El aceite térmico para transferencia de calor es el aceite que circula por un circuito de tuberías y lleva calor desde un calentador hasta las máquinas, como la prensa, el tanque o el cilindro, muy por encima de 100 °C. Circula como el agua del motor del auto, pero lleva calor a la máquina en vez de sacarlo, y sigue líquido muy por encima del punto de ebullición del agua, sin presión alta. Aquí verá cómo funciona el circuito, por qué el aceite se desgasta y cómo revisar el suyo.
¿Para qué sirve el aceite térmico?
El aceite térmico sirve para calentar procesos industriales por encima de 100 °C sin la presión alta que exigiría el agua. Para entender por qué eso importa, piense en la cocina.
En una olla común, el agua deja de calentarse a los 100 °C, porque hierve y se vuelve vapor. Para pasar de ahí, la olla a presión atrapa el vapor, y la presión interna sube. En la fábrica es igual: calentar un proceso a 200 °C con agua exigiría toda una tubería hecha para soportar presión alta, con recipiente, válvulas y tubos preparados para eso.
Mucha gente imagina que el aceite lleva más calor que el agua. El agua incluso lleva más calor en cada litro; su problema es la presión. El aceite térmico llega a esas temperaturas todavía líquido, sin olla a presión: la presión en el circuito se mantiene baja, casi solo la que hace la bomba para que el aceite circule.
En muchos usos el aceite entrega el calor por un intercambiador de calor, el equipo en que el aceite caliente pasa de un lado de una pared de metal y el producto del otro, sin mezclarse. Dónde aparece el aceite térmico:
prensas de contrachapado, MDF y caucho, con platos calentados por dentro;
plantas de asfalto, para mantener el ligante (el propio asfalto, la brea negra) fluido en tanques y líneas;
cilindros y calandras (rodillos calentados que prensan y alisan la lámina) de papel, tela y plástico;
reactores y tanques de la industria química, de resinas y de pinturas;
freidoras continuas y hornos de alimentos, por intercambiador de calor, sin contacto con el alimento.
En la industria de alimentos, el proyecto puede exigir un fluido aprobado para contacto incidental con el alimento; en ese caso, confirme con el Equipo Técnico.
Para quien necesita el número: el agua se mantiene líquida a 200 °C bajo cerca de 15,5 bar absolutos, unas 15 veces la presión del aire a nivel del mar (tabla de vapor IAPWS-IF97).
¿Qué es el aceite térmico?
El aceite térmico es un aceite formulado para circular caliente y entregar calor durante años. Piense en el aceite de cocina que aguanta la fritura, ahora hecho para estar caliente todo el tiempo.
También se llama fluido térmico o fluido de transferencia de calor, y tiene dos partes. La primera es el aceite base, que forma casi todo el producto. La segunda son los aditivos, productos químicos en dosis pequeñas que dan o refuerzan una cualidad.
Buena parte de los aceites térmicos usa aceite base mineral, sacado del petróleo y muy refinado para durar con el calor (vea cómo se refina el aceite base).
También hay aceites térmicos sintéticos, armados por reacción química a partir de moléculas elegidas. El sintético es para cuando el proceso supera lo que el mineral aguanta. Si la temperatura máxima de su circuito, informada por el fabricante del calentador, está por encima del límite de uso indicado para el aceite mineral, el caso es del sintético (vea la diferencia entre aceite sintético, semisintético y mineral).
El aditivo principal es el antioxidante, que retarda la reacción del aceite con el oxígeno del aire. Del aceite térmico terminado, la fábrica espera cinco cosas:
seguir líquido y soltar poco vapor a la temperatura de trabajo;
llevar mucho calor en cada litro;
pasar ese calor rápido a la pared del tubo;
fluir fácil por la bomba;
aguantar miles de horas caliente sin degradarse.
Kelpen Oil formula la línea Thermmo de aceites térmicos, en versiones mineral y sintética.
Para quien necesita el número: la API 1509 separa los aceites base en cinco grupos. La extracción con solvente suele dar el Grupo I, y el refinado con hidrógeno, los Grupos II y III. El Grupo IV reúne las polialfaolefinas, sintéticas, y el Grupo V, todo lo demás, como los aceites nafténicos y los aromáticos sintéticos comunes en fluido térmico.
¿Cómo funciona un sistema de aceite térmico?
El sistema es un circuito cerrado de tuberías en que el mismo aceite se calienta, entrega calor y vuelve, miles de veces. Recuerda a la sangre, que sale del corazón, lleva calor a todo el cuerpo y vuelve siempre por el mismo camino. El recorrido del aceite:
La bomba empuja el aceite hacia el calentador (en la fábrica, llamado caldera de aceite térmico), un tubo enrollado en espiral (el serpentín) calentado por quemador o por resistencia eléctrica.
