Francisco Pérez Posadas

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1 Autorizada la entrega del proyecto: Medida y caracterización de un intercambiador de calor en espiral Realizado por: Francisco Pérez Posadas Vº Bº del director del proyecto: Firmado: Domingo Guinea Díaz Fecha: /../ Vº Bº del coordinador de proyectos: Firmado: Álvaro Sánchez Miralles Fecha: /../

2 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Ingeniero en Automática y Electrónica Industrial PROYECTO FIN DE CARRERA MEDIDA Y CARACTERIZACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR EN ESPIRAL AUTOR: Francisco Pérez Posadas MADRID, Junio 2011

3 UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) Ingeniero en Automática y Electrónica Industrial PROYECTO FIN DE CARRERA MEDIDA Y CARACTERIZACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR EN ESPIRAL DIRECTOR: AUTOR: Domingo Guinea Díaz Francisco Pérez Posadas MADRID, Junio 2011

4 MEDIDA Y CARACTERIZACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR EN ESPIRAL. Autor: Pérez Posadas, Francisco. Director: Guinea Díaz, Domingo. Entidad Colaboradora: Consejo Superior de Investigaciones Científicas. RESUMEN DEL PROYECTO Durante los últimos años, debido al incremento del coste de los combustibles fósiles y los problemas medioambientales derivados de su explotación, se esta asistiendo a un renacer de las energías renovables. Las energías renovables son inagotables, limpias y se pueden utilizar de forma autogestionada, además tienen la ventaja adicional de complementarse entre sí, favoreciendo la integración entre ellas. El uso de las tecnologías de energía renovable son un componente necesario y estratégico para una utilización más eficiente de los recursos naturales y para su conservación, en estos casos los materiales, configuración y funcionamiento han de tener características muy diferentes de aquellas que ofrecen la mayor parte de los dispositivos industriales existentes. El presente proyecto tiene por objetivo la integración de un intercambiador de calor en espiral en una instalación solar térmica con el uso de materiales de cambio de fase que favorecen el almacenamiento del calor. Para llevar a cabo el proyecto se realizó el diseño y construcción de un prototipo de intercambiador de calor en espiral, este tipo de intercambiador de calor presenta un mejor rendimiento de transferencia térmica por unidad de volumen en relación a los intercambiadores de calor de placas plano-paralelas que se usan en la actualidad en las instalaciones solares térmicas. En la figura que se muestra a continuación, se puede observar la configuración del intercambiador de calor en espiral y la disposición de los fluidos en su interior para favorecer el intercambio de calor.

5 Realizado el diseño y construcción del prototipo del intercambiador de calor en espiral se procede a su integración en un sistema solar térmico. Para este procedimiento se siguieron las siguientes fases: Estudio meteorológico de la zona donde se implantará el sistema solar térmico. Descripción de la instalación solar térmica. Descripción del circuito primario y componentes. Fluido caloportador. Descripción del circuito secundario y componentes. El esquema de la instalación solar térmica con la integración del prototipo de intercambiador de calor en espiral para las distintas aplicaciones y todos los componentes necesarios para el correcto funcionamiento de la instalación se muestra en la siguiente imagen.

6 El principio de funcionamiento en el que se basa este tipo de instalación es el de obtener la energía de la radiación solar en forma de calor, el cual es traspasado al fluido caloportador (mezcla de agua y anticongelante) que circulará por la instalación calentando el aire en el caso de la aplicación de climatización o calentando el agua en el caso de la aplicación de agua corriente sanitaria. Se analizó la posibilidad de usar materiales de cambio de fase (parafinas o sales hidratadas) como una aplicación innovadora en la gestión de almacenamiento de calor para las diferentes aplicaciones, climatización (23ºC) y agua corriente sanitaria (60ºC y 40ºC). Concluido el estudio de integración del intercambiador de calor en espiral en un sistema solar térmico se obtuvieron los siguientes resultados: - La superficie total de intercambio será la correspondiente a las láminas separadoras ente los fluidos, dos veces el desarrollo de la sección espiral por la longitud de las láminas a lo largo del eje. - La conductividad térmica del material usado para la construcción del intercambiador de calor en espiral y alteraciones superficiales (corrugado) contribuyen a mejorar la eficacia de intercambio. - Inclusión en el interior de las cámaras por donde circulan los fluidos de lanas, espumas o mallas de material conductor, mejora la transferencia de calor, hecho de especial relevancia en el caso de fluidos de baja conductividad térmica como es el aire.

7 A partir de estos resultados se analizó la posibilidad de usar materiales de cambio de fase como una aplicación innovadora en la gestión de almacenamiento de calor para las diferentes aplicaciones, climatización y agua corriente sanitaria. La capacidad de acumulación viene dada por la masa de material de cambio de fase contenida en el intercambiador de calor y por el calor latente de fusión de este material, asimismo el calor almacenado será proporcional a la densidad y el calor latente de fusión del material seleccionado. El estudio realizado supone importantes mejoras de la tecnología solar térmica ya existente destacando el uso de un dispositivo de intercambio de calor más ligero, compacto y con un coste de fabricación reducido, que sirve como nexo de unión para conseguir complementar dos tecnologías no contaminantes energía solar, variable en el tiempo y materiales de cambio de fase de manera satisfactoria. El caudal del circuito primario se establece de forma que la cámara en la que se encuentra el material de cambio de fase se encuentre siempre en estado de semifusión, ya que en este estado se presenta como la mejor alternativa a considerar, debido a la gran densidad de acumulación energética por unidad de volumen con una escasa variación de temperatura, gracias al calor latente de cambio de fase. Los diferentes dispositivos (intercambiadores de calor en espiral con material de cambio de fase) para las aplicaciones de climatización y agua corriente sanitaria se instalan en cascada (captura a varias temperaturas) lo que redunda en un notable incremento de la eficiencia energética del sistema.

