CÓMO DISEÑAR PARA LOGRAR UNA TRANSFERENCIA DE CALOR EFECTIVA

Los calentadores eléctricos industriales son útiles para suministrar calor cuando lo necesita y controlar la temperatura a un ritmo constante que haya determinado. Sin embargo, un diseño deficiente debido a la colocación inadecuada de los sensores o el sistema de calefacción en sí mismo, no producirá los resultados deseados e incluso puede provocar fallas de calor.
 
Al comprender cómo funciona la transferencia de calor, puede aumentar la probabilidad de éxito en cualquier proyecto y lograr sus objetivos al diseñar un calentador industrial. El calor es energía en última instancia y sigue las leyes termodinámicas de la física.
 
Al diseñar un calentador, existen cinco reglas esenciales de transferencia térmica que se pueden aplicar al diseño para minimizar la pérdida de energía, aumentar la eficiencia y ofrecer mejores resultados. 

#1 Proporcionar una ruta directa

Los viajes del calor se irradian desde su fuente en una trayectoria directa. Cualquier obstáculo colocado en el camino disipa dicha energía y puede bloquearla casi por completo. Al diseñar un calentador eléctrico, debe tener en cuenta todas las vías de pérdida de calor, que van desde orificios y ranuras hasta superficies que carezcan de un material adecuado. Todas estas áreas pueden evitar que el calor viaje a donde usted quiere que vaya y puede provocar una pérdida de calor y que el calentador sea menos eficiente.
 
Si se le presenta un diseño complejo sin opciones alternativas, es recomendable buscar la ayuda de un experto en calefacción. Ciertos diseños pueden consistir en (por ejemplo) un calentador flexible de 0.125 pulgadas de longitud que tiene un termopar conectado en cualquier lugar a lo largo de la extensión que se calienta. En este escenario, puede reducir la energía necesaria para calentar la herramienta disminuyendo su masa.

#2 Diseñar para preservar la integridad de los diámetros interiores

Cuando diseña para lograr un buen ajuste, aumenta la longevidad del calentador y también ahorra energía. Para aumentar y obtener el mejor rendimiento de su calentador eléctrico, deberá proporcionar contacto entre el calentador y el sistema al que esté vinculado para un ajuste perfecto, preservando la integridad de los diámetros interiores. Por ejemplo, para un calentador de cartucho de alto vataje, puede usar un orificio barrenador de calentador con una tolerancia de ±0.001″ lejos de la posición nominal, usando un cuerpo de calentador de norma DIN g6.
 
También puede empujar el calentador eléctrico dentro de la herramienta, aumentando la transferencia de calor y ofreciendo una mayor densidad de vatios superficial. Empujar el calentador debe hacerse con cuidado para evitar comprimir el calentador. Si bien puede ocurrir cierta deformación y es aceptable, la compresión no lo es. Puede ser útil consultar a un socio de soluciones térmicas para asegurarse de instalar el calentador correctamente.

#3 La energía controlada es la única energía útil

La transferencia de calor se ve afectada por la colocación del termopar o el lugar donde se detecta la temperatura y la cantidad de masa de material que se calienta.
 
Por ejemplo, si el sensor se coloca muy lejos del calentador, la respuesta puede salirse de control y si está muy cerca, la lectura puede ser inexacta. Su objetivo es que la temperatura que esté midiendo sea el mismo valor que la temperatura de la superficie de trabajo. Cuando tiene la colocación térmica correcta, puede reducir el Δ o el diferencial de temperatura entre el punto de ajuste y la temperatura de trabajo actual.
 
La cantidad de masa de material que se calienta también es importante. Si el grosor del material es muy pequeño, el calor no se irradia uniformemente desde el calentador. Se crea una «nervadura» de calor. Si el material es muy denso, se reduce la eficiencia. La masa y el espesor del alma pueden afectar la distribución del calor. Cuando la temperatura de la superficie de trabajo es la misma que la temperatura del termopar, el proceso está bien controlado. Por otro lado, se puede crear una nervadura de calor si la masa es demasiado gruesa, y la temperatura del termopar no es la misma que la superficie, lo que provoca una distribución de calor inferior a la ideal y un proceso no controlado.

#4 Un diseño mejorado previene los problemas causados por los enfoques de «reparación temporal»

A medida que los calentadores se calientan y enfrían, los componentes dentro de los calentadores eléctricos se ven afectados. Colocar tornillos en el interior como un método de reparación temporal puede mantener las cosas en su lugar, sin embargo, los tornillos crean problemas como el bloqueo de la transferencia de calor y fallas de tensión en los cables de resistencia. En lugar de utilizar enfoques improvisados como este que pueden crear problemas nuevos y más grandes, es mejor diseñar un mejor calentador eléctrico inicialmente, uno que esté diseñado para adaptarse y preservar la integridad de los diámetros interiores. Si descubre que necesita sujetar el calentador al cuerpo del equipo, use una brida soldada al cuerpo del calentador. La brida se mantiene en su lugar mediante tornillos, pero no dañan ni afectan el rendimiento del calentador.

#5 Aumentar la potencia en vatios no siempre es la elección correcta

La mayor parte de la energía se consume durante el aumento inicial de la temperatura ambiente. Después de alcanzar un estado estable, el calentador solo requerirá aproximadamente el 20 por ciento de la potencia en vatios inicial para mantener un punto de ajuste. El aumento de la potencia en vatios aumentará el índice inicial de aumento para llevar el calentador al estado estable, pero después de eso no ofrecerá ningún valor. Una complicación por aplicar demasiada potencia en vatios inicialmente es la «deformación». El aumento de potencia no necesariamente mejora el rendimiento con una transferencia de calor más rápida, ya que una potencia demasiado alta inicialmente también puede disminuir la vida útil general del calentador.
 
En resumen, el diseño de un calentador eléctrico requiere la comprensión de la forma adecuada de controlar y distribuir el calor, siguiendo las reglas básicas de transferencia de calor. El uso de una revisión de diseño y el modelado FEA o CFD pueden ayudar a explorar diferentes escenarios. Incluso los pequeños cambios pueden afectar la vida útil del calentador, la calidad de su rendimiento y velocidad.
 
La gestión térmica efectiva es esencial para diseñar un calentador eléctrico que funcione bien, sea eficiente y duradero. Trabajar con un socio de soluciones térmicas puede proporcionarle la experiencia en ingeniería necesaria para lograr esto.