ACEITES PARA TRANSFERENCIA TERMICA

¿Qué se entiende por Transferencia Térmica?

Transferencia térmica es un proceso mediante el cual se suministra y extrae energía de un medio. Estos medios pueden consistir en un gas o un líquido. El principio básico consiste en aportar energía en forma de calor a este medio (fluido) para ser empleado posteriormente en un proceso alejado de la fuente de energía. Los procesos más comunes de transferencia térmica lo constituyen las Marmitas y Calderas.

¿Qué es un Fluido para Transferencia Térmica?

Un fluido para transferencia térmica es el fluido al que se le adiciona temperatura, normalmente por acción de un quemador o resistencia eléctrica y es al que posteriormente se le extrae esta energía, normalmente mediante un intercambiador de calor, para ser empleada en un proceso. Si este proceso se lleva a cabo en un sistema cerrado, el fluido nunca está en contacto con el proceso y sólo se constituye en la fuente de energía para éste.

¿Qué es un Aceite para Transferencia Térmica?

Como su nombre lo indica son fluidos basados en aceites minerales parafínicos, altamente refinados y cuidadosamente seleccionados para proporcionar un performance superior en sistemas de transferencia térmica.

Los aceites pueden ser del tipo aceites minerales o aceites con base sintética. Shell dispone de aceites con base mineral, conocidos con el nombre de THERMIA OILS, en diferentes grados de viscosidad.

Propiedades que deben cumplir los aceites térmicos

Elevada estabilidad térmica
El aceite debe ser física y químicamente estable dentro de los rangos de temperatura para el que está especificado, es decir, debe ser resistente al craqueo. El craqueo es el quiebre de las moléculas de hidrocarburos como consecuencia del aumento de la temperatura, quiebre que se verifica por el cambio de una molécula larga en moléculas de menor tamaño. En estos casos algunas moléculas se transforman en gases volátiles, otras son inestables y se polimerizan formando depósitos insolubles. El craqueo se produce principalmente cuando la temperatura de la película de aceite en contacto directo con la pared del tubo dentro del hogar de la caldera o con la pared del calefactor eléctrico, es superior a valor máximo aceptado para el aceite empleado.

Buena resistencia a la oxidación
Un aceite hidrocarburado reacciona con el oxígeno del aire, efecto denominado oxidación. Esta reacción de oxidación ocurre en forma lenta a temperatura ambiental, pero a medida que la temperatura del aceite se incrementa, la reacción de oxidación se acelera rápidamente. El efecto de la oxidación dentro del aceite es la de producir ácidos, los que en una etapa siguiente se traducen en la formación de borras. En estos casos de formación de oxidación y por ende de borras, la viscosidad del aceite aumenta, disminuyendo el poder de transferencia térmica.

Poseer un alto coeficiente de transferencia de calor
El coeficiente de transferencia de calor es definido como el flujo de calor que existirá entre dos materiales que se encuentran a diferente temperatura y que están en contacto entre si. Estas transferencias se pueden dar entre metal - metal, metal - líquido, metal - gas, líquido - líquido, líquido - gas y gas - gas, dependiendo de los procesos que estén involucrados.
En el caso específico de la transferencia de calor entre un metal y un líquido, los mejores resultados se logran al trabajar con velocidades del fluido sobre la superficie del tubo en régimen turbulento. La diferencia entre un régimen laminar o turbulento está asociada a dos condiciones, una de estas es propia del fluido (velocidad) y la otra es propia del metal empleado (rugosidad superficial).

Poseer una prolongada vida útil
La vida de los aceites térmicos dependen fundamentalmente del diseño y operación adecuados del sistema. Un buen diseño y una correcta operación aseguran que la vida útil de los aceites THERMIA puedan alcanzar sobre los 6 años.
Es importante revisar periódicamente el estado del aceite, de forma tal de llevar un registro histórico de las velocidades de cambio de las características físicas del aceite. Una vez recién llenado el sistema y al cabo de una semana de haber iniciado su operación, se deben extraer muestras de aceite y así establecer la línea base del registro. Posteriormente las muestras pueden ser extraídas con una periodicidad de seis meses y los resultados deben ser comparados con los de las muestras anteriores. Las propiedades que deben controlarse son: viscosidad, acidez, punto de inflamación y contenido de insolubles.

Procesos en los que se emplean los aceites térmicos

Los aceites térmicos son empleados en diversos procesos industriales, especialmente en aquéllos en que las temperaturas requeridas para la operación no pueden ser alcanzadas mediante la instalación sencilla de calderas de vapor, ya que para rangos de temperatura entre 150 [°C] a 350 [°C] las calderas de vapor requieren de instalaciones anexas, tales como plantas de tratamiento de agua, trampas de vapor, bombas de vapor. Además las presiones de vapor para alcanzar estas temperaturas son alrededor de 45 [bar] para llegar a 250 [°C] y de 105 [bar] para temperaturas de 320 [°C], lo que requiere instalaciones de alto costo.

