Come creare un riscaldatore elettrico regolabile

Un riscaldatore elettrico di potenza regolabile può essere utile in una varietà di applicazioni sia nella vita comune che in un laboratorio scientifico dilettantistico. Ad esempio, può venire usato per far lievitare perfettamente l’impasto della pizza o per costruire un’incubatrice di pulcini, o magari per la coltivazione di batteri e/o di cellule. Ma può anche essere impiegato per costruire reattori LENR o magari altri apparati di fisica, chimica o altre discipline che richiedono delle temperature medie o alte. Illustreremo sia il metodo di riscaldamento con filo di resistenza sia quello, meno noto, con resistenze di potenza.

Una stufa elettrica funziona in modo molto simile a una lampadina a incandescenza, quelle che scaldavano molto. Quando si collega un elemento a filo tra i terminali positivo e negativo di una fonte di alimentazione, si crea luce o – soprattutto per i riscaldatori – calore. Mentre realizzare una lampadina a casa non è fattibile, realizzare un piccolo riscaldatore con una batteria da 12 V o 24 V (DC), un interruttore e un filo è un semplice esperimento educativo. E ti evita di usare tensioni pericolose (alte e/o AC).

Progettare e realizzare il proprio riscaldatore da 12 V – o comunque a bassa tensione – è facile, ma può essere pericoloso quando lavori da solo. Indossa guanti protettivi e presta attenzione quando lavori con utensili elettrici, saldatura a caldo e filo scoperto. L’elemento riscaldante può diventare rovente e dunque provocare gravi ustioni. Non toccarlo mai mentre è acceso e tienilo lontano da oggetti infiammabili. Effettua questo tipo di esperienze sempre con la supervisione di un adulto.

Certi fili metallici e le resistenze elettriche si scaldano quando percorsi da molta corrente. Qui si vedono varie resistenze di potenza. Quella verde è da 16 ohm e 50 W dissipati come calore. Si possono trovare varie resistenze di potenza online, ad esempio qui.

AVVERTENZE. In questo articolo vedremo come realizzare un riscaldatore con una resistenza alimentata in corrente continua (DC) a bassa tensione (12 V o 24V, o eventualmente fino a 60 V), non oltre i 60 V poiché anche una corrente continua può diventare pericolosa al di sopra di una certa soglia, specie se “associata” all’acqua. Non realizzare MAI riscaldatori alimentati a 220-230 V, poiché la corrente alternata di rete – tanto più a quelle tensioni – è assai pericolosa, e non è necessario usarla.

Nel seguito mostreremo come si può realizzare un riscaldatore con un filo di resistenza, che è il modo tradizionale per raggiungere soprattutto medie o alte temperature. Per temperatura meno alte, però, possiamo usare anche delle resistenze di potenza. Infatti, una resistenza di potenza dissipa il calore secondo la famosa legge W = I2 x R, cioè la potenza dissipata sotto forma di calore è uguale al quadrato della corrente che la percorre per il valore nominale della resistenza in questione.

Tanto per fare un esempio concreto, se io ho una resistenza da 32 ohm, e la alimento con una tensione in corrente continua di 36 V (fornita ad esempio da un comune alimentatore stabilizzato variabile), essa viene percorsa da I = V / R = 36 / 32 = 1,1 A di corrente e dissiperà W = I2 x R = 1,1 x 1,1 x 32 = 40,5 W. Se dunque acquisto due resistenze da 16 ohm (che in serie fanno 32 ohm) e 50 W di potenza dissipata (secondo le specifiche del produttore), posso realizzare il seguente semplice circuito:

Un esempio di circuito per scaldare usando resistenze di potenza.

Per avere grosso modo un’idea del calore prodotto, potremmo (sbagliando!) considerarlo vagamente simile a quello generato da una vecchia lampadina a incandescenza da 40 W, anche se quella è sospesa in aria mentre queste resistenze hanno un contenitore metallico che di solito viene poggiato su una superficie, disperdendo calore e abbassando quindi la temperatura. Nel seguito dell’articolo affronteremo più in dettaglio il discorso del legame fra la temperatura e gli altri parametri in gioco.

