Explicación de los intercambiadores de calor HVAC. En este artículo vamos a estar discutiendo los diferentes tipos de intercambiadores de calor utilizados en HVAC y aplicaciones de servicios de construcción tanto para propiedades residenciales como comerciales. También veremos cómo se aplican a los componentes del sistema para acondicionar el entorno construido, cubriendo el principio de funcionamiento de los intercambiadores de calor HVAC comunes con animaciones.
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¿Qué es un intercambiador de calor?
Un intercambiador de calor es exactamente lo que su nombre indica, un dispositivo utilizado para transferir (intercambiar) calor o energía térmica. Los intercambiadores de calor reciben un fluido caliente para proporcionar calefacción o un fluido frío para proporcionar refrigeración.
- Un fluido puede ser un líquido o un gas
- El calor siempre fluye de caliente a frío
- Debe haber una diferencia de temperatura para que el calor fluya
¿Cómo se intercambia el calor?
La energía térmica se transfiere a través de tres métodos.
- Conducción
- Convección
- Radiación
La mayoría de los intercambiadores de calor para fines de HVAC utilizan la convección y la conducción. La transferencia de calor por radiación se produce, pero sólo constituye un pequeño porcentaje.
Transferencia de calor por conducción
La conducción se produce cuando dos materiales de diferentes temperaturas se tocan físicamente. Por ejemplo, si colocamos una taza de café caliente sobre una mesa durante unos minutos y luego retiramos la taza, la mesa habrá conducido parte de esta energía térmica.
Transferencia de calor por convección
La convección se produce cuando los fluidos se mueven y transportan la energía térmica. Esto puede ocurrir de forma natural o mediante una fuerza mecánica como el uso de un ventilador. Un ejemplo de esto es cuando se sopla sobre una cuchara de sopa caliente. Soplas la cuchara para enfriar la sopa y el aire se lleva este calor.
Transferencia de calor por radiación
La radiación se produce cuando una superficie emite ondas electromagnéticas. Todo, incluido usted, emite algo de radiación térmica. Cuanto más caliente esté una superficie, más radiación térmica emitirá. Un ejemplo de esto sería el sol. El calor del sol viaja en forma de ondas electromagnéticas a través del espacio y llega a nosotros sin nada en medio.
Los fluidos utilizados
Los fluidos utilizados en el sistema HVAC suelen incluir agua, vapor, aire, refrigerante o aceite como medios de transferencia. Los intercambiadores de calor de HVAC normalmente hacen una de dos cosas, calientan o enfrían el aire o el agua. Algunos se utilizan para enfriar o calentar el equipo por razones de rendimiento, pero la mayoría se utilizan para acondicionar el aire o el agua.
Tipos de intercambiadores de calor.
La mayoría de los intercambiadores de calor siguen uno de dos diseños. O bien el diseño de serpentín o el de placas. Echemos un vistazo a los fundamentos de cómo funcionan ambos y luego veamos cómo se aplican a los intercambiadores de calor comunes en los sistemas.
Intercambiadores de calor de serpentín – simplificado
Los intercambiadores de calor de serpentín, en su forma más simple, utilizan uno o más tubos que van y vienen varias veces. El tubo separa los dos fluidos. Un fluido fluye por el interior del tubo y otro por el exterior. Veamos un ejemplo de calentamiento. El calor se transfiere desde el fluido interior caliente a la pared del tubo a través de la convección, luego se conduce a través de la pared del tubo hacia el otro lado y el fluido exterior se lo lleva también a través de la convección.
Intercambiadores de calor de placas – simplificado
Los intercambiadores de calor de placas utilizan placas delgadas de metal para separar los dos fluidos. Los fluidos generalmente fluyen en direcciones opuestas para mejorar la transferencia de calor. El calor del fluido más caliente se convoca en la pared de la placa y luego se conduce a través del otro lado. El otro fluido, que entra a una temperatura más baja, se lo lleva por convección.
Veamos con más detalle cómo se aplican estos tipos de intercambiadores de calor a las aplicaciones de HVAC.
Bobina de tubos aleteados (fluido)
Los tubos aleteados se denominan a menudo simplemente bobina, por ejemplo, la bobina de calefacción o refrigeración. Estos son extremadamente comunes. Usted encontrará estos en las unidades de tratamiento de aire, unidades de bobina del ventilador, sistemas de conductos, evaporadores y condensadores de los sistemas de aire acondicionado, en la parte posterior de los refrigeradores, en los calentadores de zanja, la lista continúa.
