Para calentar cualquier proceso, seleccionar el calentador adecuado es fundamental para el éxito. Se deben revisar varios factores para seleccionar el material, la densidad de vatios y el funcionamiento del calentador adecuados.
1. Cálculo del servicio del calentador
La selección de la función del calentador eléctrico requiere tres componentes:
Q = MCΔT
Q = Servicio requerido en BTU/Hr
M = Masa a calentar (lb/hr, kg/hr)
C = Calor específico del fluido
ΔT = diferencia de temperatura (temperatura final – temperatura inicial en °F)
Por ejemplo.- Para calentar agua a 50 gpm de 50 a 100 °F el calculo sería el siguiente:
El agua pesa 8.34 lbs/galón, por lo que 50 * 8.34 = 417 Lb / Minuto * 60 = 25,020 Lbs/Hr
El calor específico del agua es de 1 btu/lb °F
25,020 Lb/Hr * 1 btu/Lb °F * 50 °F = 1,251,000 btu / Hr Dado que hay 3412btu en 1kW (3412 btu/kW), entonces 1,251,000 / 3412 = 366.6 kW.
Este es un procedimiento de dimensionamiento muy simplista para un calentador de estilo de circulación. Otros factores incluyen la pérdida de calor y las fluctuaciones de voltaje / resistencia del elemento. Los calentadores de alta temperatura deben aislarse adecuadamente tanto para la conservación de energía como para la protección del personal.
2. Selección de densidad de vatios
Nos interesan tres cosas al determinar la densidad de vatios adecuada.
Calor especifico
Viscosidad
Conductividad térmica
Calor específico es la cantidad de energía para elevar 1 unidad de fluido 1°F. Se mide como Btu/lb °F.
La viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir. Los fluidos pueden fluir por flujo forzado (bomba / soplador) o por flujo natural (aplicaciones de calentamiento de tanques). El agua tiene una viscosidad baja mientras que el petróleo crudo tiene una viscosidad alta. La capacidad del fluido para fluir alrededor del calentador es fundamental para determinar la densidad de vatios. Los fluidos con una viscosidad baja se pueden calentar con una densidad de vatios más alta que un fluido más viscoso.
La conductividad térmica es la capacidad de un fluido para transferir calor. Se mide como btu / hr – Ft – °F. El calor se transferirá a mayor velocidad cuando un fluido tenga una alta conductividad térmica.
La combinación de estas tres propiedades determina la densidad de vatios adecuada. Blue Soluciones trabaja de la mano con los fabricantes que utilizan un programa de cálculo patentado para predecir la temperatura del elemento calefactor.
3. Selección de material
La selección del material es importante para prevenir la corrosión y fallas prematuras. Deben revisarse las propiedades de los fluidos como la temperatura, el pH y la mezcla de componentes. No existe un material que sea bueno para todas las aplicaciones. El contenido de sulfuro de hidrógeno, agua desionizada o desmineralizada, sodio o contenido de ácido jugarán un papel importante en la determinación de la selección del material. La corrosión galvánica también puede desempeñar un papel importante. La aleación 800 (UNS N08800) es la opción preferida para muchas aplicaciones, mientras que la aleación 825 (UNS 08825) se prefiere para fluidos con contenido de sulfuro de hidrógeno. Para agua desionizada, los elementos Alloy 800 (UNS N08800) con pasivación son una buena opción.
Los elementos calefactores normalmente vienen en una de estas tres formas:
Como tubo soldado
Como tubo soldado y estirado
Como tubo sin costura.
Si el precio es una preocupación, entonces el tubo soldado es el menos costoso. El tubo soldado y estirado es un tubo soldado que se ha estirado sobre un mandril para quitar la unión soldada y tiene propiedades similares a las de una costura. Los verdaderos elementos sin costura son los más caros pero tienen la mejor resistencia a la corrosión. [1]
Blue Soluciones junto con fábrica revisa todos estos factores importantes para seleccionar el calentador adecuado para cada aplicación.
Blue Soluciones provee calentadores eléctricos de proceso para todo el territorio Peruano. Para obtener más información o si tiene preguntas, envíe un correo electrónico a ventas@bluesoluciones.pe o solicite una cotización aquí.