Ma intanto possiamo capirlo meglio effettuando delle misurazioni sul circuito illustrato nella precedente figura, composto da due resistenze in serie da 16 Ohm 50 W e da un alimentatore variabile 3-36 V. La tabella qui sotto mostra le misure ottenute, in funzione della tensione usata, per la potenza assorbita e per la  temperatura. Vengono mostrate anche la corrente circolante (I = V/32) e la potenza dissipata (W = 32 x I2), così come ricavate dai calcoli. Le caselle verdi sono i dati misurati, quelle rosse i dati calcolati.

I valori rilevati sperimentalmente per il circuito mostrato nella figura precedente.

La temperatura è stata misurata, dopo 4 minuti da ogni nuovo valore di tensione fornito (quindi è qualche grado più basso di quello che si avrebbe all’equilibrio termico), sia a contatto con una termocoppia K connessa a un tester sia a distanza con un termometro IR laser. Si noti come per basse temperature i valori dei due metodi praticamente coincidano, mentre poi tendono a divergere sempre più, un comportamento caratteristico (lascio a voi il divertimento di trovare la spiegazione di ciò).

L’altra cosa che si nota è che anche con una potenza fornita relativamente modesta (circa 16 W, di cui una piccola parte dissipati dall’alimentatore) si riesce a raggiungere circa 110 °C in aria. La temperatura si riferisce a una delle due resistenze da 16 Ohm, ciascuna delle quali era isolata da terra da dei gommini di qualche mm di spessore. Si noti che, grosso modo, in un ampio intervallo di tensione e/o corrente, la temperatura aumenta di circa 10 °C per ogni 2 W di potenza fornita.

L’andamento della temperatura della resistenza in funzione della corrente (i dati sono estratti dalla precedente tabella). Si noti come le temperature misurate con i due metodi divergano.

Ma ciò non ha una validità generale. Infatti, se prendiamo una vecchia lampadina a incandescenza da 40 W, vediamo, appendendola in aria con solo la punta di una termocoppia K a contatto con il bulbo, che a regime si scalda a quasi 90 °C (per l’esattezza, a 69 °C dopo 2 minuti, a 80 °C dopo 4 minuti, a 87 °C dopo 8 minuti, mentre il termometro IR dà 107 °C, cioè ben 20 gradi di differenza). Se valesse la “regola” trovata prima per la resistenza, avrebbe dovuto scaldarsi a circa 40 x 10 = 400 °C, considerato che il 90% dell’energia assorbita da tali lampadine è dissipato come calore.

I fili di resistenza per elementi riscaldanti: i migliori

Il filo di rame non produce calore sufficiente quando conduce l’elettricità, mentre un filo, asta o nastro da usare come elemento riscaldante elettrico dovrebbe opporsi al flusso di elettricità. In generale, acciai e leghe comuni come l’acciaio inossidabile impediscono il flusso di elettricità. Tale proprietà è nota come resistività e l’unità di resistività comune è ohm mm² per m. Se la resistività fosse il solo fattore importante per un elemento riscaldante elettrico, si avrebbe una scelta fra molte leghe.

Il modo tradizionale di fare un riscaldatore elettrico è quindi usare un “filo di resistenza”, cioè un filo destinato alla realizzazione di resistenze elettriche (per controllare la quantità di corrente in un circuito). È meglio se la lega utilizzata ha un’alta resistività, poiché può essere utilizzato un filo più corto. In molte situazioni, la stabilità della resistenza è di primaria importanza e quindi il coefficiente di temperatura e la resistenza alla corrosione della lega hanno un ruolo importante nella scelta del materiale.

Un filo di resistenza può essere alimentato in bassa tensione con un alimentatore stabilizzato variabile di opportuna potenza. Questo fornisce fino a 36 V 3 A, in pratica 60 W max in uso continuativo. Lo trovi in vendita ad esempio qui.