8 MEASURE AND CHARACTERIZATION OF A SPIRAL HEAT EXCHANGER PROJECT SUMMARY During the last years, due to the increase of the cost of the fossil fuels and the environmental problems derived from their exploitation, it has being present at a revival of the renewable energies. The renewable energies are inexhaustible, clean and they can be in use of self-managed form. In addition, they have the advantage of complementing itself between them, favouring the integration between them. The use of the renewable energy technologies are a necessary and strategic component for a more efficient utilization of the natural resources and for its conservation. In these cases, the materials configuration and functioning have to have characteristics very different from those that offer most of the industrial existing devices. This project is focused in the integration of a heat exchanger in spiral in a solar thermal installation with the use of materials of phase change that favour the storage of the heat. To carry out the project there was realized the design and construction of a prototype of heat exchanger in spiral, this type of heat interchanger presents a better performance of thermal transfer for unit of volume in relation to the heat exchangers of plane-parallel collectors that actually are used in the solar thermal facilities. In order to carry out the project was designed and constructed a prototype of heat exchanger in spiral. This kind of heat exchanger has better heat transfer per unit of volume in relation to the heat exchanger based on plane-parallel collectors which currently are used in lots of solar thermal systems. In the figure that appears below, it is possible to observe the configuration of the heat exchanger in spiral and the disposition of the fluids in its interior to favour the heat exchange.

9 Once we have accomplished the design and construction of the heat exchanger prototype it is appropriate to integrate it into a solar thermal system. In order to develop this procedure we have accomplished the following steps: Meteorological study in the area where the solar thermal system will be established. Description of the solar thermal system. Description of the primary circuit and components. Heat transfer fluid. Description of the secondary circuit and components. The scheme of the solar thermal system with the integration of the prototype heat exchanger in spiral for different applications and all components necessary for the correct functioning of the installation as it is shown in the following picture.

10 The beginning of functioning on which this type of installation is based on obtaining the energy of the solar radiation by heat, which is transferred to the heat transfer fluid (mixture of water and antifreeze) that will circulate along the installation warming the air in case of the air conditioning or warming applications the water in the case of the application of sanitary watercourse. There was analyzed the possibilities of using materials of changing phase (paraffins or hydrated salts) as an innovative application in the heat storage management in the different applications, air conditioning (23ºC) and sanitary watercourse (60ºC and 40ºC). Once concluded the study of integration of the spiral heat exchanger in a solar thermal system the following results were obtained: - The total exchange area will be the correspondent to the separating slipsheets of the fluids, two times the development of the section spiral for the length of the sheets along the axis. - The thermal conductivity of the material used for the construction of the heat interchanger in spiral and superficial alterations, they help to improve the efficiency of exchange. - Incorporation inside the chambers where circulate the fluids of wools, foams or meshes of conductive material, improving the transfer of heat, a fact of special relevancy in case of fluids of low thermal conductivity like the air.

11 From these results there were analyzed the possibilities of using materials of changing phase as an innovative application in the heat storage management for the different applications, air conditioning and sanitary watercourse. The capacity of accumulation is given by the mass of material of changing phase contained in the heat exchanger and by the latent heat of fusion of this material. Likewise the heat stored will be proportional to the density and the latent heat of fusion of the selected material. The study carried out supposes important improvements of the solar thermal systems existing, the use of a heat exchange device lighter, more compact and reduced manufacturing cost, which serves as a link to get clean technologies complement two solar energy, variable in time and phase change materials in a satisfactory manner. The flow of the primary circuit is set so that the chamber in which is the phase change material is always in a state of semi fusion, since in this state is presented as the best alternative to consider, because of the high density energy accumulation per unit volume with a small variation in temperature due to latent heat of phase change.

12 Memoria

13 Memoria. Introducción 3 Índice general Parte I Memoria...8 Capítulo 1 Introducción Introducción a la tecnología Estudio de las tecnologías existentes Motivación Objetivos Metodología...36 Capítulo 2 Datos meteorológicos Estudio estadístico de los datos meteorológicos Presentación de resultados del estudio estadístico...39 Capítulo 3 Realización de un intercambiador de calor en espiral Intercambiador de calor en espiral Componentes constructivos del prototipo de intercambiador en espiral Procedimiento seguido para la construcción del prototipo de intercambiador de calor en espiral Caracterización del intercambiador de calor en espiral Mejoras que se introducen con este diseño...50 Capítulo 4 Instalación solar térmica Ubicación y descripción del edificio Descripción de la instalación solar térmica Circuito Primario Captador solar Fluido caloportador Circuito Secundario...70

14 Memoria. Introducción 4 Capítulo 5 Materiales de cambio de fase Introducción a los materiales de cambio de fase Interés en el uso de materiales de cambio de fase Aplicación de los materiales de cambio de fase...76 Capítulo 6 Gestión de la instalación Diagrama de flujo del algoritmo general de la instalación...82 Capítulo 7 Capítulo 8 discusión y conclusiones...85 Bibliografía...88

