DISEÑO DE CALENTADORES DE ACEITE TÉRMICO
Separación entre dos serpentines en calentadores de aceite térmico a gas: equilibrio entre eficiencia y resistencia de humos
En diseños adecuados con gas limpio, una luz radial inferior a 50 mm puede ser un punto de partida práctico. La dimensión final debe equilibrar transferencia de calor, pérdida de carga, margen del ventilador, dilatación térmica y tolerancias de fabricación.
RESPUESTA DE INGENIERÍA
Menos de 50 mm puede ser práctico, pero no es una regla universal.
Práctica de diseño JIELI
- En calentadores adecuados de gas natural limpio evaluamos normalmente una luz radial inferior a 50 mm;
- El paso compacto puede aumentar la convección y reducir el bypass de humos;
- El valor exacto se define para la carga y el caudal de gases reales.
Validación obligatoria
- Velocidad máxima y pérdida de carga de la sección;
- Curva del ventilador, tiro del hogar y rango de modulación;
- Temperatura de pared/película, dilatación, tolerancias y acceso.
Importante: 50 mm es una ventana de diseño dependiente del proyecto, no una cifra prescrita por código ni el óptimo automático para cualquier diámetro, capacidad, combustible o geometría.
01 · DEFINIR LA GEOMETRÍA
“Separación del serpentín” debe identificar la dimensión correcta.
Un calentador de doble serpentín helicoidal suele tener un serpentín interior alrededor de la cámara radiante y otro exterior concéntrico. Los humos ceden calor en el hogar, en el paso anular entre ambos serpentines y entre el serpentín exterior y la envolvente. Por eso ninguna cota puede elegirse sin la geometría completa.
En este artículo, el rango inferior a 50 mm se refiere a la luz radial libre entre las superficies enfrentadas de los dos serpentines concéntricos. No es el paso axial entre vueltas contiguas de una misma hélice. Planos y cálculos deben identificar ambas cotas.
| Término | Significado | Importancia |
|---|---|---|
| Luz radial gr | Distancia libre mínima entre el serpentín interior y el exterior. | Controla área libre, velocidad de humos, convección y pérdida de tiro. |
| Paso axial pa | Distancia entre centros de vueltas adyacentes de una hélice. | Afecta el paso local, la superficie expuesta y los soportes. |
| Diámetro exterior Do | Diámetro exterior del tubo a presión. | Modifica superficie, bloqueo, radio de curvado y sección del aceite. |
| Concentricidad | Alineación de los ejes de ambos serpentines. | Evita una zona demasiado cerrada y otra convertida en bypass. |
02 · TRANSFERENCIA DEL LADO DE HUMOS
Una sección libre menor eleva la velocidad local de los humos.
A caudal fijo, v = V̇/A: una sección menor aumenta la velocidad. Reynolds también depende del diámetro hidráulico y de las propiedades del gas; no aumenta necesariamente al reducir la luz. Calcule la convección con la geometría real.
Compruebe transferencia y pérdida de carga a plena carga y carga parcial. Incluya diámetro, paso, longitud, exceso de aire y temperatura del gas.
Para el intercambio convectivo, Q = U · A · ΔTlm. Evalúe por separado la radiación del hogar y compruebe el flujo térmico local del serpentín.
03 · RESISTENCIA DE HUMOS
La aceleración que ayuda a la convección también consume presión de tiro.
Al estrechar el paso aumentan las pérdidas por contracción, cruce de tubos, cambios de dirección y flujo anular. Una imagen útil es Δp ≈ K · ρv²/2. Como la velocidad está al cuadrado, una reducción moderada de área puede producir un aumento mucho mayor de pérdida de carga.
Sume las pérdidas del trayecto atendido por cada ventilador. Peje ≈ Δp · V̇/ηvent; para potencia eléctrica, incluya también la eficiencia del motor y del accionamiento.
Una resistencia excesiva puede limitar la potencia del quemador, dificultar el control de presión, aumentar consumo y ruido y reducir el margen frente al ensuciamiento. La eficiencia real es el calor recuperado frente a esa penalización durante todo el rango de operación.
04 · VENTANA INFERIOR A 50 MM
Por qué suele funcionar con gas limpio y por qué hay que calcularla.
El gas natural produce pocas partículas cuando la combustión está bien ajustada, por lo que admite pasos anulares compactos en muchos calentadores. En JIELI THERMAL, una luz radial inferior a 50 mm es un punto de partida frecuente para configuraciones adecuadas de doble serpentín.
Verifique el quemador y ventilador a carga máxima, mínima y en arranque, con las condiciones del sitio y el ensuciamiento previsto.