In particolare, quando si utilizza il filo di resistenza per elementi riscaldanti (in stufe elettriche, tostapane e simili), è importante l’alta resistività e la resistenza all’ossidazione. A volte il filo di resistenza è isolato da polvere di ceramica e inserito in un tubo di un’altra lega. Tali elementi riscaldanti sono utilizzati in forni elettrici e scaldacqua e in forme specializzate per piani cottura. Molti di questi sono alimentati a 230 V, il che li rende molto pericolosi – quanto inopportuni – per usi dilettantistici.

Inoltre, occorre sapere che, come tutti i materiali hanno una certa resistenza elettrica specifica (a 20 ° C), cambiano anche la resistenza in base alla temperatura di determinate quantità. La costante “alfa” (α) è nota come “coefficiente di temperatura” della resistenza e simboleggia il fattore di variazione della resistenza elettrica per grado di variazione della temperatura. Per i metalli puri, questo coefficiente è un numero positivo, cioè la resistenza aumenta con l’aumentare della temperatura.

Resistività e coefficiente di temperatura di vari materiali. Si noti come alcuni siamo conduttori elettrici, altri semiconduttori e altri ancora degli isolanti.

Per gli elementi carbonio, silicio e germanio, questo coefficiente è un numero negativo, il che significa che la resistenza elettrica diminuisce con l’aumentare della temperatura. Per alcune leghe metalliche, il coefficiente di temperatura della resistenza è molto vicino allo zero, il che significa che la resistenza elettrica non cambia affatto con le variazioni di temperatura (una buona proprietà se si desidera costruire un resistore di precisione in filo metallico!). Ma cosa è esattamente la costante α?

Sulle tabelle delle resistenze specifiche queste sono tutte solitamente specificate a una temperatura di 20 °C. Questo perché la resistenza specifica di un materiale cambia con la temperatura. I valori di resistenza R per i conduttori a qualsiasi temperatura diversa dalla temperatura standard sulla tabella di resistenza specifica devono essere determinati attraverso la seguente formula (dove Rref  è la temperatura a 20 °C, o talvolta a 0 °C, mentre Tref  è la temperatura di riferimento a cui α è specificata):

Il Nicromo (in inglese, Nichrome), una lega non magnetica 80/20 di nichel e cromo è il filo di resistenza più comune per scopi di riscaldamento, perché ha un’elevata resistività e resistenza all’ossidazione alle alte temperature. Una difficoltà nell’uso del filo del Nicromo è che la comune saldatura elettrica a base di stagno non si lega con esso, quindi i collegamenti all’alimentazione elettrica devono essere effettuati utilizzando altri metodi, come connettori a crimpare o terminali a vite.

Bobine di nicromo in vendita sul web. Ne puoi trovare molti tipi qui.

Brevettato nel 1906 da Albert Marsh, il Nichrome è la più antica forma documentata di lega per riscaldamento a resistenza elettrica. Una lega di nicromo comune è composta per l’80% di nichel e per il 20% di cromo, in massa, ma ci sono molte altre combinazioni di metalli possibili (molte dei quali hanno i loro nomi commerciali) per varie applicazioni. Il Nichrome è costantemente di colore grigio-argenteo, resistente alla corrosione e ha un alto punto di fusione di circa 1.400 °C.

A causa del suo basso costo di fabbricazione, resistenza, duttilità, resistenza all’ossidazione, stabilità alle alte temperature e resistenza al flusso di elettroni, il nicromo è ampiamente utilizzato negli elementi di riscaldamento elettrico in applicazioni come ad es. asciugacapelli e pistole termiche. Tipicamente, se utilizzato come elemento riscaldante, il nicromo viene avvolto in bobine con una certa resistenza elettrica e quando la corrente lo attraversa il riscaldamento produce calore per effetto Joule.

