La calefacción eléctrica es un proceso en el que la energía eléctrica se convierte directamente en energía térmica . Las aplicaciones comunes incluyen calefacción de espacios , cocina , calentamiento de agua y procesos industriales. Un calentador eléctrico es un dispositivo eléctrico que convierte una corriente eléctrica en calor. [1] El elemento calefactor dentro de cada calentador eléctrico es una resistencia eléctrica y funciona según el principio de calentamiento Joule : una corriente eléctrica que pasa a través de una resistencia convertirá esa energía eléctrica en energía térmica. La mayoría de los dispositivos de calefacción eléctrica modernos utilizan alambre de nicromo como elemento activo; El elemento calefactor, que se muestra a la derecha, utiliza alambre de nicromo sostenido por aisladores cerámicos.
Alternativamente, una bomba de calor puede alcanzar alrededor del 150 % – 600 % de eficiencia para calefacción, o un coeficiente de rendimiento COP 1,5 – 6,0 , porque utiliza energía eléctrica sólo para transferir la energía térmica existente. La bomba de calor utiliza un motor eléctrico para impulsar un ciclo de refrigeración inverso , que extrae energía térmica de una fuente externa como el suelo o el aire exterior (o el interior de un refrigerador) y dirige ese calor al espacio a calentar (en caso de una nevera, la cocina). Esto hace un uso mucho mejor de la energía eléctrica que la calefacción eléctrica directa, pero requiere equipos mucho más caros, además de fontanería. Algunos sistemas de calefacción pueden funcionar a la inversa para el aire acondicionado , de modo que el espacio interior se enfríe y se descargue aire o agua aún más caliente al exterior o al suelo.
La calefacción de espacios se utiliza para calentar el interior de los edificios. Los calentadores portátiles son útiles en lugares donde el manejo del aire es difícil, como en los laboratorios. Se utilizan varios métodos de calefacción eléctrica de espacios.
La calefacción radiante por infrarrojos eléctrica utiliza elementos calefactores que alcanzan una temperatura alta. El elemento suele estar empaquetado dentro de una envoltura de vidrio que se asemeja a una bombilla y con un reflector para dirigir la salida de energía lejos del cuerpo del calentador. El elemento emite radiación infrarroja que viaja a través del aire o el espacio hasta que llega a una superficie absorbente, donde se convierte parcialmente en calor y parcialmente se refleja. Este calor calienta directamente a las personas y los objetos de la habitación, en lugar de calentar el aire. Este estilo de calentador es particularmente útil en áreas a través de las cuales fluye aire sin calefacción. También son ideales para sótanos y garajes donde se desea calefacción puntual. En términos más generales, son una excelente opción para la calefacción de tareas específicas.
Los calentadores radiantes funcionan silenciosamente y presentan el mayor peligro potencial de ignición de muebles cercanos debido a la intensidad concentrada de su salida y la falta de protección contra sobrecalentamiento. En el Reino Unido, estos aparatos a veces se denominan chimeneas eléctricas, porque originalmente se utilizaban para sustituir las chimeneas abiertas.
El medio activo del calentador representado en esta sección es una bobina de alambre de resistencia de nicromo dentro de un tubo de sílice fundida , abierto a la atmósfera en los extremos, aunque existen modelos en los que la sílice fundida está sellada en los extremos y la aleación de resistencia no es nicromo. .
En un calentador de convección, el elemento calefactor calienta el aire en contacto con él por conducción térmica . El aire caliente es menos denso que el aire frío, por lo que se eleva debido a la flotabilidad , permitiendo que fluya más aire frío para ocupar su lugar. Esto crea una corriente de convección de aire caliente que sube desde el calentador, calienta el espacio circundante, se enfría y luego repite el ciclo. Estos calentadores a veces están llenos de aceite o fluido térmico. Son ideales para calentar un espacio cerrado. Funcionan en silencio y tienen un menor riesgo de ignición si hacen contacto involuntario con muebles en comparación con los calentadores eléctricos radiantes.
Un termoventilador, también llamado calentador de convección forzada, es un tipo de calentador de convección que incluye un ventilador eléctrico para acelerar el flujo de aire. Funcionan con un ruido considerable provocado por el ventilador. Tienen un riesgo moderado de riesgo de ignición si hacen contacto involuntario con muebles. Su ventaja es que son más compactos que los calentadores que utilizan convección natural y también son rentables para sistemas de calefacción portátiles y de habitaciones pequeñas.