La misma luz absoluta representa relaciones distintas. Para una comparación simplificada de tubos enfrentados con el mismo diámetro exterior, S/D = (D + g)/D; una luz de 50 mm equivale aproximadamente a S/D 2,32, 1,98, 1,83 y 1,66 para tubos de 38, 51, 60,3 y 76,1 mm. Esta relación orientativa no sustituye la geometría tridimensional real y la luz siempre debe indicarse junto con el diámetro y la disposición.
| Caso | Tratamiento | Verificación principal |
|---|---|---|
| Gas natural limpio | Menos de 50 mm puede ser un buen inicio. | Velocidad, deber térmico, tiro y margen del ventilador. |
| Gas con alta modulación | Revisar distribución a baja carga. | Estabilidad, presión del hogar y temperatura de chimenea. |
| Fuelóleo ligero | No copiar automáticamente el valor del gas. | Atomización, hollín y limpieza. |
| Combustible líquido variable | Puede requerir mayor margen de ensuciamiento. | Depósitos, reserva de presión y mantenimiento. |
| Biomasa o carbón | No aplicar una regla de gas a humos con ceniza. | Ceniza, escoria, erosión y soplado. |
05 · PROCESO DE DISEÑO
Optimizar por iteración, no por costumbre.
- Fijar la base térmica.Carga, temperaturas, combustible, exceso de aire, modulación, ambiente y altitud.
- Definir ambos serpentines.Diámetro de tubo, diámetros de bobina, paso, longitud, soportes y luz radial.
- Calcular área libre y propiedades.Usar densidad y viscosidad dependientes de la temperatura en cada zona.
- Calcular transferencia y pérdida juntas.Velocidad, Reynolds, convección, radiación, perfil térmico y pérdida acumulada.
- Acoplar quemador, ventilador y chimenea.Curvas a plena y parcial carga y reserva para uso normal.
- Comprobar el lado del aceite.Caudal, velocidad, pérdida, pared, película e interbloqueos.
- Validar una geometría fabricable.Tolerancias, ovalidad, concentricidad, dilatación, soldadura e inspección.
06 · PROTECCIÓN DEL ACEITE
La eficiencia del lado de gases no puede separarse de la temperatura de película.
El bajo caudal puede elevar la temperatura local de película aunque la salida sea aceptable. La degradación y los depósitos agravan el sobrecalentamiento.
Compruebe conjuntamente las temperaturas de gases, pared y aceite. La investigación sobre otras geometrías de tubos no demuestra que 50 mm sea un límite universal.
07 · FABRICACIÓN Y DILATACIÓN
Una luz calculada de 40 mm no sirve si la pieza terminada varía demasiado.
Ovalidad, recuperación elástica, contracción de soldadura, soportes y alineación acumulan tolerancias. La inspección debe registrar el mínimo, máximo y distribución circunferencial de la luz, no solo la cota nominal.
Los soportes mantienen la concentricidad y permiten la dilatación prevista. La luz mínima en caliente evita contacto y vibración; la máxima evita un canal de bypass. El acceso para inspección y mantenimiento forma parte de la geometría.
08 · VISIÓN DE SISTEMA
La separación es una variable de toda la planta térmica.
Coordine geometría, quemador, tiro, circulación y protección del fluido.
Documente las pérdidas en limpio y con ensuciamiento, los puntos del ventilador y las mediciones de puesta en marcha.
Datos necesarios para confirmar la separación
- Carga, temperaturas y tipo de fluido térmico;
- Combustible, modulación, exceso de aire y emisiones;
- Diámetro de tubo, diámetros de bobina, longitud y paso;
- Caudal de humos, perfil térmico y recuperación;
- Presión del hogar, curvas del ventilador y chimenea;
- Caudal de aceite, pérdida y límite de película;
- Tolerancias, dilatación y acceso de mantenimiento.
REFERENCIAS TÉCNICAS
Fuentes utilizadas.
- Jha, Elgandelwar & Lele — Transient Modeling of a Fired Helical Coil Thermal Oil Heater (2022)
- Chen et al. — Experimental Investigation of Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics (2014)
- U.S. Department of Energy — Fan System Cheat Sheet
- American Petroleum Institute — alcance de API 560
- Combustion Engineering Association — BG07
- FM — Data Sheet 7-99
Esta guía no sustituye los cálculos térmicos, hidráulicos, mecánicos, de combustión y normativos del proyecto.
PREGUNTAS FRECUENTES
FAQ sobre separación de serpentines
¿50 mm es una norma obligatoria?
No. Es una ventana práctica en algunos diseños de gas limpio, no una cifra universal de código. Debe calcularse para la capacidad, geometría, combustible, flujo y ventilador reales.
¿Una luz menor siempre aumenta la eficiencia?
No. Puede elevar velocidad y convección, pero también pérdida de carga y mala distribución. El óptimo es el mejor equilibrio térmico e hidráulico.
¿La luz radial es el paso de la hélice?
No. La luz radial está entre los dos serpentines concéntricos; el paso axial está entre vueltas de una misma hélice.
¿Puede usarse el mismo valor con biomasa o carbón?
No debe copiarse. Ceniza, escoria, erosión y limpieza pueden exigir otra separación y otras velocidades.
¿Cómo se confirma la dimensión final?
Con cálculos acoplados de transferencia y pérdida, curvas de ventilador, temperatura de película, dilatación en caliente, tolerancias y, cuando procede, CFD o datos validados.
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Compacto cuando mejora el rendimiento; abierto cuando lo exige la fiabilidad.
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