La calor és una energia en trànsit. Segons el segon principi de la termodinàmica, la calor passa espontàniament dels cossos de major temperatura als de menor temperatura.

Un intercanviador és un equip on es produeix aquesta transferència de calor, d'un fluid o d’un focus calent a un altre menys calent de forma controlada i interessada.

Encara que hi ha tres tipus possibles de transmissió de calor (conducció, convecció i radiació), en els intercanviadors s’hi realitza només per conducció i convecció.

Són intercanviadors de calor: els radiadors de calefacció, qualsevol caldera, el condensador d'una màquina frigorífica, etc.

2.1 Transmissió de calor per conducció

La transmissió de calor per conducció (Q) és inversament proporcional al gruix del cos que travessa (i) i directament proporcional a la diferència de temperatures (T1-T2), a la superfície del cos (S) i a una constant (K) denominada “conductivitat tèrmica”.

Alguns valors de la conductivitat tèrmica dels materials més emprats són:

Alguns valors de la conductivitat tèrmica dels materials més emprats són:

2.2 Transmissió de calor per convecció

En la transmissió per convecció es produeix un desplaçament de matèria o mescla turbulenta, que pot ser forçada (per bombes, ventiladors, etc.) o natural si es dóna de forma espontània per diferència de densitats. A la Figura 3 s'il·lustren ambdós tipus de convecció: la circulació de l'aigua del circuit primari forçada per la bomba, la mescla turbulenta a l'acumulador i la circulació de l'aigua pel circuit secundari s'origina per diferències de densitats (efecte termosifó).

2.3 L'efectivitat en la transferència de calor

Es defineix com la raó entre la transferència de calor assolida en un intercanviador de calor i la màxima transferència possible, si es disposa d'una àrea infinita de transferència de calor.

3.1 Fluid

Els més emprats són l'aigua, l'aigua sobreescalfada, l'aire, l’oli i els refrigerants. Les característiques d'un o l’altre determinen en molts casos l'intercanviador que convé escollir. Entre elles es poden citar la temperatura i pressió de treball, el seu possible canvi de fases, la calor específica, la viscositat, la densitat, el pes específic, la conductivitat tèrmica, l'entalpia, partícules en suspensió, etc.

3.2 Equip intercanviador

Segons la forma de transmissió de la calor, els intercanviadors poden ser:

3.2.1 Segons la forma de transmissió de la calor, els intercanviadors poden ser:

Quan hi ha una mescla de fluid (convecció), on l'aigua calenta es refreda quan es polvoritza i posar-se en contacte amb l'aire fred (com succeeix a les torres de refrigeració).

3.2.2 Indirectes

Quan no hi ha possibilitat de barreja entre els fluids (els més habituals). La transferència de calor es realitza a través d'una superfície.

INTERCANVIADORS ALTERNATIUS

En aquest cas els fluids poden recórrer un mateix espai de forma alternativa. Normalment s'empra per a l'intercanvi tèrmic d’aire-aire.

Intercanviadors rotatius d'aire-aire

És un tipus d'intercanviador alternatiu, de gran superfície i forma cilíndrica, que pot intercanviar calor sensible i latent entre els dos fluxos.

Aquesta superfície pot constar de trames metàl·liques, o d'escuma o feltre.

El control d’intercanvi de calor s'efectua variant la velocitat de rotació.

L'eficiència assoleix valors mínims de 60% i màxims de fins a un 80% o un 85% per a fluxos a contracorrent; per a fluxos paral·lels, el valor baixa fins a la meitat.

INTERCANVIADORS DE SUPERFÍCIE

Els fluids també poden ocupar diferents espais separats per una superfície. En aquest cas, segons la direcció relativa dels fluxos, es poden classificar com de fluxos paral·lels o de fluxos creuats. Al seu torn, si és de fluxos paral·lels, aquests poden tenir el mateix sentit de circulació (equicorrents) o sentit contrari (contracorrent). Els intercanviadors de fluxos paral·lels s'acostumen a emprar en els intercanviadors tèrmics de líquid-líquid i els de fluxos creuats, entre líquid i gas.

L'intercanviador de fluxos a contracorrent permet escalfar el fluid fred a una temperatura més alta que la de la sortida del fluid calent i a una major velocitat de transmissió.

