Recomendaciones al trabajar con fluidos de transferencia de calor

En termodinámica de fluidos, un fluido de transferencia de calor es un gas o líquido que participa en la transferencia de calor sirviendo como intermediario en el enfriamiento en un lado de un proceso, transportando y almacenando energía térmica y calentando en otro lado de un proceso. Los fluidos de transferencia de calor se utilizan en innumerables aplicaciones y procesos industriales que requieren calefacción o refrigeración, normalmente en un circuito cerrado y en ciclos continuos.

1. Almacenamiento y métodos de cambio del fluido de transferencia

Almacenamiento

Los tambores con el fluido nuevo deberán ser resguardados de la intemperie para prevenir condensación debida a cambios en la temperatura y humedad.

Llenado del sistema

Lugar – El fluido deberá ser agregado en el lugar más bajo del sistema, preferentemente en el lado de succión de la bomba de circulación. Deberá evitarse la aireación del fluido No agregue el aceite directamente al tanque de expansión.
Bomba – Utilice sistemas portátiles de bombeo. No utilice las bombas de circulación del sistema para llenarlo, ya que pueden ocasionarse serios daños por trabajarla en seco o vacío. Todas las tuberías y conexiones del sistema auxiliar deben ser resistentes al aceite.
Válvulas – Abra todas las válvulas de ventilación y del proceso, válvulas de control y las válvulas que conectan al tanque de expansión.
Llenado – Agregue el fluido al sistema. Cierre las válvulas de nivel cuando el fluido empiece a salir. Pare el llenado cuando el fluido llegue a su punto más alto.
Remoción de aire – Utilice la bomba del sistema para circular el fluido lentamente por todo el sistema hasta que todas las burbujas de aire que entraron en el proceso de llenado hayan escapado por el tanque de expansión o hayan salido por las válvulas de ventilación.
Bomba centrífuga – La válvula en la bomba de descarga deberá estar casi cerrada al arranque. Abra la válvula lentamente hasta la mitad y permita circular el fluido
Bomba de engranes – Ciclos de encendido y apagado de la bomba graduales son recomendados incrementando gradualmente el ciclo “encendido” hasta que la operación continua sea posible.
Cicle las válvulas de control hasta que todos los circuitos estén llenos. Agregue fluido según sea requerido para mantener el tanque de expansión lleno hasta un cuarto.

2. Factores que afectan la vida del fluido

La vida en servicio de un fluido de transferencia de calor y la eficiencia del proceso puede ser mejorada minimizando su degradación térmica, la oxidación y la contaminación.

Degradación térmica

Todos los sistemas de calentamiento ya sean de fuego o eléctricos, tienen la posibilidad de exceder la temperatura máxima recomendada del fluido de transferencia bajo ciertas circunstancias, exceder esta temperatura por un largo periodo de tiempo, puede causar la degradación y falla prematura del fluido. La degradación puede ser minimizada con las siguientes acciones:

Mantenga siempre la velocidad de diseño del fluido. Las caídas de presión en el sistema deberán ser calculadas cuando se establezca el tamaño de las bombas. La respuesta de las válvulas de alivio del sistema deberá estar ajustada para mantener el flujo del fluido dentro de las especificaciones del sistema. Los filtros y cedazos deberán estar adecuadamente localizados y monitoreados para prevenir su saturación.
Caliente los sistemas lentamente. Un fluido frío puede sobrecalentarse si los calentadores operan a máxima capacidad desde el arranque. La temperatura del fluido deberá ser elevada con incrementos de 15 °C hasta que la viscosidad del fluido sea menor de 10 cP (revise las propiedades del fluido). Asegúrese que este procedimiento no caliente el fluido más rápido que lo indicado en las especificaciones del fabricante.
Evite apagar el sistema repentinamente. Permita al fluido circular hasta que la temperatura de salida del calentador sea de un máximo de 121 °C.
Conserve la instrumentación del equipo. La falla de las alarmas de alta temperatura o de flujo bajo no solamente causan el sobrecalentamiento del fluido, sino que pueden ser causa de incendio del equipo.
Revise la cámara de combustión. Una propagación de flama o alineación del quemador puede causar puntos calientes en la tubería.

