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El circuito de fluido térmico

La mayoría de sistemas productivos de cualquier sector industrial, requieren en alguna etapa de su proceso de calentamiento, ya sea de componentes intermedios o de producto final, siendo además este calentamiento uno de los puntos básicos, cuando no críticos del sistema.

Fundamentalmente se puede hacer una distinción entre dos tipos de calentamiento.

Calentamiento directo

El producto se calienta directamente por medio de gases de combustión, radiación de la llama o elementos de calefacción eléctricos, sin ningún tipo de fluido intermediario.

Es sin duda el sistema más simple y asimilable al que diariamente utilizamos en la cocina de nuestra casa, con el fuego calentando directamente el recipiente que contiene los alimentos. También sería comparable con el calentamiento en un horno o microondas.

Industrialmente, el esquema es el mostrado en la figura 1 adjunta. Un quemador (1) combustiona, gas natural, gasóleo, etc, en la base del recipiente que contiene el producto (2) , y transmite el calor por radiación de la llama o por convección de los gases producto de esa combustión.

Durante el proceso, los gases de combustión son expulsados al exterior por medio de la chimenea (3).Cuando se consigue que el producto alcance la temperatura deseada, se desactiva el quemador.

Calentamiento directo

Figura 1. Calentamiento directo

Figura 2. Calentamiento indirecto

Calentamiento indirecto

Se utiliza un medio intermedio que circula de manera controlada, entre el calentador y el consumidor de calor, llamado fluido de transporte o “heat transfer fluid”.

La expresión “fluido de transporte” es determinante para comprender el sistema.

El esquema de instalación mostrado en la figura 2. , en donde todo el conjunto contiene un fluido transmisor de calor (3), un elemento calefactor – en el caso del esquema, una resistencia eléctrica (1).

Una de las paredes límite de dicho fluido es asimismo una superficie de intercambio de calor con el consumidor de calor (2), debería ser considerado como un sistema de intercambio de calor sin circuito o instalación intermedia, en donde no existe estrictamente un fluido portador que realice exclusivamente funciones de “transporte” de energía, sino un fluido como medio de contacto y presenta en todo caso más analogías – especialmente en inconvenientes y desventajas -, con un calentamiento directo.

Esquema de un circuito térmico

Un circuito de transferencia de calor es aquel en donde el portador de calor fluye desde el calentador hasta el consumidor de calor y retorna desde éste otra vez hacia el calentador o caldera y entre las paredes límite del sistema no se añade ni se elimina calor, exceptuando las pérdidas propias al ambiente.

Un ejemplo de un sistema típico de transferencia de calor, y siempre pensando en elementos cotidianos, es la instalación de calefacción doméstica presente en muchos hogares.

El esquema básico es el que muestra la figura 3. Una caldera (1), a la que se acopla un quemador (4), y que dispone de un conducto para eliminación de los gases de combustión o chimenea (3), calienta el fluido caloportador – en el caso de calefacción doméstica, agua -, que a través de unas tuberías (5), llegan hasta el aparato consumidor (2), – en el ejemplo, radiadores – en donde ceden la energía y retornan a la caldera, cerrando el ciclo.

Sistema de calentamiento indirecto

Figura 3. Sistema de calentamiento indirecto

Ventajas del calentamiento indirecto

Debido a las importantes ventajas que tiene sobre el calentamiento directo, el calentamiento indirecto por medio de fluido caloportador es sin lugar a dudas, en este momento, el sistema más empleado en los sectores industriales.

Las principales son:

  • La caldera puede ser instalada en el lugar más conveniente, no necesariamente cerca de ningún consumidor, evitando riesgos y aumentando las condiciones de seguridad
  • La alimentación de combustible a cada punto de consumo y una chimenea de gases de combustión para cada aparato consumidor aumentan la rigidez de instalación del calentamiento directo, obligando a desestimar ubicaciones convenientes por flujo de producción
  • Al ser un sistema centralizado, el número de elementos susceptibles de mantenimiento y/o averías es mucho menor que en calentamiento directo, con un quemador para cada aparato consumidor.
  • El rendimiento de la caldera y por tanto la eficiencia energética es muy superior en el calentamiento indirecto, ya que se trata de un equipo diseñado para este fin. En el calentamiento directo se debe amoldar a las características del aparato consumidor para conseguir combustiones raramente óptimas
  • Se evitan sobrecalentamientos locales del producto a calentar y por tanto la uniformidad de temperaturas es alta, se puede controlar con exactitud y la calidad final del proceso, superior. Cada aparato consumidor puede tener su propia temperatura de servicio regulada de manera igualmente independientemente como si fuera un calentamiento individual
  • Los procesos de calentamiento y enfriamiento, si se requiriese, pueden llevarse a cabo con el mismo portador de calor y con la misma instalación
  • Puede permitir la formación de subredes de agua caliente, aire caliente o vapor por medio de intercambiadores
  • El espesor del aislamiento en el consumidor es más económico, ya que en el único lugar donde se alcanzan elevadas temperaturas es en la caldera. Este punto es especialmente importante ante un número elevado de consumidores

Con este análisis de métodos de calentamiento, hemos prácticamente definido un circuito de aceite térmico, ya que como calentamiento indirecto, tiene los componentes principales que hemos anteriormente y mostrados en la figura 3: caldera, quemador, chimenea, red de tuberías, aparato consumidor, y por descontado el fluido caloportador.

Para completar correctamente el circuito de fluido térmico, nos quedan dos elementos básicos: la bomba de recirculación y el depósito de expansión. En efecto en una instalación doméstica de calefacción por agua caliente, también se precisa de una bomba que se encargue de hacer circular el fluido desde la caldera al aparato consumidor y garantice su retorno al calentador. También es necesario un depósito que absorba las dilataciones del fluido portador al aumentar la temperatura. En el caso de la calefacción doméstica, tanto bomba como depósito de expansión, y debido que pueden ser de pequeño tamaño, van la mayoría de los casos integrados en la caldera y pueden llevar al equívoco de su no existen.

Conectaremos el depósito de expansión a la instalación por medio de una tubería, llamada de compensación, que nos permitiría enviar al depósito el aumento de volumen producido al calentar todo el circuito y en la fase de enfriamiento o de fin de jornada, compensar la disminución de nivel producida por el aumento de la densidad del fluido al enfriarse.

Nos faltaría añadir pequeños accesorios básicos, como los accesorios que nos permitan independizar cualquier aparato o consumidor de la instalación, tanto para operaciones de entretenimiento como para seguridad, una tubería desde la cual se pueda llenar y vaciar la instalación, así como un filtro que nos permita proteger a la bomba de recirculación de posibles impurezas que existan en la instalación de tuberías, pero el circuito básico se halla ya totalmente concretado.

Obviamente, debemos tener presente variaciones de este esquema básico según los requisitos propios de cada proceso productivo, que también iremos comentando en este documento.

Nuestro esquema básico de un circuito de fluido térmico completo:

  • Fluido térmico
  • Caldera (1)
  • Aparato consumidor (2)
  • Chimenea (3)
  • Quemador (4)
  • Bomba de recirculación (5)
  • Depósito de expansión (6)
  • Tuberías (7), (8), (9)
  • Valvulería (10) , (11), (12)
Esquema básico de un circuito de fluido térmico

Figura 4. Esquema básico de un circuito de fluido térmico



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