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Diez consejos para maximizar el rendimiento del calentador 

Muchos ingenieros de planta no piensan muchos en los calefactores que operan en sus procesos y aplicaciones, a menos que dichos calefactores fallen, requieran un importante mantenimiento o causen otros problemas. Por desgracia, los calefactores desempeñan un papel integral en muchas aplicaciones. Por tanto, los problemas del calefactor pueden acumularse fácilmente y dar lugar a problemas mucho mayores.

Seguir unas directrices sencillas no solo reducirá la probabilidad de problemas relacionados con el calefactor, sino que tendrán un importante impacto positivo en la eficiencia de los sistemas y reducirá los requisitos y costes de mantenimiento. A continuación se muestran 10 formas de maximizar la vida útil y rendimiento de un calefactor.

Consejo 1: Protéjase de la contaminación del calentador

La contaminación es la causa más frecuente de fallo del calefactor (consulte las imágenes). A medida que los calefactores se expanden y contraen durante el ciclo, a menudo atraen materiales orgánicos o conductores. Esto puede dar lugar a un fallo de formación de arco entre los bobinados del calefactor individuales o entre los bobinados del calefactor y la vaina del calefactor exterior conectada a tierra eléctricamente. Cuando se permite recogerlos en el extremo de cable de un calefactor, los contaminantes también pueden producir descargas eléctricas entre los terminales o patillas de alimentación. Por tanto, es importante mantener los lubricantes, aceites, cintas de baja temperatura o materiales de proceso lejos del contacto con el extremo de cable del calefactor. El empleo de juntas ayudará.

Sugerencia 2: Proteja los cables y terminaciones de las altas temperaturas y el movimiento excesivo

Los cables conductores estándar aislados con fibra de vidrio se pueden utilizar en aplicaciones con temperaturas ambiente de hasta aproximadamente 260 °C (500 °F). Si un cable se expone a temperaturas más altas, se debería utilizar un aislamiento de cama cerámica o un cable conductor de alta temperatura. Una sección no calentada del calefactor, que se extiende lejos de la región calentada del sistema, permite que los cables se coloquen a una beneficiosa temperatura más fría.

Cuando los calefactores se montan en maquinaria en movimiento, es esencial fijar los cables para evitar que se dañen. Se debería especificar una opción de protección de cables y utilizarse para obtener una protección óptima contra posibles daños de los cables.

Consejo 3: La selección y el tamaño del calentador son importantes

La potencia de un calefactor debe adaptarse lo más posible a los requisitos reales de carga de la aplicación para limitar los ciclos de encendido y apagado (consulte el consejo 6). Para las aplicaciones de piezas colocadas, especifique el orificio o un tamaño de característica de aplicación alternativa para garantizar un ajuste óptimo entre el calefactor y la característica de la aplicación. Un ajuste hermético minimiza los huecos de aire y reduce las instancias de puntos calientes.

Consejo 4: Conecte a tierra el equipo

Es de sentido común y una práctica segura conectar a tierra eléctricamente todos los equipos en los que se utiliza el calefactor. La conexión a tierra del equipo protege a la planta y al personal en caso de un fallo eléctrico del sistema de calentamiento.

Consejo 5: La regulación de la tensión garantiza que la tensión nominal del calentador coincida con la tensión de alimentación

Es esencial garantizar que la tensión nominal de un calefactor coincide con la alimentación de tensión disponible porque la potencia aumenta (o se reduce) al cuadrado del cambio en la tensión aplicada a un calefactor. Por ejemplo, si un calentador tiene un valor nominal de 120 V/1000 W y está conectado a una fuente de alimentación de 240 V, generará cuatro veces la salida de potencia nominal de 4000 W. Esto producirá que el calefactor falle relativamente rápido y también puede producir importantes daños al equipo conectado.

Consejo 6: Evite ciclos excesivos del calentador

Un número excesivo de ciclos de temperatura es muy dañino para la vida útil del calefactor. Lo más dañino es la tasa de ciclo que permite la expansión y contracción completas del alambre de resistencia del calefactor a una alta velocidad (encendido y apagado de 30 a 60 segundos). Esto causa un estrés grave y oxidación de los cables de resistencia dentro del calefactor. Cuando se utilizan termostatos, se suele encontrar un mal ciclo de temperatura. Los termostatos responden lentamente a los cambios de temperatura y tienen grandes diferenciales de temperatura en el encendido y apagado. Una mejora, pero una solución más costosa, es utilizar controladores de encendido/apagado o controladores PID con relés mecánicos. Es vital no cambiar la frecuencia o tiempo de ciclo demasiado rápidamente (en algún punto entre 3 y 10 segundos), porque los contactos del relé pueden desgastarse muy rápidamente.

La forma más eficaz de minimizar el ciclo de temperatura de un elemento del calefactor, y la más cara, es usar relés de estado sólido (SSR-solid state relay) y controladores de potencia SCR acoplados a controladores de temperatura PID. Esta combinación proporciona el mejor rendimiento para el sistema térmico y para el calefactor. Los dispositivos de conmutación de estado sólido realizan un ciclo de alimentación al calefactor muy rápidamente (desde un segundo con SSR, a milisegundos con SCR accionados por ángulo de fase). Este rápido ciclo de potencia reduce drásticamente las excursiones de temperatura del cable del elemento del calefactor y aumenta sustancialmente la vida útil del calefactor.