[1] Artículo “Selecting the Proper Electric Heater for Your Process” de GP®
¿Está considerando un sistema de fluido térmico eléctrico para su industria?
Es posible que sepa que muchos procesos actuales requieren un método indirecto de calentamiento, lo que implica el uso de un medio de transferencia de calor, en lugar de hacer circular el proceso directamente a través de un calentador. El aceite térmico, el agua, las mezclas de glicol y el vapor son los medios térmicos más utilizados para el calentamiento indirecto. El aceite térmico a menudo se prefiere al vapor para aplicaciones de alta temperatura porque hay menos mantenimiento, como los sistemas de aire acondicionado y purga. Los procesos de vapor requieren presiones más altas en comparación con los sistemas de aceite a temperaturas comparables, y requieren una supervisión reguladora más continua. Los calentadores de aceite térmico se usan típicamente en un sistema de circuito cerrado no presurizado. Los componentes primarios incluyen una bomba, calentador, tuberías y un tanque de expansión. Hay muchos factores que rigen el tamaño y la selección del calentador y el equipo asociado.
Hay muchos factores que rigen el tamaño y la selección del calentador y el equipo asociado. Las siguientes pautas lo ayudarán a navegar lo que puede ser un proceso de adquisición desafiante y lento:
1. Conoce tu proceso
Conocer su proceso general ayudará a determinar muchos factores relacionados con el sistema de calentamiento de fluido térmico. Los tanques y reactores con camisa generalmente tienen caídas de presión más bajas que las extrusoras o prensas. Es posible que los fabricantes de intercambiadores de calor tipo carcasa o tubo o placa ya hayan asumido una cierta caída de presión para la unidad que compró. Esta caída de presión es instrumental en la selección de la bomba y el motor adecuados.
Saber cuánto fluido térmico hay en el proceso e interconectar las tuberías ayudará a determinar el tamaño del tanque de expansión. Si ejecuta un proceso por lotes que ve ciclos regulares de temperatura, como una máquina de moldeo por inyección, una prensa de apertura múltiple o un tanque o reactor con camisa, se deberá considerar la carga de carga de las partes húmedas dentro de su maquinaria además del producto en el momento haciendo el cálculo general de transferencia de calor. El calentamiento inicial del proceso puede determinar el tamaño del calentador en lugar del proceso real de estado estacionario. Para aplicaciones continuas para las cuales necesita alcanzar la temperatura rápidamente y mantener esa temperatura, se debe aplicar un margen a la carga de calor en estado estable para asegurarse de que puede alcanzar esa temperatura de operación rápidamente.
2. Conozca su fluido de transferencia de calor
Hay varios tipos diferentes de fluidos de transferencia de calor disponibles, y cada uno tiene sus propias ventajas y desventajas. El agua es un medio ideal de transferencia de calor (si considera solo las propiedades de transferencia de calor) pero obviamente generará presión a medida que la temperatura aumente más allá del punto de ebullición. Los aceites térmicos ofrecen capacidad de alta temperatura a bajas presiones, e incluyen materiales sintéticos o aromáticos, a base de petróleo y siliconas. La sal fundida se ha vuelto muy popular como fluido de transferencia de calor a temperatura ultra alta, con una posible operación de hasta 1,000°F (538°C).
No todos los fluidos térmicos serán adecuados para su proceso. Diferentes fluidos tendrán diferentes puntos de ebullición, puntos de inflamación y temperaturas de funcionamiento. Es importante saber la presión de vapor del fluido, ya que esto determinará la necesidad de un tanque de expansión presurizado. Las temperaturas máximas de la película deben considerarse a medida que el fluido fluye sobre los elementos de calentamiento. El fluido que seleccione será una inversión significativa; El tiempo dedicado a seleccionar ese fluido será un buen seguro para proteger esa inversión.
