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Pantallas para acuarios. Factores que determinan su rendimiento.
Introducción. La eficiencia de una luminaria o pantalla para el acuario, ya sea con tubos fluorescentes T5 o T8 o HQI, va a depender de varios factores: 1- Eficiencia de las lámparas empleadas 2- Eficiencia de las reactancias 3- Geometría de los reflectores de la luminaria, empleados para redireccionar al acuario el máximo de luz 4- Reflectancia del material empleado para la fabricación de los reflectores 5- Uso de filtros ultravioleta o antisalpicadura. Los dos primeros factores resultan obvios para cualquier aficionado. Todos sabemos que hay lámparas más eficientes que otras y que el uso de reactancias electrónicas, en lugar de magnéticas, proporciona mayor luminosidad, mayor duración de las lámparas y menor consumo energético. En este artículo nos vamos a detener en los reflectores (materiales y geometría) empleados en las luminarias, así como en los filtros ultravioleta usados en luminarias para HQI y las cubiertas transparentes para evitar salpicaduras. Este artículo está especialmente dirigido a los manitas del bricolaje, capaces de construirse una pantalla para el acuario, así como para todo aficionado que quiera aumentar el rendimiento de su pantalla. Se pretende dar una guía sobre qué materiales utilizar para optimizar el rendimiento de la pantalla.
Radiaciones electromagnéticas. Ultravioleta, visible y radiación infrarroja. La radiación que nos llega del sol, tiene un rango de longitudes de onda que va desde 0,3 mm a 2,5 mm. Entre 0,3 mm y 0,38 mm tenemos el rango ultavioleta C, entre 0,38 mm y 0,78 mm tenemos el espectro visible y entre 0,78 mm y 2,5 mm tenemos el infrarrojo térmico. En la iluminación del acuario, los rangos interesantes son el UVC y el espectro visible. El infrarrojo térmico son ondas electromagnéticas que son absorbidas por los materiales y que generan calor. En la figura 1 se puede apreciar la distribución de los diferentes colores del espectro visible, en función de la longitud de onda.
Figura 1: distribución de los colores del espectro visible, en función de la longitud de onda Es de destacar que en el acuario marino se emplean lámparas de una elevada temperatura de color, entre 10.000 y 20.000K, por lo que los colores que predominan son los azules. En estos rangos de longitudes de onda, el ojo humano posée menos sensibilidad de manera que, a simple vista, nos es imposible determinar la eficiencia de las diferentes lámparas. La máxima sensibilidad del ojo humano es a 550 nm, correspondiente al color verde. Teniendo en cuentas estos datos sobre la radiación visible, resulta evidente que la reflectancia del material a emplear para la construcción de los reflectores deberá tener un valor máximo en este rango de longitudes de onda.
Materiales para la construcción de los reflectores. En los proyectos de bricolaje que se pueden ver en las diferentes páginas web de acuariofilia, se utilizan diferentes materiales para la construcción de los reflectores de la pantalla. Desde el papel de aluminio de uso doméstico, hasta los espejos MIRO de alta calidad, pasando por el aluminio pulido. En principio, se podría pensar que cualquier material con un acabado de espejo se puede utilizar para la fabricación de los reflectores, pero la reflectancia de los diferentes materiales, en el rango de la luz visible, es muy variable. La reflectancia se define como el tanto por ciento de la luz incidente sobre un material, que es reflejada por el mismo. Cuanto mayor sea la reflectancia de un material, más útil será para nuestros propósitos. Los principales materiales que se pueden emplear para la fabricación de los reflectores son:
-espejos
convencionales, como los del cuarto de baño, compuestos por una
lámina de vidrio y un recubrimiento de plata, protegido por una capa
de pintura. En la figura 2 se puede apreciar la reflectancia especular de los diferentes materiales enunciados anteriormente.
