A tűz az emberiség egyik legkorábbi és legnagyobb felfedezése volt – több mint egymillió évvel ezelőtt. A sugárhajtóművek, űrrakéták, acél felhőkarcolók és szintetikus műanyagok modern korában a füst és a lángok kétségtelenül őskorinak tűnhetnek. De mind a négy találmány – és ezen kívül még tucatnyi másik – valamilyen módon a tűzre támaszkodik.
A tűz egy zseniális dolog, de nem kényelmes. Néha egy örökkévalóságig tart, mire tüzet gyújtunk: például a szénnel hajtott gőzmozdonyokat órákig kell fűteni indulás előtt. Máskor a tűz akkor csap ki, amikor a legkevésbé számítasz rá, életeket, épületeket és mindent veszélyeztetve, ami kedves számodra. Nem lenne nagyszerű, ha a tüzet olyan könnyű lenne irányítani, mint az elektromosságot, hogy egy pillanat alatt lehessen be- és kikapcsolni? Ez a fűtőbetétek mögött rejlő alapötlet. Ez a "tűz" olyan dolgokban, mint az elektromos fűtőberendezés, zuhanyzó, kenyérpirító, tűzhely, hajszárító, ruhaszárító, forrasztópáka és mindenféle egyéb praktikus háztartási készülék. A fűtőbetétek a tűz erejét adják nekünk az elektromosság kényelmével. Nézzük meg közelebbről, mik is ezek, és hogyan működnek!
Fotó: Egy tipikus elektromos kandalló. Ebben három fűtőbetét található, amelyek fehér kerámiába vannak rögzítve egy ezüst színű biztonsági rács mögé. A kép közepén láthatók a betétek, amint vízszintesen futnak és vörösen izzanak. A tetején egy eléggé megkérdőjelezhető műanyag szénkupac található, amelynek semmi hasznos célja nincs azon kívül, hogy emlékeztessen minket arra, hogy szívünk mélyén barlanglakók vagyunk. Még mindig szeretjük a tűz romantikáját, még akkor is, ha az elektromosság kényelmét részesítjük előnyben!
Hő előállítása elektromos áramból
Az iskolában azt tanultuk, hogy egyes anyagok jól vezetik az elektromos áramot, mások rosszul. A jó vezetőket vezetőknek, míg a rossz vezetőket szigetelőknek nevezzük. A vezetőket és a szigetelőket gyakran jobban leírhatjuk, ha megbeszéljük, hogy mekkora az ellenállásuk. A vezetők ellenállása alacsony (az elektromosság könnyen folyik rajtuk), míg a szigetelők ellenállása sokkal nagyobb (az elektromosságnak igazi küzdelem átjutni rajtuk). Egy elektromos vagy elektronikus áramkörben ellenállásoknak nevezett eszközöket használhatunk az áramfolyás mértékének szabályozására; például egy hangszóró áramkörben az ellenállás növelésére és az áram csökkentésére szolgáló tekerőgombbal csökkenthetjük a hangerőt.
Fotó: közeli kép az izzólámpa tekercselt volfrámszáláról, amely nagy mennyiségű hőtermeléssel állítja elő a fényt. Az izzószál által kibocsátott fény mennyisége közvetlenül összefügg a hosszával: minél hosszabb az izzószál, annál több fényt bocsát ki. Ezért tekercselt: a tekercs nagyobb hosszúságot (és fényt) sűrít ugyanabba a térbe.
Az ellenállások úgy működnek, hogy az elektromos energiát hőenergiává alakítják, más szóval felmelegszenek, amikor az elektromosság áthalad rajtuk. De nem csak az ellenállások teszik ezt. Még egy vékony drótdarab is felmelegszik, ha elegendő nagyságú áram folyik át rajta. Ez az izzólámpák (régimódi, villanykörte alakú lámpák) alapötlete. Az üvegbura belsejében egy nagyon vékony dróttekercs található, amelyet izzószálnak neveznek. Amikor áram folyik át rajta, az felizzik – tehát valójában hőtermeléssel állít elő fényt. Az ilyen lámpa által felhasznált energia körülbelül 95 százaléka hővé alakul, és teljesen kárba vész (az energiatakarékos fénycső használata sokkal hatékonyabb, mert a lámpa által fogyasztott elektromos áram nagy része fénnyé alakul, alig keletkezik hőveszteség).
