Calentador infrarrojo

Los elementos calefactores de alambre metálico aparecieron por primera vez en la década de 1920. Estos elementos consisten en un alambre hecho de cromel. El cromel se compone de níquel y cromo y también se conoce como nicromo . Este alambre se enrollaba en espiral y se envolvía alrededor de un cuerpo cerámico. Al calentarse a altas temperaturas, forma una capa protectora de óxido de cromo que protege el alambre de la combustión y la corrosión, y hace que el elemento brille. ^{[ 5 ]}

Una lámpara de calor es una bombilla incandescente que se utiliza principalmente para generar calor. El espectro de radiación de cuerpo negro emitido por la lámpara se puede modificar para producir luz infrarroja de mayor longitud de onda reduciendo la temperatura del filamento. ^{[ 6 ]}

Sin embargo, muchas lámparas de calor populares para infrarrojo cercano (onda corta) están construidas como lámparas de inundación con vidrio y un reflector interno, y utilizan temperaturas de filamento de alrededor de 2000 K y un filtro rojo para minimizar la cantidad de luz visible emitida. Estas lámparas de calor, a menudo de 250 vatios , suelen presentarse en el formato "R40" (lámpara reflectora de 5 pulgadas) con una base de rosca intermedia.

Las lámparas de calor se utilizan comúnmente en las áreas de preparación de alimentos de los restaurantes para mantener la comida caliente antes de servirla y en la cría de animales . Las luces utilizadas para aves de corral se denominan lámparas de incubación. Además de las aves jóvenes, otros tipos de animales que pueden beneficiarse de las lámparas de calor incluyen reptiles , anfibios , insectos , arácnidos y las crías de algunos mamíferos . Las bombillas incandescentes blancas domésticas comunes pueden usarse como lámparas de calor, como lo aprovechó Heatball para evitar la eliminación gradual de las bombillas incandescentes , pero estas son muy brillantes a menos que se reduzca su voltaje o se filtren, y existen lámparas específicas con filtros de color para uso animal.

Las lámparas de calor pueden utilizarse como tratamiento médico para proporcionar calor seco cuando otros tratamientos son ineficaces o poco prácticos. ^{[ 7 ]}

Los elementos calefactores infrarrojos cerámicos se utilizan en una amplia gama de procesos industriales que requieren radiación infrarroja de onda larga. Su rango de longitud de onda útil es de 2 a 10  μm. También se utilizan con frecuencia en el ámbito de la salud animal. Los calefactores infrarrojos cerámicos (emisores) se fabrican con tres caras emisoras básicas: cóncava, plana y de rosca Edison para su instalación estándar mediante un portalámparas cerámico E27.

Esta tecnología de calefacción se utiliza en algunas saunas infrarrojas de alta gama. También se encuentra en calefactores de bajo consumo. Suelen ser paneles planos bastante grandes que se colocan en paredes, techos ^{[ 8 ]} o se integran en suelos. ^{[ 9 ]} Estos calefactores emiten radiación infrarroja de onda larga mediante emisores cerámicos de baja densidad de potencia 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. ^{[ 10 ]} Debido a que los elementos calefactores se encuentran a una temperatura relativamente baja, los calefactores de infrarrojo lejano no emiten gases ni olores de polvo, suciedad, formaldehído, humos tóxicos de pintura, etc. ^{[ 11 ]} Esto ha hecho que este tipo de calefacción sea muy popular entre las personas con alergias graves y sensibilidad química múltiple en Europa. ^{[ 12 ]} Dado 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 temperatura ambiental uniforme. Esto se conoce como calefacción radiante. ^{[ 13 ]}

Las lámparas halógenas son lámparas incandescentes rellenas de gas inerte a alta presión combinado con una pequeña cantidad de gas halógeno ( bromo o yodo ); esto prolonga la vida útil del filamento (véase ). Esto da como resultado una vida útil mucho mayor de las lámparas halógenas que de 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. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Los elementos calefactores infrarrojos de cuarzo ^{[ 16 ]} 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 pueden combinarse para irradiar 500 vatios por pie cuadrado (5400 W/m² ⁾ . 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 usar para calefacción de confort en áreas frías, en incubadoras y en otras aplicaciones de calefacción, secado y horneado. Durante el desarrollo de vehículos de reentrada espacial, se utilizaron bancos de lámparas infrarrojas de cuarzo para probar materiales de escudo térmico con densidades de potencia de hasta 28 kW/ft² ⁽ 300 kW/m² ⁾ . [ ^{17 ] En} 2000, General Electric lanzó la primera lámpara impermeable de cuarzo junto con el fabricante británico de calefacción infrarroja Tansun. ^{[ 18 ]}  

Los diseños más comunes consisten en un tubo de cuarzo blanco lechoso satinado o cuarzo transparente con un elemento conductor eléctrico, generalmente un hilo de tungsteno , o una fina bobina de aleación de hierro-cromo-aluminio. Se extrae el aire atmosférico y se llena con gases inertes como nitrógeno y argón , para luego sellar la lámpara. En las lámparas halógenas de cuarzo, se añade 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 delgado tubo de cuarzo, pero parte de esa energía es absorbida por el tubo de vidrio de cuarzo y sílice, lo que provoca un aumento de la temperatura de la pared del tubo. Esto hace que el enlace silicio-oxígeno irradie rayos infrarrojos lejanos. 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 se encuentra en el espectro visible. ^{[ 19 ]}

Los calentadores infrarrojos de cuarzo-tungsteno 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 su temperatura de funcionamiento en cuestión de segundos. Las longitudes de onda máximas de emisión son de aproximadamente 1,6 μm (infrarrojo de onda media) y 1 μm (infrarrojo de onda corta).      