15 Memoria. Introducción 5 Índice de figuras Figura 1: Energía renovable...9 Figura 2: Clasificación de las energías renovables...10 Figura 3: Desglose de energía producida en España...11 Figura 4: Colector solar plano...12 Figura 5: Colector de tubos de vacío...14 Figura 6: Colector de tubos de propileno...16 Figura 7: Equipo termosifónico...17 Figura 8: Clasificación según superficie...24 Figura 9: Intercambiador de doble tubo Figura 10: Intercambiador de coraza y haz de tubos...26 Figura 11: Intercambiador de placas...28 Figura 12: Intercambiador en espiral...30 Figura 13: Reservas mundiales de combustibles fósiles...33 Figura 14: Evolución de gases de efecto invernadero vs plan de Kioto...34 Figura 15: Temperaturas medias mensuales...40 Figura 16: Variación de la humedad relativa a lo largo del año...40 Figura 17: Espectro electromagnético de la radiación solar...41 Figura 18: Radiaciones mensuales incidentes sobre plano horizontal...42 Figura 19: Prototipo de intercambiador en espiral Figura 20: Prototipo de intercambiador en espiral Figura 21: Prototipo de intercambiador en espiral Figura 22: Prototipo de intercambiador en espiral Figura 23: Prototipo de intercambiador en espiral Figura 24: Disposición de flujos en el intercambiador...48 Figura 25: Disposición de flujos en el intercambiador...48 Figura 26: Carcasa y ventilador...50 Figura 27: Ubicación de la caseta de pruebas...53 Figura 28: Esquema de la instalación solar térmica...53 Figura 29: Esquema del circuito primario...55

16 Memoria. Introducción 6 Figura 30: Ángulo acimut según inclinación...58 Figura 31: Variación de la Tº con la proporción de propilenglicol en agua...68 Figura 32: Esquema del circuito secundario...71 Figura 33: MCF sólido-líquido...73 Figura 34: Clases de materiales de cambio de fase...75 Figura 35: Instalación con inclusión de MCF...77 Figura 36: Instalación con la disposición de los sensores de medida...80 Figura 37: Diagrama de flujo algoritmo general de la instalación...82

17 Memoria. Introducción 7 Índice de tablas Tabla 1: Temperaturas medias mensuales...39 Tabla 2: Humedad relativa media mensual...40 Tabla 3: Radiaciones mensuales incidentes sobre plano horizontal...42 Tabla 4: Factor de inclinación, k para latitud 40º...57 Tabla 5: Recopilación de radiaciones mensuales sobre plano horizontal...59 Tabla 6: Propiedades de la mezcla agua- propilenglicol. ( fuente: Technical Suport Department)...69 Tabla 7: Ventajas e inconvenientes MCF utilizados...75

18 Memoria. Introducción 8 Parte I MEMORIA

19 Memoria. Introducción 9 Capítulo 1 INTRODUCCIÓN 1 Introducción a la tecnología El aprovechamiento por el hombre de las fuentes de energía renovable, es muy antiguo, desde muchos siglos antes de nuestra era ya se utilizaban y su empleo continuó durante toda la historia hasta la llegada de la "Revolución Industrial", en la que, debido al bajo precio del petróleo, fueron abandonadas. Durante los últimos años, debido al incremento del coste de los combustibles fósiles y los problemas medioambientales derivados de su explotación, estamos asistiendo a un renacer de las energías renovables. Las energías renovables son inagotables, limpias y se pueden utilizar de forma autogestionada, además tienen la ventaja adicional de complementarse entre sí, favoreciendo la integración entre ellas. Figura 1: Energía renovable.

20 Memoria. Introducción 10 La tecnología de aprovechamiento de energía solar térmica es un componente necesario y estratégico para una utilización más eficiente de los recursos naturales y para su conservación. Hay un gran potencial técnico en la sustitución de la combustión de combustibles fósiles con el uso de este tipo energía renovable. Se puede obtener un aprovechamiento energético del Sol de una manera directa o indirecta, a continuación se puede ver una clasificación de las energías renovables y de cómo todas parten del Sol. Figura 2: Clasificación de las energías renovables. Actualmente, dentro del abanico de energías renovables empleadas en España, la eólica es la de mayor importancia, seguida por la hidráulica y en menor importancia fotovoltaica entre otras tal y como se muestra en el gráfico siguiente.

21 Memoria. Introducción 11 Figura 3: Desglose de energía producida en España. En cualquier caso para los próximos años se prevé una gran demanda de uso de la energía solar impuesta por el contexto que tratan de desarrollar las políticas energéticas materializadas en diferentes planes de actuación a nivel europeo, nacional y regional [IDEA10]. La energía solar térmica es el sector energético solar más experimentado y avanzado, hasta llegar al punto de poder competir directamente con cualquier otro sistema para el calentamiento de líquidos y de control del flujo térmico, resulta muy interesante como alternativa viable y real a las actuales instalaciones de calefacción, aire acondicionado y agua caliente sanitaria (ACS), lo cual, supondría un importante ahorro energético en edificios y otras construcciones.

22 Memoria. Introducción 12 2 Estudio de las tecnologías existentes En este apartado del primer capítulo de la memoria se ha querido indagar en las tecnologías existentes en energía solar térmica, en concreto con los componentes esenciales que conforman el circuito primario, placa solar e intercambiador de calor que dan sentido a la utilización de esta aplicación de energía renovable de una manera eficaz y no contaminante. En primer lugar se realizará un estudio de los paneles solares más utilizados en las aplicaciones de media y baja temperatura indicando cuales son sus diferencias y qué ventajas presentan. Existen distintos tipos de dispositivos para el aprovechamiento de la energía solar en su versión térmica, entre los que se puede destacar los citados a continuación: - Colectores solares planos: Son elementos de captación de radiación solar constituidos por un bastidor, típicamente metálico, con aislamiento térmico interior, en todo su perímetro, (exceptuando la ventana expuesta a la radiación solar directa, cuya cubierta esta constituida por un cristal templado de bajo contenido en hierro). Figura 4: Colector solar plano.