Most felejtsük el a fényt – mi lenne, ha a hő lenne az, ami igazán érdekelne minket? Hirtelen rájövünk, hogy a pazarló izzólámpánk valójában nagyon hatékony, mert a betáplált energia 95 százalékát hővé alakítja. Fantasztikus! Csak van egy probléma. Ha valaha is közel kerültél egy izzólámpához, tudni fogod, hogy elég forró lesz ahhoz, hogy megégessen, ha hozzáérsz, de ha akár csak egy méternyire állsz, egy 100 wattos lámpa hője túl gyenge ahhoz, hogy elérjen hozzád.
Mi lenne, ha egy elektromos fűtőtestet nagyjából ugyanúgy szeretnénk építeni, mint egy elektromos lámpát? Szükségünk lenne valami olyasmire, mint egy felnagyított izzószál – talán 20-30-szor erősebb, hogy valóban érezni tudjuk a hőt. Szükségünk lenne egy meglehetősen robusztus anyagra (ami nem olvad meg, és sokáig kibírja az ismételt melegítést és hűtést), és sok hőt kellene leadnia elfogadható hőmérsékleten (talán akkor, amikor vörösen izzik, nem pedig fehéren, hogy ne vakítson minket). Amiről itt beszélünk, az a fűtőelem lényege: egy masszív elektromos alkatrész, amely hőt bocsát ki, amikor nagy elektromos áram folyik át rajta.
Mi az a fűtőbetét?
Fotó: A kerámia főzőlapba rejtett fűtőbetét. Ez egy folytonos szál, amely a kék ponttól kezdődik, és labirintus alakban kanyarog, amíg el nem éri a piros pontot. Nincs értelme, hogy ez az elem bármilyen más alakú vagy méretű legyen: pontosan a főzőedény alá kell koncentrálnia a hőt – és ez a leghatékonyabb módja ennek elérésére.
Egy tipikus fűtőelem általában egy tekercs, szalag (egyenes vagy hullámos) vagy huzalcsík, amely nagyjából úgy ad le hőt, mint egy izzószál. Amikor elektromos áram folyik át rajta, vörösen izzik, és az áthaladó elektromos energiát hővé alakítja, amelyet minden irányba kisugároz.
Anyagok
A fűtőelemek jellemzően nikkel vagy vas alapúak. A nikkel alapúak általában nikróm, egy ötvözet (fémek és néha más kémiai elemek keveréke), amely körülbelül 80 százalékban nikkelből és 20 százalékban krómból áll (más nikrom összetételek is kaphatók, de a 80-20 arányú keverék a leggyakoribb). Számos jó oka van annak, hogy a nikróm a fűtőelemek legnépszerűbb anyaga: magas olvadáspontja van (kb. 1400 °C), nem oxidálódik (még magas hőmérsékleten sem), nem tágul túlságosan hevítéskor, és elfogadható (nem túl alacsony, nem túl magas és ésszerűen állandó) ellenállással rendelkezik (szobahőmérséklet és a maximális üzemi hőmérséklet között csak körülbelül 10 százalékkal nő).
A vízmelegítőkben a nikróm elemet rozsdamentes acélból, ónbevonatú rézből vagy INCOLOY®-ból (egy vas-nikkel-króm „szuperötvözet”, amely rozsdaálló, tartós, és kemény vizű területeken is jól működik) készült külső köpeny borítja . A köpenyt magnézium-oxid szigeteli a fűtőelemtől, amely jó hővezető, de rossz elektromos vezető, így lehetővé teszi a hő áramlását a nikrómból, de villamos szempontból elszigeteli a köppenytől.
A fűtőbetétek típusai
Sokféle fűtőbetét létezik. Néha a nikrómot önmagában használják, máskor kerámia anyagba ágyazzák, hogy robusztusabb és tartósabb legyen (a kerámia kiválóan bírja a magas hőmérsékletet, és nem bánja a sok fűtést és hűtést). A fűtőbetét méretét és alakját nagymértékben meghatározza a készülék mérete, amelybe be kell illeszkednie, valamint az a terület, amelyen hőt kell termelnie. A hajgöndörítő fogók rövid, tekercselt betétekkel rendelkeznek, mert egy vékony csőben kell hőt termelniük, amely köré a haj feltekerhető. Az elektromos radiátorok hosszú rúd formájú betétekkel rendelkeznek, mert a hőt a radiátor teljes felületén kell kibocsátaniuk. Az elektromos tűzhelyek tekercselt fűtőbetétekkel rendelkeznek, amelyek pont megfelelő méretűek a főzőedények és serpenyők melegítéséhez (a tűzhelybe szánt betéteket gyakran fém, üveg vagy kerámia lemezek borítják, hogy könnyebben tisztíthatók legyenek).
