¿Cuál es el mejor tipo de fluido de transferencia de calor?

¿Cuál es el mejor tipo de fluido de transferencia de calor para un sistema central de distribución de energía?

Para responder a esta pregunta, deben considerarse como parámetros de diseño, la eficiencia de la transferencia de calor, los costes económicos, no sólo de implantación, sino también de mantenimiento, seguridad y los cada vez más importantes asociados al respeto al medio ambiente. Obviamente el sistema elegido debe ser idóneo técnicamente para satisfacer esas particularidades propias y específicas que cada proceso tiene y muy especialmente la temperatura de servicio requerida si ésta es elevada.

Con estas premisas básicas, se puede escoger entre una variedad de fluidos de transferencia de calor:

  • • base agua, como agua caliente, sobrecalentada o vapor
  • • base hidrocarburos, derivados del petróleo, como los aceites minerales, blancos medicinales, parafínicos, y aromáticos sintéticos, como polifeniles y alquilbencenos,
  • • sales o minerales fundidos a alta temperatura
  • • recuperación de calor de gases de combustión

Veamos algunas de sus características más importantes.

El agua

Es un fluido transmisor de calor económico para temperaturas hasta 100ºC. Para temperaturas superiores se debe presurizar el circuito para poder continuar estando el fluido en fase líquida – agua sobrecalentada – y por tanto los costes aumentan considerablemente. Es por ello que su campo se delimita mucho a temperaturas inferiores a esos 100 ºC, y a aplicaciones como la calefacción doméstica y del sector servicios.

El vapor

Verdadero impulsor de la revolución industrial del siglo XIX, comparte con el agua en fase líquida, la necesidad de elevadas presiones para conseguir las elevadas temperaturas habituales en los procesos industriales. Al encontrarse el fluido en fase gaseosa, tiene limitaciones importantes tanto por seguridad como por costes, añadiéndose a los ya indicados costes de mantenimiento cuantiosos, los correspondientes a equipos auxiliares – descalcificadores, purgas de sales, de lodos, etc. -. Además, las purgas influyen negativamente en la eficiencia energética del sistema y los problemas por corrosión no deben ser menospreciados.

Por otro lado, el vapor no es un método idóneo en procesos que requieran uniformidad en la distribución del calor, como por ejemplos en platos de prensas de la industria automovilística o en calandras de la industria textil o de la lavandería industrial. Tampoco se distingue por conseguir una gran precisión en la temperatura alcanzada por el producto, aspecto de gran importancia en algunos procesos industriales.

Actualmente su aplicación más importante es como fluido motor de las turbinas para generación de energía eléctrica. Otros sectores en donde el vapor como fluido transmisor de calor está implantado, son la industria alimentaria y farmacéutica, aunque en los últimos años también en estos campos han encontrado una competencia importante en los aceites térmicos blancos medicinales, aprobados por las principales agencias mundiales de salud.

Dado que se trata de un sistema de larga tradición, y pese a sus evidentes desventajas en los apartados de seguridad – elevadas presiones siempre representan mayor riesgo -, costes, eficiencia, etc.., continúa siendo en la actualidad bastante utilizado en la industria.

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Gráfica 1. Para una temperatura de Trabajo de 300ºC, el vapor precisa de una presión de 90 bar. Los fluidos térmicos inferior a 1 bar

Los fluidos térmicos

Los comúnmente llamados aceites o fluidos térmicos, son hoy en día de uso generalizado en el sector industrial como medio de transferencia de calor para todo tipo de procesos.

Podemos diferenciarlos en dos grandes grupos: aceites minerales y sintéticos.

El calificativo de sintético o mineral se relaciona con el método de obtención del componente principal del fluido térmico, el aceite base. En el caso de que el mismo proceda del refino convencional del petróleo se denomina mineral. Cuando el aceite base se obtiene mediante procesos de síntesis química u otros procesos diferentes al refino convencional, el fluido térmico es sintético o de tecnología sintética.

Un aceite mineral está formado pues por una base obtenida directamente de la destilación del petróleo, a la que se le añaden algunos aditivos que le confieren unas propiedades que mejoran sus prestaciones, especialmente viscosidad y resistencia a la oxidación.

En un aceite sintético, al estar las bases tratadas fisicoquímicamente, se obtiene una base de mayor calidad y prestaciones, evitando en muchos casos la necesidad de aditivos.

Las principales características de los fluidos térmicos son:

  • • Posibilidad de trabajar a temperaturas de servicio de hasta 340ºC sin presión, dada su baja presión de vapor – ver Gráfica 1 – .
  • • Ausencia de riesgo de corrosión.
  • • Temperaturas de servicio de hasta 400 ºC con presurizaciones del orden de 10 bar, frente a los más de 300 bar del vapor de agua

Todo ello, junto con altas prestaciones técnicas – gran precisión y uniformidad en las temperaturas finales en producto o versatilidad y flexibilidad elevadas, y costes económicos en mantenimiento moderados, hacen de los fluidos térmicos el medio transmisor de calor por excelencia en la actualidad.

Sales y metales fundidos

Si nuestro proceso requiere elevadas temperaturas de servicio – por encima de 350ºC -, éste será el punto determinante en la elección del fluido caloportador. El coste económico, cualquiera que sea nuestra decisión será importante, ya que sólo pueden cumplir con el requisito técnico de altas temperaturas, algunos fluidos de base hidrocarburos – polifeniles -, y las sales y metales fundidos.

Siempre que la mayoría de la gente piensa en la sal, piensa en la sal de mesa común. En teoría, se podría usar sal de mesa – cloruro de sodio – como medio de transferencia de calor, pero existirían importantes problemas de corrosión debido al ion cloruro agresivo. Sin embargo, hay muchos tipos de sales tales como fluoruros, bromuros, nitratos y sales orgánicas adecuadas como fluidos caloportadores, con buenas propiedades de transferencia de calor, térmicamente estables, de baja toxicidad, baja presión de vapor y en donde se ha conseguido un aceptable comportamiento a la corrosión.

Para temperaturas de servicio entre 350º C y 400 ºC, la gran ventaja de las sales fundidas sobre los fluidos de hidrocarburos es que experimentan una presión de vapor casi despreciable incluso cerca de las temperaturas máximas de funcionamiento, mientras que los fluidos de base hidrocarburos para estas temperaturas, precisan de presiones del orden de 10-12 bar.

A partir de 400ºC y hasta 550ºC las sales minerales son el fluido transmisor idóneo. Hasta 650ºC, podemos encontrar los metales fundidos como fluido transmisor para estas temperaturas. Un inconveniente importante a considerar, es que las sales fundidas y de los metales fundidos se congelarán – son sólidos -a temperaturas del orden de 100 a 150 ° C, muy por encima de la temperatura ambiente. Esto puede crear riesgos significativos para los sistemas que no están diseñados adecuadamente, ya que es necesario poseer sistema de calefacción auxiliares para tuberías y equipos.

La recuperación de calor de gases de combustión

Es obviamente una elección excelente desde un punto de vista económico, ya que en la mayoría de las ocasiones, la inversión realizada es rápidamente amortizada por el aprovechamiento energético del calor residual. Sin embargo, su dependencia directa con respecto a la fuente de los gases de combustión, hace que se plantee su empleo exclusivamente para sistemas e instalaciones secundarios.

Como resumen,podemos ver en la Gráfica 2 adjunta, los rangos de temperatura de utilización de los diferentes tipos de fluidos transmisores de calor, así como las presiones requeridas para su empleo.

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Gráfica 2. Rangos de utilización de los fluidos transmisores de calor

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