Calentador infrarrojo
Historia [ Editar ]
El astrónomo germano-británico Sir William Herschel se le atribuye el descubrimiento del infrarrojo en 1800. Hizo un instrumento llamado espectrómetro para medir la magnitud de la potencia radiante en diferentes longitudes de onda . Este instrumento está hecho de tres piezas. El primero era un prisma para captar la luz del sol y dirigir y dispersar los colores sobre una mesa, el segundo era un pequeño panel de cartón con una hendidura lo suficientemente ancha para que un solo color lo atravesara y finalmente, tres mercurio en termómetros de vidrio. A través de su experimento, Herschel descubrió que la luz roja tenía el mayor grado de cambio de temperatura en el espectro de luz , sin embargo, el calentamiento por infrarrojos no se usó comúnmente hasta la Segunda Guerra Mundial . Durante la Segunda Guerra Mundial el calentamiento por infrarrojos se hizo más ampliamente utilizado y reconocido. Las principales aplicaciones se encontraban en los campos de acabado de metales, particularmente en el curado y secado de pinturas y lacas en equipos militares. Los bancos de bombillas se usaron con mucho éxito, pero según los estándares actuales, las intensidades de potencia eran muy bajas. La técnica ofrece tiempos de secado mucho más rápidos que los hornos de convección de combustible del tiempo. Se mitigaron los cuellos de botella en la producción y se mantuvieron los suministros militares a las fuerzas armadas. Después de la Segunda Guerra Mundial, la adopción de técnicas de calentamiento por infrarrojos continuó, pero a un ritmo mucho más lento. A mediados de la década de 1950, la industria automotriz comenzó a mostrar interés en las capacidades del infrarrojo para el curado de la pintura y se pusieron en funcionamiento varios túneles infrarrojos de la línea de producción. [
Elementos [ Editar ]
El material de filamento más común utilizado para los calentadores infrarrojos eléctricos es el alambre de tungsteno , que se enrolla para proporcionar más área de superficie. Las alternativas de baja temperatura para tungsteno son carbono o aleaciones de hierro, cromo y aluminio (marca comercial y marca Kanthal ). Mientras que los filamentos de carbono son más volátiles para producir, se calientan mucho más rápido que un calentador de onda media comparable basado en un filamento de FeCrAl.
Cuando la luz no es deseable o no es necesaria en un calentador, los calentadores radiantes infrarrojos de cerámica son la opción preferida. Con 8 metros de alambre de resistencia de aleación en espiral, emiten un calor uniformado en toda la superficie del calentador y la cerámica es 90% absorbente de la radiación. Como la absorción y emisión se basan en las mismas causas físicas en cada cuerpo, la cerámica es ideal como material para calentadores infrarrojos.
Los calentadores infrarrojos industriales a veces usan una capa de oro en el tubo de cuarzo que refleja la radiación infrarroja y la dirige hacia el producto que se va a calentar. En consecuencia, la radiación infrarroja que incide en el producto prácticamente se duplica. El oro se utiliza debido a su resistencia a la oxidación y su reflectividad IR muy alta de aproximadamente el 95%. [4]
Tipos [ Editar ]
Los calentadores infrarrojos se usan comúnmente en módulos infrarrojos (o bancos de emisores) que combinan varios calentadores para lograr áreas calentadas más grandes.
Los calentadores infrarrojos se clasifican generalmente por la longitud de onda que emiten:
Los calentadores infrarrojos de infrarrojo cercano (NIR) o de onda corta funcionan a altas temperaturas de filamento por encima de 1800 ° C y cuando se organizan en un campo alcanzan densidades de alta potencia de algunos cientos de kW / m 2 . Su longitud de onda máxima está muy por debajo del espectro de absorción del agua, lo que los hace inadecuados para muchas aplicaciones de secado. Son adecuados para el calentamiento de la sílice cuando se necesita una penetración profunda.
Los calentadores infrarrojos de onda media y carbono (CIR) funcionan a temperaturas de filamento de alrededor de 1000 ° C. Alcanzan densidades de potencia máximas de hasta 60 kW / m 2 (onda media) y 150 kW / m 2 (CIR).