Para estos intercambiadores de calor el agua, refrigerante o vapor por lo general fluye a través del interior y el aire fluye en el exterior.
Por ejemplo, cuando se utiliza para calentar el aire, utilizando agua calentada, el agua caliente fluye por el interior del tubo y transfiere su energía térmica por convección a la pared del tubo, hay una diferencia de temperatura entre el agua caliente y el aire por lo que el calor se conduce a través de la pared del tubo. El aire que pasa por el exterior se lo lleva por convección.
Las aletas suelen estar conectadas entre todos los tubos, éstas se sitúan directamente en la trayectoria del flujo de aire y ayudan a sacar el calor del tubo y llevarlo al aire porque esto actúa como una extensión de la superficie del tubo. Más superficie = más espacio para la transferencia de calor.
Intercambiador de calor de placas de conducto
Los intercambiadores de calor de placas de conducto se utilizan en las unidades de tratamiento de aire para intercambiar energía térmica entre las corrientes de aire de admisión y de escape sin que se transfiera humedad y sin que se mezclen las corrientes de aire. El intercambiador de calor está hecho de finas láminas de metal, normalmente de aluminio, con los dos fluidos de diferentes temperaturas fluyendo en direcciones diagonales opuestas. Por lo general, el aire se utiliza en ambos, pero los gases de escape de algo como un motor de cogeneración también puede ser utilizado.
El calor de una corriente se convecta en las hojas delgadas de metal que separan las corrientes, esto es entonces conducido a través del metal donde se lleva a cabo por convección forzada en la otra corriente.
Calentador de zanja
Los calentadores de zanja se instalan alrededor del perímetro de un edificio, normalmente bajo una ventana o una pared de cristal, y son muy comunes en los nuevos edificios comerciales. Los calefactores de zanja se instalan en el suelo y su objetivo es reducir la pérdida de calor a través del cristal, así como evitar la formación de condensación.
Lo hacen creando una pared de corrientes de aire de convección. Los calentadores de zanja suelen utilizar agua caliente o elementos de calefacción eléctricos para calentar el aire. Su posición a nivel del suelo significa que tienen acceso al aire más frío de la habitación. El intercambiador de calor le transfiere el calor a través de un tubo con aletas, lo que hace que el aire frío se caliente y suba hacia el techo. A medida que este aire caliente asciende, el aire más frío de la habitación se precipita para ocupar su lugar. Esto crea una corriente convectiva y una frontera térmica entre el vidrio y la habitación.
Calentador eléctrico de conducto – elemento de bobina abierta
Los elementos calefactores de bobina abierta se utilizan sobre todo en aplicaciones de conductos, hornos y a veces en fan coils. Funcionan utilizando bobinas vivas expuestas de metal altamente resistivo para generar calor. Estos intercambiadores de calor se colocan directamente en el flujo de aire y, a medida que el aire pasa por las bobinas, la energía térmica se transfiere por convección. Estos proporcionan un calentamiento uniforme a través de la corriente de aire, aunque sólo se utilizan donde es seguro hacerlo y no se puede acceder fácilmente.
Intercambiadores de calor de microcanales
Los intercambiadores de calor de microcanales son un avance en la bobina de tubos con aletas que proporciona un intercambio de calor superior, aunque sólo se utilizan para sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Usted puede encontrar este tipo de intercambiadores de calor en enfriadores de aire, unidades de condensación, AC residencial, secadores de aire, refrigeración de gabinete y unidades de techo, etc.
Este tipo de intercambiadores de calor también funcionan utilizando la convección como su principal método de transferencia de calor. El intercambiador de calor de microcanales tiene un diseño sencillo. En cada lado hay un cabezal, y entre cada cabezal hay unos tubos planos con aletas entre ellos. El aire pasa por los huecos de las aletas para transportar la energía térmica.
El refrigerante entra por el cabezal y luego pasa por los tubos planos hasta llegar al otro cabezal. Los cabezales contienen deflectores que controlan la dirección del flujo de refrigerante y se utilizan para hacer un bucle con el refrigerante a través de los tubos varias veces para aumentar el tiempo de permanencia en su interior y así aumentar la oportunidad de transferir energía térmica.
