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INTERCAMBIADOR DE CALOR SOLAR

Los sistemas solares de calentamiento de agua usan un intercambiador de calor solar para transferir la energía solar absorbida en los colectores solares al líquido o aire utilizado para calentar agua o un espacio.



Los intercambiadores de calor pueden estar hechos de acero, cobre, bronce, acero inoxidable, aluminio o hierro fundido. Los sistemas de calefacción solar usualmente usan cobre, porque es un buen conductor térmico y tiene una mayor resistencia a la corrosión.

Usamos el intercambiador de calor todos los días en nuestros hogares, lugares de trabajo y vehículos de transporte sin siquiera saberlo. 

¿Que es un inetercambiador de calor solar?

El intercambiador de calor solar es un dispositivo térmico de transferencia de calor que intercambia (de ahí su nombre) la energía térmica de una fuente y la transfiere a otra a diferentes temperaturas. 

En la mayoría de los diseños de intercambiadores de calor, los fluidos o gases utilizados para transferir el calor están separados y no se mezclan.

¿Còmo funciona un intercambiador de calor solar?

El intercambiador de calor solar es una masa pasiva de metal corrugado que transfiere el calor de un fluido de trabajo a otro. 

El fluido térmico primario absorbe calor de una fuente de calor, ya sea un quemador, caldera u otra forma de dispositivo de calentamiento, y luego circula a través del intercambiador de calor donde el calor se elimina del fluido (ya sea agua o gas) y se transfiere a un segundo fluido, de nuevo ya sea agua o un gas que circula y disipa el calor (disipador de calor) en el hogar o la atmósfera.

¿Dònde se utiliza un intercambiador de calor solar?

Los intercambiadores de calor solares se utilizan en sistemas de calefacción térmica convencionales, sistemas de aire acondicionado, equipos de refrigeración, transporte y en sistemas de recuperación de calor de energía renovable como paneles solares térmicos , geotermia  y otros tipos de sistemas de energía solar térmica.



Diseño típico del intercambiador de calor

Pero los tipos más comunes de intercambiadores de calor que vemos y usamos a diario incluyen radiadores de calefacción central, radiadores de automóviles, condensadores y evaporadores HVAC, cajas traseras de estufas de incendios y enfriadores de aceite, etc.

El uso de intercambiadores de calor en nuestra vida diaria, grande o pequeño, es interminable. Si alguna vez ha usado una botella de agua caliente en la cama por la noche para calentar sus pies, entonces sabrá muy bien las ventajas que pueden aportar los intercambiadores de calor.

Tipos de intercambiador de calor solar

Los sistemas solares de calentamiento de agua utilizan tres tipos de intercambiador solar:

  • intercambiador de calor de líquido 

    Un intercambiador de calor de líquido  utiliza un  fluido de transferencia de calor  que circula a través del colector solar, absorbe calor y luego fluye a través de un intercambiador de calor para transferir su calor al agua en un tanque de almacenamiento. 

Los fluidos de transferencia de calor, como el anticongelante, protegen al colector solar de la congelación cuando hace frío. Los intercambiadores de calor de líquido tienen una o dos barreras (una o dos paredes) entre el fluido de transferencia de calor y el suministro de agua doméstica.

 Intercambiador de calor solar  de una sola pared   

Un intercambiador de calor de una sola pared es una tubería o tubo rodeado por un fluido. O el fluido que pasa a través de la tubería o el fluido que rodea la tubería puede ser el fluido de transferencia de calor, mientras que el otro fluido es el agua potable.

Intercambiadores de calor de doble pared

Los intercambiadores de calor de pared doble han existido desde hace tiempo para intercambiadores de carcasa y tubo, y de tipo placa. 

No debe confundirse con un intercambiador de calor de tipo tubo doble (o doble tubo), que es simplemente un intercambiador de tubo en tubo donde el medio de calentamiento está contenido en un tubo y el medio de proceso está en el otro tubo, la forma más simple de intercambiador de calor 

Los intercambiadores de calor de doble pared se utilizan en muchas aplicaciones, por lo general para evitar por completo el riesgo de contaminación entre el medio de calentamiento y el medio de proceso.

 Esto es crítico en muchas aplicaciones (por ejemplo, agua potable, sistemas nucleares) pero también muy relevante cuando el circuito de refrigeración o calefacción se comparte a través de muchos sistemas.

 En este caso, es muy importante que cualquier contaminación del medio de calentamiento no viaje alrededor del sistema, por lo tanto, se aplica un sistema de doble pared. 

