Fluidos de transferência de calor e imersão: um conjunto diferente de regras

Quando você usa um aquecedor de cartucho para aquecer líquidos em vez de blocos ou moldes de metal sólido, todo o cenário térmico muda muito. Quando usado para aquecimento por imersão, como para água, óleos hidráulicos, fluidos de transferência térmica, banhos químicos ou líquidos de qualidade alimentar, um aquecedor de cartucho de 440 V precisa lidar com um conjunto totalmente novo de problemas do que quando é usado para aplicações secas e condutivas. O fator mais importante não é mais a tolerância de ajuste ou a condutividade do molde; é a capacidade do fluido de transportar calor para longe da superfície da bainha por meio de convecção, condução e, às vezes, ebulição.

Em um ambiente de metal sólido, a transferência de calor é fácil de prever e bastante uniforme. Isto ocorre porque o aço ou o alumínio têm uma alta condutividade térmica (25–237 W/m·K) e os metais tocam-se intimamente. A condutividade térmica do fluido, a capacidade de calor específico, a viscosidade, a densidade, a velocidade do fluxo e o comportamento de mudança de fase-afetam a rapidez com que o calor pode deixar um líquido. A água tem um alto calor específico (4,18 kJ/kg·K), uma boa condutividade térmica (≈0,6 W/m·K) e uma baixa viscosidade, o que significa que ela se move muito mesmo em tanques parados. Isso significa que as densidades de watts podem ser relativamente altas. Um aquecedor de cartucho de 440 V com potência de 10–20 W/cm² (ou 60–130 W/pol²) pode funcionar com segurança em água em movimento ou agitada. Isso só aumentará a temperatura da bainha em 20–50 graus acima da temperatura do fluido a granel.


Em contraste, óleos ou fluidos viscosos que transferem calor. Óleos minerais pesados, óleos térmicos sintéticos ou misturas de glicol têm condutividade térmica substancialmente mais baixa (0,1–0,15 W/m·K), viscosidade mais alta (10–1000 cP vs. 1 cP para água) e convecção natural mais fraca. Uma camada de fluido aquecido e menos viscoso se forma próximo à bainha quando há pouco ou nenhum fluxo. Esta camada protege o aquecedor, o que faz com que a temperatura da bainha aumente rapidamente. Se a densidade de watts for muito alta, a superfície pode ultrapassar o limite de temperatura do filme do fluido, que geralmente fica entre 250 e 350 graus para muitos óleos. Isso pode causar rachaduras térmicas, oxidação ou polimerização. A bainha recebe um depósito de carbono preto e duro que é chamado de "coqueificação". A Coca é um ótimo isolante térmico (condutividade<0.1 W/m·K), which means it keeps heat inside the heater, making the internal wires get much hotter than is safe, which speeds up oxidation, insulation breakdown, and eventually burnout.

Quando se trata de aplicações de imersão em 440 V, escolher a densidade de watts certa é provavelmente a escolha mais importante. Algumas regras gerais para a indústria são:
- Água e soluções aquosas: 10–25 W/cm² (60–160 W/in²) é suficiente, desde que a água flua bem. Em aplicações de-fluxo forçado ou fervura, pode atingir até 30–40 W/cm². - Óleos leves (baixa viscosidade, como fluido hidráulico): 5–10 W/cm² (30–65 W/in²). - Óleos pesados, fluidos de transferência térmica ou líquidos espessos: para permanecer abaixo dos limites de coqueificação, o máximo é 2–5 W/cm² (13–32 W/in²). - Produtos químicos que se decompõem facilmente (como ácidos e solventes) frequentemente precisam de 1–3 W/cm² com forte agitação.

Estas restrições não são aleatórias; eles vêm de dados-reais e das recomendações do fabricante para a temperatura mais alta do filme. Passar por cima deles, mesmo que por pouco tempo, inicia a coqueificação, o que piora: a camada isolante aumenta a temperatura da bainha, o que leva ao aumento da coqueificação e à falha rápida, geralmente em semanas em vez de anos.

Escolher o material certo da bainha é ainda mais importante quando se trata de imersão. O aço inoxidável 304 ou 316 é adequado para água, óleos suaves e a maioria dos produtos químicos, mas em situações adversas, é necessário atualizá-lo. A corrosão por corrosão e corrosão sob tensão-são duas maneiras pelas quais soluções com alto-cloreto, ácidos ou produtos químicos clorados podem danificar o aço inoxidável. As ligas de níquel-ferro-cromo Incoloy 800 ou 825 são a melhor escolha para banhos de óleo químicos ou de alta-temperatura porque são menos propensas a enferrujar, oxidar ou carburar. Se você precisar proteger contra substâncias muito corrosivas, como ácidos fortes ou sais fundidos, poderá precisar de designs com revestimento de titânio, Hastelloy ou fluoropolímero. A bainha é a única coisa que impede a entrada de eletricidade no fluido. Se quebrar, a corrente pode fluir para o fluido, o que pode causar choques ou eletrólise.

As regras de instalação e operação também são muito diferentes das aplicações secas: - O comprimento aquecido deve estar sempre completamente submerso. Quando algo está parcialmente submerso, produz uma zona seca na interface de ar líquido- onde a densidade de watts basicamente se torna infinita (sem convecção). Isso faz com que a bainha derreta ou quebre imediatamente. - Use montagens de flange, bujões roscados ou buchas roscadas com as juntas corretas para garantir que não haja vazamentos e que as terminações elétricas permaneçam frias e secas. - Use sensores de corte de-nível baixo-ou chaves flutuantes para desligar o aquecedor se o nível do fluido baixar. - Sempre que puder, use agitação ou circulação forçada (bombas, agitadores) para quebrar camadas limite e permitir que densidades seguras mais altas aconteçam. - Para líquidos espessos, pense em colocar a entrada perto do fundo ou na lateral para ajudar as correntes de convecção naturais.

Para aquecer líquidos com sucesso, você precisa saber como eles reagem ao calor. Cada fluido publicou temperaturas máximas de filme e densidades de watts sugeridas. Se você não seguir essas instruções, poderá acabar com acúmulo de coque, contaminação de fluidos, ineficiência do processo e falha do aquecedor. 440Os aquecedores de cartucho V funcionam bem em serviços de imersão porque usam densidades de watts conservadoras para meios viscosos ou estagnados, ligas de revestimento que são quimicamente compatíveis e submersão total constante. Eles também incentivam o movimento fluido. As regulamentações para aplicações de imersão são diferentes daquelas para aquecimento de moldes, mas se você as seguir, as aplicações de imersão poderão ser tão confiáveis ​​por muitos anos quanto as instalações secas, sem o medo silencioso de que a coqueificação transforme um aquecedor fino em uma falha dispendiosa.