CÓMO DISEÑAR CALENTADORES DE INMERSIÓN PARA FLUIDOS

El diseño y las características de los calentadores de inmersión pueden variar mucho, lo que los hace valiosos en diferentes segmentos de la industria. Los calentadores de inmersión funcionan principalmente en modo de conducción y convección cuando se sumergen en fluidos. En función de las propiedades físicas y químicas de los fluidos, las formas, los materiales de construcción y la posición de los calentadores de inmersión se optimizan para proporcionar la potencia calorífica deseada. Son posibles varias formas de calentadores de inmersión, pero es conveniente calcular siempre el diseño ideal para cada caso.

La clave para el éxito del calentamiento de un líquido que fluye continuamente es la disipación precisa del calor a una velocidad aceptable requerida tanto en condiciones de estado estacionario como dinámico. Por ejemplo, mientras que en un estado estático estable, el cálculo preciso de las necesidades de calentamiento podría ser adecuado, en un modo dinámico la situación cambia en gran medida por lo que el tiempo de respuesta de los calentadores de inmersión es crucial. Los casos dinámicos pueden requerir formas geométricas específicas con mayores superficies y se necesitan más superficies externas. Ejemplos de ello son los elementos tubulares en espiral. Cuando se utilizan elementos calentadores tubulares en espiral, se transfiere más calor al fluido, reduciendo el tiempo de calentamiento y manteniendo una menor densidad de vatios. 

Diseños de elemento tubulares en espiral

La figura 1 muestra dos diseños de un elemento tubular en forma de espiral. En el primer caso, imagen (a), se muestra un elemento tubular más ancho con un diámetro de 0.475 pulgadas, en comparación con la imagen (b) que muestra una bobina similar con un diámetro de 0.260 pulgadas. 

La imagen B puede ser más apropiada para aplicaciones que requieren un calentamiento más rápido. Esto se debe a que el líquido precalentado por la bobina está expuesto a más superficie en una bobina. De este modo, se consigue una transferencia de calor más eficaz. 

Estos cambios de diseño pueden suponer un riesgo. Un mayor número de espirales puede producir diferentes efectos en los flujos de fluidos, como una mayor fricción que puede restringir el flujo del líquido en función de la viscosidad.

Figura 1: (a) un elemento tubular más ancho (0.475 pulgadas de diámetro), (b) un elemento tubular más pequeño (0.260) (la imagen es solo para fines ilustrativos y no ilustra la bobina de resistencia ni el MgO).

Una aplicación distinta de los elementos tubulares es la despolimerización de residuos plásticos comerciales. La despolimerización o inversión de la polimerización es un proceso térmico o catalítico que requiere actividad térmica para promover una reacción química. Al utilizar una fuente de calor casi inmediata, los calentadores de inmersión tienen un tiempo de respuesta rápido y son soluciones ideales para este proceso industrial. 

Composición de los plásticos

Un factor que afecta al proceso de precalentamiento y al diseño del calentador de inmersión es la composición del plástico. Los plásticos más comunes que se encuentran en estos flujos son el polietileno de baja densidad [LDPE], el polietileno de alta densidad [HDPE], el poliestireno [PS], el cloruro de vinilo [PVC], el tereftalato de polietileno [PET], entre otros. Cada polímero tiene características diferentes y presenta distintos puntos de fusión.  El cálculo de la temperatura precisa que se requiere -teniendo en cuenta el peso molecular (por ejemplo), para la transferencia de calor necesaria- es clave no solo para una aplicación adecuada, sino también para la seguridad.

El precalentamiento de la mezcla polimérica tiene como objetivo proporcionar la energía térmica suficiente para licuar todos los componentes poliméricos antes de que entren en un lecho fijo térmico o catalítico, en un lecho fluidizado o incluso en un reactor CSTR, donde la pirólisis producirá los monómeros de la corriente de entrada de plástico. La fluidización del flujo inicialmente sólido es la parte más importante del proceso de despolimerización ya que permite:

• Viscosidad controlada en la entrada del reactor
• Densidad controlada en la entrada del reactor
• Capacidad de mezcla completa de la mezcla previamente sólida
• Posibilidad de utilizar un CSTR o un lecho fijo/fluido
• Eliminación eficaz del carbón y otros sólidos producidos, en las primeras etapas del reactor, minimizando así el bloqueo y la pérdida de eficiencia

Optimización del calentamiento por inmersión

Los procesos de precalentamiento se optimizan y diseñan en función de la concentración real de cada componente, sus características TGA (sobre todo la temperatura de inicio de la degradación) y los caudales. La optimización del calentamiento por inmersión comprende la solución dinámica de un complejo sistema de ecuaciones que incluye:

• Tasa de adsorción de calor de cada componente a cada temperatura por debajo del rango de fusión; esto depende de los coeficientes k individuales de cada componente, su rango de fusión y el flujo de cada polímero. Para un análisis dinámico completo, las distribuciones de tamaño de los sólidos también afectan a la absorción de calor. 
• Tasa de absorción de calor para cada componente dentro del rango de temperatura de fusión. La situación es compleja ya que la entalpía para el cambio de fase se entrega en un rango de temperaturas. Dependiendo de las distribuciones de peso molecular de cada polímero en la mezcla, esta entalpía puede ser entregada de manera muy desigual, causando grandes complicaciones en la predicción de la transferencia de calor, y por lo tanto haciendo el diseño del calentador de inmersión muy exigente en términos de tiempos de respuesta. 
• Los cambios de viscosidad cinética alrededor del calentador afectan al perfil de flujo, al perfil de velocidad y, por tanto, a los requisitos de transferencia de calor

Creación de un modelo de tarea

Quizá la tarea más difícil sea crear un modelo que prediga las necesidades de transferencia de calor. Esto es necesario para diseñar y desarrollar el calentador de inmersión más adecuado para cualquier aplicación. La forma más común de tener éxito en este intento es utilizar los datos de TGA para todos los componentes de la mezcla polimérica sólida, crear y resolver las ecuaciones acopladas en un entorno con altas capacidades matemáticas, como MatLab, y finalmente diseñar el calentador de inmersión que:

• Puede producir una respuesta de calentamiento dinámica y controlada
• Puede producir correcciones rápidas en la transferencia de calor
• No crea obstáculos al flujo de dispersión de sólidos