Básicamente podríamos asimilar un calentador, o caldera, a fuego directo a un horno. El calor se transfiere directamente al producto de proceso, básicamente hidrocarburos o soluciones químicas. Es por ello, que en las plantas petroquímicas o refinerías de la industria petrolera, se emplea en ocasiones la expresión Process Heater. Según el combustible empleado, nos podemos encontrar con Direct Gas Heater o Direct Fuel Heater
Los calentadores a fuego directo se utilizan para aplicaciones específicas. Podríamos considerarlos equipos diseñados a medida, ya que al trasmitirse directamente el calor al producto de proceso, un cambio en las características de éste último, puede suponer que el equipo sea ineficiente para las nuevas condiciones del proceso o inclusive pueda llegarse a la destrucción del producto o del equipo por esta inadecuación.
Sus aplicaciones principales son:
Dentro del sector petroquímico y refinerías:
- Calentamiento de crudos a separadores
- Calentamiento de gaseoductos
- Sistemas de control de puntos de rocío de gases de combustible asociados a centrales de turbinas de gas
- Calefacción de flujos de gases hidrocarburos de alta presión en estaciones de reducción de presión
- Supercalentadores de vapor
- Procesos de cracking
- Hornos aromáticos
- Vaporización de líquidos y gases
- Calentadores de oxígeno
- Calentadores de gas de regeneración
Otros sectores, casos particulares:
- Calentamiento de aire – sector de la construcción –
- Minería
- Industria alimentaria
Sector petroquímico
El tipo de calentador a fuego directo empleado en el sector petroquímico se corresponde con el mostrado en la Fig.1.
En estos casos, acostumbran a ser equipos de elevadas potencias – superiores a 6000 kW en la mayoría de las ocasiones y extremadamente costosos, ya que recordemos, que su diseño es prácticamente único para cada aplicación en concreto.
Son equipos muy voluminosos, lo que implica la mayoría de los casos, que sean de ejecución vertical, aunque para potencias entre 40000 kW y 125000 kW se utiliza la ejecución horizontal, debido a sus grandes dimensiones. Obviamente su tamaño depende de la potencia del equipo, pero no son extrañas zonas de radiación con alturas superiores a 15 metros, y conjuntos del equipo con alturas superiores a 40 metros –ver Fig 2.-
Dentro de este sector petroquímico, se utilizan ocasionalmente calentadores a fuego directo como calderas de fluido térmico, o sea como calentadores indirectos. El buen conocimiento del servicio de mantenimiento de las plantas químicas y refinerias respecto a los calentadores a fuego directo y la uniformidad de recambios son las causas principales de esta asimilación, ya que como veremos más adelante, las ventajas de los calentadores de fluido térmico es su función específicas, son notorias.
En las calderas a fuego directo, la disposición básica es la indicada en la Fig 1.
Una zona de radiación, la que asimilaríamos con mayor facilidad a un horno, en donde existe un serpentín (8), que puede ser horizontal/cilíndrico tal como muestra la figura, pero también vertical, en donde se realiza la parte final del calentamiento de producto, que previamente ha sido calentado en la zona de convección, donde existe asimismo un serpentín (4).
Las temperaturas alcanzadas en la zona de radiación, pueden ser importantes, ya que el serpentín de dicha zona no es estanco con respecto a los gases de combustión, llegando pues a las paredes del horno temperaturas elevadas y obligando a un recubrimiento total de dicha zona por medio de hormigón refractario y anclajes de los serpentines al mismo.
Este hecho implica grandes inercias térmicas en caso de parada del equipo, pero las aplicaciones para las que están diseñados estos equipos, implican una funcionalidad continúa – 24 h/día, 365 d/año -. Las paradas de mantenimiento deben ser programas con mucha antelación, y dado que se realizan con poca frecuencia, implican largos tiempos de parada, ya que las disfuncionalidades a reparar después de un tiempo prolongado de servicio son muchas.