Quasi tutti i fili conduttivi possono in teoria essere utilizzati per il riscaldamento, ma la maggior parte dei metalli conduce l’elettricità con grande efficienza, richiedendo che si creino fili molto sottili e delicati per creare abbastanza resistenza per generare calore. Inoltre, se riscaldati in aria, la maggior parte dei metalli si ossidano rapidamente, diventano fragili e si rompono. Il filo di Nichrome, non ha questo tipo di problemi, anche se poi le proprietà esatte del nicromo variano a seconda della sua lega.

Alcuni metalli e leghe usati come filo di resistenza per elementi riscaldanti.

Infatti il filo di Nichrome, quando riscaldato a temperature roventi, sviluppa uno strato esterno di ossido di cromo, che è termodinamicamente stabile nell’aria, è per lo più impermeabile all’ossigeno e protegge l’elemento riscaldante da ulteriore ossidazione. Le leghe di Nichrome sono note anche per la loro elevata resistenza meccanica e allo scorrimento, e per rimanere duttili, anche dopo un lungo utilizzo; e quando del tutto ossidate, hanno un’emissività più elevata rispetto ad altre leghe resistenti all’aria.

Il Nichrome è un marchio per un filo di resistenza al nichel-cromo, una lega non magnetica di nichel e cromo. Ma ce ne sono molte altre per soddisfare varie applicazioni. In generale, maggiore è il contenuto di nichel del filo, maggiore è il costo. Il Nichrome è avvolto in bobine di filo metallico in tutti i diversi calibri, ma con l’avvento delle stampanti 3D si trovano numerose cartucce con filo a nichel-cromo immerso in supporto ceramico, adatte per applicazioni fino a 200-330 °C a seconda del tipo.

Un esempio di 10 cartucce riscaldanti al nichel-cromo, ciascuna da 40W e alimentata a 12 V, per stampante 3D. Ne puoi trovare anche vari altri tipi a buon prezzo, ad esempio qui.

Un altro filo di resistenza popolare utilizzato per i generatori d’aria calda a bobina aperta è il Kanthal. Il Kanthal A-1 è una lega ferritica ferro-cromo-alluminio (lega FeCrAl) per l’uso a temperature fino a 1400 °C. La lega è caratterizzata da elevata resistività e ottima resistenza all’ossidazione. Le applicazioni tipiche del Kanthal® A-1 sono gli elementi riscaldanti elettrici in forni ad alta temperatura per l’industria del trattamento termico, della ceramica, del vetro, dell’acciaio e dell’elettronica.

Il controllo della temperatura di una resistenza scaldante

La temperatura prodotta, anche per il filo normale, applicando una data tensione e corrente non può essere calcolata con una semplice equazione, perché la dispersione del calore prodotto – che determina la temperatura che si creerà a regime, ovvero all’equilibrio – comporta geometria, gradienti ed equazioni differenziali. Anche il flusso d’aria può aggiungere ulteriore complicazione. Molto più facile è testare una resistenza, o avere un sistema di monitoraggio e di feedback della temperatura.

Infatti, se una resistenza riscaldante (anche di tipo commerciale) supera una certa temperatura – che nel caso delle resistenze in commercio è indicata dal produttore – si danneggia improvvisamente e in modo irreparabile. Per evitare ciò, possiamo semplicemente usare un termostato che smetta di alimentarla quando si è raggiunta una temperatura vicina a quella in questione, innescando una serie di cicli “ON” e “OFF”, un po’ come avviene in uno scaldabagno o in un ferro da stiro.

Un esempio di termostato commerciale con sonda della temperatura e (sotto) relativo collegamento con la rete e con il carico. Oltre a questa versione operante a 220 V AC, ne esiste anche una operante a 12 V DC e una a 24 V DC. Le puoi trovare qui.

Di solito, però, le sonde dei termostati commerciali non resistono a temperature superiori a circa 100 °C. Come fare, quindi, se vogliamo riscaldare la resistenza, ad esempio, a 200 °C, che è grosso modo la temperatura di un fornello a gas? Semplicemente, misureremo la temperatura con la sonda in un punto a una certa distanza dal riscaldatore elettrico, dove la temperatura è a meno di 100 °C anche quando il riscaldatore si trovasse – ammesso che possa arrivarci – a 250 °C.