Los emisores de infrarrojo lejano (FIR) se utilizan generalmente en las llamadas saunas de infrarrojo lejano de baja temperatura. Estos constituyen solo el rango más alto y más caro del mercado de sauna de infrarrojos. En lugar de utilizar emisores de cerámica de carbono, cuarzo o alto vatio, que emiten radiación infrarroja cercana y media, calor y luz, los emisores de infrarrojo lejano utilizan placas de cerámica de bajo vatio que permanecen frías, mientras siguen emitiendo radiación infrarroja lejana. [5]
La relación entre la temperatura y la longitud de onda máxima se expresa mediante la ley de desplazamiento de Wien .
Metal Wire Element [ Editar ]
Los elementos calefactores de alambre metálico aparecieron por primera vez en la década de 1920. Estos elementos consisten en alambre hecho de chromel. Chromel está hecho de níquel y cromo y también se conoce como nicromo . Este cable se enrolló en una espiral y se envolvió alrededor de un cuerpo de cerámica. Cuando se calienta a altas temperaturas, forma una capa protectora de óxido de cromo que protege el cable de la combustión y la corrosión, esto también hace que el elemento brille. [6]
Lámparas de calor [ Editar ]
Una lámpara de calor es una bombilla incandescente que se utiliza con el propósito principal de crear calor. El espectro de radiación del cuerpo negro emitido por la lámpara se desplaza para producir más luz infrarroja . Muchas lámparas de calor incluyen un filtro rojo para minimizar la cantidad de luz visible emitida. Las lámparas de calor a menudo incluyen un reflector interno.
Las lámparas de calor se usan comúnmente en la ducha y los baños para calentar los bañistas y en las áreas de preparación de alimentos de los restaurantes para mantener la comida caliente antes de servir. También se usan comúnmente para la cría de animales . Las luces utilizadas para las aves de corral a menudo se llaman lámparas incubadoras. Además de las aves jóvenes, otros tipos de animales que pueden beneficiarse de las lámparas de calor incluyen reptiles , anfibios , insectos , arácnidos y los jóvenes de algunos mamíferos .
Los enchufes utilizados para las lámparas de calor son usualmente de cerámica porque los enchufes de plástico pueden derretirse o quemarse cuando se exponen a la gran cantidad de calor residual producido por las lámparas, especialmente cuando se opera en la posición de "base arriba". La mortaja o capucha de la lámpara generalmente es de metal. Puede haber una protección de alambre sobre la parte delantera de la cubierta, para evitar tocar la superficie caliente de la bombilla.
Las bombillas incandescentes blancas comunes también se pueden usar como lámparas de calor , pero las bombillas rojas y azules se venden para usar en lámparas de cría y lámparas de reptiles. Las lámparas de calor de 250 vatios comúnmente se empacan en el factor de forma "R40" (lámpara reflectora de 5 ") con una base de tornillo intermedia.
Las lámparas de calor se pueden usar como tratamiento médico para proporcionar calor seco cuando otros tratamientos son ineficaces o poco prácticos. [7]
Ceramic Infrared Heat Systems [ Editar ]
Los elementos calefactores infrarrojos de cerámica se utilizan en una amplia gama de procesos industriales donde se requiere radiación infrarroja de onda larga. Su rango de longitud de onda útil es 2-10 μm. También se usan a menudo en el área de cuidado de animales / mascotas. Los calentadores infrarrojos de cerámica (emisores) se fabrican con tres caras básicas de emisor: a través (cóncavo), plano y bulbo o elemento de tornillo Edison para la instalación normal a través de un portalámparas de cerámica E27.
Far-Infrared [ Editar ]
Esta tecnología de calefacción se utiliza en algunas saunas de infrarrojos caras. También se encuentra en los calentadores de espacio. Estos calentadores utilizan emisores cerámicos de baja densidad de vatios (generalmente paneles bastante grandes) que emiten radiación infrarroja de onda larga. Debido a que los elementos calefactores tienen una temperatura relativamente baja, los calentadores de infrarrojo lejano no emiten emisiones y huelen a causa del polvo, suciedad, formaldehído, humos tóxicos del recubrimiento de pintura, etc. Esto ha hecho que este tipo de calefacción sea muy popular entre las personas con alergias severas y sensibilidad química múltiple en Europa. Debido a que la tecnología infrarroja lejana no calienta directamente el aire de la habitación, es importante maximizar la exposición de las superficies disponibles que luego vuelven a emitir la calidez para proporcionar una calidez ambiental uniforme.
