Aquecimento elétrico - Electric heating

O aquecimento elétrico é um processo no qual a energia elétrica é convertida em energia térmica . As aplicações comuns incluem aquecimento de ambientes , cozimento , aquecimento de água e processos industriais. Um aquecedor elétrico é um dispositivo elétrico que converte uma corrente elétrica em calor. O elemento de aquecimento dentro de cada aquecedor elétrico é um resistor elétrico e funciona com base no princípio do aquecimento Joule : uma corrente elétrica passando por um resistor irá converter essa energia elétrica em energia térmica. A maioria dos dispositivos modernos de aquecimento elétrico usa fio de nicromo como elemento ativo; o elemento de aquecimento, representado à direita, utiliza fio de nicrômio apoiado em isoladores de cerâmica.

Alternativamente, uma bomba de calor usa um motor elétrico para acionar um ciclo de refrigeração , que extrai energia térmica de uma fonte como o solo ou o ar externo e direciona esse calor para o espaço a ser aquecido. Alguns sistemas podem ser revertidos para que o espaço interno seja resfriado e o ar quente seja descarregado para fora ou para o solo.

Aquecedor de ambiente

O aquecimento ambiente é usado para aquecer o interior dos edifícios. Aquecedores de ambiente são úteis em locais onde o manuseio do ar é difícil, como em laboratórios. Vários métodos de aquecimento elétrico de ambiente são usados.

Aquecedores infravermelhos radiantes

O aquecimento radiante infravermelho elétrico usa elementos de aquecimento que atingem uma temperatura elevada. O elemento é geralmente embalado dentro de um envelope de vidro semelhante a uma lâmpada e com um refletor para direcionar a saída de energia para longe do corpo do aquecedor. O elemento emite radiação infravermelha que viaja pelo ar ou espaço até atingir uma superfície absorvente, onde é parcialmente convertida em calor e parcialmente refletida. Este calor aquece diretamente as pessoas e objetos na sala, em vez de aquecer o ar. Este tipo de aquecedor é particularmente útil em áreas por onde flui o ar não aquecido. Eles também são ideais para caves e garagens onde o aquecimento local é desejado. De forma mais geral, eles são uma escolha excelente para aquecimento específico para tarefas.

Os aquecedores radiantes operam silenciosamente e apresentam o maior perigo potencial de ignição de móveis próximos devido à intensidade concentrada de sua saída e à falta de proteção contra superaquecimento. No Reino Unido, esses aparelhos às vezes são chamados de fogos elétricos, porque originalmente eram usados ​​para substituir fogos abertos.

O meio ativo do aquecedor representado nesta seção é uma bobina de fio de resistência de nicromo dentro de um tubo de sílica fundida , aberto para a atmosfera nas extremidades, embora existam modelos em que a sílica fundida é vedada nas extremidades e a liga de resistência não é nicrômica .

Aquecedores de convecção

Em um aquecedor de convecção, o elemento de aquecimento aquece o ar em contato com ele por condução térmica . O ar quente é menos denso que o ar frio, por isso sobe devido à flutuabilidade , permitindo que mais ar frio entre em seu lugar. Isso cria uma corrente de convecção de ar quente que sobe do aquecedor, aquece o ambiente ao redor, esfria e então repete o ciclo. Às vezes, esses aquecedores são preenchidos com óleo ou fluido térmico. São ideais para aquecer espaços fechados. Eles operam silenciosamente e têm um risco menor de risco de ignição se entrarem em contato acidental com a mobília em comparação com aquecedores elétricos radiantes.

Aquecedores de ventilador

Um aquecedor com ventilador, também chamado de aquecedor de convecção forçada, é um tipo de aquecedor de convecção que inclui um ventilador elétrico para acelerar o fluxo de ar. Eles operam com considerável ruído causado pelo ventilador. Eles apresentam um risco moderado de perigo de ignição se entrarem em contato involuntário com móveis. Sua vantagem é que eles são mais compactos do que os aquecedores que usam convecção natural e também são econômicos para sistemas de aquecimento portáteis e pequenos ambientes.