Fotó: Kétféle fűtőbetét. 1) Az izzó nikróm szalagok a kenyérpirító belsejében. 2) Tisztán látható a tekercselt elektromos betét a vízforraló alján. Soha nem izzik vörösen ugyanúgy, mint a kenyérpirító vezetékei, mert általában nem melegszik fel eléggé. Ha azonban elég ostoba vagy ahhoz, hogy víz nélkül kapcsold be a vízforralódat (ahogy én egyszer véletlenül megtettem), rájössz, hogy a vízforralóban lévő betét is könnyen izzhat vörösen. Ez a veszélyes használat véglegesen megrongálta a vízforralómat, és akár ki is gyújthatta volna a konyhámat.
Néhány készülékben a fűtőbetétek nagyon jól láthatóak: egy elektromos kenyérpirítóban könnyen észrevehetők a kenyérpirító falába épített nikróm szalagok, mert vörösen izzanak. Az elektromos radiátorok (mint például a felső képen látható) izzó vörös rudakkal melegítik a testet (lényegében csak tekercselt, huzalból készült fűtőbetétek, amelyek sugárzással adják le a hőt), míg az elektromos konvektorok általában koncentrikus, kör alakú fűtőbetétekkel rendelkeznek, amelyek az elektromos ventilátorok előtt vagy mögött helyezkednek el (így konvekcióval gyorsabban szállítják a hőt). Egyes készülékek látható betétekkel rendelkeznek, amelyek alacsonyabb hőmérsékleten működnek, és nem izzanak; jó példa erre az elektromos vízforralók, amelyeknek soha nem kell a víz forráspontja (100°C) felett működniük. Más készülékek fűtőbetétei teljesen rejtve vannak, általában biztonsági okokból. Az elektromos zuhanyzók és a hajgöndörítők rejtett betétekkel rendelkeznek, így (remélhetőleg) nincs áramütés veszélye. Az elektromos cigarettákban (e-cigaretták) is vannak apró, elemmel működő fűtőbetétek, amelyek aeroszolokat (gőzöket) termelnek, amelyeket a felhasználók belélegeznek.
Fotó: A hurkolt drótszál egy ventilátoros konvektorban. Balra: Elölről nézve látható a fekete, háromlapátos ventilátor a fűtőtest belsejében. Jobbra: Hátulról nézve látható a fűtőszál vékony, tekercselt drótja. A ventilátor hideg levegőt szív be a fűtőtest hátulján lévő lyukakon keresztül, elhalad a fűtőszál mellett, és forró levegőt fúj ki elölről. A fűtőszál nagyon nagy, és ugyanazt a területet lefedi, mint a ventilátor.
Fűtőbetétek tervezése
Mindez azt mutatja, hogy a fűtőbetétek nagyon egyszerűnek tűnnek, de valójában számos különböző tényezőt kell figyelembe venniük a villamosmérnököknek a tervezésük során. A fűtőbetét tervezésének első lépése annak pontos megértése, hogy hogyan fogják használni. Az alábbi képen látható fűtött hátsó ablak egy régi VW lakóautóban lényegében egy szalag típusú fűtőbetét, amely edzett üvegre van festve. A tervezési szempontok közé tartozik, hogy a betét ne takarja el a vezető kilátását, tartósan tapadjon az üveghez, ne károsítsa az üveget, amikor felmelegszik, elég erős legyen ahhoz, hogy viszonylag gyorsan leolvassza a jeget és a havat, és a jármű akkumulátoráról (vagy elektromos hálózatról) táplálható legyen.
Fotó: A fűthető hátsó ablak lényegében csak egy szalag alakú fűtőbetét, amely az üvegre van festve. Látható a két érintkező (jobb oldalon), ahol a betét kezdődik és végződik.
