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Una linea di asciugatura che funziona a 90 m3/min di aria può perdere circa il 10% della sua efficienza di riscaldamento quando la spaziatura delle alette su un tubo del preriscaldatore dell'aria è troppo stretta. Nella maggior parte dei casi, il vero problema non è il riscaldatore in sé, ma la discrepanza tra il design del tubo e le effettive condizioni dell'aria. Ecco perché scegliere un tubo del preriscaldatore d'aria significa bilanciare la temperatura del materiale, la densità di watt e la geometria delle alette prima dell'installazione, non dopo che si è verificato un guasto.
Cos'è un tubo del preriscaldatore dell'aria?
Un tubo del preriscaldatore dell'aria è un componente di scambio termico che aumenta la temperatura dell'aria che scorre attraverso un condotto, un forno o una camera di essiccazione. Negli impianti a caldaia, i preriscaldatori tubolari recuperano il calore dai gas di scarico. Nelle apparecchiature di riscaldamento elettrico, il tubo è un riscaldatore a resistenza chiuso con una guaina metallica, isolamento in ossido di magnesio e, nella maggior parte delle applicazioni ad aria, alette per ampliare la superficie di trasferimento del calore. Il filo della resistenza è avvolto elicoidale e impaccato con MgO, che trasferisce il calore isolando elettricamente la guaina. La guaina viene saldata e chiusa fino ad un diametro finale, tipicamente compreso tra 6,5 mm e 12,5 mm. Questo articolo si concentra sulla versione con riscaldamento elettrico perché è quella che gli ingegneri di processo specificano più spesso come componente di progettazione.
Tipi comuni di tubi del preriscaldatore dell'aria
I tubi standard del preriscaldatore dell'aria sono disponibili nelle configurazioni diritte, a forma di U, a forma di W e a forma di O.
Configurazioni diritte, a forma di U e a forma di W
Un tubo dritto è la forma più semplice e si adatta alle installazioni in cui la lunghezza riscaldata corrisponde alla profondità del condotto. Un tubo a forma di U ritorna su se stesso, consentendo a un condotto corto di ospitare una lunga lunghezza di riscaldamento effettiva. I tubi a forma di W aggiungono un'altra curva, offrendo una superficie ancora più attiva all'interno di uno spazio compatto. In pratica il formato a U è una buona scelta predefinita per i forni a convezione forzata perché mantiene i terminali di collegamento sullo stesso lato, semplificando il cablaggio. Ad esempio, a Tubo riscaldante ad aria alettato a forma di U viene solitamente specificato quando l'altezza del condotto è limitata ma la potenza richiesta è elevata.
Produttori e fornitori di tubi riscaldanti alettati a forma di U personalizzati Xinghua Yading Electric Heating Element Co., Ltd. è un produttore cinese di tubi riscaldanti alettati a forma di U OEM/ODM personalizzati e produttori di tubi riscaldanti alettati a forma di U. Visualizza il prodotto → Tubi alettati e tubi lisci
I tubi lisci sono più facili da pulire e sono accettabili nei sistemi di circolazione a bassa potenza. I tubi alettati sono la scelta standard per i preriscaldatori d'aria perché moltiplicano l'area di trasferimento del calore. Il fattore di aletta, che è il rapporto tra l'area della superficie alettata e l'area del tubo nudo, varia normalmente da 2 a 4. Nel riscaldamento elettrico dell'aria, un fattore di aletta più elevato consente di erogare la stessa potenza con un carico superficiale inferiore, riducendo il rischio di incrostazioni di ossido e prolungando la durata del tubo. Tuttavia, i tubi lisci non vanno ignorati: nelle apparecchiature per camere bianche o dove è richiesta una sterilizzazione frequente, l'assenza di alette può rendere notevolmente più semplice la manutenzione.