Dentro de cada tubo plano hay una serie de pequeños agujeros conocidos como microcanales que recorren toda la longitud de cada tubo plano. Estos microcanales aumentan considerablemente la superficie del intercambiador de calor, lo que permite que salga más energía térmica del refrigerante y entre en la carcasa metálica de los intercambiadores de calor. La diferencia de temperatura entre el refrigerante y el aire hace que el calor se conduzca a través de la carcasa de tubos planos y hacia las aletas. A medida que el aire pasa a través de los huecos, transporta esta energía térmica a través de la convección.
Batería del evaporador del horno
Los evaporadores del horno se encuentran comúnmente en casas grandes y pequeñas propiedades comerciales con sistemas de conductos pequeños. Se pueden conseguir serpentines más grandes que funcionan con principios similares, pero para sistemas más grandes, principalmente para UTAs en edificios comerciales medianos y grandes. La bobina dentro de un evaporador de horno funciona igual que un intercambiador de calor de tubos aleteados y utiliza un refrigerante en el interior con aire canalizado en el exterior. El aire que pasa a través de los tubos transfiere su calor a través de la convección forzada, esto se transfiere a través de la pared del tubo a través de la conducción, el refrigerante en el interior lleva este calor a través de la convección forzada, el refrigerante hierve y se evapora al compresor.
Radiadores
Estos son muy comunes, especialmente en toda Europa y América del Norte en los hogares y los edificios comerciales más antiguos. Se montan en las paredes, normalmente debajo de una ventana, para proporcionar calefacción. Su función es muy simple, suelen estar conectados a una tubería de agua caliente que se alimenta de agua caliente desde una caldera.
El agua entra a través de un tubo de pequeño diámetro y fluye hacia el interior del radiador. El área interna del radiador es mayor que la de la tubería, lo que reduce la velocidad del agua para permitir que el calor se transfiera durante más tiempo.
El calor del agua se transfiere por conducción a las paredes metálicas del radiador. En el exterior del radiador se encuentra el aire de la habitación. Cuando este aire entra en contacto con la superficie caliente del radiador, el calor se transfiere al aire y esto hace que el aire se expanda y suba. A continuación, el aire más frío se desplaza para reemplazar este aire, provocando un ciclo continuo de aire en movimiento que calienta la habitación; este aire en movimiento es, por tanto, una transferencia de calor por convección. El radiador suele tener algunas aletas conectadas en la parte posterior o entre los paneles, especialmente en los nuevos, que están ahí para ampliar la superficie del radiador y proporcionar más oportunidades para transferir el calor al aire. Los radiadores se denominan incorrectamente ya que transfieren principalmente a través de la convección.
Algunas veces encontrará radiadores especialmente diseñados conectados a sistemas de vapor, pero esto es cada vez menos común, el aceite solía ser utilizado también, pero esto es bastante raro hoy en día.
Elemento calefactor de agua
El elemento calefactor de agua se encuentra normalmente en los calorificadores y calentadores de agua, también se utiliza a veces en la cuenca de las torres de refrigeración abiertas para evitar que el agua se congele en invierno. Estos utilizan una bobina de metal a lo largo del tubo que tiene un alto valor de resistencia. Esta resistencia genera calor. La bobina está aislada para contener el flujo de corriente pero permitir el flujo de energía térmica. El elemento calefactor se sumerge en un tanque de agua y el calor sale del elemento y entra en el agua. El agua que entra en contacto con el elemento calefactor se calienta y esto hace que se eleve dentro del tanque, el agua más fría fluye entonces para reemplazar esta agua calentada donde este ciclo continuará.
Rueda giratoria
Este tipo de intercambiadores de calor se encuentran generalmente dentro de la unidad de tratamiento de aire entre los flujos de aire canalizado de suministro y de extracción. Funcionan utilizando un pequeño motor eléctrico conectado a una correa de polea para hacer girar lentamente el disco del intercambiador de calor que se encuentra directamente en el flujo de aire entre el escape y la entrada de aire fresco. El aire pasa directamente a través del disco, pero al hacerlo entra en contacto con el material de la rueda. El material del disco intercambiador de calor absorbe la energía térmica de una corriente de aire y, al girar, entra en la segunda corriente de aire, donde liberará esta energía térmica absorbida. Este tipo de intercambiador de calor dará lugar a una pequeña cantidad de mezcla de fluidos entre la corriente de aire de entrada y de salida debido a los pequeños espacios presentes donde la rueda gira, por lo tanto, no se puede utilizar donde se utilizan olores fuertes o humos tóxicos.