Un sistema de calefacción de almacenamiento aprovecha los precios más baratos de la electricidad, que se vende durante períodos de baja demanda, como por ejemplo durante la noche. En el Reino Unido, se denomina Economy 7. El calentador acumulador almacena calor en ladrillos de arcilla y luego lo libera durante el día cuando es necesario. Los calentadores acumuladores más nuevos se pueden utilizar con varias tarifas. Si bien todavía se pueden utilizar con economía 7, se pueden utilizar con tarifas diurnas. Esto se debe a las características de diseño moderno que se agregan durante la fabricación. Además de los nuevos diseños, el uso de un termostato o sensor ha mejorado la eficiencia del acumulador. Un termostato o sensor puede leer la temperatura de la habitación y cambiar la salida del calentador en consecuencia.
El agua también se puede utilizar como medio de almacenamiento de calor.
Un sistema de calefacción por suelo radiante eléctrico tiene cables calefactores incrustados en el suelo. La corriente fluye a través de un material calefactor conductor , suministrada directamente desde la tensión de línea (120 o 240 voltios) o a baja tensión desde un transformador. Los cables calefactores calientan el suelo por conducción directa y se apagarán cuando alcance la temperatura ajustada por el termostato del suelo . Una superficie de suelo más cálida irradia calor a superficies circundantes más frías (techo, paredes, muebles), que absorben el calor y reflejan todo el calor no absorbido a otras superficies aún más frías. El ciclo de radiación, absorción y reflexión comienza lentamente y se ralentiza lentamente acercándose a las temperaturas establecidas y cesa de tener lugar una vez que se alcanza el equilibrio general. Un termostato de piso o un termostato de ambiente o una combinación controla el encendido y apagado del piso. En el proceso de calefacción radiante, una fina capa de aire que está en contacto con las superficies calentadas también absorbe algo de calor y esto crea una pequeña convección (circulación de aire). Contrariamente a lo que se cree, las personas no se calientan mediante la circulación de aire caliente o la convección (la convección tiene un efecto refrescante), sino que se calientan mediante la radiación directa de la fuente y el reflejo de su entorno. El confort se alcanza a una temperatura del aire más baja debido a la eliminación del aire circulante. La calefacción radiante experimenta los mayores niveles de confort porque la propia energía de las personas (± 70 vatios para un adulto) (debe irradiarse durante la temporada de calefacción) está en equilibrio con el entorno. En comparación con el sistema de calefacción por convección basado en investigaciones académicas, la temperatura del aire puede reducirse hasta 3 grados. Una variación es utilizar tubos llenos de agua caliente en circulación como fuente de calor para calentar el suelo. El principio de calentamiento sigue siendo el mismo. Tanto los sistemas de calefacción por suelo radiante eléctricos como los de agua caliente (hidrónicos) de estilo antiguo integrados en la construcción del suelo son lentos y no pueden responder a los cambios climáticos externos ni a los requisitos internos de demanda o estilo de vida. La última variante coloca sistemas de calefacción eléctrica especializados y mantas directamente debajo de la decoración del piso y encima del aislamiento adicional, todo colocado sobre los pisos de construcción. Los suelos de construcción permanecen fríos. El cambio principal de posicionamiento de la fuente de calor le permite responder en cuestión de minutos a los cambios climáticos y a los requisitos de la demanda interna, como el estilo de vida al entrar o salir, en el trabajo, descansar, dormir, más personas presentes o cocinando, etc.
