El trazado de calor eléctrico , cinta térmica o calefacción de superficies , es un sistema utilizado para mantener o elevar la temperatura de tuberías y recipientes mediante cables de trazado de calor. El calentamiento de trazas toma la forma de un elemento calefactor eléctrico que se coloca en contacto físico a lo largo de una tubería. La tubería suele estar cubierta con aislamiento térmico para retener las pérdidas de calor de la tubería. El calor generado por el elemento mantiene la temperatura de la tubería. El calentamiento de trazas se puede utilizar para proteger las tuberías contra la congelación, para mantener una temperatura de flujo constante en sistemas de agua caliente o para mantener temperaturas de proceso para tuberías que deben transportar sustancias que se solidifican a temperatura ambiente. Los cables calefactores de traza eléctrica son una alternativa al calentamiento de traza de vapor cuando el vapor no está disponible o no es deseado. [2]
La calefacción de trazas eléctricas comenzó en la década de 1930, pero inicialmente no había ningún equipo específico disponible. Los cables con aislamiento mineral corrían a altas densidades de corriente para producir calor y los equipos de control se adaptaron de otras aplicaciones. [3] El cable calefactor de resistencia con aislamiento mineral se introdujo en la década de 1950 y se dispuso de cables calefactores de tipo paralelo que podían cortarse a medida en el campo. Los cables termoplásticos autolimitantes se comercializaron en 1971. [4]
Los sistemas de control para sistemas de calefacción de trazas se desarrollaron desde termostatos de bulbo capilar y contactores en la década de 1970 hasta controles computarizados en red en la década de 1990, en grandes sistemas que requieren control y monitoreo centralizados. [5]
Un artículo proyectó que entre 2000 y 2010 la calefacción de trazas representaría 100 megavatios de carga conectada, y que la calefacción de trazas y el aislamiento representarían una inversión de capital de hasta 700 millones de dólares canadienses en las arenas bituminosas de Alberta. [6]
Las normas internacionales aplicadas en el diseño e instalación de sistemas de calefacción eléctrica incluyen las normas IEEE 515 y 622, la norma británica BS 6351 y la norma IEC 60208. [5]
Las aplicaciones de calentamiento de trazas de tuberías más comunes incluyen: [ cita necesaria ]
Otros usos de los cables calefactores de trazas incluyen: [ cita necesaria ]
Toda tubería o recipiente está sujeto a pérdida de calor cuando su temperatura es mayor que la temperatura ambiente. El aislamiento térmico reduce la tasa de pérdida de calor pero no la elimina. El calentamiento de trazas mantiene la temperatura por encima del punto de congelación equilibrando el calor perdido con el calor suministrado. Normalmente, un termostato se utiliza para energizar cuando mide la temperatura que cae por debajo de un valor de temperatura establecido, generalmente entre 3 °C y 5 °C y, a menudo, denominado "punto de ajuste". El termostato desactivará la calefacción de seguimiento cuando mida que la temperatura aumente más allá de otro valor de temperatura establecido, generalmente 2 °C más que el valor del punto de ajuste.
Colocación de cable calefactor en tejados o canalones para derretir el hielo durante los meses de invierno . Cuando se usa en canalones, el cable no está destinado a mantener los canalones libres de hielo o nieve, sino solo a proporcionar un camino libre para que el agua derretida salga del techo y baje por el bajante o la tubería de drenaje.
También se pueden trazar las tuberías del servicio de agua caliente, de modo que no se necesita un sistema de circulación para proporcionar agua caliente en las salidas. La combinación de calefacción de traza y el aislamiento térmico correcto para la temperatura ambiente de funcionamiento mantiene un equilibrio térmico en el que la salida de calor de la calefacción de traza coincide con la pérdida de calor de la tubería. Se han desarrollado cintas calefactoras autolimitantes o reguladoras que tienen mucho éxito en esta aplicación.
Se puede aplicar un principio similar a las tuberías de proceso que transportan fluidos que pueden congelarse a bajas temperaturas, por ejemplo, alquitranes o azufre fundido. Los elementos calefactores de trazas de alta temperatura pueden evitar la obstrucción de las tuberías.
Las aplicaciones industriales para el calentamiento de trazas van desde la industria química , refinerías de petróleo , plantas de energía nuclear y fábricas de alimentos. Por ejemplo, la cera es un material que comienza a solidificarse por debajo de los 70 °C, que suele estar muy por encima de la temperatura del aire circundante. Por lo tanto, la tubería debe contar con una fuente externa de calor para evitar que la tubería y el material en su interior se enfríen. El calentamiento de trazas también se puede realizar con vapor, pero esto requiere una fuente de vapor y puede ser incómodo de instalar y operar.
En los laboratorios, los investigadores que trabajan en el campo de la ciencia de materiales utilizan el calentamiento de trazas para calentar una muestra de forma isotrópica. Pueden utilizar trazas de calentamiento junto con un variac , para controlar la energía térmica entregada. Este es un medio eficaz para calentar lentamente un objeto para medir propiedades termodinámicas como la expansión térmica.
