Soluciones de ingeniería térmica y de fluidos

A la hora de diseñar un circuito de aceite térmico existen una serie de variables que se han de tener en cuenta para garantizar su correcto funcionamiento. Entre todas estas variables, hay una serie de parámetros que son de vital importancia para determinar el diseño final:

• La cantidad de calor que se transferirá
• Las temperaturas de entrada y salida caldera y en consumidores
• La caída de presión máxima permitida en ambos lados
• La temperatura máxima de funcionamiento
• La presión máxima de funcionamiento
• Los caudales de circulación
• Las perdidas de carga del circuito

Un diseño apropiado es de vital importancia para asegurar que la capacidad productiva de la planta será siempre la deseable, a la vez que se maximiza su eficiencia energética y se reducen los costes productivos.

1. Objetivo y tamaño de la instalación

El primer elemento a considerar es la aplicación de la caldera de fluido térmico, es decir, cuál es su función y qué resultados se esperan. Los objetivos deseados por el cliente serán el punto de partida y el elemento clave que determinará como se han de ajustar el resto de las variables en la configuración final del circuito de aceite térmico. Entender las necesidades del cliente es de vital importancia para garantizar la máxima eficiencia de la instalación.

2. Configuración de los serpentines

La mayoría de las bobinas de calentamiento directo mediante aceite térmico emplean un diseño helicoidal (espiral). Varios serpentines helicoidales en una única caldera pueden ser más eficientes que un sólo serpentín, ya que se obtiene una superficie de calentamiento más grande, que habitualmente se traduce en una transferencia de calor más eficiente.

Por ejemplo, un sistema de doble serpentín permite tres pasos de los humos de combustión a través de las superficies de los serpentines.

3. Volumen de la cámara de combustión

La cámara de combustión de una caldera de aceite térmico debe diseñarse de acuerdo con las dimensiones de la llama del quemador instalado, además de otras variables. Un tamaño adecuado de la cámara de combustión evita que la llama del quemador se acerque demasiado a los serpentines de aceite, minimizando el posible impacto dañino de la llama. Dimensionar correctamente la cámara de combustión también mantiene las temperaturas de película relativamente bajas, lo cual contribuye a prolongar la vida útil del aceite térmico y a proteger la propia caldera.

4. Temperatura de película

La temperatura de película se refiere a la temperatura de la superficie de los serpentines de la caldera, la cual se calcula en función de la temperatura de los gases de combustión, la temperatura del aceite y el coeficiente de película.

La temperatura más elevada a la que está expuesto el aceite térmico es la temperatura de su película. Por lo tanto, si la cámara de combustión es demasiado pequeña, la temperatura de película puede acabar siendo entre 100°F y 200°F (38°C a 93°C) más alta que la temperatura total del aceite. Esta situación puede provocar una rápida degradación del fluido transportador de calor y acortar su vida útil. Es por este motivo que las temperaturas máximas de película de diferentes diseños de calderas deben ser analizadas y comparadas cuidadosamente.

5. Calcular el área de la superficie de calefacción

Aunque dos calderas puedan ser similares en tamaño, esto no implica que compartan la misma superficie de calentamiento, por lo que calcular correctamente el área de la superficie de transferencia de calor es de vital importancia al diseñar una caldera de aceite térmico. Es importante tener en cuenta el factor de ensuciamiento a la hora de dimensionar la superficie de calentamiento y recordar que el tamaño de dicha superficie tiene un impacto significativo en la temperatura de los humos, así como en la eficiencia térmica.

6. Temperatura del proceso

Las temperaturas de funcionamiento del aceite térmico deben definirse en función de la temperatura requerida por el proceso productivo y su demanda de calor. Operar a temperaturas innecesariamente elevadas puede acortar significativamente la vida útil del aceite térmico, lo cual implica un aumento de los costes y paradas innecesarias en la producción. El rango de temperatura admisible del aceite térmico debe estar por encima de la temperatura máxima de funcionamiento para minimizar la degradación del aceite térmico.

