เราประยุกต์ใช้ความร้อนในชีวิตประวันกับหลากหลายสิ่ง เช่น การทำอาหาร การปรับอุณหภูมิห้อง รวมถึงในด้านอุตสาหกรรมต่างๆ ซึ่งมนุษย์สร้างอุปกรณ์สำหรับเป็นแหล่งพลังงานความร้อนไว้หลากหลายชนิด ทั้ง ฮีตเตอร์จากเผาไหม้เชื้อเพลิง น้ำมัน แก๊สธรรมชาติ รวมถึงยุคสมัยใหม่อย่าง ฮีตเตอร์ไฟฟ้า ซึ่งบทความนี้เราจะพูดถึงหลักการทำงานของฮีตเตอร์ไฟฟ้า และประโยชน์ของมัน

หลักการทำงานของฮีตเตอร์

          หลักการทำงานของฮีตเตอร์นั้น เมื่อฮีตเตอร์ไฟฟ้าทำงาน จะมีกระแสไฟฟ้าไหลเข้าขดลวดฮีตเตอร์ ซึ่งส่วนใหญ่ทำจากขดลวดความร้อนนิเกิล-โครมที่มีความต้านทานสูง กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านความต้านทานจะสูญเสียพลังงานแปรเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ความร้อนที่เกิดขึ้นจะถ่ายเทไปสู่ยังวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่า นั่นคือ ของเหลว หรือ วัตถุเป้าหมายที่เราต้องการให้ความร้อน ทั้งนี้การถ่ายเทความร้อนมีทั้ง การนำความร้อน (Conduction) การพาความร้อน (Convection) และ การแผ่รังสีความร้อน (Radiation)

หลักการทำงานของฮีตเตอร์

การสร้างความร้อนจากพลังงานไฟฟ้า

          วัสดุทุกชนิดมีประจุไฟฟ้าอยู่ในตัว ซึ่งเราเรียกวัสดุที่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลได้ดีว่า ตัวนำไฟฟ้า (Conducters) และ วัสดุที่ไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ง่ายว่า ฉนวนไฟฟ้า (Insulators) การแยกตัวนำไฟฟ้ากับฉนวนไฟฟ้าเราสามารถดูได้จาก ความต้านทานไฟฟ้า (Resistance , ohms) ว่ามีค่ามากหรือน้อย

          ตัวนำไฟฟ้า (Conductors) มีค่าความต้านทานไฟฟ้าน้อย มีความหมายว่า ตัวนำยอมให้ไฟฟ้าไหลผ่านได้ง่าย ส่วน ฉนวนไฟฟ้า (Insulators) มีความต้านทานไฟฟ้ามาก ไม่ยอมให้ไฟฟ้าไหลผ่านหรือไหลผ่านได้โดยยาก ซึ่งในวงจรไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ เราใช้ตัวต้านทานสำหรับควบคุมปริมาณกระแสไฟฟ้า

          เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวต้านทานจะเกิดความร้อนขึ้นเมื่อพยายามผลักอิเล็กตรอนให้ข้ามตัวต้านทาน เกิดเป็นหลักการทำงานของฮีตเตอร์ในโลกยุคใหม่ โดยมีแนวคิดมาจากหลอดไฟฟ้าแบบไส้ในสมัยก่อน

          พื้นฐานของหลักการทำงานของฮีตเตอร์ในปัจจุบันมีที่มาจาก ไอเดียของหลอดไฟฟ้าไส้ โดยส่วนประกอบหลอดไฟ ประกอบด้วย ขดลวดขนาดเล็กที่ทำมาจากทังสแตนซึ่งเรียกว่า “ฟิลาเม้น” พันขดอยู่ในหลอดแก้ว เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับฟิลาเม้น ทำให้มันเกิดความร้อนจึงเปล่งแสงออกมา จึงพูดได้ว่าหลอดชนิดนี้ให้ความสว่างโดยใช้ความร้อน ซึ่งกว่า 95% ของพลังงานที่จ่ายให้หลอดไส้เปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อนและสูญเสียไปอย่างเปล่าประโยชน์

               ในทางกลับกันเมื่อทราบว่า 95% ของพลังงานเปลี่ยนไปเป็นพลังงานความร้อน ถ้าหากเราต้องการทำความร้อน จะพบว่าหลอดไส้ชนิดนี้มีประสิทธิภาพดีมาก ! เมื่อนำความรู้นี้มาประยุกต์ใช้สำหรับหลักการทำงานของฮีตเตอร์แล้ว เราต้องขยายขนาดของฟิลาเม้น บางทีอาจจะ 30-40 เท่า เพื่อการให้ความร้อนที่พอเพียง

               ต่อมาปัญหาที่พบคือ ฟิลาเม้นละลาย ! เราต้องการวัสดุที่ทนทานมากกว่านี้ จึงกำเนิด ลวดฮีตเตอร์ ขึ้นมา

ลวดฮีตเตอร์ คือ อะไร ?

