p�gina de contenido

ACEITES PARA TRANSFERENCIA TERMICA

�Qu� se entiende por Transferencia T�rmica?

Transferencia t�rmica es un proceso mediante el cual se suministra y extrae energ�a de un medio. Estos medios pueden consistir en un gas o un l�quido. El principio b�sico consiste en aportar energ�a en forma de calor a este medio (fluido) para ser empleado posteriormente en un proceso alejado de la fuente de energ�a. Los procesos m�s comunes de transferencia t�rmica lo constituyen las Marmitas y Calderas.

�Qu� es un Fluido para Transferencia T�rmica?

Un fluido para transferencia t�rmica es el fluido al que se le adiciona temperatura, normalmente por acci�n de un quemador o resistencia el�ctrica y es al que posteriormente se le extrae esta energ�a, 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 est� en contacto con el proceso y s�lo se constituye en la fuente de energ�a para �ste.

�Qu� es un Aceite para Transferencia T�rmica?

Como su nombre lo indica son fluidos basados en aceites minerales paraf�nicos, altamente refinados y cuidadosamente seleccionados para proporcionar un performance superior en sistemas de transferencia t�rmica.

Los aceites pueden ser del tipo aceites minerales o aceites con base sint�tica. 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 t�rmicos

Elevada estabilidad t�rmica
El aceite debe ser f�sica y qu�micamente estable dentro de los rangos de temperatura para el que est� especificado, es decir, debe ser resistente al craqueo. El craqueo es el quiebre de las mol�culas de hidrocarburos como consecuencia del aumento de la temperatura, quiebre que se verifica por el cambio de una mol�cula larga en mol�culas de menor tama�o. En estos casos algunas mol�culas se transforman en gases vol�tiles, otras son inestables y se polimerizan formando dep�sitos insolubles. El craqueo se produce principalmente cuando la temperatura de la pel�cula de aceite en contacto directo con la pared del tubo dentro del hogar de la caldera o con la pared del calefactor el�ctrico, es superior a valor m�ximo aceptado para el aceite empleado.

Buena resistencia a la oxidaci�n
Un aceite hidrocarburado reacciona con el ox�geno del aire, efecto denominado oxidaci�n. Esta reacci�n de oxidaci�n ocurre en forma lenta a temperatura ambiental, pero a medida que la temperatura del aceite se incrementa, la reacci�n de oxidaci�n se acelera r�pidamente. El efecto de la oxidaci�n dentro del aceite es la de producir �cidos, los que en una etapa siguiente se traducen en la formaci�n de borras. En estos casos de formaci�n de oxidaci�n y por ende de borras, la viscosidad del aceite aumenta, disminuyendo el poder de transferencia t�rmica.

Poseer un alto coeficiente de transferencia de calor
El coeficiente de transferencia de calor es definido como el flujo de calor que existir� entre dos materiales que se encuentran a diferente temperatura y que est�n en contacto entre si. Estas transferencias se pueden dar entre metal - metal, metal - l�quido, metal - gas, l�quido - l�quido, l�quido - gas y gas - gas, dependiendo de los procesos que est�n involucrados.
En el caso espec�fico de la transferencia de calor entre un metal y un l�quido, los mejores resultados se logran al trabajar con velocidades del fluido sobre la superficie del tubo en r�gimen turbulento. La diferencia entre un r�gimen laminar o turbulento est� 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 �til
La vida de los aceites t�rmicos dependen fundamentalmente del dise�o y operaci�n adecuados del sistema. Un buen dise�o y una correcta operaci�n aseguran que la vida �til de los aceites THERMIA puedan alcanzar sobre los 6 a�os.
Es importante revisar peri�dicamente el estado del aceite, de forma tal de llevar un registro hist�rico de las velocidades de cambio de las caracter�sticas f�sicas del aceite. Una vez reci�n llenado el sistema y al cabo de una semana de haber iniciado su operaci�n, se deben extraer muestras de aceite y as� establecer la l�nea base del registro. Posteriormente las muestras pueden ser extra�das 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 inflamaci�n y contenido de insolubles.

Procesos en los que se emplean los aceites t�rmicos

Los aceites t�rmicos son empleados en diversos procesos industriales, especialmente en aqu�llos en que las temperaturas requeridas para la operaci�n no pueden ser alcanzadas mediante la instalaci�n 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. Adem�s 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 s�lo aqu�llas necesarias para vencer las p�rdidas de carga del sistema, aproximadamente en el rango de los 10 [bar] a 30 [bar].

