MX2011010234A - Cable de calentamiento por efecto piel con recubrimiento mineral aislante. - Google Patents
Cable de calentamiento por efecto piel con recubrimiento mineral aislante.Info
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Abstract
Un cable calentador por efecto piel que tiene aislamiento de cerámica inorgánica. El cable calentador tiene al menos un alambre conductor central dentro de un recubrimiento. La electricidad se dirige a través del conductor central en una trayectoria hacia afuera y retorna a lo largo de una "piel" de la superficie del recubrimiento en una trayectoria de retorno para generar calor.
Description
CABLE DE CALENTAMIENTO POR EFECTO PIEL CON RECUBRIMIENTO
MINERAL AISLANTE CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere generalmente a cables eléctricos de calentamiento, y más particularmente a cables calentadores por efecto piel que tienen aislamiento de cerámica inorgánica que utilizan al menos un alambre conductor central dentro de un recubrimiento de manera que la electricidad se dirige a través del conductor central en una trayectoria hacia afuera y retorna a lo largo de una "piel" de la superficie del recubrimiento en una trayectoria de retorno para generar calor.
COMPENDIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención incluye un dispositivo calentador que tiene un componente de efecto piel con al menos un conductor eléctrico central aislado en comunicación eléctrica con una forma ferromagnética alargada, sustancialmente paralela y adyacente que tiene una reducción y una localización de la profundidad y del ancho de la trayectoria efectiva del conductor en la sección transversal de la pared ferromagnética y un componente de aislamiento de cerámica inorgánica. Preferiblemente el componente de aislamiento de cerámica inorgánica contiene óxido de magnesio.
La presente invención incluye además un proceso de calentamiento, que comprende las etapas de proporcionar un
dispositivo calentador que comprende un componente de efecto piel que tiene al menos un conductor eléctrico central aislado en comunicación eléctrica con una forma ferromagnética alargada, sustancialmente paralela y adyacente que tiene una reducción y una localización de la profundidad y del ancho de la trayectoria efectiva del conductor en la sección transversal de la pared ferromagnética y un componente de aislamiento de cerámica inorgánica y de aplicar corriente eléctrica a través del conductor eléctrico central calentando de esta manera la forma ferromagnética .
Es un objetivo de la presente invención proporcionar un calentador por efecto piel con recubrimiento mineral aislante .
Aún otro objetivo de la presente invención es proporcionar un calentador por efecto piel con recubrimiento mineral aislante adaptado para aplicaciones en campo petrolero.
Otros objetivos y ventajas de esta invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción tomada junto con los dibujos acompañantes en donde se exponen, a manera de ilustración y ejemplo, ciertas modalidades de esta invención. Los dibujos constituyen una parte de esta descripción e incluyen modalidades ejemplares de la presente invención e ilustran varios objetos y características de la misma.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 ilustra una vista en perspectiva, en
sección transversal parcial, que ilustra una modalidad de la presente invención;
La Figura 2 ilustra una vista en perspectiva, en sección transversal parcial, que ilustra una modalidad de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS
Aunque la presente invención es susceptible de llevarse a la práctica de varias maneras, en los dibujos se muestra y se describirá de aquí en adelante una modalidad actualmente preferida entendiéndose que la presente descripción se debe considerar una ej emplificación de la invención y no una limitación de la invención a las modalidades especificas ilustradas.
Con referencia generalmente a las Figs. 1 y 2, se ilustra una modalidad preferida de un calentador por efecto piel con recubrimiento mineral aislante de la presente invención. El calentador por efecto piel con recubrimiento mineral aislante 10 puede incluir un conductor central interior 12 dentro de un conductor exterior 14. El conductor interior y el conductor exterior se pueden disponer radialmente alrededor de un eje central 16. Los conductores interior y exterior se pueden separar mediante una capa aislante 18. En ciertas modalidades, los conductores interior y exterior se pueden acoplar en un extremo distal 20 del calentador. La corriente eléctrica puede fluir hacia el
calentador 10 a través del conductor interior 12 y retorna a través del conductor exterior 14 o viceversa. Uno o ambos conductores 12, 14 pueden incluir material ferromagnético .
