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INTERCAMBIADORES J. M. Arroyo Rosa Página 1 Intercambiador de Calor: Sistemas de Recuperación 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. Un intercambiador es un equipo en el cuál se produce dicha transferencia de calor, de un fluido o foco caliente a otro menos caliente de forma interesada y controlada. 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. 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 (T 1 -T 2 ), a la superficie del cuerpo (S) y a una constante (K) denominada "conductividad térmica".
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INTERCAMBIADORES
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Intercambiador de Calor: Sistemas de Recuperación
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.
Un intercambiador es un equipo en el cuál se produce dicha transferencia de calor, de un
fluido o foco caliente a otro menos caliente de forma interesada y controlada.
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.
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".
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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.
Transmisión de calor por convección
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).
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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.
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.
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Equipo intercambiador
Según la forma de transmisión del calor, los intercambiadores pueden ser:
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).
Indirectos
Cuando no hay posibilidad de mezcla entre los fluidos (los más habituales).
La transferencia de calor se realiza a través de una superficie.
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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
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(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.
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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.
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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.
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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.
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
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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.
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.
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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.
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.
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En el sector residencial son equipos imprescindibles en el campo de la climatización y
obtención de A.C.S.
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.
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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.
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.
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Bajas velocidades frontales determinan un aumento del coste inicial pero una
disminución del coste de gestión.
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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