Elementos de calentamiento halógenos para termoformado

Los elementos de calentamiento industriales halógenos han existido comercialmente desde 1993 en la industria de los plásticos. Su uso se ha centrado especialmente en los procesos de termoformación en donde, según la literatura técnica de proveedores de equipos, el calentamiento de las láminas plásticas ocurre siguiendo un patrón que es diferente al convencional.

Las lámparas halógenas de calentamiento generan energía radiante con una longitud de onda de 1 micrón, que entre el rango de energía radiante se considera corta. Los plásticos usados en termoformación absorben energía radiante eficientemente en la superficie en el rango de longitudes de onda de 3 a 10 micrones. Este rango corresponde al rango de energía de mediana y larga longitud de onda y es el tipo de calentamiento que ha existido tradicionalmente en la industria de termoformación. Por esta razón, el calentamiento de las láminas en este proceso se inicia en la superficie y luego se propaga hacia el interior de ellas.

En el caso de la energía radiante de longitud de onda corta, como las lámparas halógenas, el calentamiento no es eficiente en la superficie y por el contrario se inicia dentro de la lámina misma, extendiéndose desde adentro hacia fuera. Este tipo de calentamiento es ideal para láminas decoradas o impresas, en donde las tintas y pigmentos pueden deteriorarse si se exponen a temperaturas excesivamente elevadas.

Pero esta característica del calentamiento no es la única ventaja que hace a las lámparas halógenas atractivas. Ha llamado la atención la posibilidad de ahorrar energía hasta por un valor de 20% comparado con los costos que se presentan en los sistemas radiantes de longitud de onda mediana tradicionales de cuarzo o los de longitud de onda larga de cerámica. La razón para lograr estos ahorros es la capacidad que tienen las lámparas halógenas para utilizar eficientemente la energía eléctrica absorbida y convertirla en energía radiante. Según fabricantes de tales lámparas (como por ejemplo Phillips, Heraeus Noblelight, Toshiba, etc.), éstas convierten el 90% de la energía emitida en forma de radiación. Por esta razón, las lámparas halógenas requieren una menor potencia instalada para transmitir el mismo nivel de calor a una distancia dada.

Una propiedad única de las lámparas de halógenas es que éstas se comportan al igual que las fuentes de luz haciendo posible el uso de reflectores para controlar el enfoque y utilización de la energía radiante. La posibilidad de usar reflectores externos contribuye, dependiendo de su diseño, a lograr un patrón suavizado de calentamiento en la lámina plástica y a su vez, una distribución óptima de la temperatura.

Por otro lado, las operaciones de calentamiento de láminas plásticas usando lámparas halógenas pueden ocurrir a velocidades que son de 5 a 10 más altas que con los sistemas convencionales, de acuerdo con sus fabricantes. Esto se debe en primer término a que la habilidad para enfocar la radiación infrarroja permite incrementar la densidad de calentamiento, como se mencionó antes. En segundo término, las lámparas halógenas pueden operar a muy altas temperaturas dando como resultado un flujo de calor por unidad área y tiempo muy alto. En tercer término, el calentamiento en el centro del espesor de las láminas supera la barrera de la baja conductividad térmica de los plásticos. Estas tres condiciones presentes en los sistemas de calentamiento halógenos permiten la transferencia de energía de manera instantánea hacia el interior de las láminas.

El funcionamiento de las lámparas de halógeno es similar al de las lámparas incandescentes usadas normalmente en iluminación. Esto incluye la posibilidad de ser encendidas y apagadas de manera instantánea y, como ya se mencionó, de focalizar la radiación. Algunas diferencias son la carcasa de cuarzo que envuelve al filamento (en lugar de vidrio) y el tamaño más grande de un filamento de tungsteno que permite una vida útil más larga y una mayor área de emisión. El filamento de tungsteno tiene una respuesta rápida y resiste temperatura que excede los 2.700°C. El cuarzo deja pasar los rayos infrarrojos y aisla al filamento del medio exterior que puede enfriarlo o corroerlo. El espacio interior contiene un gas inerte y una pequeña cantidad de un gas halógeno, principalmente yodo o bromo. A diferencia de las lámparas incandescentes tradicionales de tungsteno, que se deterioran debido a la evaporación continua de este filamento, el vapor generado reacciona químicamente con el gas halógeno para formar una especie gaseosa con una fórmula genérica WX2, donde W representa al tungsteno y X al átomo de gas halógeno. Esta especie se condensa a 250°C. Como la temperatura de la lámpara es más alta, la especie tiene la oportunidad de entrar en contacto nuevamente con el filamento. A la temperatura del filamento, superior a 2.000°C, la especie se desintegra regenerando nuevamente el metal y el gas. Es decir, la reacción química es reversible. Esto permite una regeneración constante del filamento en un proceso que también recibe el nombre de ciclo halógeno. En estas condiciones la vida útil de la lámpara puede extenderse a más de 5.000 horas.