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Intercambiador de Calor: Sistemas de Recuperación

  • 1. Descripción

    El calor es una energía en tránsito. Según el segundo principio de la termodinámica, éste pasa espontáneamente de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura hasta que ambos alcanzan un estado de equilibrio.

    Un intercambiador es un equipo en el cual se produce dicha transferencia de calor, de un fluido o foco caliente a otro menos caliente de forma interesada y controlada.

    Intercambiador multitubular líquido-líquido

    Aunque hay tres tipos posibles de transmisión de calor (conducción, convección y radiación), en los intercambiadores se realiza sólo por conducción y convección.

    Son intercambiadores de calor: los radiadores de calefacción, cualquier caldera, el condensador de una máquina frigorífica, etc.

  • 2. Conceptos básicos

    2.1 Transmisión de calor por conducción

    La transmisión de calor por conducción (Q) es inversamente proporcional al espesor del cuerpo que atraviesa (e) y directamente proporcional a la diferencia de temperaturas (T1-T2), a la superficie del cuerpo (S) y a una constante (K) denominada "conductividad térmica".

    Transmisión de calor por conducción

    Algunos valores de la conductividad térmica de los materiales habitualmente utilizados son:

    Conductividad térmica de distintos materiales
    Materiales Coeficiente "K"
    Acero inoxidable 16,3 W/m2 ºC
    Hierro 63,0 W/m2 ºC
    Cobre 386,0 W/m2 ºC

    Como se desprende de estos valores, el cobre puede intercambiar (en las mismas condiciones) 23,7veces más calor que el acero inoxidable. Esto implica menor superficie de intercambio y menor tamaño del intercambiador.

    2.2 Transmisión de calor por convección

    Interacumulador con intercambiador de calor de serpentín

    En la transmisión por convección tiene lugar un desplazamiento de materia o mezcla turbulenta, que puede ser forzada (por bombas, ventiladores, etc.) o natural si se da de forma espontánea por diferencia de densidades. En la Fig.3 se dan ambos tipos de convección, la circulación del agua del circuito primario es forzada por la bomba, la mezcla turbulenta en el acumulador y la circulación del agua por el circuito secundario se origina por diferencias de densidades (efecto termosifón).

    2.3 La efectividad en la transferencia de calor

    Se define como la razón entre la transferencia de calor lograda en un intercambiador de calor y la máxima transferencia posible, si se dispusiera de un área infinita de transferencia de calor.

  • 3. Componentes

    3.1 Fluidos

    Los más utilizados son el agua, el agua sobrecalentada, el aire, el aceite y los refrigerantes. Las características de uno u otro determinan en muchos casos el intercambiador a elegir. Entre ellas se pueden citar la temperatura y presión de trabajo, su posible cambio de fase, el calor específico, la viscosidad, la densidad, el peso específico, conductividad térmica, entalpía, partículas en suspensión, etc.

    3.2 Equipo intercambiador

    Según la forma de transmisión del calor, los intercambiadores pueden ser:

    3.2.1 Directos

    Cuando existe una mezcla de fluidos (convección), donde el agua caliente se enfría al pulverizarse y ponerse en contacto con el aire frío (como ocurre en las torres de refrigeración).

    3.2.2 Indirectos

    Cuando no hay posibilidad de mezcla entre los fluidos (los más habituales). La transferencia de calor se realiza a través de una superficie.

    INTERCAMBIADORES ALTERNATIVOS

    En este caso los fluidos pueden recorrer un mismo espacio de forma alternativa, habitualmente se emplea para intercambio térmico aire-aire

    Intercambiadores rotativos de aire-aire

    Es un tipo de intercambiador alternativo, de gran superficie y forma cilíndrica, que puede intercambiar calor sensible y latente entre los dos flujos.

    Dicha superficie puede constar de tramas metálicas, o de espuma o de fieltro.

    El control de intercambio de calor se efectúa variando la velocidad de rotación.

    La eficiencia alcanza valores de 60% mínimo hasta un 80% o un 85% máximo para flujos en contracorriente, para flujos paralelos el valor baja hasta la mitad.

    INTERCAMBIADORES DE SUPERFICIE

    Los fluidos también pueden ocupar distintos espacios separados por una superficie. En este caso, de acuerdo con la dirección relativa de los flujos, se pueden clasificar como de flujos paralelos o de flujos cruzados. A su vez si es de flujos paralelos, éstos pueden tener el mismo sentido de circulación (equicorrientes) o sentido contrario (contracorriente). Los intercambiadores de flujos paralelos se suelen emplear en los intercambios térmicos líquido-líquido, los de flujos cruzados entre líquido-gas.

    El intercambiador de flujos a contracorriente permite calentar el fluido frío a una temperatura mayor que la de la salida del fluido caliente y a una mayor velocidad de transmisión.