A medida que calentar un fluido espeso disminuye su viscosidad, se reducen las pérdidas que se producen en una tubería. Por lo tanto, se puede aumentar la altura de succión neta positiva (diferencia de presión) disponible, lo que disminuye la probabilidad de cavitación durante el bombeo. Sin embargo, se debe tener cuidado de no aumentar demasiado la presión de vapor del fluido, ya que esto tendría un fuerte efecto secundario en la altura disponible, posiblemente superando cualquier beneficio. [7]
Un cable calefactor en serie está hecho de un tendido de alambre de alta resistencia, aislado y, a menudo, encerrado en una funda protectora. Se alimenta a un voltaje específico y el calor de resistencia del cable crea calor. La desventaja de este tipo de calentadores es que si se cruzan sobre sí mismos pueden sobrecalentarse y quemarse, se proporcionan en longitudes específicas y no se pueden acortar en el campo, además, una rotura en cualquier parte de la línea resultará en una falla de todo el cable. La ventaja es que suelen ser económicos (si son calentadores de plástico) o, como ocurre con los cables calefactores con aislamiento mineral, pueden estar expuestos a temperaturas muy altas. Los cables calefactores con aislamiento mineral son buenos para mantener altas temperaturas en líneas de proceso o mantener temperaturas más bajas en líneas que pueden calentarse extremadamente, como las líneas de vapor de alta temperatura.
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Normalmente, los elementos en serie se utilizan en procesos de calentamiento de tuberías largas, por ejemplo, tuberías de petróleo largas y tuberías de carga en el lado del muelle de las refinerías de petróleo.
Un cable de potencia constante se compone de múltiples zonas de energía eléctrica constante y se fabrica envolviendo un elemento calefactor fino alrededor de dos cables de bus paralelos aislados, luego en los lados alternos de los conductores se hace una muesca en el aislamiento. Luego, el elemento calefactor normalmente se suelda al cable conductor expuesto, lo que crea un pequeño circuito de calefacción; Esto luego se repite a lo largo del cable. Luego hay una cubierta interior que separa los cables del bus de la trenza de tierra. En cables comerciales e industriales, se aplica una cubierta exterior adicional de caucho o teflón. [2]
Los beneficios de este sistema sobre los elementos en serie es que si un pequeño elemento falla, el resto del sistema continuará funcionando; por otro lado, las secciones dañadas del cable (generalmente de 3 pies de largo) permanecerán frías y posiblemente provocarán congelamientos en dicha sección. Además, este cable se puede cortar a medida en el campo debido a su circuito paralelo; sin embargo, debido a que el circuito solo llega hasta la última zona del cable, cuando se instala en el sitio, normalmente debe instalarse un poco más allá del final del cable. la tubería. Al instalar un cable de potencia constante o cualquier cable de trazado calefactor, es importante no superponer ni tocar el cable entre sí, ya que estará sujeto a sobrecalentamiento y quemado. El cable de potencia constante siempre se instala con un termostato para controlar la potencia de salida del cable, lo que lo convierte en una fuente de calefacción muy confiable.
La desventaja de este cable es que la mayoría de los cables de potencia constante no tienen conexiones soldadas a los cables del bus, sino contactos de tipo presión y, por lo tanto, son más propensos a tener circuitos fríos debido a conexiones sueltas causadas por la manipulación e instalación del cable.
Las cintas de rastreo de calor autorregulables son cables cuya resistencia varía con la temperatura: baja resistencia para temperaturas por debajo del punto de ajuste del cable y alta resistencia para temperaturas por encima del punto de ajuste del cable. Cuando la temperatura del cable alcanza el punto establecido, la resistencia alcanza un punto alto, lo que provoca que no se suministre más calor.
Estos cables utilizan dos cables de bus paralelos que transportan electricidad pero no generan calor significativo. Están recubiertos de un polímero semiconductor. Este polímero está cargado de carbono; A medida que el elemento de polímero se calienta, permite que fluya menos corriente, por lo que el cable ahorra energía de manera inherente y solo entrega calor y energía donde y cuando el sistema lo requiere. Los cables se fabrican y luego se irradian y, al variar tanto el contenido de carbono como la dosis, se pueden producir diferentes cintas con diferentes características de salida. Los beneficios de este cable son la capacidad de cortar a medida en el campo. Es más resistente y mucho más confiable que un cable de potencia constante; no puede sobrecalentarse por lo que se puede cruzar, pero es una mala práctica instalar la cinta de esta manera. Los cables calefactores autorregulables y de potencia constante tienen una temperatura de exposición máxima específica, lo que significa que si se exponen a altas temperaturas, la cinta puede dañarse sin posibilidad de reparación. Además, las cintas autolimitantes están sujetas a corrientes de irrupción más altas en el arranque en frío, similar a un motor de inducción , por lo que se requiere un contactor de mayor capacidad.
Los cables calefactores de traza se pueden conectar a fuentes de alimentación monofásicas o (en grupos) trifásicas. La energía es controlada por un contactor o un controlador de estado sólido. Para el cable autorregulador, el suministro debe proporcionar una gran corriente de calentamiento si el sistema se enciende desde una condición de arranque en frío. El contactor o controlador puede incluir un termostato si se requiere un mantenimiento preciso de la temperatura, o puede simplemente apagar un sistema de protección contra congelación en climas templados.
Es posible que se requiera que los sistemas de trazado de calor eléctrico tengan dispositivos de fuga a tierra (falla a tierra o RCD ) para protección del personal y del equipo. El diseño del sistema debe minimizar la corriente de fuga para evitar disparos molestos; esto puede limitar la longitud de cualquier circuito de calefacción individual.
Los sistemas trifásicos se alimentan a través de contactores similares a un arrancador 'directo en línea' de un motor trifásico que está controlado por un termostato en algún lugar de la línea. Esto asegura que la temperatura se mantenga constante y que la línea no se sobrecaliente ni se sobrecaliente.
Si una línea se congela porque se apagó la calefacción, es posible que tarde algún tiempo en descongelarse utilizando la calefacción de traza. Esta descongelación se realiza en los sistemas trifásicos mediante el uso de un "autotransformador" para proporcionar un voltaje más alto y, en consecuencia, una corriente más alta, y calentar un poco más los elementos calefactores traza. El sistema de refuerzo suele funcionar con un temporizador y vuelve a la normalidad después de un período de tiempo.