Figura 2: reflectancia especular de los principales reflectores que se pueden emplear en las pantallas Como se ha visto anteriormente, el espectro visible comprende desde 380 nm a 780 nm. En este rango de longitudes de onda, podemos ver que el aluminio MIRO, los reflectores de vidrio y los poliméricos presentan una reflectividad muy parecida, mientras que el reflector de aluminio pulido es claramente inferior, del orden de un 10% menor. Los reflectores de vidrio no se pueden curvar y, además, presentan un elevado peso por lo que no son recomendables para su uso en luminarias. Los reflectores poliméricos, compuestos por una lámina de plástico y una capa de plata, presentan una buena reflectividad, pero absorbe la radiación infrarroja, por lo que se calienta y se degrada más rápidamente, por lo que su uso se debe restringir a luminarias muy bien ventiladas y con pocos vatios. El mejor reflector, tanto en propiedades ópticas como en duración, es el reflector MIRO de la empresa alemana ALANOD. Está formado por un sustrado de aluminio pulido sobre el que se han depositado, por medio de pulverización catódica, una capa reflectora de plata y una capa protectora transparente. Es un material que se puede moldear con facilidad, adaptándolo fácilmente a cualquier geometría.
Otro aspecto a tener en cuenta, a la hora de valorar los diferentes materiales, es la durabilidad de los mismos, es decir, el tiempo que dichos materiales van a conservar su reflectividad sin que se produzca una degradación de los mismos. Hay que tener en cuenta que el ambiente del acuario marino es muy húmedo y que en el aire hay trazas de iones cloruro que aceleran la corrosión de los metales. También hay que considerar el calentamiento de los reflectores que va a acelerar los procesos de corrosión de los metales. Desde el punto de vista de la durabilidad de los diferentes materiales expuestos, el mejor es el reflector de vidrio, seguido por el aluminio MIRO, el aluminio pulido y, finalmente, el reflector polimérico. Los reflectores de vidrio no presentan ningún problema de degradación en el ambiente del acuario y a las temperaturas normales de las pantallas. El aluminio MIRO presenta un comportamiento excelente frente a la temperatura y bastante bueno frente a la corrosión ambiental. Se acaba degradando, pero son necesarios muchos años. El aluminio pulido presenta un mal comportamiento frente a la temperatura, perdiendo especularidad y volviéndose blanquecino, lo que hace disminuir drásticamente su reflectividad. Este aluminio lo he usado durante años en luminarias de fluorescentes T8 (sin protección transparente) y de HQI de 150w con filtro UV, siendo necesario reemplazarlo cada dos años. El reflector polimérico se degrada muy rápidamente debido a la temperatura, perdiendo la reflectividad en menos de un año, con fluorescente T8.
Geometría de los reflectores Como todos sabemos, tanto las lámparas de halogenuro metálico, como los tubos fluorescentes, al ser cilindricos emiten la radiación luminosa en todas las direcciones del espacio. Para obtener el máximo aprovechamiento de la luz, se necesita redireccionar la luz emitida en todas las direcciones hacia el acuario. Para ello, se emplean los reflectores en las luminarias. Una buena pantalla debe emplear, como hemos visto anteriormente, un buen material reflector y la geometría debe ser óptima para obtener el máximo rendimiento. El objetivo del reflector es que la radiación emitida en todas las direcciones sea dirigida hacia el acuario, con un ángulo de visión concreto, que determinará la altura a la que colocar la luminaria. La reflexión de la radiación emitida hacia arriba por la lámpara debe ser reflejada de manera que no vuelva a incidir sobre la lámpara y se pierda. Como podemos apreciar, la geometría de los reflectores va a determinar el rendimiento de la luminaria y la altura a la que debemos colocar ésta. Las pantallas de tubos fluorescentes comerciales suelen emplear dos tipos de geometría para los reflectores. Los reflectores empleados por la marca Aquaconnect, presentan la configuración mostrada en la figura 3.
