Il calore è una componente inevitabile della produzione industriale. Forni, caldaie, impianti di aspirazione, tubazioni di processo e molte altre apparecchiature sono progettate per funzionare ad alte temperature. Gli ingegneri tengono conto di queste condizioni nella scelta dei materiali e dei componenti, ma non si basano esclusivamente sui valori di temperatura di esercizio.
Molti problemi di manutenzione ricorrenti hanno origine al di fuori della fonte di calore primaria. Un cavo posizionato vicino a un collettore di scarico si indebolisce nel tempo. Un tubo idraulico si indurisce dopo ripetute esposizioni al calore radiante. Una guarnizione perde la sua capacità di tenuta dopo centinaia di cicli di riscaldamento e raffreddamento.
Nessuno di questi guasti implica necessariamente che l'apparecchiatura abbia superato i limiti di progettazione. Tuttavia, ci mostra come il calore si propaga attraverso un assemblaggio e influisce gradualmente sui componenti circostanti.
Il riscaldamento di processo è la principale fonte di consumo energetico nel settore industriale statunitense, per applicazioni quali fusione, polimerizzazione, essiccazione, trattamento termico e processi chimici.<sup> 1</sup> Con una tale quantità di energia termica che attraversa i sistemi industriali, comprendere dove si dirige questo calore è altrettanto importante quanto conoscerne l'origine.
La prevenzione dei danni da calore nelle apparecchiature industriali inizia con un'analisi che va oltre la temperatura massima di esercizio, valutando il trasferimento di calore nell'intero gruppo, e non solo nel componente più caldo. In questo modo, i progettisti sono spesso in grado di individuare con maggiore precisione le aree vulnerabili prima che si trasformino in problemi di manutenzione. In pratica, questa visione più ampia può anche rivelare dove una protezione termica mirata, come guaine, rivestimenti, isolanti o barriere, può proteggere i componenti secondari vulnerabili prima che l'esposizione al calore diventi un problema ricorrente di manutenzione.
Il calore non rimane nel punto in cui viene generato.
Un errore comune nella progettazione termica è pensare che il calore rimanga confinato al componente che lo produce. L'energia termica si propaga continuamente all'interno delle apparecchiature per conduzione, convezione e irraggiamento. Questi meccanismi possono esporre gli elementi circostanti a condizioni operative non previste inizialmente.
- Conduzione Il calore viene trasferito tramite contatto diretto. Staffe metalliche, flange, elementi di fissaggio, piastre di montaggio e supporti strutturali possono trasformarsi in percorsi indesiderati che disperdono il calore lontano da forni, sistemi di scarico o apparecchiature di processo riscaldate. I componenti montati a diversi centimetri di distanza dalla fonte di calore primaria potrebbero comunque raggiungere temperature più elevate semplicemente perché collegati da materiali altamente conduttivi.
- Convezione Si tratta di una sfida diversa. L'aria riscaldata tende naturalmente a salire e a circolare attraverso le apparecchiature, soprattutto all'interno di spazi chiusi con scarsa ventilazione. Armadi di controllo, alloggiamenti per apparecchiature e involucri per macchine possono sviluppare punti caldi localizzati che espongono cablaggi, sensori, connettori e componenti in polimero a temperature superiori a quelle ambientali circostanti.
- Radiazione Viene spesso trascurato anche perché non richiede contatto fisico. Un tubo flessibile, un cablaggio o una linea di strumentazione nelle vicinanze possono assorbire energia radiante da una parete incandescente di un forno, da un collettore di scarico o da un'apparecchiatura di processo riscaldata, anche quando le temperature dell'aria sembrano normali. In molti ambienti di produzione, il calore radiante provoca un rapido invecchiamento dei componenti adiacenti.
Un tubo flessibile idraulico che passa attraverso un'apparecchiatura in uno spazio ristretto può essere soggetto a calore radiante proveniente da un processo adiacente, a riscaldamento conduttivo attraverso i morsetti di supporto e a riscaldamento convettivo dovuto all'aria intrappolata all'interno dell'involucro. Pertanto, considerare solo la temperatura nominale dichiarata per il tubo flessibile non tiene conto dell'intero ambiente termico in cui esso opera effettivamente.