En las grandes torres de oficinas, el sistema de iluminación está integrado junto con el sistema de calefacción y ventilación. El calor residual de las lámparas fluorescentes se captura en el aire de retorno del sistema de calefacción; En los edificios grandes, una parte sustancial de la energía térmica anual proviene del sistema de iluminación. Sin embargo, este calor residual se convierte en un problema cuando se utiliza el aire acondicionado. Estos gastos se pueden evitar integrando un sistema de iluminación energéticamente eficiente que también cree una fuente de calor eléctrica. [2]
Una bomba de calor utiliza un compresor accionado eléctricamente para operar un ciclo de refrigeración que extrae energía térmica del aire exterior, el suelo o el agua subterránea, y mueve ese calor al espacio que se va a calentar. Un líquido contenido dentro de la sección del evaporador de la bomba de calor hierve a baja presión, absorbiendo energía térmica del aire exterior o del suelo. Luego, un compresor comprime el vapor y lo conduce a un serpentín condensador dentro del edificio para calentarlo. El calor del gas denso y caliente es absorbido por el aire del edificio (y a veces también utilizado para el agua caliente sanitaria), lo que hace que el fluido de trabajo caliente se condense nuevamente en estado líquido. Desde allí, el fluido a alta presión pasa de regreso a la sección del evaporador donde se expande a través de un orificio y dentro de la sección del evaporador, completando el ciclo. En los meses de verano, el ciclo se puede invertir para sacar el calor del espacio acondicionado al aire exterior.
Las bombas de calor pueden obtener calor de baja calidad del aire exterior en climas templados. En áreas con temperaturas invernales promedio muy por debajo del punto de congelación, las bombas de calor de fuente terrestre son más eficientes que las bombas de calor de fuente de aire porque pueden extraer el calor solar residual almacenado en el suelo a temperaturas más cálidas que las disponibles en el aire frío. [3] Según la EPA de EE. UU. , las bombas de calor geotérmicas pueden reducir el consumo de energía hasta un 44 % en comparación con las bombas de calor de fuente de aire y hasta un 72 % en comparación con la calefacción por resistencia eléctrica. [4] El alto precio de compra de una bomba de calor frente a los calentadores de resistencia puede compensarse cuando también se necesita aire acondicionado .
Un calentador de inmersión tiene un elemento calefactor de resistencia eléctrica encerrado en un tubo, colocado en el agua (u otro fluido) a calentar. El elemento calefactor puede insertarse directamente en el líquido o instalarse dentro de una tubería metálica para protegerlo contra la corrosión y facilitar el mantenimiento. Es posible que los calentadores de inmersión portátiles no tengan un termostato de control, ya que están destinados a usarse sólo brevemente y bajo el control de un operador.
Para el suministro de agua caliente sanitaria o agua caliente de procesos industriales, se pueden utilizar elementos calefactores instalados permanentemente en un tanque de agua caliente aislado, controlado por un termostato para regular la temperatura. Las unidades domésticas pueden tener una potencia nominal de sólo unos pocos kilovatios. Los calentadores de agua industriales pueden alcanzar los 2000 kilovatios. Cuando estén disponibles tarifas de energía eléctrica fuera de las horas pico, se podrá almacenar agua caliente para usarla cuando sea necesario.
Los calentadores eléctricos de ducha y sin tanque también utilizan un calentador de inmersión (protegido o desnudo) que se enciende con el flujo de agua. Se puede cambiar un grupo de calentadores separados para ofrecer diferentes niveles de calefacción. Las duchas eléctricas y los calentadores sin tanque suelen consumir de 3 a 10,5 kilovatios.
Los minerales presentes en el suministro de agua pueden precipitarse de la solución y formar una incrustación dura en la superficie del elemento calefactor, o pueden caer al fondo del tanque y obstruir el flujo de agua. El mantenimiento del equipo de calentamiento de agua puede requerir la eliminación periódica de incrustaciones y sedimentos acumulados. Cuando se sabe que los suministros de agua están altamente mineralizados, la producción a escala se puede reducir mediante el uso de elementos calefactores de baja densidad de vatios. [5]
Los calentadores de circulación o "intercambiadores de calor eléctricos directos" (DEHE) utilizan elementos calefactores insertados directamente en un medio del "lado de la carcasa" para proporcionar el efecto de calentamiento. Todo el calor generado por el calentador de circulación eléctrico se transfiere al medio, por lo que un calentador eléctrico es 100 por ciento eficiente. Los intercambiadores de calor eléctricos directos o "calentadores de circulación" se utilizan para calentar líquidos y gases en procesos industriales. [6] [7]
Con un calentador de electrodos, no hay resistencia de alambre enrollado y el propio líquido actúa como resistencia. Esto conlleva riesgos potenciales, por lo que las normas que rigen los calentadores de electrodos son estrictas.