Per sapere, però, che il riscaldatore è arrivato a 200 °C dovremo misurare la temperatura con una sonda a contatto resistente alle alte temperature oppure, più semplicemente, con un termometro IR, che non necessita di alcun contatto fisico con la resistenza scaldante. Nel primo caso, la soluzione di solito è rappresentata dall’impiego di termocoppie K, che possono essere usate come illustrato nel nostro articolo Come realizzare un amplificatore per termocoppia, che puoi trovare qui.

Un termometro IR è utilissimo per stimare la temperatura di un riscaldatore elettrico. Ne puoi trovare vari ottimi in vendita qui.

Indipendentemente dal fatto che si usi un termostato o meno, il modo più semplice per controllare la temperatura massima che può essere prodotta da un riscaldatore commerciale o autocostruito alimentato in corrente continua (DC) a bassa tensione (ad es. 12 V o 24 V) è quello di usare un parzializzatore PWM, di cui esistono in vendita su Internet vari circuiti già pronti (ad esempio qui). Infatti, agendo sul potenziometro del parzializzatore e sul suo duty cycle, si regola la potenza elettrica erogata.

Un controller PWM sfrutta la cosiddetta “modulazione di larghezza di impulso” (PWM) per ridurre la potenza media erogata, tagliandolo efficacemente il segnale elettrico in parti discrete. Il valore medio della tensione (e della corrente) alimentata al carico viene controllato, in pratica, dal circuito elettronico del PWM accendendo e spegnendo l’interruttore tra alimentazione e carico a una velocità elevata. Per saperne di più, leggi il ns. articolo Come regolare la potenza per un carico, che puoi trovare qui.

Quindi, in pratica, conviene acquistare un riscaldatore commerciale alimentato a bassa tensione e sovradimensionato (in potenza, o W) – e quindi in temperatura – rispetto alle proprie esigenze, dopodiché regolare il PWM, partendo dalla potenza erogata più bassa, fino alla potenza e temperatura volute (purché supportate dalle specifiche del riscaldatore). Infine, se questa potenza e temperatura va mantenuta nel tempo (con fluttuazioni entro circa +/- 0,1 – 2 °C, a seconda dei casi), si può usare un termostato.

Un modulo PWM commerciale che permette di regolare in bassa tensione (da 10 V fino a max 60 V) un carico resistivo, come ad es. una resistenza di potenza non eccessivamente alta (in questo caso fino a circa 450 W per uso continuo). Ne trovi diversi ad es. qui.

Dimensionamento di massima del riscaldatore

La temperatura prodotta da un riscaldatore può essere testata solo sperimentalmente nelle specifiche condizioni ambientali e operative in cui verrà impiegato. La ragione è che non è possibile prevedere la temperatura del filo senza conoscere il tasso di perdita di calore. La temperatura stabile si ottiene quando l’energia elettrica che entra è uguale al calore perso nell’ambiente tramite i tre noti meccanismi di trasmissione del calore: conduzione, convezione e irraggiamento.

Anche se esistono dei software simulatori che permettono di avere un’idea di questi tre parametri, e quindi delle temperature che potremmo aspettarci, di solito questi strumenti non sono alla portata di un dilettante. Pertanto, laddove è richiesta una temperatura dell’aria controllata, come illustrato prima un sensore di temperatura viene installato vicino al riscaldatore d’aria: esso passa l’informazione a un controller che regola il livello di potenza per ottenere la temperatura desiderata.

Se però, anziché acquistare un riscaldatore commerciale già pronto, vogliamo autocostruirne uno – ad es. avvolgendo un filo Nicromo su un supporto di mica – come sapere le lunghezze del filo e le tensioni (o correnti) richieste? Ci sono molti calcolatori e tutorial online che possono darti una guida in tal senso. Ma si noti che le specifiche sono comunque incomplete, in quanto non è stato incluso il volume di aria (o di acqua o di solido) da riscaldare e la temperatura dell’aria in ingresso.

