PRODUCTOS DE CALENTADORES DE INMERSIÓN Y CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Una expresión clásica norteamericana es «tan lento como melaza en enero». Hace referencia a la lentitud desesperante del gobierno, los gerentes e incluso la melaza.

Muchas industrias dependen del flujo de fluidos viscosos. La aplicación correcta del calentamiento de inmersión optimiza drásticamente el comportamiento de los fluidos de procesos. Esto es tan válido en un oleoducto que atraviesa Alaska como en un dispensador de miel en una tienda. La regulación del flujo es importante en toda clase de procesos.

También hay una amplia aplicación de los elementos de calentamiento de inmersión en el agua. Hay principios de diseño comunes en todas  las clases de aplicaciones. Desde reactores nucleares de agua a presión hasta el calentador de agua en una casa.

En este artículo, exploramos algunos de los conceptos básicos de termofísica que rigen el diseño de los elementos de calentamiento de inmersión. Esto puede ser útil para seleccionar productos de calentadores y a la hora de considerar las industrias más importantes de diseño.

Definición del calentador de inmersión

¿Qué define a un calentador de inmersión? Después de todo, los elementos comunes de un horno con bobina eléctrica están inmersos en el aire. Este análisis trata sobre los efectos adversos de un diseño de calentador y una combinación de fluido poco adecuados.

Específicamente, guarda relación con un cambio de fase o reacción en el fluido. ¿Cómo se ve eso en la práctica?

En el calentamiento de la melaza, se debe evitar quemar la melaza. Cuando se calienta el agua, se debe evitar que hierva más allá de la tolerancia de diseño del sistema de agua. En el calentamiento de petróleo, se debe evitar calcinar o encender el petróleo.

En los casos anteriores, la temperatura superficial del elemento calentador es la variable que se debe controlar para evitar resultados adversos.

Siempre existe el riesgo de que el calentador se queme, independientemente del fluido que se use. Y, en todos los casos, uno debe mitigar este riesgo. Sin embargo, para la configuración típica del calentador de inmersión, la alteración adversa del fluido de procesos ocurre a una temperatura más baja que cuando se quema el calentador. Las varillas de combustible del reactor nuclear son una excepción notable, pero sumamente especializada.

Gestión de riesgos

Gestionar los riesgos es esencial para que los procesos sean seguros y eficientes.

El fallo del calentador es un proceso de prealimentación. Al acumularse productos de la carbonización en la superficie, la temperatura de la superficie se eleva. Esto permite que se formen más productos de carbonización, haciendo que la temperatura se eleve más. Si no se controla, el problema se agrava exponencialmente.

En el agua, si la ebullición se aparta del régimen nucleado estable, el vapor cerca de la superficie hará que la temperatura de la superficie se eleve rápidamente. Esto se debe a una mala transferencia del calor al pasar por la fase de vapor. Esto pone en riesgo el rendimiento del calentador. En el caso de algunos fluidos y sistemas de proceso, puede presentarse una situación peligrosa si las temperaturas del calentador llegan a la autoignición del fluido, o la generación del vapor hace que la presión del sistema se eleve.

En los procesos alimentarios, el sobrecalentamiento puede causar gustos y olores desagradables. Entender más sobre los procesos de fluidos térmicos puede ayudar a manejar los riesgos.

Sin deslizamiento en las paredes

Uno de los axiomas básicos de la mecánica de fluidos es que no hay deslizamiento en la pared. Se supone que la capa de fluido en contacto con la superficie calentada está unida allí. Por lo tanto, estaría en equilibrio térmico con la superficie.Un fluido en ebullición experimenta secado y rehumectación. Por lo tanto, la superficie no está en equilibrio con la primera capa de fluido. La mecánica estadística da perspectiva a este proceso introduciendo el concepto de tiempo de residencia. Aquí es donde se considera que las moléculas fluidas, y no el volumen continuo de fluido, están pegadas a la pared por un periodo finito. Este periodo es más corto para las paredes más calientes o las moléculas más pequeñas. El periodo es más largo para las paredes más frías y las moléculas más grandes.

Si ocurre la ebullición, existe la probabilidad de que una molécula dada llegue en la fase líquida y salga en la fase de vapor. Si el riesgo es la carbonización, entonces la molécula puede llegar como líquido y permanecer unida como un sólido. Estos dos casos aumentan la resistencia al flujo de calor. Esta junto con su inverso, el coeficiente total de transferencia de calor, puede ser una métrica muy conveniente para permitir comparaciones de sistemas muy diferentes.

