Guía para el Cálculo del Heat Duty en Tanques de Almacenamiento

1. Introduccion

El heat duty o carga térmica es un parámetro fundamental en el diseño de sistemas de calentamiento para tanques de almacenamiento, especialmente cuando se manejan fluidos viscosos como asfaltos, fuelóleos, grasas o resinas. Un cálculo térmico preciso permite garantizar la operatividad del producto, reducir el consumo energético y optimizar la eficiencia del sistema.

2. ¿Qué es el Heat Duty?

Es la cantidad de calor que debe transferirse al contenido del tanque para:

• Mantener una temperatura constante.

• Elevar la temperatura del fluido desde un valor inicial hasta uno deseado.

• Compensar las pérdidas de calor hacia el ambiente.

Este valor se expresa normalmente en kilovatios (kW) y constituye la base del diseño térmico.

3. Parámetros fundamentales para el cálculo

3.1 Propiedades del fluido:

• Volumen almacenado (m³)

• Densidad (kg/m³)

• Capacidad calorífica específica (kJ/kg·°C)

• Temperatura inicial y temperatura objetivo (°C)

3.2 Condiciones externas:

• Temperatura ambiente

• Pérdidas térmicas por convección y radiación

3.3 Características del tanque:

• Superficies expuestas (fondo, paredes, techo)

• Presencia y tipo de aislamiento térmico

3.4 Tiempo disponible para el calentamiento:

• Según condiciones de operación o diseño

4. Cálculo del calor necesario

Para calentar el fluido desde una temperatura inicial hasta una deseada, se utiliza:

Q = m × Cp × ΔT

Donde:

• Q = calor total requerido [kJ]

• m = masa del fluido (volumen × densidad) [kg]

• Cp = capacidad calorífica específica [kJ/kg·°C]

• ΔT = diferencia de temperatura (°C)

5. Conversión a potencia térmica (Heat Duty)

Para obtener el heat duty como potencia:

q = Q / t

Donde:

• q = potencia térmica requerida [kW]

• Q = calor total requerido [kJ]

• t = tiempo disponible para el calentamiento [s]

6. Importancia del aislamiento térmico

El aislamiento del tanque es clave para reducir el heat duty requerido. Un tanque sin aislamiento tiene altas pérdidas térmicas, lo que significa un mayor consumo de energía.

Sin el aislamiento adecuado:

• Las pérdidas de calor son altas

• Se necesita más energía para mantener la temperatura objetivo

• Aumento de los costos operativos

Con buen aislamiento:

• El coeficiente de transferencia de calor general (U) se reduce

• La entrada de energía requerida disminuye

• Mejora la eficiencia energética y la estabilidad de la temperatura

La pérdida de calor hacia el ambiente puede estimarse con:

Q_pérdidas = U × A × (T_producto − T_ambiente)

Donde:

• Q_pérdidas: calor perdido hacia el ambiente (W)

• U: coeficiente global de transferencia de calor (W/m²·K)

• A: área expuesta del tanque (m²)

• T_producto: temperatura del fluido almacenado (°K)

• T_ambiente: temperatura del entorno exterior (°K)

Reduciendo U mediante un aislamiento adecuado, se disminuye directamente el heat duty requerido.

7. ¿Qué ocurre al aumentar el espesor del aislamiento?

1. Disminuye el valor de U:

   o A mayor espesor, mayor resistencia térmica y menor transferencia de calor al exterior.

2. Se reducen las pérdidas térmicas:

   o Se requiere menos energía para mantener la temperatura del fluido.

3. Mejora la eficiencia energética:

   o Se disminuye el uso de calderas y se optimiza el consumo.

4. Mayor estabilidad térmica:

   o El fluido conserva su temperatura durante paradas o mantenimientos.

5. Pero también:

   o Aumentan los costos y el volumen del sistema

   o Los beneficios adicionales disminuyen progresivamente

   o Se requiere un análisis técnico-económico para definir el espesor óptimo

8. Aislamiento térmico: conductividad, espesor y eficiencia

El flujo de calor a través del aislamiento se rige por:

Q = k × A × ΔT / e

Donde:

• k = conductividad térmica [W/m·K]

• A = área superficial [m²]

• ΔT = diferencia de temperatura entre el fluido y el ambiente

• e = espesor del aislamiento [m]

👉 A menor conductividad térmica y mayor espesor, menor pérdida de calor. Sin embargo, más allá de cierto punto, seguir aumentando el espesor deja de ser rentable.

9. Materiales comunes de aislamiento térmico

• Lana mineral: Conductividad 0.035–0.045 W/m·°K. Soporta hasta 600 °C. Es económica, ignífuga y resistente.

• Espuma de poliuretano (PUR): Conductividad 0.022–0.030 W/m·°K. Aplicable hasta 120 °C. Excelente aislante e hidrofóbico.

• Poliisocianurato (PIR): Conductividad 0.020–0.025 W/m·°K. Apto hasta 150 °C. Ofrece mayor estabilidad térmica que el PUR.

• Foamglas® (vidrio celular): Conductividad 0.038–0.055 W/m·°K. Resistente hasta 430 °C. Incombustible, impermeable y químicamente estable.

10. Tipos de aislamiento utilizados en la industria

• Aislamiento externo:

  Aplicado sobre la superficie del tanque. Compuesto por material aislante, barrera de vapor y recubrimiento metálico (aluminio o acero inoxidable).

• Espuma inyectada o proyectada:

  Aplicación directa de espuma rígida PUR sobre el tanque. Útil en espacios reducidos o geometrías irregulares.

11. Conclusión

Un cálculo preciso del heat duty, junto con una estrategia adecuada de aislamiento térmico, permite definir con claridad los requerimientos energéticos de un tanque, optimizar el diseño térmico y reducir significativamente los costos operativos.