En cambio, para lograr estas mismas temperaturas en un fluido en base a aceite, no se requiere de instalaciones anexas y las presiones de trabajo de la bomba son sólo aquéllas necesarias para vencer las pérdidas de carga del sistema, aproximadamente en el rango de los 10 [bar] a 30 [bar].

Si bien el aceite térmico es más caro que el agua, el aceite circula en un circuito cerrado, sin pérdidas y por un período de varios años, minimizando los costos de mantención y operación.

Aspectos a considerar al momento de diseñar una instalación oleotérmica

Desafortunadamente, el diseño de una instalación oleotérmica no es tan sencilla debido a la variedad de sistemas de transferencia térmica existentes, siendo de suma importancia no especificar un equipo más grande de lo requerido y por ningún motivo, uno inferior a los requerimientos. Para un adecuado diseño se indican a continuación varias reglas a tener en cuenta:

1.- Conocer los requerimientos energéticos
Escoger el calentador correcto para una aplicación específica es importante. Lo primero a determinar son los requerimientos de energía para el proceso. La caldera o calefactor no debe ser más grande que los requerimientos, pero definitivamente tampoco debe ser inferior. Por consiguiente, una vez realizado los cálculos asesorado por el fabricante del equipo, es importante agregar un margen del 15 a 20%.

2.- Configuración del serpentín
Lo serpentines más frecuentes de una caldera son del tipo helicoidal. El emplear varios serpentines helicoidales en un calentador es mejor que un serpentín solo, ya que serpentines múltiples tienen una superficie de transferencia de calor mayor. El gas de la combustión en un sistema de doble serpentín pasa por tres superficies de los tubos antes de ser evacuado a la atmósfera. Esta configuración permite tener un salto térmico menor en la pared del tubo, prolongar la vida útil del aceite y también reducir el consumo de combustible. Por ejemplo, un sistema del doble serpentín llega a ser del 5 a 10% más eficaz que el de calentadores con un solo serpentín.

3.- Volumen de la cámara de combustión
La cámara de combustión de la caldera o calentador del aceite térmico se debe diseñar según las dimensiones de la llama del quemador instalado para el combustible seleccionado. La cámara de combustión previene que la llama arda demasiado cerca del serpentín y permite que la llama se extinga completamente antes del final de la cámara. De esta forma se logra que la temperatura en la película del aceite sea la adecuada, extendiendo de esta forma la vida útil del aceite térmico.

4.- Temperatura de la película de aceite
La temperatura de la película de aceite se refiere a la temperatura del aceite en la superficie (o pared) de los tubos del serpentín. Esta temperatura se calcula basada en la temperatura de salida del gas, la temperatura del aceite y el calor específico del aceite. Si la cámara de combustión es demasiado pequeña (o si el flujo del aceite no es turbulento), la temperatura de la película puede ser entre 38 a 93 [°C] más alta que la temperatura del aceite. Esta situación causa una degradación rápida y acorta la vida útil del aceite.

5.- Cálculo del área de calefacción
Calderas de igual tamaño comercializadas por fabricantes diferentes no tienen necesariamente la misma área de calefacción. Los cálculos del área de la superficie son importantes cuando se trata de un calentador de aceite térmico, ya que tienen un efecto significante en la temperatura final del aceite, la temperatura de película y la eficiencia térmica (rendimiento térmico).

6.- Tomar en cuenta la temperatura del proceso
Se debe seleccionar la temperatura del aceite térmico basado en la temperatura del proceso y en las demandas de energía. Operar con el aceite a temperaturas elevadas acortaría significativamente la vida útil del aceite térmico y reemplazar el aceite térmico antes de tiempo en una instalación es un proceso caro y que involucra tiempo. Dado que existe gran variedad de aceites térmicos en el mercado, cada uno con su propias características típicas, se debe estudiar muy bien el campo de aplicación y comparar con las condiciones operativas. La temperatura máxima que puede alcanzar el aceite debe estar por sobre la temperatura máxima de la operación, de forma tal de minimizar la degradación del aceite térmico.

7.- Bombas, válvulas, filtros y ajustes deben estar bien especificados. En una condición de bajo flujo, el serpentín y aceite sufren un recalentamiento, ocasionando un deterioro tanto en la caldera como en el aceite.

8.- No olvidar aspectos de seguridad
Diferentes sistemas de calefacción del aceite térmico no requieren contar con un operador de jornada completa, pero se debe tener el cuidado y ejercer el mantenimiento preventivo, para un funcionamiento seguro.

9.- Control de flujo
Cada calentador de aceite térmico debe emplear un flujómetro como instrumento de seguridad para proteger el calentador. En una condición de bajo flujo, el serpentín y aceite sufren un recalentamiento, ocasionando un deterioro tanto en la caldera como en el aceite. Otra forma de controlar el flujo es medir la presión diferencial, método que involucra un menor costo, pero que también puede ser menos exacto.

