Un calentador infrarrojo o lámpara de calor es un aparato de calefacción que contiene un emisor de alta temperatura que transfiere energía a un objeto más frío a través de radiación electromagnética. Dependiendo de la temperatura del emisor, la longitud de onda del pico de la radiación infrarroja varía de750 nm a 1 mm. No se necesita contacto ni medio entre el emisor y el objeto frío para la transferencia de energía. Los calentadores infrarrojos pueden funcionar en vacío o en atmósfera.
Una clasificación de los calentadores infrarrojos es por las bandas de longitud de onda de emisión infrarroja.
Al astrónomo germano-británico Sir William Herschel se le atribuye el descubrimiento de los rayos infrarrojos en 1800. Hizo un instrumento llamado espectrómetro para medir la magnitud de la potencia radiante en diferentes longitudes de onda . Este instrumento estaba hecho de tres piezas. La primera era un prisma para captar la luz del sol y dirigir y dispersar los colores hacia abajo sobre una mesa, la segunda era un pequeño panel de cartón con una ranura lo suficientemente ancha para que solo pasara un solo color a través de ella y finalmente, tres termómetros de mercurio en 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, la calefacción por infrarrojos no se usó comúnmente hasta la Segunda Guerra Mundial. Durante la Segunda Guerra Mundial, la calefacción por infrarrojos se usó y reconoció más ampliamente. Las principales aplicaciones fueron en los campos de acabado de metales, particularmente en el curado y secado de pinturas y lacas en equipos militares. Se utilizaron bancos de bombillas de lámparas con mucho éxito; aunque para los estándares actuales las intensidades de potencia eran muy bajas, la técnica ofrecía tiempos de secado mucho más rápidos que los hornos de convección de combustible de la época. 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 de los infrarrojos para el curado de la pintura y comenzaron a utilizarse varios túneles infrarrojos en las líneas de producción. [1] [2] [3]
El material de filamento más común utilizado para los calentadores infrarrojos eléctricos es el alambre de tungsteno , que se enrolla para proporcionar una mayor superficie. Las alternativas de baja temperatura para el tungsteno son el carbono o las aleaciones de hierro , cromo y aluminio ( marca registrada y nombre comercial Kanthal ). Si bien los filamentos de carbono son más volubles de producir, se calientan mucho más rápido que un calentador de onda media comparable basado en un filamento FeCrAl.
Cuando la luz no es deseable o no es necesaria en un calentador, los calentadores infrarrojos de cerámica son la opción preferida. Con 8 metros (26 pies) de alambre de resistencia de aleación en espiral, emiten un calor uniforme en toda la superficie del calentador y la cerámica absorbe el 90% de la radiación. Como la absorción y la 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 utilizan un revestimiento 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 sobre el producto prácticamente se duplica. El oro se utiliza debido a su resistencia a la oxidación y su muy alta reflectividad infrarroja de aproximadamente el 95 %. [4]
Los calentadores infrarrojos se utilizan comúnmente en módulos infrarrojos (o bancos de emisores) que combinan varios calentadores para lograr áreas calentadas más grandes.
Los calentadores infrarrojos generalmente se clasifican según la longitud de onda que emiten:
Los calentadores infrarrojos de onda corta o de infrarrojo cercano (NIR) funcionan a altas temperaturas de filamento superiores a 1800 °C (3270 °F ) y, cuando se disponen en un campo, alcanzan altas densidades de potencia de algunos cientos de kW/m2 . 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 muy adecuados para calentar sílice donde se necesita una penetración profunda.
Los calentadores infrarrojos de onda media (MWIR) y de carbono funcionan a temperaturas de filamento de alrededor de 1000 °C (1830 °F). Alcanzan densidades de potencia máximas de hasta 60 kW / m2 (5,6 kW/ pie cuadrado ) (onda media) y 150 kW/m2 ( 14 kW/pie cuadrado) (carbono) .
Los emisores de infrarrojos lejanos (FIR) se utilizan normalmente en las denominadas saunas de infrarrojos lejanos de baja temperatura . Éstas constituyen únicamente la gama más alta y más cara del mercado de las saunas de infrarrojos. En lugar de utilizar emisores de carbono, cuarzo o cerámica de alto voltaje, que emiten radiación infrarroja cercana y media, calor y luz, los emisores de infrarrojos lejanos utilizan placas de cerámica de bajo voltaje que permanecen frías, pero siguen emitiendo radiación infrarroja lejana.
La relación entre la temperatura y la longitud de onda máxima se expresa mediante la ley de desplazamiento de Wien .