Un esempio di calcolatore online per il dimensionamento di un riscaldatore al Nicromo.

L’alternativa è determinare la lunghezza del filo sperimentalmente. È possibile regolare la lunghezza del filo in base a quanto si avvicina alla temperatura che vogliamo raggiungere: più filo la abbasserà, meno filo la aumenterà, assumendo una determinata tensione V fornita (W = V2 / R). Anche se ciò può sembrare un po’ laborioso, è comunque più semplice che non passare nottate su costosi software a fare sofisticate modellazioni termiche basate sulla fluidodinamica computazionale.

Supponiamo che tu voglia generare 250 W di potenza usando una tensione di 12 V. Quanto dovrà essere lungo il filo di nicromo? Allora, usando la formula precedente, la resistenza dovrà essere R = V2 / W =  12 x 12 / 250 = 0,58 ohm. Dato che la resistività di un filo di Nicromo di 2,5 mm quadrati di sezione è di 0,44 ohm/m (vedi la tabella sotto), se usiamo questa sezione il filo dovrà essere lungo 0,59/0,44 = 1,34 metri. La corrente necessaria sarà invece data dalla Legge di Ohm: I = V/R = 12 / 0,58 = 20,7 A.

Resistività del Nicromo per varie sezioni del filo usato.

Per avere invece un’idea della temperatura che avremo usando questa resistenza scaldante in aria libera, possiamo usare la tabella qui sotto, valida solo per il Nichrome. Poiché la sezione di 2,5 mm quadrati che avevamo ipotizzato equivale a un diametro del filo di 0,89 mm (cioè AWG19), con una corrente di circa 20 A si può raggiungere una temperatura di circa 1100 °C! Ma se usiamo invece una corrente di soli 4 A raggiungeremo solo circa 200 °C, con circa 7 A arriveremo a circa 430 °C, e così via.

Relazione fra diametro del filo, corrente e temperatura per il Nicromo.

Come possiamo invece dimensionare un riscaldatore destinato a scaldare l’aria ambiente con l’aiuto di un ventilatore? Aumentare la temperatura dell’aria richiede energia, e la quantità di energia richiesta dipende dal volume di aria e dall’entità dell’aumento della temperatura. I generatori di aria calda sono classificati in base alla potenza in watt o kW, dato che specifica l’energia che l’elemento è in grado di applicare per unità di tempo. Esiste una relazione inversa tra flusso d’aria e temperatura.

Ad esempio, se il flusso d’aria sull’elemento aumenta, allora si verifica una delle due cose: per mantenere una temperatura costante, l’elemento deve aumentare la sua potenza in uscita o la temperatura dell’aria in uscita verrà abbassata. Ciò diventa importante quando si sceglie una combinazione di riscaldamento e ventilazione, ad esempio quando si vuol realizzare una stufetta ventilata. I generatori di aria calda hanno una curva di flusso d’aria-temperatura associata, come mostrato di seguito:

Curve caratteristiche flusso d’aria – temperatura associata e (sotto) termoventilatore per auto da 12 V e 200 W. Ne trovi vari qui.

Ogni riscaldatore ha una curva, con potenza mantenuta costante. Questa curva mostra la temperatura massima che il riscaldatore può raggiungere a un determinato flusso d’aria (espresso tipicamente in litri/minuto). Quando si progetta un sistema di riscaldamento di processo, questa curva indica la portata del flusso d’aria alla quale il riscaldatore può mantenere una determinata temperatura target su ciò che vogliamo riscaldare (ad esempio nell’ambito di un processo industriale).

La curva indica anche il flusso d’aria minimo richiesto per prevenire danni al riscaldatore (ovvero il flusso d’aria a cui viene raggiunta la temperatura nominale massima per il riscaldatore secondo le specifiche fornite dal produttore). Questa figura ci consente quindi di fare due tipi di dimensionamentI: (1) dimensionare un ventilatore adeguato per un riscaldatore al fine di funzionare alla temperatura richiesta oppure (2) di dimensionare un riscaldatore (in kW) per un flusso d’aria richiesto.