Oxidación

Una oxidación severa del fluido de transferencia puede crear problemas significativos en el equipo. En muchos casos la corrosión o falla de los tanques de expansión son los primeros signos de que existe un problema si los análisis de rutina del fluido no son efectuados regularmente. Minimizar la oxidación es relativamente simple:

Tanques de expansión. Humo en la línea de ventilación de los tanques de expansión es una señal de que el tanque está muy caliente. Nunca opere el sistema con la válvula de calentamiento abierta. En sistemas ventilados, el tanque y las líneas que llevan el fluido a este no deberán estar aisladas.
Mantenga una succión positiva en las bombas. Un alto vacío debido a restricciones del flujo (como cedazos saturados) puede permitir la aireación y causar desgaste excesivo de los sellos de la bomba y en la misma bomba.

Contaminación

Los contaminantes promueven la degradación del fluido así como problemas de operación. Los contaminantes pueden entrar en su sistema de diferentes maneras:

Sistemas nuevos. Asegúrese de que las partículas o residuos de la fabricación del sistema o cubiertas de protección sean completamente retiradas antes de ensamblar. Pruebe la presión del sistema con fluido de transferencia o gas inerte. Nunca haga la prueba de presión con agua.
Limpieza del sistema. Haga un drenado completo de los puntos bajos del sistema cuando utilice solventes orgánicos o aceites de limpieza. Al menos una carga completa de fluido de transferencia deberá ser usada para lavar el sistema si el drenado completo no es posible. Si usa limpiadores a base de agua deberán ser completamente enjuagados con agua limpia. El agua residual deberá ser purgada por drenado y posteriormente eliminada con nitrógeno caliente y seco. No es recomendable hacer hervir el agua residual en el tanque de expansión ya que esto causará la degradación del fluido.
Operación diaria. Siempre utilice fluido de transferencia nuevo para rellenar el sistema. El fluido que es expulsado de las respiraciones o que se recoge en charolas deberá ser eliminado. No mezcle fluidos

3. Análisis y conservación de los fluidos de transferencia.

Un programa de análisis de fluidos que proporcione buenos resultados deberá contener:

Análisis en laboratorio de la muestra del fluido
Evaluación del desempeño del sistema e información del laboratorio registrados en bitácoras
Discusión de los resultados y las recomendaciones para establecer las acciones que deriven en una mayor vida del fluido y del sistema.

Degradación térmica

La degradación térmica es un fenómeno en el que las moléculas largas del aceite se descomponen en coque sólido (90 – 95% carbón) y en moléculas pequeñas que se evaporan. Algunas de esas moléculas que son reactivas se combinan para producir moléculas que son incluso mayores que las del fluido original.

La prueba del rango de destilación establece las cantidades relativas de moléculas grandes y pequeñas en una muestra mediante la medición de las temperaturas a las que ciertas fracciones de volumen se evaporan. Un incremento en la concentración de las moléculas grandes o pequeñas (que se evaporan a mayores y menores temperaturas respectivamente) pueden ser esperadas si el fluido ha sufrido una degradación térmica. En promedio un cambio de un 10% comparado con el fluido nuevo puede ser esperado como normal.

La viscosidad cinemática del fluido de transferencia es proporcional a su peso molecular. Los resultados pueden o no variar a partir de la viscosidad del fluido nuevo, debido a la mezcla de moléculas grandes (alta viscosidad) y pequeñas (baja viscosidad), por lo que esta prueba en forma aislada no es válida para determinar la condición del fluido; sin embargo, proporciona información valiosa. Se recomienda cambiar el fluido de transferencia cuando su viscosidad sea igual o mayor a un 50% de la original.

El punto de inflamación es la temperatura a la que los vapores del fluido se encenderán cuando una flama se acerca a su superficie. El punto de inflamación puede bajar conforme se formen moléculas volátiles más pequeñas. Una acción correctiva de cambio de aceite deberá ser considerada en casos de una disminución considerable.

