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Índice

Capítulo 1

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.

Secciones de este capítulo:
Tipos de calentamiento

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

Capítulo 2

Fluidos térmicos

En los sistemas de fluido térmico, el mismo fluido es una parte crucial que condicionará el rendimiento y las especificaciones de todo el sistema. Es importante conocer a fondo las características de cada fluido.

Secciones de este capítulo:
Características de los fluidos térmicos

Un fluido transmisor de calor debe poseer unas características específicas para poder realizar su función de transporte de energía con suficiencia técnica y a costes moderados.

Estas características son:

  • Debe poseer buenas propiedades de transferencia de calor
  • Tener una buena estabilidad térmica que permita largos periodos de servicio con una funcionalidad estable
  • Baja viscosidad en todo el rango de trabajo, especialmente en las condiciones de arrancada evitando consumos eléctricos elevados
  • Baja temperatura de solidificación que permita paradas prolongadas seguras
  • Baja corrosión a los elementos que formen parte del sistema
  • 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.
  • Debe tener baja toxicidad y ser respetuoso con el medio ambiente, facilitando de esta manera la eliminación al cumplir su ciclo de trabajo
  • Costes moderados tanto de adquisición como de mantenimiento
  • Bajos riesgos para personal y maquinaria, garantizando seguridad y evitando costes elevados ante posibles fugas

No existe ningún fluido transmisor de calor que pueda cumplir a la perfección con todos los condicionantes anteriores, pero sin duda los comúnmente llamados aceites o fluidos térmicos, cumplen a la perfección con la mayoría de requisitos anteriores y aventajan a otros fluidos transmisores de calor como el vapor, en puntos determinantes.

Así, altas prestaciones técnicas como elevadas temperaturas de servicio, gran precisión y uniformidad en las temperaturas finales en producto o versatilidad y flexibilidad elevadas, junto con altos niveles de seguridad, ausencia de corrosión y costes de mantenimiento moderados, hacen de los fluidos térmicos el medio transmisor de calor por excelencia en la actualidad, en todos los sectores industriales y para todo tipo de aplicaciones.

En la selección del fluido térmico óptimo para cada instalación, es aconsejable recurrir a los especialistas, ya sea fabricantes de los propios fluidos térmicos o a los fabricantes de calderas, que podrán aconsejar el fluido térmico más idóneo, dentro de la amplia gama existente en el mercado.

Será el que se adapte mejor a los requisitos, tanto técnicos como funcionales del proceso productivo, consiguiendo no sólo unas altas prestaciones técnicas a un buen coste económico, sino también una vida útil de nuestra carga de fluido térmico, prolongada.

Se considera que en circunstancias normales de trabajo, con las operaciones de mantenimiento adecuadas y moviéndose en los parámetros de operación de fluido térmico seleccionado, la vida útil de una carga debe ser del orden de 35000-40000 horas efectivas.

Esta vida útil puede ser más elevada si las características del fluido térmico son muy superiores a las requeridas por el sistema.

Selección del fluido térmico adecuado

Como ya hemos dicho, el conocimiento real de los requisitos operativos del sistema es básico y ayudará a crear un conjunto de criterios que pueden utilizarse para comparar varios fluidos y permitir la rápida eliminación de los que no son más adecuados para la aplicación.

Sin embargo, antes de comparar y contrastar varios fluidos térmicos individualmente, se puede ahorrar mucho tiempo y esfuerzo en el proceso de selección comparando y contrastando los tipos de fluidos.

Una vez que se ha seleccionado el tipo – también llamada “la química” – de fluido que mejor cumpla los criterios requeridos por la aplicación, la lista resultante de fluidos potenciales se hace significativamente más manejable para comparaciones más detalladas.

Los fluidos térmicos de calor pueden clasificarse según su estructura química en tres tipos principales:

  • Aceites sintéticos, con dos grandes subgrupos: de gama media y de alta gama
  • Aceites minerales
  • Otros, incluidas las siliconas.

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 este aceite base se obtenga mediante procesos de síntesis química u otros procesos diferentes al refino convencional, el fluido térmico se llama sintético o de tecnología sintética.

Los aceites térmicos sintéticos, también denominados aromáticos, consisten en estructuras a base de benceno e incluyen los óxidos de óxido de difenilo / bifenilo, los difeniletanos, dibenciltoluenos y terfenilos. Dependiendo del producto específico, el rango de temperatura de funcionamiento de este tipo de fluidos es del orden de -20’C a 400’C.

Cuando el aceite base proceda del refino convencional del petróleo se denomina mineral. Está formado pues por una base obtenida directamente de la destilación del petróleo y la mayoría consisten en hidrocarburos parafínicos y / o nafténicos, a la que se le añaden algunos aditivos que le confieren unas propiedades que mejoran sus prestaciones, básicamente para obtener bajas viscosidades y elevar su resistencia a la oxidación. El rango general de operación es del orden de -10 ‘C a 315 ° C

Los fluidos a base de silicona, y en mayor medida los fluidos híbridos de glicol, se usan principalmente en aplicaciones especializadas que requieren compatibilidad de proceso / producto en caso de que se produzca una fuga del intercambiador de calor.

Las desventajas de este grupo en cuanto al rendimiento y al coste en los rangos comparativos de temperatura de los aceites sintéticos y minerales hacen que este tipo de fluidos sean opciones exclusivamente para este tipo de aplicaciones y por tanto poco probables para la gran mayoría de procesos.

Tipos de sistemas

Podemos diferenciar asimismo los aceites térmicos según el tipo de sistema que utilizan. Se pueden clasificar en tres tipos de sistemas:

  • Sistemas de fase líquida no presurizados.
  • Sistemas de fase líquida presurizada.
  • Sistemas de fase de vapor de presión o de circulación natural presurizados.

Sistemas de fase líquida no presurizados

Los sistemas de fase líquida no presurizados son los más adecuados para procesos con temperaturas de servicio del orden de 300ºC o menores – la temperatura de funcionamiento del fluido tiene que estar por debajo de su intervalo de ebullición -, ya que son los más sencillos de diseñar y operar.

Tanto los aceites minerales como los aceites sintéticos pueden utilizarse con en este tipo de sistema.

En este tipo de sistema, el depósito de expansión no necesita tener gas inerte aplicado en este tipo de sistemas para mantener la presión positiva sobre la bomba de circulación.

Para reducir la probabilidad de oxidación del fluido, se realiza un diseño de tanque de expansión determinado para asegurar que el fluido esté por debajo de temperaturas del orden de 150ºC en su posible contacto con la atmósfera, a fin de evitar oxidaciones prematuras del fluido que acortan su periodo de vida útil.

Sistemas de fase líquida presurizada

Utilizan tanto aceites minerales como sintéticos y son similares en diseño a sistemas no presurizados, excepto que se aplica gas inerte a través del tanque de expansión cuando la temperatura de funcionamiento requerida del fluido térmico está por encima de su intervalo de ebullición.

El gas inerte presurizado – nitrógeno – permite mantener el fluido térmico siempre en fase líquida.

El gas inerte también actúa como un amortiguador en el tanque de expansión entre la superficie del fluido caliente y la atmósfera, eliminando cualquier posibilidad de oxidación del fluido.

La mayoría de los fluidos térmicos sintéticos en fase líquida y todos los aceites minerales no requieren la presurización de gas inerte para mantener la fase líquida en sus temperaturas operativas recomendadas por el extremo superior, sólo los fluidos multifásicos como el óxido de difenilo / tipo bifenilo requieren obligatoriamente de este sistema, siendo en los demás fluidos opcional.

Su principal ventaja con respecto a un sistema de fase líquida no presurizado es la garantía total de la oxidación, permitiendo prolongar en este aspecto la vida útil de la carga de fluido térmico.

El aumento de complejidad y coste, obligan a evaluar detenidamente las características del fluido térmico y las propias del proceso para determinar su idoneidad.

Sistemas de fase vapor

Los sistemas de fase de vapor a presión sólo pueden utilizar un grupo de fluidos térmicos sintéticos muy específicos, especialmente el óxido de difenilo / tipo bifenilo.

Un sistema de fase de vapor simple puede ser diseñado usando la propia presión existente en el circuito para devolver el condensado a la caldera, eliminando la necesidad de una bomba de condensado.

Los sistemas más complejos requieren un tanque de evaporación, un tanque de retorno de condensado y una bomba de retorno de condensado. La desventaja del costo del equipo y la complejidad de los sistemas de fase de vapor se compensan con la posibilidad de trabajar a muy altas temperaturas y con el aumento del control de temperatura en el usuario importante en procesos sensibles a las desviaciones sobre el punto de consigna.

Ejemplo de depósito de expansión con sistema de fase líquida presurizada

Ejemplo de depósito de expansión con sistema de fase líquida presurizada

Nota: LG, Nivel visual. LS Nivel eléctrico. PI Manómetros. PCV Valvula de Control de presión. RV Válvula de seguridad

Criterios principales

Estabilidad térmica.Temperatura máxima de funcionamiento

La estabilidad térmica del fluido es el factor primario para determinar su máxima temperatura de funcionamiento. La estabilidad térmica se define simplemente como la capacidad de un fluido térmico para soportar el agrietamiento molecular del estrés térmico.

La prueba de estabilidad térmica relativa de los fluidos térmicos mide la resistencia de unión molecular de un fluido a una temperatura específica frente a otro fluido a la misma temperatura y en condiciones de ensayo idénticas.