Figura 3: Geometría de reflectores para tubos fluorescentes T5, empleada por Aquaconnect. Como se puede apreciar, presentan una estructura formada por dos curvas unidas por un ángulo muy marcado, situado en el centro del tubo, de forma longitudinal. Esta geometría es la que mayor rendimiento presenta pues ningún rayo de luz emitido por el tubo, que alcanza el reflector, vuelve a incidir de nuevo sobre el fluorescente, perdiéndose. Como se puede apreciar en la figura 3, los rayos número 2, 3 y 4 son reflejados una vez en el espejo e inciden sobre el acuario. Una pequeña cantidad de la radiación luminosa (10%), emitida por el tubo, tiene dos reflexiones antes de llegar al acuario, como el rayo 1 de la figura. Esto es muy importante porque la eficiencia de la luminaria disminuye si se producen múltiples reflexiones de la radiación luminosa en el reflector. Aproximadamente, el 50% de la radiación emitida por el tubo alcanza el acuario sin reflejarse en el espejo (mitad inferior del tubo), un 10% tiene dos reflexiones y el 40% restante tiene una reflexión. Si se produce una reflexión, la pérdida de eficiencia es 1-R, donde R es la reflectividad del material. Si tenemos un aluminio MIRO la pérdida será del 5%, mientras que si usamos aluminio pulido, la pérdida será del 15%. Si se producen dos reflexiones en el reflector del tubo, la pérdida de eficiencia es de 1-RxR, luego para el aluminio MIRO es del 9%, mientras que para el aluminio pulido es del 27%. Como se puede apreciar, la perdida de eficiencia derivada de emplear un buen o mal reflector es considerable. Otro aspecto a tener en cuenta con este tipo de reflectores es la longitud de las aletas. Las aletas deben ser suficientemente largas para que la luz que emite la mitad inferior del fluorescente no se pierda por encima del acuario, es decir, que el ángulo de emisión de la pantalla no sea muy grande. Si miramos la pantalla de perfil, el reflector no nos debe dejar ver el tubo fluorescente. El problema es que cuanto más largas sean las aletas, más espacio va a ocupar el reflector y el número de rayos que sufran dos reflexiones será mayor. La otra geometría que podemos ver en las pantallas comerciales de tubos fluorescentes es la que tienen los reflectores empleados por ATI, mostrada en la figura 4.
Figura 4: Geometría de reflectores para tubos fluorescentes T5, empleada por ATI
Estos reflectores están formados por una parte curva con dos aletas rectas. Como se puede apreciar, la parte curva no presenta el ángulo en el centro del tubo, lo que va a restar un poco de eficiencia, debido a que algunos rayos, como el número 3 de la figura, son reflejados por el espejo e inciden otra vez en el tubo. El rayo 1 de la figura sufre dos reflexiones, mientras que el rayo 2, sólo sufre una. Con esta geometría de reflectores, el número de rayos que sufren dos reflexiones es mayor, pero empleando el reflector MIRO, su impacto en el rendimiento de la pantalla es pequeño. Esta geometría presenta la ventaja de que los reflectores son mucho más estrechos que en la geometría anterior, entrando muchos más tubos en el ancho del acuario, con un ángulo de emisión muy bueno. En el caso de los halogenuros metálicos o HQI, este tipo de geometría no es válida debido a que la superficie radiante de la lámpara es muy pequeña y es necesario iluminar una zona muy amplia del acuario. Para obtener buenos rendimientos se necesitan geometrías muy complejas, como la de los reflectores lumenarc, que se salen del objetivo de este artículo.
Consideraciones generales de los reflectores Los reflectores de las pantallas, no sólo van a tener una influencia importante por la cantidad de luz que reflejen al acuario, sino que van a ser fundamentales para evitar el calentamiento de la pantalla y, por lo tanto, en el rendimiento de las lámparas, especialmente en las pantallas de tubos fluorescentes. La luz que no es reflejada por los reflectores es absorbida por éstos, convirtiéndose en calor. Este calor absorbido va a hacer calentarse las lámparas afectando al rendimiento de las mismas. Los tubos T8 dan su máximo rendimiento a 25ºC, mientras que los tubos T5 lo dan a 35ºC. Cuanto más nos desviemos de estos valores de temperatura, menor será la eficiencia de los tubos. En el caso de las lámparas de halogenuro metálico, un aumento de la temperatura de la lámpara provoca un aumento de la temperatura de color y la mayor emisión de radiación ultravioleta, que puede resultar dañina para los corales. Por lo tanto, unos buenos reflectores no sólo van a conseguir que una mayor cantidad de luz alcance el acuario, sino que, indirectamente, aumentan la eficiencia de las lámparas y su duración. Por estos motivos, resulta especialmente interesante el uso de ventiladores en las luminarias para reducir la temperatura de los tubos y aumentar su eficiencia.
