El “envejecimiento” y la “muerte natural” de una resistencia calentadora ocurre por la formación y desprendimiento de capas de óxido en la superficie del alambre o de la cinta, reduciendo su volumen hasta perder la continuidad. Este proceso de envejecimiento se acelera principalmente por:
Elevación de temperatura
Ciclos de dilatación-contracción por los cambios de temperatura
Para evitar el “envejecimiento prematuro” ver “Recomendaciones para optimizar la duración de los calentadores
eléctricos” en esta misma sección.
Otros factores que influyen en la vida útil del calefactor son: el diámetro del alambre o sección transversal de la cinta, que determinan la proporción entre volumen y superficie, el diseño del elemento resistivo (bobina helicoidal) y del calefactor completo, la atmósfera del medio (oxidante, reductor, neutro), contaminantes químicos, esfuerzos mecánicos y muchos más.
Debido a la complejidad de interacción de todos los parámetros mencionados, no se puede estimar la duración de un calefactor.
Se requiere calentar 100 litros de agua, contenidos en un recipiente metálico de 50 cm de ancho, 100 cm de largo y 40 cm de profundidad, de 20° C a 60° C en 2 horas. 1 Kcal (= 1000 calorías) es la cantidad de energía requerida para elevar la temperatura de 1 litro de agua en 1° C, por lo que se requieren 100 litros x 40° C = 4000 Kcal = 4.64 Kwh (ya que 1 Kwh = 862 Kcal).
Para calentar el recipiente que pesa 60 kg, se requerirán 60 x 0.12 x 40 = 288 Kcal = 0.33 Kwh, donde 0.12 es el calor específico del fierro. La suma 4.644 + 0.33 = 5 Kwh en 2 horas resulta en 2.5 Kw de potencia necesaria, a la que se suman las pérdidas superficiales de las caras metálicas y de la superficie del agua, obtenidas de las tablas de pérdidas superficiales correspondientes, que arrojan 500 W/hora, 1 Kw en las dos horas, resultando 3.5 Kw y se considera un 15% de margen de seguridad, dando un total de 4 Kw.
En resumen:
Kw = kg del material x calor específico + kg del contenedor x calor específico) x ° C de aumento de temperatura / 862 / horas de calentamiento
La temperatura del proceso depende tanto de la energía calorífica producida por el calefactor como de la energía calorífica absorbida y/o gastada por el proceso y las pérdidas de calor. Si la energía calorífica producida es mayor, la temperatura del proceso se irá incrementando hasta aproximarse a la temperatura del propio calefactor. Cuál será la temperatura final del proceso y en cuánto tiempo se alcanzará dependerán de los parámetros específicos de la aplicación. (Ver siguiente pregunta).
No es posible predeterminar la temperatura de un calefactor sin conocer los datos de gasto/absorción del calor producido. Una similitud podría ser un tina de agua, donde el nivel de agua sería la temperatura del proceso, el agua que entra a la tina sería el calor producido y el desagüe el calor absorbido/gastado. Si entra más agua (calor) que la que sale (absorción/gasto) el nivel (temperatura) aumentará. A qué nivel (temperatura) llegará y en cuánto tiempo dependerá de la diferencia entre las cantidades de entrada y salida de agua (calor).
Al igual que en el caso anterior, sólo las condiciones específicas de la aplicación concreta pueden determinar los límites de la potencia eléctrica. En términos muy generales la potencia específica máxima watts/cm2 dependerá del tipo de calefactor y la temperatura del proceso:
Elevación de temperatura
Banda mica 250°C 4 W/cm2
Banda cerámica 350°C 5W/cm2
Cartucho de alta concentración 300°C 40 W/cm2
Tubular para radiación 500°C 6 W/cm2
Tubular para inmersión en agua 80°C 12 W/cm2
Tubular para inmersión en aceite ligero 300°C 5 W/cm2
Tubular para inmersión en aceite pesado 300°C 1 W/cm2
Fundición en aluminio 300°C 5 W/cm2
Fundición en latón y bronce 500°C 4 W/cm2
Bancos de bobina abierta para aire forzado 250° C 8 W/cm2
La potencia máxima recomendable se obtendrá multiplicando la potencia específica por el área caliente del calefactor.