Los ensayos se realizan bajo condiciones ideales de laboratorio y en él no se consideran tensiones operativas tales como fallos mecánicos, defectos de diseño, oxidación, etc., siendo por tanto los datos generados útiles sólo a efectos comparativos.

Las predicciones exactas de la vida del fluido en procesos reales no deben adoptarse a partir de los datos de estabilidad térmica.

La temperatura máxima de funcionamiento es la temperatura máxima que el fabricante del fluido recomienda que pueda usarse en uso continuo y aun así mantener un nivel aceptable de estabilidad térmica.

Debido a que las tasas de degradación del fluido están estrechamente ligadas a la temperatura, trabajar habitualmente por encima de la temperatura de funcionamiento máxima del fluido, aumentará exponencialmente la tasa de degradación.

Los posibles problemas causados por una degradación excesiva y la subsiguiente formación de subproductos de degradación incluyen aumento de la coquización y suciedad, dificultades mecánicas y disminución de la eficiencia de transferencia de calor.

Por lo tanto, como ya podíamos imaginar, el primer paso en el proceso de selección de un tipo determinado de aceite térmico es establecer la temperatura máxima de funcionamiento.

Como ya hemos indicado anteriormente, la mayoría de los aceites minerales tienen una temperatura máxima recomendada de 270ºC a 315ºC, mientras que los fluidos térmicos sintéticos o aromáticos son recomendados especialmente para temperaturas máximas de fluido entre 315ºC y 400ºC.

Dado que las estructuras moleculares de los compuestos aromáticos son significativamente más estables térmicamente que los aceites minerales por encima de 280ºC, en aplicaciones por encima de esta temperatura se recomiendan asimismo fluidos sintéticos.

Las aplicaciones de proceso que requieren temperaturas de fluido de 150ºC a 280ºC pueden especificar indistintamente fluidos sintéticos o basados en petróleo, siendo otras características para determinar la elección del fluido térmico.

Eficiencia de Transferencia de Calor

Hay que tener presente al evaluar esta propiedad, que una mayor eficiencia en la transferencia de calor, no representará en la mayoría de los casos, un ahorro económico en combustible – que dependerá básicamente del diseño de la caldera – como inicialmente pueda parecer, sino un tiempo menor de obtención de los objetivos energéticos de nuestro proceso.

Así, a igualdad de superficies de intercambio en nuestro aparato consumidor, alcanzaremos la temperatura de servicio requerida con mayor prontitud si el fluido térmico tiene una eficiencia de transferencia de calor elevada.

Las comparaciones de eficiencia de transferencia de calor entre distintos fluidos térmicos se hacen utilizando coeficientes de transferencia de calor.

A una temperatura específica, el coeficiente global de transferencia de calor de un fluido se puede calcular usando su densidad, viscosidad, conductividad térmica y calor específico – ver hoja de cálculo de propiedades de los fluidos térmicos – a una velocidad de flujo determinada y un diámetro de tubería.

Los coeficientes de transferencia de calor resultantes pueden ser evaluados y comparados. A una temperatura dada, los coeficientes de transferencia de calor de los diferentes tipos de fluidos térmicos pueden diferir en un 25%.

Dependiendo de los factores de resistencia térmica de los otros componentes del sistema, un fluido con una ventaja considerable del coeficiente de transferencia de calor puede permitir una reducción en el dimensionamiento del equipo del sistema.

La mayoría de los fluidos térmicos sintéticos tienen una ventaja significativa en la eficiencia de transferencia de calor sobre aceites minerales de 150ºC a 260ºC. Por encima de este rango de temperatura – hasta 300ºC -, algunos fluidos térmicos minerales estrechan la diferencia con un tipo de aceites blancos parafínicos / nafténicos altamente refinados.

Hay que considerar que el coeficiente de transferencia de calor se calcula usando las propiedades de suministro de fábrica del fluido térmico. El fluido que ha estado en servicio durante un período prolongado de tiempo y que ha sufrido una degradación térmica puede tener un coeficiente menor debido a cambios en la viscosidad del fluido y la presencia de subproductos de degradación de fluidos menos eficientes. Por lo tanto, la estabilidad térmica de un fluido juega un papel importante en el mantenimiento de su eficiencia térmica a lo largo del tiempo.

Temperatura mínima de bombeo

Esta temperatura y no el punto de congelación, es la temperatura a la cual un fluido térmico puede operar. Se define como la temperatura a la cual la viscosidad del fluido alcanza un valor – típicamente 2000 cP – en el que bombas centrífugas no pueden hacer circular el fluido.

Aunque la mayoría de las aplicaciones de proceso se ejecutan a temperaturas muy por encima de dicho punto, los diseños de sistemas podrían encontrarse con problemas durante paradas de emergencia o paradas de mantenimiento sino hemos considerado este requisito en la adquisición de la carga de fluido térmico de nuestra instalación.

Generalmente, la mayoría de los aceites térmicos minerales y los fluidos sintéticos de gama media tienen valores para el arranque hasta el rango de -20ºC a -5ºC. Los fluidos sintéticos de alta gama – fluidos sintéticos aromáticos con óxidos de difenilo / tipo bifenilo y con temperaturas máximas de servicio de 370ºC -400ºC tienen valores de 5ºC a 15ºC como temperaturas mínimas de bombeo.

Los procesos que utilizan un fluido térmico que potencialmente puede tener problemas de arranque en frío necesitarán disponer en su instalación de tuberías con trazado de aporte de calor, ya sea por vapor o por resistencias eléctricas.

Medio ambiente

La comparación de las directrices ambientales y de seguridad personal es importante al seleccionar una determinada química de fluido. Todos los fluidos térmicos NO presentan un riesgo importante para la salud cuando se usan de acuerdo con las prácticas de manipulación correctas.

La mayoría de fluidos térmicos no son tóxicos, ya sea por contacto con la piel como por ingestión. Sólo algunos fluidos sintéticos aromáticos con óxidos de difenilo / tipo bifenilo, tienen algunas características diferentes en estos aspectos.

Inversión, Coste económico

Como regla general, cuanto mayor es la temperatura máxima de utilización del fluido, mayor es el coste económico.Los aceites térmicos sintéticos de gama media con temperaturas de servicio de hasta 340ºC son de una y media a dos veces más caros que los aceites minerales, mientras que los aceites térmicos sintéticos aromáticos de alta gama para temperaturas de trabajo de hasta 400ºC, lo son hasta cinco o seis veces.

Dentro de este criterio de coste económico, debemos incluir los costes de explotación, tales como mantenimiento, reposiciones, etc. Para minimizarlos, recomendamos seguir el programa de análisis de muestras de fluido térmico recomendado, tanto en frecuencia como en parámetros evaluados, que permite tener al usuario perfectamente informado sobre el estado de la carga actual de fluido térmico y minimizar paradas de mantenimiento o sobrecostes por ineficiencia energética por degradación.

Conclusiones

¿Qué tipo de aceite térmico es el más conveniente? ¿Qué química es la mejor?

Lo más probable es que una química determinada no sea superior a la otra en todos los criterios requeridos por un nuevo proceso.

Exceptuando aquellos casos en que un requisito técnico obliga necesariamente a escoger un determinado tipo de aceite térmico – temperatura de servicio superior a 315ºC por ejemplo, o compatibilidad con el producto en caso de fugas -, ambas químicas tienen ventajas: los aceites térmicos sintéticos ofrecen una eficiencia superior de transferencia de calor y estabilidad a altas temperaturas, mientras que los aceites minerales tienen un coste inferior y ventajas ambientales.

La identificación de los criterios primarios requeridos por un nuevo proceso o el principal objetivo de mejora deseado priorizará los criterios por importancia. Al seleccionar primero el tipo del fluido térmico que mejor resuelve el panorama general, las comparaciones de fluidos individuales dentro del grupo deben resolver a los pequeños.

En la Tabla I adjunta tenemos un pequeño resumen de las razones expuestas, con una aproximación de escala en cada una de las propiedades evaluadas.

Criterios de fluido térmico

De la interpretación de la gráfica, podemos determinar rápidamente que los aceites térmicos sintéticos de alta gama, son los de mayor coste, menos respetuosos con el medio ambiente, precisan de temperaturas de bombeo más elevadas, y tienen una mayor eficiencia de transferencia de calor y una mayor estabilidad térmica, mientras que los aceites minerales son los de menor coste y los más respetuosos con el medio ambiente, pero los de menor estabilidad térmica y menor eficiencia en la transferencia de calor. Los aceites térmicos sintéticos de gama media, tienen en todos los criterios valores intermedios razonablemente satisfactorios.

Capítulo 3

Análisis de fluidos

Los fluidos térmicos, llamados comúnmente aceites térmicos, proporcionan un servicio satisfactorio durante períodos de tiempo elevados y no precisan de un mantenimiento exhaustivo, ni de una gran supervisión si los comparamos con otras instalaciones de transporte de energía como puedan ser las de vapor.

Sin embargo, y precisamente por este hecho, a veces se olvidan o minimizan algunas de las pocas operaciones básicas de mantenimiento preventivo que garantizan un equipo fiable y seguro.

Secciones de este capítulo:
Degradación de fluidos térmicos

Sin embargo, y precisamente por este hecho, a veces se olvidan o minimizan algunas de las pocas operaciones básicas de mantenimiento preventivo que garantizan un equipo fiable y seguro.