          ลวดฮีตเตอร์ คือ ขดลวดซึ่งอาจอยู่ในรูปแบบ ม้วนเกลียว ริบบิ้น หรือเส้นตรง ที่ให้กำเนิดความร้อนเมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่าน ซึ่งจะมีการกระจายความร้อนออกไปทั่วทิศทาง

          ลวดฮีตเตอร์แบ่งออกเป็นได้เป็นประเภทใหญ่ๆ 2 ประเภท คือ ประเภทนิเกิล และ ประเภทเหล็ก ลวดนิเกิลเป็นส่วนประกอบของนิเกิล 20% และโครมเมี่ยม 80% โดยประมาณ ลวดนิเกิลได้รับความนิยมมากเนื่องจาก

  • มีจุดหลอดเหลมสูง ( ประมาณ 1400 องศาเซลเซียส )
  • ไม่เกิดออกซิเดชั่นแม้ในอุณหภูมิที่สูง https://simple.wikipedia.org/wiki/Oxidation
  • การยืดตัวน้อยเมื่อความร้อนสูงขึ้น
  • ราคาสมเหตุสมผล

ดูบทความของลวดฮีตเตอร์และการคำนวณโดยละเอียดได้ที่นี่

ลวดฮีตเตอร์ที่ดีต้องมีความต้านทานสูงหรือความต้านทานต่ำ ?

          โดยพื้นฐานทั่วไปคนมักเข้าใจว่าหลักการทำงานของฮีตเตอร์นั้น ลวดฮีตเตอร์ที่ดีต้องมีความต้านทานสูง จึงจะให้ความร้อนได้ดี แต่จริงๆแล้วสิ่งที่เปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนคือกระแสไฟฟ้าในขดลวด การทำให้กระแสไฟฟ้าไหลในขดลวดจำนวนมากมีความความสำคัญมากกว่าการทำให้ขดลวดมีความต้านทานมาก ซึ่งขัดกับสัญชาติญานแต่สามารถพิสูจน์ได้ด้วยหลักการทางคณิตศาสตร์

          ลองจินตนาการว่า ถ้าหากต้องการทำลวดฮีตเตอร์ขึ้นมาหนึ่งชิ้น สมมติว่าเราจะทำให้ความต้านทานมากที่สุดเท่าที่มากได้จนเกือบเป็นฉนวนหรือเอาฉนวนมาทำลวดฮีตเตอร์ซะเลยจะเกิดสิ่งใดขึ้น ตามกฎของโอห์ม ความต่างศักย์ มีค่าเท่ากับผลคูณของกระแสไฟฟ้าที่ไหลและความต้านทาน ( V=IR ) เมื่อกลับสมการเพื่อดูกระแส คือ ( I = V/R ) แปลว่า กระแสไฟฟ้า ( I ) มีค่าเข้าใกล้ศูนย์เมื่อความต่างต้านทานมีค่ามากๆ หรือแปลภาษาบ้านๆว่า เมื่อเราทำให้ความต้านทานมาก กระแสจะไม่ไหล ! ไม่มีความร้อนเกิดขึ้น !

          กลับกัน ถ้าเราทำให้ความต้านทานต่ำมากๆล่ะ สมมติเอาสายไฟเส้นใหญ่ๆมาทำลวดฮีตเตอร์ โดยมีความต้านทานเข้าใกล้ศูนย์ กระแสไฟฟ้าจะไหลดีมาก ไหลเหมือนรถไฟที่วิ่งเร็วจนหยุดไม่ได้ แต่ไม่มีความร้อนเกิดขึ้น

          สิ่งที่เราต้องการคือ ความสมดุลระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต้านทาน นั่นคือ มีความต้านทานเพียงพอ แต่ไม่ลดกระแสไหลผ่าน ลวดนิเกิลจึงเป็นตัวเลือกที่ดี ซึ่งลวดนิเกิลมีความต้านทานมากกว่าลวดทองแดงประมาณ 80-100 เท่าที่ขนาดเดียวกัน จึงเหมาะสมที่จะใช้ทำลวดฮีตเตอร์ ทั้งที่เป็นตัวต้านทานระดับกลางๆที่ไม่เป็นฉนวนไฟฟ้ามากเกินไป

          ถ้าดูสมการทางคณิตศาตร์

                                             P = IV = I2R = V2/R

                                             P (Power)            =             กำลังไฟฟ้า หน่วยเป็น วัตต์ (W)

                                             I (Current)            =             กระแสไฟฟ้า หน่วยเป็นแอมเปร์ (A)

                                             R (Resistance)    =             ความต้านทาน หน่วยเป็นโอห๋ม (O)

          เราจะเห็นจากสมการว่า กำลังไฟฟ้า แปรผันตรงกัน ความต้านทาน และ แปรผันตรงกับ กระแสไฟฟ้ายกกำลังสอง

          การเพิ่มกระแสไฟฟ้าจะให้ผลต่อกำลังไฟฟ้าเป็นทวีคูณ จึงเป็นเหตุผลว่า ทำไม กระแสไฟฟ้ามีความสำคัญกว่าความต้านทาน

สรุปหลักการทำงานของฮีตเตอร์

          หลักการทำงานของฮีตเตอร์ คือ การจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าสู่วัสดุที่มีความต้านทาน ทำให้เกิดความร้อนขึ้น โดย กระแสไฟฟ้ามีผลมากกว่าความต้านทานไฟฟ้า