Un calentador de infrarrojos 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 radiación infrarroja oscila entre750 nm a 1 mm. No se necesita contacto ni medio entre el emisor y el objeto frío para la transferencia de energía. Los calentadores de infrarrojos pueden funcionar al vacío o en la atmósfera.
Una clasificación de los calentadores de infrarrojos es según las bandas de longitud de onda de emisión de infrarrojos.
Al 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 fue elaborado a partir 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 como para que solo pasara un color 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, la calefacción por infrarrojos se volvió más utilizada y reconocida. Las principales aplicaciones se dieron en los campos del acabado de metales, particularmente en el curado y secado de pinturas y lacas en equipos militares. Se utilizaron con mucho éxito bancos de bombillas; Aunque según los estándares actuales las intensidades de energía 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 de forma mucho más lenta. A mediados de la década de 1950, la industria de vehículos de motor comenzó a mostrar interés en las capacidades de los infrarrojos para el curado de pintura y se empezaron a utilizar varios túneles de infrarrojos en las líneas de producción.[1] [2] [3]
El material de filamento más común utilizado para los calentadores eléctricos de infrarrojos es el alambre de tungsteno , que se enrolla para proporcionar una mayor superficie. Las alternativas de baja temperatura al 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 de FeCrAl.
Cuando la luz no es deseable o no es necesaria en un calentador, los calentadores radiantes infrarrojos cerámicos son la opción preferida. Contienen 8 metros (26 pies) de alambre de resistencia de aleación enrollado, emiten un calor uniforme en toda la superficie del calentador y la cerámica absorbe un 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 de infrarrojos.
Los calentadores de infrarrojos industriales a veces utilizan una capa de oro en el tubo de cuarzo que refleja la radiación infrarroja y la dirige hacia el producto a calentar. De este modo, la radiación infrarroja que incide sobre el producto prácticamente se duplica. Se utiliza oro debido a su resistencia a la oxidación y su muy alta reflectividad infrarroja de aproximadamente el 95%. [4]
Los calentadores de infrarrojos se utilizan comúnmente en módulos de infrarrojos (o bancos de emisores) que combinan varios calentadores para lograr áreas calentadas más grandes.
Los calentadores de infrarrojos suelen clasificarse según la longitud de onda que emiten:
Los calentadores de infrarrojo cercano (NIR) o de onda corta funcionan a altas temperaturas de filamento superiores a 1.800 °C (3.270 °F ) y cuando se colocan en un campo alcanzan altas densidades de 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 muy adecuados para calentar sílice donde se necesita una penetración profunda.
Los calentadores de onda media (MWIR) y de infrarrojos de carbono funcionan a temperaturas de filamento de alrededor de 1000 °C (1830 °F). Alcanzan densidades de potencia máximas de hasta 60 kW / m 2 (5,6 kW/ pie cuadrado ) (onda media) y 150 kW/m 2 (14 kW/pie cuadrado) (carbono).
Los emisores de infrarrojos lejanos (FIR) se utilizan normalmente en las denominadas saunas de infrarrojos lejanos de baja temperatura . Estos constituyen sólo la gama más alta y cara del mercado de saunas de infrarrojos. En lugar de utilizar carbono, cuarzo o emisores cerámicos de alta potencia, que emiten radiación, calor y luz infrarroja cercana y media, los emisores de infrarrojo lejano utilizan placas cerámicas de baja potencia que permanecen frías, sin dejar de emitir radiación infrarroja lejana.
La relación entre temperatura y longitud de onda máxima se expresa mediante la ley de desplazamiento de Wien .
Los elementos calefactores de alambre metálico aparecieron por primera vez en la década de 1920. Estos elementos consisten en alambre hecho de cromel. Chromel está hecho de níquel y cromo y también se conoce como nicrom . Luego, este alambre se enrolló en espiral y se enrolló alrededor de un cuerpo cerámico. Cuando se calienta a altas temperaturas, forma una capa protectora de óxido de cromo que protege el cable de quemaduras y corrosión y hace que el elemento brille. [5]
Una lámpara de calor es una bombilla incandescente que se utiliza con el objetivo principal de generar 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 suelen incluir un reflector interno.
Las lámparas de calor se utilizan comúnmente en duchas y baños para calentar a los bañistas y en las áreas de preparación de alimentos de los restaurantes para mantener los alimentos calientes antes de servirlos. También se utilizan habitualmente para la cría de animales . Las luces utilizadas para las aves de corral a menudo se denominan lámparas de crianza. Además de las aves jóvenes, otros tipos de animales que pueden beneficiarse de las lámparas de calor son los reptiles , anfibios , insectos , arácnidos y las crías de algunos mamíferos .
Los casquillos utilizados para las lámparas de calor suelen ser de cerámica porque los casquillos de plástico pueden derretirse o quemarse cuando se exponen a la gran cantidad de calor residual producido por las lámparas, especialmente cuando se operan en la posición de "base hacia arriba". La cubierta o capota de la lámpara es generalmente metálica. Es posible que haya un protector de alambre sobre el frente de la cubierta para evitar tocar la superficie caliente de la bombilla.
Las bombillas incandescentes blancas comunes del hogar 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 empaquetan 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 resultan ineficaces o poco prácticos. [6]
Los elementos calefactores infrarrojos cerámicos 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 de 2 a 10 μm. También se utilizan a menudo en el ámbito del cuidado de animales y mascotas. Los calentadores (emisores) infrarrojos cerámicos se fabrican con tres caras básicas del emisor: artesa (cóncava), plana y elemento de bombilla o tornillo Edison para instalación normal mediante un portalámparas cerámico E27.
