Un elemento calefactor convierte la energía eléctrica en calor mediante el proceso de calentamiento Joule . La corriente eléctrica a través del elemento encuentra resistencia , lo que provoca el calentamiento del elemento. A diferencia del efecto Peltier , este proceso es independiente de la dirección de la corriente.
Tipos de elementos calefactores
Metal
Alambre de resistencia: Los elementos calefactores de resistencia metálica pueden ser de alambre o cinta, rectos o enrollados. Se utilizan en dispositivos de calefacción comunes como tostadoras y secadores de pelo , hornos para calefacción industrial, calefacción de suelo, calefacción de techos, calefacción de vías para derretir nieve, secadoras, etc. Las clases de materiales más comunes que se utilizan incluyen:
- Nicromio : la mayoría de los elementos calefactores de alambre de resistencia generalmente usan alambre, cinta o tira de nicrom 80/20 (80% níquel , 20% cromo ). El nicromo 80/20 es un material ideal, porque tiene una resistencia relativamente alta y forma una capa adherente de óxido de cromo cuando se calienta por primera vez. El material debajo de esta capa no se oxidará, evitando que el cable se rompa o se queme.
- Alambres Kanthal (FeCrAl)
- Aleaciones de cuproníquel (CuNi) para calentamiento a baja temperatura
- Lámina grabada: los elementos de lámina grabada generalmente están hechos de las mismas aleaciones que los elementos de alambre de resistencia, pero se producen con un proceso de fotograbado sustractivo que comienza con una hoja continua de lámina metálica y termina con un patrón de resistencia complejo. Estos elementos se encuentran comúnmente en aplicaciones de calentamiento de precisión como diagnósticos médicos y aeroespaciales.
Cerámica y semiconductores
- El disilicida de molibdeno (MoSi 2 ), un compuesto intermetálico, un siliciuro de molibdeno, es una cerámica refractaria utilizada principalmente en elementos calefactores. Tiene densidad moderada, punto de fusión 2030 ° C (3686 ° F) y es eléctricamente conductor. A altas temperaturas, forma una capa de pasivación de dióxido de silicio, que lo protege de una mayor oxidación. El área de aplicación incluye la industria del vidrio , la sinterización de cerámica , los hornos de tratamiento térmico y los hornos de difusión de semiconductores .
- Carburo de silicio , ver carburo de silicio § elementos calefactores .
- Nitruro de silicio , ver nitruro de silicio en la industria automotriz . El encendedor de superficie caliente de nueva generación para hornos de gas y bujías incandescentes para motores diesel están hechos de material de nitruro de silicio. Dicho elemento calefactor o bujía incandescente alcanza una temperatura máxima de 1400 ° C y se enciende rápidamente con gas, diesel o queroseno. [1]
- Elementos cerámicos PTC: los materiales cerámicos PTC reciben su nombre por su coeficiente térmico positivo de resistencia (es decir, la resistencia aumenta con el calentamiento). 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 un umbral de temperatura dependiente de la composición, su resistencia aumenta rápidamente. Este comportamiento hace que el material actúe como su propio termostato , ya que la corriente pasa cuando está frío y no cuando está caliente. Las películas delgadas de este material se utilizan en los calentadores de descongelación de las ventanas traseras de los automóviles, y los elementos en forma de panal se utilizan en los secadores de pelo más costosos , los calentadores portátiles y la mayoría de las estufas de pellets modernas . Dicho elemento calefactor puede alcanzar una temperatura de 950-1000 ° C y es elogiado por su velocidad de temperatura y estabilidad. [2]
- Los calentadores infrarrojos halógenos de cuarzo también se utilizan para proporcionar calefacción radiante . [3] [4] [5]
Calentadores de película gruesa
Los calentadores de película gruesa son un tipo de calentador resistivo que se puede imprimir en un sustrato delgado. Los calentadores de película gruesa presentan varias ventajas sobre los elementos de resistencia con revestimiento metálico convencionales. En general, los elementos de película gruesa se caracterizan por su factor de forma de bajo perfil, uniformidad de temperatura mejorada, respuesta térmica rápida debido a una masa térmica baja, bajo consumo de energía, alta densidad de vatios y amplio rango de compatibilidad de voltaje. [6] Normalmente, los calentadores de película gruesa se imprimen en sustratos planos, así como en tubos con diferentes patrones de calentador. Estos calentadores pueden alcanzar densidades de vatios de hasta 100 W / cm 2 dependiendo de las condiciones de transferencia de calor. [7] Los patrones del calentador de película gruesa son altamente personalizables en función de la resistencia de la hoja de la pasta de resistencia impresa.