Los elementos calefactores de alambre de metal aparecieron por primera vez en la década de 1920. Estos elementos consisten en alambre hecho de cromel. El cromel está hecho de níquel y cromo y también se conoce como nicromo . Este alambre se enrollaba en espiral y se envolvía alrededor de un cuerpo cerámico. Cuando se calentaba a altas temperaturas, formaba una capa protectora de óxido de cromo que evita que el alambre se quemara y se corroyera, y hace que el elemento brille. [5]
Una lámpara de calor es una bombilla incandescente que se utiliza con el propósito principal de crear calor. El espectro de radiación de 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 utilizan habitualmente en duchas y baños para calentar a los bañistas y en las zonas de preparación de alimentos de los restaurantes para mantener la comida caliente antes de servirla. También se utilizan habitualmente en la cría de animales . Las luces que se utilizan para las aves de corral suelen denominarse lámparas de cría. Además de las aves jóvenes, otros tipos de animales que pueden beneficiarse de las lámparas de calor son los reptiles , los anfibios , los insectos , los arácnidos y las crías de algunos mamíferos .
Los casquillos que se utilizan para las lámparas de calor suelen ser de cerámica , ya que los casquillos de plástico pueden derretirse o quemarse cuando se exponen a la gran cantidad de calor residual que producen las lámparas, especialmente cuando se utilizan con la base hacia arriba. La cubierta o capuchón de la lámpara suele ser de metal. Puede haber un protector de alambre sobre la parte delantera de la cubierta para evitar que entre en contacto con la superficie caliente de la bombilla.
Las bombillas incandescentes blancas comunes de uso doméstico también se pueden utilizar como lámparas de calor , pero se venden bombillas rojas y azules para usar en lámparas de cría y lámparas para reptiles. Las lámparas de calor de 250 vatios se empaquetan comúnmente en el factor de forma "R40" (lámpara reflectora de 5") con una base de tornillo intermedia.
Las lámparas de calor se pueden utilizar como tratamiento médico para proporcionar calor seco cuando otros tratamientos son ineficaces o poco prácticos. [6]
Los elementos calefactores infrarrojos cerámicos se utilizan en una amplia gama de procesos industriales en los que se requiere radiación infrarroja de onda larga. Su rango de longitud de onda útil es de 2 a 10 μm. También se utilizan a menudo en el ámbito de la atención sanitaria de animales y mascotas. Los calentadores infrarrojos cerámicos (emisores) se fabrican con tres caras emisoras básicas: canal (cóncava), plana y elemento de bulbo o rosca Edison para instalación normal a través de un portalámparas cerámico E27.
Esta tecnología de calefacción se utiliza en algunas saunas de infrarrojos de alto coste. También se encuentra en los calentadores de ambiente de bajo consumo. Suelen ser paneles planos bastante grandes que se colocan en las paredes, los techos [7] o se integran en los suelos. [8] Estos calentadores emiten radiación infrarroja de onda larga mediante emisores cerámicos de baja densidad de vatios basados en tecnología de fibra de carbono. Los diseños más eficientes utilizan cristales de carbono, una combinación de fibra de carbono, integrada con nanotecnología, que transforma el carbono en forma nanométrica. [9] Debido a que los elementos calefactores están a una temperatura relativamente baja, los calentadores de infrarrojo lejano no emiten emisiones ni olores de polvo, suciedad, formaldehído, humos tóxicos de revestimientos de pintura, etc. [10] Esto ha hecho que este tipo de calefacción de ambientes sea muy popular entre las personas con alergias graves y sensibilidad química múltiple en Europa. [11] Debido a que la tecnología de infrarrojo lejano no calienta el aire de la habitación directamente, es importante maximizar la exposición de las superficies disponibles que luego reemiten el calor para proporcionar una calidez ambiental uniforme en todo el entorno. Esto se conoce como calefacción radiante. [12]
Las lámparas halógenas son lámparas incandescentes llenas de gas inerte a alta presión combinado con una pequeña cantidad de gas halógeno ( bromo o yodo ); esto alarga la vida del filamento (ver ). Esto conduce a una vida útil mucho más larga de las lámparas halógenas que otras 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 alto que el vidrio estándar. Los usos comunes de las lámparas halógenas son los calentadores de mesa. [13] [14]
Los elementos calefactores infrarrojos de cuarzo [15] emiten energía infrarroja de onda media y son particularmente eficaces en sistemas donde se requiere una respuesta rápida del calentador. Las lámparas infrarrojas tubulares en bombillas de cuarzo producen radiación infrarroja en longitudes de onda de 1,5 a 8 μm. El filamento cerrado opera a alrededor de 2500 K (2230 °C; 4040 °F), produciendo más radiación de longitud de onda más corta que las fuentes de bobina de alambre abierto. Desarrolladas en la década de 1950 en General Electric , estas lámparas producen alrededor de 100 vatios por pulgada (4 W/mm) y se pueden combinar para irradiar 500 vatios por pie cuadrado (5400 W/m 2 ). [ cita requerida ] Para lograr densidades de potencia aún mayores, se utilizaron lámparas halógenas . Las lámparas infrarrojas 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, el procesamiento químico, el secado de pintura y la descongelación de materiales congelados. También se pueden utilizar para calefacción de confort en áreas frías, en incubadoras y en otras aplicaciones para calentar, secar y hornear. Durante el desarrollo de vehículos de reentrada espacial, se utilizaron bancos de lámparas infrarrojas de cuarzo para probar materiales de protección térmica a densidades de potencia de hasta 28 kW/pie cuadrado (300 kW/m 2 ). [16] En 2000, General Electric lanzó la primera lámpara de cuarzo resistente al agua junto con el fabricante británico de calefacción por infrarrojos Tansun. [17]
Los diseños más comunes consisten en un tubo de vidrio de cuarzo blanco lechoso satinado o de cuarzo transparente con un elemento resistente a la electricidad, generalmente un alambre de tungsteno , o una bobina delgada de aleación de hierro, cromo y aluminio. Se extrae el aire atmosférico 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.
