El sistema de calentamiento por trazado eléctrico , cinta calefactora o calefacción de superficie , es un sistema utilizado para mantener o elevar la temperatura de tuberías y recipientes mediante cables de calentamiento por trazado. El calentamiento por trazado adopta 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 un 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 por trazado se puede utilizar para proteger las tuberías de la congelación, para mantener una temperatura de flujo constante en sistemas de agua caliente o para mantener las temperaturas de proceso de las tuberías que deben transportar sustancias que se solidifican a temperatura ambiente. Los cables de calentamiento por trazado eléctrico son una alternativa al calentamiento por trazado con vapor cuando el vapor no está disponible o no se desea. [2]
La calefacción eléctrica por trazado comenzó en la década de 1930, pero inicialmente no había equipos dedicados disponibles. Los cables con aislamiento mineral funcionaban a altas densidades de corriente para producir calor, y el equipo de control se adaptaba a partir de otras aplicaciones. [3] El cable calefactor de resistencia con aislamiento mineral se introdujo en la década de 1950, y comenzaron a estar disponibles los cables calefactores de tipo paralelo que se podían cortar a medida en el campo. Los cables termoplásticos autolimitantes se comercializaron en 1971. [4]
Los sistemas de control para sistemas de calefacción por trazado evolucionaron desde termostatos de bulbo lleno capilar y contactores en la década de 1970 hasta controles computarizados en red en la década de 1990, en sistemas grandes que requieren control y monitoreo centralizados. [5]
Un documento proyectó que entre 2000 y 2010, la calefacción por trazas representaría 100 megavatios de carga conectada, y que la calefacción por trazas y el aislamiento representarían una inversión de capital de hasta 700 millones de dólares canadienses en las arenas petrolíferas de Alberta. [6]
Las normas internacionales aplicadas en el diseño e instalación de sistemas de calefacción por trazado eléctrico incluyen las normas IEEE 515 y 622, la norma británica BS 6351 y la norma IEC 60208. [5]
Las aplicaciones más comunes de calefacción por trazado de tuberías incluyen: [ cita requerida ]
Otros usos de los cables calefactores incluyen: [ cita requerida ]
Toda tubería o recipiente está sujeto a pérdida de calor cuando su temperatura es superior a la temperatura ambiente. El aislamiento térmico reduce la tasa de pérdida de calor, pero no la elimina. La calefacción por trazado mantiene la temperatura por encima del punto de congelación equilibrando el calor perdido con el calor suministrado. Normalmente, se utiliza un termostato para activar el sistema cuando mide una temperatura que cae por debajo de un valor de temperatura establecido, normalmente entre 3 °C y 5 °C y que a menudo se denomina "punto de ajuste". El termostato desactivará la calefacción por trazado cuando mida una temperatura que sube por encima de otro valor de temperatura establecido, normalmente 2 °C más que el valor del punto de ajuste.
Colocación de cables calefactores en los techos o en las canaletas para derretir el hielo durante los meses de invierno . Cuando se utilizan en las canaletas, el cable no está pensado para mantener las canaletas libres de hielo o nieve, sino solo para proporcionar un camino libre para que el agua derretida baje del techo y baje por el bajante o la tubería de desagüe.
También es posible trazar las tuberías de 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 por trazado 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 por trazado 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 solidificarse a bajas temperaturas, por ejemplo, alquitranes o azufre fundido. Los elementos calefactores de trazas que alcanzan la temperatura pueden evitar el bloqueo de las tuberías.
Las aplicaciones industriales del calentamiento por trazado abarcan desde la industria química , las refinerías de petróleo , las centrales nucleares y las 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 estar provista de una fuente de calor externa para evitar que la tubería y el material en su interior se enfríen. El calentamiento por trazado también se puede realizar con vapor, pero esto requiere una fuente de vapor y puede resultar incómodo de instalar y operar.
En los laboratorios, los investigadores que trabajan en el campo de la ciencia de los materiales utilizan el calentamiento por trazas para calentar una muestra de forma isotrópica. Pueden utilizar el calentamiento por trazas junto con un variac para controlar la energía térmica suministrada. Este es un medio eficaz para calentar lentamente un objeto para medir propiedades termodinámicas como la expansión térmica.
