Last updated on julio 13th, 2017 at 05:26 pm

La calefacción eléctrica puede ser cualquier proceso donde la energía eléctrica es convertida en calor¹. Un ejemplo perfecto es un calentador eléctrico. Tiene varias aplicaciones que incluyen calentar agua y crudo, calefacción espacial, cocción, y es ampliamente usado en procesos industriales². Un calentador eléctrico funciona con base en el principio de calefacción de Joule³, el cual es un proceso en el que una corriente eléctrica se convierte en calor al pasar a través de un conductor.

La tecnología del calentador eléctrico tubular ha sido utilizada por más de 30 años, pero recientemente su uso en las industrias química y petroquímica ha aumentado. Mejoras en las características de seguridad, esquemas de control y diseño de productos le han proporcionado una ventaja a esta tecnología en comparación con otros medios de calor.

Un elemento de calefacción tubular básico consiste de un cable de níquel cromo (Ni-Cr) (80-20% o 70-30%), que proporciona resistencia a la electricidad generando calor⁶. Óxido de magnesio compacto (MgO) y un recubrimiento de metal rodean el cable de Ni-Cr (ver imagen a continuación) Broches fríos (conductores metálicos) son utilizados para hacer conexiones eléctricas al cable de resistencia. Las terminaciones eléctricas pueden hacerse en varias formas. Toda vez que el MgO es muy higroscópico, este es sellado para prevenir que la humedad entre.

Estos elementos tubulares están soldados a una brida para obtener un ensamblaje de calentador de inmersión. Normalmente un ensamblaje de calentador de inmersión consiste en elementos de calefacción, brida o placa tubular, termopares y su carcasa y colectores del circuito del elemento (ver figura a continuación). Para calentar un fluido o gas directamente, este ensamblaje del calentador puede estar fijado al tanque con pernos o puede estar montado en un recipiente a presión.

Se requiere información detallada sobre la aplicación en la mayoría de los usos para la industria petroquímica para garantizar un desempeño exitoso del calentador. Parte de la información requerida incluye el medio que se calentará, la temperatura de entrada y de salida, la presión de operación, el caudal o el tamaño del tanque, la temperatura y presión de diseño, el área de uso (es decir, bajo techo o al aire libre), ubicación peligrosa (de ser así, indicar clase, grupo y división), caída de presión tolerable, tiempo de calentamiento, diámetro de las tuberías de conexión de entrada y de salida, voltaje disponible y precisión requerida del control de temperatura.

Es importante seleccionar un material adecuado tanto para el revestimiento como para el recipiente. Algunos de los factores que determinan la selección del material incluyen la temperatura de diseño y del revestimiento, presión de diseño y naturaleza corrosiva del medio que se calentará. La siguiente tabla puede utilizarse como referencia^6,

Los calentadores de inmersión de brida normalmente se usan para calentar gas con bajo flujo, crudos pesados y livianos, aceites lubricantes, líquidos levemente corrosivos y ceras. También se usan para agua desionizada y desmineralizada, soluciones detergentes, agua de proceso y jabón.  Hay muchas ventajas asociadas al uso de acero para el calentador, por ejemplo, minimiza las pérdidas térmicas, resistencia a la corrosión, mayor vida útil, etc.

Los elementos de calefacción con brida hechos de acero inoxidable son más idóneos para las aplicaciones con soluciones corrosivas de leves a severas. Con fines sanitarios, también se usan en la industria alimentaria.

En años recientes, ha habido un agotamiento de las reservas de gas en la industria petrolera y gasífera con un aumento constante de la demanda y los costos crecientes del gas natural han hecho que sea necesaria una fuente alternativa para precalentar los fluidos producidos en calentadores de pre-tratamiento en los campos petroleros. Los calentadores eléctricos de inmersión han suministrado una manera segura, eficiente, confiable y económica de satisfacer esta necesidad en comparación con otras técnicas convencionales de calefacción⁷.