Estos calentadores se pueden imprimir en una variedad de sustratos que incluyen metal, cerámica, vidrio, polímero usando pastas de película gruesa cargadas de metal / aleación. [7] Los sustratos más comunes utilizados para imprimir calentadores de película gruesa son aluminio 6061-T6, acero inoxidable y láminas de mica moscovita o flogopita . Las aplicaciones y características operativas de estos calentadores varían ampliamente según los materiales de sustrato elegidos. Esto se atribuye principalmente a las características térmicas del sustrato del calentador.
Existen varias aplicaciones convencionales de los calentadores de película gruesa. Se pueden usar en planchas, planchas para gofres, calentadores eléctricos de estufa, humidificadores, teteras, dispositivos de sellado térmico, calentadores de agua, vapores de plancha y tela, alisadores de cabello, calderas, camas térmicas para impresoras 3D, cabezales de impresión térmica, pistolas de pegamento equipos de calefacción de laboratorio, secadoras de ropa, calentadores de zócalo, dispositivos de deshielo o desempañado, bandejas calentadoras, espejos laterales de automóviles, descongelación de frigoríficos, intercambiadores de calor, etc.
Para la mayoría de las aplicaciones, el rendimiento térmico y la distribución de la temperatura son los dos parámetros clave de diseño. Para evitar puntos calientes y mantener una distribución de temperatura uniforme en un sustrato, el diseño del circuito se puede optimizar cambiando la densidad de potencia localizada del circuito de resistencia. Un diseño de calentador optimizado ayuda a controlar la salida del calentador y modular las temperaturas locales en el sustrato del calentador. En los casos en que se requieran 2 o más zonas de calentamiento con diferente potencia de salida 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 caracterizar en gran medida en dos subcategorías: coeficiente de temperatura negativo (NTC) o coeficiente de temperatura positivo (PTC) basado en el efecto del aumento de temperatura en la resistencia del elemento. Los calentadores de tipo NTC se caracterizan por una disminución de la resistencia a medida que aumenta la temperatura del calentador y, por lo tanto, tienen una mayor potencia de salida a temperaturas más altas para un voltaje de entrada dado. Los calentadores PTC se comportan de manera opuesta con un aumento de la resistencia y una disminución de la potencia del calentador a temperaturas elevadas. Esta característica de los calentadores PTC los hace autorregulables también, ya que su potencia de salida se satura a una temperatura fija. Por otro lado, los calentadores de tipo NTC generalmente requieren un termostato o un termopar para controlar el descontrol del calentador. Estos calentadores se utilizan en aplicaciones que requieren un aumento rápido de la temperatura del calentador a un punto de ajuste predeterminado, ya que generalmente actúan más rápido que los calentadores de tipo PTC.
Elementos calefactores de polímero PTC
Los calentadores resistivos pueden estar hechos de materiales de caucho PTC conductores donde la resistividad aumenta exponencialmente al aumentar la temperatura. [8] Un calentador de este tipo producirá una gran potencia cuando hace frío y se calentará rápidamente a una temperatura constante. Debido al aumento exponencial de la resistividad, el calentador nunca puede calentarse a más de esta temperatura. Por encima de esta temperatura, el caucho actúa como aislante eléctrico. La temperatura se puede elegir durante la producción del caucho. Las temperaturas típicas están entre 0 y 80 ° C (32 y 176 ° F).
Es un calentador autorregulador puntual y un calentador autolimitante . Autorregulación significa que cada punto del calentador mantiene independientemente una temperatura constante sin la necesidad de regular la electrónica. Autolimitación significa que el calentador nunca puede exceder una cierta temperatura en ningún punto y no requiere protección contra sobrecalentamiento.