Thor Hegbom a témáról szóló kiváló könyvében nagyjából 20-30 különböző tényezőt sorol fel, amelyek befolyásolják egy tipikus fűtőbetét teljesítményét, beleértve olyan nyilvánvaló dolgokat, mint a feszültség és az áramerősség, az elem hossza és átmérője, az anyag típusa és az üzemi hőmérséklet. Vannak olyan konkrét tényezők is, amelyeket minden egyes betéttípus esetében figyelembe kell venni. Például egy kerek huzalból készült tekercselt elem esetében a huzal átmérője és a tekercsek alakja (átmérő, hossz, menetemelkedés, nyúlás stb.) azok a tényezők, amelyek kritikusan befolyásolják a teljesítményt. Egy szalag formájú betét esetében a szalag vastagságát és szélességét, a felületet és a súlyt is figyelembe kell venni.
Illusztráció: Hol és hogyan fogunk fűtőbetétet használni? Ez az első dolog, amit figyelembe kell venni, amikor azon gondolkodunk, hogy milyen betétre van szükségünk. Íme négy további mindennapi példa, az egyes képeken pirossal jelölt betéttel. Az óramutató járásával megegyezően, balról fentről: 1A) Egy egyszerű tekercselt betét; 1B) Két tekercs egy kerámia főzőlapban (zöld); 1C) Két tekercselt betét egy egyszerű hősugárzóban reflektorokkal (kék), amelyek "sugározzák" a hőt a szobába; 1D) Szalagbetétek egy hajszárítóban ventilátorral (sárga), amelyek előrefújják a hőt. Illusztráció az 5 641 421 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalomból: Amorf fémötvözetű elektromos fűtőrendszerek, készítette Vladimir Manov és munkatársai, az Egyesült Államok Szabadalmi és Védjegyhivatalának jóvoltából.
És ez csak a történet egy része, mert egy fűtőbetét nem elszigetelten működik: figyelembe kell venni, hogyan illeszkedik egy nagyobb készülékbe, és hogyan fog viselkedni használat közben (amikor különböző módon használják vagy helytelenül használják). Hogyan fogják például a fűtőbetétet a szigetelők alátámasztani a készülékben? Mekkoráknak és milyen vastagoknak kell lenniük és ez befolyásolja-e a gyártandó készülék méretét? (Gondoljunk például a forrasztópákában szükséges különböző fűtőbetétekre, egy toll méretére és egy nagy konvektor méretű fűtőtestre). Ha egy betét "el van terítve" a tartószigetelők között, mi fog történni vele, ahogy felmelegszik? Túlzottan megereszkedik, és ez problémákat okoz? Szükség van több szigetelőre, hogy ezt megakadályozzuk, vagy meg kell változtatni az elem anyagát vagy méreteit? Ha valami olyasmit tervezünk, mint egy elektromos kandalló, amelyben több fűtőbetét van egymáshoz közel, mi fog történni, ha külön-külön és kombinálva is használják őket? Ha olyan fűtőbetétet tervezel, amely felett levegő áramlik el (például egy konvektorban vagy hajszárítóban), tudsz elegendő légáramlást generálni ahhoz, hogy megakadályozd a betét túlmelegedését és élettartamának drasztikus lerövidülését? Mindezeket a tényezőket egyensúlyban kell tartani egymással ahhoz, hogy egy hatékony, gazdaságos, tartós és biztonságos terméket hozzunk létre.
Nagy vagy kis ellenállásra van szüksége egy fűtőbetétnek?
Azt gondolhatnánk, hogy egy fűtőbetétnek nagyon nagy ellenállással kell rendelkeznie – elvégre az ellenállás teszi lehetővé az anyag számára a hőtermelést. De ez a valóságban nem így van. A hőt a betéten átfolyó áram generálja, nem pedig az ellenállás nagysága. A fűtőbetéten átfolyó maximális áram nagysága sokkal fontosabb, mint az áram nagy ellenálláson való átvezetése. Ez zavarónak és ellentmondásosnak tűnhet, de meglehetősen könnyű belátni, hogy miért igaz (és miért kell annak lennie), mind intuitíve, mind matematikailag.
Intuitív módon...