3. Conozca sus tuberías
El diseño de su tubería es fundamental para asegurarse de que su sistema funcione correctamente. Es importante determinar la cantidad de pérdida de presión que se debe superar para dimensionar la bomba. Las tuberías más pequeñas disminuirán el costo, pero provocarán una mayor caída de presión, lo que aumentará la potencia del motor y el tamaño de la bomba. El punto más alto de la tubería es importante, ya que el tanque de expansión deberá elevarse por encima de este punto o presurizarse. Si esto no se considera, este punto formará bolsas de aire al apagarse y posiblemente desborde el tanque de expansión. También es importante que las válvulas de drenaje estén ubicadas en los puntos bajos de la tubería y las ventilas en los puntos altos de la tubería. Al instalar y probar la tubería para un sistema de aceite caliente, es importante que no se use agua, o si se usa, se elimine por completo para evitar tiempos de acondicionamiento excesivos durante la puesta en servicio.
4. Selección de bomba
Ahora que conocemos el proceso, el fluido y las tuberías, podemos dimensionar con precisión la bomba. La bomba debe superar las pérdidas por fricción en la tubería, la caída de presión a través del equipo de proceso y la caída de presión a través del calentador. Otros factores a considerar son los orificios de restricción, las válvulas u otros instrumentos. La tasa de flujo es la siguiente decisión importante que debe tomar. La velocidad del fluido a través de los elementos calefactores es crítica para garantizar que el fluido térmico no se degrade debido al sobrecalentamiento y al agrietamiento, o posiblemente al destello en el caso del agua. Para asegurarse de que tiene la velocidad óptima dentro del recipiente del calentador, debe permitir que el fabricante del calentador determine la velocidad de flujo requerida para el sistema y tenga en cuenta que la velocidad de flujo para el usuario se puede variar usando una válvula de control o de derivación.
Los dos tipos típicos de bombas son de desplazamiento positivo (a veces llamados bombas de engranajes) y centrífugas. Las bombas de engranajes son buenas para un flujo bajo (es decir, por debajo de 50 GPM), pero tienen deslizamiento alrededor de los engranajes en las temperaturas más altas de las aplicaciones de aceite debido a la tensión superficial reducida, y esto causa tasas de flujo más bajas. El espacio entre los engranajes y la carcasa de la bomba es muy pequeño, y generalmente son materiales diferentes. Debido a la diferencia en la expansión térmica, se recomienda calentar las bombas de engranajes muy gradualmente para evitar que la bomba se agarrote. Las bombas centrífugas son más flexibles y se recomiendan para sistemas de calentamiento de fluidos térmicos. Existen muchos tipos de bombas centrífugas en el mercado adecuadas para aceite caliente, agua o agua-glicol. Estos incluyen bombas mecánicas selladas refrigeradas por aire, bombas no selladas, como motores enlatados, bombas de accionamiento magnético y bombas compactas. Las bombas empaquetadas no se recomiendan para sistemas de calentamiento de fluidos térmicos debido a fugas. Solo hay un número muy pequeño de bombas para aplicaciones específicas que se pueden usar para sal fundida, y solo se debe elegir un proveedor que venda una bomba específicamente para este servicio.
Una vez que se ha determinado la altura dinámica total (TDH), podemos agregar un factor de seguridad de aproximadamente el 20%. Es importante no utilizar el tamaño máximo del impulsor de la bomba. Trate de mantenerse en el 75% del tamaño máximo para futuros cambios de proceso o crecimiento. Las bombas centrífugas tienen una curva característica, indicando flujo y altura. El punto de proceso en la curva debe estar dentro del 70–80% del punto de mejor eficiencia (BEP). Preste mucha atención al cabezal de succión positivo neto requerido (NPSHr). Esto determinará la elevación o cantidad de presión requerida en la expansión. Si no se satisface el NPSHr, la bomba cavitará y funcionará mal.
5. Selección del calentador
La selección del calentador es uno de los pasos más importantes en el sistema de calentamiento de fluido térmico. Las cosas a considerar son la densidad de vatios del calentador, la velocidad a través del calentador, la orientación del calentador y el método de control. La densidad de vatios del calentador eléctrico es crítica para proteger el aceite de la degradación. Las densidades de vatios típicas de los calentadores son 30 Watt/pulg2. para agua / glicoles, 20 Watt/pulg2. para sistemas de baja temperatura de aceite caliente y 12–15 Watt/pulg2 para unidades de temperatura de aceite caliente más altas y sales de transferencia de calor. Se prefieren calentadores de menor diámetro debido al aumento de la velocidad sobre los elementos de calentamiento. Típicamente, una relación 1: 1 entre el flujo medido en GPM y kW dará como resultado un aumento de temperatura de aproximadamente 15 ° F a través del calentador.