Los calefactores 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. ^{[ 20 ]}

Existen varios tipos básicos de calentadores radiantes infrarrojos.

• Luminoso o de alta intensidad
• Calentadores de tubo radiante
• Calentadores catalíticos

Los calefactores de tubo radiante a gas, 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, al pasar por una válvula de control , fluye a través de un quemador de copa o un venturi . Los gases de combustión calientan el tubo emisor. A medida que el tubo se calienta, la energía radiante que emite incide sobre las personas, los suelos y otros objetos de la zona, calentándolos. Si el quemador está protegido, el calefactor es hermético a las corrientes de aire.

Los calentadores catalíticos utilizan un catalizador , como el platino, para oxidar el combustible a temperaturas de entre 300 y 550 °C. Dado que esta temperatura es inferior a la de ignición de la mayoría de los combustibles, el catalizador debe calentarse mediante una llama piloto o eléctricamente para iniciar la reacción.

Los calentadores infrarrojos que funcionan con diésel o queroseno utilizan un quemador de aceite atomizador a presión para quemar combustible líquido, calentando un emisor radiante de acero o un tubo intercambiador de calor hasta alcanzar temperaturas de emisión infrarroja. El combustible se atomiza a presión (normalmente entre 0,5 y 1,2 MPa) formando un fino rocío que se enciende dentro de una cámara de combustión.

Los gases calientes de la combustión transfieren energía a la superficie del emisor, que luego irradia energía infrarroja de onda media (aproximadamente de 2 a 5 μm) hacia el área objetivo.

Estos calentadores son especialmente adecuados para aplicaciones industriales y de construcción aisladas de la red eléctrica, donde no hay gasoductos y el suministro de propano resulta poco práctico. Entre los contextos de uso más comunes se incluyen recintos temporales para obras de construcción, edificios agrícolas, hangares de aviones, operaciones militares sobre el terreno y almacenes remotos.

Las unidades portátiles se utilizan ampliamente en regiones donde la infraestructura de combustible diésel es más accesible que la de otras fuentes de energía.

Debido a que la combustión de hidrocarburos líquidos produce dióxido de carbono, vapor de agua y trazas de subproductos de la combustión, los calentadores infrarrojos que funcionan con diésel o queroseno requieren una ventilación adecuada o una salida de gases de combustión, y no son adecuados para funcionar sin ventilación en espacios cerrados ocupados sin un intercambio de aire apropiado.

La eficiencia del combustible y la emisión radiante están fuertemente influenciadas por el ángulo de pulverización de la boquilla y el caudal, la relación aire-combustible y la emisividad y geometría de la superficie radiante.

Históricamente, el queroseno (fuelóleo n.° 1) se prefería al diésel (fuelóleo n.° 2) en aplicaciones cerradas o semipermanentes, principalmente debido al olor sulfuroso asociado con los combustibles destilados con mayor contenido de azufre. Sin embargo, con la adopción obligatoria del diésel de ultrabajo contenido de azufre (ULSD, ≤15 ppm de azufre) en la mayor parte de Estados Unidos y muchas otras jurisdicciones, ^{[ 21 ]} las emisiones de óxido de azufre y el olor asociado ya no representan una preocupación operativa significativa en los mercados de combustibles que cumplen con la normativa.

En las aplicaciones contemporáneas, la consideración principal para la selección del grado de combustible es la operatividad a bajas temperaturas. El diésel n.° 2 es susceptible a la formación de cristales de cera cuando las temperaturas se acercan a su punto de enturbiamiento (típicamente de -7 a -12 °C para el n.° 2 estándar), ^{[ 22 ]} lo que puede restringir el flujo de combustible a través de los filtros y los orificios de las boquillas. En despliegues en climas fríos, se especifica el diésel de invierno —una mezcla con una proporción elevada de fueloil n.° 1— para reducir el punto de enturbiamiento y garantizar una atomización e ignición fiables a bajas temperaturas ambiente. ^[2] Algunos calentadores portátiles y de grado de construcción tienen clasificaciones del fabricante para ambos grados, con la proporción de mezcla recomendada que varía según la temperatura mínima de funcionamiento prevista.

La eficiencia de un calefactor infrarrojo se mide comparando la energía total consumida con la energía infrarroja generada. Si bien siempre se genera cierta cantidad de calor por convección durante el proceso, cualquier movimiento de aire a través del calefactor reduce su eficiencia de conversión infrarroja. Con reflectores nuevos e inalterados, los tubos radiantes tienen una eficiencia radiante descendente de aproximadamente el 60 %. (El 40 % restante corresponde a pérdidas radiantes y convectivas ascendentes no recuperables, así como a pérdidas por la chimenea).