Medida y caracterización de un intercambiador de calor en ...intercambiador de calor en espiral, este tipo de intercambiador de calor presenta un mejor rendimiento de transferencia

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: ……/…………../………

PROYECTO FIN DE CARRERA

MEDIDA Y CARACTERIZACIÓN DE

UN INTERCAMBIADOR EN ESPIRAL

AUTOR: Francisco Pérez Posadas MADRID, Junio 2011

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: Domingo Guinea Díaz AUTOR: Francisco Pérez Posadas

MADRID, Junio 2011

UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

Ingeniero en Automática y Electrónica Industrial

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 slip-

sheets 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.

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.

Memoria

Memoria. Introducción 3

Índice general

Parte I Memoria ..................................................................................................8

Capítulo 1 Introducción ......................................................................................9

1 Introducción a la tecnología.........................................................................9

2 Estudio de las tecnologías existentes ........................................................12

3 Motivación ....................................................................................................32

4 Objetivos .......................................................................................................35

5 Metodología..................................................................................................36

Capítulo 2 Datos meteorológicos.....................................................................38

1 Estudio estadístico de los datos meteorológicos. ....................................38

2 Presentación de resultados del estudio estadístico.................................39

Capítulo 3 Realización de un intercambiador de calor en espiral. ...........43

1 Intercambiador de calor en espiral............................................................43

2 Componentes constructivos del prototipo de intercambiador en

espiral. ...................................................................................................................43

3 Procedimiento seguido para la construcción del prototipo de

intercambiador de calor en espiral....................................................................44

4 Caracterización del intercambiador de calor en espiral.........................47

5 Mejoras que se introducen con este diseño..............................................50

Capítulo 4 Instalación solar térmica. ..............................................................52

1 Ubicación y descripción del edificio. ........................................................52

2 Descripción de la instalación solar térmica..............................................53

2.1 Circuito Primario. .................................................................................. 55

2.1.1 Captador solar..............................................................................56

2.1.2 Fluido caloportador.....................................................................68

2.2 Circuito Secundario............................................................................... 70


Capítulo 5 Materiales de cambio de fase. ......................................................72

1 Introducción a los materiales de cambio de fase.....................................72

2 Interés en el uso de materiales de cambio de fase. .................................73

3 Aplicación de los materiales de cambio de fase. .....................................76

Capítulo 6 Gestión de la instalación...............................................................79

1 Diagrama de flujo del algoritmo general de la instalación....................82

Capítulo 7 discusión y conclusiones...............................................................85

Capítulo 8 Bibliografía. .....................................................................................88


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. ....................................................................25

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 1..................................................44





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


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


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


Parte I MEMORIA


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.


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.


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.


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.


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.


- 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


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.


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).


� 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


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).


• 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.


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


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.


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


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: Paralelo-

cruzado, 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.


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.


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


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.


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,


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.


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


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


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.


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


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].


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


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.

En los últimos 40 años ha experimentado una importantísima evolución de la

tecnología de almacenamiento y transporte solar térmico, hasta el punto que

permite aprovechar esta fuente de energía de una forma muy eficiente y fácil,

o lo que es lo mismo, con un consumo energético muy bajo (menores

emisiones de gases de efecto invernadero) y económicamente viable

(importantes ahorros económicos).

El ahorro que supone en comparación con los sistemas convencionales, hace

que la inversión realizada se recupere en poco tiempo.

Las necesidades medio ambientales y la proliferación de viviendas

unifamiliares justifican el estudio y la realización de soluciones basadas en la

utilización de energía solar térmica que pueden ser empleadas para

conseguir un menor consumo energético en este tipo de viviendas y en un

futuro aplicarlo en procesos aún más complejos.

4 Objetivos

El propósito del presente Proyecto Final de Carrera es el diseño y

caracterización de un intercambiador de calor en espiral y su posterior

integración en un sistema de energía solar térmico, en el que se identificaran

los componentes necesarios para su correcto funcionamiento y se incluirá el

uso de materiales de cambio de fase como una propuesta innovadora para el

almacenamiento energético para cubrir la demanda de tres aplicaciones,

climatización, agua caliente sanitaria y de uso doméstico.

Los objetivos del proyecto son:


• Diseño de un intercambiador de calor en espiral.

• Realización de un prototipo de intercambiador de calor en espiral.

• Caracterización del prototipo de intercambiador de calor en espiral.

• Integración del intercambiador de calor en espiral en la instalación de

energía solar térmica.

• Diseño y descripción de funcionamiento de la instalación solar

térmica.

• Inclusión de materiales de cambio de fase en el intercambiador de

calor en espiral.