Aquecimento de armazenamento

Um sistema de aquecimento de armazenamento tira proveito de preços de eletricidade mais baratos, vendidos durante períodos de baixa demanda, como durante a noite. No Reino Unido, é denominado Economy 7. O aquecedor de armazenamento armazena o calor em tijolos de argila e o libera durante o dia, quando necessário. Os aquecedores de armazenamento mais recentes podem ser usados ​​com várias tarifas. Embora ainda possam ser usados ​​com a economia 7, eles podem ser usados ​​com tarifas diurnas. Isso se deve às características de design moderno que são adicionadas durante a fabricação. Juntamente com os novos designs, o uso de um termostato ou sensor melhorou a eficiência do aquecedor de armazenamento. Um termostato ou sensor é capaz de ler a temperatura da sala e alterar a saída do aquecedor de acordo.

A água também pode ser usada como meio de armazenamento de calor.

Piso radiante elétrico doméstico

Um sistema de aquecimento radiante eléctrico tem cabos de aquecimento embutidos no chão. A corrente flui através de um material de aquecimento condutivo , fornecido diretamente da tensão da linha (120 ou 240 volts) ou em baixa tensão de um transformador. Os cabos aquecidos aquecem o pavimento por condução direta e desligam-se assim que atinge a temperatura definida pelo termóstato do pavimento . Uma superfície de piso mais quente irradia calor para superfícies circundantes mais frias (teto, paredes, móveis.) Que absorvem o calor e refletem todo o calor não absorvido para outras superfícies ainda mais frias. O ciclo de radiação, absorção e reflexão começa lentamente e diminui lentamente, aproximando-se das temperaturas do ponto de ajuste e deixa de ocorrer quando o equilíbrio é alcançado em todas as direções. Um termostato de piso ou um termostato de ambiente ou combinação controla a ativação / desativação do piso. No processo de aquecimento radiante, uma fina camada de ar que está em contato com as superfícies aquecidas também absorve um pouco de calor e isso cria uma pequena convecção (circulação de ar). Ao contrário da crença, as pessoas não são aquecidas por esse ar circulante aquecido ou convecção (a convecção tem um efeito de resfriamento), mas são aquecidas pela radiação direta da fonte e pelo reflexo de seu ambiente. O conforto é alcançado com a temperatura do ar mais baixa devido à eliminação do ar circulante. O aquecimento radiante oferece os mais altos níveis de conforto, já que a própria energia das pessoas (± 70 Watt para um adulto) (deve irradiar na estação de aquecimento) está em equilíbrio com o ambiente. Em comparação com o sistema de aquecimento por convecção com base em pesquisas acadêmicas, as temperaturas do ar podem ser reduzidas em até 3 graus. Uma variação é usar tubos cheios de água quente circulante como fonte de calor para o aquecimento do piso. O princípio de aquecimento permanece o mesmo. Ambos os sistemas de aquecimento radiante elétrico e de água quente (hidrônico) de estilo antigo embutidos na construção do piso são lentos e não podem responder às mudanças climáticas externas ou exigências internas / estilo de vida. A última variante coloca sistemas especializados de aquecimento elétrico e cobertores diretamente sob a decoração do piso e sobre o isolamento adicional, todos colocados no topo dos pisos de construção. Pisos de construção permanecem frios. A mudança de princípio do posicionamento da fonte de calor permite que ela responda em minutos às mudanças climáticas e aos requisitos de demanda interna, como estilo de vida dentro / fora, no trabalho, descanso, sono, mais pessoas presentes / cozinhando, etc.

Sistema de luz

Em grandes torres de escritórios, o sistema de iluminação é integrado ao sistema de aquecimento e ventilação. O calor residual das lâmpadas fluorescentes é capturado no ar de retorno do sistema de aquecimento; em grandes edifícios, uma parte substancial da energia de aquecimento anual é fornecida pelo sistema de iluminação. No entanto, este calor residual torna-se um risco ao usar o ar condicionado. Essas despesas podem ser evitadas integrando um sistema de iluminação com eficiência energética que também cria uma fonte de calor elétrica.

