Emisores infrarrojos de gas para naves industriales: dispositivo, principio de funcionamiento, variedades

Los dispositivos IR, que generan flujos térmicos y luminosos, se utilizan activamente en diversas áreas de la producción y la economía doméstica. Los más demandados son los emisores infrarrojos de gas para locales industriales. Su acción se basa en la capacidad de un cuerpo caliente de emitir al espacio el calor recibido.

Todo sobre los principios de funcionamiento del equipo infrarrojo lo aprenderá del artículo que le ofrecemos. Le contaremos sobre las variedades de equipos infrarrojos y sus diferencias características. Le presentaremos los modelos líderes en el mercado.

Esencia de la radiación infrarroja

La radiación infrarroja se diferencia de la luz visible común y habitual. Se asemejan en la velocidad con la que se propagan y atraviesan el espacio. Ambas variedades son capaces de refractarse, reflejarse y reunirse 'en un haz'.

A diferencia de la radiación luminosa ordinaria, que consiste en ondas electromagnéticas, el flujo IR posee propiedades tanto ondulatorias como cuánticas. Es decir, transmite tanto luz como calor.

Tanto la luz ordinaria como la radiación infrarroja representan flujos de ondas electromagnéticas. La diferencia es que en el primer caso predomina el componente visible, en el segundo – el componente visible se combina con el térmico.

La luz suministrada por los dispositivos infrarrojos se mueve en forma de onda. Las oscilaciones electromagnéticas de la luz se encuentran en el segmento del espectro de 760 nm (nanómetros) a 540 μm (micrómetros). El calor emitido por los emisores IR es un flujo de cuantos. Su energía ocupa un intervalo de 0,0125 a 1,25 eV (electronvoltios).

Los flujos térmico y lumínico emitidos por dispositivos infrarrojos están interrelacionados. Al aumentar la intensidad de la luz, se reduce el flujo cuántico de calor. Dependiendo de la temperatura, la radiación infrarroja puede ser percibida o no por nuestros ojos. La radiación térmica no se detecta visualmente.

Esta particularidad de la radiación infrarroja se utiliza en la industria para acelerar los procesos de polimerización y endurecimiento. La parte térmica de la radiación infrarroja permite determinar la presencia y ubicación de una persona o animal durante la noche, con poca luz o sin ella.

Los dispositivos de calefacción infrarrojos emiten luz combinada con energía térmica, la cual se utiliza para crear un microclima confortable en áreas de trabajo, talleres, naves industriales, granjas avícolas, invernaderos y muchos otros lugares.

La singularidad del funcionamiento de los dispositivos infrarrojos, que emiten luz junto con calor, sirvió de base para el desarrollo de dispositivos de visión nocturna. Se aplica en defectoscopia, sistemas de alarma oculta y equipos técnicos para fotografiar en horas de oscuridad.

Ambos componentes de la radiación infrarroja casi no se dispersan en el espacio tratado, sino que se enfocan en los objetos situados en su zona de acción. El calor penetra en el cuerpo del objeto calentado; la profundidad de penetración depende de las propiedades, la estructura y el material del objeto. La profundidad varía desde décimas de milímetro hasta varios milímetros.

Los calentadores infrarrojos se instalan en el suelo, se fijan a las paredes o se suspenden del techo. Estos dispositivos se caracterizan por una combustión sin llama, conservan el oxígeno en el entorno y no levantan columnas de polvo, a diferencia de los convectores.

Cuando se utilizan con fines industriales, la longitud de onda de los emisores infrarrojos se selecciona en función de las características técnicas del objeto o sustancia. Los rayos infrarrojos atraviesan libremente la masa de aire, por lo que el calentamiento se produce sin pérdidas apreciables. Esta circunstancia se considera, con razón, una ventaja importante en la producción.