Quartz Heat Lamps [ Editar ]
Elemento de cuarzo claro
Las lámparas halógenas son lámparas incandescentes llenas de gas halógeno altamente presurizado. Este gas se combina con una pequeña cantidad de bromo o yodo que hace que los átomos de tungsteno se regeneren al disminuir la evaporación del filamento. Esto lleva a una vida mucho más larga de lámparas halógenas que las lámparas incandescentes. Debido a la alta presión y temperatura que producen las lámparas halógenas, son relativamente pequeñas y están hechas de vidrio de cuarzo porque tiene un punto de fusión más caliente que el vidrio estándar. Los usos comunes para las lámparas halógenas son los calentadores de mesa. [8] [9]
Los elementos de calentamiento por infrarrojos de cuarzo emiten energía infrarroja de onda media y son particularmente efectivos en sistemas donde se requiere una respuesta rápida del calentador. Las lámparas de infrarrojos tubulares en bulbos de cuarzo producen radiación infrarroja en longitudes de onda de 1.5-8 μm. El filamento cerrado funciona a aproximadamente 2500 K , produciendo una radiación de longitud de onda más corta que las fuentes de bobina de alambre abierta. Desarrollado en la década de 1950 en General Electric , estas lámparas producen aproximadamente 100 W / in ( 4 W / mm ) y se pueden combinar para irradiar 500 vatios por pie cuadrado ( 5400 W / m 2 ). Para lograr densidades de potencia aún mayores, se usaron lámparas halógenas . Las lámparas de infrarrojos de cuarzo se utilizan en reflectores altamente pulidos para dirigir la radiación en un patrón uniforme y concentrado.
Las lámparas de calor de cuarzo se utilizan en el procesamiento de alimentos, procesamiento químico, secado de pintura y descongelación de materiales congelados. También se pueden usar para calentar la comodidad en áreas frías, en incubadoras y en otras aplicaciones para calefacción, secado y horneado. Durante el desarrollo de los vehículos de reingreso espacial, se utilizaron bancos de lámparas de infrarrojos de cuarzo para probar materiales de protección térmica a densidades de potencia de hasta 28 kilovatios / pie cuadrado (300 kW / m 2 ). [10]
Los diseños más comunes consisten en un tubo de vidrio de cuarzo blanco lechoso satinado o cuarzo transparente con un elemento eléctricamente resistente, generalmente un alambre de tungsteno o una fina bobina de aleación de hierro-cromo-aluminio. [11] El aire atmosférico se elimina y se llena con gases inertes como nitrógeno y argón y luego se sella. En las lámparas halógenas de cuarzo, se agrega una pequeña cantidad de gas halógeno para prolongar la vida útil del calentador.
Gran parte de la energía infrarroja y visible liberada es causada por el calentamiento directo del material de cuarzo , el 97% del infrarrojo cercano es absorbido por el tubo de vidrio de cuarzo de sílice causando que la temperatura de la pared del tubo aumente, esto causa la unión silicio-oxígeno irradiar rayos infrarrojos lejanos. [ cita requerida ] Los elementos calefactores de cristal de cuarzo fueron diseñados originalmente para aplicaciones de iluminación, pero cuando una lámpara está a plena potencia, menos del 5% de la energía emitida se encuentra en el espectro visible. [12]
Quartz Tungsten [ Editar ]
Calentador de cuarzo
Los calentadores de infrarrojos de tungsteno de cuarzo emiten energía de onda media que alcanza temperaturas de funcionamiento de hasta 1500 ° C (onda media) y 2600 ° C (onda corta). Alcanzan la temperatura de funcionamiento en segundos. Emisiones pico de longitud de onda de aproximadamente 1.6 μm (infrarrojo de onda media) y 1 μm (infrarrojo de onda corta).
Calentador de carbono [ Editar ]
Calentador de fibra de carbono
Los calentadores de carbono utilizan un elemento calefactor de fibra de carbono capaz de producir calor infrarrojo lejano de onda larga, media y corta. Deben especificarse con precisión para los espacios que se calentarán. [13]
Gas-Fired [ Editar ]
Hay dos tipos básicos de calentadores radiantes infrarrojos.
Luminoso o de alta intensidad
Calentadores de tubo radiante
Los calentadores de gas de tubo radiante utilizados para la calefacción de espacios industriales y comerciales queman gas natural o propano para calentar un tubo emisor de acero. El gas que pasa a través de una válvula de control fluye a través de un quemador de copa o un venturi . Los gases del producto de combustión calientan el tubo del emisor. A medida que el tubo se calienta, la energía radiante del tubo golpea los pisos y otros objetos en el área, calentándolos. Esta forma de calefacción mantiene el calor incluso cuando se introduce repentinamente un gran volumen de aire frío, como en los garajes de mantenimiento. Sin embargo, no pueden combatir una corriente de aire fría.