Otro ejemplo de la aplicación de calentadores eléctricos en la industria petroquímica es para brindar protección contra la congelación y mantenimiento del proceso en los sistemas de tuberías⁹. Las ventajas de este uso en particular incluyen los costos mínimos de instalación, los menores costos de operación, y un mejor control de la temperatura.

También se ha observado que la calefacción con resistencia eléctrica puede actuar como sustituto de la calefacción con vapor de agua y con combustión directa en las industrias petrolera, petroquímica y química¹⁰. La evaluación comparativa indica que la calefacción eléctrica es más prometedora a causa de la mayor eficiencia de la electricidad en comparación con otras formas convencionales de calefacción.

Otra área de aplicación de los calentadores eléctricos es en las hélices de las aeronaves⁸. La formación de hielo en las hélices es un riesgo potencial debido a los efectos que puede tener sobre el equilibrio, la aerodinámica y las características estructurales de la hélice y de la aeronave. La calefacción eléctrica es una manera conveniente de obtener la cantidad de calor necesaria para evitar la formación de hielo en las aspas de las hélices en condiciones de instalación adversas.

Eliminar la arena del crudo es un proceso muy costoso y la eficiencia de la separación se ve minimizada a causa de la alta viscosidad del crudo en muchos campos petroleros. Para resolver el problema de la baja eficiencia con los crudos de alta viscosidad, la calefacción eléctrica tiene un alto grado de aplicación y las empresas petroleras le prestan cada vez más atención y le asignan más importancia por su aplicación en los campos petroleros para resolver el problema de la baja eficiencia con una viscosidad alta⁵. Ésta tiene una variedad de aplicaciones en los campos petroleros relacionadas con la tecnología de separación de las arenas petrolíferas, tales como la separación de estas últimas del aire húmedo, un desengrasado ultrasónico más limpio de las arenas petrolíferas y aplicación de micro-emulsión en las arenas petrolíferas.

Un ejemplo de su aplicación es en el desarenado del crudo pesado en las plataformas costa afuera⁵ en las que se usa un polvo especial de cobre como material conductor para el calentador eléctrico, el cual se encuentra entre la tubería y los espirales de calefacción. Este polvo tiene una alta resistividad y efecto transitorio de calefacción que ayuda a alcanzar los requerimientos de temperatura en un menor período de tiempo. Los resultados incluyen una alta eficiencia térmica, fácil instalación, bajo mantenimiento y funcionamiento estable y confiable.

Los calentadores de inmersión son ampliamente usados en una variedad de aplicaciones en las industrias de procesos químicos⁴ (IPQ). Estos calentadores se usan para fluidos como materiales viscosos, materiales fundidos y gases, agua, aceites, solventes y soluciones de proceso. Vienen en diferentes opciones en cuanto a sus características, tales como tamaño, conexiones terminales, materiales de recubrimiento y accesorios, potencia nominal (kilovatios) y voltajes o potencial eléctrico. A causa de la transmisión de calor dentro del líquido o gas, los calentadores de inmersión tienen una eficiencia energética de prácticamente 100%.

Los calentadores de brida cuadrada pueden encontrarse en aplicaciones como tanques de almacenamiento y calderas industriales que contengan aceites combustibles, soluciones cáusticas, solventes desengrasantes y fluidos de transferencia térmica. Los calentadores de rosca se usan comúnmente en aplicaciones con agua desmineralizada y de proceso, limpiadores cáusticos, soluciones anticongelantes (glicol), tanques industriales y de agua limpia de lavado, agua desionizada, parafina líquida, aceite hidráulico y crudo, baños químicos, etc. Aunque los calentadores laterales de inmersión por lo general se usan en aplicaciones a alta presión, tales como tanques de gas sobrecalentado y comprimido. Pero también son útiles en tanques no presurizados.