Selezione del materiale: la prima decisione che influisce sulla durata del tubo
Il primo passo di selezione è il materiale della guaina. Il materiale determina la temperatura massima di funzionamento continuo, la tolleranza alla corrosione e la durata pratica del tubo. La tabella seguente mette a confronto i materiali più comuni per i tubi del preriscaldatore d'aria elettrico.
| Material | Temperatura massima continua | Resistenza alla corrosione | Applicazione tipica |
|---|---|---|---|
| Acciaio inossidabile 304 | 750°C | Buono con aria secca | Riscaldatori generali per condotti |
| Acciaio inossidabile 321 | 800°C | Migliore resistenza al ridimensionamento | Forni e linee di essiccazione |
| Lega 800 | 815°C | Buona ossidazione e moderata resistenza agli acidi | Preriscaldatori con rischio di condensa |
| Lega 840 | 900°C | Stabilità superiore alle alte temperature | Riscaldamento ad aria industriale ad alte prestazioni |
Selezione guidata dalla temperatura
La temperatura massima della guaina deve mantenersi al di sotto del punto di ossidazione del materiale. Per il funzionamento continuo, l'acciaio inossidabile 304 è adeguato al di sotto di 750°C. Quando la temperatura dell'aria in uscita supera tale livello, passare a 321 o alla lega 800. La lega 840 viene utilizzata quando la superficie del tubo stesso si avvicina a 900°C, ad esempio nei progetti ad alta densità di potenza o quando la velocità dell'aria è bassa.
Problemi di corrosione e condensa
Nei preriscaldatori d'aria, la corrosione del punto di rugiada può verificarsi quando la temperatura della superficie del tubo scende al di sotto del punto di rugiada del gas circostante. Anche in un condotto riscaldato elettricamente, le condizioni di avviamento a freddo possono creare condensa sulla superficie in acciaio inossidabile. Cloruri e solfati presenti nell'aria dell'officina attaccano poi la guaina. Per ambienti con umidità nota, una guaina in lega 800 e un limite di densità di watt basso offrono un ulteriore margine di sicurezza.
Densità di Watt e suo impatto pratico
La densità in Watt è la potenza divisa per la superficie riscaldata, solitamente espressa in W/cm2. È il numero più utile per prevedere la temperatura della superficie del tubo. A parità di wattaggio, un tubo alettato ha una densità di watt inferiore rispetto a un tubo liscio perché l'area delle alette è più grande, quindi la guaina funziona a temperature più basse. Nelle applicazioni ad aria forzata con una velocità del condotto pari o superiore a 3 m/s, un intervallo iniziale compreso tra 3 e 5 W/cm2 è sicuro per l'acciaio inossidabile. Se il flusso d'aria è irregolare o il condotto è sottodimensionato, il valore effettivo può raddoppiare in alcune zone, motivo per cui molti ingegneri rimangono al di sotto di 3 W/cm2 finché non viene verificato il modello di flusso effettivo. Per un riscaldatore da 10 kW con 2000 cm2 di superficie alettata la densità di watt è di 5 W/cm2. Se lo stesso riscaldatore viene valutato sull'area del tubo nudo, il numero può sembrare molto più alto, quindi verificare sempre quale area cita il produttore.
Prima di finalizzare il progetto, confrontare la potenza calcolata con il flusso di massa d'aria e l'aumento di temperatura utilizzando Q = m * cp * dT. Una volta nota la potenza richiesta, regolare la lunghezza del tubo e la geometria delle alette per mantenere la densità di watt all'interno della banda di sicurezza. Una spiegazione dettagliata di questa relazione è disponibile nell'articolo su densità di watt negli elementi riscaldanti elettrici .
Tubi alettati: più superficie, meno surriscaldamento
Le alette modificano il funzionamento del tubo del preriscaldatore dell'aria in un condotto. Senza alette, il coefficiente di trasferimento termico dell'aria esterna è basso, quindi la temperatura della superficie del tubo aumenta rapidamente e il filo riscaldante all'interno diventa più caldo del necessario. Con le alette, lo stesso tubo cede più calore al flusso d'aria e l'efficienza complessiva migliora notevolmente. Il compromesso è la caduta di pressione: una distanza più ravvicinata tra le alette crea più superficie ma anche più resistenza, quindi la ventola deve lavorare di più. Per aria polverosa o fibrosa un passo delle alette più ampio è più sicuro anche se la resa termica è leggermente inferiore. L'altezza, lo spessore e il passo dell'aletta definiscono il fattore dell'aletta. Un'altezza comune della pinna è compresa tra 6 e 15 mm, lo spessore tra 0,3 e 0,5 mm e il passo tra 3 e 6 mm. Quando la domanda è alta, a Tubo riscaldante alettato a forma di W dà più superficie nella stessa impronta. Nei condotti circolari, an Tubo riscaldante alettato a forma di O è progettato per seguire la sezione trasversale e ridurre le zone morte in prossimità della parete del condotto.