La medición de insolubles en pentano indica la cantidad de coque y otras partículas en el fluido. En la prueba, los sólidos se separan por filtración y son lavados con pentano para remover el fluido, posteriormente son secados y pesados. El límite de advertencia es 0.05% en peso. Cuando se encuentre un valor de 0.04%, deberá ser programado un cambio de fluido o una filtración especial.

Oxidación

Todos los fluidos orgánicos reaccionan con el aire para formar ácidos orgánicos. La tasa de oxidación es baja a condiciones ambientales pero se incrementa rápidamente con la temperatura. Estos ácidos pueden convertirse en radicales libres que ocasionarán una polimerización que causará un incremento en la viscosidad del fluido y finalmente en la formación de depósitos.

El número ácido (AN) es la medida de la concentración de ácidos en el fluido. En un fluido nuevo es de 0.01. Un AN de 0.07 es una alerta. Cuando el fluido tenga un AN de 3.0 deberá ser cambiado.

Contaminación

Los contaminantes pueden catalizar la degradación del fluido y también dar como resultado severos problemas de operación.

La prueba de agua por Karl Fischer determina la cantidad de humedad presente en el fluido. Generalmente un nivel de 350 ppm es un punto de advertencia y 700 ppm indican la necesidad de cambio o efectuar un proceso de secado o remoción del agua. Hay diversos procedimientos para detectar e identificar contaminantes no acuosos, como productos de fugas y contaminantes sólidos.

Evaluación y recomendaciones

La información de laboratorio proporciona una fotografía de la condición del fluido. Esta información deberá ser analizada en una perspectiva de tiempo (tendencia) en paralelo a la información de operación para obtener un análisis completo del sistema. Esto permitirá implementar una acción correctiva antes de que la eficiencia del fluido de transferencia o del sistema mismo se vea afectada.

Muestreo

Siga las indicaciones para un muestreo adecuado, que proporcione una información sin distorsión. Tome la muestra de una parte “viva” del sistema, preferentemente de la bomba de circulación (instale un puerto de muestra fijo). Las muestras tomadas del tanque de expansión no son representativas del sistema. Limpie la línea antes de tomar la muestra y deje dos centímetros del envase sin llenar para permitir una agitación de la muestra adecuada en el laboratorio. Anote toda la información pertinente en la muestra y proporcione la especificación del aceite nuevo.

Se requiere una muestra de 1 litro para este tipo de análisis.

4. Aspectos de seguridad

La posibilidad de fuego deberá ser considerada en el diseño y operación de los sistemas de fluidos de transferencia de calor.

Puntos de inflamación e ignición

El punto de inflamación e ignición de un fluido de transferencia es determinado en las pruebas de laboratorio del aceite nuevo y están incluidas en las hojas técnicas y de SDS (Hojas de Datos de Seguridad) proporcionadas por el fabricante del fluido. La temperatura a la que el vapor del aceite enciende cuando se le hace pasar una flama por la superficie es llamado punto de inflamación. La temperatura a la que el aceite genera suficiente vapor para mantener una flama en la superficie, se le conoce como punto de ignición. Para que esta información pueda extrapolarse a las condiciones de la vida real, debemos considerar las siguientes condiciones básicas para que el vapor del aceite pueda convertirse en fuego.

Temperatura del fluido. El fluido deberá estar a la temperatura del punto de inflamación o mayor a esta cuando esté en contacto con el aire para que pueda haber una forma de combustión. Esta situación puede no darse en las fugas, ya que el fluido se enfría muy rápido con el aire.
Concentración de vapor. Deberá haber una alta concentración de vapor para soportar una combustión. Cualquier disipación del vapor contribuirá a reducir la concentración por debajo del nivel requerido para la inflamación.
Fuente de Ignición. La fuente de la flama debe estar localizada dentro de la nube de vapor. Esto no es muy común, ya que los lineamientos de una buena instalación eléctrica establecen que las fuentes potenciales de flama deberán estar localizadas a distancia de las tuberías o estar adecuadamente cerradas.