Si bien el aceite t�rmico es m�s caro que el agua, el aceite circula en un circuito cerrado, sin p�rdidas y por un per�odo de varios a�os, minimizando los costos de mantenci�n y operaci�n.

Aspectos a considerar al momento de dise�ar una instalaci�n oleot�rmica

Desafortunadamente, el dise�o de una instalaci�n oleot�rmica no es tan sencilla debido a la variedad de sistemas de transferencia t�rmica existentes, siendo de suma importancia no especificar un equipo m�s grande de lo requerido y por ning�n motivo, uno inferior a los requerimientos. Para un adecuado dise�o se indican a continuaci�n varias reglas a tener en cuenta:

1.- Conocer los requerimientos energ�ticos
Escoger el calentador correcto para una aplicaci�n espec�fica es importante. Lo primero a determinar son los requerimientos de energ�a para el proceso. La caldera o calefactor no debe ser m�s grande que los requerimientos, pero definitivamente tampoco debe ser inferior. Por consiguiente, una vez realizado los c�lculos asesorado por el fabricante del equipo, es importante agregar un margen del 15 a 20%.

2.- Configuraci�n del serpent�n
Lo serpentines m�s frecuentes de una caldera son del tipo helicoidal. El emplear varios serpentines helicoidales en un calentador es mejor que un serpent�n solo, ya que serpentines m�ltiples tienen una superficie de transferencia de calor mayor. El gas de la combusti�n en un sistema de doble serpent�n pasa por tres superficies de los tubos antes de ser evacuado a la atm�sfera. Esta configuraci�n permite tener un salto t�rmico menor en la pared del tubo, prolongar la vida �til del aceite y tambi�n reducir el consumo de combustible. Por ejemplo, un sistema del doble serpent�n llega a ser del 5 a 10% m�s eficaz que el de calentadores con un solo serpent�n.

3.- Volumen de la c�mara de combusti�n
La c�mara de combusti�n de la caldera o calentador del aceite t�rmico se debe dise�ar seg�n las dimensiones de la llama del quemador instalado para el combustible seleccionado. La c�mara de combusti�n previene que la llama arda demasiado cerca del serpent�n y permite que la llama se extinga completamente antes del final de la c�mara. De esta forma se logra que la temperatura en la pel�cula del aceite sea la adecuada, extendiendo de esta forma la vida �til del aceite t�rmico.

4.- Temperatura de la pel�cula de aceite
La temperatura de la pel�cula de aceite se refiere a la temperatura del aceite en la superficie (o pared) de los tubos del serpent�n. Esta temperatura se calcula basada en la temperatura de salida del gas, la temperatura del aceite y el calor espec�fico del aceite. Si la c�mara de combusti�n es demasiado peque�a (o si el flujo del aceite no es turbulento), la temperatura de la pel�cula puede ser entre 38 a 93 [�C] m�s alta que la temperatura del aceite. Esta situaci�n causa una degradaci�n r�pida y acorta la vida �til del aceite.

5.- C�lculo del �rea de calefacci�n
Calderas de igual tama�o comercializadas por fabricantes diferentes no tienen necesariamente la misma �rea de calefacci�n. Los c�lculos del �rea de la superficie son importantes cuando se trata de un calentador de aceite t�rmico, ya que tienen un efecto significante en la temperatura final del aceite, la temperatura de pel�cula y la eficiencia t�rmica (rendimiento t�rmico).

6.- Tomar en cuenta la temperatura del proceso
Se debe seleccionar la temperatura del aceite t�rmico basado en la temperatura del proceso y en las demandas de energ�a. Operar con el aceite a temperaturas elevadas acortar�a significativamente la vida �til del aceite t�rmico y reemplazar el aceite t�rmico antes de tiempo en una instalaci�n es un proceso caro y que involucra tiempo. Dado que existe gran variedad de aceites t�rmicos en el mercado, cada uno con su propias caracter�sticas t�picas, se debe estudiar muy bien el campo de aplicaci�n y comparar con las condiciones operativas. La temperatura m�xima que puede alcanzar el aceite debe estar por sobre la temperatura m�xima de la operaci�n, de forma tal de minimizar la degradaci�n del aceite t�rmico.

