Guía de Cálculo y Diseño de Serpentines de Calentamiento en Tanques de Almacenamiento

1. Introduccion

Los serpentines de calentamiento son sistemas utilizados en tanques de almacenamiento para mantener la temperatura de productos viscosos como fuelóleos, asfaltos, grasas o ceras, permitiendo su bombeo o procesamiento. Un diseño adecuado es esencial para conservar las propiedades físicas del producto, evitar solidificación y asegurar la eficiencia operativa.

En esta guía se presentan los fundamentos para el cálculo de la carga térmica (heat duty), el dimensionamiento de la tubería y los errores más comunes que deben evitarse durante el diseño térmico y mecánico.

2. Objetivo del sistema de serpentines

• Evitar la solidificación o aumento excesivo de viscosidad del producto almacenado.

• Mantener condiciones operativas óptimas para bombeo o mezcla.

• Compensar las pérdidas térmicas del tanque al ambiente.

3. Variables clave de diseño

• 🔥 Temperatura de operación requerida del producto.

• 🌡️ Temperatura ambiente mínima de diseño (normalmente, la temperatura externa más baja del año).

• 🛢️ Volumen y geometría del tanque (diámetro, altura del líquido, geometría del fondo).

• 💧 Tipo de fluido de calentamiento: vapor, agua caliente, aceite térmico.

• 🔁 Configuración de los serpentines: en fondo, laterales, o ambos. Temperatura de operación requerida del producto.

4. Cálculo de la Carga Térmica (Heat Duty)

El heat duty o carga térmica es la cantidad de energía que debe transferirse al producto para alcanzar o mantener su temperatura de operación. Se puede expresar de dos formas, según el caso:

• Para mantener la temperatura constante y compensar pérdidas térmicas:

Q = U ⋅ A ⋅ ΔTml ​

• Para elevar la temperatura del producto:

Q = m ⋅ Cp ⋅ ΔT/t

Donde:

• Q: carga térmica [W]

• U: coeficiente global de transferencia de calor [W/m²·°C]

• A: área de intercambio [m²]

• ΔT_ml: diferencia de temperatura media logarítmica [°C]

• m: Masa de producto a calentar [kg]

• Cp: calor específico del fluido [J/kg· °C]

• ΔT: Diferencia de temperatura entre entrada y salida del fluido o producto [°C]

• t: Tiempo requerido para calentar el producto [s]

💡 Nota: El coeficiente U depende del tipo de fluido, caudal, régimen de flujo (laminar o turbulento), material del serpentín y del ensuciamiento interno/externo.

Para una explicación detallada del cálculo del heat duty, puedes consultar esta guía complementaria: 🔗 Cálculo del Heat Duty en Tanques

5. ¿Cómo se calcula la diferencia de temperatura media logarítmica?

ΔTml = [(Th,i−Tc,o)−(Th,o−Tc,i)]/ln⁡[(Th,i−Tc,o)/(Th,o−Tc,i)]

​

Donde:

• T_{h,i}: temperatura de entrada del fluido caliente

• T_{h,o}: temperatura de salida del fluido caliente

• T_{c,i}: temperatura de entrada del producto

• T_{c,o}: temperatura de salida del producto

🔁 En el caso del vapor (proceso isotérmico):

• ΔT = Tvapor−Tproducto

  ​

6. Datos requeridos para el diseño

6.1 Producto almacenado (lado externo del serpentín):

• Gravedad especifica

• Viscosidad absoluta

• Conductividad térmica

• Calor específico

• Coeficiente de expansión volumétrica

• Resistencia al ensuciamiento

6.2 Fluido de calentamiento (lado interno del serpentín):

• Presión y temperatura disponible

• Temperatura de saturación (si es vapor)

• Entalpía de vaporización o de condensación

• Volumen específico o gravedad especifica

• Calor específico

• Conductividad térmica

• Viscosidad absoluta

• Resistencia al ensuciamiento

7. Tipos de Fluido de Calentamiento y Criterios de Selección

7.1 Vapor de Agua (saturado)

El vapor es ampliamente utilizado por su alta capacidad de transferencia de calor debido a su calor latente de condensación. Normalmente se dispone del vapor a temperaturas de entre 120 y 180°C. Se considera un proceso isotérmico porque el vapor cede energía al condensarse a temperatura constante. Al ingresar al serpentín como vapor saturado, se asume que al salir ya se ha condensado completamente, convirtiéndose en líquido saturado, sin pérdidas de energía por sobrecalentamiento ni subenfriamiento.

