Intercambiadores de calor HVAC

30 May Intercambiadores de calor HVAC

En este artículo vamos a discutir 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 que cubre el principio de funcionamiento de los intercambiadores de calor HVAC comunes con animaciones.

 

Los intercambiadores de calor de Danfoss aumentan la eficiencia, reducen la carga de refrigerante y ahorran espacio en su sistema HVAC.

¿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 calentar o un fluido frío para enfriar.

• 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 fluya el calor.

 

¿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 HVAC usan convección y conducción. La transferencia de calor por radiación ocurre, pero representa solo un pequeño porcentaje.

Transferencia de calor por conducción

 

La conducción ocurre cuando dos materiales de diferentes temperaturas se tocan físicamente. Por ejemplo, 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

Transferencia de calor por convección

La convección ocurre cuando los fluidos se mueven y se llevan la energía térmica. Esto puede ocurrir de forma natural o por fuerza mecánica, como el uso de un ventilador. Un ejemplo de esto es cuando soplas sobre una cucharada de sopa caliente. Soplas la cuchara para enfriar la sopa y el aire se lleva este calor.

transferencia de calor por radiación

transferencia de calor por radiación

La radiación se produce cuando una superficie emite ondas electromagnéticas. Todo, incluyéndote a ti, 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 como ondas electromagnéticas a través del espacio y nos llega sin nada de por medio.

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 HVAC generalmente hacen una de dos cosas: calientan o enfrían el aire o el agua. Algunos se utilizan para enfriar o calentar equipos por motivos 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. Diseño de bobina o placa. Echemos un vistazo a los conceptos básicos de cómo funcionan ambos y luego veamos cómo se aplican a los intercambiadores de calor comunes en los sistemas.

Intercambiadores de calor de serpentín: simplificados

Intercambiador de calor de batería básico

 

Los intercambiadores de calor de bobina en su forma más simple usan uno o más tubos que van y vienen varias veces. El tubo separa los dos fluidos. Un fluido fluye dentro del tubo y otro fluye por el exterior. Veamos un ejemplo de calentamiento. El calor se transfiere desde el fluido interior caliente a la pared del tubo por convección, luego se conduce a través de la pared del tubo hacia el otro lado y el fluido exterior también se lo lleva por convección.

Intercambiadores de calor de placas: simplificados

Intercambiador de calor de placas básico

 

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 convección hacia la pared de la placa y luego se conduce al otro lado. El otro fluido, que está entrando 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 HVAC.

Serpentín de tubo aleteado (fluido)

Intercambiador de calor de serpentín de tubos con aletas

 

Los tubos con aletas a menudo se denominan simplemente un serpentín, por ejemplo, el serpentín de calentamiento o enfriamiento. Estos son extremadamente comunes. Los encontrará en unidades de tratamiento de aire, unidades fancoil, sistemas de conductos, evaporadores y condensadores de sistemas de aire acondicionado, en la parte posterior de los refrigeradores, en calentadores de trinchera, y la lista continúa.

Para estos intercambiadores de calor, el agua, el refrigerante o el vapor generalmente fluyen por el interior y el aire fluye por el exterior.

Por ejemplo, cuando se usa para calentar aire, usando agua caliente, el agua caliente fluye dentro 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 la pared del tubo. El aire que pasa por el exterior se lo lleva por convección.

Las aletas generalmente se conectan entre todas las tuberías, se ubican directamente en el camino del flujo de aire y ayudan a sacar el calor de la tubería y llevarlo al aire porque actúa como una extensión del área de la superficie de la tubería. Más área de 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 unidades de tratamiento de aire para intercambiar energía térmica entre las corrientes de aire de entrada y salida sin que se transfiera humedad y sin que se mezclen las corrientes de aire. El intercambiador de calor está hecho de láminas delgadas de metal, generalmente de aluminio, con dos fluidos de diferentes temperaturas que fluyen en direcciones diagonales opuestas. Por lo general, se usa aire en ambos, pero también se pueden usar los gases de escape de algo como un motor CHP.

