genom den glöder den rödglödande och omvandlar den elektriska energin som går genom den till värme, som den strålar ut i alla riktningar.
Material
Värmeelement är vanligen antingen nickelbaserade eller järnbaserade.De nickelbaserade är vanligtvis nichrome, en legering (en blandning av metaller och ibland andra kemiska element) som består av cirka 80 procent nickel och 20 procent krom (andra sammansättningar av nichrome finns, men 80-20-blandningen är den vanligaste). Det finns flera goda skäl till varför nichrom är det mest populära materialet för värmeelement: det har en hög smältpunkt (ca 1400°C eller 2550°F), oxiderar inte (även vid höga temperaturer), expanderar inte för mycket när det värms upp och har ett rimligt (inte för lågt, inte för högt och rimligt konstant) motstånd (det ökar endast med ca 10 procent mellan rumstemperatur och den maximala driftstemperaturen).
I varmvattenberedare är nichromelementet täckt av ett yttre hölje av rostfritt stål, tennbelagd koppar eller INCOLOY® (en superlegering av järn-nickel-krom som är rostfri, hållbar och fungerar bra i områden med hårt vatten). Höljet är isolerat från värmeelementet med magnesiumoxid, ett ovanligt material som är en bra värmeledare men en dålig elektrisk ledare, vilket gör att värme kan flöda från nichromet men inte elektricitet.
Typer av värmeelement
Det finns många olika typer av värmeelement. Ibland används nichromet naket, som det är, andra gånger är det inbäddat i ett keramiskt material för att göra det mer robust och hållbart (keramik är bra på att klara av höga temperaturer och har inget emot mycket uppvärmning och nedkylning). Storleken och formen på ett värmeelement styrs till stor del av storleken på den apparat som det ska passa in i och den yta som det ska producera värme över. Hårlocktänger har korta, spiralformade element eftersom de måste producera värme över ett tunt rör som håret kan lindas runt. Elektriska radiatorer har långa element eftersom de måste sprida värme över ett stort område i ett rum. Elektriska spisar har spiralformade värmeelement som är lagom stora för att värma grytor och stekpannor (ofta är elementen täckta av metall-, glas- eller keramikplattor så att de är lättare att rengöra).
Foto: Två typer av värmeelement. 1) De glödande nichrombanden inuti en brödrost. 2) Man kan tydligt se det spiralformade elektriska elementet i botten av den här vattenkokaren. Det glöder aldrig rött på samma sätt som brödrostsladdarna eftersom det normalt inte blir tillräckligt varmt. Men om du är dum nog att sätta på din vattenkokare utan vatten i den (vilket jag gjorde en gång av misstag) kommer du att upptäcka att det är fullt möjligt för ett element i en vattenkokare att glöda rött. Den farliga och katastrofala händelsen skadade min vattenkokare permanent och kunde ha satt mitt kök i brand.
I vissa apparater är värmeelementen mycket synliga: i en elektrisk brödrost är det lätt att upptäcka de nichromband som är inbyggda i brödrostens väggar eftersom de glöder rött. Elektriska radiatorer (som den i vår översta bild) producerar värme med glödande röda staplar (i huvudsak bara spiralformade värmeelement av tråd som avger värme genom strålning), medan elektriska konvektorvärmare i allmänhet har koncentriska, cirkulära värmeelement som är placerade framför elektriska fläktar (så att de transporterar värmen snabbare genom konvektion). Vissa apparater har synliga element som fungerar vid lägre temperaturer och som inte lyser. Elektriska vattenkokare, som aldrig behöver arbeta över vattnets kokpunkt (100 °C eller 212 °F), är ett bra exempel på detta. I andra apparater är värmeelementen helt dolda, vanligtvis av säkerhetsskäl. Elektriska duschar och hårlocktänger har dolda element så att det (förhoppningsvis) inte finns någon risk för elstötar.
Design av värmeelement
Foto: Det första steget i utformningen av ett värmeelement är att förstå exakt hur det ska användas. Den här uppvärmda bakrutan i en gammal VW-camper är i huvudsak ett värmeelement av bandtyp som är bundet till härdat glas. Vid utformningen måste man bland annat se till att elementet inte blockerar förarens sikt, att det sitter fast permanent på glaset, att det inte skadar glaset när det värms upp, att det är tillräckligt kraftfullt för att smälta frost och snö relativt snabbt och att det kan drivas från fordonets batteri (eller elförsörjning).
Alla dessa faktorer gör att värmeledare låter mycket enkla och okomplicerade, men det finns i själva verket många olika faktorer som elektroteknikerna måste ta hänsyn till när de utformar dem. I sin utmärkta bok i ämnet (se referenser nedan) räknar Thor Hegbom upp ungefär 20-30 olika faktorer som påverkar prestandan hos ett typiskt värmeelement, inklusive uppenbara saker som spänning och ström, elementets längd och diameter, typ av material och arbetstemperatur. Det finns också specifika faktorer som du måste ta hänsyn till för varje typ av element. När det gäller ett spiralelement av rund tråd är till exempel trådens diameter och spiralernas form (diameter, längd, stigning, sträckning och så vidare) några av de saker som har en avgörande inverkan på prestandan. När det gäller ett bandelement måste man ta hänsyn till bandets tjocklek och bredd, yta och vikt.
Artwork: Var och hur ska ett värmeelement användas? Det är det första man måste tänka på när man funderar på vilken typ av element man behöver. Här är ytterligare fyra vardagliga exempel, med elementet färgat rött i varje bild. Medurs, från vänster uppifrån: 1A) Ett enkelt spiralelement; 1B) Två spiraler i en keramisk spisplatta (grön); 1C) Två spiralelement i en enkel rumsvärmare med reflektorer (blå) för att ”stråla” ut sin värme i rummet; 1D) Bandelement i en hårtork med en fläkt (gul) för att blåsa ut sin värme framåt. Konstverk från det amerikanska patentet 5,641,421: Amorphous metallic alloy electrical heater systems by Vladimir Manov et al, courtesy of US Patent and Trademark Office.
Och det är bara en del av historien, eftersom ett värmeelement inte fungerar isolerat: du måste tänka på hur det kommer att passa in i en större apparat och hur det kommer att uppträda under användning (när det används, eller missbrukas, på olika sätt). Hur kommer t.ex. elementet att stödjas av isolatorer i apparaten? Hur stora och tjocka kommer de att behöva vara och kommer det att påverka storleken på den apparat du tillverkar? (Tänk till exempel på de olika typerna av värmeelement du behöver i en lödkolv, i storleken på en penna och i en stor konvektorvärmare). Om du har ett element ”draperat” mellan bärande isolatorer, vad kommer att hända med det när det blir varmare? Kommer det att sjunka för mycket och kommer det att orsaka problem? Behöver man fler isolatorer för att förhindra detta, eller måste man ändra materialet eller elementets dimensioner? Om du konstruerar något som en elektrisk eldstad med flera värmeelement nära varandra, vad kommer att hända när de används individuellt och i kombination? Om du konstruerar ett värmeelement där luft blåser förbi (i något som en konvektorvärmare eller en hårtork), kan du generera tillräckligt med luftflöde för att förhindra att elementet överhettas och dramatiskt förkortar sin livslängd? Alla dessa faktorer måste vägas mot varandra för att skapa en produkt som är effektiv, ekonomisk, hållbar och säker.