Consumo de Energía de Tanques y Cubas

El calentamiento de líquidos en tanques y cubas es un requisito importante en las industrias de proceso. Existen muchos tipos de tanques con diferentes usos. La determinación de requisitos de calor, cálculos de transferencia de calor y pérdidas de calor están cubiertos en este tutorial.

El calentamiento de líquidos en tanques es un requisito importante en industrias de proceso como la industria láctea, el tratamiento de metales y la industria textil. Es posible que el agua necesite calentarse para proporcionar un servicio de agua caliente; alternativamente, un líquido puede necesitar calentarse como parte del propio proceso de producción, ya sea o no una reacción química involucrada. Dichos procesos pueden incluir tanques de alimentación de calderas, tanques de lavado, evaporadores, sartenes de ebullición, calderas, calandrias y rehervidores.

Los tanques abiertos y cerrados se utilizan para un gran número de aplicaciones de proceso: Tanques de alimentación de calderas

El tanque de alimentación de calderas es el corazón de cualquier sistema de generación de vapor. Proporciona un reservorio de condensado devuelto y agua de reposición tratada, para alimentar la caldera. Una razón para calentar el agua es reducir el oxígeno que entra en la caldera, con (teóricamente) 0 ppm de oxígeno a 100 °C. Los tanques de alimentación de calderas normalmente operan entre 80 °C y 90 °C. Tanques de agua caliente

Se requiere agua caliente para una serie de procesos en la industria. A menudo se calienta en tanques simples, abiertos o cerrados, que utilizan vapor como medio de calentamiento. La temperatura de operación puede estar entre 40 °C y 85 °C dependiendo de la aplicación. Tanques de desengrase

El desengrase es el proceso donde se eliminan depósitos de grasa y aceite de refrigeración de las superficies metálicas, después del mecanizado y antes del ensamblaje final del producto. En un tanque de desengrase, el material se sumerge en una solución, que se calienta mediante serpentines a una temperatura entre 90 °C y 95 °C. Tanques de tratamiento de metales

Los tanques de tratamiento de metales, que a veces se denominan cubas, se utilizan en una serie de procesos diferentes:

• Para eliminar incrustaciones o herrumbre.
• Para aplicar un recubrimiento metálico a las superficies. Las temperaturas de tratamiento típicamente oscilan entre 70 °C y 85 °C. Tanques de almacenamiento de aceite

Se requieren tanques de almacenamiento para contener aceites que no pueden bombearse a temperaturas ambiente, como el aceite combustible pesado para calderas. A temperaturas ambiente, el aceite pesado es muy espeso y debe calentarse a 30 °C - 40 °C para reducir su viscosidad y permitir que sea bombeado. Esto significa que todos los tanques de almacenamiento de aceite pesado necesitan ser proporcionados con calentamiento para facilitar el bombeo. Tanques de calentamiento utilizados en industrias de proceso

Los tanques de calentamiento son utilizados por varias industrias de proceso, consulte la Tabla 2.9.1.

Tabla 2.9.1 Industrias de proceso que utilizan tanques de calentamiento

En algunas aplicaciones, el fluido de proceso puede haber alcanzado su temperatura de trabajo, y el único requisito de calor puede deberse a las pérdidas de la superficie sólida de las paredes y/o las pérdidas de la superficie del líquido.

Este Módulo tratará los cálculos que determinan los requisitos de energía de los tanques: los dos siguientes Módulos (2.10 y 2.11) tratarán cómo se puede suministrar esta energía. Al determinar el requisito de calor de un tanque o cuba de fluido de proceso, el requisito total de calor puede consistir en algunos o todos de una serie de componentes clave:

1. El calor necesario para elevar la temperatura del fluido de proceso desde frío hasta su temperatura de operación.
2. El calor necesario para elevar el material del recipiente desde frío hasta su temperatura de operación.
3. El calor perdido desde la superficie sólida del recipiente hacia la atmósfera.
4. El calor perdido desde la superficie del líquido expuesta a la atmósfera.
5. El calor absorbido por cualquier artículo frío sumergido en el fluido de proceso. Sin embargo, en muchas aplicaciones solo algunos de los componentes anteriores serán significativos. Por ejemplo, en el caso de un tanque de almacenamiento de aceite a granel totalmente cerrado y bien aislado, el requisito total de calor puede estar compuesto casi en su totalidad por el calor necesario para elevar la temperatura del fluido. Los puntos 1 y 2, la energía necesaria para elevar la temperatura del líquido y el material del recipiente, y el punto 5, el calor absorbido por cualquier artículo frío sumergido en el fluido de proceso, se pueden encontrar usando la Ecuación 2.6.1. Generalmente, los datos pueden definirse con precisión y, por lo tanto, el cálculo del requisito de calor es directo y preciso.

