CALENTADORES DE INMERSIÓN Y MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

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. 

Mecanismos de transferencia de calor

En general, el calor se transfiere por tres mecanismos: conducción, convección y radiación. 

Conducciones

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. 

Convección

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:

  • La velocidad del fluido afecta a la transferencia de calor, y las velocidades demasiado altas pueden dar lugar a una menor absorción de calor por parte de la fase fluida. Esto, a su vez, conduce a un rango más corto de aumentos de temperatura a lo largo de la trayectoria del fluido. Por otro lado, las velocidades demasiado bajas pueden dar lugar a elevadas diferencias de temperatura cerca del calentador de inmersión que provocan grandes aumentos de viscosidad y densidad del fluido calentado. La velocidad debe optimizarse para producir un perfil de propiedades físicas en el recorrido del fluido que sea óptimo para el proceso en curso.
  • Cuando el fluido calentado lleva un contenido sólido, la distribución del tamaño de las partículas en combinación con la velocidad del fluido puede provocar un adelgazamiento, debido a la reducción de la viscosidad y la precipitación de los sólidos.
  • Los cambios de temperatura más elevados pueden acabar alterando el perfil del flujo, debido tanto a los efectos gravitatorios como a los energéticos. 
  • La forma del calentador de inmersión [en tres dimensiones] es siempre un obstáculo para el flujo. Dependiendo de la región de flujo, los obstáculos pueden inducir cambios significativos en el perfil de flujo. Siempre se espera que las líneas de corriente se desvíen aunque no choquen ni se mezclen, creándose perfiles de densidad debido a la acción de los obstáculos. 
  • También se observan otros problemas de precipitación importantes, como en el calentamiento de agua para aplicaciones industriales y domésticas. El agua transporta CaCO3 que es ligeramente soluble, y precipita siempre que un aumento de la temperatura [en otras condiciones también, como un pH alcalino] reduce su solubilidad. Los calentadores de inmersión tienen problemas conocidos con formación de sarro, que son prácticamente precipitaciones de carbonato de calcio. Este tipo de problemas pueden resolverse mediante diversos enfoques que incluyen, entre otros, los siguientes:
    • Perfiles de temperatura suaves alrededor de los calentadores de inmersión
    • La adición de tampones de pH en dichos flujos
    • Adición de acidificantes en rangos de ppm

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:

  • Utilizar diagramas de factores de forma, para las más comunes, que puedan predecir dentro de límites tolerables de error la transferencia de calor del elemento calefactor a la fase fluida. Aunque estos diagramas han demostrado ser de gran utilidad para las formas simples, no pueden ofrecer una ayuda significativa cuando se utilizan formas más avanzadas. Por ejemplo, la maximización de la superficie de contacto de un elemento calefactor requeriría una bobina o una estructura en espiral, mientras que el fluido podría fluir a través de ella. Los medios de calentamiento porosos también podrían ser una opción viable, pero con el riesgo de que se produzcan caídas de presión elevadas y, por tanto, se minimice la eficiencia global del proceso. 
  • Utiliza las correlaciones conocidas y adopta una serie de supuestos. En la mayoría de los casos de interés, este enfoque es suficiente. Sin embargo, en los flujos de fluidos industriales en los que se requieren los perfiles de transferencia de calor en 2D [y algunas veces en 3D], estos modelos pueden quedar obsoletos. Además de esta carencia, habría que compilar también el código para los cálculos de las predicciones de las propiedades físicas y añadirlo al sistema de ecuaciones.
  • El enfoque más preciso es emplear la Dinámica de fluidos computacional [CFD] para el flujo de transferencia de calor por convección. El software de CFD permite: 
    • la inserción fácil y sencilla de la geometría de un sistema [como un recipiente con el calentador de inmersión y el flujo de fluido]
    • la puesta en marcha de sistemas de fluidos multicomponentes como en el caso de los productos petroquímicos, los polímeros, pero incluso los más simples
    • la adición de diferentes módulos que tienen en cuenta el contenido de sólidos, las regiones turbulentas/laminares, los perfiles de presión, etc.
    • La creación de un perfil tridimensional completo de todas las propiedades de interés que incluyen temperatura, composición, velocidad, presión y otras. El programa de Dinámica de fluidos computacional es, en definitiva, una potente herramienta de representación visual para la resolución de complejos sistemas de ecuaciones diferenciales y lineales.

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.

Radiación

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.

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