Technical Documents - Documentos Técnicos :

CALOR ELECTRÓNICO

Cuando tocamos el núcleo de un transformador y sentimos que está caliente y hacemos lo mismo en un capacitor que está en malas condiciones y comprobamos que se ha elevado su temperatura, estamos descubriendo una fuente de calor, un sistema de producir calentamiento de materiales por vía electrónica; en el primer caso tenemos el calor por vía inductiva y en el segundo por vía capacitiva. Entonces, como introducción, podemos decir que para calentar materiales metálicos usamos la inducción, colocando el metal dentro de una bobina; y para calentar materiales no metálicos, que son, aislantes, usamos un capacitor y el material lo colocamos como dieléctrico. Estas dos clases, de calor electrónico son las fundamentales, y lo dicho es muy poco como para que podamos comprender la teoría, pero nos dice ya que el principio es sencillo, que hay dos grandes grupos de aparatos de calor electrónico según el tipo de material a calentar, y que los equipos productores de calor serán bobinas o capacitores, uno para cada tipo antes mencionado.

CALOR INDUCTIVO

Desde que conocemos los transformadores, las inductancias, las impedancias de filtro y en general todo elemento que tenga núcleo de hierro, hemos oído que los mismos, son buenos o que trabajan descansados si sus respectivos núcleos no calientan y en cambio se les atribuye mala calidad o condiciones de trabajo sobrecargado cuando calientan en exceso. Más todavía, cuando se habla de transformadores, se afirma que el núcleo no puede ser macizo porque al inducirse en él corrientes parásitas, se calentaría en exceso.

Claro que si colocamos un material conductor dentro de una bobina recorrida por corriente alternada, el campo magnético que genera esa bobina será también alternado, es decir variable, y por ende se producirán en la pieza metálica corrientes inducidas que la recorrerán en todas direcciones. Como esa pieza tiene baja resistencia eléctrica, las corrientes alcanzarán intensidades grandes y se producirá una gran cantidad de calor. Si esa pieza debe ser el núcleo de un transformador o de una impedancia, para evitar ese calentamiento excesivo se recurre a formar el núcleo con pilas de chapas, con lo que cada una de ellas tiene mucha mayor resistencia eléctrica y la corriente inducida adquirirá valores menores.

Pero si lo que queremos es producir calor en forma intencional, no haremos la pila de chapas sino que dejaremos el núcleo macizo. También sabemos que si la frecuencia de la corriente alternada que recorre la bobina es mayor, las corrientes parásitas serán de mayor intensidad; luego, para producir calentamiento por este sistema, se usarán corrientes de alta frecuencia y no la corriente tomada de la línea de canalización.

Fig. A - Principio del calentamiento por inducción.

Y ya llegamos a la esencia del sistema de calentamiento por inducción o calor inductivo del que queremos hablar. En esencia el sistema está ilustrado en la figura A. Una bobina de gran diámetro, conectada a una fuente de tensión E de alta frecuencia,, generalmente unos 400 Kilociclos por segundo, dentro de la cual se coloca la pieza metálica a calentar. Véase que en este caso se aprovecha lo que en los transformadores se consideraba un defecto, es decir se utilizan las corrientes parásitas para producir calor y no se trata de reducir ese calor. Falta saber para qué queremos calentar la pieza que colocamos dentro de la bobina.

Bueno, una pieza de metal necesita ser calentada para templarla, si es un acero susceptible de tal operación, para soldarla a otra pieza, para fundirla. En el caso de querer fundir un metal, dentro de la bobina no se coloca directamente el metal sólido sino un crisol, que es un recipiente hecho con un material refractario, muy resistente al calor; dentro del crisol van los trozos sólidos del metal a fundir y el calor producido por inducción produce la fusión del metal. Es evidente que este sistema se usará, preferentemente con metales de baja temperatura de fusión, corno son los metales llamados blandos (plomo, estaño, etc.), pero existen los llamados hornos de inducción en los que se funden metales más duros.

Calentamiento superficial

Merece una mención aparte el caso del endurecimiento o templado superficial de piezas de acero, operación que suele llamarse cementación, Son piezas que deben presentar gran dureza exterior, pero conservar sus condiciones de elasticidad en su seno. Ordinariamente, esa operación se hacía cubriendo la pieza de acero con un material carbonoso y sometiendo al conjunto a una temperatura de rojo vivo durante un tiempo prolongado, a veces muchas horas. Si el proceso se realiza por calor inductivo, las cosas se simplifican notablemente, como veremos.

Fig. B - Los filetes de corriente se repelen entre sí .