No debe olvidarse que nos encontramos ante un elemento imprescindible en todo nuestro sistema de calentamiento, que al mismo tiempo será sin duda crítico en nuestro sistema productivo y asegurar que el fluido térmico se encuentra en condiciones de servicio satisfactorias tiene una incidencia capital en aspectos tan importantes como la seguridad del equipo o los costes energéticos.

En efecto, una degradación de la carga implica una disminución de las capacidades de transferencia de calor del fluido térmico. Al no poder absorber adecuadamente la energía suministrada por el combustible a través del quemador, la temperatura de los gases de combustión en la salida de humos – chimenea -, sea más elevada y por tanto el rendimiento energético de la caldera inferior y el coste en combustible aumentará.

También nuestros aparatos consumidores – intercambiadores, reactores, etc. -, verán mermada su capacidad productiva
por la misma causa.

También tienen una fuerte incidencia económica, las paradas en el equipo que por averías o mantenimiento correctivo más frecuente, deben realizarse con un fluido térmico en mal estado y que impiden una producción satisfactoria y regular.

Entre estas averías u operaciones de mantenimiento más frecuentes, podemos indicar la limpieza de filtros, reposición parcial de fluido, paradas por fallos en la circulación de fluido, paradas por temperatura elevada de humos, etc.

Siendo obviamente importante el aumento de costes económicos, es sin embargo más preocupante la disminución en la seguridad del equipo que puede representar una carga de fluido térmico en mal estado.

En efecto, la disminución de la capacidad de transferencia de calor, implica también que el fluido térmico no refrigera correctamente los tubos de los serpentines y la aparición de puntos de sobrecalentamiento dará paso a poros en dichos serpentines.

El riesgo de incendio del equipo aumenta, más si tenemos presente que otra de las propiedades que disminuyen en un fluido térmico degradado es el punto de inflamación.

Curiosamente, y en el sentido contrario, la constatación de la importancia del fluido térmico en nuestro sistema productivo, lleva en muchas ocasiones a crear una tendencia a culpar al estado deficiente del mismo, de cada problema del proceso, ya sea percibido o real.

Por ejemplo, una disminución en el rendimiento del intercambiador de calor, será causado generalmente por una caída en el caudal debido a un filtro sucio o una válvula de control que funciona incorrectamente o una ampliación de la instalación que ha llevado a una
redistribución no satisfactoria de caudales.

Es por tanto imprescindible, fijar una rutina de mantenimiento para vigilar el estado de la carga del fluido y su evolución, evitando su degradación y permitiendo la correcta percepción del funcionamiento de nuestra instalación.

El mejor método para determinar esta evolución, es realizar un análisis químico de una muestra extraída de la instalación, en intervalos de tiempo predeterminados, comprobando los valores de algunas de las características básicas, que nos servirán de marcadores eficaces para evaluar correctamente el estado de la carga de fluido térmico.

Frecuencia

El intervalo de tiempo puede ser determinado en base a experiencias anteriores con el sistema, a las condiciones de servicio – tales como temperatura de servicio u horas de producción real anual – y a las recomendaciones del fabricante de la caldera o del instalador.

En la mayoría de las ocasiones – alrededor de un 95% – de los casos de degradación de un fluido térmico, no son debidos a las horas de servicio y por tanto a la extinción de la vida útil de la carga, sino que la causa principal es debida a errores de utilización, o a un mal diseño, ya sea inicial o de posteriores ampliaciones o modificaciones. Son los llamados “condicionantes externos”.

En estas condiciones, la mayoría de estos problemas pueden ser identificados a tiempo y corregidos, si el fluido es analizado dentro de los primeros 3 a 6 meses desde su puesta en marcha o de la modificación realizada.

A partir de los resultados de los primeros análisis se acostumbra a ajustar la frecuencia de las extracciones y análisis rutinarios.

Estos análisis rutinarios o de mantenimiento preventivo, son reglamentariamente en España como mínimo una vez al año.

Según indica la norma UNE 9310, en su Apartado 19.2, en que especifica que debe comprobarse el correcto estado de la carga de fluido térmico anualmente. Esta norma es de obligado cumplimiento según el vigente del Reglamento de Equipos a Presión.

Esta frecuencia mínima, también se halla recomendada en la norma alemana DIN 4754, verdadero referente internacional en las instalaciones de fluidos térmicos.

Además de estos análisis rutinarios, es importante que el usuario de la instalación perciba las variaciones en el funcionamiento cotidiano.

Un retardo en el tiempo para alcanzar la temperatura de servicio, un aumento en el consumo de combustible o el accionamiento repetitivo de algunos de los componentes de seguridad de la instalación, deben ser considerados, ya que pueden indicar un estado de la carga de fluido térmico deficiente que debe ser contrastado con un análisis no rutinario.

La identificación temprana evitará sorpresas posteriores que puedan representar un coste económico importante por interrupción del sistema productivo.

Extracción de la muestra

Para que la muestra a analizar sea representativa, debe seleccionarse para su extracción un punto activo de la instalación, recomendándose que sea cercano a la caldera y que el método de extracción no comporte alteración de parámetros posteriormente evaluables.

Especialmente contraindicado es extraer muestras de los depósitos de expansión o recogida.

Análisis de fluidos térmicos | Pirobloc

Fig. 1. Enfriador de muestras

Para extraer de forma segura una muestra de aceite térmico se requiere de un equipo que sea capaz de mantener las condiciones de temperatura y de presión de la instalación evitando de esta forma influir en los datos de análisis – por ejemplo en el valor del punto de inflamación determinado – y permitir además un muestreo en condiciones de seguridad para el operario encargado de la operación.

En muestreos sin refrigeración, es fácil alterar el valor del punto de inflamación, ya que el enfriamiento se realiza en un recipiente abierto, que facilita la oxidación y que los componentes de bajo punto de ebullición se diluyan en la atmósfera.

El equipo que recomendamos para la extracción de muestras seguras y fiables es un enfriador como el que muestra la figura 1.

Constituye un método efectivo, seguro y simple para la obtención de muestras representativas sin interrupción de proceso. Este sistema minimiza notablemente los riesgos potenciales derivados de realizar esta operación de una forma inadecuada.

Su funcionamiento es bien sencillo. Inicialmente las válvulas A y C están cerradas. Cuando queremos extraer la muestra de fluido térmico abrimos la válvula A que se halla conectada a la instalación, hasta llenar parcialmente la botella de expansión de este sistema.

Después dejamos enfriar el fluido en la botella; la válvula B debe estar abierta para expulsar los gases fruto de la expansión. Después, asegurándonos que la válvula A está cerrada, abrimos la válvula C y llenamos nuestro recipiente de toma de muestras una vez el fluido térmico esté frío.

Mediante este sistema de válvulas asociado a un pequeño vaso de acumulación conseguimos extraer de forma limpia y segura las muestras necesarias para evaluar el estado del fluido de la instalación.

PIROBLOC sensibilizado con el objetivo cero accidentes ofrece este sistema tanto en instalaciones nuevas como en existentes.

El recipiente no necesariamente metálico y preferiblemente de vidrio, ya que va a permitir evaluaciones visuales inmediatas, de capacidad aproximada de 0.5/1 litro y que se encuentre limpio y seco.

Para la limpieza del recipiente NO utilice agua para limpiar, a menos que se pueda garantizar un secado completo. Es habitual usar como líquido de limpieza el propio fluido térmico extraído de la instalación al inicio de la extracción, despreciándose el mismo para el análisis y sirviendo pues a modo de enjuague.

Es importante que la muestra se coloque directamente en el frasco de muestra. No use otro recipiente para tomar la muestra si el líquido está demasiado caliente. Espere a que el sistema se enfríe antes de tomar la muestra.

La operación debe realizarse siempre con el uso de guantes de seguridad

Sólo en las instalaciones con fluidos térmicos sintéticos de tipo difenilo / bifenilo, se recomienda extraer la muestra a temperaturas que la presión de vapor del fluido a la misma, no implique una vaporización inmediata del fluido.

Circuitos secundarios que trabajen a temperaturas moderadas para este tipo de fluidos – aproximadamente 280 ºC -, son una buena opción. También la instalación de un intercambiador de refrigeración previo a la botella colectora, puede ser una solución satisfactoria.

La muestra extraída debe enviarse a un laboratorio cualificado o a PIROBLOC S.A. para su análisis, indicando el tipo y marca de fluido térmico, la temperatura normal de servicio, aproximadamente las horas / año de funcionamiento de los equipos y los años de fluido térmico actual.

Indique asimismo si hay algún tipo de anomalía en el funcionamiento habitual de la instalación – falta de temperatura, reposiciones frecuentes, etc -, que haya propiciado este análisis o bien si se trata de una operación de seguimiento del estado de la carga, rutinaria.

Qué controlar en un análisis

Inspección visual

Muchos de los problemas del fluido pueden ser detectados por el aspecto y el olor.

Así, sedimentos finos negros en el fondo del recipiente de la muestra indican, generalmente, acumulación de sólidos. Contaminantes líquidos pueden aparecer como una capa separada en la parte inferior de la muestra.

El agua tiene una solubilidad muy baja en la mayoría de fluidos térmicos puede ser advertida en la mayoría de las ocasiones a simple vista. La presencia de agua en la instalación causa problemas de circulación, cavitación de las bombas, presurización excesiva y oxidación prematura del fluido térmico.