    Los intercambiadores indirectos, de superficie, y de flujos paralelos a contracorriente son con diferencia los más utilizados. Existe, a su vez, gran diversidad en sus formas de construcción y materiales empleados:

    Intercambiadores estáticos de aire-aire

    Se trata de un intercambiador metálico, (generalmente de chapa galvanizada o aluminio anodinado) o plástico reforzado con fibra.

    Los flujos de aire son en contracorriente o cruzados. Esta última disposición permite una mejor disposición de los conductos, mientras que la primera permite mayor transferencia de calor.

    Cuando la temperatura de uno de los dos flujos sea inferior al punto de rocío de la otra, se produce una peligrosa condensación, cuyos efectos pueden dar lugar a corrosión y formación de hielo.

    El valor de la eficiencia suele estar comprendido entre 40% al 60% de calor sensible.

    Tipos de intercambiadores estáticos

    Intercambiador de placas

    Es de más reciente uso, pero se está imponiendo en todos los campos en los que se necesita un intercambio térmico. Las placas suelen estar construidas de acero inoxidable, (llegando a utilizarse el titanio como aleación de acero) y pueden ser soldadas o ser desmontables

    Intercambiadores multitubulares

    También se llaman de tubo y carcasa. En ellos, uno de los fluidos circula por el interior del haz tubular, transmitiendo calor a otro fluido confinado entre el haz tubular y la carcasa.

    Pueden trabajar con flujos en contracorriente y en equicorriente. Suelen estar construidos con tubos de acero inoxidable o cobre y carcasa de acero negro o galvanizado.

    Para mejorar el intercambio de calor favoreciendo las turbulencias, los tubos pueden tener distintas formas (los más empleados son los tubos corrugados, aleteados o dentados).

    También se emplean los Intercambiadores de tubo en tubo, muy utilizados como condensadores de máquinas autónomas de aire acondicionado. Se trata de dos tubos concéntricos por los que circula los fluidos en contracorriente.

    Los intercambiadores más utilizados son los indirectos, de superficie y de flujos paralelos a contracorriente.

  • 4. Ventajas e inconvenientes

    4.1 Intercambiadores de placas

    Ventajas
    • Elevados valores del coeficiente de transmisión superficial, lo que conlleva valores muy elevados del coeficiente global de transmisión del calor.
    • Menores perdidas caloríficas, ya que sólo los bordes de las placas están expuestas al ambiente exterior y, además, tienen pequeños espesores que pueden aislarse fácilmente.
    • Menor espacio necesario que otros tipos de cambiadores dada su elevada relación superficie de intercambio / volumen total, lo que supone que la cantidad de líquido contenido por unidad de superficie de intercambio es muy baja en comparación con otros intercambiadores.
    • Fácil accesibilidad a ambas caras de cada placa, lo que permite una mejor inspección y limpieza, que puede realizarse en el mismo lugar de su emplazamiento.
    • En el caso de deterioro de las juntas, se produce escape de fluido hacia el exterior, siendo posible repararlas inmediatamente, evitándose mezclas o contaminaciones.
    Inconvenientes
    • Limitación que imponen las juntas de unión entre placas, ya que no permiten trabajar con temperaturas superiores a 250ºC o presiones mayores de 20atm.
    • Presentan mayor pérdida de presión en la circulación de fluidos.
    • De no ser necesarios materiales especiales, el intercambiador de placas es más caro que los multitubulares.

    4.2 Intercambiadores tubulares

    Ventajas
    • Entre sus ventajas destaca la ausencia de juntas (a excepción de los cabezales).
    • Baja pérdida de presión.
    • Menor coste.
    Inconvenientes
    • Son voluminosos y necesitan una estructura soporte.
    • Dificultad de limpieza y mantenimiento interior.

    4.3 Intercambiadores alternativos

    Ventajas
    • Permite deshumidificar el aire exterior en verano, sin llegar al punto de rocío en el evaporador, de modo que se consiguen mayores temperaturas de evaporación, y mayores índices de potencia (hasta un 25% en la enfriadora).
    • Al trabajar con circulación forzada reducen la superficie calefactadora y la potencia eléctrica absorbida. También eliminan malos olores.
    • Consiguen acabar con el recalentamiento adicional del aire de impulsión.
    • Si el material poroso es el cloruro de litio, permite matar las bacterias que aporta el aire.
    Inconvenientes
    • Crea pérdidas de carga.
    • Es un elemento adicional que encarece la inversión.
  • 5. Aplicaciones

    Los intercambiadores de calor tienen múltiples aplicaciones siempre referidas al intercambio térmico entre dos o más fluidos. Entre sus aplicaciones cabe destacar:

    • Calentadores.
    • Enfriadores.
    • Evaporadores.
    • Condensadores.
    • Recuperadores.