23 Memoria. Introducción 13 En su interior existen unas tuberías metálicas (típicamente de cobre) por donde circula una mezcla de agua destilada y anticongelante, y sobre la que se encuentra soldada una lámina absorbente (cobre o aluminio) con tratamiento específico para incrementar el rendimiento de absorción de radiación y aumentar la temperatura del comentado líquido circulante. Estos elementos han sido diseñados de forma que el rendimiento (energía absorbida en función de la energía solar incidente) sea lo más alto posible. Son típicos rendimientos del orden de 0,7 a 0,8. El intercambio de calor del líquido caloportador interior y el agua de consumo se hace fuera del captador, bien en un serpentín interno al depósito de acumulación, bien en un intercambiador de placas, o bien en la superficie de contacto de un depósito con doble envolvente. Ventajas: Mayor resistencia ante las inclemencias del tiempo (granizo, heladas). Mayor resistencia ante las altas temperaturas y bajo consumo en periodos de alta radiación y bajo consumo (estancamiento). Buen rendimiento para zonas de radiación intermedia-alta (península ibérica). Cálculo teórico inicial ajustado a la realidad de funcionamiento (alta experiencia). Rapidez de instalación al tratarse de bloques completos. Inconvenientes: El captador es un todo, si hay un problema en una de las tuberías internas es necesario cambiar todo el captador. El peso es mayor que en sistemas de tubos de vacío o de polipropileno.

24 Memoria. Introducción 14 - Colectores de tubos de vacío: Al igual que el elemento descrito anteriormente, se han diseñado para optimizar la absorción de la energía solar y convertirla en energía térmica. En este caso, cada uno de los tubos que forman el captador está constituido por dos cilindros concéntricos de cristal templado entre los cuales se ha realizado el vacío a fin de evitar las perdidas de temperatura por conducción y convección así como por emisión de radiación infrarroja. Figura 5: Colector de tubos de vacío. En el interior de esta camisa de cristal, se encuentra una tubería (de cobre) que tiene soldado una lámina de absorción (típicamente de cobre). Dentro de dicha tubería se encuentra una mezcla de agua destilada y alcohol que al calentarse se vaporiza ascendiendo hacia la parte superior de dicho tubo donde se encuentra en intimo contacto con la tubería de agua de consumo. Una vez el intercambio de calor se ha realizado, la mezcla pierde temperatura y se licua bajando a la parte inferior del tubo de vacío donde se vuelve a producir el ciclo. En este caso, el intercambio de calor entre el líquido caloportador y el agua de consumo se hace en el propio captador en su parte superior donde se

25 Memoria. Introducción 15 encuentra el mainfold de conexión de los diferentes tubos de vacío componentes del panel captador. Ventajas: Mayor rendimiento (el que más). Posibilidad de orientar las placas absorbedores de los tubos de forma independiente, mejorando rendimientos en situaciones de instalaciones con problemas de orientación de cubierta respecto del sur. Inconvenientes: Fragilidad de los tubos en condiciones climáticas adversas (granizo, carga de nieve). Fragilidad de los tubos en condiciones de radiación elevada. Problemas de ajuste de temperaturas en la instalación en relación con el estudio realizado, la experiencia muestra problemas de coincidencia entre los valores teóricos y los reales. - Colectores de tubos de propileno: En este caso, se esta hablando de tuberías de color oscuro que asemejan las características físicas de un cuerpo negro (un cuerpo negro expuesto a radiación solar incrementa rápidamente su temperatura). A diferencia con los sistemas captadores anteriormente descritos este sistema no dispone de ventana de cristal, o doble cilindro concéntrico, ni aislamiento térmico en su periferia, por lo que las perdidas que experimenta por conducción y convección son muy elevadas.

26 Memoria. Introducción 16 Figura 6: Colector de tubos de propileno. El colector de polipropileno está principalmente recomendado para el calentamiento de piscinas ampliando el periodo de baño. Para este tipo de aplicación tiene una serie de ventajas esenciales como puede ser el hecho de que no necesita sistema de intercambio, ya que, es el mismo agua de la piscina el que se hace circular por las tuberías de Polipropileno al no verse afectado este material por los productos de tratamiento utilizado ( cloros, antialgas, estabilizadores de ph). Ventajas: Precio muy competitivo (el más económico). Instalación muy sencilla (no necesita de intercambiadores). Muy resistente ante condiciones climáticas adversas. Inconvenientes: Grandes pérdidas por conducción y convección. Rango de aplicaciones reducido (básicamente calentamiento de piscinas no cubiertas).

27 Memoria. Introducción 17 Necesidad de vaciado en periodos de muy bajas temperaturas (no existe mezcla de anticongelante con el líquido que circula por su interior). - Equipos termosifónicos: Están constituidos por un sistema captador solar térmico (puede ser de cualquiera de los tipos anteriores) y un sistema de almacenamiento (acumulador solar) que se encuentra en las proximidades del captador y en un plano superior. Figura 7: Equipo termosifónico. El depósito cuenta con un sistema de intercambio, bien doble envolvente (el líquido caloportador circula por la cámara exterior mientras que el agua de consumo se encuentra en el deposito interior), bien un sistema de serpentín interno (en este caso es el agua de consumo la que se encuentra alrededor del serpentín donde circula el líquido caloportador). El funcionamiento normal se realiza del siguiente modo: En condiciones de radiación alta, el líquido caloportador en el captador incrementa su temperatura, su densidad baja y por tanto dicho líquido

