آتش یکی از اولین و بزرگ‌ترین اکتشافات بشریت بود-در حدود یک یا دو میلیون سال پیش. در عصر جدید موتورهای جت، موشک‌های فضایی، آسمان‌خراش‌های فولادی و پلاستیک‌های مصنوعی، دود و شعله‌ها یقیناً ماقبل تاریخی به نظر می‌رسد. تمامی چهار اختراع اشاره‌شده و سایر اختراع‌های دیگر در یک یا چند جهت به آتش متکی هستند. اینکه گفته شود آتش فقط یک‌چیز درخشان است چندان برازنده نیست. گاهی اوقات روشن کردن آتش (برای استفاده به‌منظور خاصی) مدت‌زمان زیادی را می‌طلبد.

برای مثال، لوکوموتیو‌های بخار با سوخت زغال‌سنگ چندین ساعت قبل از حرکت باید روشن شوند. سایر اوقات درزمانی که اصلاً انتظارش را ندارید آتش‌سوزی رخ می‌دهد و زندگی، ساختمان‌ها و تمامی چیزهای ارزشمندتان را تهدید می‌کند. اینکه آتش مثل جریان الکتریسیته به‌آسانی قابل‌کنترل باشد و با یک کلید دریک‌لحظه روشن یا خاموش شود عالی نیست؟ این قضیه ایده اصلی المنت‌های حرارتی است. این المنت‌های حرارتی آتش درون بخاری‌برقی، دوش آب، برشته‌کن، اجاق‌گاز، سشوار، اتو، هویه لحیم‌کاری و انواع دیگر لوازم‌خانگی مفید هستند. این المنت‌های حرارتی قدرت آتش را با راحتی کاربرد الکتریسیته برای ما فراهم می‌کنند. بیایید نگاهی به آن‌ها (المنت‌های حرارتی) و نحوه کارشان بیندازیم.

عکس: نوعی آتش الکتریکی بر روی اجاق سنگی. این نوع، سه المنت حرارتی الکتریکی سوار بر سرامیک سفید دارد که پشت توری محافظ نقره‌ای‌رنگی واقع شده است. المنت‌های حرارتی افقی که به رنگ قرمز می‌درخشند به‌آسانی در تصویر قابل‌مشاهده است. در بالا مقادیری زغال پلاستیکی که بیشتر جنبه زینتی دارد خودنمایی می‌کند و هدف از آن یادآوری این مسئله است که ما هنوز در دلمان دوستدار حال ‌و‌ هوای ساکنان غار هستیم. ما حتی اگر راحتی الکتریسیته را ترجیح دهیم هنوز هم آتش را بسیار دوست داریم

ایجاد حرارت از الکتریسیته

در مدرسه می‌آموزیم که برخی از مواد، الکتریسیته را به‌خوبی و برخی دیگر به‌صورت ضعیف انتقال می‌دهند. انتقال‌دهندگان خوب جریان الکتریسیته را رسانا و انتقال‌دهندگان ضعیف را عایق می‌نامند. مواد رسانا و عایق معمولاً با صحبت درباره اینکه هرکدام از آن‌ها در برابر جریان الکتریسیته چقدر مقاومت ایجاد می‌کنند، توصیف می‌شوند. بنابراین مواد رسانا مقاومت کمی دارند (الکتریسیته به‌آسانی در آن‌ها جریان می‌یابد) درحالی‌که مواد عایق مقاومت بسیار بالاتری دارند (الکتریسیته برای گذشتن از این مواد باید تلاش زیادی انجام دهد). در یک مدار الکتریکی یا الکترونیکی می‌توان از دستگاه‌هایی به نام مقاومت برای کنترل مقدار جریان عبوری استفاده کرد. برای مثال با چرخاندن دکمه بلندگو به سمت چپ که در نتیجه آن مقاومت زیاد شده و جریان عبوری کم می‌شود، صدا پایین می‌آید.

عکس: نمایی نزدیک از یک رشته سیم‌پیچ تنگستنی در لامپ رشته‌ای که در کنار تولید حرارت زیاد نور ایجاد می‌کند. مقدار نور تولیدی توسط رشته رابطه مستقیمی با طول آن دارد. طول رشته بیشتر، مقدار نور بیشتر. دلیل سیم‌پیچ بودن رشته هم همین است. در فضای یکسان حالت سیم‌پیچ طول بیشتری از رشته را در خود جای می‌دهد.