Para comprender ese proceso, digamos antes algo sobre lo que se entiende por efecto pelicular; ocurre que si una corriente alternada recorre un conductor se forman algo así como un filete, o venas de conducción en la masa metálica del conductor, de tal forma que ese conductor pareciera formado por multitud de delgados cables prensados en un todo sólido. Pero, en realidad, son los mismos electrones los que forman, en su veloz carrera, hileras multifilares. Esas venas son, entonces, hilos de corriente alternada, y no nos preocuparían sino por el hecho de que al ser alternada, esta corriente crea campos magnéticos a su alrededor; tales campos son también alternados y se originan fenómenos electromagnéticos con fuerzas de repulsión entre cada filete de corriente (ver figura B), fuerzas que son las que hacen funcionar los motores eléctricos, sin ir más lejos. Claro que mientras la frecuencia de la corriente alternada es baja, ese fenómeno pasa inadvertido y no se manifiesta por ningún efecto particular.

Pero si aumentamos la frecuencia, digamos que llegamos a los millares de ciclos por segundo, esas fuerzas de repulsión entre filetes de corriente los empujan hacia afuera y comienza a producirse lo que se llama conducción superficial o efecto pelicular. Quiere decir que a medida que aumenta la frecuencia, la corriente tiende más y más a circular por las capas superficiales del conductor y menos por su interior o parte central, tal como lo quiere representar la figura C.

Fig. C - La repulsión empuja hacia la superfície externa del conductor a los filetes de corriente .

En la práctica, el efecto pelicular tiene una cierta profundidad o penetración, que es la medida desde la superficie externa del conductor hasta su punto interior, donde todavía hay filetes de corriente en cantidad o densidad apreciable; la figura D nos muestra ese concepto de penetración. Si representamos gráficamente las variaciones de la densidad de corriente en función de la penetración, tendríamos el gráfico de la figura E. Se ve que a cierta penetración la densidad de corriente adquiere valores muy bajos y puede considerarse que la circulación es despreciable; claro que este gráfico vale para una cierta frecuencia, pues si la aumentamos, la penetración será menor.

Fig. D - Se llama penetración a la distancia desde la supefície externa hasta el punto donde todavía se encuentran filetes de corriente .

Veamos ahora como podemos aplicar el efecto pelicular para cementar trozos de acero. La figura F nos muestra él esquema sintético de la operación. La pieza a cementar se coloca dentro de una bobina, la cual está recorrida por corrientes de alta frecuencia; ya hemos dicho que se usan cifras del orden de los 400 Kc/s. Esa bobina la hacemos con caño conductor, ya que por el mismo efecto pelicular que acabamos de mencionar, no tendría objeto de que fuera de cobre macizo: el caño de cobre permite un mejor enfriamiento de la bobina mediante una corriente de agua. Claro que no nos interesa producir calor en la bobina sino en la pieza. En la pieza de acero se produce el calentamiento por inducción, pero el efecto pelicular hace que ese calentamiento sea grande en una zona superficial y pequeño en el centro de la pieza, tal como lo quiere indicar la figura. En la práctica, la operación de cementación se hace a una penetración de más o menos un milímetro y dura solamente unos 5 a 10 segundos.

Fig. E- El efecto pelicular reduce la densidad de corriente en el interior de la pieza.

Fig. F - La acción térmica se produce en una zona superficial de poca profundidad .

Además de cementar aceros por este sistema, se realiza el recocido de bronces, latones y otros metales similares; ello se debe a que, cuando se los ha trabajado en frío, esos metales se vuelven tan quebradizos que no pueden ser sometidos a procesos mecánicos sin que se rompan. Entonces, se los somete a un recocido; por el método clásico, en horno, el recocido se hacía a una temperatura de 600° C durante dos horas. Por inducción se llega a 750° C en una operación que dura un minuto.

Soldadura por inducción

En las procesos de soldadura hay una importante distinción entre la que se denomina autógena y la no autógena. La segunda consiste en adosar dos piezas metálicas, colocando en la unión un fundente adecuado y el material soldante; el conjunto se calienta suficientemente para fundir el soldante, el que se cuela entre las dos piezas a soldar rellenando bien la unión de ellas. Es la llamada soldadura fuerte, con plata, cobre o con aleaciones de esos mismos metales.

Esa operación puede hacerse con el método de inducción, introduciendo las piezas a soldar con el fundente y el soldante en el interior de la bobina de calentamiento. Luego, se da corriente a la bobina y se produce la soldadura en forma más rápida y más uniforme que con los métodos clásicos. Idéntico sistema se usa para soldadura autógena y aún para secado de pinturas, esto último con temperaturas mucho menores, por supuesto; también se emplea el método inductivo para forjar cabezas de remaches.