La eficiencia de un calentador de infrarrojos es una calificación de la energía total consumida por el calentador en comparación con la cantidad de energía infrarroja generada. Si bien siempre habrá una cierta cantidad de calor de convección generado a través del proceso, cualquier introducción de movimiento de aire a través del calentador reducirá su eficiencia de conversión de infrarrojos. Con nuevos reflectores sin barniz, los tubos radiantes tienen una Eficiencia Radiante hacia Abajo de aproximadamente 60%. [El otro 40% comprende las pérdidas por convección radiante hacia arriba irrecuperables + y las pérdidas de los humos].
Efectos de salud [ Editar ]
Además de los peligros de tocar el bulbo o elemento caliente, la radiación infrarroja de onda corta de alta intensidad puede provocar quemaduras térmicas indirectas cuando la piel está expuesta demasiado tiempo o el calentador se coloca demasiado cerca del sujeto. Los individuos expuestos a grandes cantidades de radiación infrarroja (como sopladores de vidrio y soldadores de arco) durante un período prolongado de tiempo pueden desarrollar despigmentación del iris y opacidad del humor acuoso , por lo que la exposición debe moderarse. [14]
Eficiencia [ Editar ]
Los calentadores infrarrojos calentados eléctricamente irradian hasta un 86% de su entrada como energía radiante. [15] Casi toda la entrada de energía eléctrica se convierte en calor radiante infrarrojo en el filamento y se dirige al producto [ aclaración necesaria ] por los reflectores. Parte de la energía térmica se elimina del elemento calefactor por conducción o convección , lo que puede no ser ninguna pérdida para algunos diseños donde toda la energía eléctrica se desea en el espacio calefaccionado, o puede considerarse una pérdida, en situaciones donde solo la radiación la transferencia de calor es deseada o productiva.
Para aplicaciones prácticas, la eficiencia del calentador infrarrojo depende de que coincida con la longitud de onda emitida y el espectro de absorción del material a calentar. Por ejemplo, el espectro de absorción para el agua tiene su pico alrededor de 3000 nm . Esto significa que la emisión de los calentadores infrarrojos de onda media o de carbono se absorbe mucho mejor por el agua y los recubrimientos a base de agua que la radiación infrarroja de onda corta o infrarroja de onda corta. Lo mismo es cierto para muchos plásticos como el PVC o el polietileno. Su pico de absorción es de alrededor de 3500 nm . Por otro lado, algunos metales absorben solo en el rango de onda corta y muestran una fuerte reflectividad en el infrarrojo medio y lejano. Esto hace una cuidadosa selección del tipo de calentador infrarrojo correcto importante para la eficiencia energética en el proceso de calentamiento. [ citación necesitada ]
Los elementos cerámicos funcionan a una temperatura de 300 a 700 ° C (570 a 1,290 ° F) produciendo longitudes de onda infrarrojas en el rango de 2000 a 10 000 nm . La mayoría de los plásticos y muchos otros materiales absorben mejor el infrarrojo en este rango, lo que hace que el calentador de cerámica sea el más adecuado para esta tarea. [ citación necesitada ]
Aplicaciones [ Editar ]
Calentador infrarrojo para cocinar döner kebab
Los calentadores IR pueden satisfacer una variedad de requisitos de calefacción, que incluyen:
Temperaturas extremadamente altas, limitadas en gran medida por la temperatura máxima del emisor
Tiempo de respuesta rápido, del orden de 1-2 segundos
Gradientes de temperatura, especialmente en redes de materiales con alto aporte de calor
Área calentada enfocada en relación con los métodos de calentamiento conductivo y convectivo
Sin contacto, sin perturbar el producto ya que los métodos de calentamiento conductivo o convectivo
Por lo tanto, los calentadores IR se aplican para muchos propósitos, incluidos:
Sistemas de calefacción
Curado de recubrimientos
Calentamiento de plástico antes de la formación
Soldadura plástica
Tratamiento térmico de vidrio y metal
Cocina
Calentamiento de animales lactantes o cautivos en zoológicos o clínicas veterinarias
Clases de gimnasia Hot Yoga para mitigar los problemas respiratorios que plantea el calentamiento por convección [16]