سازوکار عملکرد مقاومت‌ها تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی است. به‌عبارت‌دیگر مقاومت‌ها موقع عبور الکتریسیته از آن‌ها گرم می‌شوند. اما فقط مقاومت‌ها نیستند که چنین عملکردهایی دارند. حتی یک تکه باریک از سیم هم موقع عبور جریان از آن گرم می‌شود. این مسئله ایده اصلی لامپ‌های رشته‌ای است (لامپ‌های حبابی قدیمی). درون حباب سیم‌پیچ بسیار نازکی بنام رشته وجود دارد. موقع عبور برق کافی بسیار روشن و سفید می‌شود؛ بنابراین با ایجاد گرما نور تولید می‌کند. در حدود ۹۵% انرژی مصرفی این نوع لامپ به‌صورت حرارت تلف می‌شود (استفاده از لامپ کم‌مصرف فلورسنت بسیار مقرون‌به‌صرفه است زیرا با کمترین تلفات، اکثر برق مصرفی به نور تبدیل می‌شود).

حالا نور را فراموش کنید. اگر گرما واقعاً چیزی باشد که ما به‌ آن علاقه‌مندیم چطور؟ ناگهان لامپ رشته‌ای پرمصرف تبدیل به یک‌چیز بسیار کارآمد خواهد شد زیرا ۹۵% انرژی ورودی را به گرما تبدیل می‌کند. خارق‌العاده است! فقط مشکلی وجود دارد. اگر تاکنون به یک لامپ رشته‌ای نزدیک شده‌اید می‌دانید که به مقدار کافی که دست شمارا موقع لمس بسوزاند، گرم می‌شود (برای امتحان کردن وسوسه نشوید). اما اگر حتی در فاصله یک متری یا بیشتر از یک لامپ رشته‌ای ۱۰۰ واتی بایستید گرمای آن برای رسیدن به شما بسیار ضعیف است.

اگر بخواهیم یک بخاری‌برقی همانند سازوکار لامپ رشته‌ای بسازیم چه؟ ما نیاز به همان سیستم سیم‌پیچ لامپ رشته‌ای خواهیم داشت شاید ۲۰ تا ۳۰ برابر قوی‌تر تا بتوانیم گرما را احساس کنیم. ما به یک ماده نسبتاً قوی نیاز داریم (ماده‌ای که ذوب نشود و در چرخه گرم‌شدن و سرد‌شدن دوام زیادی بیاورد). همچنین لازم است گرمای زیادی را در یک دمای معقول تولید کند (شاید به‌جای رنگ سفید به رنگ قرمز بدرخشد تا باعث کوری ما نشود). آنچه در اینجا درباره آن بحث می‌شود مربوط به ماهیت المنت حرارتی است: یک قطعه الکتریکی قوی که به‌منظور آزادسازی گرما هنگام عبور جریان قوی برق طراحی شده است.

عکس: المنت حرارتی که درون اجاق سرامیکی قرار داده شده است. این یک المنت پیوسته است، از نقطه آبی آغاز می‌شود و در قالب چندین پیچ‌و‌خم می‌پیچد تا به نقطه قرمز برسد. هیچ قسمتی از این المنت شکل و اندازه متفاوت ندارد: باید گرما را بطور‌دقیق زیر قابلمه پخت متمرکز کند-و این (استفاده از المنت) موثرترین روش برای دست‌یابی به آن (تمرکز حرارت) است.

المنت حرارتی چیست؟

یک المنت حرارتی مرسوم معمولاً یک سیم‌پیچ، نوار (مستقیم یا راه‌راه)، یا نواری از سیم است که گرما را مانند لامپ رشته‌ای بیرون می‌دهد. زمانی که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند سرخ می‌شود و انرژی الکتریکی عبوری را به گرما تبدیل می‌کند و نتیجه این عمل تابش در تمامی جهات است. برای سفارش، مشاوره و خرید المنت حرارتی با شماره بالای صفحه تماس حاصل فرمایید.

المنت‌های حرارتی معمولاً بر پایه نیکل یا آهن هستند. المنت‌های بر پایه نیکل معمولاً از آلیاژ (مخلوطی از فلزات و برخی مواقع سایر عناصر) نیکروم (متشکل از حدود ۸۰% نیکل و ۲۰% کروم) هستند-ترکیبات دیگری از نیکروم هم در دسترس است ولی مخلوط ۸۰-۲۰ متداول‌ترین است. دلایل خوب متنوعی برای اثبات اینکه نیکروم محبوب‌ترین ماده برای المنت‌های حرارتی است وجود دارد: نیکروم نقطه ذوب بالایی دارد (در حدود ۱۴۰۰ درجه سانتی‌گراد یا ۲۵۰۰ درجه فارنهایت)، اکسید نمی‌شود (حتی در دماهای بالا)، موقع گرم شدن زیاد منبسط نمی‌شود، و مقاومت (بین دمای اتاق و حداکثر دمای عملیاتی‌اش حدود ۱۰% افزایش دارد) معقولی (نه بسیار پایین، نه بسیار بالا، و ازنظر منطقی ثابت) دارد.

