Intercambiadores de Calor para SST a Gran Escala

  1. Tipos de diseño

1.1. INTERCAMBIADORES DE CALOR SUMERGIDOS
Los acumuladores con intercambiadores de calor sumergidos se instalan con mayor frecuencia en sistemas solares para hogares de una y dos familias. Estos intercambiadores de calor internos se enrollan con (Cu-)en tubos lisos con aletas o tubos de acero liso o acero inoxidable. Para su diseño, y para una diferencia de temperatura media logarítmica de 10 K, son válidas las siguientes aproximaciones:

■ intercambiadores de calor de tubo liso: 0,2 m2 de área por m2 de campo colector.
■ intercambiadores de calor de tubos con aletas: 0,3–0,4 m2 de área por m2 de campo colector.

En el caso de los intercambiadores de calor de tubo liso, la energía se transmite a través de la superficie del tubo. Como las temperaturas de toda la superficie del tubo y la del medio dentro del tubo son muy cercanas, la misma diferencia de temperatura entre el medio en el tubo y el medio circundante está disponible en toda la superficie. Por otro lado, la diferencia de temperatura promedio entre la superficie de un intercambiador de calor de tubo con aletas y el medio circundante es menor que la de los intercambiadores de calor de tubo liso debido a la temperatura más baja en los extremos de las aletas.
Por lo tanto, un metro cuadrado de superficie en el intercambiador de calor de tubos lisos puede transmitir más energía que un metro cuadrado de la superficie de un intercambiador de calor de tubos con aletas. Sin embargo, el área de superficie de un intercambiador de calor de tubos con aletas aumenta significativamente con las aletas, de modo que un intercambiador de calor de tubos con aletas, a pesar de un rendimiento de transmisión menor por metro cuadrado, es más compacto que un intercambiador de calor de tubos lisos con el mismo actuación.

En los grandes sistemas de energía solar, los intercambiadores de calor sumergidos ocupan un volumen significativo para aumentar la eficiencia del campo del colector, especialmente si la diferencia de temperatura media logarítmica debe limitarse a 5 K. Si se utilizan varios acumuladores, entonces un intercambiador de calor con el rendimiento de transmisión completo se requiere para cada tienda, lo que conduce a costos más altos. En sistemas solares más grandes, por lo tanto, los intercambiadores de calor externos generalmente se instalan de modo que todos los almacenes se puedan cargar con un solo intercambiador de calor. Incluso si se requiere una bomba adicional para estos sistemas, esta variante es preferible.

1.2. INTERCAMBIADORES DE CALOR EXTERNOS
Para los intercambiadores de calor externos, diferenciamos de manera similar entre intercambiadores de calor tubulares y de placa plana. Los intercambiadores de calor tubulares de acero inoxidable se utilizan principalmente en sistemas de energía solar para calentar el agua en piscinas.
En el caso de los intercambiadores de calor de placa plana podemos diferenciar entre modelos atornillados y soldados. En la versión soldada, las placas de acero inoxidable prensadas se sueldan juntas. En la versión atornillada, las placas de acero inoxidable están provistas de juntas y luego se atornillan con varillas roscadas. Los intercambiadores de calor de placas soldadas normalmente se pueden obtener hasta tamaños de rendimiento particulares, y en el área de rendimiento más pequeña son más baratos que las variantes atornilladas. Para los sistemas de energía solar considerados en esta sección, se prefieren los intercambiadores de calor de placas soldadas que utilizan el principio de contracorriente.

Sección cruzada de intercambiador de calor de plato

Para evitar daños por corrosión, los intercambiadores de calor de placas soldadas no deben usarse para calentar el agua de la piscina.
Los intercambiadores de calor se diferencian entre sí por la geometría de la placa, el flujo único y la construcción. Por lo tanto, un intercambiador de calor no puede ser reemplazado por otro modelo del mismo u otro fabricante sin un nuevo cálculo.

1.3. COMPARACIÓN DE INTERCAMBIADORES DE CALOR EXTERNOS Y SUMERGIDOS

Ventajas de los intercambiadores de calor sumergidos:
■ Construcción de sistema simple con pocos componentes.
■ Sin la extracción de agua sanitaria, la mezcla se realiza únicamente por convección en los depósitos individuales.

Desventajas de los intercambiadores de calor sumergidos:
■ Con varios almacenes, se requiere un intercambiador de calor dimensionado para el rendimiento completo del campo de colectores para cada tanque: esto conlleva altos costos.
■ Los sistemas de carga altamente estratificados solo se pueden utilizar con intercambiadores de calor especiales.