El calor de una corriente se convección sobre las delgadas láminas de metal que separan las corrientes, luego se conduce a través del metal donde es llevado por convección forzada hacia la otra corriente.

calentador de trinchera

Los calentadores de trinchera se instalan alrededor del perímetro de un edificio, generalmente debajo de una ventana o pared de vidrio, y son muy comunes en edificios comerciales nuevos. Los calentadores de trinchera se instalan en el piso y su propósito es reducir la pérdida de calor a través del vidrio y evitar la formación de condensación.

Lo hacen creando una pared de corrientes de aire de convección. Los calentadores de trinchera generalmente usan agua caliente o elementos de calefacción eléctrica para calentar el aire. Su posición al nivel del suelo significa que tienen acceso al aire más frío de la habitación. El intercambiador cede calor a este a través de un tubo con aletas, esto hace que el aire frío se caliente y suba hacia el techo. A medida que este aire caliente sube, el aire más frío de la habitación se precipitará para ocupar su lugar. Esto crea una corriente convectiva y un límite térmico entre el vidrio y la habitación.

Calentador eléctrico de conducto – elemento de bobina abierta

Los elementos calefactores de serpentín abierto se utilizan principalmente en aplicaciones de conductos, hornos y, a veces, fancoils. Estos operan 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 los serpentines, la energía térmica se transfiere por convección. Estos proporcionan un calentamiento uniforme a través de la corriente de aire, aunque solo se usan donde es seguro hacerlo y no se puede acceder fácilmente.

Intercambiadores de calor de microcanales

Los intercambiadores de calor de microcanal son un avance en el serpentín de tubo con aletas que proporciona un intercambio de calor superior, aunque solo se usan para sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Puede encontrar este tipo de intercambiadores de calor en enfriadores enfriados por aire, unidades de condensación, aire acondicionado residencial, secadores de aire, gabinetes de refrigeración y unidades de techo, etc.

Este tipo de intercambiadores de calor también funcionan utilizando la convección como principal método de transferencia de calor. El intercambiador de calor de microcanal tiene un diseño simple. En cada lado hay un encabezado, corriendo entre cada encabezado hay algunos tubos planos con aletas en el medio. El aire pasa a través de los huecos de las aletas para llevarse 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 circular el refrigerante a través de los tubos varias veces para aumentar el tiempo que se pasa en el interior y, por lo tanto, aumentar la oportunidad de transferir energía térmica.

Dentro de cada tubo plano hay una serie de pequeños orificios conocidos como microcanales que recorren toda la longitud de cada tubo plano. Estos microcanales aumentan drásticamente el área de superficie del intercambiador de calor, lo que permite que más energía térmica salga del refrigerante y entre en la carcasa metálica del intercambiador de calor. La diferencia de temperatura entre el refrigerante y el aire hace que el calor se conduzca a través de la carcasa del tubo plano hacia las aletas. A medida que el aire pasa a través de los espacios, se lleva esta energía térmica por convección.

Serpentín del evaporador del horno

Los evaporadores de horno se encuentran comúnmente en casas grandes y pequeñas propiedades comerciales con pequeños sistemas de conductos. Puede obtener bobinas más grandes que funcionan con principios similares, pero para sistemas más grandes, principalmente para AHU en edificios comerciales medianos a grandes. El serpentín dentro del evaporador de un horno funciona igual que un intercambiador de calor de tubos con aletas 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 por convección forzada, luego se transfiere a través de la pared del tubo por conducción, el refrigerante en el interior se lleva este calor por convección forzada, el refrigerante hierve y se evapora hacia el compresor.

Radiadores

Estos son muy comunes, especialmente en Europa y América del Norte, en hogares y edificios comerciales más antiguos. Se montan en las paredes, generalmente debajo de una ventana, para calentar el espacio. Su función es muy sencilla, normalmente se conectan a una tubería de agua caliente a la que se alimenta agua caliente de una caldera.

El agua entra por un tubo de pequeño diámetro y desemboca en el interior del radiador. El área interna del radiador es más grande que la tubería, lo que reduce la velocidad del agua para permitir más tiempo para que se transfiera el calor.

El calor del agua se transfiere por conducción a las paredes metálicas del radiador. En el exterior del radiador está el aire de la habitación. Cuando este aire entra en contacto con la superficie caliente del radiador, el calor se transferirá al aire y esto hará que el aire se expanda y ascienda. Luego, el aire más frío se mueve para reemplazar este aire, lo que provoca un ciclo continuo de aire en movimiento que calienta la habitación; por lo tanto, este aire en movimiento es una transferencia de calor por convección. El radiador generalmente tiene algunas aletas conectadas en la parte posterior o entre los paneles, especialmente en los nuevos, están ahí para extender el área de la superficie del radiador y brindar más oportunidades para transferir calor al aire. Los radiadores se nombran incorrectamente ya que se transfieren principalmente por convección.