Además de calentar e iluminar la zona tratada por el dispositivo, los emisores infrarrojos se utilizan para resolver las siguientes tareas:

Tipos de fuentes de radiación infrarroja

Los fuentes más simples de radiación IR incluyen las bien conocidas lámparas incandescentes que funcionan a baja tensión. En tales condiciones, emiten principalmente flujos infrarrojos. La proporción de ondas electromagnéticas de luz es insignificante, pero aún se determina ópticamente.

Actualmente, el consumidor particular, las empresas de construcción y las organizaciones de producción disponen de muchos tipos diferentes de emisores IR.

El ámbito de aplicación se determina por:

• la temperatura de trabajo;
• el valor máximo de la longitud de onda;
• la zona en la que el flujo infrarrojo se distribuye uniformemente.

Teniendo en cuenta las características mencionadas, se selecciona el dispositivo emisor destinado a resolver tareas específicas.

Las variedades más comunes de emisores IR incluyen:

• Lámparas con dispositivos reflectores de espejo. En la emisión máxima, su longitud de onda es de 1,05 µm.
• Lámparas tubulares de cuarzo. Su longitud de onda en la emisión máxima se encuentra en el rango de 2 a 3 µm.
• Calefactores de varilla no metálicos. Estructuralmente, se complementan con reflectores, la longitud de onda máxima es de 6 a 8 µm.
• Calefactores eléctricos tubulares. Dispositivos ampliamente utilizados en el hogar y en la producción, con elementos calefactores tubulares.
• Quemadores infrarrojos. Se equipan con boquillas perforadas de cerámica o metal. Se utilizan en la construcción para calentar áreas abiertas y cerradas durante la construcción de edificios y trabajos de acabado.

Las fuentes de rayos infrarrojos han encontrado aplicación en la agricultura. Con ellas se calientan las aves jóvenes y los animales domésticos recién nacidos. Los emisores se instalan en invernaderos para estimular el crecimiento de variedades cultivadas, en graneros y almacenes de grano para el secado.

Las fuentes de flujos infrarrojos se dividen en:

• Lámparas infrarrojas. Se trata de emisores «luminosos» y dispositivos que suministran radiación térmica.
• Calentadores. Dispositivos utilizados para calentar espacios cerrados y áreas abiertas. Entre ellos se incluyen modelos que funcionan con electricidad, combustible líquido o gaseoso. El elemento calefactor puede ser tanto un calentador eléctrico tubular (TEN) como una bobina de aleación de alta resistencia.

Según la clasificación por longitud de onda, las fuentes infrarrojas se dividen en dos grupos principales: oscuras y luminosas. Las primeras funcionan emitiendo ondas largas al espacio, las segundas ondas cortas.

Emisores IR oscuros y claros

Según la definición, las fuentes «luminosas» son capaces de emitir luz. Los flujos que irradian son percibidos por la vista, aunque es difícil llamarlos iluminación brillante y no se recomienda usarlos con ese fin.

Los dispositivos «oscuros» suministran un flujo de calor invisible para el ser humano, que se siente en la piel del usuario pero no se detecta visualmente. El valor límite entre «luminosos» y «oscuros» se considera una longitud de onda de 3 µm. La temperatura límite de la superficie calentada es de 700°.

La capacidad de los emisores infrarrojos de suministrar energía térmica se utiliza activamente en la horticultura de invernadero, en gallineros y granjas para el apoyo de crías.

El representante más conocido de la unidad de calefacción «oscura» es la estufa rusa de ladrillo, que durante muchos siglos ha calentado con éxito casas de poca altura. Entre los «luminosos», como ya entendemos, se encuentra la bombilla incandescente eléctrica, si suministra no más del 12% de luz. Su energía principal se dirige entonces a generar calor.

Características del dispositivo de los aparatos claros

Estructuralmente, las fuentes luminosas son similares a una lámpara incandescente típica. Sin embargo, existen diferencias en los filamentos. En los dispositivos infrarrojos luminosos, la temperatura no puede exceder el límite de 2270-2770 K. Esto es necesario para aumentar el flujo de calor reduciendo la emisión de luz.