Ventajas de los intercambiadores de calor externos:
■ Con varios acumuladores, los costos son más bajos que para los intercambiadores de calor sumergidos.
■ Los sistemas de carga estratificada son más sencillos de implementar.

Desventajas de los intercambiadores de calor externos:
■ componentes adicionales; Instalación complicada en el sitio.
■ En caso de una disposición desfavorable de la entrada en el lado de carga, alteración del efecto de estratificación de la temperatura en los tanques.

2. Intercambiadores de calor de circuito colector

Los intercambiadores de calor de circuito colector están diseñados para un rendimiento máximo de 600 W / m2 de campo colector.

Intercambiador de calor en circuito externo de colector

La cifra de 600 W / m2 es un valor guía que surge de valores promediados para la potencia irradiada del sol y la eficiencia de los colectores. Los supuestos para esto son una irradiancia de 1000 W / m2 de campo colector y una eficiencia supuesta de 0,6. A través de la dinámica de la potencia irradiada y las condiciones de funcionamiento en el circuito del colector, este valor rara vez se alcanza. Por otro lado, el valor de 600 W / m2 de campo colector se puede superar brevemente. Para estos casos, el subdimensionamiento temporal del intercambiador de calor y el aumento resultante del nivel de temperatura en el circuito del colector son aceptables, con el fin de mantener los costos del intercambiador de calor dentro de un rango sensible.
La dispersión de temperatura del circuito del colector (entrada / salida del intercambiador de calor) se obtiene de la siguiente fórmula:

Los sistemas colectores tienen diferentes temperaturas en diferentes momentos del día dependiendo de la radiación solar y las condiciones de carga de la tienda. Para dimensionar el intercambiador de calor, se utiliza la temperatura al inicio de la carga del acumulador. En la salida del intercambiador de calor (línea de retorno del circuito del colector) se utiliza una temperatura de 5 a 10 K por encima de la temperatura del agua fría para sistemas con acumuladores intermedios; para sistemas con almacenamiento de agua sanitaria se utiliza una temperatura de 0–5 K por encima de la temperatura del agua fría. Estas diferencias de temperatura se producen porque un circuito de amortiguación que está conectado entre el circuito del colector y el sistema de agua sanitaria está a una temperatura más alta que la temperatura del agua fría debido a la diferencia de temperatura necesaria para la transferencia de calor. El circuito del colector tiene una temperatura más alta que la temperatura del tanque debido a la transferencia de calor adicional necesaria. Para Europa central, con una temperatura media del agua fría de 12 ° C (53,6 ° F), esto equivaldría a temperaturas de 22 ° C (71,6 ° F) y 17 ° C (62,6 ° F) respectivamente.
En climas cálidos, la temperatura del agua fría puede ser más alta, hasta 25 ° C (77 ° F) o más. La temperatura de entrada al intercambiador de calor se obtiene sumando la temperatura de salida en el circuito solar primario y la dispersión de temperatura que surge (consulte la fórmula anterior). En el lado secundario del intercambiador de calor, la diferencia de temperatura θA– θE es igual a la diferencia de temperatura θA– θE en el lado primario, donde θA = temperatura de salida y θE = temperatura de entrada. A la entrada del circuito secundario (circuito de carga del búfer) la temperatura es de 17 ° C (62,6 ° F). El flujo volumétrico en el lado secundario se obtiene del cálculo del intercambiador de calor.
Nota: Debido a los diferentes diseños de intercambiadores de calor, cada fabricante logra valores diferentes para intercambiadores de calor de placa plana con las mismas superficies de intercambio. Por lo tanto, los intercambiadores de calor utilizados deben calcularse con un programa del proveedor respectivo.