Consejo 7: Asegúrese de que el material de la vaina y la densidad nominal de los vatios sean compatibles con el material que se está calentando

Esto es absolutamente crítico para garantizar una larga vida útil del calefactor y la salud del equipo de procesamiento. A la hora de calentar sólidos, como metales, la temperatura de funcionamiento y el ajuste del calentador a la pieza impulsan la elección del material de la vaina y de densidad de potencia. Los materiales de vaina de acero al carbono, aluminio o silicona son adecuados para temperaturas más bajas (unos cientos de grados). Sin embargo, a medida que las temperaturas aumentan más allá de este punto, las elecciones del material de la vaina están más limitadas a aceros galvanizados o inoxidable y otras aleaciones de metal para temperaturas más altas. Dado que la temperatura también aumenta, la densidad de potencia debe reducirse de forma acorde para evitar que los cables de la resistencia internos se oxiden rápidamente y fallen prematuramente. Un buen ajuste de calefactor a la pieza garantiza una transferencia de calor adecuada y no fuerza que los cables de la resistencia se sobrecalienten.

Cuando se calientan gases, la temperatura de funcionamiento y los caudales dictan el material de vaina y la densidad de potencia que se pueden utilizar. Por ejemplo, puede utilizar densidades de potencia más altas a la hora de calentar hidrógeno frente a nitrógeno, pero el hidrógeno requiere vainas de Alloy 800 mientras que el acero inoxidable 304 servirá para muchas aplicaciones de nitrógeno.

El aumento del flujo y turbulencias a través de los elementos del calefactor significa una mejor transferencia de calor, lo que también aumenta los valores de densidad de potencia. Para el calentamiento de líquidos, el principal impulsor para la selección de materiales y densidad de potencia es el material del líquido y el caudal. El agua puede tratar fácilmente 42,52 a 70,87 W/cm2 (60 a 100 W/in2) utilizando una vaina de cobre mientras que una mezcla de agua /glicol al 50/50 solo puede tratar 21,26 W/cm2 (30 W/in2) y debe utilizar una vaina de acero.

Consejo 8: monte los calentadores del depósito de inmersión horizontalmente cerca del fondo del depósito

Los calefactores deberían colocarse horizontalmente y cerca del fondo de los depósitos para maximizar la circulación por convección. El montaje vertical solo se recomienda cuando las limitaciones, como las restricciones de espacio, impiden la colocación en horizontal. Independientemente de si un calefactor se monta horizontal o verticalmente, es esencial colocarlo lo suficientemente alto para evitar que se acumule cualquier lodo o residuo en el fondo del depósito. De la misma manera, para ambos métodos de montaje, se debe sumergir siempre toda la longitud del calefactor, motivo por el que pocas veces se recomienda el montaje vertical. También es importante evitar colocar los calefactores en espacios restringidos que limiten el flujo de convección y/o donde se produzcan ebullición o purgas de vapor.

Consejo 9: Evite la acumulación de lodos en los elementos calentadores

Se debe minimizar la formación de cascarilla, coquización y la acumulación de lodos en las vainas del calefactor. Cualquier acumulación debería retirarse periódicamente o al menos minimizarse para evitar que se impida la transferencia de calor al líquido. La limpieza periódica impide que los elementos del calefactor se vean forzados a operar a temperaturas más altas, lo que puede dar lugar a un fallo temprano del calefactor. También se debe tener un extremo cuidado para evitar que el lubricante de silicona ente en contacto con la sección calentada de un calefactor. La silicona impedirá que la vaina se “humedezca” por el líquido, actuando como un aislante, y probablemente producirá que el calefactor falle.

Consejo 10: Asegúrese de un control de temperatura adecuado y estricto y de la protección del límite de seguridad

Utilizar un sistema de control de temperatura adecuado para el calefactor es imperativo para un rendimiento y vida útil adecuados del calefactor. Cada aplicación de proceso debería, como mínimo, incluir un sensor de temperatura del proceso (para detectar el material que se está calentando) y un sensor de límite (para detectar la temperatura de la vaina del calefactor). El sensor del proceso debería sumergirse directamente en el material que se va a calentar, o insertarse perfectamente en un termopozo dentro del propio líquido. Por motivos de seguridad, se deberían utilizar dos sistemas de control independientes, uno para el control de la temperatura del proceso y otro para un control de límite alto. Los controladores de temperatura de proceso de tipo PID ofrecen un control más estable y una respuesta más rápida que los controles de conmutación ON/OFF o los termostatos. El inconveniente es que el control PID es a menudo más caro que los tipos ON/OFF y no siempre es necesario para las aplicaciones que no requieren un control de temperatura muy preciso.

Alloy 800 es una marca comercial registrada de Special Metals Corporation.