elemento calefactor

Los materiales utilizados en los elementos calefactores tienen una resistividad eléctrica relativamente alta , que es una medida de la capacidad del material para resistir la corriente eléctrica. La resistencia eléctrica que tendrá una cierta cantidad de material del elemento se define mediante la ley de Pouillet como$${\displaystyle R=\rho {\frac {\ell }{A}}}$$dónde

• ${\displaystyle R}$es la resistencia eléctrica de una muestra uniforme del material
• ${\displaystyle \rho }$es la resistividad del material
• ${\displaystyle \ell }$es la longitud del espécimen
• ${\displaystyle A}$es el área de la sección transversal de la muestra

La resistencia por longitud de cable (Ω/m) de un material de elemento calefactor se define en las normas ASTM y DIN. ^{[ 2 ] : 2 [ 3 ] [ 4 ]} En ASTM, los cables de más de 0,127  mm de diámetro deben mantenerse dentro de una tolerancia de ±5% Ω/m y para cables más delgados ±8% Ω/m.

El rendimiento de un elemento calefactor se cuantifica a menudo caracterizando su densidad de potencia. La densidad de potencia se define como la potencia de salida , P, de un elemento calefactor dividida por el área de la superficie calentada , A, del elemento. ^{[ 5 ]} En términos matemáticos se expresa como:

${\displaystyle \Phi =P/A}$

La densidad de potencia es una medida del flujo de calor (denotado por Φ) y se expresa con mayor frecuencia en vatios por milímetro cuadrado o vatios por pulgada cuadrada .

Los elementos calefactores con baja densidad de potencia tienden a ser más caros, pero tienen una vida útil más larga que los elementos calefactores con alta densidad de potencia. ^{[ 6 ]}

En Estados Unidos, la densidad de potencia se suele denominar "densidad de vatios". También se la conoce a veces como "carga superficial del cable".

Los aislantes del elemento calefactor sirven para aislar eléctrica y térmicamente el calentador de resistencia del entorno y de objetos extraños. ^{[ 9 ]} Generalmente, para elementos que operan a más de 600  °C, se utilizan aislantes cerámicos. ^{[ 8 ] : 137} El óxido de aluminio , el dióxido de silicio y el óxido de magnesio son compuestos comúnmente utilizados en los aislantes cerámicos de elementos calefactores. Para temperaturas más bajas, se utiliza una gama más amplia de materiales.

Los cables eléctricos sirven para conectar un elemento calefactor a una fuente de alimentación. Generalmente están hechos de materiales conductores como el cobre , que no tienen una resistencia a la oxidación tan alta como el material resistivo activo. ^{[ 8 ] : 131–132}

Los terminales del elemento calefactor sirven para aislar el material resistivo activo de los conductores. Los terminales están diseñados para tener una resistencia menor que el material activo, ya sea por tener una resistividad menor y/o un diámetro mayor. También pueden tener una resistencia a la oxidación menor que el material activo. ^{[ 8 ] : 131–132}

Los elementos tubulares o envainados (también conocidos por su nombre comercial, Calrods ^{[ 10 ]} ) normalmente constan de una fina bobina de alambre resistivo rodeada por un aislante eléctrico y una vaina o carcasa metálica en forma de tubo. El aislamiento suele ser un polvo de óxido de magnesio y la vaina normalmente está construida de una aleación de cobre o acero. Para evitar que la humedad penetre en el aislante higroscópico , los extremos están equipados con perlas de material aislante como cerámica o caucho de silicona, o una combinación de ambos. El tubo se estira a través de una matriz para comprimir el polvo y maximizar la transmisión de calor. Estos pueden ser una varilla recta (como en los hornos tostadores ) o doblados para adaptarse a la forma de un área a calentar (como en las estufas eléctricas , hornos y cafeteras ).

Las pistas metalocerámicas impresas mediante serigrafía y depositadas sobre placas metálicas (generalmente de acero) con aislamiento cerámico se han utilizado ampliamente como elementos en hervidores y otros electrodomésticos desde mediados de la década de 1990.

Los elementos calefactores radiantes (lámparas de calor) son lámparas incandescentes de alta potencia que funcionan a menos de su potencia máxima para irradiar principalmente luz infrarroja en lugar de luz visible. Se suelen encontrar en calefactores radiantes y calentadores de alimentos, y pueden tener forma tubular alargada o de reflector R40 . El reflector suele estar teñido de rojo para minimizar la luz visible que emite; el tubo se presenta en diferentes formatos.

• Lámparas de calor infrarrojas de cuarzo HeLeN con recubrimiento de oro , patentadas y fabricadas originalmente por Philips. En su interior se deposita una película dicroica de oro que reduce la luz visible y permite el paso de la mayor parte de la radiación infrarroja de onda corta y media. Estas lámparas tubulares de cuarzo están diseñadas para usos distintos a la iluminación. ^{[ 11 ]} 
• Recubiertas de rubí : cumplen la misma función que las lámparas recubiertas de oro, pero a un precio mucho menor. El resplandor visible es mucho mayor que en la variante dorada. 
• Transparente : sin recubrimiento y utilizado principalmente en procesos de producción. 

