La calefacción eléctrica es un proceso en el que la energía eléctrica se convierte 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 eléctricapasar a través de una resistencia convertirá esa energía eléctrica en energía térmica. La mayoría de los dispositivos de calefacción eléctricos 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 utiliza un motor eléctrico para impulsar un ciclo de refrigeración , que extrae energía térmica de una fuente como el suelo o el aire exterior y dirige ese calor hacia el espacio a calentar. Algunos sistemas se pueden invertir para que el espacio interior se enfríe y el aire caliente se descargue al exterior o al suelo.
Calefacción de espacios [ editar ]
La calefacción de espacios se utiliza para calentar el interior de los edificios. Los calefactores portátiles son útiles en lugares donde la manipulación del aire es difícil, como en los laboratorios. Se utilizan varios métodos de calefacción eléctrica de espacios.
Calentadores radiantes infrarrojos [ editar ]
La calefacción radiante por infrarrojos eléctrica utiliza elementos calefactores que alcanzan una temperatura elevada. El elemento generalmente se empaqueta 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 golpea una superficie absorbente, donde se convierte parcialmente en calor y se refleja parcialmente. Este calor calienta directamente a las personas y los objetos en 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 calentar por puntos. De manera más general, son una excelente opción para el calentamiento de tareas específicas.
Los calentadores radiantes funcionan silenciosamente y presentan el mayor peligro potencial de ignición de los muebles cercanos debido a la intensidad concentrada de su salida y la falta de protección contra el sobrecalentamiento. En el Reino Unido, estos aparatos a veces se denominan fuegos eléctricos, porque originalmente se usaban para reemplazar los fuegos abiertos.
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 donde la sílice fundida está sellada en los extremos y la aleación de resistencia no es de nicromo. .
Calentadores de convección [ editar ]
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 , lo que permite que entre más aire frío para ocupar su lugar. Esto establece una corriente de convección de aire caliente que se eleva desde el calentador, calienta el espacio circundante, enfría y luego repite el ciclo. Estos calentadores a veces están llenos de aceite o fluido térmico. Son ideales para calentar un espacio cerrado. Operan silenciosamente y tienen un menor riesgo de riesgo de ignición si hacen contacto no intencional con muebles en comparación con los calentadores eléctricos radiantes.
Calentadores de ventilador [ editar ]
Un calentador de ventilador, 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 causado por el ventilador. Tienen un riesgo moderado de riesgo de ignición si entran en contacto involuntario con muebles. Su ventaja es que son más compactos que los calentadores que utilizan convección natural y también son rentables para sistemas portátiles y de calefacción de habitaciones pequeñas.
Calefacción de almacenamiento [ editar ]
Un sistema de calefacción de almacenamiento aprovecha los precios más baratos de la electricidad, que se vende durante períodos de baja demanda, como durante la noche. En el Reino Unido, se denomina Economy 7. El calentador de almacenamiento almacena calor en ladrillos de arcilla y luego lo libera durante el día cuando es necesario. Los calentadores de almacenamiento más nuevos se pueden usar con varias tarifas. Aunque todavía se pueden utilizar con la economía 7, se pueden utilizar con las tarifas diurnas. Esto se debe a las características de diseño moderno que se agregan durante la fabricación. Junto con los nuevos diseños, el uso de un termostato o sensor ha mejorado la eficiencia del calentador de almacenamiento. 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.
