หลักการทำงานของฮีตเตอร์

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

ฮีตเตอร์คืออะไร

ฮีตเตอร์ ภาษาอังกฤษเรียกว่า Heater คืออุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อน เพื่อให้ความร้อนกับของเหลว แก๊ส หรือวัตถุเป้าหมาย ภายในมีขดลวดความร้อนที่ร้อนขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ดังที่อธิบายในหัวข้อถัดไป

หลักการทำงานของฮีตเตอร์

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

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 ลวดนิเกิลเป็นส่วนประกอบของนิเกิลประมาณ 80% และโครเมียมประมาณ 20% 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

ฮีตเตอร์มีกี่แบบ

ฮีตเตอร์แบ่งตามลักษณะงานได้หลายแบบ เช่น ฮีตเตอร์ให้ความร้อนอากาศ ฮีตเตอร์แผ่นสำหรับให้ความร้อนกับพื้นผิว และฮีตเตอร์จุ่ม (Immersion heater) ที่จุ่มลงในของเหลวโดยตรง ในงานอุตสาหกรรมชุบโลหะใช้ฮีตเตอร์จุ่ม ซึ่งต้องเลือกวัสดุปลอกให้ตรงกับน้ำยา:

• ฮีตเตอร์หลอดแก้ว สำหรับน้ำยากรดส่วนใหญ่
• ฮีตเตอร์ไทเทเนียม สำหรับน้ำยาที่หลอดแก้วใช้ไม่ได้ เช่น นิเกิลคลอไรด์ (น้ำยาที่มีฟลูออไรด์ให้ส่งชื่อให้ทีมงานตรวจก่อน)
• ฮีตเตอร์สแตนเลส สำหรับน้ำยาด่าง น้ำร้อน และน้ำยาบางชนิดตามตาราง

ดูวิธีเลือกและสเปกทั้งหมดที่หน้า ฮีตเตอร์ชุบโลหะ

ฮีตเตอร์แต่ละแบบใช้ที่ไหน

ฮีตเตอร์กินไฟเท่าไร

ฮีตเตอร์ไฟฟ้าแบบลวดความร้อนเปลี่ยนไฟฟ้าเป็นความร้อนได้เกือบทั้งหมด ค่าไฟคิดจากกำลังไฟ (kW) คูณชั่วโมงที่ทำงานจริง ได้เป็นหน่วย (kWh) เช่น ฮีตเตอร์ 3 kW ทำงานจริง 2 ชั่วโมง ใช้ไฟ 3 × 2 = 6 หน่วย ถ้ามีตัวควบคุมอุณหภูมิ ฮีตเตอร์จะตัดไฟเมื่อร้อนถึงค่าที่ตั้ง ชั่วโมงที่ทำงานจริงจึงน้อยกว่าเวลาที่เปิดเครื่อง

สรุปหลักการทำงานของฮีตเตอร์

หลักการทำงานของฮีตเตอร์ คือ การจ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าสู่วัสดุที่มีความต้านทาน ทำให้เกิดความร้อนขึ้น โดย กระแสไฟฟ้ามีผลมากกว่าความต้านทานไฟฟ้า

คำถามที่พบบ่อย

heater แปลว่าอะไร

heater แปลว่า เครื่องทำความร้อน คำว่า "ฮีตเตอร์" ในภาษาไทยทับศัพท์มาจากคำนี้ ในงานอุตสาหกรรมมักเรียกตามลักษณะการใช้งาน เช่น immersion heater (ฮีตเตอร์จุ่ม) ที่จุ่มลงในของเหลว

ฮีตเตอร์ ภาษาอังกฤษเขียนอย่างไร

เขียนว่า heater ส่วนฮีตเตอร์แต่ละแบบมีชื่อเฉพาะ เช่น ฮีตเตอร์หลอดแก้ว (quartz heater) ฮีตเตอร์ไทเทเนียม (titanium heater) และฮีตเตอร์สแตนเลส (stainless steel heater)

ฮีตเตอร์ประหยัดไฟไหม

ฮีตเตอร์ไฟฟ้าไม่สูญเสียพลังงานในตัวมาก แต่ความร้อนที่ได้ต่อหน่วยไฟเท่าเดิมเสมอ การประหยัดจึงมาจากการลดความร้อนที่รั่วออก เช่น มีฝาปิดบ่อ มีฉนวน ตั้งอุณหภูมิไม่สูงเกินจำเป็น และเลือกขนาดฮีตเตอร์ให้พอดี

ฮีตเตอร์ทำงานยังไง สรุปสั้นๆ

กระแสไฟฟ้าไหลผ่านลวดที่มีความต้านทาน ลวดจึงร้อนขึ้น แล้วถ่ายความร้อนผ่านปลอกไปยังสิ่งที่ต้องการทำให้ร้อน

แหล่งอ้างอิง

• ตารางเลือกฮีตเตอร์ตามสารเคมี POMEW: pomew.com/heater/
• สเปคฮีตเตอร์มาตรฐาน POMEW: pomew.com/heater/