Los calentadores horizontales tienden a autoventilarse, mientras que los calentadores verticales requieren un método adicional para ventear. Siempre salga de un calentador líquido desde la parte superior para asegurarse de que el calentador esté inundado en todo momento. Incluya siempre un sensor de temperatura en el elemento superior de un sistema de fluido térmico para protección contra sobretemperatura. Asegúrese de haber dejado espacio para tirar e inspeccionar el paquete de calentadores periódicamente. Cuando se requiera enfriamiento, no pase por alto el calentador inmediatamente. Siempre asegúrese de que haya un flujo adecuado a través del calentador para eliminar el calor residual de los elementos internos antes de intentar desviar el flujo. Se debe tener cuidado para proteger el calentador durante una condición de bloqueo accidental.
Se debe incluir una válvula de seguridad de presión (PSV) para evitar la sobrepresión del calentador causada por la expansión térmica del fluido térmico. Los PSV del calentador suelen tener un tamaño para alivio térmico.
6. Controles del calentador
Los controles del calentador son tan importantes como la selección del calentador en un sistema de calentamiento de fluido térmico. Se prefiere el control de tiristores sobre el control de encendido / apagado para permitir que el calentador funcione a temperaturas más bajas y mantener un control estricto. Mantenga siempre el sistema de seguridad de sobretemperatura separado del sistema de control. Use contactores de seguridad dedicados para proporcionar un corte positivo de la energía al calentador. Esto garantiza un método de protección a prueba de fallos. Los controles típicos deben ser capaces de recibir un punto de ajuste remoto del sistema de control del usuario y también deben poder transmitir la variable de proceso al sistema de control del usuario. El panel de control generalmente está montado en el patín del calentador y la bomba, y precableado al calentador y a la bomba. Para áreas peligrosas, el panel se puede montar en una ubicación remota segura. Asegúrese de que la bomba esté enclavada con el calentador, de modo que el calentador no se energice si la bomba no está funcionando.
7. Conozca los tipos de aislamiento
Existen muchos tipos de aislamiento en el mercado, pero no todos son adecuados para el servicio del sistema de fluido térmico. El aislamiento de fibra de vidrio es fácil y económico de instalar para aplicaciones de agua y glicol de agua. Para aplicaciones de aceite térmico, se debe evitar la fibra de vidrio ya que crea un riesgo de incendio, y siempre se debe usar aislamiento de celda cerrada, como el vidrio de espuma. Asegúrese de que haya suficiente aislamiento en el calentador y las tuberías para evitar lesiones al personal. OSHA generalmente recomienda un límite de temperatura de la superficie de 140 ° F, aunque debe verificar con su autoridad local o instalación para estar seguro. El aislamiento también reduce las pérdidas de calor a la atmósfera y preserva la eficiencia del sistema. Incluso si la seguridad del personal no está en duda, sus equipos y tuberías aún deben estar aislados.
8. Expansión líquida
A medida que el fluido térmico se calienta, se expandirá o incluso se contraerá. El agua y el agua-glicol tienen una expansión mínima; típicamente 10% o menos. El aceite térmico puede expandirse tanto como 30% a 40%, y variará ampliamente según el tipo de aceite y el fabricante. La sal fundida en realidad se contrae a medida que se derrite, y experimenta muy poca expansión, ya que continúa calentándose. Se debe proporcionar un tanque de expansión en los sistemas de aceite térmico, agua y agua-glicol para almacenar el fluido expandido y evitar la sobrepresión del sistema. Asegúrese de que haya un interruptor de nivel de líquido instalado en el tanque y conectado a la bomba y al calentador para su protección. Se recomienda un medidor de nivel para proporcionar una inspección visual del nivel del fluido. Muchos tanques de expansión están ventilados a la atmósfera. A temperaturas más altas, se recomienda instalar una capa de gas inerte (típicamente nitrógeno) en el tanque para evitar la oxidación de los aceites térmicos. También es necesario presurizar el sistema con nitrógeno cuando el fondo del tanque de expansión no está en el punto más alto de elevación en la tubería del sistema. Se recomienda que el tanque de expansión se diseñe y construya según ASME Sección VIII Div. 1; pero la decisión final es a discreción del propietario de la instalación o la autoridad local.