Calefacción por suelo radiante eléctrica doméstica [ editar ]
Un sistema de calefacción por suelo radiante eléctrico tiene cables calefactores incrustados en el suelo. La corriente fluye a través de un material de calentamiento conductor , suministrado directamente desde el voltaje de línea (120 o 240 voltios) o a bajo voltaje desde un transformador. Los cables calefactables calientan el suelo por conducción directa y se apagarán una vez que alcance la temperatura establecida por el termostato de suelo.. Una superficie de piso más cálida irradia calor a las 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 del punto de ajuste y deja de tener lugar una vez que se alcanza el equilibrio general. Un termostato de piso o un termostato de habitación o combinación controla el encendido / apagado del piso. En el proceso de calentamiento radiante, una fina capa de aire que está en contacto con las superficies calentadas también absorbe algo de calor y esto crea un poco de convección (circulación de aire). Contrariamente a la creencia, las personas no se calientan con este aire circulante o convección (la convección tiene un efecto de enfriamiento), sino que se calientan con la radiación directa de la fuente y el reflejo de sus alrededores.La comodidad se alcanza a una temperatura del aire más baja debido a la eliminación del aire circulante. La calefacción radiante experimenta los niveles más altos de comodidad, ya que la propia energía de las personas (± 70 vatios para un adulto) (debe irradiar en la temporada de calefacción) está en equilibrio con su entorno. En comparación con el sistema de calefacción por convección basado en investigaciones académicas, la temperatura del aire puede reducirse hasta en 3 grados. Una variación es el uso de tubos llenos de agua caliente circulante como fuente de calor para calentar el piso. El principio de calentamiento sigue siendo el mismo. Los sistemas de calefacción por suelo radiante eléctricos y de agua caliente (hidrónicos) de estilo antiguo integrados en la construcción del piso son lentos y no pueden responder a los cambios climáticos externos o la demanda interna / requisitos de 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 en la parte superior de los pisos de construcción. Los pisos de construcción permanecen fríos. El cambio de principio de la posición de la fuente de calor le permite responder en minutos a los cambios climáticos y los requisitos de la demanda interna, como el estilo de vida, estar dentro / fuera, en el trabajo, descansar, dormir, más gente presente / cocinando, etc.
Sistema de iluminación [ editar ]
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 grandes edificios, una parte sustancial de la energía térmica anual es suministrada por el sistema de iluminación. Sin embargo, este calor residual se convierte en un inconveniente cuando se utiliza aire acondicionado. Estos gastos se pueden evitar integrando un sistema de iluminación de bajo consumo energético que también crea una fuente de calor eléctrica. [2]
Bombas de calor [ editar ]
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 para ser calentado. Un líquido contenido dentro de la sección del evaporador de la bomba de calor hierve a baja presión, absorbiendo la energía térmica del aire exterior o del suelo. Luego, el vapor es comprimido por un compresor y conducido a un serpentín condensador dentro del edificio para ser calentado. El calor del gas denso caliente es absorbido por el aire del edificio (y en ocasiones también se utiliza para agua caliente sanitaria), lo que hace que el fluido de trabajo caliente se condense de nuevo en un líquido. Desde allí, el fluido a alta presión vuelve a la sección del evaporador, donde se expande a través de un orificio y entra en la sección del evaporador, completando el ciclo. En los meses de veranoel ciclo se puede invertir para sacar el calor del espacio acondicionado y llevarlo al aire exterior.
Las bombas de calor pueden obtener calor de bajo grado del aire exterior en climas templados. En áreas con temperaturas promedio de invierno 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 el disponible del aire frío. [3] Según la EPA de EE. UU. , Las bombas de calor geotérmicas pueden reducir el consumo de energía hasta en un 44% en comparación con las bombas de calor de fuente de aire y hasta en un 72% en comparación con el calentamiento 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 .
Calentamiento de líquidos [ editar ]
Calentador de inmersión [ editar ]
Un calentador de inmersión tiene un elemento calefactor de resistencia eléctrica encerrado en un tubo y colocado directamente en el agua (u otro fluido) a calentar. Es posible que los calentadores de inmersión portátiles no tengan un termostato de control, ya que están diseñados para usarse solo 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 de forma permanente en un tanque de agua caliente aislado , controlados por un termostato para regular la temperatura. Las unidades domésticas pueden tener solo unos pocos kilovatios. Los calentadores de agua industriales pueden alcanzar los 2000 kilovatios. Cuando se dispone de tarifas de energía eléctrica fuera de las horas pico, se puede almacenar agua caliente para usarla cuando sea necesario.