28 Memoria. Introducción 18 caloportador asciende hasta alcanzar el sistema de intercambio en el depósito. Una vez se ha realizado la transferencia de temperatura, por contacto entre las superficies en el acumulador (bien de la doble envolvente, bien del serpentín interno), la temperatura del líquido caloportador desciende, lo que hace que aumente su densidad y por efecto de la gravedad caiga hasta la parte inferior donde bien entra en el captador solar (caso del captador plano), bien vuelve a la zona de contacto del mainfold de intercambio (caso del captador de tubos de vacío), esta es la razón por la que el depósito debe de situarse próximo y en un plano superior, en relación con el captador. A continuación, se realizará el estudio del siguiente componente esencial que conforma el circuito primario como ya se adelanto al comienzo de este apartado, se trata de hacer referencia e indagar en el uso de los dispositivos denominados intercambiadores de calor, los cuales favorecen el aprovechamiento y la utilización de la tecnología solar térmica. Los intercambiadores de calor son dispositivos que facilitan la transferencia de calor entre dos fluidos. Deben satisfacer especificaciones: Térmicas: intercambio de la potencia térmica necesaria. Hidráulicas: limitación de la pérdida de carga en uno o en ambos flujos. Los intercambiadores de calor se emplean en: Sistemas de generación de energía (caldera y condensador en centrales). Sistemas de refrigeración (radiadores).

29 Memoria. Introducción 19 Sistemas de calefacción (calderas y radiadores). Industria química. Circuitos frigoríficos y bombas de calor. Los equipos de transferencia de calor entre dos o más corrientes de proceso a diferentes temperaturas pueden trabajar como: Enfriador: es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que ocurra cambio de fase. Calentador: equipo en el cual se aumenta la entalpía (cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno) de una corriente, sin que normalmente ocurra un cambio de fase. Como fuente de calor se utiliza una corriente de servicio, la cual puede ser vapor de agua, aceite caliente, fluidos especiales para transferencia de calor. Refrigerador: es una unidad que utiliza una sustancia refrigerante para enfriar un fluido, hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara aire o agua como medio de enfriamiento. Condensador: es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten total o parcialmente en líquidos. Generalmente se utiliza agua o aire como medio de enfriamiento. El termino condensador de contacto directo es una unidad en la cual el vapor es condensado mediante contacto con gotas de agua. Evaporador: es un intercambiador diseñado específicamente para aumentar la concentración de las soluciones acuosas mediante la evaporación de una parte del agua. Vaporizador: es un intercambiador que convierte líquido a vapor. El término vaporizador se refiere normalmente a aquellas unidades que manejan líquidos diferentes al agua.

30 Memoria. Introducción 20 Rehervidor: es un vaporizador que suministra el calor latente de vaporización al fondo (generalmente) de una torre fraccionadora (torre de destilación). Hay dos tipos generales de rehervidores, aquéllos que envían dos fases a la torre para separar el vapor del líquido y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante circulación natural (comúnmente llamados termosifones) o circulación forzada. Los termosifones son los tipos de rehervidores más comunes, utilizados en la industria petrolera. Los rehervidores de circulación forzada requieren de una bomba para impulsar el líquido a evaporar a través del intercambiador, son utilizados con menor frecuencia debido al costo adicional del bombeo. Generadores de vapor: son un tipo especial de vaporizadores usados para producir vapor de agua. Como fuente de calor se utiliza generalmente el calor en exceso que no se requiere para el proceso de ahí que a estos rehervidores se les llame comúnmente calderas de recuperación de calor. Al igual que los rehervidores, los generadores de vapor pueden ser de circulación forzada o termosifones. Sobrecalentador: es una unidad que calienta el vapor por encima de su temperatura de saturación. Para clasificar los equipos de intercambio de calor no existe un criterio único, a continuación se realizará una exposición de los diferentes criterios: 1) De Acuerdo al Proceso de Transferencia - De Contacto Directo: En este tipo de intercambiador, el calor es transferido por contacto directo entre dos corrientes en distintas fases (generalmente un gas y un líquido de muy baja presión de vapor) fácilmente separables después del proceso de

31 Memoria. Introducción 21 transferencia de energía, como ejemplo se tienen las torres de enfriamiento de agua con flujo de aire. El flujo de aire puede ser forzado o natural. - De Contacto Indirecto: En los intercambiadores de tipo contacto indirecto, las corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se realiza a través de una pared divisora, o desde el interior hacia el exterior de la pared de una forma no continua. Cuando el flujo de calor es intermitente, es decir, cuando el calor se almacena primero en la superficie del equipo y luego se transmite al fluido frío, se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o regenerador. La intermitencia en el flujo de calor es posible debido a que el paso de las corrientes tanto caliente como fría es alternado, como ejemplo pueden mencionarse algunos precalentadores de aire para hornos. Aquellos equipos en los que existe un flujo continuo de calor desde la corriente caliente hasta la fría, a través de una delgada pared divisora son llamados intercambiadores tipo transferencia directa o simplemente recuperadores, éstos son los más usados a nivel industrial. 2) De Acuerdo a los Mecanismos de Transferencia de Calor Los mecanismos básicos de transferencia de calor entre un fluido y una superficie son: - Convección en una sola fase, forzada o libre. - Convección con cambio de fase, forzada o libre: condensación ó ebullición. - Una combinación de convección y radiación. Cualquiera de estos mecanismos o una combinación de ellos pueden estar activos a cada lado de la pared del equipo. Por ejemplo, convección en una sola fase se encuentra en radiadores de automóviles, enfriadores, refrigeradores, etc. Convección monofásica de un lado y bifásica del otro se puede encontrar en evaporadores, generadores de vapor, condensadores, etc.