Fuente y sumidero

El calor debe fluir desde una fuente hasta un sumidero. Para los calentadores de inmersión, esto significa desde el elemento de resistencia hasta el fluido a granel. Entre la fuente y el sumidero, varios procesos de transferencia de calor pueden impedir el flujo de calor.

Al interior del elemento de resistencia del calentador, hay un término de conducción que gobierna cómo se mueve la energía disipada hasta la superficie del elemento. Esto significa que la línea central del elemento está más caliente que el perímetro.

Dentro del calentador, puede haber alguna unión entre el elemento eléctrico y el revestimiento del calentador. Este se selecciona para evitar interacciones químicas con el fluido de proceso. Y así el interior de esta región de unión está más caliente que la superficie interior de la funda. Este término puede ser conductivo o puede incluir radiación si existe una brecha entre el elemento y la funda.

Además, la funda tiene cierto espesor. Esto puede ser una función de la presión a la cual debe operar el calentador. Y el interior de la funda estará más caliente que el exterior.

Finalmente, el fluido está más frío que el calentador. El término de convección capta la elevación de temperatura necesaria para impulsar un cierto flujo de calor desde la superficie exterior de la funda hacia el fluido. La analogía de las resistencias eléctricas puede ayudar a entender la resistencia térmica.

Cada uno de esos eslabones de la cadena actúa como una resistencia en serie. Juntos, añaden cierta resistencia térmica total al flujo de calor. Medimos esto en grados por flujo de calor, generalmente metros cuadrados por centígrado por vatio. La inversa de esto es el coeficiente total de transferencia de calor.

Términos

La claridad de los términos es vital. Un flujo es flujo que pasa por un área. Esto permite una comparación significativa del comportamiento del calor desde una escala grande a una pequeña comparando el flujo de calor permisible para un par de superficie-fluido. Si se tienen regímenes similares de flujo de fluido, los ingenieros pueden tomar decisiones que se apliquen a una cubeta de procesos o aparato de mesa.

¿Cómo se pueden comparar los regímenes de flujo de fluidos?

Cuando el flujo es impulsado por una bomba, un ventilador u otra fuente externa, el número de Reynolds sin dimensión muestra la relación entre impulso y viscosidad. Se espera un comportamiento similar de los flujos con un número de Reynolds similar.

El calentamiento del petróleo en un oleoducto de transporte es un ejemplo significativo de flujo forzado. El oleoducto tiene ramificaciones de diámetros, velocidades de flujo y temperaturas diferentes. Estos se pueden comparar basándonos en el número de Reynolds.

En el caso de calentamiento de un fluido inactivo, el impulso no es proporcionado externamente. Antes bien, se genera por la flotabilidad derivada de los cambios de densidad inducidos térmicamente. El fluido cerca del calentador está más caliente. Y como la mayoría de los materiales y los fluidos se expanden al calentarse, este fluido más caliente se eleva a través del fluido circundante más frío. Eso crea corrientes de convección.

Los números Rayleigh o Grashof sin dimensión estrechamente relacionados permiten una comparación significativa entre esas fuerzas de flotación y las fuerzas viscosas de compensación.

El parámetro fluido sin dimensión adecuado es un término clave en la transferencia de calor por convección, pues más movimiento del fluido promoverá un mejor rechazo de calor del calentador inmerso. Esta es una de las resistencias térmicas incluidas en el coeficiente total de transferencia de calor. Y para muchos calentadores, especialmente aquellos en fluidos de proceso viscoso, la convección es el factor limitante en la transferencia de calor.

Diferencia de temperatura

Si no existe una diferencia de temperatura impulsadora, el calor no saldrá del calentador. Esta gradiente es establecida por la energía eléctrica gastada en el calentador de inmersión. La temperatura máxima en el interior del calentador es determinada por esa energía. Y también por la resistencia térmica entre el calentador y el fluido a granel.

Esta resistencia total de transferencia de calor es la consideración clave para determinar las dimensiones de un calentador de inmersión para un fluido determinado con una temperatura máxima permisible conocida. Si esa resistencia es alta, el diseñador quizás necesite un flujo de calor inferior, es decir, un calentador más grande o una energía inferior. Además, la mayoría de los componentes de ingeniería de procesos están sujetos a degradación por el paso del tiempo y el servicio.

El ejemplo más común es la acumulación de minerales de los calentadores de agua. Pero la preocupación no se limita a los sistemas de agua.

Así, el diseñador debe considerar la temperatura superficial del fin de la vida útil previsto del calentador, no simplemente la temperatura de proceso a granel deseada. Esto le permite seleccionar un sistema de calentador de inmersión seguro e idóneo.

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