Los calentadores eléctricos de ducha y sin tanque también usan 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 calentamiento. 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 remoción periódica de incrustaciones y sedimentos acumulados. Donde se sabe que los suministros de agua están altamente mineralizados, la producción de incrustaciones se puede reducir mediante el uso de elementos calefactores de baja densidad de vatios. [5]
Calentadores de circulación [ editar ]
Los calentadores de circulación o "intercambiadores de calor eléctricos directos" (DEHE) utilizan elementos calefactores insertados en un medio del "lado de la carcasa" directamente 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]
Calentador de electrodos [ editar ]
Con un calentador de electrodo, no hay resistencia de alambre enrollado y el propio líquido actúa como resistencia. Esto tiene peligros potenciales, por lo que las regulaciones que rigen los calentadores de electrodos son estrictas.
Aspectos ambientales y de eficiencia [ editar ]
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 de espacios es del 100% porque toda la energía comprada se convierte en calor. Sin embargo, si se incluye una planta de energía que suministra electricidad, la eficiencia general cae drásticamente. Por ejemplo, una central eléctrica de combustibles fósiles solo puede entregar 3 unidades de energía eléctrica por cada 10 unidades de energía de combustible liberada. 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 calienta. Si un consumidor pudiera usar el mismo combustible para la calefacción de espacios, sería más eficiente en general quemar el combustible en el edificio del usuario final. Por otro lado, reemplazar la calefacción eléctrica con calentadores de 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 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. [8] La limpieza y la eficiencia de la electricidad dependen de la fuente.
En Suecia, el uso de calefacción eléctrica directa se ha restringido desde la década de 1980 por este motivo, y hay planes para eliminarlo por completo (ver Eliminación de petróleo en Suecia) , mientras que Dinamarca ha prohibido la instalación de calefacción eléctrica directa de espacios en edificios nuevos. por razones similares. [9] 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 . [10]
Para proporcionar calor de manera más eficiente, una bomba de calor accionada eléctricamente puede elevar la temperatura interior extrayendo energía del suelo, el aire exterior o corrientes de desechos como el aire de escape. Esto puede reducir el consumo de electricidad a tan solo un 35% del utilizado por la calefacción resistiva. [11] 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 del espacio y el calentamiento del agua se propone cada vez más como una forma de descarbonizar el sistema energético actual, particularmente con bombas de calor . En caso de electrificación a gran escala, se deben considerar los impactos en la red eléctrica debido al aumento potencial en la demanda máxima de electricidad y la exposición a eventos climáticos extremos . [12]
Aspectos económicos [ editar ]
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El funcionamiento de calentadores de resistencia eléctrica para calentar un área durante períodos prolongados 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 al control zonal superior.
Por ejemplo: un comedor en un entorno de oficina tiene un horario limitado de funcionamiento. 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 más pequeño entre este espacio y el aire exterior sin calefacción, 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 usa el calentador. Por ejemplo: calentador de 1500 vatios a 12 centavos por kilovatio hora 1.5 × 12 = 18 centavos por hora. [13] Cuando se compara con la quema de combustible, puede ser útil convertir kilovatios hora a BTU : 1,5 kWh × 3412,142 = 5118 BTU.
Calefacción eléctrica industrial [ editar ]
La calefacción eléctrica se utiliza ampliamente en la industria. [14]
Las ventajas de los métodos de calentamiento eléctrico sobre otras formas incluyen el control de precisión de la temperatura y la distribución de la energía térmica, la combustión que no se usa 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, a una alta concentración de potencia por unidad de área o volumen. Los dispositivos de calefacción eléctrica se pueden construir en cualquier tamaño requerido y se pueden ubicar en cualquier lugar dentro de una planta. Los procesos de calentamiento eléctrico 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 presta a los 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 aparato de calefacción eléctrica como de la infraestructura requerida para entregar grandes cantidades de energía eléctrica al punto de uso. . Esto puede compensarse de alguna manera con las ganancias de eficiencia en la planta (en el sitio) al usar 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, convección y radiación, los métodos de calentamiento eléctrico pueden utilizar campos eléctricos y magnéticos para calentar el material.