Los contaminantes solubles en fluidos térmicos sintéticos de base aromática afectarán al olor de la muestra.

Una prueba rápida y práctica para determinar si hay partículas de carbono en el fluido, es girar el recipiente de la muestra al revés después de 24 horas y buscar hollín colocado en el fondo del recipiente.

Las partículas finas del carbón – similares a la suciedad en aspecto – se forman por la descomposición producida por la oxidación. Se producen en interior de la caldera y con temperaturas de funcionamiento normales.

Estas partículas permanecen suspendidas en el fluido térmico mientras este fluye, pero pueden llegar a juntarse en cantidades suficientes para formar bloqueos. Estas partículas de carbono sedimentan cuando el líquido está sin circulación.

Los depósitos de expansión tienen un riesgo más elevado para este tipo de formación de sedimentos, habitualmente conocidos como lodos.

Análisis químico

Todas las propiedades a controlar tienen por objetivo indicarnos el estado de la carga de fluido térmico para poder determinar si su sustitución es necesaria para garantizar un correcto funcionamiento.

Hemos de tener muy en cuenta, que los parámetros a controlar para poder establecer el estado de una carga de fluido térmico son diferentes a los habituales para aceites lubricantes o fluidos hidráulicos.

Además, los fluidos térmicos funcionan en sistemas de circuito cerrado – sin la exposición continua al aire -, al contrario a los aceites lubricantes o fluidos hidráulicos que funcionan en sistemas abiertos – exposición continua al aire.

Aunque hay infinidad de parámetros que nos pueden dar indicios de cómo se encuentra una carga de fluido térmico, habitualmente con la inspección visual antes indicada y tres de ellos podemos tener una visión bastante exacta.

Estos tres parámetros son: el índice de acidez, la viscosidad y el punto de inflamación.

Sólo ante valores contradictorios o dudosos de los parámetros indicados, puede ser necesario un análisis más extenso.

Índice de acidez (TAN) o número de neutralización – “Neutralization number”

Mide la cantidad de ácido presente en el líquido, exactamente la cantidad de hidróxido de potasio (KOH), en miligramos que se requiere para neutralizar un gramo de la muestra, lo que es una indicación de la cantidad de oxidación que se ha producido.

Cuanto mayor sea el número de acidez, mayor oxidación se habrá producido.Cuando el fluido térmico reacciona con el oxígeno, se producen ácidos orgánicos y se produce la oxidación. Se forman por tanto por falta de estanqueidad de la instalación, ya sea por presencia de aire – principalmente -, pero también por agua.Los depósitos de lodos y la alta viscosidad son síntomas de oxidación y son las razones más comunes para la degradación del fluido.

Sin embargo, a menos que haya agua presente, estos ácidos no son corrosivos en el sentido tradicional.La mayoría de los productos de la oxidación son solubles en los fluidos térmicos y tienen lugar reacciones entre ellos, formándose lodos especialmente en los puntos en donde es favorable una sedimentación – como ya hemos indicado anteriormente el depósito de expansión, por ejemplo -.

Por otra parte, otros productos de la oxidación son insolubles y, por tanto, pueden dan lugar a depósitos, taponado parcial de tuberías, aceleración de la deterioración mecánica de sellos, de válvulas, de bombas, etc. etc.

Viscosidad

Mide la fluidez del fluido. El valor obtenido se acostumbra a comparar con el de fluido nuevo y en ocasiones los resultados se muestran como un “% en relación al cambio.

Esta comparación con los valores del fluido nuevo es necesaria ya que la viscosidad es proporcional al peso molecular promedio, y por tanto según la composición del fluido, puede tener valores muy dispares, aunque esta prueba por sí sola no es un indicador válido para establecer con rotundidad el estado del fluido.

La condición de que sea proporcional al peso molecular es la que hace que cualquier cambio en la viscosidad puede indicar cambios en la composición de fluido. Sin embargo, hay que tener presente que sólo los cambio extremos son significativos.

Estos cambios extremos pueden estar originados tanto por un proceso de oxidación – que deberá ser confirmado con los valores obtenidos del índice de acidez -, como por un craqueo químico, sobrecalentamiento o contaminación.

Punto de inflamación – “flash point”

Da una indicación de la presencia de compuestos volátiles en el fluido. Su valor, al igual que el obtenido en la prueba de determinación de la viscosidad, debe ser comparado con el de fluido nuevo, ya que existen importantes diferencias en el punto de inflamación, según el tipo de aceite térmico.

Es una de las temperaturas características de los fluidos térmicos. No existe un estándar o regulación que cubre el cambio de punto de inflamación permitido en un Fluido térmico.

Sin embargo, este parámetro es indicativo de la cantidad de fracciones más volátiles – “low boilers” – generadas.Un fluido con un punto de inflamación que ha sufrido un descenso importante respecto a su valor de origen, tendrá una mayor concentración de moléculas de punto de ebullición.

Las disminuciones significativas en los resultados de la prueba pueden indicar que se ha producido una degradación.

Otros parámetros habituales

Aunque es difícil que se determinen en análisis rutinarios, también el intervalo de destilación o el residuo carbonoso son parámetros que son evaluados habitualmente

Intervalo de destilación – “boiling range”

Debido a que los fluidos térmicos están formados por diferentes componentes y aditivos, cada uno con su punto de ebullición, el líquido vaporizará en un intervalo de temperaturas que se llama intervalo de destilación.

Cuanto más elevado es ese rango, mayor será la degradación.

Residuo carbonoso

Indica la tendencia del fluido a la formación de depósitos de carbono cuando es sometido a altas temperaturas.

Los valores del análisis son los residuos resultantes del producto en condiciones de ensayo normalizadas, valorándose la cantidad y el aspecto del mismo, con objeto de enjuiciar el grado de refino y la naturaleza del aceite.

Obviamente a valores elevados, mayor degradación.

Resultados

Los datos de laboratorio proporcionan sólo una instantánea de la condición del fluido. Es por ello que son importantes las tendencias que se manifiestan cuando se han tomado varias muestras rutinarias.

Los datos deben ser puestos en una perspectiva de tiempo junto con el historial operativo y el conocimiento de los equipos para interpretar correctamente los resultados y obtener un análisis completo del sistema y determinar si la carga analizada puede seguir en servicio o se ha degradado hasta el punto que un cambio es necesario.

Se considera que en circunstancias normales de trabajo, con las operaciones de mantenimiento adecuadas y moviéndose en los parámetros de operación de fluido térmico seleccionado, la vida útil de una carga debe ser del orden de 35000-40000 horas efectivas.

Esta vida útil puede ser más elevada si las características del fluido térmico son muy superiores a las requeridas por el sistema

Si el cambio de carga no es debido a haber llegado al final de la vida útil del fluido, sino que los que hemos llamado “condicionantes externos” son los causantes de una degradación acelerada, mientras dichos condicionantes o anomalías no sean corregidas, el cambio de fluido podría convertirse en una rutina.

Obviamente si se ha llegado a este punto, es debido a una falta de controles rutinarios, ya que en ese caso, los resultados hubieran permitido proporcionar la información necesaria para identificar los problemas y sus orígenes, implementando las acciones correctivas necesarias antes de comprometer la continuación en servicio de la carga o la eficiencia del equipo

Se acostumbra a acompañar a los resultados de los análisis, la norma bajo la cual se han realizado las diferentes pruebas, ya que según la norma empleada los valores obtenidos pueden ser diferentes y su interpretación dar lugar a equívocos.

Por ejemplo, la determinación del punto de inflamación con el método llamado de copa cerrada o método Pensky-Martens, da unos valores aproximadamente 20 ºC inferiores a los determinados con el método denominado de copa abierta o método Cleveland.

Asimismo, el hecho de citar la norma bajo la cual se han realizado los análisis, implica una rigurosidad en la ejecución de los mismos y por tanto una fiabilidad de los resultados obtenidos.

DIN (Alemania)ASTM (USA)IP (GB)NF (Francia)
Punto de inflamación “copa abierta” (Cleveland)51376D 9236T60118
Punto de inflamación “copa cerrada” (Pensky-Martens)51578D 9334M07019
Viscosidad cinemática51550D 44571T60100
Índice de acidez, neutralización o TAN51558D 974139T60112
Intervalo de destilación51581D 2887480M07002
Residuo carbonoso Conradson51551D 18912T06116
Tabla de las normas más generalizadas de análisis de las magnitudes a controlar
Valores frontera

A continuación damos unos valores “frontera” de cada parámetro, exclusivamente a nivel orientativo. Como hemos indicado repetidamente, el conocimiento del proceso operativo y el historial y las tendencias observadas, son determinantes en la mayoría de las ocasiones para poder evaluar convenientemente el estado de la carga

Viscosidad

Puesto que la viscosidad varia con la temperatura, el valor de referencia es considerando una temperatura del fluido de 40ºC

Un incremento del 10 % sobre el valor de origen de fluido nuevo puede indicar una oxidación o contaminación con un fluido menos estable térmicamente – aceite lubricante o fluido hidráulico-.

Una disminución del 15% cae dentro del rango normal mientras que valor del 30% indica que se ha producido un sobrecalentamiento y debe contrastarse con otros parámetros, especialmente con el punto de inflamación. Disminuciones superiores, implican un cambio de carga.