Al igual que en las bombillas estándar, el filamento, hecho de alambre de tungsteno, se coloca en un bulbo de vidrio. Solo que el bulbo está equipado con un reflector, gracias al cual toda la energía radiante se enfoca en el objeto a calentar. Al mismo tiempo, una pequeña parte de la energía se gasta en calentar la base de la bombilla.

El bulbo de las fuentes infrarrojas luminosas se calienta a altas temperaturas, por lo que también participa en el proceso de transferencia de calor al espacio. La energía térmica del bulbo caliente no se enfoca mediante el reflector y sale al espacio no procesado, siendo este el componente que reduce la eficiencia del dispositivo.

Por su diseño y forma de conexión, las lámparas infrarrojas son muy similares a las bombillas incandescentes comunes. Sin embargo, la temperatura de trabajo del filamento es significativamente menor, por lo que su vida útil se multiplica.

El rendimiento de una fuente infrarroja clara no supera en promedio el 65%. Se aumenta colocando el elemento calefactor de tungsteno en un tubo de vidrio de cuarzo o en un bulbo similar. Esta solución permite aumentar la longitud de onda hasta 3,3 µm y reducir la temperatura hasta 600°.

Esta variante se utiliza en calentadores infrarrojos de cuarzo, en los cuales se enrolla un alambre de cromo-níquel alrededor de una varilla de cuarzo y todo esto se coloca dentro de un tubo de cuarzo.

Los emisores infrarrojos claros se caracterizan por su baja eficiencia. La eficiencia de su flujo infrarrojo normalmente no supera el 65%.

La esencia del funcionamiento consiste en el doble uso del calentamiento del alambre. La energía térmica generada se destina en parte a la calefacción directa y en parte a elevar la temperatura de la varilla de cuarzo. La varilla, calentada al rojo, también emite flujos de calor.

Entre las ventajas de los dispositivos tubulares se incluye, con razón, la resistencia de todos los componentes de cuarzo y cerámica a las condiciones atmosféricas adversas. Como desventaja se considera la fragilidad de las piezas cerámicas.

Especificidad del funcionamiento y construcción de los calentadores oscuros

Las llamadas fuentes «oscuras» de flujos IR son mucho más prácticas que sus hermanas «claras». Su elemento emisor difiere en su estructura de manera ventajosa. El conductor calentado no emite energía térmica por sí mismo; la proporciona la envoltura metálica circundante.

Como resultado, la temperatura de trabajo del dispositivo no supera los 400 – 600°. Para que la energía térmica no se desperdicie, los emisores oscuros se equipan con reflectores que redirigen los flujos en la dirección deseada.

Los emisores de onda larga del grupo oscuro no temen a los golpes ni a impactos mecánicos similares, ya que el frágil elemento polimérico o cerámico está protegido por una especie de carcasa metálica y una capa aislante térmica. La eficiencia de los emisores de este grupo alcanza el 90%.

Pero ellos tampoco están exentos de defectos. Los calentadores del grupo oscuro dependen de las características constructivas del aparato. Si la distancia entre el elemento emisor principal y la superficie del aparato es grande, entonces esta será bañada y enfriada por el aire que pasa. El rendimiento disminuye como resultado.

Debido a las características constructivas, los modelos oscuros se instalan para calentar habitaciones con techos bajos y áreas que requieren un suministro lineal de calor. Los claros se colocan donde se requiere tratar habitaciones con techo alto y áreas verticalmente alargadas.

Quemadores de gas como fuente de rayos IR

Los aparatos en los que se produce un procesamiento del gas sin llama se denominan quemadores de gas o emisores infrarrojos de gas. La energía térmica emitida con gran intensidad es transferida al espacio a través de la superficie emisora del conjunto.

Son precisamente los calentadores infrarrojos de gas tipo quemador los que se utilizan a escala industrial en la realización de trabajos de construcción y montaje. El volumen predominante de energía térmica es transmitido por las boquillas cerámicas emisoras de los quemadores.