La mayor parte de la energía radiante liberada a temperaturas operativas se transmite a través del tubo delgado de cuarzo, pero parte de esa energía es absorbida por el tubo de vidrio de cuarzo de sílice, lo que hace que la temperatura de la pared del tubo aumente, lo que hace que el enlace silicio-oxígeno irradie rayos infrarrojos lejanos. [ cita requerida ] Los elementos calefactores de vidrio de cuarzo se diseñaron originalmente para aplicaciones de iluminación, pero cuando una lámpara está a plena potencia, menos del 5% de la energía emitida está en el espectro visible. [ 18 ]
Los calentadores infrarrojos de tungsteno y cuarzo emiten energía de onda media que alcanza temperaturas de funcionamiento de hasta 1500 °C (2730 °F) (onda media) y 2600 °C (4710 °F) (onda corta). Alcanzan la temperatura de funcionamiento en cuestión de segundos. Emisiones de longitud de onda máxima de aproximadamente 1,6 μm (infrarrojos de onda media) y 1 μm (infrarrojos de onda corta).
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 van a calentar. [ cita requerida ]
Hay dos tipos básicos de calentadores radiantes infrarrojos.
Los calentadores de gas con tubo radiante que se utilizan para calentar espacios en edificios comerciales e industriales 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 la combustión calientan el tubo emisor. A medida que el tubo se calienta, la energía radiante del tubo golpea los pisos y otros objetos del área, calentándolos. Esta forma de calefacción mantiene el calor incluso cuando se introduce repentinamente un gran volumen de aire frío, como en los talleres de mantenimiento . Sin embargo, no pueden combatir una corriente de aire frío.
La eficiencia de un calentador infrarrojo es una clasificación de la energía total consumida por el calentador en comparación con la cantidad de energía infrarroja generada. Si bien siempre se generará cierta cantidad de calor convectivo a través del proceso, cualquier introducción de movimiento de aire a través del calentador reducirá su eficiencia de conversión de infrarrojos. Con reflectores nuevos y sin defectos, los tubos radiantes tienen una eficiencia radiante descendente de aproximadamente el 60 % (el 40 % restante comprende pérdidas radiantes y convectivas ascendentes irrecuperables y pérdidas de humos).
Además de los peligros de tocar la bombilla o el elemento caliente, la radiación infrarroja de onda corta de alta intensidad puede causar quemaduras térmicas indirectas cuando la piel está expuesta durante demasiado tiempo o el calentador se coloca demasiado cerca del sujeto. Las personas expuestas 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 ser moderada. [19]
Los calentadores infrarrojos calentados eléctricamente irradian hasta el 86% de su entrada como energía radiante. [20] Casi toda la entrada de energía eléctrica se convierte en calor radiante infrarrojo en el filamento y se dirige hacia el objetivo mediante reflectores. Parte de la energía térmica se elimina del elemento calefactor por conducción o convección , lo que puede no ser una pérdida en absoluto para algunos diseños en los que se desea que toda la energía eléctrica esté en el espacio calentado, o puede considerarse una pérdida en situaciones en las que solo se desea o es productiva la transferencia de calor radiativo.
Para aplicaciones prácticas, la eficiencia del calentador infrarrojo depende de la coincidencia de la longitud de onda emitida y el espectro de absorción del material a calentar. Por ejemplo, el espectro de absorción del agua tiene su pico en torno a3 μm . Esto significa que la emisión de los calentadores infrarrojos de onda media o de carbono se absorbe mucho mejor por el agua y los revestimientos a base de agua que la radiación infrarroja de onda corta o NIR. Lo mismo ocurre con muchos plásticos como el PVC o el polietileno. Su absorción máxima es de alrededor de3,5 μm . 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 que una selección cuidadosa del tipo correcto de calentador infrarrojo sea importante para la eficiencia energética en el proceso de calentamiento. [21]
Los elementos cerámicos funcionan a temperaturas de 300 a 700 °C (570 a 1290 °F) produciendo longitudes de onda infrarrojas en el rango de 2 a 1000 nm.Rango de 10 μm . La mayoría de los plásticos y muchos otros materiales absorben mejor los rayos infrarrojos en este rango, lo que hace que el calentador cerámico sea el más adecuado para esta tarea. [22] [ cita requerida ]
Los calentadores IR pueden satisfacer una variedad de requisitos de calefacción, incluidos:
Por lo tanto, los calentadores IR se utilizan para muchos propósitos, entre ellos:
Lámpara de calor.