5 Metodología.

Para la realización del presente documento se ha seguido una metodología

basada en el desarrollo de las siguientes fases:

1ª Fase: Recopilación de información referente a los dispositivos existentes de

intercambio de calor, y la disposición de los fluidos en su interior para

realizar el intercambio.

2ª Fase: Se realizo un estudio meteorológico de las variables (temperatura,

humedad relativa y radiación solar) del lugar donde se desarrollará la

instalación final que se describe en el proyecto.

3ª Fase: Se llevo a cabo el diseño y construcción del prototipo de

intercambiador de calor en espiral con su correspondiente caracterización de

los aspectos más relevantes del dispositivo para su correcto funcionamiento.

4ª Fase: Se analizó los circuitos primario y secundario que conforman la

instalación solar térmica en la que se integrarán los intercambiadores de calor

en espiral para las distintas aplicaciones.


5ª Fase: Inclusión de materiales de cambio de fase (MCF) en los

intercambiadores de calor en espiral de las distintas aplicaciones como una

aplicación innovadora en la gestión de almacenamiento de calor.

6ª Fase: Discusión final donde se interpretaran los resultados y se obtendrán

las conclusiones.

Memoria. Datos meteorológicos. 38

Capítulo 2 DATOS METEOROLÓGICOS.

1 Estudio estadístico de los datos meteorológicos.

En este segundo capítulo de la memoria se va a tratar un aspecto

imprescindible previo a la integración del intercambiador de calor en espiral

en un sistema solar térmico, este aspecto consiste en el conocimiento e

interpretación de los datos de las variables meteorológicas, que se dan en los

diferentes meses del año, en el lugar de ubicación en la que se va a implantar

el sistema final, puesto que estos datos resultan imprescindibles, en cuanto a

que condicionan todos los demás parámetros de la instalación que se desea

proyectar.

A estos efectos, se ha de informar que, los datos en cuestión, han sido

tomados de los registros de la estación meteorológica que se halla situada en

Arganda (Madrid), localidad en que también se ubica la construcción en la

que se va a implantar la instalación final resultante del presente estudio.

En esta estación meteorológica se hallan registrados, los datos de las

variables que se consideran necesarias para la realización de este estudio que

junto a los datos obtenidos por el centro de estudios de la energía solar

(CENSOLAR) sirven para realizar una estimación correcta y cercana a la

realidad de los parámetros necesarios.

Los datos facilitados son:

• Humedad relativa.

• Temperatura exterior.

• Radiación solar sobre el plano horizontal.


Destacar que los datos utilizados han sido los registrados durante el pasado

año 2010 y el año anterior 2009, las mediciones realizadas cada 5 minutos en

las referidas a la estación meteorológica, es decir, las 288 mediciones diarias

realizadas en las 24 horas de cada día.

Estas mediciones fueron facilitadas en ficheros “.txt” por lo que fue preciso

traspasarlos a una hoja de Microsoft Excel para una mejor interpretación de

la información y dar un tratamiento más homogéneo de los parámetros

facilitados como se comenta a continuación.

� Con respecto a los datos facilitados tanto en temperatura exterior

como en el porcentaje de humedad relativa se ha calculado la media

aritmética, tomando la totalidad de los datos en cada uno de los

meses, y promediando cada uno de los 288 intervalos de 5 minutos

que hay diariamente, obteniendo de esta forma un día “tipo” para

cada mes del año.

� Con respecto a la radiación solar sobre el plano horizontal, la manera

de proceder ha sido similar a la anterior, tomando exclusivamente la

franja de día.

2 Presentación de resultados del estudio estadístico.

Los resultados obtenidos son muy parecidos a los datos obtenidos por el

centro de estudios de la energía solar (CENSOLAR), lo que sirve de

referencia para comprobar que son correctos.

• TEMPERATURA EXTERIOR

E F M A M JN JL A S O N D

T(ºC) 6.3 7.1 9.3 12.4 15.6 23.8 27.2 28.5 21.0 16.9 9.1 6.5

Tabla 1: Temperaturas medias mensuales.


Figura 15: Temperaturas medias mensuales.

• HUMEDAD RELATIVA

E F M A MY JN JL A S O N D

HR(%) 69.3 67.1 53.3 56.4 53.6 36.8 30.2 31.5 45.1 60.9 66.6 70.5

Tabla 2: Humedad relativa media mensual.

Figura 16: Variación de la humedad relativa a lo largo del año.


• RADIACIÓN SOBRE PLANO HORIZONTAL

La radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas

por el sol a diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta).