3. Intercambiadores de calor del circuito de descarga del tanque de compensación

Para los sistemas que, además del intercambiador de calor del circuito colector, requieren un intercambiador de calor adicional para transferir el calor al circuito de agua sanitaria, son necesarias las siguientes consideraciones:

■ Para evitar la acumulación de cal, se debe establecer una temperatura de entrada constante antes de la entrada al intercambiador de calor por medio de una válvula mezcladora de tres vías controlada termostáticamente. Debe estar entre 55 ° C y 60 ° C (131 y 140 ° F) o, para diseños con calefacción auxiliar en el tanque intermedio, entre 65 ° C y 70 ° C (149 y 158 ° F).
■ En la selección del intercambiador de calor es necesario considerar la posibilidad de una limpieza posterior, teniendo en cuenta especialmente el contenido de cal del agua.
Teniendo en cuenta las mejores posibilidades de limpieza y la prevención de un tipo de corrosión por grietas en la soldadura del intercambiador de calor, aquí se recomiendan los intercambiadores de calor con tornillos. Estos pueden reactivarse mediante el desmantelamiento y la limpieza (costosos) si los procesos de lavado / limpieza son ineficaces. Sin embargo, para niveles de rendimiento más bajos, el precio mucho más alto en comparación con el de los intercambiadores de calor soldados hace que su uso sea indeseable.

3.1. ALMACENAMIENTO PRINCIPIO DE CARGA CON CALEFACCIÓN AUXILIAR EN EL ALMACENAMIENTO BÚFER.
Los siguientes pares de temperaturas se pueden usar para la base del diseño del intercambiador de calor del circuito de descarga del búfer (usando el mismo ejemplo que antes):
■ Lado del circuito del depósito de inercia:
Entrada: 55 ° C (131 ° F)
Salida: 17 ° C (62,6 ° F)
■ Lado del agua sanitaria:
Entrada: 12 ° C (53,6 ° F)
Salida: 45 ° C (113 ° F)
Debido a una gran dispersión de temperatura en el circuito de descarga del acumulador intermedio, se logra el enfriamiento más alto posible del búfer, incluso con condiciones de carga a niveles altos de temperatura. Esta diferencia de temperatura se establece sobre la base de la experiencia práctica en la que la temperatura de entrada del agua sanitaria está preestablecida por la red de agua sanitaria. Los caudales volumétricos para el cálculo del intercambiador de calor se obtienen a partir de la energía térmica a transferir. La energía a ser transferida por este sistema de carga del acumulador se diseña de acuerdo con el perfil de consumo de agua y la eficiencia del campo del colector.

De la misma forma que para los acumuladores solares en viviendas unifamiliares y bifamiliares, el acumulador de agua doméstica (en el caso de que el acumulador se cargue a través de un circuito de amortiguación) debe cargarse en la zona inferior si es posible, lo que significa que luego tiene un área de almacenamiento solar dedicada. Este es entonces, además de la desinfección térmica regular mediante una caldera, solo se carga con el calor solar del circuito de reserva. El calentamiento auxiliar de la caldera de agua caliente se lleva a cabo solo para la sección de espera superior del tanque de agua sanitaria.
En la siguiente sección, se calculan los intercambiadores de calor para cargar el área solar en el acumulador de agua sanitaria.

3.2. PRINCIPIO DE FLUJO ÚNICO
Con el principio de flujo único, el intercambiador de calor se adapta al pico de consumo máximo de agua sanitaria para poder descargar el circuito de reserva en el momento de mayor consumo. Esta es una condición previa esencial, ya que, de lo contrario, el calor en el búfer no se transfiere lo suficiente a los picos y el tanque solo se puede descargar parcialmente. Si solo se extrae una pequeña parte del consumo total en las horas punta, el intercambiador de calor se puede diseñar, por ejemplo, al 50% del pico de extracción calculado o medido.
En la práctica, los sistemas están diseñados para lograr una temperatura de salida ajustable en el lado del agua sanitaria (solo para sistemas con alta fracción solar o calefacción auxiliar en el acumulador intermedio) o la temperatura de retorno más baja posible en el circuito del acumulador intermedio.

Intercambiador de calor que usa el principio de flujo único

Los siguientes pares de temperaturas se utilizan para el diseño (nuevamente, usando nuestro ejemplo):

■ Lado del circuito del depósito de inercia
Entrada: 55 ° C (131 ° F)
Salida: 17 ° C (62,6 ° F)
■ Lado del agua sanitaria
Entrada: 12 ° C (53,6 ° F)
Salida: 45 ° C (113 ° F)

Como base para calcular el rendimiento máximo requerido, se deben establecer los picos de extracción más altos, por ejemplo con la ayuda del modelo de simultaneidad (estimación multiplicando el flujo a través de un único punto de consumo por la raíz cuadrada del número de puntos de consumo). El rendimiento se calcula a partir del flujo másico del pico de extracción y las temperaturas de entrada / salida deseadas.

Cálculo del pico de rendimiento (en kW):