Fugas normales

Las fugas normales en un sistema de transferencia de calor consisten en el escurrimiento del fluido en las juntas de las tuberías, empaques, sellos mecánicos, válvulas y sellos de ejes. Las gotas formadas se secarán rápidamente con el contacto con el aire. Fugas muy pequeñas pueden producir un ligero humo gris. Esto es un indicativo de que el fluido se está oxidando inmediatamente con la exposición al aire. Este humo puede causar irritación si es inhalado por un periodo largo de tiempo como cualquier tipo de humo.

Hay algunas situaciones bajo las cuales una fuga considerada “normal” puede ser un riesgo de fuego:

Fuegos por el aislamiento

Ciertos tipos de aislamiento como los de fibra de vidrio y silicato de calcio tienen una estructura porosa que permite que el fluido se acumule en ellos a lo largo de la fuente de la fuga. Con la dispersión del fluido en el aislamiento, su área de superficie se incrementa considerablemente y por el aislamiento el fluido se mantiene a la misma temperatura. El riesgo radica en que un porcentaje sustancial del líquido fugado se mantiene sin reaccionar por la falta de oxígeno disponible. Si el oxígeno se incrementa súbitamente, el fluido del aislamiento se puede encender. Prevenga esta situación utilizando aislantes no porosos o preparando puntos de drenado del aislante.

Áreas confinadas

Si un bajo volumen de fugas ocurriera en un área cerrada, como un gabinete, el oxígeno disponible puede ser consumido permitiendo al vapor acumularse. Esto puede prevenirse asegurando que todas las partes del sistema de transferencia están localizadas en áreas ventiladas.

Falla catastrófica del equipo

Una falla en el sistema puede ocasionar que se fuguen grandes cantidades del fluido de transferencia. Si la presión del sistema es muy baja y el fluido está operando por debajo de su punto de ebullición atmosférica, entonces la fuga consistirá en un líquido que se regará a corta distancia, cayendo al suelo. Si el sistema opera a mayores presiones, se puede generar un aerosol fino que será lanzado a gran distancia del equipo, sin embargo, la distancia y la velocidad de las gotas contribuirán a su rápido enfriamiento. En cualquiera de los casos, habrá una cierta cantidad de humo presente debido a la reacción del fluido caliente con el aire.

Las fugas de vapor pueden ocurrir si el fluido está operando a presiones por arriba de su punto de ebullición atmosférico. La condensación del vapor puede propiciar una peligrosa niebla explosiva. Las explosiones de niebla requieren de una relación de volumen – superficie y una suficiente concentración para explotar si son expuestas a una fuente de ignición. Solo los vapores condensados han probado producir este tipo de partículas.

Un adecuado diseño, operación y mantenimiento del equipo son los métodos más efectivos para minimizar una falla catastrófica. Los peligros de fuego pueden ser minimizados de la siguiente manera.

Nunca opere un fluido de transferencia de calor por arriba de su punto de ebullición, esto eliminará el riesgo de explosiones por niebla.
Mantenga buena ventilación en el área alrededor del equipo, esto le proporcionará un rápido enfriamiento de las fugas y dispersará los vapores.
Minimice el combustible para un fuego diseñando el tanque de expansión no más grande de lo necesario y equípelo con alarmas de bajo nivel que apaguen el sistema completo. Una válvula de apagado automático deberá ser instalada para aislar el tanque de expansión e caso de incendio.

Pérdida de circulación en el calentador

Si el flujo es interrumpido sin apagar el calentador, se puede presentar un riesgo severo de fuego. Bajo una condición sin flujo, la temperatura del fluido en el calentador se incrementará rápidamente muy por encima de su punto de ebullición. Cualquier falla del equipo dará como resultado una ignición espontánea de la fuga. Un apagador de alta temperatura no debería ser el único instrumento de seguridad del sistema del calentador ya que la falla de este puede reducir su eficiencia. La protección más efectiva es instalar un mecanismo de alta/baja presión en la bomba de descarga o un apagador de diferencia de presión en un medidor de flujo. El sistema deberá estar conectado para apagar el sistema completamente. Los dispositivos sensibles al flujo inmersos en el fluido no son recomendables para ser utilizados como apagadores de nivel bajo, ya que tienden a fallar en el modo abierto.