Bombas de calor

Uma bomba de calor usa um compressor acionado eletricamente para operar um ciclo de refrigeração que extrai energia térmica do ar externo, do solo ou da água subterrânea, e move esse calor para o espaço a ser aquecido. Um líquido contido na seção do evaporador da bomba de calor ferve a baixa pressão, absorvendo a energia térmica do ar externo ou do solo. O vapor é então comprimido por um compressor e canalizado para uma serpentina de condensador dentro do prédio a ser aquecido. O calor do gás quente e denso é absorvido pelo ar no edifício (e às vezes também usado para água quente sanitária) fazendo com que o fluido de trabalho quente se condense novamente em um líquido. De lá, o fluido de alta pressão é passado de volta para a seção do evaporador, onde se expande por um orifício e para a seção do evaporador, completando o ciclo. Nos meses de verão, o ciclo pode ser revertido para mover o calor do espaço condicionado para o ar externo.

As bombas de calor podem obter calor de baixo grau do ar externo em climas amenos. Em áreas com temperaturas médias de inverno bem abaixo de zero, as bombas de calor de fonte subterrânea são mais eficientes do que bombas de calor de fonte de ar porque podem extrair o calor solar residual armazenado no solo em temperaturas mais quentes do que o ar frio. De acordo com a US EPA , as bombas de calor geotérmicas podem reduzir o consumo de energia em até 44% em comparação com as bombas de calor de fonte de ar e em até 72% em comparação com o aquecimento por resistência elétrica. O alto preço de compra de uma bomba de calor versus aquecedores de resistência pode ser compensado quando o ar condicionado também é necessário.

Aquecimento líquido

Aquecedor de imersão

Um aquecedor de imersão tem um elemento de aquecimento por resistência elétrica envolto em um tubo e colocado diretamente na água (ou outro fluido) a ser aquecido. Aquecedores de imersão portáteis não podem ter um termostato de controle, uma vez que se destinam a ser usados ​​apenas brevemente e sob o controle de um operador.

Para abastecimento de água quente sanitária ou água quente de processo industrial, podem ser usados elementos de aquecimento permanentemente instalados em um tanque de água quente isolado , controlado por um termostato para regular a temperatura. As unidades domésticas podem ter apenas alguns quilowatts. Aquecedores de água industriais podem chegar a 2.000 quilowatts. Onde as tarifas de energia elétrica fora do pico estiverem disponíveis, a água quente pode ser armazenada para uso quando necessário.

O chuveiro elétrico e os aquecedores sem tanque também usam um aquecedor de imersão (blindado ou não) que é ligado com o fluxo de água. Um grupo de aquecedores separados pode ser alternado para oferecer diferentes níveis de aquecimento. Chuveiros elétricos e aquecedores sem tanque geralmente usam de 3 a 10,5 quilowatts.

Os minerais presentes no abastecimento de água podem precipitar-se da solução e formar uma crosta dura na superfície do elemento de aquecimento ou podem cair para o fundo do tanque e obstruir o fluxo de água. A manutenção do equipamento de aquecimento de água pode exigir a remoção periódica de incrustações e sedimentos acumulados. Onde o abastecimento de água é conhecido por ser altamente mineralizado, a produção em escala pode ser reduzida usando elementos de aquecimento de baixa densidade watt.

Aquecedores de circulação

Os aquecedores de circulação ou "trocadores de calor elétricos diretos" (DEHE) usam elementos de aquecimento inseridos em um meio do "lado da concha" diretamente para fornecer o efeito de aquecimento. Todo o calor gerado pelo aquecedor elétrico de circulação é transferido para o meio, portanto, um aquecedor elétrico é 100 por cento eficiente. Trocadores de calor elétricos diretos ou "aquecedores de circulação" são usados ​​para aquecer líquidos e gases em processos industriais.

Aquecedor de eletrodo

Com um aquecedor de eletrodo, não há resistência do fio enrolado e o próprio líquido atua como a resistência. Isso tem riscos potenciais, portanto, os regulamentos que regem os aquecedores de eletrodo são rígidos.