El aceite sale caliente y va a los consumidores: la prensa, el tanque, el cilindro.
Allí cede calor a través de la pared del equipo y vuelve más frío, por la línea de retorno.
El aceite vuelve a la bomba y el ciclo recomienza.
Fuera de ese camino, el circuito tiene un tanque de expansión, en el punto más alto, conectado al retorno (el lado más frío) antes de la bomba. ¿Para qué sirve? El aceite caliente ocupa más espacio que el frío (es la dilatación). Ese volumen de más va al tanque, que además mantiene la bomba siempre llena de aceite.
El tanque tiene también una conexión por arriba, hacia el aire o hacia un gas; lo que queda de ese lado cambia la vida del aceite, y lo verá más adelante.
Figura 1. El circuito de aceite térmico. La bomba empuja el aceite al calentador; el aceite caliente (rojo) cede calor al consumidor y vuelve más frío (azul). El tanque de expansión está en el punto más alto, conectado al retorno antes de la bomba.
El aceite pasa miles de veces por el calentador, y es allí donde más sufre.
¿Dónde sufre más el aceite térmico dentro del circuito?
El aceite térmico sufre más en la capa pegada a la pared de los tubos del calentador. Piense en una sartén al fuego: el aceite del fondo se calienta antes y más que el de arriba, y revolver reparte el calor. En el calentador pasa lo mismo, y la pared del tubo está más caliente que el aceite que pasa por el medio.
Esa capa fina de aceite pegada a la pared es la más caliente, y su temperatura se llama temperatura de película: la más alta que el aceite enfrenta en el circuito.
Lo que mantiene esa capa bajo control es el caudal, cuánto aceite pasa por segundo. Con buen caudal, el aceite corre agitado (el flujo turbulento). Aun así, queda pegada al metal una capa casi quieta. La agitación la mantiene fina, y esa capa intercambia calor rápido con el resto del aceite.
Figura 2. La capa de aceite pegada a la pared del tubo es la más caliente. Con buen caudal queda fina; con caudal bajo se engrosa y se calienta más.
Cuatro situaciones calientan esa capa más de la cuenta:
caudal bajo, por bomba gastada, filtro tapado o válvula mal abierta;
quemador desajustado, con la llama golpeando la pared del tubo;
depósito pegado por dentro del tubo, que calienta el metal y retiene aceite detenido junto a la pared (el origen de ese depósito viene enseguida);
parar la bomba con el calentador todavía caliente: el aceite queda detenido dentro del tubo caliente y se cocina allí. Por eso el quemador se apaga primero, y la bomba sigue girando hasta que el aceite se enfría a una temperatura segura.
Para quien quiere la norma: la clasificación ISO 6743-12, de los fluidos térmicos, indica el límite de uso por la temperatura de masa, la temperatura media del aceite que sale del calentador. En el calentador, la temperatura de película es siempre mayor que ese promedio, y es la que limita el fluido.
¿Por qué se degrada el aceite térmico?
El aceite térmico se degrada por tres causas: calor en exceso, oxígeno del aire y contaminación. Es lo que pasa con el aceite de fritura reutilizado demasiado, que se oscurece y empieza a humear antes.
Calor en exceso. El calor parte las moléculas: es el craqueo térmico. Los pedazos pequeños se evaporan fácil, y el aceite se afina y empieza a soltar vapor inflamable a una temperatura más baja. Ese límite se llama punto de inflamación: la menor temperatura a la que el vapor del aceite se enciende por un instante al acercar una llama.
Otros pedazos se unen en moléculas grandes, lo que espesa el aceite. Cuando esas moléculas superan lo que el aceite logra mantener disuelto, se pegan a la pared caliente y se vuelven coque, una costra dura de carbono.
Oxígeno del aire. El aceite caliente reacciona con el oxígeno, y esa reacción se llama oxidación. Es la misma que enrancia la mantequilla fuera de la nevera, acelerada por el calor, y lleva a ácidos, a aceite más espeso y a lodo, un residuo pastoso que se pega en tubos y válvulas.
Las piezas de cobre, latón o bronce en contacto con el aceite caliente aceleran esa reacción, por eso el circuito evita esas aleaciones.
Contaminación. Agua o producto del proceso (como el asfalto) entran por un intercambiador con fuga, y el agua entra también por el tanque de expansión. Otra contaminación es un aceite distinto puesto por error en la reposición. El agua se vuelve vapor de repente dentro del aceite caliente y da golpes en la bomba y en la tubería.