Algunas veces encontrará radiadores especialmente diseñados conectados a sistemas de vapor, pero esto se está volviendo menos común, también solía usarse aceite, pero esto es bastante raro hoy en día.

Elemento calentador de agua

El elemento de calentamiento de agua se encuentra generalmente en calentadores y calentadores de agua, también se usa a veces en el depósito de torres de enfriamiento 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 se conduce fuera del elemento hacia el agua. Por lo tanto, el agua que entra en contacto con el elemento calefactor se calienta y esto hace que suba dentro del tanque, luego fluye agua más fría para reemplazar esta agua caliente donde continuará este ciclo.

rueda giratoria

Este tipo de intercambiadores de calor generalmente se encuentran dentro de la unidad de tratamiento de aire entre las corrientes de aire conducidas de suministro y extracción. Funcionan mediante el uso de un pequeño motor eléctrico conectado a una correa de polea para girar lentamente el disco del intercambiador de calor que se asienta 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 del intercambiador de calor absorbe energía térmica de una corriente de aire y, a medida que gira, ingresa a la segunda corriente de aire donde liberará esta energía térmica absorbida. Este tipo de intercambiador de calor dará como resultado una pequeña cantidad de líquido que se mezcla entre la corriente de aire de admisión y de escape debido a los pequeños espacios presentes donde gira la rueda,

Estos intercambiadores de calor se pueden usar 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 transferido a la corriente de entrada de aire fresco que será mucho más fría que el aire dentro del edificio.
Estos intercambiadores de calor también se pueden usar en los meses de verano para recuperar el aire frío del escape de los edificios y usarlo para enfriar la entrada de aire fresco.

Hervidor de agua

Encontrará calderas grandes como esta principalmente en edificios comerciales medianos a grandes en climas más fríos. Las casas y los edificios más pequeños usarán 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 (generalmente gas o aceite) y los gases de escape calientes se fuerzan a través de una serie de tubos hasta que llegan a la chimenea y se liberan a la atmósfera. Los tubos y la cámara de combustión están rodeados de agua. El calor se convecta a las paredes del tubo y luego se conduce al agua, que luego se lleva por convección. Según el 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 pueden variar para cambiar la temperatura y el caudal.

Tubo de calor

Los encontrará en calentadores de agua solares térmicos y algunas bobinas AHU de recuperación de calor. Si nos fijamos en la aplicación de la energía solar térmica, tenemos un tubo de vidrio especial al que se le evacua 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 ingresa al tubo, luego ayuda a moverlo 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 hueco, largo y sellado que se extiende a lo largo del tubo de vidrio y tiene una protuberancia que sobresale en la parte superior. El bulbo está conectado a un cabezal y el agua fría pasa a través del cabezal para pasar a través del cabezal 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 en vapor con poca adición de calor. Luego, el vapor sube hacia el bulbo, donde cederá su calor al agua que fluye a través del cabezal. A medida que el vapor cede su calor, se condensará y volverá a caer para repetir el ciclo. El tubo absorbe la radiación térmica, que luego se conduce al interior del tubo. El agua del interior la convección hasta el bulbo, el calor se conduce a través de la pared de la tubería y se lleva por convección a la corriente de agua.

Viga fría

Se utilizan dos tipos de vigas frías, pasivas y activas. Ambos se utilizan principalmente en edificios comerciales.

El haz frío activo funciona haciendo pasar un líquido frío, normalmente agua, a través de un intercambiador de calor de tubos con aletas. Luego, el aire se canaliza hacia la viga fría y sale a través de boquillas especialmente ubicadas. Este aire se mueve sobre el tubo con aletas y sopla el aire frío hacia la habitación. Por lo tanto, utilizando convección forzada.