Estos intercambiadores de calor se pueden utilizar en los meses de invierno para recuperar el calor de la corriente de escape de los edificios, este calor es capturado por la rueda térmica y se transfiere a la corriente de entrada de aire fresco que será mucho más fresco que el aire dentro del edificio.
Estos intercambiadores de calor también se pueden utilizar en los meses de verano para recuperar el aire frío de los gases de escape de los edificios y utilizarlo para enfriar la entrada de aire fresco.
Caldera de agua
Encuentra grandes calderas como esta sobre todo en edificios comerciales medianos y grandes en climas más fríos. Los hogares y los edificios más pequeños utilizarán versiones mucho más pequeñas, generalmente montadas en la pared. Ambos tienen muchas variaciones, pero este tipo es muy común.
El combustible se quema en la cámara de combustión (normalmente gas o aceite) y los gases de escape calientes son forzados a través de una serie de tubos hasta que llegan a la chimenea y son liberados a la atmósfera. Los tubos y la cámara de combustión están rodeados de agua. El calor convecta con las paredes de los tubos y es conducido a través del agua, que es arrastrada por convección. Dependiendo del diseño del sistema, el agua sale como agua calentada o como vapor. Esta agua es forzada por una bomba, la velocidad de la bomba, así como la cantidad de combustible quemado se puede variar para cambiar la temperatura y el caudal.
Tubo de calor
Los encontrará en los calentadores de agua solares térmicos y en algunos serpentines de UTA de recuperación de calor. Si nos fijamos en la aplicación solar térmica, tenemos un tubo hecho de un vidrio especial que se evacua de todo el aire para crear un vacío y luego se sella. La capa interior del tubo tiene un revestimiento especial. El revestimiento y el vacío trabajan juntos para evitar que el calor pueda salir una vez que entra en el tubo, y ayuda a trasladarlo al tubo de calor en el centro.
El tubo de calor tiene una aleta en cada lado conectada al revestimiento del tubo para recoger la energía térmica.
El tubo de calor es un tubo de cobre largo y hueco sellado que recorre la longitud del tubo de vidrio y tiene un bulbo que sobresale en la parte superior. El bulbo está conectado a un cabezal y el agua fría pasa a través del cabezal para atravesar la cabeza del bulbo.
Dentro del tubo de calor hay una mezcla de agua mantenida a muy baja presión. Esta baja presión permite que el agua se evapore y se convierta en vapor con poca adición de calor. El vapor sube entonces al bulbo donde cede su calor al agua que fluye por el cabezal. A medida que el vapor cede su calor, se condensa y vuelve a descender para repetir el ciclo. El tubo absorbe la radiación térmica, que es conducida al interior del tubo. El agua del interior convecta esto hasta el bulbo, el calor es conducido a través de la pared del tubo y es llevado por convección a la corriente de agua.
Viga fría
Hay dos tipos de vigas frías utilizadas, pasivas y activas. Ambos se utilizan principalmente en edificios comerciales.
Los módulos refrigerantes activos funcionan haciendo pasar un líquido frío, normalmente agua, a través de un intercambiador de calor de tubos con aletas. A continuación, el aire se introduce en la viga fría y sale a través de unas toberas especialmente colocadas. Este aire se desplaza sobre el tubo aletado y sopla el aire frío en la habitación. Por lo tanto, se utiliza la convección forzada.
Las vigas frías pasivas también utilizan un intercambiador de calor de tubos aleteados, pero no tienen conectado un suministro de aire por conductos. En su lugar, crean una corriente de convección natural al enfriar el aire caliente a nivel del techo. Este aire enfriado se hunde y es reemplazado por aire más caliente donde el ciclo se repite.
Calentador de horno
Los calentadores de horno son comunes en los hogares con aire acondicionado por conductos. Son muy comunes en América del Norte. Los calentadores de horno utilizan un intercambiador de calor colocado directamente en el vapor de aire canalizado. El combustible se quema y el gas caliente se envía a través del intercambiador de calor, el calor de este se convoca en las paredes del intercambiador de calor, el aire canalizado más frío pasa a través del otro lado causando una diferencia de temperatura por lo que el calor del gas se lleva a cabo a través de la pared y se llevará a cabo por convección.
Intercambiador de calor de placas
Hay dos tipos principales de intercambiadores de calor de placas, tipo de junta y tipo de placa soldada. Ambos son muy eficaces en la transferencia de energía térmica, para una mayor eficiencia y un diseño compacto puede utilizar intercambiadores de calor de microplacas para muchas aplicaciones. Hemos cubierto todos estos intercambiadores de calor en gran detalle anteriormente.