Líquido
Caldera de electrodos
Elementos calefactores compuestos
- Los elementos tubulares (revestidos) normalmente comprenden una bobina fina de alambre de aleación de calentamiento de resistencia al nicrom (NiCr), que se encuentra en un tubo metálico (de cobre o aleaciones de acero inoxidable como Incoloy ) y aislado con polvo de óxido de magnesio . Para mantener la humedad fuera del aislante higroscópico , los extremos están equipados con cordones de material aislante como cerámica o caucho de silicona, o una combinación de ambos. El tubo se extrae a través de una matriz para comprimir el polvo y maximizar la transmisión de calor. Estos pueden ser una barra recta (como en los hornos tostadores ) o doblados para abarcar un área a calentar (como en estufas eléctricas , hornos y cafeteras ).
- Las pistas de metal-cerámica serigrafiadas depositadas sobre placas de metal con aislamiento de cerámica (generalmente acero) han encontrado una aplicación generalizada como elementos en teteras y otros electrodomésticos desde mediados de la década de 1990.
- Elementos de calentamiento radiativo (lámparas de calor): una lámpara incandescente de alta potencia generalmente funciona a menos de la potencia máxima para irradiar principalmente luz infrarroja en lugar de luz visible. Por lo general, se encuentran en calentadores de espacio radiantes y calentadores de alimentos, y adoptan una forma larga y tubular o una forma de lámpara reflectora R40 . El estilo de la lámpara reflectora a menudo se tiñe de rojo para minimizar la luz visible producida; la forma tubular viene en diferentes formatos:
- Recubierto de oro: se hizo famosa por la lámpara patentada Phillips Helen. En el interior se deposita una película dicroica de oro que reduce la luz visible y permite el paso de la mayor parte de los infrarrojos de onda corta y media. Principalmente para calentar personas. Varios fabricantes fabrican ahora estas lámparas y mejoran constantemente.
- Recubierto de rubí: la misma función que las lámparas recubiertas de oro, pero a una fracción del costo. El resplandor visible es mucho más alto que la variante dorada.
- Transparente: sin recubrimiento y se utiliza principalmente en procesos de producción.
- Los elementos de núcleo cerámico extraíbles utilizan un alambre de aleación de calentamiento de resistencia en espiral roscado a través de uno o más segmentos cerámicos cilíndricos para hacer una longitud requerida (relacionada con la salida), con o sin una varilla central. Este tipo de elemento, insertado en una vaina o tubo de metal sellado en un extremo, permite su reemplazo o reparación sin interrumpir el proceso involucrado, generalmente el calentamiento del fluido a presión.
Sistemas de elementos calefactores combinados
- Los elementos calefactores para hornos de alta temperatura a menudo están hechos de materiales exóticos, como platino , disilicida de tungsteno / disilicida de molibdeno , molibdeno ( hornos de vacío ) y carburo de silicio . Los encendedores de carburo de silicio son comunes en los hornos de gas. También se están utilizando calentadores láser para alcanzar altas temperaturas. [9]
Ver también
- Manguera calentada
- Manta calentadora
- Coeficiente de temperatura positivo
- Efecto termoeléctrico
Referencias
- ^ "Encendedor de cerámica SiN - FKK Corporation" . plug.fkk-corporation.com . Consultado el 30 de noviembre de 2020 .
- ^ "Encendedores cerámicos para aplicaciones de pellets - FKK Corporation" . plug.fkk-corporation.com . Consultado el 30 de noviembre de 2020 .
- ^ "Calentadores de tubo de infrarrojos halógenos de cuarzo, tungsteno y cuarzo" .
- ^ "Calentadores halógenos: ventajas y desventajas | Tansun" . www.tansun.com .
- ^ "Calentadores halógenos de cuarzo, tungsteno y cuarzo" .
- ^ "Nuestra tecnología de película gruesa | Datec" . Datec Coating Corporation . Consultado el 11 de agosto de 2019 .
- ^ a b Películas impresas: ciencia de materiales y aplicaciones en sensores, electrónica y fotónica . Prudenziati, M. (Maria) ,, Hormadaly, Jacob. Cambridge, Reino Unido: Woodhead Publishing. 2012. ISBN 978-0857096210. OCLC 823040859 .CS1 maint: otros ( enlace )
- ^ Patente de EE. UU. 6,734,250
- ^ Rashidian Vaziri, MR; et al. "Nuevo calentador láser de CO2 de barrido de trama para aplicaciones de deposición láser pulsado: diseño y modelado para calentamiento de sustrato homogéneo" . Ingeniería óptica . 51 (4): 044301. doi : 10.1117 / 1.OE.51.4.044301 . Archivado desde el original el 10 de octubre de 2016.