Els intercanviadors indirectes, de superfície, i de fluxos paral·lels a contracorrent són, amb diferencia, els més utilitzats. Hi ha, al seu torn, gran diversitat d’intercanviadors segons les formes de construcció i materials emprats:

Intercanviadors estàtics d'aire-aire

Es tracta d'un intercanviador metàl·lic (generalment de xapa galvanitzada o alumini anoditzat) o de plàstic reforçat amb fibra.

Els fluxos d'aire circulen a contracorrent o creuats. Aquesta darrera disposició permet una millor disposició dels conductes, mentre que la primera permet una major transferència de calor.

Quan la temperatura d'un dels dos fluxos és inferior al punt de rosada de l'altra, es produeix una condensació perillosa, els efectes de la qual poden donar lloc a corrosió i formació de gel.

El valor de l'eficiència acostuma a estar comprès entre el 40% al 60% de calor sensible.

Intercanviador de plaques

És d'ús més recent, però s'està imposant en tots els camps en què es necessita un intercanviador tèrmic. Les plaques se solen construir d'acer inoxidable (s'arriba a emprar el titani com a aliatge d'acer) i poden ser soldades o desmuntables.

Intercanviadors pluritubulars

També se'ls anomena de tub i carcassa. Un dels fluids hi circula pel feix tubular, i transmet calor a un altre fluid confinat entre el feix tubular i la carcassa.

Poden treballar amb fluxos a contracorrent i en equicorrent. Se solen construir amb tubs d'acer inoxidable o coure i carcassa d'acer negre o galvanitzat.

Per millorar l'intercanviador de calor de forma que afavoreixi les turbulències, els tubs poden tenir diferents formes (els més emprats són els tubs corrugats, aletejats o dentats).

També s'empren els Intercanviadors de tub en tub, molt utilitzats com a condensadors de màquines autònomes d'aire condicionat. Es tracta de dos tubs concèntrics pels quals circulen els fluids a contracorrent.

Els intercanviadors més utilitzats són els indirectes, de superfície i de fluxos paral·lels a contracorrent.

4.1 Intercanviadors de plaques

Avantatges

• Valors elevats del coeficient de transmissió superficial, la qual cosa comporta uns valors molt elevats del coeficient global de transmissió de la calor.
• Menors pèrdues calorífiques, ja que només les vores de les plaques estan exposades a l'ambient exterior i, a més, tenen gruixos reduïts que es poden aïllar fàcilment.
• Requereixen menys espai que altres tipus de canviadors per la seva elevada relació entre superfície d’intercanvi/volum total, la qual cosa suposa que la quantitat de líquid contingut per unitat de superfície d'intercanvi és molt baixa en comparació amb altres intercanviadors.
• Fàcil accessibilitat a ambdues cares de cada placa, el que permet inspeccionar-los i netejar-los millor, en el mateix lloc de l'emplaçament.
• En el cas de deteriorament de les juntes, es produeix una fuita de fluid cap a l'exterior, que es pot reparar immediatament per evitar barreges o contaminacions.

Inconvenients

• Limitació que imposen les juntes d'unió entre plaques, ja que no permeten treballar amb temperatures superiors a 250º C o pressions majors de 20 atm.
• S’hi produeix més pèrdua de pressió en la circulació de fluids.
• Si no fos perquè calen materials especials, l'intercanviador de plaques és més car que els pluritubulars.

4.2 Intercanviadors tubulars

Avantatges

• Absència de juntes (tret dels capçals)
• Baixa pèrdua de pressió
• Cost reduït.

Inconvenients

• Són voluminosos i necessiten una estructura suport
• Dificultat de neteja i manteniment interior.

4.3 Intercanviadors alternatius

Avantatges

• Permeten deshumidificar l'aire exterior a l'estiu, sense arribar al punt de rosada a l'evaporador, de manera que s'aconsegueixen temperatures d’evaporació més elevades, i majors índexs de potència (fins a un 25% en el refrigerador).
• En treballar amb circulació forçada redueixen la superfície calefactora i la potència elèctrica absorbida. També eliminen les males olors.
• Aconsegueixen acabar amb el reescalfament addicional de l'aire d'impulsió.
• Si el material porós és el clorur de liti, permeten matar les bactèries que porta l'aire.

