Subido por piketh57

Calentamiento directo e indirecto

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DIRECT VS INDIRECT FIRED HEATER
Expresiones como Direct Fired Heater, Process Heater, Indirect Fired Heater, aparecen frecuentemente tanto en el
lenguaje habitual en proyectos de ingeniería energética, como cuando realizamos una búsqueda por Internet sobre
calderas o métodos de calentamiento.
Dado que existe un poco de confusión sobre los conceptos que significan estos calificativos, creo que lo más
conveniente es empezar este documento con una definición de cada término, para poder posteriormente pasar a
comparar ventajas y desventajas de cada elemento y aplicaciones particulares de cada uno de ellos.
Heater: Como indica su traducción literal, es un calentador. La fuente de energía puede ser eléctrica, combustibles
líquidos o sólidos, gases de recuperación, etc. No importa si la energía se transfiere al producto de proceso o a un
fluido trasmisor de calor. Engloba por tanto una amplia gama de equipos, desde estufas, a calderas domésticas de
calefacción o agua caliente, o a calderas industriales, ya sean de vapor o fluido térmico.
Fired Heater: Término que engloba aquellos calentadores – heaters -, en los que la energía es aportada por
combustión y es transferida a los fluidos que circulan por unos tubos interiores del equipo. Excepcionalmente, y para
aplicaciones muy determinadas – calefacción - la energía puede ser transferida al fluido – aire – de una forma
totalmente directa - A partir de esta definición global, podemos diferenciar dos grupos:
Direct Fired Heater: Básicamente podríamos asimilar esta definición, a la de horno. El calor se transfiere
directamente al producto de proceso, básicamente hidrocarburos o soluciones químicas. Es por ello, que en
las plantas petroquímicas o refinerías de la industria petrolera, se emplea en ocasiones la expresión
Process Heater. Según el combustible empleado, nos podemos encontrar con Direct Gas Heater o Direct
Fuel Heater
Indirect Fired Heater: Podríamos considerar los Indirect Fired Heaters, como calderas. La energía
producida por la combustión de combustibles líquidos o gaseosos en la caldera, se transfiere a un fluido
intermedio transmisor de calor – básicamente agua en forma líquida o gaseosa o fluidos térmicos, que es el
encargado de transportar la misma hasta otros equipos – reactores, intercambiadores, etc -, para alimentar
al proceso productivo.
Sin embargo, en el lenguaje industrial coloquial se acostumbra a emplear la expresión Heater, exclusivamente para
Direct Fired Heater, mientras que para Indirect Fired Heater, se acostumbra a hablar de calderas – en inglés, Boiler
para las calderas de vapor y Heat Transfer Fluid Heater o Thermal Oil Heater para las de fluidos térmicos -.
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Direct Fired Heaters
Se utilizan Direct Fired Heaters para aplicaciones específicas. Podríamos considerar los Direct Fired Heater
básicamente como equipos diseñados a medida, puesto que al trasmitirse directamente el calor al producto de
proceso, un cambio en las características de éste último, puede suponer que el equipo sea ineficiente para las
nuevas condiciones del proceso o inclusive pueda llegarse a la destrucción del producto o del equipo por esta
inadecuación.
Sus aplicaciones principales son:
Dentro del sector petroquímico y refinerías:
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Calentamiento de crudos a separadores
Calentamiento de gaseoductos
Sistemas de control de puntos de rocío de gases de combustible asociados a centrales de turbinas de gas
Calefacción de flujos de gases hidrocarburos de alta presión en estaciones de reducción de presión
Supercalentadores de vapor
Procesos de cracking
Hornos aromáticos
Vaporización de líquidos y gases
Calentadores de oxígeno
Calentadores de gas de regeneración
Otros sectores, casos particulares:
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Calentamiento de aire – sector de la construcción Minería
Industria alimentaria
Sector petroquímico
El tipo de Direct Fired Heater empleado en el sector petroquímico, se corresponde con el mostrado en la Fig.1.
En estos casos, acostumbran a ser equipos de elevadas potencias – superiores a 6000 kW en la mayoría de las
ocasiones y extremadamente costosos, ya que recordemos, que su diseño es prácticamente único para cada
aplicación en concreto.
Son equipos muy voluminosos, lo que implica la mayoría de los casos, que sean de ejecución vertical, aunque para
potencias entre 40000 kW y 125000 kW se utiliza la ejecución horizontal, debido a sus grandes dimensiones..