Por eso el primer arranque, y todo arranque después de un mantenimiento, calienta el sistema por etapas, para que el agua salga por el tanque de expansión.
El coque además cierra un ciclo malo. Aísla la pared: el metal del tubo se calienta más, lo que puede deformar o perforar el tubo, y el aceite que queda atrapado y detenido en el depósito se degrada todavía más, lo que forma más coque.
Figura 3. El calor parte la molécula del aceite. Los pedazos ligeros se evaporan y bajan el punto de inflamación; los pesados espesan el aceite y se vuelven coque en la pared, que calienta el metal del tubo y forma más coque.
Cómo se nota en su fábrica:
la prensa o el tanque tarda más en llegar a la temperatura;
el quemador queda más tiempo encendido;
la bomba hace más ruido o consume más corriente;
la muestra sale oscura y con olor a quemado;
sale más vapor que antes por la conexión superior del tanque de expansión.
Sistema abierto o cerrado: ¿qué cambia en la elección?
La diferencia está en lo que ocupa el espacio de arriba del tanque de expansión: aire, en el sistema abierto, o gas, en el cerrado. Con aire, el aceite se oxida más y su vapor encuentra oxígeno, así que la elección del aceite debe mirar también el punto de inflamación.
En el sistema abierto, el tanque de expansión tiene un respiradero, una abertura al aire, y el aceite toca el aire allí. En el sistema cerrado, el tanque está sellado, y el espacio vacío recibe un gas inerte, que no reacciona con el aceite. Casi siempre es nitrógeno (N₂), el mismo gas que forma la mayor parte del aire que respiramos. Lo que daña al aceite caliente es el oxígeno (O₂) del aire, que reacciona con él; el nitrógeno no reacciona.
Figura 4. En el sistema abierto, el respiradero deja que el aire toque el aceite en el tanque de expansión. En el sistema cerrado, el tanque está sellado y el nitrógeno ocupa el espacio de arriba, por una conexión de gas. Cada tanque se conecta al retorno del circuito de la Figura 1.
Las dos consecuencias:
Oxidación: en el sistema cerrado, sin oxígeno, la reacción que forma ácidos y lodo casi no ocurre, y la carga dura más.
Seguridad: en el tanque abierto, el vapor del aceite encuentra el aire. Para que ese vapor nunca llegue a encenderse, el punto de inflamación del aceite debe quedar con holgura por encima de la temperatura del aceite en el tanque.
Por eso el tanque queda conectado al retorno, el lado más frío, y el aceite dentro casi no circula: frío, se oxida menos y suelta menos vapor. En la práctica, la holgura se verifica en el proyecto y de nuevo en cada análisis, porque el punto de inflamación baja cuando el aceite se craquea.
Una regla de seguridad vale para todo circuito. En el calentador y en las líneas, el aceite puede trabajar por encima de su propio punto de inflamación. Dentro del tubo, sin aire, no se enciende.
El peligro es la fuga en caliente, sobre todo la que empapa el aislamiento térmico, la manta que envuelve los tubos: allí el aceite reacciona despacio con el aire, se calienta y puede encenderse solo, sin llama. Una fuga se repara de inmediato.
Para quien necesita el número: en la especificación del aceite nuevo, el punto de inflamación suele medirse en vaso abierto Cleveland, en que el aceite se calienta en un vaso abierto y una llama pasa por encima (ASTM D92 y NBR 11341, la norma brasileña para productos con punto de inflamación de 79 °C a 400 °C). La holgura sobre el tanque se verifica siempre por el mismo método de ensayo. El vaso abierto sirve para seguir el aceite en uso porque lo que importa es la tendencia: el resultado se compara con el del aceite nuevo, medido por el mismo método.
¿Cuál es la viscosidad del aceite térmico?
La viscosidad del aceite térmico es la que indica el fabricante del calentador, y suele ser baja. Viscosidad es la resistencia del aceite a fluir: la miel tiene viscosidad alta, el agua tiene baja.
La industria expresa la viscosidad por el grado ISO VG, el número que viene en el nombre del aceite (por ejemplo, 46 o 68), medido a 40 °C (entienda qué significa ISO VG).
A la temperatura de trabajo, muy por encima de esos 40 °C, todo aceite térmico queda muy fino. La diferencia entre los grados aparece más en el calentamiento: el aceite todavía frío está espeso, la bomba mueve menos aceite, y el quemador ya está encendido. El proyecto del calentador cuenta con el grado indicado para que el caudal dé abasto. Un grado más espeso, puesto por cuenta propia, reduce el caudal y calienta la capa de la pared del tubo.