El calor transferido en este caso es:

Q = ṁvapor ​⋅ λ

Dónde:

• ṁ: Flujo másico del fluido [kg/s]

• λ: es el calor latente de condensación del vapor [J/kg].

Criterios de uso:

• Ideal cuando se dispone de una red de vapor.

• Alta eficiencia para productos muy viscosos.

• La presión del vapor determina la temperatura de calentamiento.

• Requiere control del condensado y trampas de vapor.

• Material del serpentín debe resistir la presión de operación (frecuentemente 3–10 bar).

7.2 Aceite Térmico

Se utiliza aceite térmico cuando se necesitan temperaturas mayores a 180–200 °C o no se dispone de vapor. A diferencia del vapor, el aceite no cambia de fase y transfiere calor por su calor sensible:

Q = ṁ ⋅ Cp ​⋅ (Tentrada​−Tsalida​)

Dónde:

• ṁ: Flujo másico del fluido [kg/s]

• Cp: calor específico del fluido [J/kg· °K]

• Tentrada, Tsalida: Temperaturas del aceite térmico [°C o °K]

Criterios de uso:

• Recomendado para productos que requieren altas temperaturas constantes y controladas.

• Funciona en sistemas cerrados y presurizados.

• Mayor seguridad en zonas sin infraestructura de vapor.

• Riesgo de incendio: requiere sistemas de detección y válvulas de alivio.

• Puede degradarse térmicamente si excede su temperatura límite.

• Mayor volumen de fluido circulante y bombas resistentes a alta temperatura.

7.3 Agua Caliente

El agua caliente se emplea cuando la diferencia de temperatura requerida es moderada (menos de 50 °C) y el producto no requiere temperaturas elevadas. El calor se transfiere por calor sensible, igual que con el aceite térmico.

Criterios de uso:

• Económico y seguro.

• Límite de temperatura: máximo ~95 °C para sistemas abiertos, hasta ~130 °C si es presurizado.

• Baja capacidad de transferencia comparada con vapor.

• Requiere mayores áreas de serpentín para lograr el mismo efecto.

• Recomendado para aceites livianos o productos con bajo punto de solidificación.

8. Selección preliminar del diámetro de la tubería

Antes de aplicar las ecuaciones de transferencia de calor, es necesario seleccionar un diámetro inicial de tubería que garantice un flujo adecuado (generalmente turbulento) y permita calcular correctamente el número de Reynolds.

Se utiliza la siguiente fórmula para estimar un diámetro preliminar en función del flujo másico y la velocidad deseada:

Di = [4 ⋅ ṁ/(π ⋅ ρ ⋅ v)]1/2

Donde:

• Di: Diámetro interno de la tubería [m]

• ṁ: flujo másico del fluido [kg/s]

• ρ: densidad del fluido [kg/m³]

• v: velocidad del fluido recomendada [m/s]

• Valores típicos de velocidad:

• Agua caliente: 1.0 a 2.5 m/s

• Aceite térmico: 0.5 a 1.5 m/s

• Vapor: 15 a 35 m/s

Este valor de Di se utiliza luego en las ecuaciones para determinar el régimen de flujo, el número de Reynolds y, posteriormente, el coeficiente de transferencia de calor.

9. Cálculo de Coeficientes Térmicos y Números Adimensionales

9.1 Reynolds (Re):

Re = ρ ⋅ v ⋅ D/μ​

Donde:

• ρ: densidad [kg/m³]

• v: velocidad [m/s]

• D: diámetro [m]

• μ: viscosidad [Pa·s]

9.2 Número de Grashof (Gr)

Utilizado en casos donde la convección natural o mixta es relevante, especialmente en el lado externo del serpentín cuando el fluido calentado está en reposo (como en el líquido del tanque).