Los puntos 3 y 4, las pérdidas de calor de las superficies del recipiente y del líquido, se pueden determinar usando la Ecuación 2.5.3.

Sin embargo, los cálculos de pérdidas de calor son mucho más complejos, y generalmente se debe recurrir a datos empíricos o tablas basadas en varias suposiciones. Se deduce que los cálculos de pérdidas de calor son menos precisos.

Pérdida de calor de la superficie sólida del recipiente hacia la atmósfera El calor solo se transferirá siempre que exista una diferencia de temperatura entre la superficie y el aire ambiente. La Figura 2.9.1 proporciona algunos coeficientes típicos de transferencia de calor global para la transferencia de calor desde superficies planas de acero desnudo al aire ambiente. Si la parte inferior del tanque no está expuesta al aire ambiente, sino que está posicionada plana sobre el suelo, es habitual considerar esta componente de la pérdida de calor como despreciable, y puede ignorarse de manera segura.

• Para 25 mm de aislamiento, el valor U debe multiplicarse por un factor de 0.2
• Para 50 mm de aislamiento, el valor U debe multiplicarse por un factor de 0.1 Los coeficientes de transferencia de calor global proporcionados en la Figura 2.9.1 son solo para condiciones de ‘aire en reposo’.

La Tabla 2.9.2 muestra factores de multiplicación que deben aplicarse a estos valores si se tiene en cuenta una velocidad del aire. Sin embargo, si la superficie está bien aislada, es probable que la velocidad del aire no aumente la pérdida de calor en más del 10%, incluso en condiciones expuestas.

Tabla 2.9.2 Efecto en la transferencia de calor con movimiento de aire

Las velocidades inferiores a 1 m/s pueden considerarse como condiciones protegidas, mientras que 5 m/s pueden considerarse una brisa suave (aproximadamente 3 en la escala de Beaufort), 10 m/s una brisa fresca (Beaufort 5) y 16 m/s un vendaval moderado (Beaufort 7).

Para tanques de almacenamiento de aceite a granel, se pueden utilizar los coeficientes de transferencia de calor global citados en la Tabla 2.9.3.

Tabla 2.9.3 Coeficientes de transferencia de calor global para tanques de aceite

Tanques de agua: pérdida de calor de la superficie del agua a la atmósfera La Figura 2.9.2 relaciona la pérdida de calor de una superficie de agua con la velocidad del aire y la temperatura de la superficie. En este gráfico, el aire ‘en reposo’ se considera que tiene una velocidad de 1 m/s, los tanques en posiciones protegidas al aire libre consideran velocidades de aproximadamente 4 m/s, mientras que los tanques en posiciones expuestas al aire libre se consideran con velocidades de aproximadamente 8 m/s. Este gráfico proporciona la pérdida de calor en W/m² en lugar de las unidades del coeficiente de transferencia de calor global de W/m² °C. Esto significa que este valor debe multiplicarse por el área de la superficie para proporcionar una tasa de transferencia de calor, ya que la diferencia de temperatura entre el agua y el aire ya se ha tenido en cuenta. Las pérdidas de calor de la superficie del agua, como se muestra en la Figura 2.9.2, no se ven significativamente afectadas por la humedad del aire. La gama completa de humedades que probablemente se encuentren en la práctica está cubierta por el grosor de la curva. Sin embargo, el gráfico considera las pérdidas de calor con una temperatura del aire de 15.6 °C y una humedad del aire del 55%. Condiciones diferentes a estas se pueden calcular desde el Centro de Soporte de Ingeniería en el sitio web de Spirax Sarco. Para determinar la pérdida de calor del gráfico, debe seleccionarse la temperatura de la superficie del agua desde la escala superior. Luego se debe proyectar una línea verticalmente hacia abajo hasta la curva de pérdida de calor (en negrita).