Filtro ultravioleta y cubiertas antisalpicadura para las luminarias. Otro aspecto importante, a tener en cuenta en las pantallas para el acuario, es la utilización de filtros ultravioleta en las luminarias de HQI y cubiertas transparentes para evitar salpicaduras en las luminarias de tubos fluorescentes. Algunas lámparas de halogenuros metálicos, especialmente de 150W, no tienen filtro UV incorporado, por lo que es necesario colocar uno bajo la lámpara. Estos filtros no son completamente transparentes a la luz visible, por lo que se produce una pérdida de rendimiento. Lo mismo ocurre con las cubiertas antisalpicaduras de las pantallas de tubos, por lo que la elección de buenos materiales, redundará en la eficiencia de la pantalla. En la figura 5 se muestra la transmitancia en función de la longitud de onda de la radiación incidente, de los diferentes materiales empleados en las pantallas.
Figura 5: Transmitancia frente a la longitud de onda, de los principales materiales empleados para cubiertas antisalpicadura y filtros ultravioleta. Se puede apreciar claramente que el mejor material para un filtro antisalpicaduras es el metacrilato. Tiene una transmitancia próxima al 99% en todo el rango visible. El metacrilato presenta, además, la ventaja de que su transmitancia es casi independiente del espesor del mismo. Su principal inconveniente es que, por efecto de la temperatura y por la radiación ultravioleta, se produce un blanqueamiento que reduce la transmitancia. Para evitar este fenómeno se deben refrigerar las pantallas y el metacrilato empleado debe tener un filtro UV en la cara superior del filtro. Se debe limpiar con mucha precaución para evitar ralladuras y es un material relativamente frágil. El policarbonato es otro plástico transparente que presenta una transmitancia inferior al metacrilato pero presenta las ventajas de ser más ligero, tener una elevada resistencia al impacto y no rallarse tan fácilmente. Como se puede apreciar en la figura 5, apenas deja pasar un 5% de la radiación ultravioleta, lo que le convierte en un buen filtro para dichas radiaciones. El vidrio presenta una transmitancia en torno al 90% y es mucho más pesado y frágil que el metacrilato, por lo que se desaconseja su uso. Finalmente, en la figura 5 se puede apreciar el espectro de transmitancia de un filtro UV de una luminaria de HQI de 150W. En la zona del color azul (430-450) la transmitancia es de sólo el 75%, mientras que en el verde y el rojo es del 85-90%. Resulta evidente lo inapropiados que son estos filtros, debido a la variación de color de la radiación que sale de la lámpara. Usando lámparas de elevada temperatura de color, en las que predominan los azules, su eficiencia se va a reducir un 25% si se emplean estos filtros UV.
Conclusiones En este artículo se han tratado los diferentes factores que afectan al rendimiento de las pantallas para acuarios. La reflectividad del material utilizado como reflector va a influir en la eficiencia de la pantalla, tanto por el aumento de la radiación reflejada y redirigida al acuario, como por el aumento de la eficiencia de las lámparas al reducirse la temperatura de la pantalla. Las cubiertas antisalpicaduras deben construirse con metacrilato o policarbonato debido a su elevada transmitancia, cuidando la limpieza de la misma para evitar ralladuras que reduzcan su eficiencia. Los filtros UV empleados en las luminarias de HQI, principalmente en las de 150W, tienen unas pérdidas del 25% de la eficiencia en el color azul, lo que reduce considerablemente el rendimiento de las lámparas de elevada temperatura de color. Se deben emplear lámparas con el filtro UV incorporado y eliminar este tipo de filtros.
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