انواع المنت‌های حرارتی

انواع مختلفی از المنت‌های حرارتی وجود دارد. گاهی اوقات نیکروم همان‌گونه که هست به‌صورت لخت، استفاده می‌شود برخی مواقع به‌منظور افزایش استحکام و دوام (سرامیک‌ها در برابر دماهای بالا بسیار مقاوم هستند و افزایش یا کاهش زیاد دما خللی در آن‌ها ایجاد نمی‌کند) پوششی از سرامیک در اطراف آن قرار می‌دهند. اندازه و شکل المنت حرارتی تا حد زیادی توسط ابعاد دستگاهی که قرار است المنت در آن تعبیه شود و همچنین ناحیه‌ای که نیاز است در آن گرما تولید کند، تعیین می‌شود. دستگاه موفرکُن المنت‌های کوتاه پیچ‌در‌پیچی دارد زیرا آن‌ها نیاز دارند تا درون یک لوله نازک به‌منظور پیچاندن موها گرما تولید کنند. رادیاتورهای الکتریکی میله‌های المنت درازی دارند تا گرما را در فضای وسیع یک اتاق پخش کنند. اجاق‌های الکتریکی المنت‌های حرارتی پیچ‌در‌پیچی دقیقه مناسب با اندازه تابه‌ها و قابلمه‌ها دارند (گاهی اوقات به‌منظور سهولت نظافت، المنت‌های اجاق‌گاز با صفحاتی از فلز، شیشه و سرامیک پوشانده می‌شوند). در این صفحه ما به توضیحات مختصر در مورد طرز کار المنت ها و نکات کلیدی برای خرید المنت می پردازیم. برای مطالعه بیشتر در مورد انواع هیتر می توانید به صفحه انواع المنت حرارتی و کاربردهای آنها مراجعه فرمایید.

عکس: دو نوع المنت حرارتی: ۱) نوارهای سرخ نیکروم درون دستگاه برشته‌کن.۲) المنت الکتریکی پیچ‌در‌پیچ درون سماور به‌آسانی قابل مشاهده است. این المنت (داخل سماور) هیچ‌گاه همانند المنت برشته‌کن سرخ نمی‌شود چون داخل آب است و در حالت عادی به اندازه کافی گرم نمی‌شود. بااین‌حال اگر اشتباه کرده و سماور برقی را بدون آب روشن کنید (کاری که من یک‌بار به‌طور تصادفی کردم) خواهید دید که برای المنت سماور برقی امکان‌پذیر است که کاملاً سرخ شود. در بهترین حالت المنت شما سوخته و باید پروسه خرید المنت را تکرار کنید و در بدترین حالت این حادثه آسیب جدی به سماور من وارد کرد و ممکن بود آشپزخانه را به آتش بکشد.

در بعضی از وسایل المنت‌های حرارتی به‌راحتی قابل‌مشاهده است: در برشته‌کن تشخیص نوارهای ساخته شده از نیکروم در دیواره‌های دستگاه به‌آسانی میسر است زیرا سرخ شده‌اند و می‌درخشند. رادیاتورهای الکتریکی (همانند نوع موجود در تصویر بالایی) با نوارهای سرخ (درواقع فقط المنت‌های حرارتی سیم‌پیچ شده تابش گرما دارند) ایجاد گرما می‌کنند درحالی‌که بخاری‌های الکتریکی فن دار یکسری المنت‌های حرارتی متمرکز دایره‌ای نصب‌شده جلوی دستگاه دارند (بنابراین گرما را سریع‌تر انتقال می‌دهند). پیش از خرید المنت توجه داشته باشید برخی وسایل هیترهای قابل مشاهده‌ای دارند که در دمای پایینی کار می‌کنند و سرخ نمی‌شوند مثل سماورهای برقی که نیاز ندارند بالاتر از نقطه‌جوش آب (۱۰۰ درجه سانتی‌گراد یا ۲۱۲ درجه فارنهایت) کار کنند. در دیگر وسایل المنت‌های حرارتی به دلایل ایمنی پنهان شده است. در دوش‌های الکتریکی و دستگاه موفرکُن المنت‌های حرارتی پنهان شده‌اند بنابراین خطر برق‌گرفتگی وجود ندارد.