Tegyük fel, hogy a fűtőbetét ellenállását a lehető legnagyobbra növeled – valójában végtelenül nagyra. Ekkor Ohm törvénye (feszültség = áram × ellenállás vagy V = IR) azt mondja ki, hogy az elemen átfolyó áramnak végtelenül kicsinek kell lennie (ha I = V/R, akkor az I nullához közeledik, ahogy R a végtelenhez közeledik). Óriási ellenállásod lenne, áram sem keletkezne, és ezért nem termelnénk hőt. Nos, mi lenne, ha az ellenkező végletbe mennénk, és az ellenállást végtelenül kicsivé tennénk? Akkor más problémánk lenne. Bár az I áram hatalmas lehet, R gyakorlatilag nulla lenne, így az áram gyorsvonatként száguldanán át a betéten anélkül, hogy meg kellene állniuk, egyáltalán nem termelve hőt.
Egy fűtőbetétben tehát a két véglet közötti egyensúlyra van szükségünk: elegendő ellenállásra a hőtermeléshez, de nem annyira, hogy túlságosan csökkentse az áramot. A nikróm remek választás. Egy nikróm huzal ellenállása (nagyjából) 100-szor nagyobb, mint egy azonos méretű rézből készült huzalé (kiváló vezető), de csak negyedannyi, mint egy hasonló méretű grafitrúdé (elég jó vezető), és talán csak egymilliomod része egy igazán jó szigetelőnek, például az üvegnek. A számok magukért beszélnek: a nikróm egy átlagos vezető, csak megnövelt ellenállással - de távolról sem szigetelő!
Fénykép: Egy gőzölős elektromos vasaló vasalótalpa felülnézetből, a víztartály és minden más eltávolítva. A fűtőbetét az alapba van beépítve, ami egy üreges fémtartály, ami hideg vízzel telik meg, és azt forralva gőzt termel. A fűtőbetét két elektromos csatlakozását pirosra és kékre színeztem. A felső fotónkon látható egyszerű elektromos kandallóval ellentétben, amely folyamatosan maximális teljesítményen működik, a vasaló betétjének váltakozva kell működnie a nagy és az alacsony teljesítményű állapot között, hogy megbirkózzon a vasalással és az állványon való várakozással is. Hideg és nedves anyag vasalásakor a vasalónak nagy teljesítményt kell szolgáltatnia, hogy ne hűljön le túlságosan. Amikor a vasalót ideiglenesen az állványra helyezi, elég gyorsan át kell kapcsolnia nagyon alacsony teljesítményre, hogy ne melegedjen túl és ne égesse ki a fűtőbetétet. Ezt egy egyszerű termosztáttal érik el.
Matematikailag...
Pontosan ugyanerre a következtetésre juthatunk matematikával is. Az elektromos áram által termelt vagy fogyasztott teljesítmény egyenlő a feszültség és az áram szorzatával (watt = volt × amper vagy P = VI). Ohm törvényéből azt is tudjuk, hogy V = IR. Ha kiküszöböljük V-t ezekből az egyenletekből, akkor azt kapjuk, hogy az betétünkben disszipált teljesítmény I*I*R. Más szóval, a hő arányos az ellenállással, de az áram négyzetével is arányos. Tehát az áramnak sokkal nagyobb hatása van a termelt hőre, mint az ellenállásnak. Duplázd meg az ellenállást, és megduplázod a teljesítményt (nagyszerű!), de duplázd meg az áramot, és megnégyszerezed a teljesítményt (fantasztikus!). Tehát az áram az, ami igazán számít.
Könnyű kiszámolni, hogy egy tipikus izzólámpa izzószálának ellenállása néhány száz ohm. A számítást rád bízom!
Ellenállás fűtés?
Az elektromos fűtést – a fűtőbetétek működését – gyakran „Joule-fűtésnek” vagy „ellenállás-fűtésnek” nevezzük, mintha az ellenállás lenne az egyetlen fontos tényező. Valójában azonban, ahogy fentebb kifejtettem, egy adott készülékben hatékonyan működő fűtőbetét tervezésekor tucatnyi egymással összefüggő tényezőt kell figyelembe venni. Az ellenállást nem mindig Ön szabályozza és határozza meg: gyakran az anyagválasztás, a fűtőbetét méretei és így tovább határozzák meg.
Az eredeti cikk ide kattintva olvasható el.