Las temperaturas de diseño y las presiones también merecen una inspección minuciosa en el diseño de una caldera de aceite térmico. Las bombas, válvulas, filtros y accesorios deben garantizar un funcionamiento eficiente en las condiciones máximas del proceso.

7. Seguridad

A diferencia de los sistemas de vapor, las calderas de aceite térmico no requieren de supervisión continuada por parte de un operario, pero se deben tener en cuenta una serie de medidas preventivas y de mantenimiento para un funcionamiento seguro.

• Control de flujo. Toda caldera de aceite térmico debe incluir el dispositivo de seguridad más importante para su funcionamiento: un controlador de flujo, que es la herramienta que nos permite detectar cuando el flujo es insuficiente y puede dar lugar a un sobrecalentamiento del aceite térmico que acabe dañando la caldera. Una circulación deficiente activará una alarma que parará el aporte de calor si la tasa de flujo cae por debajo de un porcentaje preestablecido. Esta seguridad se realiza de forma tri redundante.
• Control de quemador. Un controlador del quemador contribuye a mantener la temperatura del aceite. Sin embargo, las temperaturas excesivas del aceite térmico o de los gases de combustión deben detectarse mediante sondas de temperatura o termopares que permitan apagar de inmediato la fuente de calor si es necesario. El quemador también debe estar equipado con un escáner de llama y un protector de llama para detectar y controlar posibles fallos en la llama.
• Tanque de expansión. Ubicado en el punto más alto del circuito, la función del tanque de expansión es contener cualquier exceso de aceite térmico provocado por una expansión del fluido a temperaturas elevadas. Para evitar la oxidación, el aceite del tanque de expansión debe mantenerse a una temperatura relativamente baja (por debajo de 150°F (66°C). Además, el tanque de expansión debe estar equipado con al menos un interruptor de bajo nivel para detectar cualquier pérdida de aceite. Cuando el fluido no alcanza un nivel preestablecido, el interruptor debe dispararse inmediatamente y apagar el sistema. Aunque la mayoría de los sistemas funcionan con el tanque de expansión abierto a la atmósfera, una válvula de alivio en la salida de la caldera es una protección útil en caso de que la caldera se aísle del tanque de expansión y, por lo tanto, se presurice.
• Desgasificador. La función del desgasificador es separar el aire arrastrado o el vapor de agua del aceite en circulación. Esto puede ser crítico durante el arranque del sistema cuando a menudo hay una cantidad considerable de aire y agua en el aceite térmico.

8. Cumplimiento de las normativas

Existen diversas normativas que especifican una serie de requisitos y características de seguridad que deben ser integradas en un sistema de fluido térmico. Estas normativas varían según la zona geográfica y son de obligado cumplimiento. En todos los casos estás especificaciones contribuyen también a alargar la vida útil de la instalación.

9. Tipo de combustible y limpieza

Los combustibles más comunes que se utilizan en las calderas de fluido térmico son el gas natural, el propano, el gasóleo y el fuel pesado. Con combustibles relativamente limpios, la mayoría de los serpentines de calentamiento de aceite térmico aceptarán los productos de combustión sin necesidad de limpieza adicional. Sin embargo, si se opta por quemar petróleos pesados de baja calidad, se deben tomar las medidas necesarias para limpiar la cámara de combustión.

En los proyectos en que un potencial cliente contacta para solicitar una nueva instalación de fluido térmico, es conveniente que ambas partes colaboren en todas las fases del diseño, así como en la puesta en marcha de la instalación.

Nuestra recomendación es siempre hacer partícipe de los procesos de ingeniería y puesta en marcha de la instalación a la empresa proveedora de la tecnología, ya que los beneficios a largo plazo superarán en mucho a los obtenidos a corto plazo.

Consideramos que para el cliente tiene muchas ventajas involucrar al proveedor de la instalación en su puesta en marcha, ya que esto permitirá que la instalación operé en su nivel óptimo, consiguiendo la mejor eficiencia tanto en términos productivos, como en ahorros de costes derivados del consumo energético. Si bien una puesta en marcha realizada por el propio cliente puede obtener un producto de calidad, es posible que no llegué a su máxima eficiencia.