Las cosas básicas que hay que saber acerca de estos dos tipos de intercambiadores de calor es que el tipo de junta se puede desmontar, su capacidad de calefacción o refrigeración se puede aumentar o disminuir simplemente añadiendo o quitando placas de transferencia de calor. Se utilizan especialmente en edificios comerciales de gran altura para conectar indirectamente enfriadores, calderas y torres de refrigeración a los circuitos de calefacción y refrigeración y para conectar los edificios a las redes de energía del distrito.
Los intercambiadores de calor de placas soldadas son unidades selladas que no se pueden desmontar, su capacidad de calefacción o refrigeración es fija. Se utilizan para aplicaciones como, bombas de calor, calderas mixtas, unidades de interfaz de calor, calorificadores de conexión indirectamente, etc.
Ambos funcionan haciendo pasar fluidos, generalmente en direcciones opuestas, en canales adyacentes. Los fluidos suelen ser agua y/o refrigerante. La energía térmica se convecta en la placa, luego se conduce a través de la placa y el fluido en el otro lado lleva esto lejos a través de la convección.
Bombas de calor
Las bombas de calor se utilizan principalmente en los hogares, pero a veces en las propiedades comerciales. Hay dos tipos principales de bombas de calor: de fuente de aire y de fuente de tierra. La fuente de aire se utiliza comúnmente para la calefacción de espacios, mientras que la fuente de tierra se utiliza más comúnmente para el calentamiento de agua.
La fuente de aire funciona como un sistema de aire acondicionado, pero al revés, en lugar de eliminar el calor de una habitación, lo añade. Un refrigerante pasa del compresor a la unidad interior que contiene un intercambiador de calor de tubos con aletas. El refrigerante transfiere su calor por convección a las paredes de los tubos y lo conduce al otro lado. En el otro lado se encuentra el aire frío de la habitación que es forzado a cruzar el intercambiador de calor por un pequeño ventilador, el cual transporta el calor por convección. El refrigerante fluye entonces a la válvula de expansión y luego a la unidad exterior, que también es un intercambiador de calor de tubos con aletas o un intercambiador de calor de microcanales.
Cuando el aire pasa por este intercambiador de calor, el aire ambiente hará que el refrigerante hierva y recoja calor. Este calor se abre paso a través del compresor hasta la unidad interior para repetir el ciclo.
La fuente terrestre funciona de forma un poco diferente. Una mezcla de agua y anticongelante se bombea a través de tuberías en el suelo para recoger el calor. Este se transfiere a un pequeño ciclo de refrigeración a través de un intercambiador de calor de placas soldadas. El refrigerante lleva esto a un segundo intercambiador de calor de placas soldadas que está conectado a otro bucle de agua esta vez la transferencia de su calor en un tanque de agua caliente por lo general a través de un tubo en espiral sin aletas.
Intercambiador de cáscara y tubo
Los intercambiadores de calor de cáscara y tubo se encuentran típicamente en enfriadores en el evaporador y o condensador, a veces también como un enfriador de aceite lubricante.
Estos son posiblemente el diseño más simple de intercambiador de calor. Tienen un contenedor exterior conocido como carcasa. En el interior de la carcasa hay una serie de tubos denominados tubos. Los tubos contienen un fluido y la carcasa contiene otro fluido. Los dos fluidos están siempre separados por las paredes de los tubos, nunca se encuentran ni se mezclan. Los fluidos estarán a diferentes temperaturas, lo que hace que la energía térmica se transfiera entre los fluidos y que esta energía térmica pase a través de las paredes de los tubos. Cuando se utiliza en el evaporador o en el condensador, los dos fluidos serán agua y refrigerante. Dependiendo del diseño, el agua puede estar en la carcasa o en el tubo y el refrigerante estará en el otro.
Enfriador
Un enfriador utilizará un intercambiador de calor de carcasa y tubos, un intercambiador de calor de placas o un intercambiador de calor de tubos con aletas. En realidad, muchos enfriadores utilizan una combinación de todos ellos. Por ejemplo, una enfriadora refrigerada por aire puede utilizar un intercambiador de calor de carcasa y tubos para el evaporador, un intercambiador de calor de tubos aleteados o de microcanales para el condensador, un intercambiador de calor de placas soldadas para la refrigeración de la lubricación del aceite de los compresores y un intercambiador de calor de placas con juntas para conectar indirectamente la enfriadora con el circuito central de refrigeración.