En situaciones donde no se conoce exactamente la viscosidad de origen, se pueden aplicar la regla básica de cambio de carga una viscosidad inferior a 15 cSt a 40 ºC o superior a 100 cSt a 40 ºC.

Índice de acidez (TAN)

Valores fronteraEstadoObservaciones
< 0.05ExcelenteFluido nuevo
> 0.3La carga empieza a mostrar síntomas de oxidación, pero si los demás parámetros son correctos, puede continuar en servicio con toda normalidadLógico si las horas de servicio son ya importantes y el aumento es progresivo. En caso contrario deben revisarse el diseño de la instalación y su estanqueidad.
> 0,6Debe procederse a análisis más frecuentes del fluido, prestando especial atención a los demás parámetros
> 0.9Cambio inmediato de la carga de fluido térmico existenteFin de la vida útil del fluido

Punto de inflamación

El punto de inflamación desciende a medida que se forman moléculas más pequeñas y más volátiles “low boilers”. Se debe considerar un cambio de carga cuando el punto de inflamación disminuye más de 50ºC en comparación con el valor de origen del fluido nuevo.

En situaciones de desconocimiento del punto de inflamación original, no serían aceptables valores inferiores a 130ºC en análisis con el método de copa abierta – Cleveland -.

Causas, precauciones y consejos

Los fluidos térmicos se degradan con el tiempo debido al craqueo térmico y la oxidación. Como ya hemos comentado, la velocidad de degradación puede estar influenciada por procedimientos de operación inadecuados, mal diseño o contaminación.

Por ello, el primer consejo obviamente, es que la instalación tenga un correcto diseño, que se adecue a las necesidades del proceso y que el fluido térmico seleccionado cumpla con los requisitos técnicos que se requieren.

El segundo paso, es un uso de la misma en las condiciones para las que ha sido diseñada, sin sopresar temperaturas o potencias de diseño y con un mantenimiento preventivo y correctivo eficiente. 

A continuación damos una lista de lo que podríamos denominar “buenas prácticas” para conseguir que la vida útil de la carga de fluido térmico sea la esperada.

Oxidación

Ya hemos indicado que los fluidos térmicos reaccionan con el aire para formar ácidos orgánicos. La velocidad de oxidación es baja en condiciones ambientales pero aumenta rápidamente con la temperatura.

Estos ácidos pueden someterse a la polimerización de radicales libres que aumentará la viscosidad del fluido y, en última instancia, dan lugar a los depósitos de lodos.

Minimizar la oxidación y alargar el proceso de deterior de la carga por esta causa es relativamente sencillo:

  1. El diseño de la instalación debe ser estanca, ya sea por medio del llamado “cojín hidráulico” o por otros sistemas, incluyendo la utilización de gases inertes.Compruebe que sea cual sea el sistema empleado en el diseño de su instalación, este funciona correctamente, con cojín hidráulico suficiente y con presión de nitrógeno correcta.
  2. El diseño debe asegurar también, que la temperatura en el depósito de expansión se mantenga el por debajo de 70ºC. – No aisle el depósito de expansión ni las tuberías conectadas al mismo.
  3. Realice las operaciones de mantenimiento con el fluido a temperaturas inferiores a 60 ºC.
  4. Cambie cierres mecánicos de bombas y juntas sólo se aperciba que existen fugas.Cada vez que existe una parada en la instalación, puede producirse un vacío en esos puntos y facilitar la entrada de aire a la instalación por esos puntos.
  5. Ante una modificación o ampliación de la instalación, debe realizarse una nueva puesta en marcha repitiendo el proceso de deshidratación inicial

Contaminación

Los contaminantes pueden promover la degradación del fluido, así como causar problemas operativos. Los contaminantes pueden entrar en el sistema de varias maneras:

En instalaciones nuevas

Una instalación nueva requiere que las partes que se fabrican y montan en terreno, habitualmente tuberías, tengan un grado de limpieza como mínimo equivalente a los componentes que van a unir, y que han sido suministrados limpios y protegidos desde fábrica.

Un problema frecuente en instalaciones de fluido térmico es la contaminación del fluido originada durante el montaje, ya sea por causa de las operaciones de corte y soldadura, por polvo y suciedad, empleo de lacas protectoras, por deficiente almacenamiento de componentes o por una manipulación inadecuada durante el proceso de llenado de la carga.

Un método de limpieza y purificación de un fluido térmico, en instalaciones nuevas es el llamado “Flushing”.

Una vez finalizada la instalación, ya en fase operativa el fluido puede sufrir igualmente contaminaciones, con partículas sólidas o por agua. Estas contaminaciones afectan tanto a las tuberías como a los componentes del sistema, por lo que es necesaria la recuperación del nivel de limpieza inicial.

Las partículas sólidas pueden ser eliminadas mediante el empleo de filtros que deben ser limpiados regularmente, verificando que la presión en la aspiración de la bomba no descienda del normal de servicio.

Este hecho es indicativo de suciedad en el filtro.

La presencia de agua, implica casi con total seguridad fugas en intercambiadores, que obviamente deben ser reparadas.

Pruebas de presión

Otra posibilidad de la presencia de agua en la instalación, puede ser haber realizado pruebas de presión de alguno de los equipos integrantes de la misma con agua.

Esta presencia, que sería detectada inmediatamente a la conexión del equipo implicado, podría ser eliminada por medio del sistema de purga de la instalación. Estos casos deben ser evitados requiriendo a los proveedores de equipos para la instalación que realicen las pruebas a presión con el fluido térmico de la instalación, ya que es extremadamente difícil un buen secado.

También es posible la presencia de agua por condensación de humedad en el depósito de expansión, lo que implicaría necesariamente un diseño inadecuado del sistema de estanqueidad del mismo y por tanto, sería también bastante factible la presencia de aire.

Craqueo térmico – “cracking” o sobrecalentamientos

Se entiende por craqueo químico o “cracking” la descomposición de un producto, en nuestro caso el fluido térmico, en elementos de elevado y bajo punto de ebullición, por exceder la temperatura de película máxima recomendada del fluido térmico.

Podemos decir más “gráficamente” que se rompe la cadena de unión de diferentes componentes del producto y éste ya no se comporta uniformemente. La descomposición se divide entre “low boilers” y “high boilers”.

El primer apartado se halla formado por las fracciones más volátiles del fluido, que vaporizan y son eliminadas al exterior por los depósitos de expansión.

Su aparición provoca calentamientos no uniformes y cavitaciones en bombas. El segundo apartado se halla compuesto por las sustancias del fluido térmico que se carbonizan, adhiriéndose a las paredes de los serpentines.

Inicialmente este cracking incipiente produce una disminución del rendimiento de la caldera al convertirse estos productos en pseudoaislantes con el incremento de combustible que ello representa y las dificultades de producción lógicas.

Sin embargo, el siguiente paso es aún peor. A medida que el fluido va degradándose la cantidad de calor que pasa a través de la tubería de los serpentines es menor y la temperatura de la pared aumenta.

El desenlace; destrucción de los serpentines, requemados y por ello sustitución de la caldera.

Se puede minimizar o evitar el “cracking”:

  1. Preste atención a las seguridades instaladas y realice un mantenimiento de dicha instrumentación. Con las seguridades reglamentarias y correctamente funcionando, el “cracking” no es posible. La actuación de las alarmas por alta temperatura y / o de bajo caudal, indican sobrecalentamiento y evitan el “cracking” si son consideradas y evaluadas.
  2. Considerando una instalación correctamente diseñada de origen, con un fluido térmico acorde con nuestras necesidades, sea muy cuidadoso en la selección de un cambio de bomba por cualquier circunstancia, ya que el “cracking” puede producirse por una deficiencia de caudal de fluido térmico en la caldera.Ante una modificación o ampliación del circuito inicial, recurra a un rediseño hidráulico profesional de la instalación, ya que es posible que obligue a una sustitución de las bombas iniciales. Debe realizarse una nueva puesta en marcha.
  3. No realizar el arranque del sistema a plena potencia. Un calentamiento progresivo hasta alcanzar la temperatura de 100 ºC, minimiza el “stress” térmico del fluido.
  4. Igualmente, evite las paradas repentinas, permitiendo que el fluido circule hasta que la temperatura de salida de la caldera sea alrededor de 100ºC.
  5. El quemador debe proporcionar la potencia de diseño de la caldera existente y estar perfectamente ajustado.
  6. Si es habitual que se produzcan fallos de alimentación, considere la posibilidad de conectar la bomba a la fuente de alimentación auxiliar.
  7. Realice los análisis rutinarios de las muestras de fluido térmico extraídas de su instalación y las recomendaciones que de los resultados emanen. Un “cracking” puede producirse por haber querido alargar la vida útil de una carga que debería haber sido sustituida anteriormente por otra causa – oxidación por ejemplo -.
Capítulo 4

Temperaturas características de los fluidos térmicos

Los fluidos térmicos tienen una serie de temperaturas características que son indicativas de su rango de trabajo.

Algunas de ellas son de vital importancia para el diseño de las calderas de fluido térmico – temperatura de film -, mientras que otras permiten establecer criterios técnicos para la correcta selección del fluido térmico más adecuado para cada proceso productivo – máxima temperatura de servicio, temperatura mínima de bombeo-.