En una modalidad, el calentador por efecto piel con recubrimiento mineral aislante 10 se proporciona con un conductor ferromagnético interior 12 y un conductor ferromagnético exterior 14, la trayectoria de corriente de efecto piel ocurre sobre la parte exterior del conductor interior y sobre la parte interior del conductor exterior. Por lo tanto, la parte exterior del conductor exterior se puede revestir con una capa de aleación resistente a la corrosión 22, tal como acero inoxidable, sin afectar la trayectoria de la corriente de efecto piel sobre la parte interior del conductor exterior .
La capa aislante 18 puede comprender una cerámica eléctricamente aislante con alta conductividad térmica, tal como óxido de magnesio, óxido de aluminio, dióxido de silicio, óxido de berilio, nitruro de boro, nitruro de silicio, etc. De estos, el óxido de magnesio es el más preferido. La capa aislante puede ser un polvo compacto (por ejemplo, polvo compacto de cerámica) . La compactación puede mejorar la conductividad térmica y proporcionar mejor resistencia de aislamiento y en una modalidad no limitante más preferida, la compactación es de alrededor de 80%. Se debe notar que otras tasas de compactación se pueden utilizar sin apartarse del
alcance de la invención.
Generalmente, el conductor eléctrico central aislado porta corriente alterna (AC) en una pata de un circuito de manera que la AC retorna a través de una forma ferromagnética alargada, sustancialmente paralela y adyacente para proveer la pata de retorno del circuito. Un efecto piel en la superficie localizada de la forma o conductor ferromagnético el cual está en una banda inmediatamente adyacente al conductor central, se desarrolla mediante efectos magnéticos y de inducción y provoca un efecto de calentamiento.
En el calentamiento por "efecto piel", el calor se genera en la pared de envoltura ferromagnética por la pérdida de I ~ R del flujo de corriente de retorno y por las corrientes de Foucault y de histéresis inducidas por el campo magnético alterno alrededor del conductor aislado.
La interacción electromagnética entre la corriente en el conductor aislado central y la corriente de retorno en la envoltura provoca que la corriente se concentre en su superficie interior debido al efecto piel; de ahi el nombre de cable de calentamiento por efecto piel. La fortaleza de este fenómeno aumenta estando en proximidad cercana al conductor central (con referencia al efecto de proximidad) .
La relación de proximidad de los dos conductores que provoca que la corriente fluya hacia afuera y regrese y el blindaje electromagnético apropiado que aumenta adicionalmente
estos efectos, son las bases del presente sistema ventajoso. La corriente alterna fluye solamente a lo largo de una banda de la piel de la pieza alargada de material ferromagnético que actúa como un conductor muy especializado bajo estas condiciones.
Como un ejemplo no limitante, un conducto ferromagnético se puede considerar como que tiene un grosor de pared mínimo de alrededor de tres veces la profundidad de la piel, o de alrededor de 1/8 pulgadas, más o menos para varios materiales ferromagnéticos y frecuencias de AC. La AC se puede conducir hacia afuera hacia el extremo lejano del conducto mediante un alambre adyacente, interior y aislado el cual se conecta a la pared interior del extremo distal del conducto. Debido al llamado "efecto piel", una porción sustancial de la AC retorna sobre esa parte de la parte interior de la superficie o piel del conducto la cual es inmediatamente adyacente y paralela al alambre conductor. Esta banda de la superficie de acero subtendida desde el alambre se convierte en lo que se puede llamar un conductor/resistor de efecto piel El equilibrio de la superficie del conducto es para propósitos prácticos, para aislarlo eléctricamente de manera efectiva de cualquier objeto que lo pueda contactar. Esta reducción significativa de lo que se considera normalmente como la sección transversal efectiva de un conductor eléctrico (el conducto entero) , aumenta grandemente la resistencia efectiva
de lo que de otra manera seria completamente un conductor. La pared del conducto exterior tiene también un efecto no conductor, y el conducto se puede aterrar e incluso tocar sin choque eléctrico.