Il tempo di esposizione è altrettanto importante quanto la temperatura di picco. Il lavoro del NIST sulla previsione della durata di servizio sottolinea che i materiali polimerici sono soggetti simultaneamente a molteplici fattori di stress ambientali, tra cui temperatura, umidità, carico meccanico, radiazioni e campi elettrici.² Queste condizioni combinate influiscono sulle prestazioni e sull'affidabilità del materiale a lungo termine.²
I ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento aggiungono un ulteriore livello di complessità. Con l'aumento e la diminuzione delle temperature, materiali diversi si espandono e si contraggono a velocità diverse, esercitando sollecitazioni su giunti, guarnizioni, rivestimenti, elementi di fissaggio e interfacce tra materiali dissimili. La NASA identifica i cicli termici come un importante test di qualificazione e accettazione perché le ripetute variazioni di temperatura possono rivelare difetti di progettazione termica, difetti di fabbricazione e difetti dei materiali che potrebbero non essere evidenti in condizioni statiche. 3
Le apparecchiature industriali subiscono questi stessi effetti nel corso degli anni di funzionamento. Col tempo, le giunzioni possono allentarsi, le guarnizioni possono perdere compressione, i rivestimenti possono usurarsi e i collegamenti elettrici possono spostarsi a livello microscopico. Questi cambiamenti possono verificarsi lentamente, rendendo difficile collegarli al calore finché gli intervalli di manutenzione non iniziano a ridursi.
Anche le apparecchiature circostanti potrebbero non rimanere invariate per tutta la loro vita utile. I ritmi di produzione aumentano, la disposizione delle apparecchiature cambia, vengono aggiunte nuove tubature o linee elettriche, la ventilazione viene modificata e i componenti del sistema vengono sostituiti o modificati con materiali diversi.
Lo stress termico va quindi valutato al meglio come una condizione dell'intero sistema, e non semplicemente come un problema limitato a forni o caldaie.
Considerando l'ambiente termico completo
I problemi di manutenzione legati al calore che si ripresentano di continuo non sono sempre riconducibili alla temperatura di esercizio del processo principale. Talvolta sono il risultato di un'esposizione termica cumulativa nell'intero sistema circostante. Cavi, tubi flessibili, guarnizioni, connettori, sensori e supporti strutturali possono essere danneggiati dall'energia termica, anche quando non sono mai esposti alle temperature più elevate del sistema.
Considerare l'intero ambiente termico può offrire agli ingegneri maggiori possibilità di ridurre l'esposizione al calore non necessaria. Il percorso di cavi e tubi flessibili, la distanza tra i componenti ad alta temperatura e la protezione termica industriale mirata mediante guaine, rivestimenti, isolanti o barriere termiche possono ridurre la quantità di energia termica che raggiunge gli assemblaggi vicini.
La termografia e le ispezioni di routine possono inoltre identificare punti caldi localizzati prima che contribuiscano al degrado prematuro dei componenti. Ad esempio, una tubazione idraulica può rimanere al di sotto del limite di temperatura specificato, ma invecchiare prematuramente a causa del calore radiante generato dalle apparecchiature di scarico vicine. Un manicotto o una barriera termica opportunamente selezionati possono ridurre il calore che raggiunge il tubo flessibile senza richiedere modifiche al processo principale.
Proteggere le apparecchiature dall'esposizione al calore significa determinare come l'energia termica modifica l'intero gruppo, non semplicemente verificare che i singoli componenti rispettino i valori di temperatura dichiarati. In questo modo, gli ingegneri possono individuare potenziali punti di usura, ridurre gli interventi di manutenzione ripetuti e ottenere prestazioni più costanti per tutta la durata di vita dell'apparecchiatura e del relativo sistema.
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Domande frequenti
Perché i componenti si guastano anche quando funzionano al di sotto della temperatura massima consentita?
La temperatura nominale indicata su una pubblicazione rappresenta solo un aspetto delle prestazioni di un materiale. Il tempo di esposizione, i cicli termici ripetuti, il carico meccanico, l'umidità e l'ambiente operativo generale influiscono tutti sull'invecchiamento dei materiali nel tempo. I componenti che operano entro l'intervallo di temperatura specificato possono comunque subire un'usura accelerata quando queste condizioni si verificano contemporaneamente.
Quali componenti sono più vulnerabili all'esposizione al calore secondario?
L'usura dovuta al calore si sviluppa tipicamente in cavi, isolamenti dei fili, tubi flessibili idraulici e pneumatici, guarnizioni elastomeriche, connettori elettrici, sensori, cuscinetti e supporti strutturali situati in prossimità di apparecchiature ad alta temperatura. Sebbene questi componenti potrebbero non raggiungere mai le temperature più elevate del sistema, un'esposizione prolungata al calore condotto, convettivo o radiante può ridurne la durata.
Come possono gli ingegneri individuare in anticipo i potenziali problemi di manutenzione legati al calore?
La termografia, le ispezioni di routine e la revisione della disposizione delle apparecchiature possono aiutare ingegneri e addetti alla manutenzione a individuare le aree in cui si accumula calore in modo anomalo. Esaminare cavi, tubi flessibili, guarnizioni, strumentazione e componenti di supporto nelle vicinanze della principale fonte di calore fornisce un quadro più completo di come l'energia termica si propaga attraverso l'assemblaggio e dove è più probabile che si sviluppi usura.
fonti
1. Nozioni di base sul calore di processo, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
2. Progetto di previsione della durata di servizio dei polimeri caricati, Istituto nazionale di standard e tecnologia
3. Base di conoscenze sugli SSRI per il ciclo termico, NASA