Obviamente su tamaño depende de la potencia del equipo, pero no son extrañas zonas de radiación con alturas
superiores a 15 metros, y conjuntos del equipo con alturas superiores a 40 metros –ver Fig 2.Dentro de este sector petroquímico, se utilizan ocasionalmente Direct Fired Heaters como Heat Transfer Fluid
Heaters, o sea como calentadores indirectos. El buen conocimiento del servicio de mantenimiento de las plantas
químicas y refinerias de los Direct Fired Heaters y la uniformidad de recambios son las causas principales de esta
asimilación, ya que como veremos más adelante, las ventajas de los Heat Transfer Fluid Heaters es su función
específicas, son notorias.
En los Direct Fired Heaters, o como comúnmente se les llama en el sector petroquímico, Heaters, la disposición
básica es la indicada en la Fig 1.
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Fig 1.
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Direct Fired Heater
1 Chimenea
2 Clapeta – Damper 3 Entrada producto
4 Zona de convección
5 Entrada aire combustión
6 Quemador
7 Refractario
8 Zona de radiación
9 Salida producto
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Una zona de radiación, la que asimilaríamos con mayor facilidad a un horno, en donde existe un serpentín (8), que
puede ser horizontal/cilíndrico tal como muestra la figura, pero también vertical, en donde se realiza la parte final del
calentamiento de producto, que previamente ha sido calentado en la zona de convección, donde existe asimismo
un serpentín (4).
Las temperaturas alcanzadas en la zona de radiación, pueden ser importantes, ya que el serpentín de dicha zona
no es estanco con respecto a los gases de combustión, llegando pues a las paredes del horno temperaturas
elevadas y obligando a un recubrimiento total de dicha zona por medio de hormigón refractario y anclajes de los
serpentines al mismo.
Este hecho implica grandes inercias térmicas en caso de parada del equipo, pero las aplicaciones para las que están
diseñados estos equipos, implican una funcionalidad continúa – 24 h/día, 365 d/año -. Las paradas de mantenimiento
deben ser programas con mucha antelación, y dado que se realizan con poca frecuencia, implican largos tiempos
de parada, ya que las disfuncionalidades a reparar después de un tiempo prolongado de servicio son muchas.
Una particularidad de estos equipos, estriba en la utilización de una clapeta o damper para control de la temperatura
de la zona de radiación – horno -. En efecto su función es evitar la entrada de aire comburente excesivo con el cierre
de la clapeta. Obviamente, este aumento el tiro de la chimenea, obliga al ventilador del quemador a trabajar con
presiones más elevadas de aire, y por tanto con menos caudal.
Mientras que en los Indirect Fired Heaters, la única variable prácticamente a controlar es la temperatura de salida
del fluido intermedio – Fluid Transfer -, teniendo siempre en consideración no superar la temperatura de film de
dicho fluido intermedio, en los Direct Fired Heaters, esta variable es obviamente también importante y crítica, pero
debe compartir importancia con la temperatura existente en la zona de radiación. Esto obliga a un sistema de control
del equipo más sofisticado que en los Indirect Fired Heaters
Fig 2 Direct Fired Heater sector petroquímico
Altura aproximada 60 metros
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Calentamiento de aire. Sector de la construcción
Una aplicación particular de los Direct Fired Heaters, que aunque precisan de un diseño específico, no es de mucha
sofisticación, siendo su configuración muy diferente a la mostrada en la Fig.1, es la de calentamiento para secado o
calefacción en obras de construcción - ver Fig
3-. Este método es muy empleado
especialmente en EUA, en obras de gran
tamaño y en sus inicios, cuando el proceso de
fabricación acostumbra a estar en espacios
abiertos.
También
se
emplea
en
calentamiento de grandes almacenes.
El aire introducido (1) es al mismo tiempo aire
comburente preciso para la combustión y el
producto de proceso, para secado de
hormigón e inclusive para calentamiento de
las zonas de trabajo, obviamente con unas
necesidades de ventilación importantes, y
control de los gases expulsados para que no
sean perjudiciales para la salud de los trabajadores.