Produttori e fornitori di tubi riscaldanti alettati a forma di O personalizzati Xinghua Yading Electric Heating Element Co., Ltd. è un produttore cinese di tubi riscaldanti alettati a forma di O OEM/ODM personalizzati e produttori di tubi riscaldanti alettati a forma di O. Visualizza il prodotto → 
Produttori e fornitori di tubi riscaldanti alettati a forma di W personalizzati Xinghua Yading Electric Heating Element Co., Ltd. è un produttore cinese di tubi riscaldanti alettati a forma di W OEM/ODM personalizzati e produttori di tubi riscaldanti alettati a forma di W. Visualizza il prodotto → Selezione di un tubo del preriscaldatore dell'aria: una lista di controllo passo passo
Una lista di controllo strutturata previene gli errori tipici delle nuove installazioni: densità di watt sovradimensionata, materiale sbagliato o area delle alette insufficiente. Utilizzare la seguente sequenza quando si specifica un tubo del preriscaldatore dell'aria.
- Definire il flusso di massa d'aria, la temperatura di ingresso e la temperatura di uscita richiesta. Calcolare la potenza totale necessaria.
- Scegli una densità di watt target. Per velocità dei condotti superiori a 3 m/s, 3–5 W/cm2 è un punto di partenza ragionevole; abbassare il valore se la portata d'aria è variabile.
- Selezionare il materiale della guaina in base alla temperatura massima prevista della superficie del tubo e all'eventuale rischio di corrosione nell'ambiente.
- Decidi tra tubi lisci e alettati. Sono preferibili i tubi alettati a meno che la pulibilità non sia la massima priorità.
- Confermare la direzione di montaggio, i raggi di curvatura, la posizione della termocoppia e i collegamenti elettrici con il produttore prima della produzione.
Per ulteriori indicazioni su come migliorare il sistema generale, leggi qui come migliorare l'efficienza energetica dei sistemi di riscaldamento dell'aria industriali con efficienti tubi di riscaldamento dell'aria .
Guasti comuni e prevenzione
Anche un tubo ben specificato può guastarsi se le condizioni di installazione differiscono dal progetto. I guasti più comuni sono il surriscaldamento, la rottura dell'isolamento e i danni meccanici alle alette.
- Bruciatura per surriscaldamento: questo si presenta come un'area scolorita visibile sulla guaina. Di solito deriva da una densità di watt troppo elevata per la portata effettiva o da un guasto della ventola. Verificare la direzione e la velocità del flusso d'aria e aggiungere un flussostato.
- Guasto all'isolamento: questa appare come corrente di dispersione quando l'ossido di magnesio assorbe umidità, spesso dopo uno spegnimento a freddo. Lasciare raffreddare gradualmente il tubo e mantenere asciutto il vano dei terminali.
- Danno alla pinna: le alette piegate o mancanti aumentano la temperatura locale e riducono il trasferimento di calore. Proteggere il riscaldatore durante la movimentazione e la manutenzione e pulire i depositi di polvere senza utilizzare strumenti affilati.
La protezione termica non è opzionale. Un termostato di base con limite alto o un interblocco del flusso d'aria possono prevenire la maggior parte dei guasti da incendio. Per ulteriori pratiche di sicurezza, rivedere il norme essenziali di sicurezza per le serpentine di riscaldamento e i loro collegamenti .
Conclusione
La scelta di un tubo del preriscaldatore dell'aria è una decisione ingegneristica che dipende da quattro numeri: temperatura dell'aria in uscita, spazio disponibile, velocità dell'aria e densità di watt. Quando tutti e quattro sono noti, il materiale e la geometria delle alette diventano semplici. Quando uno di questi viene ignorato, è probabile che il tubo si guasti prima della sua durata di servizio prevista. In un sistema di riscaldamento industriale, alcune ore di revisione del progetto in fase di specifica sono sempre più economiche di un arresto causato da un riscaldatore sottodimensionato o non adatto.