Seleccionar el calentador correcto según la aplicación requerida es muy importante y depende de las características o requerimientos de dicha aplicación. Normalmente, se determina el calor que se requiere para un trabajo, y éste luego se convierte en la potencia eléctrica requerida y se selecciona el calentador en función de esto. La determinación de la potencia requerida es igual para calentar líquidos, sólidos o gases. Las propiedades del material a calentar también desempeñan un papel importante en la selección del calentador. Por ejemplo, si el líquido es petróleo crudo, el cual normalmente es espeso y viscoso, requiere una densidad muy baja de potencia. El aceite vegetal, el cual es muy liviano, podría usar sólo 30 o 40 vatios por pulgada⁴. La densidad de potencia depende de la conductividad térmica, la viscosidad y el calor específico del aceite. Estimar adecuadamente la densidad de potencia protege el calentador contra la coquización.

La coquización es un depósito que normalmente se forma sobre el material de revestimiento del calentador a causa de la descomposición química del material que se está calentando. La cantidad de coquización depende de la temperatura máxima de operación del aceite o crudo que se esté calentando. Normalmente ocurre en los productos petroleros, lo que hace que la vida útil del calentador se deteriore y conlleva a fallas prematuras.

El diseño del calentador puede desempeñar un papel fundamental a la hora de evitar o minimizar la coquización. Por ejemplo, el revestimiento de un elemento tubular plano tiene una temperatura menor que el de un elemento tubular redondo al operar con la misma densidad de potencia, y por lo tanto, el elemento plano tiene menores riesgos de coquización.

En resumen, podemos decir que las aplicaciones de calentadores eléctricos son muy variadas: calentar diferentes líquidos y gases a temperaturas extremadamente altas, sobrecalentamiento de vapor, fluidos de transferencia térmica, aceites combustibles y soluciones corrosivas. La tecnología de calefacción eléctrica ha progresado mucho en cuanto a seguridad, estándares de diseño, confiabilidad y controlabilidad. No hay problemas por emisiones, por lo que esta tecnología es segura para el ambiente. La clave de un desempeño adecuado son las buenas prácticas de ingeniería y tanto conocimiento sobre la aplicación como sea posible para garantizar un buen diseño.

Referencias

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_heating#cite_note-3

2.  Donald G. Fink and H. Wayne Beaty, Standard Handbook for Electrical Engineers (Manual estándar para ingenieros eléctricos), 11va edición, McGraw-Hill, Nueva York, ISBN 0-07-020974-X, páginas 21-144 a la 21-188, 1978.

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Joule_heating.

4. Robert Klein, Immersion heaters: selection & implementation, Chemical Engineering (Calentadores de inmersión: selección e implementación, ingeniería química).  113.1, p. 44-48, enero 2006.

5. Ding Feng, Nian Liu, Xiaofei Chang, Peng Wang, Chao Ruan y Hong Zhang, The application of electric heater in heavy oil desanding of offshore platform (La aplicación de calentadores eléctricos en el desarenado de crudo pesado en plataformas costa afuera), IEEE, 2011.

6. Rob Bohn, Mike Bange y Joe Foreman,  The basics of electric process heating (Fundamentos de calefacción eléctrica de procesos), IEEE, Paper No. PCIC-94-14, 1994.

7. Palastak, James E, Use of electric immersion heating elements in oilfield heater-treaters (Uso de elementos de calefacción eléctrica por inmersión en tratadores – calentadores en el campo petrolero), SPE Eastern Regional Meeting, Society of Petroleum Engineers, 4-6 novimebre, Columbus, Ohio, 1981.

8. Jack H. Sheets, Edward J. Sand, Development and application of electric heating to deicing of aircraft propellers (Desarrollo y aplicación de calefacción eléctrica para la descongelación de hélices de aeronaves), IEEE, vol. 68, 1949.

9. C.J. Erickson, James D. Lyons, N.R. Rafferty, Chet Sandberg, A study of steam vs electrical pipeline heating costs on a typical petro-chemical plant project (Un estudio de los costos de calefacción de tuberías con vapor Vs. eléctrica en un proyecto típico de planta petroquímica), IEEE, paper no. PCIC-90-02, 1990.

10. Anon, Steam substitution in chemical process, petrochemical and petroleum industries , research and development report (Sustitución del vapor en procesos químicos, industrias petroquímica y petrolera, informe de investigación y desarrollo), Canadian electrical association, issn: 08232660, marzo de 1987.