Fig 3. Calentamiento directo en construcción
1 Entrada de aire
2 Quemador
3 Salida de aire
Como ventajas podemos apuntar:
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Unidades pequeñas en comparación con calentamientos indirectos – Fig 4 - para la misma funcionalidad y
por tanto fácil transporte
Más económicos
Menos costes de mantenimiento
Sus desventajas como ya hemos apuntado son de índoles sanitaria, con control estricto de renovaciones de aire y
combustión a fin de evitar intoxicaciones, añadiendo la combustión humedad y monóxido de carbono al aire
ambiente.
Por el contrario, los calentadores indirectos, aportan aire seco y limpio 100%, pudiendo operar en espacios cerrados
– cuando la obra de construcción se encuentre ya en fase avanzada -.
Fig 4. Calentamiento indirecto en construcción
1 Entrada aire
2 Salida de aire caliente
3 Salida de gases de combustión
4 Intercambio indirecto
5 Quemador
6 Aire a calentar
7 Gases procedentes de la combustión
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Minería
Otra aplicación específica de los Direct Fired Heaters y que precisa de un diseño específico y particular, es en la
industria minera, los llamados Elution Heaters.
En la química analítica y orgánica , la elución es el proceso de extraer un material de otro mediante lavado con un
solvente, en casi todas las ocasiones, con aportación de calor.
En la extracción de algunos minerales, como por ejemplo el oro, se realizaba y aún se realiza, este proceso por
medio de intercambiadores por los que circulaba la solución del mineral y el solvente por un lado del intercambiador,
y un fluido transmisor de calor – habitualmente fluido térmico - por el otro y por tanto se utilizaban Indirect Fired
Heaters.
En la actualidad, en algunos países como Sudáfrica, se está experimentando con Direct Fired Heaters, de
configuración muy parecida a los Heat Transfer Fluid Heaters – ver Fig 5 -. Los filtros necesarios para el buen
funcionamiento de los Elution Heaters son el reto más grande en esta aplicación de los Direct Fired Heaters.
Industria alimentaria
Especialmente en los trenes de fritura – patatas, snacks, precocinados -, el método usado es por medio de Heat
Transfer Fluid Heaters por donde circula fluido térmico que es calentado en el equipo y cede su calor en un
intercambiador al aceite que fríe los productos indicados.
También aquí, al igual en el proceso de elución de la minería, se han realizado algunas instalaciones, en las que el
aceite de freír circula directamente por la caldera, que pasa a ser utilizada como Direct Fired Heater. Al igual que en
el proceso minero, la necesidad de filtros muy tupidos dificulta que sea un sistema habitual. La rápida oxidación del
aceite utilizado para freír, es un factor añadido en la complejidad del sistema.
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Indirect Fired Heaters
Como ya hemos indicado en la definición del término Indirect Fired Heaters, se pueden asimilar al concepto calderas.
La energía producida por la combustión de combustibles líquidos o gaseosos en la caldera, se transfiere a un fluido
intermedio transmisor de calor – básicamente agua en forma líquida o gaseosa o fluidos térmicos, que es el
encargado de transportar la misma hasta otros equipos – reactores, intercambiadores, etc -, para alimentar al
proceso productivo.
Por ello podemos agrupar en este término, las calderas de vapor, de agua caliente y de fluido térmico.
Obviamente sus aplicaciones son infinitas, ya que el calentamiento es indirecto, y el producto final de proceso se
calienta por el fluido transmisor de calor en intercambiadores, reactores, platos de prensa, baterías,, etc.
Así podemos considerar:
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Industria petroquímica
Industria alimentaria
Industria textil
Flexo grafía y huecograbado
Lavandería industrial
Calentamiento de todo tipo de prensas
Industria del automóvil
Adhesivos industriales y colas
Energía solar
Etc, etc
En la Figura 5, podemos ver la disposición habitual de una caldera de fluido térmico
La ejecución del equipo puede ser horizontal o vertical. El diseño más habitual es de dos serpentines concéntricos
(8) y (9), en donde va aumentando el fluido térmico su temperatura al absorber la energía que proporciona por
combustión el quemador (1), fijado en la tapa de la caldera (17).
El serpentín interior hace las funciones de contorno de la cámara de combustión (5), estableciendo el diámetro de
la misma. La llama del quemador se proyecta desde el quemador hasta dicha cámara, llegando según la regulación
de la combustión, a estar al límite de chocar con la solera cerámica – cierre trasero de la cámara de combustión
(13) - que delimita la longitud del hogar. Este es el que es llamado coloquialmente, primer paso de humos.