Las vigas frías pasivas también utilizarán un intercambiador de calor de tubos con aletas, pero no tienen un suministro de aire canalizado conectado. En cambio, crean una corriente de convección natural al enfriar el aire caliente al nivel del techo. Este aire enfriado luego se hunde y es reemplazado por aire más cálido donde se repite el ciclo.

calentador de horno

Los calentadores de horno son comunes en hogares con aire acondicionado por conductos. Estos 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 convección hacia las paredes del intercambiador de calor, el aire más frío conducido pasa a través del otro lado causando una diferencia de temperatura por lo que el calor del gas se conduce a través la pared y será arrastrado por la convección.

Intercambiador de calor de placas

Hay dos tipos principales de intercambiadores de calor de placas, tipo junta y tipo placa soldada. Ambos son muy efectivos en la transferencia de energía térmica, para una eficiencia aún mayor y un diseño compacto, puede usar intercambiadores de calor de microplacas para muchas aplicaciones. Hemos cubierto todos estos intercambiadores de calor en gran detalle anteriormente.

Lo básico que debe saber sobre estos dos tipos de intercambiadores de calor es que el tipo de junta se puede desmontar, su capacidad de calentamiento o enfriamiento se puede aumentar o disminuir simplemente agregando o quitando placas de transferencia de calor. Los encontrará utilizados especialmente en propiedades comerciales de gran altura para conectar indirectamente enfriadores, calderas y torres de refrigeración a los circuitos de calefacción y refrigeración y para conectar 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 tales como bombas de calor, calderas combinadas, unidades de interfaz de calor, conexión indirecta de calentadores, 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 convección sobre la placa, luego se conduce a través de la placa y el fluido del otro lado se la lleva por convección.

Bombas de calor

Las bombas de calor se utilizan sobre todo en los hogares, pero a veces en propiedades comerciales. Hay dos tipos principales de bombas de calor de fuente de aire y fuente de tierra. La fuente de aire se usa comúnmente para calentar el aire del espacio, mientras que la fuente de tierra se usa más comúnmente para calentar el agua.

La fuente de aire funciona como un sistema de aire acondicionado pero a la inversa, en lugar de eliminar el calor de una habitación, lo agrega. Un refrigerante pasa del compresor a la unidad interior que contiene un intercambiador de calor de tubo con aletas. El refrigerante transfiere su calor por convección a las paredes del tubo, luego es conducido al otro lado. Por otro lado, está el aire frío de la habitación que es forzado a cruzar el intercambiador de calor por un pequeño ventilador, que luego se lleva el calor por convección. Luego, el refrigerante fluye a la válvula de expansión y luego a la unidad exterior, que también es un intercambiador de calor de tubo con aletas o un intercambiador de calor de microcanal.

A medida que el aire pasa a través de este intercambiador de calor, el aire ambiental hará que el refrigerante hierva y absorba calor. Este calor luego pasa a través del compresor a la unidad interior para repetir el ciclo.

La fuente de tierra funciona un poco diferente. Se bombea una mezcla de agua y anticongelante a través de tuberías en el suelo para captar el calor. Esto luego 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 circuito de agua, esta vez transfiriendo su calor a un tanque de agua caliente, generalmente a través de un tubo en espiral sin aletas.

Carcasa y tubo

Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos se encuentran típicamente en enfriadores en el evaporador y/o condensador, a veces también como enfriador de aceite lubricante.
Estos son posiblemente el diseño simple del intercambiador de calor. Tienen un recipiente exterior conocido como caparazón. Sentado dentro del caparazón hay una serie de tuberías conocidas como tubos. Los tubos contienen un fluido y la cubierta contiene otro fluido. Los dos fluidos siempre están separados por las paredes del tubo, 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 esta energía térmica atraviese las paredes del tubo. Cuando se use en el evaporador o condensador, los dos fluidos serán agua y refrigerante. Dependiendo del diseño el agua puede estar en la coraza 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. Muchos enfriadores en realidad usarán una combinación de todos estos. Por ejemplo, un enfriador enfriado por aire puede usar un intercambiador de calor de carcasa y tubos para el evaporador, un intercambiador de calor de tubos con aletas o de microcanales para el condensador, un intercambiador de calor de placas soldadas para el enfriamiento por lubricación de aceite de los compresores y un intercambiador de calor de placas con juntas para conectar indirectamente la enfriadora al circuito de refrigeración central.

.

.

.

.

.

.

Fuente: theengineeringmindset.com