Intercambiadores

l intercambiador de calor es el elemento de la instalación encargado en transferir el calor generado en los captadores solares al agua del depósito mediante el movimiento forzado del fluido caloportador sin que haya mezcla de los dos fluidos, es decir, con separación física del fluido que circula por el circuito primario solar del fluido de uso al circuito secundario o de consumo.

Las ventajas que presenta una configuración de circuitos independientes, primario y secundario, son:

• El circuito primario trabaja a la presión adecuada para los captadores, sin fluctuaciones importantes.
• El fluido utilizado en el circuito primario es un líquido térmico con anticongelante y agentes inhibidores para proteger los captadores de posibles heladas y de calcificación.
• La circulación del circuito primario puede ser regulada con criterios de optimización energética.

Tipos de intercambiadores líquido-líquido

Existen diversas posibilidades a la hora de hacer una clasificación de los intercambiadores de calor, una de ellas es en función del tipo de fluido de trabajo utilizados:

• Líquido-líquido. Seria el caso de un serpentín en el interior de un acumulador.
• Líquido - gas. Seria el caso de un radiador de calefacción.
• Gas-gas. Seria el caso de un recuperador de calor para un sistema de calefacción por aire.

De las tipologías enumeradas, la más utilizada en los sistemas de aprovechamiento de energía solar térmica son los intercambiadores líquido-líquido. El líquido caloportador que habitualmente es agua más aditivos, circula por el primario y el agua de consumo circula por el secundario.

Estos intercambiadores pueden encontrarse dentro o fuera del acumulador dependiendo de la complejidad de la instalación. En función de esta ubicación establecemos dos categorías:

• Intercambiadores incorporados en el acumulador. En instalaciones pequeñas es aconsejable utilizar intercambiadores situados dentro del acumulador (doble pared, serpentín, baño interior u horquilla) ya que son más económicos. Esta tipología de intercambiadores es la más utilizada en las instalaciones solares tanto en sistemas de termosifón como en sistemas forzados con capacidad de hasta 500 o 1.500 litros.
  

  TIPOS DE INTERCAMBIADORES

  
  

En el apartado de acumuladores-productores, se describieron los dos tipos más comunes de intercambiador incorporado en el depósito: doble pared o serpentín. A continuación se ofrece un resumen de las características comparativas de dichos intercambiadores.

Doble pared

• Habitual en acumuladores con capacidad de hasta 500 litros
• Gran superficie de intercambio
• Baja pérdida de carga
• Rendimiento de intercambio más bajo que el tipo serpentín y placas
• Acumuladores con coste bajo
• Equipos muy estandarizados en el mercado

Serpentín

• Utilizados en acumuladores de capacidad hasta 1.000 litros
• Baja superficie de intercambio
• Pérdida de carga media
• Rendimiento de intercambio medio
• Acumulador con coste medio
• Equipos muy estandarizados en el mercado

Los materiales de fabricación de este tipo de intercambiadores son de acero inoxidable, acero vitrificado, acero galvanizado y el cobre, siendo de más amplia utilización los dos primeros.

El intercambiador de tipo serpentín, aunque tiene menos superficie, al estar sumergido del secundario permite tener mejor rendimiento que el de doble pared.

• Intercambiadores no incorporados al acumulador. En las instalaciones con depósitos superiores a los 1.000 litros se tienen que utilizar intercambiadores externos de acumulador ya que, por una parte, permiten obtener la potencia necesaria sin limitaciones y, por otra, los fabricantes suministran estos acumuladores sin intercambiador incorporado.

Los intercambiadores no incorporados en el depósito se clasifican en dos tipos:

• De manojo de tubos. Los intercambiadores de manojo de tubos fueron los primeros en utilizarse en la industria desde hace décadas. Actualmente los intercambiadores de placas los han sido substituidos casi por completo, debido a las mejores prestaciones que ofrecen.
• De placas. Algunas de las características de los intercambiadores de placas son:
  

  INTERCAMBIADOR DE PLACAS DESMONTABLES

  
  

•Elemento externo al depósito

•Superficie de intercambio muy elevada con dimensiones exteriores reducidas

•Pérdidas de carga grandes

•Alto rendimiento de intercambio

•Requieren dos bombas, echo que incrementa el coste del conjunto

•Elemento estandarizado en el mercado

En la anterior figura el intercambiador está constituido por un paquete de placas metálicas, generalmente de acero inoxidable con gruesos entre 0,4 y 3 mm estampadas con un gravado específico para que el fluido circule a gran velocidad provocando turbulencias y aumente el coeficiente de transferencia del calor.

A este paquete se le da rigidez mediante dos placas (bastidores) fijadas con perns de compresión y con las correspondientes conexiones hidráulicas por los dos circuitos de trabajo.

El intercambiador de "placas electro-soldadas" es una variante de la anterior, en la que las placas no se pueden desmontar, si no que están soldadas entre ellas formando una sola pieza. Sus dimensiones son más reducidas que la anterior y su coste más bajo.

Características técnicas de los intercambiadores

Generalmente, los intercambiadores de calor están diseñados para condiciones de funcionamiento diferentes a las que normalmente trabaja una instalación solar térmica.

Por ejemplo, en sistemas de producción de ACS en caldera de gas doméstica de 20KW, un intercambiador de placas se diseña a partir de unos parámetros de funcionamiento: T_ep, T_sp, C_p, T_es, T_ss y C_s.

T_ep. Temperatura de entradla circuito primario

T_sp. Temperatura de salida del circuito primario

C_p. Caudal de circulación en el circuito primario

T_es. Temperatura de entrada al circuito secundario

T_ss. Temperatura de salida del circuito secundario

C_s. Caudal de circulación en el circuito secundario.

En las instalaciones solares los saltos térmicos serán más bajos y las temperaturas de operación en el circuito primario más bajas que en un sistema con caldera.

En la anterior tabla se muestran las condiciones típicas de diseño del intercambiador para sistemas solares térmicos de producción de ACS doméstica. El fabricante del intercambiador tendrá que proponer o seleccionar el modelo más adaptado a estas condiciones.

Los datos del circuito primario solar dependen de la superficie de captador y del salto térmico que puede asumir manteniendo un rendimiento óptimo. En cuanto al circuito secundario podemos asumir saltos térmicos similares o más pequeños que en el primario y no imponer las mismas condiciones que en un funcionamiento convencional con caldera donde hay que calentar el agua de red, aproximadamente de media anual 10ºC, hasta la temperatura de forma instantánea, 45ºC.

Las características mínimas de diseño que tiene que cumplir el intercambiador para un sistema solar térmico son:

• Salto térmico máximo al primario de 15ºC a la máxima potencia de captación.
• Presión de trabajo mínima; las de las válvulas de seguridad.
• Temperatura de trabajo de 110ºC.
• Materiales compatibles con los fluidos de trabajo y tuberías el circuito primario y secundario.

Por lo tanto, a la hora de definir completamente los intercambiadores a utilizar en un proyecto hará falta que el proyectista o fabricante del equipo determine correctamente el tipo de intercambiador así como las siguientes especificaciones mínimas:

• Presión máxima que puede soportar
• Caudal y pérdida de carga en el circuito primario
• Caudal y perdida de carga en el circuito secundario
• Potencia de intercambio para las condiciones nominales de funcionamiento de la instalación
• Salto térmico en el primario para las condiciones nominales de diseño
• Salto térmico en el secundario para las condiciones nominales de diseño.