Como boquillas se utilizan:

• placas cerámicas con perforación, que pueden ser planas o en relieve;
• placas cerámicas con poros uniformemente distribuidos;
• elementos cerámicos con pantalla de nicrom de malla, boquillas metálicas de malla y toda clase de boquillas catalíticas.

Todos los tipos de orificios mencionados en el elemento cerámico o metálico son canales de fuego.

La generación de calor por la boquilla catalítica se basa en el proceso de oxidación activado al suministrar gas a la placa.

El combustible para el funcionamiento de este tipo de emisores infrarrojos es el gas de red, así como su versión licuada o gases creados artificialmente. En Rusia se producen quemadores diseñados para procesar gas licuado y de red. El equipo extranjero está diseñado principalmente para procesar las versiones licuada y artificial.

Los quemadores de gas infrarrojo procesan el gas con un coeficiente de combustión de la masa de aire prácticamente igual a la unidad. Funcionan con gas natural, licuado y artificial.

Si no se infringen las normas de funcionamiento, los productos de combustión del quemador de gas se emiten en cantidades mínimas con un contenido insignificante de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono.

Para el suministro de gas, los quemadores de gas infrarrojo (GIG) están equipados con boquillas a través de las cuales el gas se inyecta a alta velocidad. Este suministro de gas asegura la inyección del aire necesario para la combustión. Éste es «empujado» por el flujo de alta velocidad a través del inyector hacia la cámara de distribución.

Sobre la boquilla emisora del dispositivo se coloca una estructura metálica. Esto aumenta la eficiencia y sirve como soporte para los utensilios si se cocina en los quemadores.

El gas no solo inyecta aire, sino que también se mezcla con él en el inyector, dando como resultado una mezcla gas-aire adecuada para la combustión completa. Esta mezcla se desplaza hacia la superficie de la boquilla cerámica a través de sus poros, orificios perforados o rendijas, donde se quema completamente en una capa fina de no más de 1,5 mm de espesor.

Quemadores con boquillas planas de cerámica

El volumen predominante de energía térmica se transfiere a las placas cerámicas, que se calientan a temperaturas ultra altas en menos de un minuto. La superficie exterior del elemento cerámico se convierte en una fuente adicional de flujo de calor.

La boquilla cerámica representa del 40 al 60% de la radiación emitida por el calentador IR de gas industrial. Con el fin de aumentar la eficiencia del dispositivo, se instala una pantalla de malla sobre la boquilla. Para aumentar la superficie de transferencia de calor, las placas perforadas se pegan con masilla refractaria.

Un indicador importante es el diámetro de los canales de fuego. De ello depende qué gas puede procesar el dispositivo. Del diámetro depende el número total de orificios en la placa cerámica. Cuantos más haya, más frágil será el elemento radiante y más sensible a los daños mecánicos será el GIG.

Calentadores con tipo de boquilla acanalada

Además de las boquillas cerámicas planas con perforación, se utilizan elementos en relieve. El uso de una superficie acanalada en este caso estimula el flujo de intercambio de calor entre la superficie emisora y el gas en combustión. La baldosa cerámica acanalada se calienta mejor, mientras que la carga térmica sobre el elemento emisor no aumenta.

Las boquillas cerámicas planas y acanaladas se calientan hasta 1473 K. En cambio, los elementos cerámicos porosos solo hasta 1237 K. La variante porosa es más sencilla de fabricar, por lo tanto, más barata. Además, en su producción se utilizan residuos de la industria cerámica.

El uso de boquillas cerámicas con un elemento emisor de calor en relieve permite aumentar significativamente el área que transfiere calor al usuario.

El grosor de las baldosas porosas alcanza los 30 mm, lo que aumenta notablemente la resistencia de la boquilla a impactos mecánicos. Durante el funcionamiento del quemador con dicha boquilla, la mezcla de gas y aire que sale de la cámara de distribución se quema en la superficie exterior de la baldosa cerámica en una capa de hasta 2 mm.