9. Conozca su clasificación de área
Los sistemas eléctricos de calentamiento de fluidos térmicos pueden instalarse en áreas peligrosas y no peligrosas. Es responsabilidad del propietario de la instalación determinar la clasificación del área en función de las consideraciones de diseño de seguridad de su planta. Las carcasas de terminales de calefacción NEMA 4 o IP56 son adecuadas para ubicaciones NEC Clase I Div 2 o IEC Zona 2. Los controles de temperatura deben purgarse con aire seco para instrumentos o colocarse en un recinto a prueba de explosión (NEMA 7). Para aplicaciones IEC, el panel debe fabricarse según Ex «p» o Ex «d». Asegúrese de que haya una certificación de terceros por parte de un Laboratorio de Pruebas Reconocido Nacionalmente (NRTL).
10. Conozca sus opciones de Start-Up
El comisionado y la puesta en marcha de su nuevo sistema de calentamiento de fluido térmico deben tomarse en serio. El sistema no se puede encender y operar sin una puesta en marcha adecuada. Se debe tener cuidado para eliminar el aire del agua y los sistemas de agua y glicol para evitar la cavitación de la bomba y posibles daños. El aire, el vapor y los contaminantes deben cocinarse de los sistemas de aceite caliente de una manera muy sistemática y cautelosa para evitar la sobrepresión del sistema y los posibles derrames de aceite caliente. La sal fundida está en forma sólida durante el inicio, y estos sistemas son aún más complejos de poner en servicio. Insista en que su proveedor brinde este servicio y asegúrese de que esté brindando un técnico de servicio que tenga una experiencia significativa en la puesta en servicio de sistemas de calefacción por fluido térmico.[1]
[1] Información brindada por especialistas en diseño y fabricación de calentadores traducido del inglés del documento “Electric Thermal Fluid Heating Systems: 10 Things You Should Consider When Buying or Specifying” Copyright ST®
Los calentadores de proceso eléctricos permiten el calentamiento directo de los fluidos de proceso con una eficiencia de transferencia de calor de casi el 100% de los elementos de calentamiento. En un calentador eléctrico directo, el fluido del proceso está en contacto directo con los elementos de calentamiento eléctrico.
Este método de calentamiento directo es adecuado para aplicaciones de inmersión y circulación.
Si bien el calentamiento directo es la forma más sencilla y eficiente de utilizar un calentador eléctrico, existen muchas buenas razones para utilizar métodos indirectos, como un sistema eléctrico de calentamiento por fluido térmico.
En estos sistemas de calentamiento indirecto, el calentador eléctrico puede calentar glicol, agua u otro fluido térmico y hacer que circule a un intercambiador de calor donde el calor del fluido se transfiere al proceso.
La capacidad dual de los calentadores eléctricos permite la selección de métodos de calentamiento directos o indirectos según las necesidades de la aplicación. Como resultado, los calentadores eléctricos se utilizan en una gama versátil de aplicaciones de proceso. La selección adecuada del material del elemento por parte del ingeniero permite el calentamiento directo de fluidos volátiles, cáusticos o reactivos, ampliando aún más la gama de aplicaciones que pueden acomodarse.
¿Tiene requisitos especiales de calefacción que no puede cumplir un calentador de proceso eléctrico estándar? Blue Soluciones es un importante distribuidor en Perú de calentadores de proceso eléctricos diseñados a medida.
La siguiente lista de verificación está diseñada para ayudar a priorizar sus necesidades de calefacción, de modo que pueda seleccionar el calentador de proceso eléctrico adecuado para el proyecto:
1. ¿Cuál es el volumen o caudal del fluido a calentar?
