¿Qué es un elemento calefactor?
Foto: El elemento calefactor oculto en el interior de una placa de cocción cerámica. Se trata de un elemento continuo, que comienza en el punto azul y se curva en forma de laberinto hasta llegar al punto rojo. No tiene sentido que este elemento tenga otra forma o tamaño: tiene que concentrar el calor con precisión debajo de una sartén, y ésta es la forma más eficaz de conseguirlo.
Un elemento calefactor típico suele ser una bobina, una cinta (recta u ondulada) o una tira de alambre que emite calor de forma parecida al filamento de una lámpara. Cuando fluye una corriente eléctrica a través de él, se pone al rojo vivo y convierte la energía eléctrica que pasa por él en calor, que irradia en todas las direcciones.
Materiales
Los elementos calefactores suelen tener una base de níquel o de hierro.Los basados en el níquel suelen ser de nicromo, una aleación (una mezcla de metales y a veces de otros elementos químicos) que consta de aproximadamente un 80% de níquel y un 20% de cromo (existen otras composiciones de nicromo, pero la mezcla 80-20 es la más común). Hay varias buenas razones por las que el nicromo es el material más popular para los elementos calefactores: tiene un punto de fusión alto (alrededor de 1400°C o 2550°F), no se oxida (incluso a altas temperaturas), no se expande demasiado cuando se calienta, y tiene una resistencia razonable (ni demasiado baja, ni demasiado alta, y razonablemente constante) (sólo aumenta un 10 por ciento entre la temperatura ambiente y su temperatura máxima de funcionamiento).
En los calentadores de agua, el elemento de nicromo está cubierto por una funda exterior de acero inoxidable, cobre recubierto de estaño o INCOLOY® (una «superaleación» de hierro, níquel y cromo, que es resistente a la oxidación, duradera y funciona bien en zonas de aguas duras). La funda está aislada del elemento calefactor por óxido de magnesio, un material inusual que es un buen conductor del calor pero un mal conductor eléctrico, por lo que permite que el calor fluya desde el nicromo pero no la electricidad.
Tipos de elementos calefactores
Hay muchos tipos diferentes de elementos calefactores. A veces el nicromo se utiliza desnudo, tal como es; otras veces se incrusta en un material cerámico para hacerlo más robusto y duradero (la cerámica es excelente para soportar altas temperaturas y no le importa calentarse y enfriarse mucho). El tamaño y la forma de un elemento calefactor dependen en gran medida de las dimensiones del aparato en el que debe encajar y de la superficie en la que debe producir calor. Las tenacillas para rizar el pelo tienen elementos cortos y enrollados porque necesitan producir calor sobre un tubo fino alrededor del cual se puede enrollar el pelo. Los radiadores eléctricos tienen elementos largos en espiral porque necesitan producir calor en una zona amplia de la habitación. Las estufas eléctricas tienen elementos calefactores en espiral del tamaño adecuado para calentar ollas y sartenes (a menudo los elementos de las estufas están cubiertos por placas de metal, vidrio o cerámica para que sean más fáciles de limpiar).
Foto: Dos tipos de elementos calefactores. 1) Las cintas de nicromo brillantes dentro de una tostadora. 2) Se puede ver claramente el elemento eléctrico enrollado en el fondo de esta tetera. Nunca brilla al rojo vivo como los cables de la tostadora porque normalmente no se calienta lo suficiente. Sin embargo, si eres tan tonto como para encender el hervidor sin agua dentro (como hice yo una vez por accidente), descubrirás que es perfectamente posible que el elemento del hervidor se ponga al rojo vivo. Ese peligroso y desastroso episodio dañó permanentemente mi hervidor y podría haber incendiado mi cocina.
En algunos aparatos, los elementos calefactores son muy visibles: en una tostadora eléctrica, es fácil detectar las cintas de nicromo integradas en las paredes de la tostadora porque brillan al rojo vivo. Los radiadores eléctricos (como el de la foto superior) producen calor con barras rojas incandescentes (básicamente son elementos calefactores de alambre enrollados que emiten calor por radiación), mientras que los convectores eléctricos suelen tener elementos calefactores circulares y concéntricos colocados delante de ventiladores eléctricos (por lo que transportan el calor más rápidamente por convección). Algunos aparatos tienen elementos visibles que funcionan a temperaturas más bajas y no brillan; los hervidores eléctricos, que nunca necesitan funcionar por encima del punto de ebullición del agua (100 °C o 212 °F), son un buen ejemplo. Otros electrodomésticos tienen sus elementos calefactores completamente ocultos, normalmente por razones de seguridad. Las duchas eléctricas y las tenacillas para rizar el pelo tienen elementos ocultos para que (con suerte) no haya riesgo de electrocución.