32 Memoria. Introducción 22 Por su parte la convección acompañada de radiación térmica juega un papel importante en intercambiadores de metales líquidos, hornos, etc. 3) De Acuerdo al Número de Fluidos Involucrados La mayoría de los procesos de disipación o recuperación de energía térmica envuelve la transferencia de calor entre dos fluidos, de aquí que los intercambiadores de dos fluidos sean los más comunes, sin embargo, se encuentran equipos que operan con tres fluidos. Por ejemplo, en procesos criogénicos y en algunos procesos químicos: separación aire-helio, síntesis de amonio. 4) De Acuerdo a la Disposición de los Fluidos El escoger una disposición de flujo en particular depende de la eficiencia de intercambio requerida, los esfuerzos térmicos permitidos, los niveles de temperatura de los fluidos, entre otros factores. Algunas de las disposiciones de flujo más comunes son: - Intercambiadores de Calor de Paso Único: Se distinguen tres tipos básicos: a) Flujo en Paralelo: En este tipo ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el otro extremo. Las variaciones de temperatura son idealizadas como unidimensionales. Termodinámicamente es una de las disposiciones más pobres, sin embargo, se emplea en los siguientes casos: cuando los materiales son muy sensibles a la temperatura ya que produce una temperatura más uniforme, cuando se desea mantener la misma efectividad del intercambiador sobre un amplio intervalo de flujo y en procesos de ebullición. b) Flujo en Contracorriente: En este tipo los fluidos fluyen en direcciones opuestas el uno del otro. Las variaciones de temperatura son

33 Memoria. Introducción 23 idealizadas como unidimensionales. Termodinámicamente esta es la disposición de flujo superior a cualquier otra. c) Flujo Cruzado: En este tipo de intercambiador, los flujos son normales uno al otro. Las variaciones de temperatura son idealizadas como bidimensionales. Termodinámicamente la efectividad de estos equipos es intermedia a las dos anteriores. - Intercambiadores de Calor de Pasos Múltiples Una de las ventajas de los pasos múltiples es que mejoran el rendimiento total del intercambiador, con relación al paso único. Pueden encontrarse diferentes clasificaciones de acuerdo a la construcción del equipo: Paralelocruzado, contracorriente-paralelo, contracorriente-cruzado y combinaciones de éstos. 5) De Acuerdo a la Compactación de la Superficie De acuerdo a la relación superficie de transferencia de calor a volumen ocupado, los equipos también pueden ser clasificados como compactos o no compactos. Las ventajas más resaltantes de un intercambiador compacto son los ahorros de material, espacio ocupado (volumen) y costo, pero tienen como desventajas que los fluidos deben ser limpios, poco corrosivos y uno de ellos, generalmente, en estado gaseoso. 6) De Acuerdo al Tipo de Construcción. De los diversos tipos de intercambiadores de calor, en esta parte del presente proyecto solo se van a describir algunos de los más importantes y más usados a nivel industrial a tendiendo al tipo de superficie por la que discurren los distintos fluidos, tal y como se muestra a continuación.

34 Memoria. Introducción 24 Figura 8: Clasificación según superficie. - Intercambiador de doble tubo. Este es uno de los diseños más simples y consiste básicamente de dos tubos concéntricos, en donde una corriente circula por dentro del tubo interior mientras que la otra circula por el anulo formado entre los tubos. Este es un tipo de intercambiador cuya construcción es fácil y económica, lo que lo hace muy útil. Las partes principales de este tipo de intercambiador, son dos juegos de tubos concéntricos, dos "T" conectoras [7], un cabezal de retorno [4] y un codo en U [1]. La tubería interior se soporta mediante estoperos, y el fluido entra a ella a través de una conexión localizada en la parte externa del intercambiador. Las T tienen conexiones que permiten la entrada y salida del fluido que circula por el ánulo y el cruce de una sección a la otra a través de un cabezal de retorno. La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que generalmente se encuentra expuesta al ambiente y que no proporciona superficie efectiva de transferencia de calor.

35 Memoria. Introducción 25 Figura 9: Intercambiador de doble tubo. Estos equipos son sumamente útiles, ya que son fáciles de fabricar de partes estándar obteniendo así superficies de transferencia de calor a un costo muy bajo. Generalmente se ensamblan en longitudes efectivas de 12 pies (366 cm), 15 pies (458 cm) o 20 pies (610 cm), en donde longitud efectiva se define como la distancia en cada rama sobre la que ocurre transferencia de calor, excluyendo la conexión en U del tubo interno y sus prolongaciones. Cuando estos equipos se emplean en longitudes mayores de 20 pies (610 cm), el tubo interior tiende a pandear, lo que se origina una mala distribución de flujo en el ánulo. La principal desventaja del uso de este tipo de intercambiador radica en la pequeña superficie de transferencia de calor que proporciona, por lo que si se emplean en procesos industriales, generalmente se va a requerir de un gran número de éstos conectados en serie, lo que necesariamente involucra a una gran cantidad de espacio físico en la planta. Por otra parte, el tiempo y gastos requeridos para desmantelarlos y hacerles mantenimiento y limpieza periódica son prohibitivos comparados con otro tipo de equipos. No obstante estos intercambiadores encuentran su mayor utilidad cuando la superficie total de transferencia requerida es pequeña. Como las dimensiones de los componentes de estos equipos tienden a ser pequeñas, estas unidades son diseñadas para operar con altas presiones, además, los intercambiadores de

36 Memoria. Introducción 26 doble tubo tienen la ventaja de la estandarización de sus componentes y de una construcción modular. - Intercambiadores de coraza y haz de tubos. De los diversos tipos de intercambiadores de calor, éste es el más utilizado en las refinerías y plantas químicas en general debido a que: a) Proporciona flujos de calor elevados en relación con su peso y volumen. b) Es relativamente fácil de construir en una gran variedad de tamaños. c) Es bastante fácil de limpiar y de reparar. d) Es versátil y puede ser diseñado para cumplir prácticamente con cualquier aplicación. Este tipo de equipo, consiste en una coraza cilíndrica [1] que contiene una matriz de tubos [2] paralela al eje longitudinal de la coraza. Los tubos pueden o no tener aletas y están sujetos en cada extremo por láminas perforadas [3]. Estos atraviesan a su vez a una serie de láminas denominadas deflectores (baffles) [4] que al ser distribuidas a lo largo de toda la coraza, sirven para soportar los tubos y dirigir el flujo que circula por la misma, de tal forma que la dirección del fluido sea siempre perpendicular a los tubos. El fluido que va por dentro de los tubos es dirigido por unos ductos especiales conocidos como cabezales o canales [6 y 7]. Figura 10: Intercambiador de coraza y haz de tubos.