Una particularidad de estos equipos, estriba en la utilización de una clapeta o damper para control de la temperatura de la zona de radiación – horno -. En efecto su función es evitar la entrada de aire comburente excesivo con el cierre de la clapeta. Obviamente, este aumento el tiro de la chimenea, obliga al ventilador del quemador a trabajar con presiones más elevadas de aire, y por tanto con menos caudal.
Mientras que en los calentadores a fuego indirecto, la única variable prácticamente a controlar es la temperatura de salida del fluido intermedio – Fluid Transfer -, teniendo siempre en consideración no superar la temperatura de film de dicho fluido intermedio, en las calderas a fuego directo, esta variable es obviamente también importante y crítica, pero debe compartir importancia con la temperatura existente en la zona de radiación. Esto obliga a un sistema de control del equipo más sofisticado que en los calentadores a fuego indirecto.
Calentamiento de aire en el sector de la construcción
Una aplicación particular de las calderas a fuego directo, que aunque precisan de un diseño específico, no es de mucha sofisticación, siendo su configuración muy diferente a la mostrada en la Fig.1, es la de calentamiento para secado o calefacción en obras de construcción – ver Fig 3-. Este método es muy empleado especialmente en USA, en obras de gran tamaño y en sus inicios, cuando el proceso de fabricación acostumbra a estar en espacios abiertos. También se emplea en calentamiento de grandes almacenes.
El aire introducido (1) es al mismo tiempo aire comburente preciso para la combustión y el producto de proceso, para secado de hormigón e inclusive para calentamiento de las zonas de trabajo, obviamente con unas necesidades de ventilación importantes, y control de los gases expulsados para que no sean perjudiciales para la salud de los trabajadores.
Como ventajas podemos apuntar:
- Unidades pequeñas en comparación con calentamientos indirectos – Fig 4 – para la misma funcionalidad y por tanto fácil transporte
- Más económicos
- Menos costes de mantenimiento
Sus desventajas como ya hemos apuntado son de índoles sanitaria, con control estricto de renovaciones de aire y combustión a fin de evitar intoxicaciones, añadiendo la combustión humedad y monóxido de carbono al aire ambiente.
Por el contrario, los calentadores indirectos, aportan aire seco y limpio 100%, pudiendo operar en espacios cerrados – cuando la obra de construcción se encuentre ya en fase avanzada -.
Minería
Otra aplicación específica de los calentadores a fuego directo y que precisa de un diseño específico y particular, es en la industria minera, los llamados Elution Heaters.
En la química analítica y orgánica , la elución es el proceso de extraer un material de otro mediante lavado con un solvente, en casi todas las ocasiones, con aportación de calor.
En la extracción de algunos minerales, como por ejemplo el oro, se realizaba y aún se realiza, este proceso por medio de intercambiadores por los que circulaba la solución del mineral y el solvente por un lado del intercambiador, y un fluido transmisor de calor – habitualmente fluido térmico – por el otro y por tanto se utilizaban calentadores a fuego indirecto.
En la actualidad, en algunos países como Sudáfrica, se está experimentando con calderas a fuego directo, de configuración muy parecida a los calentadores de fluido térmico – ver Fig 5 -. Los filtros necesarios para el buen funcionamiento de los Elution Heaters son el reto más grande en esta aplicación de los calentadores a fuego directo.
Industria alimentaria
Especialmente en los trenes de fritura – patatas, snacks, precocinados -, el método usado es por medio de Heat Transfer Fluid Heaters por donde circula fluido térmico que es calentado en el equipo y cede su calor en un intercambiador al aceite que fríe los productos indicados.
También aquí, al igual en el proceso de elución de la minería, se han realizado algunas instalaciones, en las que el aceite de freír circula directamente por la caldera, que pasa a ser utilizada como calderas a fuego directo. Al igual que en el proceso minero, la necesidad de filtros muy tupidos dificulta que sea un sistema habitual. La rápida oxidación del aceite utilizado para freír, es un factor añadido en la complejidad del sistema.