La línea Thermmo se ofrece en distintos grados ISO VG; el Equipo Técnico de Kelpen Oil confirma el de su proyecto.
Para quien quiere la norma: según la ISO 3448, el grado ISO VG es la viscosidad cinemática a 40 °C en cSt (centistokes), con una tolerancia de 10% para cada lado del punto medio. Por ejemplo, el ISO VG 32 va de 28,8 a 35,2 cSt.
¿Cómo saber si el aceite térmico todavía está bueno?
Usted sabe si el aceite térmico todavía está bueno por el análisis de una muestra, comparada con el aceite nuevo. Funciona como el examen de sangre de rutina, que encuentra el problema antes del síntoma.
La muestra se toma con el aceite circulando, siempre del mismo lugar, por un punto de muestreo con enfriador, para que el aceite salga frío. El aceite caliente quema la piel y, en contacto con el aire, puede encenderse. También pierde los compuestos ligeros en el frasco, y el análisis pasa a mostrar un aceite mejor que el que está en el circuito.
La referencia es el aceite nuevo: cada lectura se compara con él, y lo que cuenta es la dirección del cambio entre una toma y otra, la tendencia (vea los tipos de análisis de aceite). Anote cada reposición de aceite nuevo, porque diluye el aceite usado y cambia la lectura.
Una de las lecturas es la acidez. La oxidación forma ácidos, y el laboratorio mide cuánto ácido hay en el aceite, el número de acidez (TAN, sigla en inglés). Junto con la viscosidad, el punto de inflamación y el agua, forma cuatro lecturas que se cruzan así:
viscosidad y acidez subiendo juntas: oxidación;
viscosidad subiendo con la acidez estable: moléculas grandes del craqueo, camino al coque, o mezcla con un producto más pesado;
punto de inflamación y viscosidad bajando: compuestos ligeros del craqueo, o mezcla con un producto más ligero;
agua presente: entrada por el tanque de expansión o por un intercambiador con fuga, con riesgo de golpes de vapor.
Figura 5. La lectura cruzada del análisis, siempre comparada con el aceite nuevo: cada combinación de resultados apunta a una causa.
La carga se cambia por su condición: cuando las lecturas salen del rango acordado con el proveedor del aceite y con el fabricante del calentador, o cuando la tendencia se acelera. El calendario, solo, no muestra eso.
Para quien quiere la norma: la DIN 51529 trata del ensayo y la evaluación del fluido térmico usado. Los laboratorios que siguen esa norma miden el punto de inflamación en vaso cerrado (ASTM D93, Pensky-Martens): el vaso tapado atrapa el vapor, y por eso el ensayo detecta mejor los ligeros del craqueo y da un valor menor que el del vaso abierto. Compare siempre resultados del mismo método.
Esos laboratorios miden también:
- los insolubles (la suciedad sólida que no se disuelve en el aceite);
- el residuo de carbono, que junto con los insolubles muestra el coque formándose;
- el rango de ebullición (las temperaturas en que el aceite empieza y termina de hervir), que separa ligeros y pesados;
- el TAN, que en Brasil se mide por la NBR 14448, basada en la ASTM D664.
¿Cómo verifica Kelpen Oil el aceite térmico en uso?
Kelpen Oil analiza el aceite térmico en uso en su laboratorio propio en Arujá (SP), el mismo que aprueba cada lote que formula. Son 25 análisis por normas ASTM, NBR e ISO, en la lógica del laboratorio de análisis de lubricantes. El análisis de aceite en uso es un servicio pagado.
Junto con la muestra, conviene enviar el nombre del producto y, si hay, una muestra del aceite nuevo de la misma carga, que sirve de referencia. En el aceite térmico, cinco ensayos cuentan la historia de la carga:
| Qué medimos | Qué revela en el aceite térmico en uso | Norma y equipo |
|---|---|---|
| Viscosidad a 40 °C y a 100 °C (cSt) | Si el aceite se afinó o se espesó respecto al nuevo | ASTM D7042, viscosímetro SVM 4001 |
| Punto de inflamación en vaso abierto Cleveland (°C) | Caída del punto de inflamación respecto al aceite nuevo medido por el mismo método, señal de compuestos ligeros del craqueo | NBR 11341, Tanaka |
| Número de acidez, TAN | Ácidos formados por la oxidación | NBR 14448, Titrino Plus |
| Agua | Entrada de humedad y riesgo de golpes de vapor | Karl Fischer culombimétrico, una reacción química que solo ocurre con el agua y detecta contenidos muy pequeños |
| Espectro de infrarrojo | La huella digital química del aceite; comparada con la del aceite nuevo, muestra productos de oxidación y mezcla con otro aceite | ASTM E2412, Spectrum Two |
¿Qué aceite térmico usar en cada sistema?