Como el calentamiento de 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 positiva neta (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, que posiblemente superaría cualquier beneficio. [7]
Un cable calefactor en serie está hecho de un tramo de cable 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 entre sí pueden sobrecalentarse y quemarse, se proporcionan en longitudes específicas y no se pueden acortar en el campo, además, una rotura en cualquier parte a lo largo de la línea resultará en una falla de todo el cable. La ventaja es que generalmente son económicos (si son calentadores de estilo plástico) o, como es el caso de 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, oleoductos largos y muelles de tuberías de carga en refinerías de petróleo.
Un cable de potencia constante se compone de múltiples zonas de potencia eléctrica constante y se fabrica envolviendo un elemento calefactor fino alrededor de dos cables de bus paralelos aislados. Luego, en lados alternos de los conductores, se realiza una muesca en el aislamiento. Luego, el elemento calefactor normalmente se suelda al cable conductor expuesto, lo que crea un pequeño circuito calefactor; esto luego se repite a lo largo de la longitud del cable. Luego hay una cubierta interna que separa los cables de bus de la trenza de conexión a tierra. En los cables comerciales e industriales, se aplica una cubierta exterior adicional de caucho o teflón. [2]
Las ventajas de este sistema sobre los elementos en serie es que si un elemento pequeño falla, el resto del sistema seguirá funcionando; por otro lado, las secciones dañadas del cable (generalmente de 3 pies de longitud) permanecerán frías y posiblemente provoquen congelamiento 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 de la tubería. Al instalar un cable de potencia constante o cualquier cable de trazado de calor, es importante no superponer ni tocar el cable consigo mismo, ya que estará sujeto a sobrecalentamiento y quema. El cable de potencia constante siempre se instala con un termostato para controlar la salida de potencia del cable, lo que lo convierte en una fuente de calor 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 calefactoras autorregulables son cables cuya resistencia varía con la temperatura: baja resistencia para temperaturas inferiores al punto de ajuste del cable y alta resistencia para temperaturas superiores al punto de ajuste del cable. Cuando la temperatura del cable alcanza el punto de ajuste, la resistencia alcanza un punto alto, lo que hace que no se suministre más calor.
Estos cables utilizan dos cables de bus paralelos que transportan electricidad pero no crean 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 forma inherente y solo entrega calor y energía donde y cuando lo requiere el sistema. 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 vataje 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 vataje constante tienen una temperatura máxima de exposición específica, lo que significa que si están sujetos a altas temperaturas, la cinta puede dañarse sin posibilidad de reparación. Además, las cintas autolimitantes están sujetas a corrientes de entrada más altas en el arranque en frío, de manera similar a un motor de inducción , por lo que se requiere un contactor de mayor capacidad.
Los cables de seguimiento de calor se pueden conectar a fuentes de alimentación monofásicas o (en grupos) trifásicas. La alimentación se controla mediante un contactor o un controlador de estado sólido. En el caso de cables autorregulables, la fuente de alimentación debe proporcionar una gran corriente de calentamiento si el sistema se enciende a partir de una condición de arranque en frío. El contactor o el controlador pueden incluir un termostato si se requiere un mantenimiento preciso de la temperatura, o pueden simplemente apagar un sistema de protección contra el congelamiento en un clima templado.
Es posible que se requiera que los sistemas de trazado de calor eléctrico tengan dispositivos de protección contra fugas a tierra ( RCD ) para proteger al personal y al 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 de motor trifásico "directo en línea", que se controla mediante un termostato en algún lugar de la línea. Esto garantiza que la temperatura se mantenga constante y que la línea no se sobrecaliente ni se caliente demasiado.
Si una línea se congela porque se apagó la calefacción, puede llevar algún tiempo descongelarla mediante el uso de un sistema de calentamiento por trazado. Esta descongelación se realiza en los sistemas trifásicos mediante un "transformador automático" para generar un voltaje más alto y, en consecuencia, una corriente más alta, y hacer que los elementos de calentamiento por trazado estén un poco más calientes. El sistema de refuerzo suele estar en un temporizador y vuelve a la condición "normal" después de un período de tiempo.