CALOR DIELECTRICO

El segundo sistema de calor electrónico que habíamos mencionado arriba es el denominado calor por pérdida dieléctrica.

En primer lugar, este sistema es apto para materiales no metálicos, es decir para materiales que son malos conductores de la electricidad, como ser los plásticos, el caucho, las maderas, algunos productos químicos y los alimentos en general; corno se ve, el campo de posibilidades es sumamente amplio. Con el calor dieléctrico pueden soldarse materiales plásticos (todos hemos visto las carteras de tela plástica soldada, las bolsitas de polietileno, etc.), pueden precalentarse productos de caucho sintético, pueden someterse a un calentamiento suave ciertos alimentos (caso de la pasteurización), puede producirse la esterilización de material quirúrgico, puede encolarse la madera para formar terciadas de todo tipo, etc .

Fig. G - Principio de la producción de calor dieléctrico.

Fig. H - El material que actúa como dieléctrico no necesita tocar en ambas partes.

Veamos ahora el principio de acción de este tipo de calor. Recordemos que hablamos de los capacitores qué calentaban; en efecto, cuando tenemos un capacitor que calienta decimos que el dieléctrico del mismo está en malas condiciones y reemplazamos la unidad. En realidad todo capacitor tiene siempre una pequeña corriente de fuga a través del dieléctrico, pero esa corriente se mantiene en cifras bajas.

Si construirnos un capacitor y le colocamos como dieléctrico un material aislante pero no completamente apto para esa función, como lo muestra la figura G, y la tensión que le aplicarnos es de alta frecuencia, la corriente de fuga será mayor que la normal de un capacitor perfecto, y el material calentará, No es necesario que el material colocado entre las placas quede perfectamente en contacto con ellas, pues en la figura H se muestra un caso en que el material apoya en la placa inferior sin tocar la superior; sería el caso de usar una cinta transportadora de material que pasa entre las dos placas del gran capacitor deslizándose sobre la placa de abajo, sin que el material toque la placa superior.

El calor dieléctrico se produce entonces por un defecto de funcionamiento del capacitor que formamos con dos placas y con el material a calentar. Las ventaja evidentes son: primero, se puede controlar a voluntad la cantidad de calor que se aplica a la sustancia dieléctrica regulando la tensión que conectamos entre las placas, y segundo, el equipo generador es simple, de fácil manejo y admite cualquier tipo de electrodos de aplicación, Ejemplo típico de esto último es la máquina de soldar telas plásticas, que tiene una rueda conectada a uno de los polos y una placa metálica que sirve de mesa; haciendo pasar las dos telas juntas, la ruedita las va soldando, por lo que podría llamarse soldadura autógena plástica. Para otras aplicaciones, los electrodos de aplicación toman las formas que resulten más adecuadas.

Principio de funcionamiento del horno de microondas

El hecho que las ondas de radio transportan energía ya es del conocimiento de todos los que tienen contactos con transmisores de radio de cierta potencia. Y todos saben muy bien que un toque accidental en un circuito que trabaje con radiofrecuencia de gran intensidad puede no causar un choque, pero sí quemaduras, incluso graves.

El calentamiento provocado por las ondas de radio también fue observado por los operadores de grandes estaciones de Radar, como, por ejemplo, los norteamericanos en Groenlandia, que se calentaban ante las potentes antenas que irradiaban millones de watts de microondas en la dirección de donde podría venir un eventual ataque ruso.

Estudios hechos con seres vivos revelan que las ondas de determinadas longitudes pueden penetrar profundamente en los tejidos vivos y provocar un calentamiento, Este calentamiento es peligroso, pues puede destruir estos tejidos vivos, motivo por el cual la exposición de personas o animales a radiaciones de gran intensidad es muy peligrosa. Por otra parte, si se trata de tejidos muertos, el efecto de calentamiento provocado por las ondas de radio de longitud muy pequeña pueden hasta tener utilidad en el campo doméstico.

Aplicando una buena potencia de radiación de alta frecuencia en los alimentos, podemos cocinarlos con mucha facilidad y eficiencia.

Lo interesante de todo esto es que sólo podemos tener este tipo de aparato doméstico hoy, porque durante años los esfuerzos de guerra orientaron la investigación y el desarrollo hacia un dispositivo de uso exclusivamente militar capaz de producir microondas en gran cantidad. Este dispositivo es la válvula Magnetrón, el corazón de los sistemas de Radar.

Calentamiento por microondas

En un cuerpo cualquiera en estado neutro, normalmente la electricidad no se manifiesta porque sus moléculas, que son polarizadas, tienen una distribución que, en el todo, neutraliza las cargas (figura 1).

Fig. 1

Mientras tanto, tales moléculas polarizadas pueden fácilmente ser orientadas por la acción de campos eléctricos externos.