Se debe apreciar que el movimiento del alambre en relación al material ferromagnético puede cambiar el efecto de proximidad, la resistencia del conducto, y el calor generado. Por lo tanto, un desplazador o un centralizador se puede utilizar para posicionar el conductor central con respecto a la pata de retorno ferromagnética del circuito. El desplazador o centralizador puede también proporcionar propiedades aislantes al conductor central para permitir que las corrientes más altas pasen a través del circuito sin que se forme un arco eléctrico entre el conductor central y la pata de retorno. Los gases inertes se pueden usar junto con aislantes tipo cerámica para proporcionar propiedades aislantes adicionales.
Los materiales calentadores se pueden seleccionar para aumentar las propiedades físicas de un calentador. Por ejemplo, los materiales calentadores se pueden seleccionar de manera que las capas interiores se expandan hasta un grado mayor que las capas exteriores aumentado la temperatura, resultando en una estructura de paquete ajustado. Una capa exterior de un calentador puede ser resistente a la corrosión. El soporte estructural se puede proporcionar seleccionando el
material de la capa exterior con alta resistencia a la fluencia o seleccionando un conducto de pared gruesa. Varias capas impermeables se pueden incluir para inhibir la migración del metal a través del calentador.
Aunque la forma ferromagnética a menudo puede ser un conducto y el fluido utilitario puede ser un liquido que se fuerza a través del mismo, en otros casos, la forma de acero puede ser diferente de tubular -- por ejemplo, plana, cónica, esférica, etc.; y el fluido utilitario se puede calentar pasándolo o forzándolo en contacto con éste, más que transportándolo de ese modo.
El calentador por efecto piel con recubrimientos minerales aislantes de la presente invención se puede aplicar a un amplio rango de aplicaciones, incluyendo pero no limitado a, fusión de hielo y nieve, rastreo de calentamiento de conductos (tierra adentro y submarino) , y aplicaciones en campo petrolero incluyendo calentamiento de pozo abajo, calentamiento en el fondo del pozo, calentamiento de pozo horizontal y estimulación de depósito.
Algunas modalidades de calentadores pueden incluir interruptores (por ejemplo, fusibles y/o termostatos y/o termistores y/o tiristores) que desconectan o reducen la energía de un calentador o porciones de un calentador cuando se alcanza una cierta condición en el calentador. En ciertas modalidades, un calentador por efecto piel se puede usar para
proporcionar calor a una formación que contiene hidrocarburo. En una modalidad, el control y monitoreo del cable calentador por efecto piel se logra con un control de realimentación de lazo cerrado que comprende contactores y controladores de temperatura. En otra modalidad, se puede utilizar la medición de temperatura por fibra óptica. Tales sistemas se pueden unir al control de un calentador por efecto piel usando algoritmos para proporcionar entre uno y varios cientos de puntos para determinar la temperatura a lo largo de un circuito calentador. En algunas modalidades, se pueden incorporar los cables de fibra óptica y/o sensores dentro del cable calentador. En otra modalidad, se pueden utilizar sensores de presión para regular la salida de calor basado en la presión proporcionada por los calentadores aledaños.
En algunas modalidades, la frecuencia de la AC se puede ajustar para cambiar la profundidad de la piel de un material ferromagnético . Por ejemplo, la profundidad de la piel de acero al carbono al 1% a temperatura ambiente es de alrededor de 0.11 cm a 60 Hz, de alrededor de 0.07 cm a 180 Hz, y de alrededor de 0.04 cm a 440 Hz. Ya que el grosor del conductor ferromagnético exterior es típicamente tres veces la profundidad de la piel, usar una frecuencia más alta puede resultar en un calentador más pequeño y se puede reducir los costos del equipo. Se pueden usar frecuencias entre alrededor de 50 Hz y alrededor de 1000 Hz .