La eficiencia de cualquier sistema depende de la definición de los límites del sistema. Para un cliente de energía eléctrica, la eficiencia de la calefacción eléctrica es del 100% porque toda la energía comprada se convierte en calor. Sin embargo, si se incluye una central eléctrica que suministre electricidad, la eficiencia general cae drásticamente. Por ejemplo, una central eléctrica de combustibles fósiles sólo entrega de 3 a 5 unidades de energía eléctrica por cada 10 unidades de energía de combustible liberadas. [8] Aunque el calentador eléctrico es 100% eficiente, la cantidad de combustible necesaria para producir calor es mayor que si el combustible se quemara en un horno o caldera en el edificio que se está calentando. Si un consumidor pudiera utilizar el mismo combustible para calentar espacios, en general sería más eficiente quemar el combustible en el edificio del usuario final. Por otro lado, reemplazar la calefacción eléctrica con calentadores que queman combustibles fósiles no es necesariamente bueno, ya que elimina la capacidad de tener calefacción eléctrica renovable; esto se puede lograr obteniendo la electricidad de una fuente renovable.
Las variaciones entre los países que generan energía eléctrica afectan las preocupaciones sobre la eficiencia y el medio ambiente. En 2015, Francia generó solo el 6% de su electricidad a partir de combustibles fósiles , mientras que Australia obtuvo más del 86% de su electricidad a partir de combustibles fósiles. [9] La limpieza y eficiencia de la electricidad dependen de la fuente.
En Suecia, el uso de calefacción eléctrica directa ha estado restringido desde la década de 1980 por este motivo, y hay planes para eliminarla por completo (véase Eliminación progresiva del petróleo en Suecia ), mientras que Dinamarca ha prohibido la instalación de calefacción eléctrica directa en edificios nuevos. por razones similares. [10] En el caso de edificios nuevos, se pueden utilizar técnicas de construcción de bajo consumo energético que prácticamente pueden eliminar la necesidad de calefacción, como las construidas según el estándar Passivhaus .
En Quebec , sin embargo, la calefacción eléctrica sigue siendo la forma más popular de calefacción doméstica. Según una encuesta de Statistics Canada de 2003 , el 68% de los hogares de la provincia utilizan electricidad para calentar espacios. Más del 90% de toda la energía consumida en Quebec es generada por represas hidroeléctricas , que tienen bajas emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con las centrales eléctricas de combustibles fósiles . Hydro-Québec , la empresa de servicios públicos de propiedad provincial, cobra tarifas bajas y estables . [11]
En los últimos años ha habido una tendencia importante entre los países a generar electricidad con bajas emisiones de carbono a partir de fuentes renovables, sumándose a la energía nuclear y la energía hidroeléctrica , que son fuentes con bajas emisiones de carbono desde hace mucho tiempo. Por ejemplo, la huella de carbono de la electricidad del Reino Unido por kWh en 2019 fue menos de la mitad que en 2010. [8] Sin embargo, debido al alto costo de capital, el costo de la electricidad no ha disminuido y suele ser entre 2 y 3 veces mayor que el de la quema de combustible. . Por lo tanto, la calefacción eléctrica directa ahora puede generar una huella de carbono similar a la calefacción a gas o petróleo, pero el costo sigue siendo más alto, aunque tarifas más baratas fuera de las horas pico pueden reducir este efecto.
Para proporcionar calor de manera más eficiente, una bomba de calor eléctrica puede elevar la temperatura interior extrayendo energía del suelo, el aire exterior o corrientes residuales como el aire de escape. Esto puede reducir el consumo de electricidad a tan solo el 35% del utilizado por el calentamiento resistivo. [12] Cuando la fuente principal de energía eléctrica es hidroeléctrica, nuclear o eólica, la transferencia de electricidad a través de la red puede ser conveniente, ya que el recurso puede estar demasiado distante para aplicaciones de calefacción directa (con la notable excepción de la energía solar térmica ).
La electrificación del calor de los espacios y el calentamiento del agua se propone cada vez más como una forma de descarbonizar el sistema energético actual, en particular con bombas de calor . En caso de electrificación a gran escala, es necesario considerar los impactos en la red eléctrica debido al posible aumento de la demanda máxima de electricidad y la exposición a fenómenos climáticos extremos . [13]
El funcionamiento de calentadores de resistencia eléctrica para calentar un área durante largos períodos es costoso en muchas regiones. Sin embargo, el uso diurno intermitente o parcial puede ser más rentable que la calefacción de todo el edificio debido a un control zonal superior.