En la figura 2 mostramos lo que ocurre con las moléculas de un cuerpo cuando son sometidas a la acción de un fuerte campo eléctrico.

Fig. 2

Si invertimos la polaridad del campo eléctrico, la tendencia de las moléculas es modificar su posición de modo de orientarse conforme a la nueva acción del campo (figura 3).

Fig. 3

¿Qué ocurriría si el campo estuviera cambiando constantemente de polaridad, como en el caso de la aplicación de una señal de radiofrecuencia (RF), por ejemplo?

La respuesta es que las moléculas cambiarían de posición rápidamente, intentando acompañar las modificaciones del campo y, en consecuencia, habría producción de calor. El material se calentaría en función de la energía gastada en el proceso por la propia vibración de sus moléculas (figura 4).

Fig. 4

Note que si este material fuera un alimento, su cocción ocurriría de una manera bien diferente a la convencional. En el cocimiento común el alimento es calentado a partir de una fuente externa de calor. Este calor debe penetrar en el alimento, o propagarse por convección, si fuera un líquido. El resultado es que el calentamiento no ocurre de un modo uniforme.

Si tuviéramos un alimento sólido, la tendencia es que las partes externas se calienten antes que las internas. En el caso de una pieza grande de carne, por ejemplo, puede ocurrir que la parte externa esté perfectamente cocida (o quemada) mientras que la interna todavía no haya recibido suficiente calor (figura 5).

Fig. 5

En el cocimiento por radiofrecuencia, por la acción de un campo eléctrico fuerte, las moléculas del alimento vibran todas con la misma intensidad y al mismo tiempo, generando calor de modo uniforme. Esto significa que la temperatura sube hasta el valor necesario para el cocimiento en toda la extensión del cuerpo, al mismo tiempo (figura 6).

Fig. 6

Para que ocurra el proceso indicado, no se puede usar cualquier tipo de señal de radiofrecuencia. Para penetrar en los alimentos y producir calor, la frecuencia debe ser elevada en la faja de las microondas y a una potencia considerable.

Algunos hornos utilizan una frecuencia que corresponde a una longitud de onda de 12,24 cm. La potencia máxima de la señal generada es del orden de los 700 watts. Para producir una señal en esta frecuencia, que corresponde a la gama de las microondas, con la potencia indicada, son necesarios dispositivos especiales; el horno en sí debe ser dotado de todos los sistemas de seguridad para evitar que el usuario reciba directamente esta radiación.

Fig. 7 - Distribución de ondas en un horno de microondas

Comportamiento de las microondas.

Las microondas se comportan de modo bastante semejante a la luz, que también es una forma de radiación electromagnética.

Existen, pues, cuerpos que son transparentes, traslúcidos u opacos, en relación a las microondas como en el caso de la luz.

Los cuerpos transparentes a las microondas, como el papel, el vidrio, la loza, los plásticos, etc., son los que no afectan su propagación.

Si colocamos alimentos en recipientes de estos materiales, las ondas los atravesarán, llegando directamente a los alimentos, produciendo el efecto deseado (figura 8).

Fig. 8

Los cuerpos traslucidos son aquellos en que la radiación penetra pero se difunde en su interior, siendo absorbida. Un ejemplo de cuerpo traslúcido para la luz es el vidrio lechoso. Para las microondas serían los alimentos, que son cocidos.

Finalmente, tenemos los cuerpos opacos que reflejan esa radiación, no dejándola penetrar, como en el caso de los metales. Por lo tanto nunca debe utilizar vajilla de metal para cocinar en un horno de microondas, y si cualquier recipiente de los materiales citados a continuación :vidrio templado, porcelana para horno, cerámica para horno, cazuelas de barro cocido, plásticos, bolsas para freezer u horno, rollo de película plástica antiadherente, cartón o mimbre, moldes de papel, etc.

Para el caso de los alimentos es preciso además tener en cuenta el grado de profundidad de penetración de las microondas.

Lo que ocurre es que, a medida que las microondas penetran en el alimento, su energía es absorbida, habiendo por lo tanto una reducción de su intensidad .

Este grado de penetración depende tanto de la naturaleza del material, que absorbe las microondas, como de su frecuencia.

El valor numérico de este grado de penetración es expresado para el punto en que la intensidad de las microondas decaen hasta el 37 % del valor inicial.

Para los hornos de 2.450 MHz, el grado de penetración en la carne es de aproximadamente 2 a 3 cm, y para otras comidas, de 5 a 7 cm.

Esto significa que los trozos grandes de alimentos congelados o aves precisan por lo menos de 15 minutos de cocción para quedar a punto.