Expansió tèrmica: el repte d'enginyeria dels escalfadors llargs

En última instància, tots els enginyers de manteniment aprèn com es mou el metall quan s'escalfa. Aquest és un fet bàsic de la mecànica. Com que un tub d'escalfament elèctric ultra-un sol-cap amb una longitud de 1200 mm aconsegueix la seva temperatura de funcionament, es pot expandir molt. Si aquesta expansió no es té en compte durant el disseny i la instal·lació, els resultats podrien ser dolents: escalfadors que estan enganxats i gairebé impossibles d'eliminar, peces de motlle fracturades, beines de calefacció doblegades o connexions internes trencades. Per tant, qualsevol persona que s'encarrega d'especificar, instal·lar o mantenir escalfadors de cartutxos llargs ha de saber entendre i fer front a l'expansió tèrmica.

L'aritmètica darrere de l'expansió tèrmica és senzilla, però sovint la gent no hi pensa prou. El coeficient d'expansió per a les beines d'acer inoxidable i Incoloy sol ser d'uns 0,000017 m/m/grau (17 µm/m/grau). L'expansió longitudinal completa d'un escalfador de cartutx de capçal únic ultra-llarg-de 1200 mm (1,2 m) que funciona a una temperatura de procés de 400 graus (amb un augment de temperatura d'uns 380 graus respecte a l'ambient) pot superar els 8 mm. Aquest creixement pot ser de més de 10 mm a temperatures de funcionament més altes de 500-600 graus. Quan fa fred, un escalfador que encaixi perfectament pot sobresortir molt quan fa calor. O, pitjor, si s'ajusta massa fortament a la part inferior d'un forat cec, no tindrà cap lloc on desenvolupar-se i, en canvi, pot doblegar-se, augmentar-se o posar una tensió axial devastadora al metall que l'envolta.

És per això que els dissenyadors i tècnics qualificats sempre deixen un espai d'expansió tèrmica al final dels forats cecs. Un petit espai de 2 a 3 mm pot ser suficient per a escalfadors de cartutxos més curts, però per a una unitat ultra-llarga de 1200 mm, la separació recomanada és molt més gran-normalment de **5 mm a 10 mm** a l'extrem tancat de la cavitat. Si no hi ha prou espai, l'escalfador pressionarà contra la part inferior del forat a mesura que s'expandeix. Això crea pressions de compressió que poden trencar les parets del motlle febles, canviar la forma de la funda de l'escalfador o compactar de manera desigual l'aïllament intern d'òxid de magnesi (MgO). En circumstàncies molt dolentes, la funda pot col·lapsar-se o l'escalfador es pot enganxar definitivament, la qual cosa significa utilitzar mètodes cars com la perforació o l'electroerosió per treure'l.

El final del plom (terminació) té els seus propis problemes amb l'expansió. El segment fred es mou en relació amb el compartiment de cablejat o la placa de muntatge a mesura que l'escalfador de 1200 mm s'escalfa. Si els cables estan ben subjectats perquè no es puguin moure, aquest creixement axial pot tirar directament dels punts de terminació interns, cosa que pot afluixar lentament les connexions, estresar la unió del cable de resistència o fins i tot trencar els cables interns durant molts cicles tèrmics. Per solucionar-ho, molts escalfadors llargs d'alta-qualitat inclouen configuracions de cable flexibles, terminacions de molla-o una folga addicional de plom integrat al conjunt. Alguns dissenys tenen una secció fresca flotant o funcions d'alleujament-de tensió que ocupen el moviment sense posar tensió a les connexions elèctriques.

L'addició d'expansió radial (diàmetre) fa que les coses siguin encara més complicades. La funda s'expandeix cap a l'exterior a mesura que s'escalfa, normalment de 0,05 a 0,15 mm de diàmetre, depenent de la substància i la temperatura. Si l'obertura és massa estreta, aquesta expansió radial fa que l'escalfador s'uneixi en tota la seva longitud. El problema és pitjor amb un escalfador ultra-llarg de 1200 mm, ja que la superfície més gran significa més punts de contacte que produeixen fricció. L'enquadernació posa més tensió a la mecànica, atura l'expansió lliure i pot provocar punts calents localitzats o deformació de la funda. La resposta és establir una distància d'instal·lació que funcioni tant per a la inserció en fred com per al funcionament en calent. Per a la majoria de diàmetres de fins a 20 mm, un espai lliure diametral de **0,05 mm a 0,10 mm** (una mica més gran que els escalfadors curts) us ofereix l'espai que necessiteu tot mantenint un bon contacte tèrmic. És molt recomanable que utilitzeu un escariat o un rectificat de precisió per obtenir aquesta tolerància.

Aquí hi ha algunes pràctiques més recomanades per fer front a l'expansió tèrmica en escalfadors de 1200 mm:
- Col·loqueu l'escalfador al forat de manera que toqui suaument la part inferior i, a continuació, estireu-lo una mica cap enrere (per tal que coincideixi amb el buit d'expansió calculat) abans de posar-lo al seu lloc definitiu. - Col·loqueu un compost anti{-conductor d'alta-temperatura i no-conductor a la funda per reduir la fricció i l'expansió{5} durant el cicle de contracció{5} materials de la funda com Incoloy que es mantenen més forts i tenen menys escala a altes temperatures, la qual cosa redueix la possibilitat d'enganxar-se. - Estigueu atents als primers senyals de problemes associats a l'expansió, com ara els escalfadors que es fan més difícils d'eliminar o els canvis en el consum de corrent que no s'havien previst.

L'expansió tèrmica no és un problema en el disseny o el procés de fabricació. És només una característica natural dels metalls. Un escalfador de cartutx de capçal únic de-alta-qualitat de 1200 mm de llarg-llarg- pot funcionar durant anys sense trencar-se ni fallar abans d'hora si s'instal·la correctament amb els espais d'expansió, els espais diametrals, la gestió de cables i els processos d'instal·lació adequats. Fins i tot l'escalfador-millor dissenyat es trencarà en última instància si no us en feu cas. Això us costarà molts diners en temps d'inactivitat i substitucions.

Seguint les regles d'expansió tèrmica des de l'inici del procés de disseny i instal·lació, els enginyers i els equips de manteniment s'asseguren que els seus escalfadors llargs es mantinguin parts fiables del sistema tèrmic en lloc de causar dificultats amb la mecànica tot el temps.