10.- Control del quemador
Un encendido controlado del quemador mantiene la temperatura del aceite dentro de los rangos deseados. Sin embargo, una sobretemperatura del aceite térmico puede ser descubierta mediante una termocupla instalada en la chimenea de descarga del gas de la combustión. Si existe un aumento en la temperatura del gas, inmediatamente debe ser cerrada la fuente de energía. El quemador también debe equiparse con un explorador de llama, para descubrir fallas en la formación de la llama.

11.- Estanque de expansión
Debe estar localizado en el punto más alto del sistema y absorber cualquier exceso de aceite térmico generado por la expansión de este con la temperatura. Para evitar la oxidación, se debe mantener la temperatura del aceite en el estanque de expansión por debajo de 50 [°C]. Los circuitos oleotérmicos cerrados están sujetos bajo presión y el estanque debe ser diseñado por lo menos para 7 [psig], usando cabezas cóncavas. También debe ser equipado, por lo menos con un interruptor de bajo nivel, para descubrir cualquier pérdida de aceite.

12.- Desaireador
Un desaireador es una opción útil para separar el aire o el vapor del agua del aceite circulante. Esto puede ser crítico durante la partida del sistema cuando el circuito contiene aire y agua condensada.

13.- Fabricación bajo normas
Asegúrese de que la caldera esté diseñada bajo normas (ASME, DIN 4754). Con esto, el diseño incluirá aspectos de seguridad en el sistema y esta ingeniería puede dar por resultado una vida de servicio más larga para la caldera y el aceite térmico.

14.- Otras consideraciones
Los combustibles más usados en estos sistemas son el gas natural, propano, Oil N°2 y Oil N°6 . Con combustibles relativamente limpios tal como el gas natural, propano y Oil N°2, los sistemas de calefacción del aceite aceptarán los productos de la combustión sin requerir de una limpieza extra. Cuando la calidad del combustible disminuye, se requiere diseñar la caldera con tapas de fácil desmontaje para una adecuada limpieza y mantención. Es importante para el cliente tomarse algo de tiempo antes de adquirir una caldera averiguando proveedores potenciales, reputación, referencias y habilidad de la ingeniería, todos factores importantes. Un sistema eficaz de aceite térmico debe operar por 20 a 30 años, lo que justifica por sí solo la dedicación en tiempo para adquirir y/o diseñar un sistema eficiente, el que se pagará por sí mismo en ahorro del combustible, calidad y bajo nivel de mantenimiento.

Flujo laminar y flujo Turbulento

El efecto de la velocidad del fluido sobre una superficie y también la textura de esa superficie son aspectos de vital importancia en la transferencia de calor.

Para velocidades bajas sobre una superficie lisa, el flujo es normalmente laminar, lo que produce que cualquier partícula de fluido viajará en forma paralela a esa superficie y a una rapidez proporcional a la distancia desde esta. Las partículas de fluido en contacto con la superficie estarán casi estáticas porque se adherirán a esta; sobre este nivel y hasta el punto de velocidad máxima se establecerá una pendiente de velocidad. Sin embargo, a velocidades más altas y con superficies más ásperas, este equilibrio se perturbará y se producirá una condición de flujo turbulento. Esto significa que la pendiente de la temperatura será proporcional a la pendiente de la velocidad, produciéndose por lo tanto, una mayor diferencia de temperatura entre la película de aceite en contacto con la pared del tubo y el flujo en el centro del tubo para el caso de un flujo laminar. Trabajando en estas condiciones el aceite sufrirá rápidamente un deterioro por efecto de estar sometido a una temperatura de pared mayor que para el cual fue diseñado. Siempre se debe trabajar con temperaturas de película lo más bajo posible.

Los flujos turbulentos promueven que el diferencial de temperatura entre la pared y el centro del flujo sean menores, a saber, en el orden de 20 [°C]. En estas condiciones si nosotros medimos la temperatura en el centro del fluido, sabremos que la temperatura de pared será de aproximadamente 20 [°C] mayor que la medición efectuada.

Los mismos argumentos en sentido contrario son aplicados para los intercambiadores de calor, ya que si este posee un flujo turbulento, podremos saber que la temperatura de pared del intercambiador será de aproximadamente 20 [°C] menor que la temperatura del fluido.

Re = D*d*v
10*U

Donde:
Re = Número de Reynolds (adimensional)
D = Diámetro de la tubería [cm]
d = Densidad del aceite [gr/cm3]
v = Velocidad del aceite [cm/s]
U = Viscosidad absoluta del aceite en centistoke [gr/cm-s]
Rangos de números de Reynolds
de 1 a 10 : flujo laminar
de 10 a 100 : flujo de transición
sobre 100 : flujo turbulento

Descripción de una Caldera Standar

1.- Quemador
2.- Controladores flujo salida
3.- Switch control de temperatura para cada serpentín
4.- Flujómetro (de orificio)
5.- Serpentines (dos unidades, tres pasos gas)
6.- Cámara combustión
7.- Controles flujo entrada
8.- Salida gases combustión
9.- Switch de alta temperatura
10.- Arrollado serpentín en el fondo
11.- Indicador de flujo
12.- Panel de control
13.- Tapa de inspección