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 ), la corriente eléctrica se aplica 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, el calor se puede producir y luego transferir 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), temperatura media (entre 400 y 1150 ° C o 752 y 2102 ° F) y alta temperatura (más allá de los 1150 ° C). o 2102 ° F). Los procesos de baja temperatura incluyen horneado y secado, curado de acabados , soldadura , moldeado y moldeado de plásticos. Los procesos de temperatura media incluyen la fusión de plásticos y algunos no metales para fundir o remodelar, así como recocer, aliviar la tensión y tratar los metales con calor. Procesos de alta temperatura incluyen la fabricación de acero , soldadura fuerte , soldadura , fundición de metales, de corte, de fundición y la preparación de algunos productos químicos.
Ver también [ editar ]
- Unidad de potencia auxiliar
- Calefacción central
- Diatermia
- Calentamiento dieléctrico
- Soldadura por electroescoria
- Refusión de electroescoria
- Conservación de energía
- Potencia de cabecera
- Calentador (tipos de calentadores)
- Calefacción, ventilación y aire acondicionado
- Energía eléctrica del hotel
- Calentador de infrarrojos
- Horno microondas
- Energía renovable
- Eficiencia térmica
- Circulador de inmersión térmica
- Calefacción por suelo radiante
Referencias [ editar ]
- ^ "Calentador eléctrico" . Britannica.com . Los editores de Encyclopædia Britannica.
- ^ "Iluminación de bajo consumo | Guía de diseño de edificios completos de WBDG" . www.wbdg.org . Consultado el 18 de diciembre de 2017 .
- ^ "Comparación de la eficiencia de bombas de calor de fuente de aire y bombas de calor de fuente terrestre" . Icax.co.uk . Consultado el 20 de diciembre de 2013 .
- ^ "Elección e instalación de bombas de calor geotérmicas - Departamento de energía" . Energy.gov . Consultado el 16 de abril de 2017 .
- ^ "Calentadores de inmersión - Sigma Thermal" . Sigma Thermal . Consultado el 18 de diciembre de 2017 .
- ^ "Noticias de Gastech" . 12 de agosto de 2012. Archivado desde el original el 22 de febrero de 2017.
- ^ "Calefacción por resistencia eléctrica - Departamento de energía" . Energy.gov . Consultado el 16 de abril de 2017 .
- ^ Hannah Ritchie y Max Roser (2020) - "Combustibles fósiles". Publicado en línea en OurWorldInData.org. Obtenido de: ' https://ourworldindata.org/fossil-fuels' ; recuperado 2020-05-23
- ^ The Green Electricity Illusion , AECB , publicado el 11 de noviembre de 2005, consultado el 26 de mayo de 2007
- ^ Snider, Bradley. Calefacción del hogar y medio ambiente , en Canadian Social Trends , primavera de 2006, págs. 15-19. Ottawa: Estadísticas de Canadá.
- ^ "Bombas de calor de fuente terrestre (sistemas de energía terrestre)" . NRCan.gc.ca . Consultado el 16 de abril de 2017 .
- ^ Eggimann, Sven; Usher, Will; Eyre, Nick; Hall, Jim W. (2020). "Cómo el clima afecta la variabilidad de la demanda de energía en la transición hacia la calefacción sostenible" (PDF) . Energía . 195 (C): 116947. doi : 10.1016 / j.energy.2020.116947 .
- ^ "Cómo calcular el costo de energía eléctrica de artículos domésticos comunes - Construcción y reparación de McGill, LLC" . Reparación y Construcción de McGill, LLC . 19 de enero de 2014 . Consultado el 18 de diciembre de 2017 .
- ^ Donald G. Fink y H. Wayne Beaty, Manual estándar para ingenieros eléctricos, undécima edición , McGraw-Hill, Nueva York, 1978, ISBN 0-07-020974-X , páginas 21-144 a 21-188