Finalmente algunas de ellas – punto de inflamación -, tienen como objeto establecer unos patrones base que permitan evaluar las condiciones de servicio de un fluido térmico usado, mediante la extracción de una muestra y posterior análisis al compararla con las de especificación de dicho fluido nuevo.

Secciones de este capítulo:
TIPOS DE TEMPERATURAS

Los valores de las temperaturas características son resultado de ensayos de laboratorio, bajo unas determinadas normas que fijan los parámetros de la prueba – incidencia tangencial de chispa, estricto control ambiental, rampa de subida de temperatura determinada, etc.-, que no se presentan en la realidad, pero que permiten establecer valores de referencia.

Según las especificaciones y por tanto la normativa empleada, pueden haber variaciones en los valores obtenidos, aunque todos ellos en todo caso muy parecidos.

Es por ello que en los resultados obtenidos debe de constar la norma según la cual se ha realizado el ensayo.

Máxima temperatura de servicio

Es la temperatura máxima que el fabricante del fluido recomienda que pueda usarse en uso continuo y aun así mantener un nivel aceptable de estabilidad térmica.

Debido a que las tasas de degradación del fluido están estrechamente ligadas a la temperatura, trabajar habitualmente por encima de la temperatura de funcionamiento máxima del fluido, aumentará exponencialmente la tasa de degradación.

Los posibles problemas causados ​​por una degradación excesiva y la subsiguiente formación de subproductos de degradación incluyen aumento de la coquización y suciedad, dificultades mecánicas y disminución de la eficiencia de transferencia de calor.

Obviamente es de gran importancia en la selección del fluido térmico más adecuado para cada proceso productivo.

Temperatura máxima de la película o de film

En una caldera, las paredes de los serpentines alcanzan temperaturas más elevadas que la temperatura de servicio del fluido térmico.

La temperatura de servicio del fluido térmico, se considera la determinada en el centro de la sección de los serpentines, y se llama también habitualmente temperatura de masa, mientras que la temperatura de film es la temperatura que alcanza el fluido térmico que está en contacto con la pared de los serpentines.

Esta temperatura tiene siempre un valor más elevado que la temperatura de masa y si en condiciones de uso sobrepasa la determinada por el fabricante del fluido térmico, se degradará térmicamente el fluido. – ver figura 1 -.

Esta temperatura es de vital importancia para el diseño de las calderas.

En condiciones de servicio, con una caldera correctamente diseñada y con el caudal de fluido térmico adecuado, la temperatura de film acostumbra a ser del orden de 5 a 10 ºC superior a la temperatura de masa.

Temperatura de masa Tm, Temperatura de película Tp, Temperatura de pared de tubo Tt

Figura 1. Temperatura de masa Tm, Temperatura de película Tp, Temperatura de pared de tubo Tt

Punto de congelación – Pour Point –

Es la temperatura a la cual el fluido térmico no es capaz de escurrir por simple gravedad, ya que la viscosidad se ha vuelto infinita.

Para reducir dicho punto, los fluidos térmicos se aditivan, estando la mayoría de fluidos térmicos del mercado en valores próximos a los -30 º C.

Temperatura mínima de bombeo

Esta temperatura y no el punto de congelación, es la temperatura a la cual un fluido térmico puede operar y es por tanto tenerla en consideración en la selección del fluido térmico.

Se define como la temperatura a la cual la viscosidad del fluido alcanza un valor – típicamente 2000 cP – en el que bombas centrífugas no pueden hacer circular el fluido.

Aunque la mayoría de las aplicaciones de proceso se ejecutan a temperaturas muy por encima de dicho punto, los diseños de sistemas podrían encontrarse con problemas durante paradas de emergencia o paradas de mantenimiento sino hemos considerado este requisito en la adquisición de la carga de fluido térmico de nuestra instalación.

Generalmente, la mayoría de los aceites térmicos minerales y los fluidos sintéticos de gama media tienen valores para el arranque hasta el rango de -20ºC a -5ºC.

Los fluidos sintéticos de alta gama – fluidos sintéticos aromáticos con óxidos de difenilo / tipo bifenilo y con temperaturas máximas de servicio de 370ºC -400ºC tienen valores de 5ºC a 15ºC como temperaturas mínimas de bombeo.

Los procesos que utilizan un fluido térmico que potencialmente puede tener problemas de arranque en frío necesitarán disponer en su instalación de tuberías con trazado de aporte de calor, ya sea por vapor o por resistencias eléctricas.

Punto de inflamación – Flash Point –

Es la temperatura a la cual los vapores producidos por el fluido térmico al calentarse, se inflaman, surgiendo una llamarada repentina sobre la superficie del fluido térmico cuando se aproxima una llama o se hace saltar una chispa, en presencia de oxígeno. No importa que la llamarada surgida se apague inmediatamente después – ver figura 2 -.

Es un indicativo muy importante del estado del fluido térmico. Los valores normales se situan alrededor de los 190º C.

Hay que tener presente que un circuito de fluido térmico es cerrado, no existiendo por tanto presencia de oxígeno y siendo por tanto imposible una combustión sin una fuga.

Es muy importante no confundir esta temperatura, con la temperatura de autoignición o con la temperatura de combustión.

Punto de Combustión – Fire Point –

Es la temperatura a la cual, y una vez aproximada una llama o chispa, en presencia de aire comburente (oxigeno), la llama que se forma se mantiene al menos 5 segundos encendida.

Los valores normales se sitúan alrededor de los 210 ºC.

Punto de autoignición

Es la temperatura mínima a la cual el fluido térmico se enciende por sí mismo, sin presencia de llama o chispa que inicie la combustión. Obviamente la presencia de aire comburente es necesaria.

En consecuencia, la temperatura a considerar ante una eventual fuga de fluido térmico, es la temperatura de autoignición.

La fuga sería precisa, ya que sin ella no hay oxígeno en el circuito y por lo tanto aunque se alcanzasen temperaturas de punto de autoignición en circuito cerrado, no sería posible una combustión.

Normas de ensayo
EspecificaciónDIN (Alemania)IP (GB)NF (Francia)Estados Unidos
ASTMUSAS
Punto de congelación o solidificación5159715T0105D 97/ D 445Z 11.5
Punto de inflamación en copa abierta (Cleveland)5137636T60118D 92Z 11.6
Punto de inflamación en copa cerrada (Pensky-Martens)5175834M07019D 93Z 11.7
Punto de autoignición51794E 659-78Z 11.189
Determinación del punto de inflamación según la norma ASTM D 92, llamada de copa abierta o Cleveland

Figura 2. Determinación del punto de inflamación según la norma ASTM D 92, llamada de copa abierta o Cleveland

TABLA DE TEMPERATURAS

En el siguiente cuadro podemos observar las temperaturas características de los principales fluidos térmicos del mercado. Se puede observar que la temperatura máxima de servicio – indicada por el fabricante – y las temperaturas de inflamación y autoignición no guardan una relación directa.

Fluido térmicoTemperaturas características (ºC)
Máxima de servicioMáxima de filmInflamaciónMínima de bombeoDe congelaciónAutoignición
BP TRANSCAL N3203402210-12350
Calflo HTF325343231-1-18355
Diphyl DT330340135-25-54545
Diphyl4004101151312615
Dowtherm A4004301131212615
Dowtherm Q330355120-30-35412
Essotherm 65032034030047-9350
Marlotherm SH350380200-5-34450
Mobiltherm 603280300190-8-15340
PIROBLOC HTF Mineral305320215-5-12340
Therminol SP315335177-10-40365
Therminol 66345375178-3-32374
Therminol 75380400132-10-18585
Therminol VP-14004251241312621
Shell Thermia Oil E310340208-2-18340
Capítulo 5

La caldera de fluido térmico

La misión de una caldera en una instalación de fluido térmico es obvia: debe proporcionar la energía demandada por los aparatos consumidores a la temperatura que nuestro sistema productivo requiera.

Podemos pues definirla como fuente de calor y es por tanto, el punto del sistema en el que el contenido de calor o entalpía, del medio de transferencia – en nuestro caso, fluido térmico – se incrementa, y como consecuencia la temperatura de dicho medio.

Secciones de este capítulo:
TIPOS DE CALDERAS

Según como sea la aportación de calor a la caldera, podemos considerar tres tipos de configuración:

  1. Por medio de combustibles tradicionales, ya sean líquidos o gaseosos.
  2. Calentamiento por medio de resistencias eléctricas
  3. La energía es aportada por la recuperación de calor sensible de gases procedentes de la combustión de un horno o de un proceso productivo.

Requerimientos básicos

  • Debe ser diseñada de acuerdo con los códigos adecuados para este tipo de equipo – códigos de diseño ASME, AD-Merkblätt -, no sólo a nivel de cálculos, sino también a materiales y su trazabilidad, pruebas – pruebas hidráulicas, ensayos no destructivos, etc. – , ejecuciones – procesos de soldadura –, seguridad y medio ambiente.
  • La documentación y registros generados en el diseño y fabricación del equipo, conformará un expediente que permitirá la certificación final del equipo según las normativas internacionales – ASME, Marcado CE,.. -.
  • Adecuarse a los requisitos técnicos especificados por el usuario, especialmente en lo relativo a potencia suministrada y temperatura máxima de servicio.
  • Los valores de rendimientos y eficiencia energética deben ser óptimos y por ello el consumo de combustible, moderado.
  • Tiene que tener una alta fiabilidad y facilidad en el mantenimiento. No olvidemos que en general la caldera es un equipamiento crítico en casi todos los sistemas productivos, y una parada o avería en la misma puede suponer paradas costosas en la producción.
  • Debe tener la suficiente flexibilidad para poder trabajar con la mayor gama de aceites térmicos posible, permitiendo una larga vida útil del fluido utilizado, gracias a un correcto intercambio térmico diseñado – ver temperaturas características de los fluidos térmicos -.
  • Y obviamente unos precios competitivos, que permitan no sólo una fácil comercialización por parte del fabricante, sino también unos plazos de amortización relativamente cortos por parte del usuario.