Por ejemplo, una tubular de 100 cm de longitud total con 5 cm de tramo frío y diámetro de 1.12 cm tiene un área caliente de (100-5-5) 1.12 x 3.12 = 316 cm2.
Para radiación a 500° C con 6 W/cm2 podrá tener 316 x 6 = 1900 o 2000 W.
La misma tubular pero para inmersión en agua podrá tener hasta 3800 – 4000 W.
Las resistencias eléctricas calentadoras convierten una forma de energía, la energía eléctrica, en otra forma de energía, la energía calorífica, según las fórmulas:
€ watts =volts2
ohms € watts = volts Å~ amperes, donde 1 watt = 862 calorías.
Caloría es la unidad de la energía calorífica, siendo 1 caloría la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1°C. Según la teoría electrónica la corriente eléctrica es el flujo de electrones. La intensidad de corriente se mide en amperes y 1 amper es igual al flujo de 6.3 x 1018 o sea, 6.3 trillones de electrones por segundo y, según la ley de Ohm, está en proporción directa a la tensión e inversa a la resistencia:
€ amperes = volts ohms
A la tensión o voltaje también se le denomina diferencia de potencial o fuerza electromotriz, por ser la medida del potencial de trabajo. Un volt es la diferencia de potencial necesaria para realizar un joule de trabajo cuando hay un flujo de carga de un coulomb, donde 1 J = 0.1 Kgm, es decir, la energía necesaria para mover una masa de 0.1 Kg a una distancia de 1 metro, y 1 coulomb = 6.3 x 1018 electrones. El paso de la corriente eléctrica por un conductor excita o aumenta la oscilación molecular del mismo, que se manifiesta en ondas electromagnéticas. Las longitudes de onda entre 0.7 y 1000 micrones se denominan infrarrojas y es lo que se percibe como calor.
Recomendaciones para optimizar la duración de los calentadores eléctricos
El peor enemigo es el sobrecalentamiento. Para evitarlo:
– No utilizar densidades superficiales (w/cm2) mayores a los recomendables en cada aplicación
– No utilizar potencia eléctrica excesiva
– Asegurar transferencia de calor eficiente:
- Tolerancia mínima en el diámetro de las perforaciones y ranuras para cartuchos y tubulares, cuando se usen en moldes para trabajar por contacto.
- Apretar bien las bandas al instalarlas y volverlas a apretar ya calientes.
- Fijar con firmeza los calentadores tipo tira a las superficies a calentar, previa limpieza de las mismas.
- Evitar la acumulación de depósitos en las unidades de inmersión, limpiándolas con la frecuencia necesaria.
- Asegurar el flujo continuo del volumen adecuado de líquidos y gases en los calentadores de circulación y los bancos para ductos aire; utilizar dispositivos de seguridad que desconecten el calentador si se interrumpe el flujo o es insuficiente.
- Asegurar que la zona caliente de las unidades de inmersión para líquidos esté siempre cubierta por el líquido; utilizar dispositivos de seguridad para desconectar el calentador si el nivel del líquido es menor al requerido.
- Mantener las conexiones eléctricas limpias y firmes.
- Evitar fluctuaciones de voltaje.
- Asegurar que el voltaje aplicado corresponda al voltaje de diseño del calentador.
- Utilizar sistemas de control de temperatura y potencia de precisión y eficientes que mantengan la temperatura de proceso con mínimas variaciones.
- Utilizar rectificadores de silicio SCR o relevadores de estado sólido SSR para reducir el tiempo de ciclo a fracciones de segundo y minimizar así las fases de expansión-contracción del elemento resistivo, que aumenten su vida útil hasta 20 veces en comparación con el uso de relevadores electromagnéticos.
- Utilizar sensor de límite alto en contacto firme con el calentador ya que el sensor “principal” controla la temperatura del proceso y puede ser inadecuado para evitar el sobrecalentamiento del calentador.