Primero viene la temperatura máxima del proceso, que dice si el aceite mineral alcanza; después, el tipo de circuito. El grado ISO VG es siempre el que indica el fabricante del calentador, sin cambiarlo por cuenta propia.
| Si en su fábrica… | Qué pedir | Por qué |
|---|---|---|
| El proceso supera lo que el aceite mineral aguanta | Hable con el Equipo Técnico | Ese caso pide un análisis del proyecto |
| El tanque de expansión está sellado con nitrógeno (sistema cerrado) | Aceite térmico mineral en el grado del proyecto, dentro de la temperatura que el mineral aguanta | Sin aire, la oxidación es mínima |
| El tanque queda abierto al aire | Aceite térmico mineral, con holgura de punto de inflamación sobre la temperatura del aceite en el tanque | El aire acelera la oxidación, y el vapor del aceite encuentra el aire |
| Es uno de estos casos: arranque en ambiente frío, calentador de fase vapor (el fluido hierve en el calentador y se condensa en el consumidor) o fluido para contacto incidental con alimentos | Hable con el Equipo Técnico | Cada uno pide un análisis del proyecto |
| La carga se oscureció, la bomba se esfuerza o el calentador pierde rendimiento | Análisis del aceite antes de cambiar | Muestra si el aceite se craqueó, se oxidó o fue contaminado |
La línea Thermmo, de Kelpen Oil, tiene versiones mineral y sintética; el Equipo Técnico indica la versión y el grado para su circuito.
Preguntas frecuentes
¿Se puede usar aceite hidráulico como aceite térmico? No se recomienda. El aceite hidráulico antidesgaste lleva aditivos hechos para proteger bomba y válvula a temperatura moderada; en la pared caliente del calentador, por encima de la temperatura prevista para ellos, se descomponen y forman depósito. El aceite térmico está formulado para estar caliente todo el tiempo.
¿Cuándo cambiar el aceite térmico? Por el análisis: cuando viscosidad, punto de inflamación o acidez salen del rango acordado con el proveedor del aceite y el fabricante del calentador, o cuando la tendencia entre dos tomas muestra el desgaste acelerándose. En el cambio, drene con el sistema tibio: el aceite todavía fluye bien y no quema a nadie. Después, verifique si hay coque o lodo para limpiar antes de la carga nueva.
¿Se puede completar el nivel con aceite nuevo? Sí, con el mismo producto de la carga, anotando cada volumen repuesto. Un consumo alto indica fuga o salida de compuestos ligeros por la conexión superior del tanque de expansión; completar sin anotar esconde esa señal, y el aceite nuevo diluye el usado, lo que cambia la lectura del próximo análisis.
¿El aceite térmico sirve para una planta de asfalto? Sí. La planta usa aceite térmico para mantener el asfalto fluido en tanques y líneas. Vale el mismo cuidado de todo circuito: conocer el tipo de tanque de expansión, respetar el grado del proyecto y seguir la carga por análisis.
Glosario
Temperatura de película: temperatura de la capa de aceite pegada a la pared del tubo del calentador, la más alta del circuito.
Craqueo térmico: ruptura de las moléculas del aceite por calor en exceso.
Punto de inflamación: menor temperatura a la que el vapor del aceite se enciende por un instante al acercar una llama.
Coque: costra dura de carbono que se pega a la pared caliente del tubo.
Lodo: residuo pastoso de la oxidación del aceite, que se pega en tubos y válvulas.
TAN (número de acidez): medida de cuánto ácido hay en el aceite, que sube con la oxidación.
Hable con el Equipo Técnico
El Equipo Técnico de Kelpen Oil evalúa el tipo de sistema, la temperatura máxima del proceso, el grado pedido por el fabricante del calentador y el historial de la carga, e indica la versión y el grado de la línea Thermmo. Si el aceite ya está en uso, el laboratorio de Arujá (SP) hace el análisis del aceite en uso, como servicio pagado.
Antes de comprar la próxima carga, anote tres cosas de su circuito: si el tanque de expansión tiene respiradero al aire o recibe nitrógeno, el grado ISO VG que pide el manual del calentador y la temperatura del aceite a la salida del calentador. Con ellas, la elección sale bien. Envíe este artículo a quien se encarga del calentador en su empresa.
