Libro blanco: Calefacción de aire a prueba de fallos

Desarrollo de un calentador de aire PTC con baja caída de presión para una calefacción de aire a prueba de fallos en sistemas de climatización y ventilación.

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Calentador de aire PTC en conducto de aire

El creciente uso de la energía eléctrica en aplicaciones de calefacción por conductos de aire plantea nuevos retos a los fabricantes de sistemas de calefacción eléctricos, ya que muchos clientes solicitan, por ejemplo, diseños que ahorren espacio y soluciones con baja pérdida de presión para sus sistemas. En la actualidad, los sistemas de calefacción de tipo resistivo son de uso común. Ahora, la tecnología de calefacción PTC (coeficiente de temperatura positivo) ofrece una alternativa nueva y segura que combina alta eficiencia con baja pérdida de presión.

Las áreas de aplicación típicas de los calentadores eléctricos de aire de última generación son los sistemas de ventilación de nueva generación para viviendas unifamiliares y multifamiliares. Además de ser seguros y silenciosos, las bajas pérdidas de presión y una distribución homogénea del calor son requisitos importantes que deben cumplirse al instalar estas unidades en conductos de aire y sistemas de ventilación. Una comparación de los sistemas de calefacción más utilizados (calentadores tubulares convencionales, calentadores de aire con resistencias con aletas PTC y calentadores de bobina abierta) muestra que cada sistema tiene sus ventajas específicas:

Los calentadores tubulares tienen la ventaja de presentar bajas pérdidas de presión y bajos niveles de ruido. Sin embargo, necesitan una protección adecuada para evitar riesgos de incendio en caso de avería. Dependiendo de las circunstancias, puede resultar difícil obtener una distribución homogénea del calor.
Los calentadores de aire PTC convencionales garantizan una distribución homogénea del calor y una alta seguridad de funcionamiento gracias al efecto PTC. Sin embargo, si se utilizan en aplicaciones de ventilación y en grandes sistemas con conductos de distribución prolongados, se necesita un bypass para compensar la mayor pérdida de presión a través del calentador de aire. Esto, a su vez, conduce a una distribución menos homogénea del calor, lo que hace que este tipo de calentadores no sean adecuados para determinadas aplicaciones.
La tecnología de bobina abierta tiene la ventaja de ofrecer bajas pérdidas de presión y una distribución uniforme del calor. Sin embargo, también presenta varias desventajas: la necesidad de protección eléctrica mediante controles adicionales, el ajuste necesario a las estructuras circundantes y las distancias de seguridad adecuadas para evitar el sobrecalentamiento en caso de avería. Cualquiera de las soluciones de calefacción por aire descritas anteriormente puede ser la más adecuada para satisfacer las necesidades de una aplicación específica.

DBK David & Baader GmbH, empresa experta en sistemas de calefacción eléctrica con sede en Ruelzheim, en la región sur del Palatinado (Alemania), ha desarrollado una solución innovadora para satisfacer las exigentes necesidades del sector de la climatización y la ventilación: una nueva generación de calentadores de aire con una reducción de hasta el 50 % en la pérdida de presión.

Calentadores de aire PTC con baja caída de presión HRKK delta — Calentadores de aire PTC con baja caída de presión

HRKK Delta

Más información

Los mayores retos en el desarrollo de estos sistemas son la estabilidad mecánica a largo plazo y el comportamiento PTC. El efecto PTC ya mencionado evita que se supere un valor de temperatura máxima preestablecido, por ejemplo, 200 °C. Esto puede desempeñar un papel fundamental si la homologación técnica de los sistemas de ventilación depende del cumplimiento de estrictos requisitos de seguridad, como es el caso de las aplicaciones ferroviarias. El efecto PTC se genera mediante una transformación de fase hexagonal del material base dopado, titanato de bario, superpuesta por un efecto de interfaz, equivalente a una barrera de potencial, que puede preestablecerse entre 120 y 240 °C. La figura 2 muestra una curva PTC ejemplar con una temperatura superficial máxima de 200 °C.

En la fase de desarrollo de los nuevos calentadores de aire, hubo que examinar diversos fenómenos y encontrar nuevas soluciones a los problemas. Entre los obstáculos técnicos que hubo que superar se encontraban, por ejemplo, una tercera onda armónica elevada y variaciones en la curva PTC bajo cargas específicas. Sin embargo, al final, el diseño mecánico del elemento calefactor desempeña un papel decisivo en la construcción de la unidad y en la consecución de una estabilidad a largo plazo para los calentadores de aire. Mediante cálculos mecánicos y diversas pruebas a corto y largo plazo, DBK ha logrado ofrecer al usuario una solución técnica óptima. El concepto innovador de este producto reside en el diseño específico y las técnicas de procesamiento especiales, en particular el proceso de encolado patentado, que hasta ahora se utiliza de forma exclusiva en Europa para este tipo de aplicación.

«Un paso crucial en el desarrollo de los calentadores de aire con aletas es la prueba del conducto de aire».

Prueba de laboratorio | Instalación de conductos de aire

Valores de rendimiento y velocidad del aire

Con la ayuda de pruebas en conductos de aire, se pueden determinar los valores exactos de rendimiento y pérdida de presión para cualquier aplicación en el campo. El conducto de aire tiene un diámetro de 30 cm y se puede regular la temperatura según sea necesario. Antes de comenzar cualquier medición, se determina la pérdida de presión en el conducto de aire, incluida la paleta, a una temperatura ambiente de 20 °C, y se deduce en las pruebas posteriores. El elemento calefactor utilizado es un módulo estándar de 10 cm x 10 cm equipado con PTC de temperatura máxima de 240 °C. La potencia calorífica en esta configuración es de aproximadamente 950 vatios con un volumen de aire de 200 m³/h. Aquí se hace evidente la ventaja obvia del elemento calefactor: gracias al efecto autorregulador de los PTC, se puede obtener una mayor potencia calorífica con volúmenes de aire más altos. Por ejemplo, si se aumenta el volumen de aire en la configuración dada en 100 m³/h, la potencia aumentará aproximadamente un 20 %. Este efecto puede reforzarse aún más reduciendo la temperatura del aire que se va a calentar. A 300 m³/h y una temperatura del aire de -20 °C, la potencia calorífica aumenta otro 20 %, alcanzando así una potencia de aproximadamente 1380 vatios sin necesidad de controles adicionales. La figura 4 muestra los valores de potencia medidos para diferentes volúmenes de aire.