Oven heating element
Cette page décrit les calculs et la création de l’élément chauffant utilisé dans le four électrique.
J’utiliserais un fil Kanthal A1 qui peut monter à de très hautes températures et présente une haute résistivité.
Alimentation
Quand il s’agit d’atteindre de hautes puissances, dans le cas d’un élément chauffant il est bien plus rentable et optimisé d’utiliser directement le secteur.
Bien entendu cela va avec son lot de risques et il faut prendre les precautions adaptées.
Je ne détaillerais pas ici les consignes de sécurité et je ne prend aucune résponsabilité envers le lecteur.
Ne travaillez pas en utilisant le secteur si vous n’êtes pas techniquement à l’aise avec.
Le secteur peut causer la mort, même plusieurs heures après une électrocution (fibrilation cardiaque).
Calculs de puissance
La première étape consiste à calculer et estimer la puissance nécessaire.
Pour cela il faut estimer la chaleur massique (ou capacité thermique massique) ρCp de ce que l’on veut chauffer, qui sera constitué principalement d’air, de brique, d’epoxy et de métal.
| Materiau | ρCp (J/g·°C) | |||
|---|---|---|---|---|
| Eau | 4.19 | |||
| Epoxy | 1.17 | |||
| Air sec | 1.00 | |||
| Ciment | 1.00 | |||
| Aluminium | 0.897 | |||
| Carbone | 0.709 | |||
| Acier | 0.460 | |||
| Fer | 0.449 | |||
| Cuivre | 0.385 |
Chaleur massique du volume d’air
La chambre aura un volume de 5cm³, soit 5⋅10-6m³.
L’air sec a une densité de 1.293kg/m³.
On peut donc calculer la masse du volume d’air de la chambre:
m_air = 5⋅10-6⋅1.293 = 6.465⋅10-6kg = 6.465mg
Note: on peut aussi utiliser ce calculateur en ligne
Vu sa faible masse, on peut ignorer l’air dans les calculs.
Chaleur massique des paroies
Pour des briques refractaires légères isolantes 26T (densité 800 kg/m³), on peut estimer qu’une partie de la chaleur servira à chauffer les paroies.
Si on prend une profondeur de 1cm, pour 6 paroies de 5cm²:
v = 6⋅1⋅5⋅5 = 150cm³ = 1.5⋅10-4m³
m = 1.5⋅10-4⋅800 = 0.12kg
Je ne connais pas la chaleur massique de ce matériau, mais on peut utiliser une valeur pessimiste de 1.0J/g·°C
Chaleur massique de l’élément chauffé
L’élément chauffé sera généralement léger, on peut prendre une valeur de 20g d’epoxy pour les calculs.
Energie nécessaire
Pour chauffer le contenu de la chambre de 0 à 500°C il faut:
500⋅(120⋅1.0 + 20⋅1.17) = 71.7kJ, que l’on peut arrondir à 70kJ.
Cela nécessiterait 70⋅103/3600 = ~20Wh.
Puissance nécessaire
Maintenant que l’on connait l’énergie necessaire pour chauffer à la température voulue on peut calculer le temps qu’il faudra pour y arriver en fonction de l’élement chauffant.
Dégagement de chaleur par effet joule:
Q = R⋅I²⋅t
Loi d’ohm:
I = U/R
Pour une résistance de 125 ohms:
I = 220/125 = 1.76A
180⋅103 = 125⋅1.75²⋅t
t = 70⋅103 / (125⋅1.75²) = ~183 sec
Pour une résistance de 125 ohms, on aura un courant de 1.76A et la chambre devrait être complètement chauffée au bout de 3 minutes.
Plus le courant sera élevé, plus la chambre pourra chauffer vite.
Cependant il est déconseillé d’utiliser un trop fort courant sur de simples prises murales.
Fabrication de l’élément chauffant
Determiner la gauge du fil
D’apres ce calculateur, pour 10cm (3.937 inch) de Kanthal A1 on a la résistance suivante associée aux gauges:
| Gauge | Resistance | Diamètre | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 20G | 0.28 ohms | 0.812mm | ||||
| 24G | 0.71 ohms | 0.511mm | ||||
| 26G | 1.13 ohms | 0.405mm | ||||
| 30G | 2.85 ohms | 0.255mm | ||||
| 32G | 4.53 ohms | 0.202mm | ||||
| 34G | 7.20 ohms | 0.160mm | ||||
| 36G | 11.45 ohms | 0.127mm |
Un bon compromis est le 30G, qui est ni trop fin, ni trop conducteur.
En théorie pour 125 ohms il faudrait 438cm de fil. Longueur qui va être grandement diminuée en enroulant le fil pour faire une sorte de ressort le plus serré possible.
Enroulement (coiling)
Créer les enroulements peut se faire de plusieurs façon. Pour ma part j’utilise une petite barre d’acier de 2mm de diamètre et j’enroule avec force le fil autour. Cette méthode est longue et fastidieuse, mais fonctionne bien.
Il est à noter que ce n’est pas forcement une bonne idée de ne faire qu’une seule longue bobine.
C’est ce que j’ai fait pour ma première expérimentation, et cela a posé plusieurs problèmes:
- Il est très difficile de placer le fil dans le four une fois qu’il est monté
- Augmente les risques de rupture du fil
- En cas de cassure, la réparation est difficile
- Peu modulaire, rend difficile l’augmentation de la résistance totale
Une fois enroulé, on passe de près de 5m de fil à 30cm.
L’élément chauffant branché sur le secteur.
Après chauffe, une fine couche d’oxyde se forme sur le fil.
Cela nous arrange car cet oxyde n’est pas conducteur.
Pour ma seconde expérimentation, j’ai fait plusieurs bobines au lieu d’une seule.