Gr=g⋅β⋅(Ts−Tfluido)⋅D3/ν​

Donde:

• g: aceleración gravitacional [m/s²]

• β: coeficiente de expansión volumétrica [1/K]

• Ts: temperatura de la superficie del tubo [K]

• Tfluido: temperatura del fluido del tanque [K]

• D: diámetro externo del tubo [m]

• ν: viscosidad cinemática [m²/s]

9.3 Número de Prandalt (Pr)

Pr = Cp ⋅ μ/k​

Donde:

• Cp: calor específico del fluido [J/kg·°K]

• μ: viscosidad dinámica [Pa·s]

• k: conductividad térmica del fluido [W/m·°K]

Este número compara qué tan rápido se transmite el movimiento (viscosidad) frente al calor (conductividad térmica) en un fluido. Es fundamental para calcular la transferencia de calor por convección.

9.4 Número de Nusselt (Nu)

Para convección forzada:

En serpentines la convección forzada normalmente ocurre en lado interno de los tubos, para el caso el número de Nusselt depende de los números de Reynolds y Prandalt y se calcula según la siguente ecuación:

Nu = 0.023 ⋅ Re0.8 ⋅ Prn (n=0.4 al calentar, n=0.3 al enfriar)

Para convección natural:

En serpentines la convección natural normalmente ocurre en lado externo de los tubos, para el caso de convección natural el número de Grashof se combina con Prandalt para calcular el número de Nusselt en convección natural:

Nu = C ⋅ (Gr⋅Pr)n

Para tubos horizontales (cilindros):

• Si 104<Gr⋅Pr<109;

  o n = 1/4

  o C = 0.47 para tubos pequeños (dia ≤ 1”)

  o C= 0.53 para tubos grandes (dia > 1”)

• · Si 109<Gr⋅Pr<1012: C = 0.13, n = 1/3

9.5 Coeficiente de película.

Coeficiente Interno:

hi = Nu ⋅ ki /Di.

Coeficiente externo:

hi = Nu ⋅ ko /Do.

Donde:

• Nu: Numero de Nusselt

• Di: Diámetro interno de la tuberías [m]

• Do: Diámetro externo de la tuberías [m]

• ki: Conductividad térmica del fluido dentro de los tubos [W/m·°C]

• ko: Conductividad térmica del fluido fuera de los tubos [W/m·°C]

10. Coeficiente global de transferencia de calor (U)

1/U = 1/hi + Rf,in + Rf,out + Rw + 1/ho​

• h_i: Coeficiente interno [W/m2·°C]

• h_o: Coeficiente externo [W/m2·°C]

• R_{f,in}, R_{f,out}: resistencias al ensuciamiento interna y externa [m²·°C/W]

• Rw = Resistencia de la pared de la tubería [m²·°C/W]

11. Resistencia al ensuciamiento (Fouling Resistance)

Valores típicos de referencia:

• Vapor limpio: 0.0001–0.0002 m²·°C/W

• Aceite térmico: 0.0004–0.0008 m²·°C/W

• Agua limpia: 0.0002–0.0004 m²·°C/W

• Fuelóleos pesados: 0.001–0.002 m²·°C/W

• Productos sucios: hasta 0.003 m²·°C/W

⚠️ Estos valores deben ajustarse según experiencia, normas (como TEMA) y condiciones reales.

12. Resistencia de la pared del tubo (Rw)

La resistencia térmica de la pared del tubo, Rw, puede calcularse usando la fórmula basada en conducción cilíndrica:

Rw = ln(Do/Di) · Do / (2 · khc)

Donde:

• Do: Diámetro externo del tubo [m]

• Di: Diámetro interno del tubo [m]

• khc: Conductividad térmica del material del tubo [W/m·°C]

• L: Longitud del tubo considerada [m]

13. Cálculo de la longitud del serpentín

A = Q / (U ⋅ ΔTml), para aceite térmico y/o agua caliente

A = Q / (U ⋅ ΔT), para vapor de agua

L = A / (π ⋅ Do)​

​Donde:

• Q: carga térmica [W]

• U: Coeficiente global de transferencia de calor [W/m2·°C].

• ΔTml: Diferencia media logarítmica de temperatura [°C].

• ΔT = Tvapor - Tproducto

• Do: Diámetro externo del tubo [m]

14. Materiales recomendados para serpentines

• Acero al carbono: económico, usado comúnmente con vapor y agua caliente.

