Protección contra la congelación y lo que necesitas saber

Protección contra la congelación: Dado que muchas condiciones climáticas son impredecibles año tras año, muchas empresas buscan proteger de la congelación sus medios a base de agua o de aceite en los meses de invierno. En un estudio de Ciencia Atmosférica realizado por la Universidad de California en el año 2000*, se consideró que en Estados Unidos ocurren más pérdidas económicas a causa del daño por congelación que por cualquier otro riesgo relacionado con el clima. 

Las industrias que requieren protección contra la congelación

Las industrias comunes generalmente afectadas durante los meses de invierno son la industria petrolera y gasífera, las plantas de tratamiento de agua, la industria del transporte, la agricultura y la industria minera. Estas industrias tienen muchas aplicaciones que requieren que su producto esté al aire libre y expuesto a temperaturas extremas por un largo período de tiempo. En el caso de los productos a base de agua, es vital brindar protección contra la congelación, ya que empiezan a cristalizarse a 0C / 32F / 273.15 K. Hay que tomar en cuenta que sólo colocar una fuente de calor no siempre es la mejor solución, pues asegurarse de que los tanques o depósitos estén debidamente aislados es muy importante para garantizar que su medio no se congele.

Al trabajar con productos a base de aceite, sin embargo, la dificultad es mayor a medida que la temperatura disminuye. Los aceites combustibles (tanto el diésel que es transparente como el aceite de calefacción doméstica que contiene un colorante o tinte) no se congelan, sino que más bien se convierten en un gel o cera más espesa. Este proceso empieza a ocurrir por debajo de 32F, y la sustancia se va endureciendo más a medida que disminuye la temperatura. Una vez que la temperatura disminuye por debajo de 15F, la cera o parafina en el combustible empieza a cristalizarse y separarse del aceite, haciendo que sea extremadamente difícil manejarlo o extraerlo de su contenedor. En ciertas aplicaciones en las que estos aceites combustibles se transportan mediante tubería, se recomienda ampliamente aislar cualquier tubería que vaya a estar expuesta a temperaturas extremas y vientos, para evitar cualquier obstrucción de la misma.

En el caso del aceite para motores, aceite para engranajes y aceite hidráulico, cada uno tiene un rango diferente de congelación; por ejemplo, el aceite para motores (10W30) se congela a 20F pero de 50F a 0F la viscosidad del aceite se hace cada vez más difícil de manejar. Con el aceite para engranajes y el aceite hidráulico, la temperatura de congelación es 10F, y al igual que el aceite de motor se hace menos viscoso a medida que disminuye la temperatura. Sin embargo, hay ciertos aceites que sí trabajan por debajo de la temperatura de congelación y por lo general son del tipo de aceite de motor de mayor espesor, como el 15W30, el cual se congela a -55F.

Definición de protección contra la congelación 

La protección contra la congelación significa que no se quiere que la temperatura de un tanque descienda por debajo de 32F, de lo contrario, el líquido se congelará. La mejor protección contra la congelación es aislar el tanque, pues esto permite tener una pérdida térmica de aprox. 5%, en comparación con una pérdida térmica de 35% a 45% sin aislamiento alguno. Dado que su tanque contiene una cierta cantidad de galones, y Ud. está decidido a usar sólo un calentador, es necesario colocarle aislamiento a dicho tanque. Esto evitará tener dos zonas de temperatura en su tanque. Recuerde que si el calentador está en un lado, la transferencia térmica se tomará un cierto tiempo hasta llegar al otro lado, pero con aislamiento, llegará hasta el otro lado más rápido. Sin embargo, la manera más eficiente es instalar dos o más calentadores, dependiendo del tamaño del tanque.

La parte más difícil de proteger sus medios de la congelación es determinar cuánta potencia se necesita. Lo primero que se debe hacer es comprender el ambiente del tanque y sus alrededores. Es mejor revisar los gráficos históricos para determinar qué tanto frío puede llegar a hacer en su ubicación con y sin viento. Sin embargo, el clima siempre es impredecible y debe tomar en cuenta que si su tanque está bien aislado y el calentador funciona con los controles adecuados, durante el período de heladas debería estar bien protegido para superar la tormenta. En ciertas regiones del mundo la temperatura llegará a niveles por debajo de 32F por un tiempo considerable, y es en estos casos que la cantidad correcta de potencia y aislamiento para su tanque desempeñan el papel más importante para protegerlo de las condiciones de congelación.