Los elementos cerámicos extraíbles utilizan un alambre de aleación calefactora resistiva enrollado a través de uno o más segmentos cerámicos cilíndricos para alcanzar la longitud requerida (relacionada con la potencia de salida), con o sin varilla central. Insertados en una vaina o tubo metálico sellado en un extremo, este tipo de elemento permite su reemplazo o reparación sin interrumpir el proceso, que generalmente consiste en el calentamiento de fluidos a presión.

Los elementos de lámina grabada suelen estar fabricados con las mismas aleaciones que los elementos de hilo resistivo, pero se producen mediante un proceso de fotograbado sustractivo que comienza con una lámina metálica continua y termina con un patrón de resistencia complejo. Estos elementos se utilizan habitualmente en aplicaciones de calentamiento de precisión, como diagnósticos médicos y la industria aeroespacial.

Los calentadores resistivos pueden fabricarse con materiales de caucho PTC conductores, cuya resistividad aumenta exponencialmente con la temperatura. ^{[ 12 ]} Este tipo de calentador produce alta potencia cuando está frío y se calienta rápidamente hasta alcanzar una temperatura constante. Debido a la resistividad que aumenta exponencialmente, el calentador nunca puede superar esta temperatura. Por encima de ella, el caucho actúa como aislante eléctrico. La temperatura puede seleccionarse durante la producción del caucho. Las temperaturas típicas oscilan entre 0 y 80 °C (32 y 176 °F) .  

Se trata de un calefactor autorregulable y autolimitante por puntos . La autorregulación significa que cada punto del calefactor mantiene una temperatura constante de forma independiente, sin necesidad de componentes electrónicos de regulación. La autolimitación implica que el calefactor nunca puede superar una temperatura determinada en ningún punto y no requiere protección contra sobrecalentamiento.

Los calentadores de película gruesa son un tipo de calentador resistivo que se puede imprimir sobre un sustrato delgado. Estos calentadores presentan diversas ventajas sobre los elementos resistivos convencionales con revestimiento metálico. En general, se caracterizan por su perfil bajo, uniformidad de temperatura mejorada, respuesta térmica rápida debido a su baja masa térmica, alta densidad de energía y amplia compatibilidad de voltaje. Normalmente, los calentadores de película gruesa se imprimen sobre sustratos planos, así como sobre tubos con diferentes patrones de calentamiento. Estos calentadores pueden alcanzar densidades de potencia de hasta 100  W/cm² ^dependiendo de las condiciones de transferencia de calor. ^{[ 13 ]} Los patrones de los calentadores de película gruesa son altamente personalizables según la resistencia superficial de la pasta resistiva impresa.

Estos calentadores se pueden imprimir en diversos sustratos, como metal, cerámica, vidrio y polímero, utilizando pastas de película gruesa con carga metálica o de aleación. ^{[ 13 ]} Los sustratos más comunes para imprimir calentadores de película gruesa son el aluminio 6061-T6, el acero inoxidable y las láminas de mica moscovita o flogopita . Las aplicaciones y características operativas de estos calentadores varían ampliamente según los materiales del sustrato elegido. Esto se debe principalmente a las características térmicas de los sustratos.

Existen varias aplicaciones convencionales de calentadores de película gruesa. Se pueden utilizar en planchas, gofreras, calefacción eléctrica de estufas, humidificadores, hervidores de agua, dispositivos de termosellado, calentadores de agua, planchas y vaporizadores de ropa, planchas para el cabello, calderas, bases calefactoras de impresoras 3D , cabezales de impresión térmica, pistolas de pegamento, equipos de calefacción de laboratorio, secadoras de ropa, calefactores de zócalo, bandejas calentadoras, intercambiadores de calor, dispositivos de descongelación y desempañado para parabrisas de automóviles, espejos laterales, descongelación de refrigeradores, etc. ^{[ 14 ]}

Para la mayoría de las aplicaciones, el rendimiento térmico y la distribución de temperatura son los dos parámetros de diseño clave. Para mantener una distribución de temperatura uniforme en un sustrato, el diseño del circuito se puede optimizar modificando la densidad de potencia localizada del circuito resistivo. Un diseño optimizado del calentador ayuda a controlar la potencia de calentamiento y a modular las temperaturas locales en el sustrato. En los casos en que se requieren dos o más zonas de calentamiento con diferentes densidades de potencia en un área relativamente pequeña, se puede diseñar un calentador de película gruesa para lograr un patrón de calentamiento zonal en un solo sustrato.