Inconvenients

• Crea pèrdues de càrrega.
• És un element addicional que encareix la inversió.

Els intercanviadors de calor tenen múltiples aplicacions sempre referides a l'intercanviador tèrmic entre dos o més fluids. Entre les seves aplicacions cal destacar:

• Escalfadors.
• Refrigeradors.
• Evaporadors.
• Condensadors.
• Recuperadors.

En el sector residencial són equips imprescindibles en el camp de la climatització i d’obtenció d'ACC.

5.1 Recuperadors d'energia en instal·lacions de climatització i ACC

Recuperadors d'energia de l'aire de retorn

La calor residual de l'aire de retorn que procedeix de la ventilació de l'edifici s'empra per preescalfar l'aire d'impulsió mitjançant recuperadors. Els més emprats són els estàtics i els rotatius d'aire-aire.

Aquests dispositius de recuperació de calor són sempre obligatoris en els subsistemes en què el cabal d'aire exterior és superior a 3 m3/s, tret de quan el règim de funcionament és inferior a 1.000 hores anuals.

Recuperació de calor de purgues

L'aigua evacuada en les purgues de calderes de vapor és a una temperatura elevada. Si s'instal·la un dipòsit d'expansió se separen la fase líquida i la fase de vapor. Mitjançant la instal·lació d'un recuperador, normalment de plaques per ser més fàcils de netejar, s'augmenta la temperatura de l'aigua de reposició.

Recuperació de calor dels gasos: els economitzadors

Es pot recuperar tant la calor sensible com la latent dels gasos producte de la combustió. Els economitzadors es fan servir fonamentalment com a preescalfadors, tant de l'aigua d'alimentació (en el cas d'un generador de vapor), com de l'aigua de retorn en un generador de fase líquida, o de l'aire necessari per a la combustió.

Tenen limitacions depenent del tipus de combustible, el seu contingut de sofre i el poder calorífic inferior. Els materials emprats han de ser molt resistents a la corrosió i a les altes temperatures.

Els intercanviadors utilitzats són habitualment de tubs i aletes. L'aigua hi circula i els fums els travessen a contracorrent creuada.

Recuperació de calor de condensació

La forma habitual és la instal·lació d'un segon condensador de condensació per aigua. El primer, de condensació per aigua o aire, funciona només en règim de producció de fred, i el segon, en règim de recuperació de calor. L'aplicació més normal és la producció d'ACC, ja que a l'estiu no acostumen a haver-hi altres aplicacions. Això comporta l'estalvi energètic de no haver de fer funcionar els ventiladors, si és de condensació per aire, o de les torres de refrigeració i les bombes del circuit, si és de condensació per aigua.

Si l'intercanviador se situa abans del condensador, a la descàrrega del compressor, la temperatura de l'aigua obtinguda és més elevada, si bé la calor recuperada és molt menor.

• Per obtenir el màxim rendiment en els recuperadors d’aire-aire cal que aquests es moguin a contracorrent.
• Convé col·locar dispositius per drenar l'aigua o el gel que pugui acumular-se per condensació o per penetració exterior.
• A l'estiu, l'aire descarregat pel recuperador es pot emprar per alimentar una torre o un condensador per evaporació.
• Per obtenir una gestió més econòmica es poden utilitzar ventiladors de velocitat variable.
• Cal impedir la formació de gel sobre el rotor.
• Pel que fa a l'aire exterior, és oportú instal·lar filtres ordinaris, o especials si es necessita un aire particularment net.
• Les velocitats frontals baixes determinen un augment del cost inicial però una disminució del cost de gestió.

Compensació de pèrdues per ventilació amb recuperador entàlpic

Un edifici d'oficines disposa d'un sistema tot-aire amb bomba de calor per compensar únicament les càrregues ocasionades per la ventilació.

El cabal d'aire necessari equival a WS = 20.000 kg/h. El cabal d'aire d'extracció és igual al d'impulsió, i constant al llarg de l'any.

Després d'un estudi climatològic anual de la localitat es determina la càrrega ocasionada per la ventilació, i aquesta correspondria a un funcionament de 1.200 h a l'hivern i de 800 h a l'estiu amb les següents condicions mitjanes de l'aire: