Diseño de un sistema de fluido térmico: simple y complejo

La gestión del flujo de calor en un sistema de fluido térmico es fundamental para proporcionar un control de temperatura preciso para los fluidos de proceso y para proteger el equipo involucrado.

En un sistema con un calentador encendido, un flujo inadecuado podría causar daños en los serpentines de calentamiento dentro del calentador o causar una rápida degradación del fluido térmico. Para evitar dañar el sistema, debe estar diseñado para mantener un flujo constante a través del calentador cuando está en funcionamiento. Algunos de esos diseños se ilustran en los diagramas adjuntos.

Un fluido de proceso puede ser cualquier tipo de fluido que requiera calor en el proceso de fabricación, incluidos los compuestos químicos, el asfalto líquido, el polímero líquido, la cera, los lodos residuales, el aceite de cocina, el petróleo crudo, el GNL, etc.

En el proceso de calentamiento, puede calentar el fluido del proceso directa o indirectamente con un calentador de fuego o un calentador eléctrico. El calentamiento indirecto utiliza un fluido térmico (también llamado fluido de transferencia de calor) como aceite, aceite sintético y glicol de agua. El fluido térmico es calentado por el calentador que luego circula a través de bobinas de calentamiento, un intercambiador o un recipiente encamisado para calentar el fluido del proceso. El método indirecto es un sistema de circuito cerrado, lo que significa que el fluido térmico que sale del calentador regresará y circulará continuamente a través del circuito.

Hay varios factores a considerar al diseñar un sistema de calefacción para el flujo y la transferencia de calor adecuados. Con los recipientes que contienen los fluidos de proceso denominados "usuarios", los siguientes son algunos de los factores a considerar.

Primero, ¿cuántos usuarios requerirán calor? Puede tener un solo calentador que pueda proporcionar calor para múltiples usuarios. El calentador deberá dimensionarse para tener en cuenta la pérdida de calor entre todos los usuarios y el caudal según el diseño del sistema.

A continuación, ¿se ejecutarán los usuarios al mismo tiempo? Si los usuarios están funcionando al mismo tiempo, el calentador deberá ser más grande, mientras que si solo está funcionando un usuario a la vez, el calentador puede dimensionarse para acomodar al usuario que necesita el mayor trabajo.

Además, ¿los usuarios necesitan la misma temperatura del fluido térmico? Se puede diseñar un sistema para adaptarse a los usuarios que necesitan la misma temperatura del fluido térmico o varias temperaturas al mismo tiempo.

¿Alguno de los procesos necesita enfriarse? Algunos fluidos de proceso pueden necesitar enfriarse después de calentarse. Esto se puede hacer naturalmente con el tiempo o más rápidamente con un intercambiador adicional.

¿En qué plazo deben realizarse los procesos? Algunos usuarios pueden necesitar una fuente constante de calor, mientras que otros solo necesitan calor durante un período de tiempo relativamente corto. Y algunos usuarios pueden necesitar calentarse rápidamente. Cuanto más rápido se calienta, más grande es el calentador.

Los circuitos de fluido térmico se controlan mediante una serie de válvulas (normalmente válvulas moduladoras), elementos de temperatura y sensores de presión para controlar el flujo y mantener temperaturas precisas. Las válvulas generalmente están automatizadas y funcionan en conjunto con los controles del calentador para garantizar que se alcancen las temperaturas adecuadas para cada usuario. Cuando los usuarios alcanzan la temperatura deseada, se utilizan tuberías y válvulas de derivación para asegurarse de que el calentador tenga el flujo adecuado a través de él, al mismo tiempo que se mantiene la temperatura de los usuarios.

Cuando se usa un calentador para calentar a múltiples usuarios, los usuarios estarán en serie o en paralelo. Cuando están en serie, se usa una sola bomba para mantener el flujo sobre todos los usuarios y el calentador. El flujo, medido en gpm (galones por minuto), es el mismo gpm para todos los usuarios y el calentador. En paralelo, se utiliza una sola bomba o varias bombas para distribuir el flujo a cada línea de usuario. A veces se usa una bomba de circulación adicional para mantener el flujo en el calentador. La ventaja de un diseño paralelo es que el fluido térmico se acerca a cada usuario a la misma temperatura, en comparación con un diseño en serie, hay pérdida de calor entre cada usuario y los usuarios aguas abajo tendrán una temperatura de acercamiento más baja. Puede tener una combinación de sistemas paralelos y en serie.