    En el sector residencial son equipos imprescindibles en el campo de la climatización y obtención de A.C.S.

    5.1 Recuperadores de energía en instalaciones de climatización y ACS

    Recuperador de energía del aire de retorno

    El calor residual del aire de retorno cuya procedencia es la ventilación del edificio, se emplea para precalentar el aire de impulsión mediante recuperadores. Los más utilizados son los estáticos y los rotativos de aire-aire.

    Estos dispositivos de recuperación de calor son siempre obligatorios en los subsistemas en los que el caudal de aire exterior es superior a 3m3/s, salvo cuando su régimen de funcionamiento sea inferior a 1.000 horas anuales.

    Recuperación de calor de purgas

    El agua evacuada en las purgas de calderas de vapor, está a elevada temperatura. Instalando un depósito de expansión se separan la fase líquida y la fase vapor. Mediante la instalación de un recuperador, normalmente de placas por su mayor facilidad de limpieza, se aumenta la temperatura del agua de reposición.

    Recuperación de calor de los gases: Economizadores

    Se puede recuperar, tanto el calor sensible como latente, de los gases producto de la combustión. Los economizadores, se utilizan, fundamentalmente, como precalentadores, tanto del agua de alimentación, (en el caso de un generador de vapor), como del agua de retorno en un generador de fase líquida o del aire necesario para la combustión.

    Tienen limitaciones dependiendo del tipo de combustible, según su contenido en azufre y poder calorífico inferior. Los materiales empleados deben presentar gran resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas.

    Los intercambiadores utilizados son, habitualmente de tubos y aletas. El agua circula por ellos y son atravesados por los humos a contracorriente cruzada.

    Recuperación de calor de condensación

    La forma habitual es la instalación de un segundo condensador condensado por agua. El primero, condensado por agua o aire, funciona solo en régimen de producción de frío, el segundo en régimen de recuperación de calor. La aplicación más normal es la producción de ACS ya que en periodo de verano no suele existir otras aplicaciones. Esto conlleva el ahorro energético de no tener funcionando los ventiladores, si es condensado por aire, o de las torres de refrigeración y las bombas del circuito si es condensado por agua.

    Si el intercambiador se sitúa antes del condensador, en la descarga del compresor, la temperatura del agua obtenida es mayor aunque el calor recuperado es mucho menor.

  • 6. Medidas de eficiencia
    • Para obtener el máximo rendimiento en los recuperadores aire-aire es necesario que éstos se muevan en contracorriente.
    • Conviene colocar dispositivos para drenar el agua o el hielo que pueda acumularse por condensación o por penetración exterior.
    • En verano, el aire descargado por el recuperador puede ser empleado para alimentar una torre o un condensador por evaporación.
    • Para obtener una gestión más económica se pueden utilizar ventiladores de velocidad variable.
    • Hay que impedir la formación de hielo sobre el rotor.
    • Sobre el aire exterior, es oportuno instalar filtros ordinarios, o especiales si se requiere un aire particularmente limpio.
    • Bajas velocidades frontales determinan un aumento del coste inicial pero una disminución del coste de gestión.
  • 7. Ejemplo
    Compensación de pérdidas por ventilación con recuperador entálpico

    Un edificio de oficinas dispone de un sistema todo-aire con bomba de calor para compensar únicamente las cargas debidas a ventilación.

    El caudal de aire necesario equivale a WS=20.000kg/h. Siendo igual el caudal de aire de extracción que el de impulsión, y constante a lo largo del año.

    Después de un estudio climatológico anual de la localidad se determina la carga debida a ventilación, y esta correspondería a un funcionamiento de 1.200h en invierno y 800h en verano con las siguientes condiciones medias del aire:

      Condiciones interiores Condiciones exteriores Condiciones después intercambio
    Verano 24ºC
    50% HR
    32ºC
    70% HR
    26,1ºC
    67% HR
    Invierno 22ºC
    36% HR
    -2ºC
    90% HR
    15,8ºC
    34% HR
    Consumos de energía
      Sin recuperador Con recuperador Rendimiento entálpico Ahorro energético
    Verano 9,1 kcal/kg 3,60 kcal/kg 60 % 5,5 kcal/kg
    Invierno 7,6 kcal/kg 2,66 kcal/kg 65 % 4,94 kcal/kg
    Necesidades y ahorros energéticos
      Tiempo (h) Carga total η la bomba de calor Ahorro total
    Verano 800 16.000.000kg 2,2 51.162,8 kWh
    Invierno 1.200 24.000.000kg 1,8 76.589,14kWh
    Viabilidad económica
    Ahorro monetario (0,10 €/kWh) 5.116€ + 7.659€ 12.775€
    Coste de la instalación 40.000€
    Periodo de retorno 3,1 años
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