قدم اول در طراحی المنت حرارتی درک دقیق نحوه استفاده از آن است (المنت قرار است در چه دستگاهی استفاده شود). تصویر بالایی شیشه عقب یک ماشین سیاحت مدل VW را نشان می‌دهد که مجهز به المنت حرارتی از نوع نواری متصل به شیشه سفت ‌شده است. ملاحظات طراحی باید شامل موارد روبرو باشد: المنت به‌هیچ‌وجه دید راننده را مختل نکند، به‌طور دائمی به شیشه بچسبد، به شیشه موقع گرم شدن آسیب نرساند، قدرت ذوب برف و یخ را در کمترین زمان داشته باشد و درنهایت از باطری وسیله نقلیه به‌عنوان منبع تغذیه استفاده کند (یا منبع برق)

همه این‌ مسائل باعث می‌شوند تا المنت‌های حرارتی ساده و واضح به نظر برسند اما درواقع عوامل متفاوتی هست که مهندسان برق موقع طراحی المنت‌ها باید مدنظر قرار بدهند. در کتاب عالی خود در مورد این موضوع(به مرجع پایینی مراجعه شود)، تورهگبوم تقریباً ۲۰-۳۰ عامل متفاوت که بر عملکرد المنت حرارتی معمولی تأثیر می‌گذارد را ذکر می‌کند. چیزهای واضحی مثل ولتاژ و جریان، طول و قطر المنت، جنس المنت و دمای عملیاتی. همچنین تعدادی عوامل به‌خصوص هست که برای هر نوع متفاوت المنت باید مدنظر قرار گیرد. برای مثال المنت سیم‌پیچ که از تعدادی سیم دور‌تا‌دور تشکیل شده، قطر سیم و شکل سیم‌پیچ (قطر، طول، گام، کشش و غیره) در میان عواملی است که به‌شدت عملکرد را تحت تأثیر قرار می‌دهد. در المنت نواری ضخامت نوار و عرض، مساحت سطح، و وزن همه باید مدنظر قرار گیرد.

پیش‌طرح: کجا و چگونه قرار است یک المنت حرارتی مورداستفاده قرار بگیرد؟ این اولین مسئله‌ای است که موقع فکرکردن درباره خرید المنت موردنیاز باید مدنظر قرار گیرد. در این قسمت چهار مورد مثال روزمره آورده شده است. رنگ المنت در هر عکس قرمز است. به‌طور ساعت‌گرد از بالا سمت چپ: ۱اِی) یک المنت سیم‌پیچ. ۱بی) دو المنت سیم‌پیچ در صفحه اجاق‌گاز سرامیکی (سبز). ۱سی) دو المنت سیم‌پیچ در یک بخاری‌برقی ساده با منعکس‌کننده‌ها (آبی) برای تاباندن حرارت آن در اتاق. ۱دی) المنت‌های نواری در یک سشوار فن دار (زرد) برای دمیدن گرما به سمت جلو.

و این تنها بخشی از داستان است زیرا قرار نیست المنت حرارتی به‌تنهایی کار کند: باید در نظر بگیرید که المنت قرار است چگونه در داخل یک وسیله بزرگ‌تر گنجانده شود و هنگام استفاده چه رفتاری خواهد داشت (هنگام استفاده درست و نادرست با روش‌های مختلف). برای مثال المنت شما درون دستگاه توسط عایق‌ها چگونه پشتیبانی می‌شود؟ چه ضخامت و بزرگی از عایق‌ها موردنیاز است و چگونه سایز دستگاه درحال‌ساخت شما را تحت تأثیر قرار خواهد داد؟(برای مثال به انواع مختلف المنت‌های حرارتی موردنیاز در هویه لحیم‌کاری فکر کنید، اندازه قلم، و یک گرم‌کن انتقال دهنده بزرگ).

اگر شما یک المنت دارید ه توسط عایق‌های پشتیبان پوشانده شده است، چه اتفاقی برای آن خواهد افتاد زمانی که گرم‌تر می‌شود؟ آیا با گرم‌شدن خم شده و مشکل ایجاد خواهد کرد؟ آیا تعداد عایق بیشتری برای توقف این اتفاق نیاز دارید یا لازم است که جنس یا ابعاد المنت را تغییر دهید؟ اگر در حال طراحی شومینه با چندین المنت حرارتی نزدیک به هم هستید، چه اتفاقی برای آن‌ها موقع کارکرد تکی و جمعی خواهد افتاد؟ این چمین سوالات ممکن است در زمان انتخاب و خرید المنت برای شما پیش بیاید. اگر در حال طراحی المنتی هستید که قرار است هوا از آن بگذرد (در چیزی مانند بخاری فن دار یا سشوار) آیا وسیله شما توان تولید جریان هوا به مقدار کافی برای جلوگیری از افزایش دما بیش‌ازحد المنت و وارد شدن آسیب (که باعث کاهش جدی عمر آن می‌شود) به آن را دارد؟ تمامی این عوامل با یکدیگر باید سبک‌سنگین شده تا محصولی مفید، اقتصادی، بادوام و ایمن تولید شود.