Aspectos ambientais e de eficiência

A eficiência de qualquer sistema depende da definição dos limites do sistema. Para um cliente de energia elétrica, a eficiência do aquecimento elétrico de ambientes é de 100% porque toda a energia adquirida é convertida em calor. No entanto, se uma usina de energia fornecendo eletricidade for incluída, a eficiência geral cai drasticamente. Por exemplo, uma estação de energia de combustível fóssil fornece apenas 3-5 unidades de energia elétrica para cada 10 unidades de energia de combustível liberada. Mesmo que o aquecedor elétrico seja 100% eficiente, a quantidade de combustível necessária para produzir o calor é maior do que se o combustível fosse queimado em um forno ou caldeira no prédio sendo aquecido. Se o mesmo combustível pudesse ser usado para aquecimento de ambientes por um consumidor, seria mais eficiente em geral queimar o combustível no prédio do usuário final. Por outro lado, substituir o aquecimento elétrico por aquecedores a combustível fóssil não é necessário, pois elimina a possibilidade de aquecimento elétrico renovável, o que pode ser conseguido através do abastecimento de eletricidade de uma fonte renovável.

As variações entre os países que geram energia elétrica afetam as preocupações com a eficiência e o meio ambiente. Em 2015, a França gerou apenas 6% de sua eletricidade a partir de combustíveis fósseis, enquanto a Austrália obteve mais de 86% de sua eletricidade a partir de combustíveis fósseis. A limpeza e a eficiência da eletricidade dependem da fonte.

Na Suécia, o uso de aquecimento elétrico direto foi restrito desde a década de 1980 por esse motivo, e há planos para eliminá-lo totalmente - veja a eliminação do óleo na Suécia - enquanto a Dinamarca proibiu a instalação de aquecimento elétrico direto em novos edifícios por razões semelhantes. No caso de edifícios novos, podem ser utilizadas técnicas de construção de baixo consumo energético que podem praticamente eliminar a necessidade de aquecimento, como as construídas de acordo com a norma Passivhaus .

Em Quebec , entretanto, o aquecimento elétrico ainda é a forma mais popular de aquecimento doméstico. De acordo com uma pesquisa de 2003 da Statistics Canada , 68% das famílias na província usam eletricidade para aquecimento ambiente. Mais de 90% de toda a energia consumida em Quebec é gerada por barragens hidrelétricas , que têm baixas emissões de gases de efeito estufa em comparação com usinas de combustíveis fósseis . Taxas baixas e estáveis ​​são cobradas pela Hydro-Québec , a concessionária de propriedade da província.

Nos últimos anos, tem havido uma grande tendência para os países gerarem eletricidade de baixo carbono a partir de fontes renováveis, somando-se à energia nuclear e hidrelétrica, que são fontes de baixo carbono de longa data. Por exemplo, a pegada de carbono da eletricidade do Reino Unido por kWh em 2019 era menos da metade de 2010. No entanto, devido ao alto custo de capital, o custo da eletricidade não caiu e é normalmente 2 a 3 vezes o da queima de combustível. Conseqüentemente, o aquecimento elétrico direto pode agora dar uma pegada de carbono semelhante ao aquecimento a gás ou óleo, mas o custo permanece mais alto, embora tarifas mais baratas fora dos horários de pico possam reduzir esse efeito.

Para fornecer calor com mais eficiência, uma bomba de calor acionada eletricamente pode aumentar a temperatura interna extraindo energia do solo, do ar externo ou de fluxos de resíduos, como o ar de exaustão. Isso pode reduzir o consumo de eletricidade em até 35% daquele usado pelo aquecimento resistivo. Onde a fonte primária de energia elétrica é hidrelétrica, nuclear ou eólica, transferir eletricidade através da rede pode ser conveniente, uma vez que o recurso pode estar muito distante para aplicações de aquecimento direto (com a notável exceção da energia solar térmica ).

A eletrificação do calor do ambiente e do aquecimento da água é cada vez mais proposta como uma forma de descarbonizar o atual sistema de energia, principalmente com bombas de calor . No caso de eletrificação em grande escala, os impactos na rede elétrica devido ao aumento potencial no pico de demanda de eletricidade e a exposição a eventos climáticos extremos devem ser considerados.

Aspectos econômicos

A operação de aquecedores de resistência elétrica para aquecer uma área por longos períodos é cara em muitas regiões. No entanto, o uso diurno intermitente ou parcial pode ser mais econômico do que o aquecimento de todo o edifício devido ao controle zonal superior.

