MEDIDA Y CARACTERIZACIÓN DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR EN ESPIRAL.

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1 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.

2 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.

3 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.

4 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.

5 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.

6 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.

7 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. 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.

8 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.