Aquí es donde se vuelve mucho más económico aplicar intercambiadores de calor de doble pared, en comparación con otras soluciones, como la aplicación de un circuito de calentamiento intermedio, como se muestra en las siguientes figuras:

Los intercambiadores de calor de doble pared tienen dos paredes entre los dos fluidos. Con frecuencia, se usan dos paredes cuando el fluido de transferencia de calor es tóxico, como el etilenglicol (anticongelante).

 A menudo se requieren muros dobles como medida de seguridad en caso de fugas, lo que ayuda a garantizar que el anticongelante no se mezcle con el suministro de agua potable. 

Un ejemplo de un intercambiador de calor de doble pared y líquido a líquido es el “intercambiador de calor envolvente”, en el que un tubo se enrolla y se adhiere al exterior de un tanque de agua caliente. El tubo debe estar adecuadamente aislado para reducir las pérdidas de calor.

Si bien los intercambiadores de calor de doble pared aumentan la seguridad, son menos eficientes porque el calor debe transferirse a través de dos superficies en lugar de una. Para transferir la misma cantidad de calor, un intercambiador de calor de doble pared debe ser más grande que un intercambiador de pared simple.

  • Intercambiadores de calor de agua a aire

INTERCAMBIADOR DE CALOR SOLAR

 

 

Los sistemas de calefacción solar con colectores de calentadores de aire generalmente no necesitan un intercambiador de calor entre el colector solar y el sistema de distribución de aire. 

Los sistemas con colectores de calentadores de aire que calientan el agua utilizan intercambiador de calor aire a líquido, que son similares a los intercambiadores de calor de líquido a aire.

Diseños de intercambiadores de calor



  • Bobina en el tanque

El intercambiador de calor es una bobina de tubería en el tanque de almacenamiento. Puede ser un tubo único (intercambiador de calor de una sola pared) o el grosor de dos tubos (intercambiador de calor de doble pared). Una alternativa menos eficiente es colocar la bobina en el exterior del tanque colector con una cubierta de aislamiento.

 

  • Carcasa y tubo

INTERCAMBIADOR DE CALOR SOLAR

 

Los fluidos fluyen en direcciones opuestas entre sí a través del intercambiador de calor, maximizando la transferencia de calor. En un ciclo, el fluido a calentar (como el agua potable) circula a través de los tubos interiores.

 En el segundo ciclo, el fluido de transferencia de calor fluye entre la carcasa y los tubos de agua. Los tubos y la carcasa deben estar hechos del mismo material. Cuando el colector o el fluido de transferencia de calor es tóxico, se usan tubos de doble pared y se coloca un fluido de transferencia intermedio no tóxico entre las paredes externa e interna de los tubos.

  • Tubo en tubo
    En este diseño muy eficiente, los tubos de agua y el fluido de transferencia de calor están en contacto térmico directo entre sí. El agua y el fluido de transferencia de calor fluyen en direcciones opuestas entre sí. Este tipo de intercambiador de calor tiene dos bucles similares a los descritos en el intercambiador de calor de carcasa y tubos.

Dimensionamiento

Un intercambiador de calor debe tener el tamaño correcto para que sea efectivo. Hay muchos factores a considerar para el tamaño adecuado, incluidos los siguientes:

  • Tipo de intercambiador de calor
  • Características del fluido de transferencia de calor (calor específico, viscosidad y densidad)
  • Tasa de flujo
  • Temperaturas de entrada y salida para cada fluido.

Usualmente, los fabricantes suministrarán clasificaciones de transferencia de calor para sus intercambiadores de calor (en Btu / hora) para varias temperaturas de fluidos y caudales. 

Además, el tamaño del área de superficie de un intercambiador de calor afecta su velocidad y eficiencia: una gran área de superficie transfiere el calor de manera más rápida y eficiente.

Instalación

Para obtener el mejor rendimiento, siempre siga las recomendaciones de instalación del fabricante para el intercambiador de calor. Asegúrese de elegir un fluido de transferencia de calor que sea compatible con el tipo de intercambiador de calor que vaya a utilizar. 

Si desea construir su propio intercambiador de calor, tenga en cuenta que el uso de diferentes metales en la construcción del intercambiador de calor puede causar corrosión. 

Además, debido a que los metales diferentes tienen diferentes características de expansión y contracción térmica, pueden desarrollarse fugas o grietas. Cualquiera de estas condiciones puede reducir la vida útil de su intercambiador de calor.

 

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