Diseño de elementos calefactores
Foto: El primer paso en el diseño de un elemento calefactor es entender exactamente cómo se va a utilizar. Esta luneta trasera calefactada de una antigua caravana VW es esencialmente un elemento calefactor de tipo cinta adherido a un vidrio templado. Las consideraciones de diseño incluyen asegurarse de que el elemento no bloquea la vista del conductor, se adhiere permanentemente al cristal, no daña el cristal cuando se calienta, es lo suficientemente potente como para derretir la escarcha y la nieve con relativa rapidez, y puede alimentarse de la batería del vehículo (o del suministro eléctrico).
Todo esto hace que los elementos calefactores parezcan muy simples y directos, pero hay, de hecho, muchos factores diferentes que los ingenieros eléctricos tienen que considerar cuando los diseñan. En su excelente libro sobre el tema (véanse las referencias más abajo), Thor Hegbom enumera aproximadamente entre 20 y 30 factores diferentes que afectan al rendimiento de un elemento calefactor típico, incluyendo aspectos obvios como la tensión y la corriente, la longitud y el diámetro del elemento, el tipo de material y la temperatura de funcionamiento. También hay factores específicos que hay que tener en cuenta para cada tipo de elemento. Por ejemplo, en el caso de un elemento en espiral fabricado con alambre redondo, el diámetro del alambre y la forma de las espirales (diámetro, longitud, paso, estiramiento, etc.) son algunos de los factores que afectan de forma crítica al rendimiento. En el caso de un elemento de cinta, hay que tener en cuenta el grosor y la anchura de la cinta, la superficie y el peso.
Trabajo: ¿Dónde y cómo se va a utilizar un elemento calefactor? Eso es lo primero que hay que tener en cuenta cuando se piensa en el tipo de elemento que se necesita. Aquí hay cuatro ejemplos más cotidianos, con el elemento coloreado en rojo en cada imagen. En el sentido de las agujas del reloj, desde la parte superior izquierda: 1A) Un elemento simple en espiral; 1B) Dos espirales en una placa de estufa de cerámica (verde); 1C) Dos elementos en espiral en un calefactor básico con reflectores (azul) para «proyectar» su calor en la habitación; 1D) Elementos de cinta en un secador de pelo con un ventilador (amarillo) para soplar su calor hacia adelante. Ilustración de la patente estadounidense 5.641.421: Amorphous metallic alloy electrical heater systems by Vladimir Manov et al, courtesy of US Patent and Trademark Office.
Y eso es sólo una parte de la historia, porque un elemento calefactor no funciona de forma aislada: hay que tener en cuenta cómo encajará en un aparato más grande y cómo se comportará durante su uso (cuando se utilice, o se abuse de él, de diferentes maneras). Por ejemplo, ¿cómo se sostendrá el elemento dentro del aparato con los aislantes? ¿Cómo de grandes y gruesos tendrán que ser y afectará eso al tamaño del aparato que estás fabricando? (Por ejemplo, piensa en los diferentes tipos de elementos calefactores que necesitarías en un soldador, del tamaño de un bolígrafo, y en un gran calefactor convector). Si tienes un elemento «colgado» entre aislantes de apoyo, ¿qué le ocurrirá cuando se caliente más? ¿Se combará demasiado y eso causará problemas? ¿Necesitas más aislantes para evitarlo, o tienes que cambiar el material o las dimensiones del elemento? Si estás diseñando algo como un fuego eléctrico con varios elementos calefactores juntos, ¿qué ocurrirá cuando se utilicen individualmente y en combinación? Si se diseña un elemento calefactor al que se le insufla aire (en algo como un calefactor de convección o un secador de pelo), ¿se puede generar un flujo de aire suficiente para evitar que el elemento se sobrecaliente y acorte drásticamente su vida útil? Todos estos factores deben equilibrarse entre sí para conseguir un producto eficaz, económico, duradero y seguro.