37 Memoria. Introducción 27 Hay dos tipos básicos de intercambiadores de tubo y coraza: El de tipo fijo o de tubos estacionario, que tiene los dos extremos de los tubos fijos a la caraza, y el que tiene un sólo extremo de los tubos sujeto a la coraza. En el primer caso, se requiere de una junta de dilatación debido a la expansión diferencial que sufren los materiales que conforman el equipo. En el segundo caso los problemas originados por la expansión diferencial se pueden eliminar empleando un cabezal de tubos flotantes que se mueve libremente dentro de la coraza o empleando tubos en forma de U en el extremo que no está sujeto. - Enfriadores en cascada Un condensador en cascada está constituido por una serie de tubos colocados horizontalmente uno encima del otro y sobre los cuales gotea agua de enfriamiento proveniente de un distribuidor. El fluido caliente generalmente circula en contracorriente respecto al flujo de agua. Los condensadores en cascada se utilizan solamente en procesos donde el fluido de proceso es altamente corrosivo, tal como sucede en el enfriamiento de ácido sulfúrico. Estas unidades también se conocen con el nombre de enfriadores de trombón (Trombone Coolers), de gotas o enfriadores de serpentín. - Intercambiadores de placas (PHE) A pesar de ser poco conocido, el intercambiador de placas, llamado también PHE por sus siglas en inglés: Plate Heat Exchanger, tiene patentes de finales del siglo XIX, específicamente hacia 1870, pero no fue sino hasta los años 30 que comenzó a ser ampliamente usado en la industria láctea por razones sanitarias. En este tipo de intercambiadores las dos corrientes de fluidos están separadas por placas, que no son más que láminas delgadas,

38 Memoria. Introducción 28 rectangulares, en las que se observa un diseño corrugado, formado por un proceso de prensado de precisión. Figura 11: Intercambiador de placas. Las placas son corrugadas en diversas formas, con el fin de aumentar el área superficial efectiva de cada una; provocar turbulencia en el fluido mediante continuos cambios en su dirección y velocidad, lo que a su vez redunda en la obtención de altos coeficientes de transferencia de calor, aún a bajas velocidades y con moderadas caídas de presión. Las corrugaciones también son esenciales para incrementar la resistencia mecánica de las placas y favorecer su soporte mutuo. Estos equipos son los más apropiados para trabajar con fluidos de alta viscosidad y tienen como ventaja adicional, el ser fácilmente desmontables para labores de mantenimiento. Inicialmente, este tipo de equipos era usado en el procesamiento de bebidas y comidas, y aunque todavía retienen su uso en el área alimenticia, hoy en día son usados en una amplia gama de procesos industriales, llegando inclusive, a reemplazar a los intercambiadores de tubo y coraza.

39 Memoria. Introducción 29 Una variante de los PHE se consigue si las placas son soldadas juntas en los bordes, lo que previene las fugas a la atmósfera y permite el manejo de fluidos peligrosos, tienen como desventaja el no poder ser abierto para labores de mantenimiento, por lo que las labores de limpieza deben ser realizadas por métodos químicos. No obstante, las demás ventajas de las unidades de placas se mantienen. El diseño particular de este equipo permite alcanzar las presiones de operación que se manejan en los equipos tubulares convencionales, tales como tubo y caraza, enfriados por aire y doble tubo. Sin embargo, todavía existe una limitación en cuanto al diseño, en la que la diferencia de presión entre ambos fluidos no debe exceder los 40 bares. - Intercambiadores en Espiral (SHE) Estos intercambiadores se originaron en Suecia hace más de 40 años para ser utilizados en la industria del papel y son llamados también SHE debido a sus siglas en inglés: Spiral Heat Exchanger. Su diseño consiste en un par de láminas de metal enrolladas, figura 12 alrededor de un eje formando pasajes paralelos en espiral por entre los cuales fluye cada sustancia. El espaciamiento entre las láminas se mantiene gracias a que éstas se encuentran soldadas. Los canales que se forman en la espiral se encuentran cerrados en los extremos para que los fluidos no se mezclen. El fluir continuamente entre curvas induce turbulencia en los fluidos, lo cual mejora la transferencia de calor y reduce el ensuciamiento. Estos equipos son muy utilizados en el manejo de fluidos viscosos, lodos y líquidos con sólidos en suspensión, así como también en operaciones de condensación y vaporización. Raras veces se requiere de aislantes, ya que son diseñados de tal manera que el refrigerante pase por el canal externo. Entre sus características más resaltantes se pueden mencionar que se emplean con flujo en contracorriente puro, no presentan problemas de expansión diferencial, son compactos y pueden emplearse para intercambiar

40 Memoria. Introducción 30 calor entre dos o más fluidos a la vez. Estos equipos se emplean normalmente para aplicaciones criogénicas. En general los SHE ofrecen gran versatilidad en sus arreglos; siendo posible variar anchos, largos, espesores y materiales. De esta manera se logra que este tipo de equipos requiera 60% menos volumen y 70% menos peso que las unidades de tubo y coraza comparables en la cantidad de calor transferido. Figura 12: Intercambiador en espiral. Otros tipos de intercambiadores de calor que cabe resaltar por su importancia en la industria y en procesos agrarios son: - Intercambiadores tipo bayoneta Consisten en tubo externo y otro interno; este último sirve únicamente para suplir el fluido al ánulo localizado entre el tubo externo y el interno. El tubo externo está hecho normalmente de una aleación muy costosa y el tubo interno de acero de carbono. Los intercambiadores tipo bayoneta son de gran utilidad cuando existe una diferencia de temperatura extremadamente alta entre el fluido del lado de la coraza y el del lado de los tubos, ya que todas