Fórmulas de calefacción 

Éstas son fórmulas que por lo general se usan en la industria de la calefacción para determinar cuántos kilovatios se necesitan para calentar un tanque lleno de agua o aceite:

 

  • [Fórmula para calentar agua en un tanque]
    (# de galones) x (diferencia de temperatura en Fahrenheit) / (372) x (# de horas) = kilovatios requeridos
  • [Fórmula para calentar aceite en un tanque]
    (# de galones) x (diferencia de temperatura en Fahrenheit) / (860) x (# de horas) = kilovatios requeridos

Cuánta potencia necesita para la protección contra la congelación
¿Cuánta potencia se necesita para proteger su tanque de agua o aceite? Para este ejercicio usaremos la fórmula anterior, y tomaremos en consideración que calentaremos 30,000 galones de agua. El siguiente paso es determinar la diferencia de temperatura; la temperatura ambiente del tanque de agua empezará a aproximadamente 40F y la temperatura final será 80F, lo que nos da un aumento de temperatura de 40F.

Luego usaríamos la fórmula: (30,000 galones) x (40F DT) / (372) x (24 horas) = 134KW/por hora. Esto significa que por cada hora que pasa, sus 30,000 galones de agua tendrán un aumento de aproximadamente 1.66F por hora, durante las siguientes 24 horas. Si su tanque no tiene aislamiento, y la temperatura exterior del tanque cayera por debajo de 32F, estaría perdiendo hasta 40% del calor por las paredes laterales del tanque cada hora, dependiendo del espesor de las paredes de su tanque. Si el tanque está configurado para una temperatura final de 80F, la temperatura disminuiría aprox. 32F cada hora, y su calentador sólo aumentaría la temperatura en 1.66F, lo que quiere decir que la mitad del tanque estaría congelada en aproximadamente 2 o 3 horas. La otra mitad del tanque donde se encuentra ubicado el calentador estaría preparándose para cristalizarse, mientras se forma una cavidad de hielo alrededor del calentador.

Ésta es la principal razón por la que recomendamos aislar cualquier tanque que esté expuesto a condiciones climáticas exteriores. Ésta es la primera línea de defensa en materia de protección contra la congelación, porque protege su tanque de los vientos y temperaturas extremas del invierno. Con aislamiento sólo se pierde aproximadamente 5% si la temperatura disminuye por debajo de 32F, por lo cual, si tomáramos el mismo ejemplo anterior, a 80F perdería aprox. 4F por las paredes externas cada hora, pero con un calentador de 134KW, el aumento sería de aprox. 1.66F, lo que nos daría una diferencia de pérdida de temperatura de 2.3F por hora. En este ejemplo el calentador actual no suministra suficiente calor, y se requerirían aprox. de 21 a 30 horas antes de llegar al punto de congelación, considerando que las condiciones climáticas estén por debajo de 32F por más 24 horas. En ciertas regiones experimentarían estos tipos de temperaturas extremas por semanas, y en otras localidades sólo los experimentarían por pocas horas.

Las funciones de la ubicación de la protección contra la congelación
La cantidad correcta de potencia siempre estará determinada por la ubicación. Por ejemplo, si su tanque se encuentra en Denver, Colorado, y la temperatura promedio en los meses de invierno está por debajo de 32F, necesitaría un calentador que se equipare o supere las pérdidas térmicas. Usando el mismo ejemplo, necesitaría un calentador de 350 KW para calentar 30,000 galones de agua para obtener un aumento de temperatura de 4.3F por hora. Sin embargo, si su tanque se encuentra en Tennessee, donde experimentan condiciones de congelación sólo por unas pocas horas, usar un calentador de 170 KW sería suficiente para mantener una temperatura de operación por hasta 72 horas, antes de que caiga por debajo del punto de congelación.

Controles para protección contra la congelación

Otro factor importante en la protección contra la congelación son los controles del calentador o calentadores para manejar eficientemente tanto la temperatura como la potencia de salida. En ciertos casos, el amperaje requerido para operar este tipo de calentadores es muy alto, y es por esto que se recomienda incluir un controlador por pasos, y un sistema de protección de límite alto, para proteger su inversión de fallas.
Conclusión
Como regla general, cuando se trabaja con condiciones climáticas extremas en invierno siempre es mejor tener más potencia en el calentador que quedarse cortos y que su tanque se convierta en el helado más grande del mundo. Recuerde que su primera línea de defensa siempre es aislar su tanque, y ésta es probablemente la menor inversión con los mayores beneficios.

 

REFERENCIAS

Richard L. Snyder, Extensión de Biometeorología, Universidad de California, Ciencia Atmosférica, Davis, CA 95616, U.S.A.
ENLACE: http://biomet.ucdavis.edu/frostprotection/Principles%20of%20Frost%20Protection/FP005.html

 

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