Por exemplo: Um refeitório em um escritório tem horário limitado de funcionamento. Durante os períodos de baixo uso, um nível de "monitor" de calor (50 ° F ou 10 ° C) é fornecido pelo sistema de aquecimento central. Os horários de pico de uso entre 11:00 e 14:00 são aquecidos para "níveis de conforto" (70 ° F ou 21 ° C). Economias significativas podem ser percebidas no consumo geral de energia, uma vez que as perdas de radiação infravermelha por radiação térmica não são tão grandes com um gradiente de temperatura menor entre este espaço e o ar externo não aquecido, bem como entre a geladeira e o refeitório (agora mais frio).

Economicamente, o calor elétrico pode ser comparado a outras fontes de aquecimento doméstico multiplicando o custo local por quilowatt-hora de eletricidade pelo número de quilowatts que o aquecedor usa. Por exemplo: aquecedor de 1.500 watts a 12 centavos por quilowatt-hora 1,5 × 12 = 18 centavos por hora. Ao comparar a queima de combustível, pode ser útil converter quilowatt-hora em BTUs : 1,5 kWh × 3412,142 = 5118 BTU.

Aquecimento elétrico industrial

O aquecimento elétrico é amplamente utilizado na indústria.

As vantagens dos métodos de aquecimento elétrico em relação a outras formas incluem o controle preciso da temperatura e a distribuição da energia térmica, a combustão não usada para desenvolver calor e a capacidade de atingir temperaturas não facilmente alcançáveis ​​com a combustão química. O calor elétrico pode ser aplicado com precisão no ponto preciso necessário em um processo, em alta concentração de energia por unidade de área ou volume. Dispositivos de aquecimento elétrico podem ser construídos em qualquer tamanho necessário e podem ser localizados em qualquer lugar dentro de uma planta. Os processos de aquecimento elétrico são geralmente limpos, silenciosos e não emitem muito calor de subproduto para o ambiente. O equipamento de aquecimento elétrico tem uma alta velocidade de resposta, emprestando-a a equipamentos de produção em massa de ciclo rápido.

As limitações e desvantagens do aquecimento elétrico na indústria incluem o custo mais alto da energia elétrica em comparação com o uso direto de combustível e o custo de capital tanto do aparelho de aquecimento elétrico em si quanto da infraestrutura necessária para fornecer grandes quantidades de energia elétrica até o ponto de uso . Isso pode ser um pouco compensado por ganhos de eficiência na planta (no local) ao usar menos energia em geral para atingir o mesmo resultado.

O projeto de um sistema de aquecimento industrial começa com a avaliação da temperatura necessária, a quantidade de calor necessária e os modos viáveis ​​de transferência de energia térmica. Além da condução, convecção e radiação, os métodos de aquecimento elétrico podem usar campos elétricos e magnéticos para aquecer o material.

Os métodos de aquecimento elétrico incluem aquecimento por resistência, aquecimento por arco elétrico, aquecimento por indução e aquecimento dielétrico. Em alguns processos (por exemplo, soldagem a arco ), a corrente elétrica é aplicada diretamente à peça de trabalho. Em outros processos, o calor é produzido dentro da peça por indução ou perdas dielétricas . Da mesma forma, o calor pode ser produzido e então transferido para a obra por condução, convecção ou radiação.

Os processos de aquecimento industrial podem ser amplamente categorizados como baixa temperatura (até cerca de 400 ° C ou 752 ° F), temperatura média (entre 400 e 1.150 ° C ou 752 e 2.102 ° F) e alta temperatura (além de 1.150 ° C ou 2.102 ° F). Os processos de baixa temperatura incluem cozimento e secagem, acabamento de cura , soldagem , moldagem e modelagem de plásticos. Os processos de média temperatura incluem a fusão de plásticos e alguns não-metais para fundição ou remodelagem, bem como recozimento, alívio de tensões e tratamento térmico de metais. Os processos de alta temperatura incluem fabricação de aço , brasagem , soldagem , fundição de metais, corte, fundição e a preparação de alguns produtos químicos.

Veja também

Referências