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.
Para un caudal volumétrico fijo, reducir el área libre aumenta la velocidad: vg = V̇g / Alibre. La mayor velocidad suele elevar Reynolds y la turbulencia alrededor de los tubos, mejorando el coeficiente convectivo. Un paso compacto y uniforme también limita zonas de bypass que llevan calor a la chimenea.
El objetivo no es la menor separación posible, sino un coeficiente global equilibrado y una temperatura de salida controlada a plena carga y carga parcial. Diámetro, longitud, paso de hélice, propiedades del gas, exceso de aire y temperaturas cambian el resultado.
De forma conceptual: Q = U · A · ΔTlm. La separación influye principalmente en el lado de gases; no sustituye superficie suficiente ni circulación correcta del aceite.
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.
Debe sumarse todo el sistema: aire de combustión, hogar, serpentines, precalentador, conductos y chimenea. El punto de trabajo depende de la curva del sistema y la curva del ventilador; conceptualmente, Pvent ≈ Δptotal · V̇ / ηvent.
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.
Solo se acepta cuando velocidad, Reynolds, transferencia y pérdida de carga concuerdan con quemador y ventilador. Deben revisarse máxima carga, modulación mínima, arranque en frío, exceso de aire, altitud y recuperación aguas abajo. Un paso de 45 mm puede funcionar en un equipo y ser inaceptable en otro.
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.
Si la circulación es insuficiente, la pared y la película local pueden calentarse aunque la salida aparente normal. Una película excesiva acelera la degradación y genera depósitos aislantes, elevando aún más la temperatura del tubo.
Los modelos publicados de calentadores helicoidales acoplan temperatura de humos, aceite y pared en los serpentines interior y exterior. Por tanto, cualquier aumento de flujo térmico debido a la separación debe comprobarse frente a velocidad del aceite, límites del fluido y lógica de protección.
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.
Calentador, quemador, aire, tiro, chimenea, recuperación, bombas, expansión, instrumentos y controles determinan juntos el resultado. Un serpentín compacto no compensa un quemador mal acoplado, poco caudal de aceite o un ventilador insuficiente.
El diseño final debe documentar la base de cálculo, pérdida limpia y en servicio, puntos del ventilador, mediciones de puesta en marcha y límites de mantenimiento.
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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