Los calentadores de película gruesa se pueden clasificar en dos subcategorías principales : materiales con coeficiente de temperatura negativo (NTC) y materiales con coeficiente de temperatura positivo (PTC) , según el efecto de los cambios de temperatura en la resistencia del elemento. Los calentadores NTC se caracterizan por una disminución de la resistencia a medida que aumenta la temperatura, lo que resulta en una mayor potencia a temperaturas elevadas para un voltaje de entrada determinado. Los calentadores PTC se comportan de manera opuesta, con un aumento de la resistencia y una disminución de la potencia a temperaturas elevadas. Esta característica les confiere autorregulabilidad, ya que su potencia se estabiliza a temperaturas fijas. Por otro lado, los calentadores NTC generalmente requieren un termostato o un termopar para controlar el sobrecalentamiento. Estos calentadores se utilizan en aplicaciones que requieren un rápido aumento de la temperatura hasta un punto de ajuste predeterminado, ya que suelen ser más rápidos que los calentadores PTC.  

Una caldera de electrodos utiliza electricidad que fluye a través de corrientes de agua para generar vapor. Los voltajes de funcionamiento suelen estar entre 240 y 600 voltios, en corriente alterna monofásica o trifásica . ^{[ 15 ]}

Los calentadores láser son elementos calefactores que se utilizan para alcanzar temperaturas muy elevadas. ^{[ 16 ]}

Las aleaciones de calentamiento por resistencia son metales que pueden utilizarse para fines de calentamiento eléctrico por encima de 600  °C en el aire. Se distinguen de las aleaciones de resistencia que se utilizan principalmente para resistencias que operan por debajo de 600  °C. ^{[ 8 ]}

Si bien la mayoría de los átomos en estas aleaciones corresponden a los que figuran en su nombre, también contienen oligoelementos. Los oligoelementos desempeñan un papel importante en las aleaciones de resistencia, ya que influyen considerablemente en propiedades mecánicas como la trabajabilidad, la estabilidad de la forma y la vida útil a la oxidación. ^{[ 8 ]} Algunos de estos oligoelementos pueden estar presentes en las materias primas básicas, mientras que otros pueden añadirse deliberadamente para mejorar el rendimiento del material. Los términos contaminantes y aditivos se utilizan para clasificar los oligoelementos. ^{[ 9 ]} Los contaminantes suelen tener efectos indeseables, como una menor vida útil y un rango de temperatura limitado. Los aditivos se añaden intencionadamente por el fabricante y pueden proporcionar mejoras como una mayor adhesión de la capa de óxido, una mayor capacidad para mantener la forma o una vida útil más prolongada a temperaturas elevadas.

Las aleaciones más comunes utilizadas en los elementos calefactores incluyen:

• El disilicuro de molibdeno (MoSi₂ ₎ es un compuesto intermetálico, un siliciuro de molibdeno, y una cerámica refractaria que se utiliza principalmente en elementos calefactores. Posee una densidad moderada, un punto de fusión de 2030  °C (3686  °F) y es conductor eléctrico. A altas temperaturas, forma una capa de pasivación de dióxido de silicio que lo protege de una mayor oxidación. Sus aplicaciones incluyen la industria del vidrio , la sinterización de cerámica, los hornos de tratamiento térmico y los hornos de difusión de semiconductores .
• El carburo de silicio se utiliza en encendedores de superficie caliente , que son elementos calefactores diseñados para encender gases inflamables, y son comunes en hornos de gas y secadoras de ropa.
• El nitruro de silicio se ha utilizado recientemente como iniciador de superficie para bujías incandescentes de hornos de gas y motores diésel. Estos elementos calefactores o bujías incandescentes alcanzan una temperatura máxima de 1400  °C e inflaman rápidamente la gasolina o el queroseno. El material también se utiliza en motores diésel y de encendido por chispa para otros componentes de combustión y piezas de desgaste. ^{[ 19 ]}
• Elementos cerámicos PTC: Los materiales cerámicos PTC reciben su nombre por su coeficiente térmico de resistencia positivo (es decir, la resistencia aumenta al calentarse). Si bien la mayoría de las cerámicas tienen un coeficiente negativo , estos materiales (a menudo compuestos de titanato de bario y titanato de plomo ) tienen una respuesta térmica altamente no lineal, de modo que por encima de una temperatura umbral que depende de la composición, su resistencia aumenta rápidamente. Este comportamiento hace que el material actúe como un calentador autorregulado , ya que la corriente pasa cuando está frío y no cuando está caliente. ^{[ 20 ]} Las películas delgadas de este material se utilizan en prendas de vestir calefactables , ^{[ 21 ]} en calentadores de desempañado de ventanas traseras de automóviles, ^{[ 22 ]} y los elementos en forma de panal se utilizan en secadores de pelo más caros , calentadores de ambiente y la mayoría de las estufas de pellets modernas . Dichos elementos calefactores pueden alcanzar temperaturas de 950–1000 °C y pueden alcanzar el equilibrio rápidamente. 
• Los calefactores infrarrojos halógenos de cuarzo también se utilizan para proporcionar calefacción radiante .