La zona de combustión en la boquilla porosa se desplaza desde la superficie exterior hasta una profundidad de 3-5 mm. Al mismo tiempo, la temperatura de calentamiento alcanza solo 1123 K.

La desventaja de las boquillas porosas para GIG es la resistencia hidráulica excesivamente alta, debido a la cual no es posible utilizar gas de red de baja presión en el funcionamiento.

Equipos con mallas metálicas

Sin embargo, todos los tipos de boquillas mencionados están hechos de cerámica, lo que significa que, a pesar del grosor y de todo tipo de trucos del fabricante para aumentar la resistencia, siguen siendo frágiles. La fragilidad es especialmente molesta si el dispositivo necesita moverse constantemente.

Por lo tanto, para calentar áreas durante trabajos de construcción o montaje, se desarrolló un tipo de quemador más resistente equipado con una doble malla metálica. En dicho dispositivo, la mezcla de gas y aire se procesa en el espacio entre la boquilla y las mallas. La superficie de la malla exterior se calienta solo hasta 1023 K.

El uso de la malla metálica ha permitido aumentar significativamente la potencia térmica del emisor IR, así como proteger la boquilla cerámica de daños.

En los GIG con boquillas de malla, estos elementos se fabrican con aleaciones resistentes al calor que contienen cromo y níquel. Las boquillas se hacen de manera que el tamaño de las celdas de la malla superior permita que la llama pase libremente, y el de la malla inferior sea mínimo, crítico para el retroceso de la llama. Aquí, los emisores de calor IR pueden ser ambas mallas o una sola.

Si el quemador infrarrojo procesa gas natural o una mezcla licuada de propano-butano de una bombona de gas, solo la malla superior participa en la distribución de la energía térmica. Si se procesa gas de baja carga, ambas mallas emiten calor. De esta manera se aumenta la transferencia de calor.

Sin embargo, el valor máximo del rendimiento de los quemadores infrarrojos de gas con rejillas no supera el 60%, porque la resistencia hidráulica de los emisores es el doble que la de las placas cerámicas perforadas de todas las variedades. Es cierto que es menor que la de los emisores porosos.

Dispositivos con mayor potencia térmica

La eficiencia bastante baja de los emisores infrarrojos de gas con placas cerámicas y rejillas llevó a buscar formas de aumentar la potencia térmica. Se logró un resultado mediante la introducción de un nuevo tipo de emisor, que es un panel cerámico con una serie de ranuras.

En sección transversal, las ranuras tienen una expansión repentina, sus orificios de entrada son más pequeños que los de salida. Esta solución aumenta la eficiencia del quemador mediante la recirculación de los productos de combustión, es decir, su retorno a la base de la llama dentro del conducto de fuego. Además, la llama en estos modelos es más estable y se apaga con mucha menos frecuencia en viento abierto.

Para aumentar la potencia térmica se utilizan diversas técnicas, una de las cuales es el desplazamiento de los orificios de las ranuras entre sí. Esta solución también contribuye a la protección contra el viento.

La sección libre de los paneles ranurados es en promedio del 55 al 60 % de su sección total real. Los quemadores equipados con ellos funcionan con gas de media presión. La superficie exterior del emisor se calienta hasta 1723 K.

Emisores con resistencia a la carga eólica

La estabilidad de funcionamiento bajo carga de viento es un indicador importante para elegir un quemador infrarrojo de gas utilizado en construcción o en el montaje de instalaciones industriales. No todos los emisores infrarrojos industriales que procesan gas poseen esta cualidad.

Para áreas abiertas se necesitan equipos especiales que:

• se caracterizan por una inyección estable, independiente de las ráfagas de viento;
• están equipados con un dispositivo que evita la desviación del chorro que sale de la boquilla;
• están protegidos contra el enfriamiento activo de la superficie de radiación causado por la acción del viento.

