Gran parte de la energía consumida por el sector industrial es utilizada con fines térmicos, sobre todo en las industrias intensivas donde hasta el 74% de la energía consumida es utilizada para generar calor de proceso y de ese 74% podemos ver la clasificación por temperatura utilizada en la siguiente imagen.
El uso de calor en la industria se encuentra presente en prácticamente toda la cadena de fabricación, desde la extracción de materias primas hasta la transformación de materiales y procesos de acabado final para su distribución a los consumidores. A continuación, en la Figura 8.2, se muestran los procesos más representativos y rangos de temperatura empleados en la industria .
En el sector industrial, los equipos como intercambiadores de calor, calderas, hornos, condensadores, baterías, calentadores, refrigeradores y paneles solares están diseñados principalmente sobre la base del análisis de transferencia de calor.
Industria química
Entre las más importantes tenemos industria química básica, petroquímica, farmacéutica, en la industria de los fertilizantes, solventes, pesticidas y plásticos. La industria química necesita soluciones de calentamiento de gran eficiencia y fiabilidad, ya que la calidad de sus productos depende en gran medida del rendimiento de sus sistemas de calor.
El calentamiento de reactores es una de las aplicaciones principales. Los reactores no son exclusivos de la industria química, ya que también son utilizados en otros sectores como la alimentación, pero es aquí donde encontramos un amplio abanico de aplicaciones
En estas aplicaciones coincide en ocasiones la necesidad de calentamiento de otros consumidores como intercambiadores de calor, columnas de destilación, evaporadores, tanques, etc.
Química fina y farmacéutica
En el proceso de síntesis de una molécula, varias etapas requieren el uso de intercambiadores de calor para realizar operaciones unitarias de calentamiento, enfriamiento, condensación, evaporación o secado.
Otra aplicación muy importante actualmente se tiene en la conservación de vacunas las del donde existen diferentes sistemas de refrigeración que proporcionan bajas temperaturas para la conservación por ejemplo de vacunas contra el SARS-CoV-2. Los sistemas en cascada son uno de ellos.
Cabe destacar que la industria alimentaria utiliza sistemas en cascada para la conservación de congelados de grandes bodegas o centros de distribución, ofreciendo una eficiencia que puede ser mayor a la de un sistema de una sola etapa, por lo cual existe una gran demanda.
En el caso del área médica, se emplea con el propósito de conservar tejidos y plasma y para el cuidado de las vacunas y otros productos biológicos de gran sensibilidad, mientras que en procesos industriales se usa para la licuefacción de gases para separarlos y poderlos almacenar.
La industria farmacéutica utiliza un proceso llamado liofilización, el cual aplica temperaturas muy bajas en conjunto con bombas de vacío para congelar y luego sublimar agua y así deshidratar el producto.
Industria Alimentaria
Los principios de la transferencia de calor son ampliamente utilizados en la elaboración de alimentos. De esta forma, procesos como la cocción, horneado, secado, refrigeración, congelación, pasteurización y esterilización entre otros, son parte del procesado que se aplica en esta industria.
Por ejemplo, los aceites térmicos como fluido caloportador tienen amplias aplicaciones en diversas industrias de procesamiento de alimentos, entre las que se encuentran las freidoras industriales en continuo y los hornos industriales. Estas freidoras se utilizan indistintamente para papas, frutos secos, pastelería industrial, pescado, verduras, maíz y muchos otros productos como nuggets, croquetas, empanas, etc.
El calentamiento mediante calderas de aceite térmico se presenta como no de los más eficiente que existe actualmente, ya que garantiza un mayor aprovechamiento del calor generado, asegura que no se produzcan interrupciones en el proceso productivo y conlleva un consumo menor de energía.
También existen los métodos de calentamiento indirecto emplean fluidos intermedios, como son el vapor o el aceite térmico para llevar a cabo la transferencia de calor a las máquinas freidoras. En el caso del vapor, se utiliza el calor latente para calentar el proceso, lo que conlleva una menor eficiencia en el proceso de transferencia de calor en comparación con el aceite térmico. Este sistema de calentamiento mediante fluido térmico es simple, pero presenta muchas ventajas respecto al vapor, como sucede con las máquinas freidoras, entre las que destacan una mayor seguridad ya que se trabaja a una presión más baja, una menor corrosión, una mayor flexibilidad operativa, mejor control de la calidad del producto final, etc. Debido a estas razones, se prefiere el aceite térmico al vapor.