41 Memoria. Introducción 31 las partes sujetas a expansión diferencial se mueven libre e independiente una de la otra. Estos intercambiadores se utilizan en servicios con cambio de fase donde no es deseable tener un flujo bifásico en contra de la gravedad. Algunas veces se coloca en tanques y equipos de proceso para calentamiento y enfriamiento. Los costos por metro cuadrado para estas unidades son relativamente altos, ya que solamente el tubo externo transfiere calor al fluido que circula por la coraza. - Enfriadores de Serpentín Consisten en serpentines sumergidos en un recipiente con agua. Aunque estos enfriadores son de construcción simple, son extremadamente costosos por metro cuadrado de superficie. Se utilizan solamente por razones especiales, por ejemplo, cuando se requiere un enfriamiento de emergencia y no existe otra fuente de agua disponible. - Intercambiadores de Láminas Estos equipos tienen aletas o espaciadores intercalados entre láminas metálicas paralelas, generalmente de aluminio. Mientras las láminas separan las dos corrientes de fluido, las aletas forman los pasos individuales para el flujo. Los pasos alternos están conectados en paralelo mediante el uso de cabezales apropiados, así, el fluido de servicio y el de proceso pueden canalizarse permitiendo el intercambio de calor entre ambos. Las aletas están pegadas a las láminas por medio de ajustes mecánicos, soldadura o extrusión. Estas son utilizadas en ambos lados de la placa en intercambiadores gas-gas. En los intercambiadores gas-líquido, las aletas son empleadas, usualmente, del lado del gas, donde la resistencia térmica es superior. Se emplean del lado del líquido cuando se desea suministrar resistencia estructural al equipo ó para favorecer la mezcla del fluido. Estos equipos son muy usados en plantas de generación de fuerza eléctrica, en ciclos de refrigeración.

42 Memoria. Introducción 32 La mejor guía para la selección del tipo de intercambiador de calor a usar, es la experiencia basándose en equipos similares operando en condiciones semejantes. No obstante, si no se posee experiencia previa, deben ser tomados en cuenta los siguientes factores: si la presión de operación está por debajo de 30 bar y la temperatura de operación por debajo de 200 C, los intercambiadores de placas deben ser tomados en consideración, particularmente el de placas empacadas. A altas temperaturas y presiones, la elección debe estar entre uno de tubo y carcasa, de placas no empacadas y de doble tubo. El último es particularmente competitivo para aplicaciones que involucran pequeñas capacidades de transferencia de calor y altas presiones. [GUIA02]. 3 Motivación Es bien sabido que el ser humano y las actividades que desarrolla son la causa de importantes desequilibrios en el ecosistema. Parece ser que la naturaleza, por sí sola, ya no es capaz de corregir estos desequilibrios y que, a partir de ahora, el propio ser humano tendrá que ser quién se encargue de velar para que la vida se pueda desarrollar en unas condiciones parecidas a las actuales. La sociedad de consumo actual demanda una gran cantidad de energía para mantener su nivel de vida y de confort. En la actualidad el reto que se plantea la humanidad se basa en buscar un desarrollo sostenible, de forma que se pueda mantener el nivel de actividad, de transformación y de progreso, ajustando las necesidades a los recursos que nos brinda la naturaleza. El consumo de energía en todo el mundo depende básicamente de fuentes que en su mayoría tienen un carácter limitado. Al ritmo actual de crecimiento de consumo, las reservas mundiales de petróleo, gas y otros combustibles

43 Memoria. Introducción 33 sólidos tienen una duración aproximada de 45, 65 y más de 200 años respectivamente y de una manera aproximada. Figura 13: Reservas mundiales de combustibles fósiles. Las consecuencias del consumo energético de origen fósil son uno de los principales responsables de la destrucción del medio ambiente como es sabido, el desarrollo técnico no ha sido capaz de encontrar soluciones suficientemente satisfactorias, de ahí la importancia de limitar el consumo[bpsd10]. El sector de la vivienda y de los servicios, compuesto en su mayoría por edificios, absorbe más del 45% del consumo final de energía en la Comunidad Europea y se encuentra en fase de expansión, tendencia que previsiblemente hará aumentar el consumo de energía y, por tanto, las emisiones de dióxido de carbono [IDEA10].

44 Memoria. Introducción 34 Figura 14: Evolución de gases de efecto invernadero vs plan de Kioto. Es este sector, el de la construcción el responsable de llevar a cabo una actividad industrial que tiene la misión de crear espacios donde las personas desarrollen su actividad principal [BPSD10]. El crecimiento vegetativo y en consecuencia la demanda de construcciones para conseguir espacios de trabajo, de tiempo libre o de residencia, son tan importantes que tenemos que convenir que la actividad de construir, es una de las causas fundamentales de aquellos desequilibrios (son un ejemplo el hecho de que el aumento de la cultura del confort crea unas demandas energéticas enormes y que las formas actuales de construir originan unas demandas desorbitadas de materias primas no renovables). Tal vez por ello el sector de la construcción es uno de los que más pueden hacer para corregir esta situación. Las tecnologías de energía solar térmica (circuitos de transporte térmico para la climatización de edificios y piscinas, demanda de A.C.S, usos agrícolas e industriales) son un componente necesario y estratégico para una utilización