En la ficha técnica del equipo de gas capaz de calentar con viento racheado y no apagarse, se indica la resistencia al viento. Esta característica en los quemadores infrarrojos producidos en serie es aproximadamente igual tanto en impacto directo, es decir, frontal del viento, como en soplado lateral.

La reducción del coeficiente de inyección provoca la aparición de llamas en la superficie exterior del panel emisor. La temperatura disminuye bruscamente. La reduce el aire frío que penetra en la zona de combustión.

La resistencia al viento está físicamente interrelacionada con la carga térmica específica y el volumen de aire que llega a la boquilla durante la combustión. Con un exceso y alta velocidad del flujo de aire, la eficiencia del emisor infrarrojo se reduce. Esta reducción va acompañada de la aparición de lenguas de fuego, oscurecimiento de la superficie emisora y el cese del funcionamiento de la unidad en modo sin llama.

Revisión de fabricantes de calentadores IR

Los dispositivos de gas para crear un microclima favorable en obras de construcción, talleres, plantas de producción y sitios similares son fabricados tanto por empresas nacionales como extranjeras.

Según los consumidores, el ranking de productos de fabricación rusa lo encabezan los quemadores de gas de la marca Solyarogaz. En la gama presentada por esta empresa, hay modelos diseñados para calentar áreas de diferentes volúmenes. Las unidades se pueden usar en invernaderos, garajes y áreas abiertas.

Uno de los tipos de equipos de gas infrarrojos más demandados en el mercado nacional y probados en la práctica es la línea de quemadores y placas de gas de la empresa Solyarogaz.

La única desventaja que los compradores y propietarios reales de los modelos de quemadores y placas de gas del fabricante capitalino deben tener en cuenta es la ausencia de sensores de sistemas de seguridad. Por lo cual, pueden usarse en el hogar, pero tomando precauciones.

No se quedan atrás en popularidad los productos de la empresa Sledopyt. Sin embargo, en la línea comercial ofrecida al comprador, predominan los productos para uso doméstico y las variantes para turismo.

Gozan de una popularidad bien justificada las placas utilizadas tanto para calefacción como para preparar platos sencillos, y los mini quemadores de bombona.

Los calentadores de gas con el logotipo Aeroheat han recibido excelentes críticas de los consumidores. Este equipo atrae por su confiabilidad, fundamentada en el uso de componentes de alta calidad, y su precio accesible. Las placas y quemadores de gas de Dixon y Sibiryachka han dado buenos resultados.

La lista de calentadores de gas dignos de proveedores extranjeros está encabezada por los quemadores y placas de gas de la empresa surcoreana Kovea. Los productos de la marca se utilizan activamente en talleres pequeños, en áreas de trabajos de pintura y construcción, en excursiones y en la pesca.

Las placas y quemadores de gas de Hyundai no son inferiores en calidad y especificaciones técnicas a los aparatos de fabricantes europeos. Incluso los superan en algunos aspectos.

Para el equipamiento de talleres se suelen utilizar calentadores de gas de la empresa italiana Sistema. Los modelos de los surcoreanos Hyundai, las estufas de gas italianas Bartolini, que se pueden usar tanto en el hogar como en la oficina, tienen una gran demanda. Las estufas suecas Timberk y el equipo chino Ballu se caracterizan por su confiabilidad y funcionamiento estable.

Conclusiones y video útil sobre el tema

El autor del siguiente video explicará en detalle el principio de funcionamiento y las ventajas de los quemadores de gas infrarrojos:

Los detalles de la organización de la calefacción infrarroja se presentan en el siguiente video:

Las etapas de instalación de un aparato de calefacción de gas de tipo techo se demuestran aquí:

En la Federación Rusa se fabrican diferentes tipos de quemadores infrarrojos, entre los que se incluyen modelos resistentes al viento. La gama ofrecida por la empresa permite elegir un aparato para calentar áreas abiertas y cerradas.

Es importante antes de la compra decidir con qué propósito y en qué condiciones se utilizará el equipo, y luego elegir un modelo más potente o más resistente que no tema los desplazamientos frecuentes.