En algunas modalidades, la corriente eléctrica se puede ajustar para lograr una profundidad de piel óptima de un material ferromagnético . Una profundidad de piel más pequeña puede permitir que se use un calentador con dimensiones más pequeñas, reduciendo de esta manera los costos del equipo. En ciertas modalidades, la corriente aplicada puede estar en un rango de al menos alrededor de 10 amperes hasta 500 amperes, o más. En algunas modalidades, la corriente alterna se puede suministrar en voltajes hasta o por encima de alrededor de 2500 volts.
Nuevamente con referencia a las Figs. 1 y 2, en ciertas modalidades descritas en la presente, el calentador por efecto piel con recubrimientos minerales aislantes se dimensionan para operar a una frecuencia de alrededor de 60 Hz. Se debe entender que las dimensiones de un calentador por efecto piel se pueden ajustar a partir de las descritas en la presente para que el calentador por efecto piel opere de una manera similar a otras frecuencias.
El calentador por efecto piel con recubrimiento mineral aislante de la presente invención tiene una capacidad de salida de energía muy alta comparado con formas existentes de cables de calentamiento eléctrico, permitiendo que un calentador simple proporcione la energía suficiente para aplicaciones de alta tasa de flujo. El calentador generalmente se provee de una estructura resistente, tal como en las
modalidades que incorporan capas exteriores de pared de acero pesado. En otra modalidad, el calentador por efecto piel con recubrimiento mineral aislante, cuando se fabrica en forma de barra, se puede desplegar usando un equipo de tubo en espiral existente, reduciendo los costos de la instalación. Con el uso en un despliegue de tubo en espiral, el calentador por efecto piel con recubrimiento mineral aislante se puede instalar fácilmente dentro de una tubería de gas o de petróleo, maximizando de esta manera la transferencia de calor desde el calentador hacia el fluido. Como un calentador por efecto piel, un cable simple puede proporcionar fácilmente un circuito de calentamiento eléctrico completo mientras que se pueden requerir 2 ó 3 cables de otros estilos para formar un circuito completo .
En ciertas modalidades, los materiales ferromagnéticos se pueden acoplar con otros materiales (por ejemplo, materiales no ferromagnéticos y/o materiales altamente conductores tal como el cobre) para proporcionar varias propiedades mecánicas y/o eléctricas. Algunas partes de un calentador por efecto piel pueden tener una resistencia más baja (provocado por las geometrías diferentes y/o por el uso de materiales ferromagnéticos y/o no ferromagnéticos) que otras partes del calentador por efecto piel. Tener partes de un calentador por efecto piel con varios materiales y/o dimensiones puede permitir adaptar a la medida una salida de
calor deseada desde cada parte del calentador.
Se debe entender que aunque se ilustra cierta forma de la invención, esta no se limita a la forma o disposición especifica descrita y mostrada en la presente. Será evidente para los expertos en la materia que se pueden hacer varios cambios sin apartarse del alcance de la invención y la invención no se considera limitada a lo que se describe y muestra en la descripción.
Claims (3)
1. Un dispositivo calentador que comprende: un componente de efecto piel que tiene al menos un conductor eléctrico central aislado en comunicación eléctrica con una forma ferromagnética alargada, sustancialmente paralela y adyacente que tiene una reducción y una localización de la profundidad y del ancho de la trayectoria efectiva del conductor en la sección transversal de la pared ferromagnética; y un componente de aislamiento de cerámica inorgánica.
2. El dispositivo calentador de la reivindicación 1, en donde el componente de aislamiento de cerámica inorgánica comprende óxido de magnesio.
3. Un proceso de calentamiento, que comprende las etapas de: proporcionar un dispositivo calentador que comprende un componente de efecto piel que tiene al menos un conductor eléctrico central aislado en comunicación eléctrica con una forma ferromagnética alargada, sustancialmente paralela y adyacente que tiene una reducción y una localización de la profundidad y del ancho de la trayectoria efectiva del conductor en la sección transversal de la pared ferromagnética y un componente de aislamiento de cerámica inorgánica; y, aplicar corriente eléctrica a través del conductor eléctrico central calentando de esta manera la forma rromagnética .
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