Esta tecnología de calefacción se utiliza en algunas costosas saunas de infrarrojos. También se encuentra en calentadores portátiles de bajo consumo. Suelen ser paneles planos de bastante grandes dimensiones que se colocan en paredes, techos [7] o integrados en suelos. [8] Estos calentadores emiten radiación infrarroja de onda larga utilizando 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, transformando el carbono en forma nanométrica. [9] Debido a que los elementos calefactores están a una temperatura relativamente baja, los calentadores de infrarrojo lejano no generan emisiones ni olores de polvo, suciedad, formaldehído, vapores tóxicos de la pintura, etc. [ cita necesaria ] Esto ha hecho que este tipo de La calefacción de espacios es muy popular entre las personas con alergias graves y sensibilidad química múltiple en Europa. [ cita necesaria ] 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 un calor ambiental uniforme y generalizado. Esto se conoce como calefacción radiante. [ cita necesaria ]
Las lámparas halógenas son lámparas incandescentes llenas de gas inerte altamente presurizado combinado con una pequeña cantidad de gas halógeno ( bromo o yodo ); esto alarga la vida útil del filamento (ver ). Esto hace que las lámparas halógenas tengan una vida útil mucho más larga 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. [10] [11]
Los elementos calefactores infrarrojos de cuarzo emiten energía infrarroja de onda media y son particularmente eficaces en sistemas donde se requiere una respuesta rápida del calentador. Las lámparas infrarrojas tubulares con bombillas de cuarzo producen radiación infrarroja en longitudes de onda de 1,5 a 8 μm. El filamento cerrado funciona a alrededor de 2500 K (2230 °C; 4040 °F), produciendo más radiación de longitud de onda más corta que las fuentes abiertas de bobina de alambre. Desarrolladas en la década de 1950 en General Electric , estas lámparas producen alrededor de 100 vatios por pulgada (4 W/mm) y pueden combinarse para irradiar 500 vatios por pie cuadrado (5400 W/m2 ) . [ cita necesaria ] 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, procesamiento químico, secado de pintura y descongelación de materiales congelados. También se pueden utilizar para calefacción confortable en áreas frías, en incubadoras y en otras aplicaciones para calentar, secar y hornear. Durante el desarrollo de los vehículos de reentrada al espacio, se utilizaron bancos de lámparas infrarrojas de cuarzo para probar materiales de protección térmica con densidades de potencia de hasta 28 kW/pie cuadrado (300 kW/m 2 ). [12]
Los diseños más comunes consisten en un tubo de vidrio de cuarzo satinado de color blanco lechoso o cuarzo transparente con un elemento eléctricamente resistente, generalmente un alambre de tungsteno , o una delgada bobina de aleación de hierro, cromo y aluminio. 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 operativa del calentador.
La mayor parte de la energía radiante liberada a las temperaturas operativas se transmite a través del delgado tubo 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 lejos. rayos infrarrojos. [ cita necesaria ] Los elementos calefactores de vidrio de cuarzo se diseñaron originalmente para aplicaciones de iluminación, pero cuando una lámpara está a máxima potencia, menos del 5% de la energía emitida está en el espectro visible. [13]
Los calentadores infrarrojos de tungsteno y cuarzo emiten energía de onda media alcanzando 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 necesaria ]
Hay dos tipos básicos de calentadores radiantes por infrarrojos.
Los calentadores de gas de tubo radiante utilizados para la calefacción de espacios en edificios 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 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 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 frío.
La eficiencia de un calentador de infrarrojos 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 una cierta cantidad de calor convectivo durante el proceso, cualquier introducción de movimiento de aire a través del calentador reducirá su eficiencia de conversión de infrarrojos. Con reflectores nuevos y sin manchas, los tubos radiantes tienen una eficiencia radiante hacia abajo de aproximadamente el 60%. (El otro 40% comprende pérdidas irrecuperables por radiación ascendente y convectiva, y pérdidas por combustión).
Además de los peligros de tocar la bombilla o 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 pueden desarrollar despigmentación del iris y opacidad del humor acuoso , por lo que la exposición debe moderarse. [14]
Los calefactores infrarrojos calentados eléctricamente irradian hasta el 86% de su entrada en forma de energía radiante. [15] 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 representar ninguna pérdida en algunos diseños donde toda la energía eléctrica se desea en el espacio calentado, o puede considerarse una pérdida, en situaciones donde solo la energía radiativa la transferencia de calor es deseada o productiva.
Para aplicaciones prácticas, la eficiencia del calentador de infrarrojos 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 alrededor de3 µm . Esto significa que las emisiones de los calentadores infrarrojos de onda media o de carbono son mucho mejor absorbidas por el agua y los recubrimientos a base de agua que la radiación NIR o infrarroja de onda corta. Lo mismo ocurre con muchos plásticos como el PVC o el polietileno. Su máxima absorción es de aproximadamente3,5 µm . Por otro lado, algunos metales absorben sólo 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 de calentador de infrarrojos adecuado sea importante para la eficiencia energética en el proceso de calefacción. [ cita necesaria ]
Los elementos cerámicos funcionan a una temperatura de 300 a 700 °C (570 a 1290 °F) y producen longitudes de onda infrarrojas en el rango de 2 a 700 °C.Rango de 10 µm . La mayoría de los plásticos y muchos otros materiales absorben mejor los infrarrojos en este rango, lo que hace que el calentador cerámico sea el más adecuado para esta tarea. [16] [ cita necesaria ]
Los calentadores IR pueden satisfacer una variedad de requisitos de calefacción, que incluyen:
Por lo tanto, los calentadores de infrarrojos se aplican para muchos propósitos, entre ellos:
Lámpara de calor.