Sistemas de línea única

Los sistemas de fluido térmico de una sola línea son el tipo de sistema más básico, pero aun así pueden ser bastante versátiles. Por lo general, se usa una sola bomba de circulación para mover el fluido de transferencia de calor a través de todo el sistema. Este tipo de sistema puede tener un solo usuario o múltiples usuarios. Un solo usuario puede tener una sola zona de calentamiento (Figura 1) o múltiples zonas (Figura 2). Con múltiples zonas, se pueden calentar diferentes volúmenes de producto sin calentar todo el tanque.

Múltiples usuarios de una sola línea

Cuando varios usuarios se calientan en un solo circuito, pueden estar en paralelo (Figura 3) o en serie (Figura 4) utilizando una bomba de circulación común. Cuando las unidades están en paralelo, el fluido térmico se acerca a los usuarios a una temperatura uniforme. En este caso, la bomba de circulación tiene un caudal de al menos la combinación de todos los usuarios. Cuando los usuarios están en serie, la temperatura del fluido térmico que se aproxima varía en función del calor absorbido por todos los usuarios anteriores. Esto conduce a una bomba con un caudal más bajo y una presión diferencial más alta.

Figura 5

multilínea

Un sistema multilínea (Figura 5) se usa cuando hay un solo calentador y múltiples usuarios y desea que cada grupo de usuarios tenga circuitos de fluido térmico separados. Un bucle (también conocido como circuito) puede tener varios usuarios en serie o en paralelo. Se puede usar una sola bomba de circulación para calentar el fluido térmico en el calentador y se usan bombas laterales/de derivación para hacer circular el fluido térmico a través de cada bucle independiente. Si la temperatura requerida del fluido térmico es considerablemente más baja que la temperatura a granel máxima permitida del fluido, entonces la línea puede tirar del fluido aguas abajo de sus retornos. Esto requiere una temperatura más alta del fluido térmico que sale del calentador que alcanzará la temperatura deseada para los usuarios después de que se mezcle con el fluido de retorno más frío. Esto permite una bomba de circulación del calentador más pequeña. Si la temperatura requerida está demasiado cerca de la temperatura máxima permitida a granel, entonces los bucles deben tirar aguas arriba de sus retornos. Esto requiere que la tasa de circulación del calentador sea igual a más que la suma de cada circuito. Un ejemplo de esto es cuando tiene tanques de diferentes tamaños que calientan en horarios independientes y requieren el fluido térmico a la misma temperatura, pero a diferentes caudales.

Figura 6

Bucle de aceite caliente

Los circuitos de aceite tibio (Figura 6) se utilizan cuando los usuarios necesitan calentar con diferentes temperaturas de fluido. El bucle de calefacción principal es la temperatura más alta. El circuito menos caliente tiene su propia bomba de circulación y mezcla fluido más caliente para mantener un punto de ajuste de temperatura. Un ejemplo de esto es cuando se necesita calentar rápidamente un gran volumen de fluido de proceso en un tanque con fluido térmico y mantener una temperatura establecida en las líneas de proceso. Las líneas de proceso se mantienen a una temperatura establecida con una camisa de aceite aislada de la misma temperatura. Esto permite mitigar la pérdida de temperatura de la línea sin la posibilidad de sobrecalentar el fluido en la tubería que se puede ver con el rastro de calor eléctrico.

Bucle de control de temperatura

Figura 7

Un circuito de control de temperatura (Figura 7) es muy similar a un circuito de aceite tibio con la necesidad adicional de enfriar el proceso. El circuito de fluido térmico se utiliza para calentar el circuito de control de temperatura y un intercambiador se utiliza para enfriar el circuito. Un ejemplo de esto es calentar un proceso en un recipiente con camisa para mezclar y/o reaccionar y luego enfriar el proceso para descargarlo en un contenedor sensible a la temperatura.

El diseño de un sistema de fluido térmico puede ser bastante simple o bastante complejo. Un buen diseño será eficiente, duradero, seguro y rentable. Los expertos de Astec pueden ayudarlo a decidir el mejor tipo de sistema para su aplicación, diseñarlo y construirlo, y brindarle soporte y servicio.

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