El cumplimento de estos requerimientos básicos determina en gran manera el diseño del equipo, ya que algunos parámetros técnicos y otros funcionales no tan evidentes, se constituyen en importantes, sino críticos.

Así, dentro de estos parámetros funcionales, el acceso cómodo y rápido al equipo calentador, ya sea quemador o resistencias eléctricas, la inspección del interior de la caldera, las posibilidades de vaciado de la misma, un aislamiento térmico suficiente que permita temperaturas en las superficies externas seguras y sin riesgo de quemaduras, deben ser requisitos a considerar.

Ya dentro de los apartados más técnicos y en las calderas con combustibles tradicionales, el dimensionamiento correcto de la cámara de combustión, que permita por un lado altas transferencias de calor por radiación sin que se superen las máximas temperaturas admisibles en los materiales de dicha cámara, y por otro permita la instalación de quemadores de bajo índice de NOx, obligan a un diseño ajustado y preciso.

También las pérdidas de carga, ya sea en el circuito de gases de combustión o en el del fluido térmico, no deben ser elevadas, permitiendo de esta manera el empleo de quemadores y bombas standards, de consumos eléctricos moderados.

Caldera con combustibles líquidos: fueloil, gasoil, gas natural o GLP

Es sin duda el tipo de caldera que se encuentra más frecuentemente y su diseño, con algunas variaciones y detalles, es muy parecido en muchos de los fabricantes del sector.

Su ejecución puede ser vertical u horizontal según las necesidades del usuario, pero en ambos casos, el concepto y por tanto el diseño es el mismo.

Una caldera de ejecución horizontal, permite su ubicación en salas que no precisan una elevada altura y tener un acceso muy cómodo al quemador y a las distintas partes del equipo.

Por el contrario, las mayores necesidades de espacio en planta respecto a una caldera de ejecución vertical, pueden ser en ocasiones un elemento decisivo en la decisión final.

Como podemos deducir del párrafo anterior, la ubicación de la caldera de fluido térmico es determinante en la selección de su ejecución.

Ello es así porque las calderas de fluido térmico en prácticamente todas las circunstancias – sólo las calderas con fluidos térmicos sintéticos aromáticos se escapan de esta premisa, (ver fluidos térmicos), pueden reglamentariamente instalarse tan cerca como el usuario desee, de los aparatos consumidores, con la posibilidad de evitar instalación largas y costosas.

Calderas PIROBLOC de fluido térmico con combustibles líquidos o gaseosos. Ejecución horizontal o vertical

Figura 1. Calderas PIROBLOC de fluido térmico con combustibles líquidos o gaseosos.
Ejecución horizontal o vertical

Descripción

El esquema básico de una caldera de fluido térmico para combustibles líquidos y gaseosos, es el que muestra la Figura 2.

El diseño más habitual es de dos serpentines concéntricos (8) y (9), en donde va aumentando el fluido térmico su temperatura al absorber la energía que proporciona por combustión el quemador (1), fijado en la tapa de la caldera (17).

Con un solo serpentín – y por tanto dos pasos de humos -, es difícil obtener buenos rendimientos por una insuficiente superficie de intercambio de calor, mientras que tres o más serpentines, aunque garantiza una alta eficiencia energética, implica un coste económico elevado.

Así el equipo con dos serpentines y tres pasos de humos, se puede considerar como el de “diseño óptimo” que conjuga unos rendimientos satisfactorios con un coste moderado.

El serpentín interior hace las funciones de contorno de la cámara de combustión (5), estableciendo el diámetro de la misma. La llama del quemador se proyecta desde el quemador hasta dicha cámara, llegando según la regulación de la combustión, a estar al límite de chocar con la solera cerámica – cierre trasero de la cámara de combustión (13) – que delimita la longitud del hogar. Este es el que es llamado coloquialmente, primer paso de humos.

Al llegar a este cierre trasero de la cámara de combustión, los gases cambian de sentido y circulan a elevada velocidad y turbulencia, entre los dos serpentines concéntricos – segundo paso de humos (6) – hasta la tapa delantera, donde vuelven a cambiar nuevamente de sentido hasta su evacuación por la chimenea (14), a través del paso entre el serpentín exterior y la envolvente interior (11) – tercer paso de humos -.

En la gran mayoría de las ocasiones, el conexionado de ambos serpentines es en serie. Sólo diseños específicos para grandes caudales y diferenciales térmicos bajos, obligan al conexionado de los serpentines en paralelo.

Para conseguir la estanqueidad de este circuito de humos, necesaria para asegurar los rendimientos energéticos de la caldera previstos, existen cierres (13) y (18), que obligan a los gases de combustión a realizar el trayecto inicialmente previsto en el diseño del equipo.

Para favorecer el intercambio térmico, la circulación del fluido térmico es inicialmente por el serpentín exterior para pasar posteriormente al serpentín interior, siendo por tanto un intercambio a contracorriente de temperaturas con respecto a los gases de combustión y consiguiendo unos rendimientos energéticos excelentes

Todo el conjunto se encuentra aislado térmicamente (10), (12) y (16) para minimizar las pérdidas estructurales energéticas al ambiente, evitando al mismo tiempo posibles quemaduras por contacto involuntario con la superficie de la caldera.

Caldera de fluido térmico para combustibles líquidos y gaseosos. Esquema básico

Figura 2. Caldera de fluido térmico para combustibles líquidos y gaseosos. Esquema básico

Leyenda

1.- Quemador
2.- Alimentación de combustible
3.- Fluido térmico. Salida a puntos de consumo/instalación
4.- Fluido térmico. Retorno de puntos de consumo/instalación
5.- Cámara de combustión. Gases de combustión, primer paso
6.- Gases de combustión, segundo paso
7.- Gases de combustión, tercer paso
8.- Fluido térmico. Serpentín interior
9.- Fluido térmico. Serpentín exterior
10.- Aislamiento térmico del cuerpo de caldera
11.- Envolvente interior
12.- Base de la caldera
13.- Cierre inferior cámara de combustión. Solera cerámica/hormigón refractario
14.- Chimenea
15.- Salida de gases de combustión
16.- Aislamiento térmico de caldera y de cámara de combustión
17.- Tapa de caldera
18.- Cierre superior de la cámara de combustión

CONCEPTOS TÉCNICOS

Intercambio térmico

A efectos de intercambio térmico, la configuración descrita puede dividirse en tres partes según el método de transferencia de calor y por tanto respecto a los condicionantes técnicos que se requieren en cada punto para conseguir los resultados de eficiencia energética y de durabilidad de la carga de fluido térmico y de los materiales del equipo (ver Transferencia de calor).

En la Figura 3, se muestran perfectamente diferenciadas las tres zonas:

1. Radiación

Engloba prácticamente toda la cámara de combustión, más específicamente la cara interior del serpentín interior, siendo determinante en esta zona desde un punto de vista técnico, conocer exactamente los valores de la temperatura máxima alcanzada tanto por el fluido térmico como por el material del serpentín, ya que si bien es la zona de mayor capacidad de intercambio, también lo es de riesgo de superar los valores máximos permitidos. – Figura 4 -.

Zonas de la caldera según método de transferencia de calor. Referencia a las temperaturas de masa y de film que se alcanzan

Figura 4. Zonas de la caldera según método de transferencia de calor. Referencia a las temperaturas de masa y de film que se alcanzan – ver Temperaturas -.

Las características del fluido térmico utilizado, el combustible, la regulación de la combustión, el diámetro de llama, las necesidades de intercambio, el caudal circulante mínimo requerido de fluido térmico, y por tanto su velocidad y el diámetro del tubo del serpentín, son parámetros determinantes que deben ser considerados críticos en el diseño – dimensionamiento del diámetro y la longitud de la cámara -.

Un valor demasiado ajustado del diámetro de la cámara de combustión permitirá una transferencia de calor óptima, pero pondrá en peligro la durabilidad de la carga de fluido térmico y de la propia caldera y representará también una pérdida de carga del circuito de humos quizás inasumible para un quemador standard.

Por el contrario una cámara de combustión con un diámetro sobredimensionado, restará eficiencia energética al equipo.

Asimismo la longitud de la cámara de combustión tiene gran importancia en la fiabilidad del equipo. Una cámara de combustión demasiado corta para la potencia requerida, implicará temperaturas inusualmente elevadas en el cierre inferior y en el cierre superior de dicha cámara, pudiendo llegar a la destrucción parcial de los mismos.

2. Zona de transición

Comprende las caras interiores de los extremos de los serpentines interior y exterior. Según la regulación del quemador, puede incluir parcialmente la cara exterior del serpentín interior.

En esta zona, coexisten la radiación y la convección como procesos de transferencia de calor y por ello a nivel térmico, deben considerarse y tener en cuenta tanto las precauciones debidas al intercambio por radiación, como los condicionantes obligados por el intercambio por convección.