El volumen o la velocidad de flujo del fluido a calentar (junto con otras propiedades, térmicas y físicas) será un factor determinante con respecto al tamaño del calentador requerido. El volumen o la velocidad de flujo del fluido y el aumento de temperatura están directamente relacionados con la cantidad de energía que se necesita para calentar el fluido, es decir, cuanto mayor sea el volumen o la velocidad del flujo, mayor será el calentador.
Simplemente aumentar el rendimiento térmico de un elemento calefactor relativamente pequeño para calentar un volumen o caudal más grande no es necesariamente el mejor enfoque. Hacerlo puede aumentar la temperatura promedio del fluido al rango deseado, pero dependiendo de la viscosidad y la conductividad térmica del fluido, también puede provocar que el fluido más cercano a los elementos calefactores (conocido como temperatura de la película) se exponga a temperaturas demasiado altas.
El calentamiento excesivo cerca de los elementos térmicos puede causar:
vaporización localizada
Desglose químico
La formación de subproductos radicales.
Cualquier cantidad de otras reacciones físicas o químicas no deseadas
Por esta razón, es importante usar un elemento calefactor con la densidad de vatios adecuada (la producción de energía para un área de superficie dada) para cada fluido de proceso específico. Las densidades de vatios suelen oscilar entre 2 y 60 W/in2. La densidad de vatios de 2 W/in2 se usaría en una aplicación para un fluido altamente viscoso como el alquitrán, mientras que 60 W/in2 se usaría para una aplicación de agua limpia.
2. ¿Cuál es la temperatura objetivo del proceso?
La temperatura objetivo es igualmente importante para el flujo / volumen al determinar la potencia de salida requerida del calentador de proceso eléctrico. El aumento de temperatura se define como la temperatura objetivo menos la temperatura inicial. Cuanto mayor sea el aumento de temperatura, mayor será la potencia de salida requerida para lograr ese aumento de temperatura.
La temperatura del proceso objetivo también será un factor determinante para el calentador y la composición del material del recipiente. Las temperaturas más altas requieren materiales que no solo tengan una resistencia adecuada al calor, sino también a la corrosión y a otros procesos químicos, que pueden ocurrir a una velocidad acelerada en presencia de calor.
3. ¿Cuáles son las propiedades térmicas del fluido?
Las propiedades térmicas y físicas del fluido son un factor clave para determinar la densidad de vatios adecuada para el calentador. Un fluido con alta conductividad térmica y baja viscosidad, por ejemplo, puede usar un calentador con un alto rendimiento térmico (y mayor densidad de vatios) en comparación con un fluido con baja conductividad térmica y alta viscosidad. Esto a su vez tiene un impacto no solo en la forma en que se calienta el fluido, sino también en la vida útil del calentador; Si el fluido no puede eliminar el calor a una velocidad adecuada, eventualmente puede causar daños a los elementos calefactores.
Otras propiedades físicas y químicas del fluido también pueden ser importantes para determinar su elección de elementos de calentamiento. Los fluidos corrosivos o altamente reactivos pueden requerir materiales con propiedades anticorrosivas mejoradas. Los requisitos de salud y seguridad especializados también pueden tener un impacto en la elección de los materiales de los elementos calefactores.
4. ¿Cuánto espacio hay disponible en el sitio de instalación?
El espacio y otros requisitos físicos pueden afectar la elección del tamaño y la orientación del calentador de proceso eléctrico. Un espacio limitado puede requerir un diseño de calentador que sea más corto en longitud con un diámetro mayor. También se pueden proporcionar diferentes orientaciones del calentador según la aplicación.
Una configuración de calentador vertical podría ser un sustituto ideal para una configuración horizontal, donde el espacio del piso es limitado pero la altura del techo no lo es.
Con la asistencia de Blue Soluciones, los requisitos de montaje del calentador no son un problema. Los calentadores de circulación se pueden montar horizontalmente, verticalmente e incluso en una pendiente (para usar con líquidos que requieren vaporización).
Blue Soluciones envía calentadores desmontados o empacados como skids, contáctanos para más información
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