• Acero inoxidable (304/316): resistente a la corrosión, ideal para aceite térmico.

• Aleaciones especiales (Incoloy, Hastelloy): para condiciones extremas.

• Pipingclass y especificaciones del cliente: Verificar las materiales recomendados en las especificaciones del cliente

Consideraciones:

• Compatibilidad con el producto y fluido

• Temperatura y presión de operación

• Mantenimiento y durabilidad esperada

15. Errores comunes de diseño

❌ Dividir serpentines en paralelo sin rediseño:

Si se duplican ramas sin reducir el diámetro ni recalcular Re, Pr, Nu, el flujo puede volverse laminar, disminuyendo la eficiencia térmica.

✅ Solución:

Ajustar el diámetro y recalcular todos los parámetros para cada rama.

❌ No considerar el ensuciamiento (fouling):

Omitir esta resistencia lleva a sobreestimar la capacidad térmica real.

❌ Subestimar la temperatura ambiente mínima:

Puede provocar que el sistema no cumpla su función en invierno.

❌ No prever accesos o mantenimiento:

Falta de purgas, drenajes o registros complica operación y limpieza.

✅ Recomendación general:

Diseñar pensando en las condiciones más exigentes, mantenimiento y márgenes de seguridad.

16. Recomendaciones de diseño

✅ Mejorar el aislamiento si no hay espacio suficiente para la longitud requerida

✅ Evitar zonas muertas de baja circulación

✅ Incluir válvulas de purga y drenaje

✅ Verificar compatibilidad de materiales y condiciones operativas

17. Conclusión

El diseño de serpentines de calentamiento en tanques es una tarea multidisciplinaria que requiere una integración cuidadosa de las propiedades físicas del sistema, el análisis de transferencia de calor, el comportamiento del flujo y consideraciones prácticas de operación y mantenimiento.

Aplicar correctamente estos criterios garantiza eficiencia térmica, seguridad operativa, durabilidad y una vida útil prolongada del sistema.

18. Glosario de términos

Área de intercambio (A): Superficie externa de los tubos por la que se transfiere el calor entre el fluido caliente y el producto.

β: Coeficiente de expansión volumétrica del fluido.

Cp: Calor específico del fluido, cantidad de energía requerida para elevar un kilogramo de fluido en un grado Celsius.

Di: Diámetro interno de la tubería.

Do: Diámetro externo de la tubería.

ΔT: Diferencia de temperatura entre entrada y salida del fluido o producto

ΔTml: Diferencia media logarítmica entre temperaturas del fluido caliente y el producto, utilizada para estimar la transferencia neta de calor.

Flujo másico (ṁ): Cantidad de masa de fluido que circula por el serpentín por unidad de tiempo.

Grashof (Gr): Número adimensional que representa la relación entre las fuerzas de flotación y la viscosidad en convección natural.

Heat Duty (Q): Cantidad de energía térmica requerida para mantener o elevar la temperatura de un producto en el tanque.

hfg: Entalpía de vaporización del vapor saturado.

hi: Coeficiente de película interno del fluido de calentamiento dentro del tubo.

ho: Coeficiente de película externo entre la superficie del tubo y el producto almacenado.

k: Conductividad térmica del fluido.

λ: Calor latente de condensación del vapor

μ (mu): Viscosidad dinámica del fluido.

Nusselt (Nu): Número que relaciona la convección con la conducción térmica; permite estimar el coeficiente de película.

Prandtl (Pr): Número que relaciona la viscosidad y la conductividad térmica del fluido.

Reynolds (Re): Número adimensional que permite determinar si el flujo es laminar o turbulento.

Rf: Resistencia por ensuciamiento o fouling, interna y externa.

Rw: Resistencia térmica de la pared de la tubería, calculada en función de su espesor y conductividad.

U: Coeficiente global de transferencia de calor. Valor que integra todas las resistencias térmicas (interna, externa, de pared y de ensuciamiento) y representa la eficiencia total del intercambio de calor.

v: Velocidad del fluido dentro del tubo.

ν: Viscosidad cinemática del fluido.

ρ: Densidad del fluido.