Especial atención debe observarse en el diseño del cambio de sentido del circuito de gases de combustión en el cierre inferior de la cámara de combustión, ya que debe conseguirse una estanqueidad total – de no ser así los gases de combustión pasarían directamente del 1er paso a la salida de chimenea, con rendimientos pésimos y lo que es peor, con temperaturas muy elevadas en chimenea que podrían provocar su destrucción -, junto con una pérdida de carga moderada en el cambio de sentido de los gases de combustión.

3. Zona de convección

Corresponde a las dos caras del serpentín exterior y la cara interior del serpentín interior.

Aunque pueden existir pequeños riesgos de superar las temperaturas máximas de utilización de fluido térmico y materiales – ver Figura 4 -, la preocupación principal en el diseño de esta zona consiste en conseguir una elevada transferencia de calor por medio de una velocidad de los gases de combustión considerable, pero que no suponga riesgos de ensuciamiento importantes en los pasos de humos 2 y 3 por estrechez excesiva en dichos pasos, o elevada pérdida de carga en el circuito de humos – llamada sobrepresión en caldera -, que dificulte la utilización de quemadores de mercado standards.

Zonas diferenciadas en una caldera de fluido térmico a efectos de intercambio térmico

Figura 3. Zonas diferenciadas en una caldera de fluido térmico a efectos de intercambio térmico

Además de todos los parámetros indicados anteriormente, deben diseñarse convenientemente los serpentines, para que desde un punto de vista hidráulico, las pérdidas de carga del circuito de fluido térmico no sean elevadas, lo que implicaría bombas no standards y consumos eléctricos elevados, pero que al mismo tiempo se pueda garantizar una velocidad del fluido térmico suficiente para tener coeficientes de transmisión de calor satisfactorios – Figura 5 -.

Velocidad de fluido térmico/ coeficiente de transmisión de calor. Valores para fluido térmico BP Transcal N. Temperatura 290 ºC. Se excluyen otros condicionantes para mejor compresión de la importancia de la velocidad

Figura 5. Velocidad de fluido térmico/ coeficiente de transmisión de calor. Valores para fluido térmico BP Transcal N. Temperatura 290 ºC. Se excluyen otros condicionantes para mejor compresión de la importancia de la velocidad

Diferencial térmico. Pasos en los serpentines

Se llama diferencial térmico o también salto térmico, al aumento máximo de temperatura del fluido térmico que una caldera es capaz de conseguir en su potencia calorífica nominal, al caudal de fluido térmico de diseño.

Los saltos térmicos más habituales son 20 ºC y 40 ºC, aunque estos valores tienen unos márgenes según el fluido térmico utilizado y la temperatura de servicio, y tendríamos que hablar en realidad de intervalos entre 18-22ºC en el primer caso y de 36-42ºC en el segundo.

Es importante tener presente que una caldera un salto térmico no es mejor ni peor que otra caldera de igual potencia calorífica y de salto diferente. Con diseños correctos, ambos tipos de caldera tendrán rendimientos energéticos parecidos y funcionamientos similares.

La razón de la existencia de calderas de diferente diferencial térmico es debida a conseguir la mejor adecuación de la caldera a las características del proceso productivo y más concretamente a los aparatos consumidores de la instalación.

Inicialmente una caldera de salto térmico de 20ºC, puede permitir una uniformidad de temperatura mayor en los aparatos consumidores al haber un caudal circulante más grande, aunque con una instalación inicialmente más costosa económicamente por diámetro de tuberías mayores, más capacidad de fluido térmico en la instalación y un consumo eléctrico en bomba principal más elevado.

Sin embargo una caldera con diferencial térmico de 40ºC, también puede conseguir los mismos resultados por medio de circuitos de recirculación con bombas secundarias que aporten más caudal en aparatos consumidores y por tanto una uniformidad mayor.

En este último caso pero, el coste económico de la instalación de la caldera de diferencial térmico se incrementa considerablemente y no constituye un factor determinante.

No es habitual diferenciales térmicos superiores a 40 o 50ºC, ya que por un lado el fluido térmico ve afectada su vida útil con cambios de temperatura tan elevados y bruscos, y en el diseño de la caldera deben preverse medidas de absorción de dilataciones suplementarias, lo que convierte el diseño en especial y más costoso.

Sin embargo, en aplicaciones para centrales solares térmicas, pueden encontrarse calderas de fluido térmico con diferenciales térmicos de 100 ºC,

Nuestra recomendación es que el usuario consulte con el fabricante de calderas, instalador autorizado o ingeniería propia o externa que diferencial térmico es el más adecuado para su proceso.

Ya hemos visto que la determinación del diferencial térmico, básicamente por las características de los aparatos consumidores, nos determina el caudal de fluido térmico circulante requerido en la instalación. Pero este caudal debe cumplir asimismo unos requisitos marcados en la caldera.

La velocidad del fluido térmico en los serpentines tiene que ser lo suficientemente elevada para asegurar un buen intercambio térmico y permitir no sobrepasar la temperatura de film del fluido térmico utilizado para evitar su rápida degradación.

Pero estas altas velocidades de circulación necesarias, comportan pérdidas de carga – pérdidas de presión – también importantes, ya que la pérdida de carga es proporcional a la velocidad elevada al cuadrado, con lo que podríamos vernos obligados a tener que recurrir a bombas muy grandes con consumos eléctricos desmesurados para poder conseguir una estabilidad hidráulica del circuito.

Intentar compatibilizar los factores de velocidad elevada y pérdidas de carga asumibles, sólo es posible con un estudio térmico e hidráulico preciso de los serpentines, el diámetro de sus tubos, la longitud de ellos y la conexión de los mismos.

Con la ayuda de los esquemas de la Figura 6, y un pequeño ejemplo, intentaremos clarificar un poco todas estas cuestiones. Hemos simplificado las posibles opciones hidráulicas en estos tres casos exclusivamente. En la realidad, los pasos en paralelo de los serpentines pueden ser desde 1 sólo paso a 6,7 u 8.

La temperatura de servicio T1 y su potencia calorífica kW son las mismas en cualquiera de los tres esquemas de la Figura 6. También es igual la longitud total de tubería componente de los serpentines – 4L -.

Las diferencias corresponden a las temperaturas de entrada de caldera – temperatura de retorno de los aparatos consumidores después de ceder la energía requerida -, T2,T3 y T4. También son diferentes los caudales circulantes Q, Q1 y Q2 y las pérdidas de carga ΔP1, ΔP2 e ΔP3.

Ejemplo numérico real

Tenemos una caldera de fluido térmico de 40 ºC de diferencial térmico y una potencia calorífica de 1100 kW. Su superficie de intercambio es de 54 m2 y rendimientos del orden de 86-89% según temperatura de servicio.

Su esquema de diseño es el A) de la Figura 6 con dos serpentines en serie y dos pasos en paralelo por serpentín. El caudal de diseño para estas condiciones es de 52 m3/h, con una pérdida de carga de 2.37 bar a 260 ºC de temperatura de servicio.

Si intentamos hacer trabajar esta caldera con un salto térmico de 20ºC, el caudal debería ser de 104 m3/h y la pérdida de carga prevista a la misma temperatura anterior, 260ºC, sería de 8.17 bar. Deberíamos recurrir a bombas muy sofisticadas y costosas, con consumos eléctricos muy elevados.

En cambio si utilizamos como diseño el esquema B) de la Figura 6 – dos serpentines en serie con tres pasos en paralelo por cada serpentín -, con igual caudal, 104 m3/h, y superficie de intercambio, 54 m2,  la pérdida de carga sería de 2.62 bar, asumible para bombas convencionales.

Este diseño tipo esquema B), no sería factible para una caldera de diferencial térmico 40ºC, ya que con el bajo caudal requerido, 52 m3/h, no existirían problemas de pérdida de carga – sólo 0.71 bar -, pero sí en cambio de superación de la temperatura de película del fluido, ya que esta seria aproximadamente de 44 ºC superior a la de servicio.

Como se puede comprobar en Temperaturas, la temperatura máxima de film acostumbra a ser del orden de 10-20ºC superior a la temperatura máxima de servicio., por ello en este hipotético caso, o sufriríamos una rápida degradación de la carga de fluido térmico, o nos veríamos obligados a trabajar a bajas temperaturas, que podría no ser adecuado para nuestro sistema productivo.

El esquema C), con dos serpentines conectados en paralelo, cada uno de ellos con tres pasos de fluido térmico, corresponde a una ejecución no demasiado habitual y propia de calderas con necesidad de diferenciales térmicos muy pequeños – del orden de 10 o 15 ºC. En estas condiciones el caudal circulante – 205 m3/h – es muy grande y de no optar por esta configuración la pérdida de carga del fluido térmico sería excesivamente alta, inclusive con la configuración de tres pasos – esquema B) -, ya que sería alrededor de 8.45 bar.

Figura 6. Tipos de conexionado de serpentines

Figura 6. Tipos de conexionado de serpentines. A) En serie, dos pasos por serpentín en paralelo. B) En serie, tres pasos por serpentín en paralelo. C) En paralelo, dos pasos por serpentín en paralelo

Vemos pues que el diferencial térmico requerido influye en gran medida en el diseño de la caldera, y por ello debe ser considerado como un factor determinante en el proyecto de implantación de una instalación de fluido térmico.



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