Al llegar a este cierre trasero de la cámara de combustión, los gases cambian de sentido y circulan a elevada
velocidad y turbulencia, entre los dos serpentines concéntricos – segundo paso de humos (6) - hasta la tapa
delantera, donde vuelven a cambiar nuevamente de sentido hasta su evacuación por la chimenea (14), a través del
paso entre el serpentín exterior y la envolvente interior (11) – tercer paso de humos -.
Para conseguir la estanqueidad de este circuito de humos, necesaria para asegurar los rendimientos energéticos
de la caldera previstos, existen cierres (13) y (18), que obligan a los gases de combustión a realizar el trayecto
inicialmente previsto en el diseño del equipo.
Para favorecer el intercambio térmico, la circulación del fluido térmico es inicialmente por el serpentín exterior para
pasar posteriormente al serpentín interior, siendo por tanto un intercambio a contracorriente de temperaturas con
respecto a los gases de combustión y consiguiendo unos rendimientos energéticos excelentes
A diferencia de los Direct Fired Heaters, la cámara de combustión queda aquí cerrada por los serpentines
concéntricos, que evitan que se alcancen temperaturas elevadas en la envolvente interior (11). El empleo de
hormigón refractario no es por tanto necesario en este tipo de equipos en paredes laterales, sólo en algunos casos
y en cantidades pequeñas como apoyo a la solera cerámica de cierre de la cámara de combustión (13).
El aislamiento (10) y (16) acostumbra a ser de lana de roca, suficiente para minimizar las pérdidas estructurales
energéticas al ambiente y evitando al mismo tiempo posibles quemaduras por contacto involuntario con la superficie
de la caldera.
En las calderas de vapor, y dado que la envolvente del equipo se halla bañada por agua, también es posible reducir
las cantidades de hormigón refractario, aunque en menor medida que en las calderas de fluido térmico, ya que la
cámara de combustión debe ser protegida, al no existir serpentines concéntricos que realicen tal función.
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Figura 5. Heat Transfer Fluid Heater. Indirect Fired Heater
1.- Quemador
2.- Alimentación de combustible
3.- Fluido térmico. Salida a puntos de consumo/instalación
4.- Fluido térmico. Retorno de puntos de consumo/instalación
5.- Cámara de combustión. Gases de combustión, primer paso
6.- Gases de combustión, segundo paso
7.- Gases de combustión, tercer paso
8.- Fluido térmico. Serpentín interior
9.- Fluido térmico. Serpentín exterior
10.- Aislamiento térmico del cuerpo de caldera
11.- Envolvente interior
12.- Base de la caldera
13.- Cierre inferior cámara de combustión. Solera cerámica/hormigón refractario
14.- Chimenea
15.- Salida de gases de combustión
16.- Aislamiento térmico de caldera y de cámara de combustión
17.- Tapa de caldera
18.- Cierre superior de la cámara de combustión
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Ventajas e inconvenientes
En la tabla adjunta resumimos las principales características de cada tipo de Heaters. Creemos que es evidente que
los Direct Fired Heaters, son equipos especialmente apropiados para operaciones muy específicas, de potencias
elevadas y derivadas en su casi totalidad de los procesos propios del sector petroquímico y de refinerías, mientras
que los Indirect Fired Heaters, tienen campos de aplicación muy diversos y variados.
Un Direct Fired Heater es diseñado casi específicamente para una operación determinada, de alta sofisticación
técnica. Un cambio sustancial en las especificaciones del producto u operación, puede convertir al equipo en
ineficiente para el nuevo proceso, mientras que los Indirect Fired Heaters, y debido a la utilización de un fluido
transmisor de calor intermedio, las variaciones en los procesos, no afectan en gran medida al equipo calefactor.
Concepto
Direct Fired Heater
Indirect Fired Heater
Combustibles
Líquidos y gaseosos
Líquidos y gaseosos
Potencias
Muy elevadas (>6000 kW hasta 100000 kW)
Medias/altas (<8000 kW)
Eficiencia
Satisfactoria
Satisfactoria
Necesidades de espacio
Elevadas
Normal
Control de la combustión
Muy elevada
Normal
Flexibilidad
Poca
Muy elevada
Complejidad
Elevada
Poca
Aplicaciones
Específicas
Prácticamente todas
Coste económico
Muy elevado
Moderado
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