Por ejemplo: un comedor en una oficina tiene un horario de funcionamiento limitado. Durante los períodos de bajo uso, el sistema de calefacción central proporciona un nivel de calor de "monitorización" (50 °F o 10 °C). Las horas pico de uso entre las 11:00 y las 14:00 se calientan a "niveles de comodidad" (70 °F o 21 °C). Se pueden lograr ahorros significativos en el consumo total de energía, ya que las pérdidas de radiación infrarroja a través de la radiación térmica no son tan grandes con un gradiente de temperatura menor tanto entre este espacio y el aire exterior no calentado, así como entre el refrigerador y el comedor (ahora más fresco).
Económicamente, el calor eléctrico se puede comparar con otras fuentes de calefacción doméstica multiplicando el costo local por kilovatio hora de electricidad por la cantidad de kilovatios que utiliza el calentador. Por ejemplo: calentador de 1500 vatios a 12 centavos por kilovatio hora 1,5×12=18 centavos por hora. [14] Al comparar con la quema de combustible, puede resultar útil convertir kilovatios hora a BTU : 1,5 kWh × 3412,142 = 5118 BTU.
La calefacción eléctrica se utiliza ampliamente en la industria. [15]
Las ventajas de los métodos de calentamiento eléctrico sobre otras formas incluyen el control preciso de la temperatura y la distribución de la energía térmica, la combustión que no se utiliza para desarrollar calor y la capacidad de alcanzar temperaturas que no se pueden alcanzar fácilmente con la combustión química. El calor eléctrico se puede aplicar con precisión en el punto preciso necesario en un proceso, con una alta concentración de energía por unidad de área o volumen. Los dispositivos de calefacción eléctrica pueden construirse en cualquier tamaño requerido y pueden ubicarse en cualquier lugar dentro de una planta. Los procesos de calefacción eléctrica son generalmente limpios, silenciosos y no emiten mucho calor derivado al entorno. Los equipos de calefacción eléctrica tienen una alta velocidad de respuesta, lo que los hace aptos para equipos de producción en masa de ciclos rápidos.
Las limitaciones y desventajas de la calefacción eléctrica en la industria incluyen el mayor costo de la energía eléctrica en comparación con el uso directo de combustible, y el costo de capital tanto del propio aparato de calefacción eléctrica como de la infraestructura necesaria para entregar grandes cantidades de energía eléctrica al punto de uso. . Esto puede compensarse en cierta medida con ganancias de eficiencia en la planta (in situ) al utilizar menos energía en general para lograr el mismo resultado.
El diseño de un sistema de calefacción industrial comienza con la evaluación de la temperatura requerida, la cantidad de calor requerida y los modos factibles de transferir energía térmica. Además de la conducción, la convección y la radiación, los métodos de calentamiento eléctrico pueden utilizar campos eléctricos y magnéticos para calentar materiales.
Los métodos de calentamiento eléctrico incluyen calentamiento por resistencia, calentamiento por arco eléctrico, calentamiento por inducción y calentamiento dieléctrico. En algunos procesos (por ejemplo, soldadura por arco ), se aplica corriente eléctrica directamente a la pieza de trabajo. En otros procesos, el calor se produce dentro de la pieza de trabajo por inducción o pérdidas dieléctricas . Además, se puede producir calor y luego transferirlo a la obra por conducción, convección o radiación.
Los procesos de calentamiento industrial se pueden clasificar en términos generales como de baja temperatura (hasta aproximadamente 400 °C o 752 °F), de temperatura media (entre 400 y 1150 °C o 752 y 2102 °F) y de alta temperatura (más de 1150 °C). o 2,102 °F). Los procesos de baja temperatura incluyen hornear y secar, curar acabados , soldar , moldear y dar forma a plásticos. Los procesos de temperatura media incluyen la fusión de plásticos y algunos no metales para fundir o remodelar, así como el recocido, el alivio de tensiones y el tratamiento térmico de metales. Los procesos de alta temperatura incluyen la fabricación de acero , la soldadura fuerte , la fundición de metales, el corte, la fundición y la preparación de algunos productos químicos.
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