Para tanques interiores se debe proyectar una línea horizontalmente desde la intersección hacia la escala izquierda. Para tanques exteriores se debe proyectar una línea horizontalmente hacia la izquierda o la derecha hasta que intersecte la ubicación requerida, ya sea protegida o expuesta. Una proyección verticalmente hacia abajo revelará entonces la pérdida de calor en la escala inferior. En la mayoría de los casos, la pérdida de calor de la superficie del líquido es probablemente el elemento de pérdida de calor más significativo. Cuando sea práctico, la pérdida de calor puede limitarse cubriendo la superficie del líquido con una capa de esferas de poliestireno que proporcionan una ‘manta’ aislante. Cualquier solución para reducir las pérdidas de calor se vuelve aún más importante cuando los tanques están ubicados al aire libre en posiciones expuestas como lo representa el gráfico en la Figura 2.9.2

Ejemplo 2.9.1

Para el tanque mostrado en la Figura 2.9.3, determine: Parte 1. La tasa media de transferencia de calor requerida durante el arranque. Parte 2. La tasa máxima de transferencia de calor requerida durante la operación.

• El tanque está sin aislar, abierto por la parte superior y ubicado sobre un piso de concreto dentro de una fábrica. Tiene 3 m de largo por 3 m de ancho por 2 m de alto. Área total de la superficie del tanque = 24 m² (excluyendo la base). Coeficiente de transferencia de calor del tanque/aire, U1 = 11 W/m² °C. El tanque está 2/3 lleno de una solución de ácido débil (cp = 3.9 kJ/kg °C) que tiene la misma densidad que el agua (1 000 kg/m³)
• El tanque está fabricado con placas de acero dulce de 15 mm. (Densidad = 7 850 kg/m³, cp = 0.5 kJ/kg °C)
• El tanque se usa en días alternos, cuando la solución debe elevarse desde la temperatura ambiente mínima considerada de 8 °C a 60 °C en 2 horas, y permanecer a esa temperatura durante el día.
• Cuando el tanque está a temperatura, se debe sumergir un artículo de acero de 500 kg cada 20 minutos sin que el tanque se desborde. (cp = 0.5 kJ/kg °C

Parte 1 - Determinar la tasa media de transferencia de calor requerida durante Q̇M (arranque)

Parte 1.2 Ecuación Calentamiento del material del tanque Q̇M (tanque)

Parte 1.3 Pérdidas de calor de los laterales del tanque Q̇M (laterales)

Parte 1.4 Pérdidas de calor de la superficie del líquido Q̇M (superficie)

Parte 1.5 Requisito total medio de transferencia de calor Q̇M (arranque)

Parte 2 - Determinar la carga de operación, es decir, la tasa máxima de transferencia de calor requerida durante la operación Q̇(operación)

En condiciones de operación, el líquido y el tanque (A1 y A2, página 2.9.6) ya están a la temperatura de operación, por lo que los componentes de calentamiento = 0. En condiciones de operación, las pérdidas de calor del líquido y el tanque (A3 y A4) serán mayores. Esto se debe a la mayor diferencia entre las temperaturas del líquido y del tanque y las del entorno. Sumergir el artículo en el líquido es claramente el objetivo del proceso, por lo que esta carga de calor debe calcularse y sumarse a las pérdidas de calor de la carga de operación.

Parte 2.1 Pérdidas de calor de los laterales del tanque

Parte 2.2 Pérdidas de calor de la superficie del líquido Q̇(superficie)

Parte 2.3 Calentamiento de los artículos de acero sumergidos en el tanque Q̇(artículo)

Parte 2.4 Requisitos totales medios de transferencia de calor Q̇(operación)(La carga de operación)

Tenga en cuenta que el requisito de energía operativa (59 kW) es significativamente menor que el requisito de energía de arranque (367 kW). Esto es típico, y, cuando sea posible, el período de arranque puede extenderse.

Esto tendrá el efecto de reducir el flujo máximo de energía y tiene los beneficios de nivelar la demanda en la caldera, y hacer menos demandas al sistema de control de temperatura. Para tanques que operan continuamente, a menudo solo es necesario calcular los requisitos de operación, es decir, los cálculos de la Parte 2.