Los calentadores de inmersión son una aplicación popular en las industrias del petróleo y el gas, la petroquímica y la manufacturera. Su principio de funcionamiento es sencillo y se basa en el calentamiento directo de un fluido mediante el funcionamiento del elemento calefactor, inmerso en dicho fluido.
El diseño más común consiste en un elemento calefactor directamente sumergido en el medio objetivo. Estos elementos transfieren el calor a una masa más fría por conducción. Sin embargo, dependiendo de la presencia de un flujo del fluido o incluso de la aparición de un flujo debido a los cambios de temperatura, la transferencia de calor también puede producirse por convección.
En la mayoría de las aplicaciones, el calentador de inmersión es una resistencia eléctrica que alcanza eficiencias del 100 % en la transformación de energía. Debido a que la propia resistencia de calentamiento se encuentra cubierta, la medición de la eficiencia de transformación de energía presenta siempre una breve histéresis que no debe confundirse con una pérdida de eficiencia. La energía eléctrica que pasa a través de la resistencia es completamente transformada en energía térmica que primero se utiliza para aumentar la temperatura de la cubierta y del resto de los componentes mecánicos del calentador, antes de poder utilizarse para elevar la temperatura del propio fluido. Los controladores modernos incluyen este retardo en los cálculos de las señales de ENCENDIDO/APAGADO, o de disminución/aumento de la potencia eléctrica a la fuente de alimentación.
En general, el calor se transfiere por tres mecanismos: conducción, convección y radiación.
La primera se observa cuando dos fases sólidas [fluidos estáticos] están en contacto directo. La tasa de transferencia, en este caso, es proporcional a la diferencia de temperaturas actual [dinámica, en oposición a un estado estacionario] de los dos cuerpos, el área de contacto y un coeficiente de conductividad para la transferencia de calor, “k”. Por lo tanto, si se requiere optimizar/modificar/supervisar la transferencia de calor, hay tres factores que se deben abordar.
En los calentadores de inmersión, el área de contacto se maximiza mediante la incorporación de elementos calentadores de gran superficie, como láminas, espirales, bobinas y similares. En la conducción, no hay obstáculos cuando se utilizan estas formas y se puede aumentar la transferencia de calor sin pérdidas de energía, como en el caso de la convección. Los casos de conducción son fáciles de manejar ya que el fluido calentado alrededor del elemento calefactor permite gradualmente la transferencia de calor al contenido global o puede ser mezclado en un recipiente posterior [como un CSRT] para una completa homogeneidad de la temperatura. Un balance energético global es adecuado para la mayoría de los casos si se utiliza la siguiente mezcla: entrada de energía debida a la potencia eléctrica = masa x Cp x DT
Siendo m la masa del fluido, Cp el coeficiente de capacidad calorífica, DT la diferencia de temperatura producida. En caso de que no se produzca la mezcla posterior, hay que tener en cuenta el flujo inducido debido a las diferencias de densidad cerca y lejos del elemento calefactor. Normalmente, en la conducción, esto no es así.
El segundo mecanismo, la convección, se produce cuando al menos uno de los cuerpos implicados es un fluido en movimiento, como es el caso del aire que se mueve por nuestras casas. En la convección, la transferencia de calor depende de la velocidad relativa de movimiento de los dos materiales, del área de contacto disponible, de la diferencia de temperatura y de los coeficientes “k” que son función de ambos cuerpos. Existen sofisticadas herramientas que se encargan de la distribución dinámica de la temperatura y la transferencia de calor.
Un ejemplo de conducción podría ser el de dos capas metálicas en contacto. El perfil de temperatura entre las capas puede calcularse en forma lineal [los perfiles de temperatura en la dimensión de interés son lineales] Cuando un fluido pasa por un calentador de inmersión, se producen varios cambios:
Todas las soluciones anteriores tienen como objetivo dirigir el equilibrio de la disociación del Carbonato de Calcio hacia la fase iónica/disuelta.
La transferencia de calor en modo de convección para un calentador de inmersión puede ser bastante problemática de calcular. En la práctica, seguimos uno de los siguientes caminos:
Los programas de Dinámica de fluidos computacionales son actualmente la herramienta más popular y precisa para el diseño, el control y la resolución de problemas de los sistemas de transferencia de calor. Estos paquetes resuelven simultáneamente los balances de masa, los balances de energía y los balances de momento [ecuaciones de Navier Stokes] para cualquier sistema dado.
El tercer mecanismo de transferencia de calor es la radiación. La radiación es menos frecuente en los calentadores de inmersión debido a los valores de temperatura de los procesos. La relación de radiación es muy baja en los sistemas simples de precalentamiento y calentamiento [máximo 100C]. Es baja en las temperaturas medias que se encuentran en los entornos industriales [máximo 250], y bastante alta en las temperaturas más altas. Debido a la dependencia de la transferencia de calor de la cuarta potencia de la temperatura, este mecanismo se vuelve dominante en temperaturas muy altas [>700C].
Dichas aplicaciones se relacionan con los quemadores y con las cámaras de combustión industriales. En estos casos donde las relaciones de transferencia de calor son tan elevadas, se utilizan materiales, fluidos e infraestructuras específicas para maximizar la adsorción de la energía irradiada y minimizar las pérdidas hacia el entorno. El primero puede lograrse mediante la elección de medios fluidos altamente absorbentes, como el combustible de alto contenido en carbono en total contraste con el gas natural, por ejemplo. La segunda se consigue principalmente con medios reflectantes alrededor de los recipientes de calefacción que eliminan la pérdida de energía hacia el entorno. La transferencia homogénea de energía hacia cada dirección hace que la predicción de la transferencia por radiación sea más fácil que en el caso de la convección. Sin embargo, los modernos paquetes de Dinámica de fluidos computacional y multifísica [como COMSOL, por ejemplo] facilitan aún más el diseño preciso de estos sistemas.