La consistencia y uniformidad proporcionada por el aceite térmico en el proceso de calentamiento ofrece numerosos beneficios en la calidad final de los productos. Esto se debe a que un sistema de calentamiento indirecto permite ajustar con mayor precisión y con mayor control la temperatura del horno o freidora, eliminando las fluctuaciones de temperatura propias de otros sistemas, lo cual se traduce en una calidad más elevada del producto terminado.
Refrigeración de productos a alimenticios
La carne, las aves, los productos lácteos y las verduras requieren de refrigeración industrial para lo cual existe una amplia gama de equipos como:
- Chillers
- Evaporadores
- Condensadores
- Intercambiadores de calor
- Racks de compresores
- Serpentines
- Compresores
- Cámaras frigoríficas
Todos estos equipos utilizan los principios de la transferencia de calor y su función varía de acuerdo con el efecto que se desea obtener, por ejemplo.
La función de los evaporadores dentro del sistema de refrigeración es ganar calor a baja temperatura, generando efecto de refrigeración mediante la evaporación del refrigerante a baja presión y temperatura.
Los condensadores por otra parte, disipa calor a alta temperatura, el calor ganado en el evaporador más la energía introducida en el ciclo durante la compresión. Se produce la condensación del refrigerante a presión y temperatura elevadas.
Industria textil
En la industria textil, se requiere el aporte de calor a distintos tipos de maquinaría utilizadas, entre las que destacan:
- Túneles de estampación
- Calandras
- Rodillos
En la industria textil y tintorería se utiliza el fijado, secado y acabado de los tejidos, para ensancharlos y corregir las distorsiones de la trama. Las máquinas RAME como se conocen asocian al efecto térmico, una acción mecánica de estirado transversal del tejido o de termofijado del mismo, siendo pues necesario un aporte calorífico al equipo.
Hace unas décadas, este aporte calorífico era indirecto por medio de vapor posteriormente irrumpió con fuerza la opción de realizar este aporte indirecto por medio de fluido térmico y posteriormente surgió la opción del calentamiento directo por medio de gases de combustión aportados por quemadores de gas – Direct gas heating -.
Aunque en los últimos años ha surgido también la opción de un calentamiento mixto directo/indirecto con quemadores de gas y fluido térmico, este sistema se aplica exclusivamente para situaciones en donde el suministro de gas no está asegurado.
Su esquema de funcionamiento es el mostrado en la siguiente figura
Un quemador (1) combustiona en una cámara (3) ubicada en el interior de la máquina, y los gases de combustión son aspirados por un ventilador (2) a través de un filtro, distribuyéndolos por unos conductos con orificios de distribución (5) que permitan la mayor uniformidad de temperatura posible sobre el tejido que es conducido entre dichos conductos por unas cadenas de arrastre (6). Parte de dichos gases son recirculados (7), mientras que la mayor parte son evacuados por la salida de humos (4).
Existen diferentes “by pass” que permiten recirculaciones a diferentes niveles según las necesidades de producción de la máquina.
Es difícil evaluar de una manera global las diferencias de rendimiento, en términos promedio los rendimientos se sitúan en valores del orden del 85-86%-.
Valores del 80 al 100% de exceso de aire, nos llevarían a rendimientos del 80-83%. Considerar pues unas diferencias de rendimiento del 5-8%, favorables al calentamiento indirecto, es bastante acertado.
También se puede realizar el Calentamiento de forma indirecta por fluido térmico, su esquema de funcionamiento es el mostrado en la Figura siguiente:
En un intercambiador (2), el fluido térmico proveniente de la caldera (6a), cede el calor al aire que es aspirado por un ventilador (1) a través de un filtro, y al igual que en el diseño de calentamiento directo, se distribuyen por unos conductos con orificios de distribución (5) para permitir la mayor uniformidad de temperatura posible sobre el tejido que es conducido entre dichos conductos por unas cadenas de arrastre (4). Parte de dichos gases son recirculados (7), mientras que la mayor parte son evacuados por la salida de humos (3). El fluido térmico una vez cedido el calor al aire, retorna (6b) por la red general a la caldera.
Existen diferentes “by pass” que permiten recirculaciones a diferentes niveles según las necesidades de producción de la máquina.