7.- Bombas, v�lvulas, filtros y ajustes deben estar bien especificados. En una condici�n de bajo flujo, el serpent�n 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 calefacci�n del aceite t�rmico 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 t�rmico debe emplear un fluj�metro como instrumento de seguridad para proteger el calentador. En una condici�n de bajo flujo, el serpent�n 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 presi�n diferencial, m�todo que involucra un menor costo, pero que tambi�n 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 t�rmico puede ser descubierta mediante una termocupla instalada en la chimenea de descarga del gas de la combusti�n. Si existe un aumento en la temperatura del gas, inmediatamente debe ser cerrada la fuente de energ�a. El quemador tambi�n debe equiparse con un explorador de llama, para descubrir fallas en la formaci�n de la llama.

11.- Estanque de expansi�n
Debe estar localizado en el punto m�s alto del sistema y absorber cualquier exceso de aceite t�rmico generado por la expansi�n de este con la temperatura. Para evitar la oxidaci�n, se debe mantener la temperatura del aceite en el estanque de expansi�n por debajo de 50 [�C]. Los circuitos oleot�rmicos cerrados est�n sujetos bajo presi�n y el estanque debe ser dise�ado por lo menos para 7 [psig], usando cabezas c�ncavas. Tambi�n debe ser equipado, por lo menos con un interruptor de bajo nivel, para descubrir cualquier p�rdida de aceite.

12.- Desaireador
Un desaireador es una opci�n �til para separar el aire o el vapor del agua del aceite circulante. Esto puede ser cr�tico durante la partida del sistema cuando el circuito contiene aire y agua condensada.

13.- Fabricaci�n bajo normas
Aseg�rese de que la caldera est� dise�ada bajo normas (ASME, DIN 4754). Con esto, el dise�o incluir� aspectos de seguridad en el sistema y esta ingenier�a puede dar por resultado una vida de servicio m�s larga para la caldera y el aceite t�rmico.

14.- Otras consideraciones
Los combustibles m�s 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 calefacci�n del aceite aceptar�n los productos de la combusti�n sin requerir de una limpieza extra. Cuando la calidad del combustible disminuye, se requiere dise�ar la caldera con tapas de f�cil desmontaje para una adecuada limpieza y mantenci�n. Es importante para el cliente tomarse algo de tiempo antes de adquirir una caldera averiguando proveedores potenciales, reputaci�n, referencias y habilidad de la ingenier�a, todos factores importantes. Un sistema eficaz de aceite t�rmico debe operar por 20 a 30 a�os, lo que justifica por s� solo la dedicaci�n en tiempo para adquirir y/o dise�ar un sistema eficiente, el que se pagar� por s� 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 tambi�n 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 part�cula de fluido viajar� en forma paralela a esa superficie y a una rapidez proporcional a la distancia desde esta. Las part�culas de fluido en contacto con la superficie estar�n casi est�ticas porque se adherir�n a esta; sobre este nivel y hasta el punto de velocidad m�xima se establecer� una pendiente de velocidad. Sin embargo, a velocidades m�s altas y con superficies m�s �speras, este equilibrio se perturbar� y se producir� una condici�n de flujo turbulento. Esto significa que la pendiente de la temperatura ser� proporcional a la pendiente de la velocidad, produci�ndose por lo tanto, una mayor diferencia de temperatura entre la pel�cula 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 sufrir� r�pidamente un deterioro por efecto de estar sometido a una temperatura de pared mayor que para el cual fue dise�ado. Siempre se debe trabajar con temperaturas de pel�cula lo m�s 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 ser� de aproximadamente 20 [�C] mayor que la medici�n 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 ser� de aproximadamente 20 [�C] menor que la temperatura del fluido.

Re = D*d*v
10*U

Donde:
Re = N�mero de Reynolds (adimensional)
D = Di�metro de la tuber�a [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 n�meros de Reynolds
de 1 a 10 : flujo laminar
de 10 a 100 : flujo de transici�n
sobre 100 : flujo turbulento

Descripci�n de una Caldera Standar

1.- Quemador
2.- Controladores flujo salida
3.- Switch control de temperatura para cada serpent�n
4.- Fluj�metro (de orificio)
5.- Serpentines (dos unidades, tres pasos gas)
6.- C�mara combusti�n
7.- Controles flujo entrada
8.- Salida gases combusti�n
9.- Switch de alta temperatura
10.- Arrollado serpent�n en el fondo
11.- Indicador de flujo
12.- Panel de control
13.- Tapa de inspecci�n