Figura 17: Espectro electromagnético de la radiación solar.

Existen tres tipos de radiaciones que alcanzan la superficie de la tierra:

� Radiación directa: llega a la Tierra en línea recta desde el círculo solar,

sin haber sufrido cambio alguno en su dirección. Este tipo de

radiación se caracteriza por proyectar una sombra definida de los

objetos opacos que interceptan.

� Radiación difusa: se difunde y dispersa al chocar con la atmósfera. Va

en todas direcciones como consecuencia de las reflexiones y

absorciones tanto de las nubes como de las partículas de polvo

atmosférico, montañas, árboles, edificios, el propio suelo.


� Radiación de albedo: procede de cuerpos cercanos. La cantidad de

radiación de este tipo depende del coeficiente de reflexión de la

superficie, denominado albedo. Generalmente no se considera a

efectos de cálculo debido a las dificultades para determinar su valor.

La radiación suele referirse a un plano horizontal debido a que los

instrumentos usados para la medida y valoración se encuentran en esta

posición.

Los datos obtenidos de energía que incide sobre un metro cuadrado de

superficie horizontal en un día medio de cada mes en la localidad de la

Poveda en Arganda del Rey (Madrid) son los mostrados en la siguiente tabla:

I H E F M A MY JN JL A S O N D

2/ mW 190 221 432 553 596 783 733 652 555 324 178 163

Tabla 3: Radiaciones mensuales incidentes sobre plano horizontal.

Figura 18: Radiaciones mensuales incidentes sobre plano horizontal.

Memoria. Realización de un intercambiador de calor en espiral. 43

Capítulo 3 REALIZACIÓN DE UN

INTERCAMBIADOR DE CALOR EN ESPIRAL.

1 Intercambiador de calor en espiral.

En esta sección de la memoria se describirán los pasos seguidos para la

construcción y caracterización del prototipo de intercambiador de calor en

espiral para su posterior integración en la instalación [NSPD10].

Los intercambiadores de calor en espiral presentan notables ventajas en

relación a otros diseños de intercambiadores de calor en serpentín o en

placas plano-paralelas vistos en el capítulo anterior del presente documento.

Son compactos, fáciles de construir y presentan un buen rendimiento de

transferencia térmica por unidad de volumen.

2 Componentes constructivos del prototipo de intercambiador

en espiral.

A continuación se detallaran todos los componentes constructivos necesarios

para la construcción del prototipo de intercambiador de calor en espiral.

� Bobina de aluminio.

� 2 tubos de 6 mm de diámetro y 34 cm de longitud. (entrada/salida de

cámara de agua).

� Cinta aislante de doble cara.

� Uso de burletes de estanqueidad para puertas y ventanas.

� Sellante de silicona.


3 Procedimiento seguido para la construcción del prototipo de

intercambiador de calor en espiral.

Con el objetivo de familiarizarse con el funcionamiento, características y la

disposición de los fluidos en el intercambiador se realizo el montaje de un

prototipo de intercambiador de calor en espiral cuyo procedimiento se

describe a continuación.

El intercambiador objeto de construcción esta compuesto por una doble

lámina de aluminio, un material flexible, ligero y buen conductor térmico.

Para la construcción del prototipo se extendió una primera lámina de

aluminio a lo largo de una superficie plana, se colocó a lo largo del eje Y de la

lámina, cinta aislante de doble cara.

Figura 19: Prototipo de intercambiador en espiral 1.


A continuación se colocan en cada extremo de la lámina un tubo de aluminio

transversalmente perforado, fijando dichos tubos a la otra cara de la cinta

aislante, lo que configurará el circuito de entrada y salida del fluido líquido.


Por uno de los extremos se comienza a desenrollar de la bobina de aluminio

una nueva lámina, la cual cubrirá el tubo y se ira fijando a la primera lámina

(extendida con anterioridad) mediante la otra cara de la cinta aislante a lo

largo de toda la superficie, de esta forma de irá configurando la cámara por

donde fluirá el líquido, a su vez se van colocando en la dirección del eje X en

el anverso de esta segunda lámina que se fija a la anterior, una sucesión de

tiras de burlete de estanqueidad para puertas y ventanas, estas tiras cumplen

dos misiones, una la de dar una mayor robustez a la estructura del

intercambiador y dos la de configurar el circuito por donde fluye el aire,


quedando así perfectamente definidas las dos cámaras para sendos fluidos

(agua/aire).


Ambas láminas son selladas con silicona en los extremos a lo largo del eje Y

para asegurar la estanqueidad de la cámara de agua, se inicia el enrollado del

conjunto para la configuración del intercambiador de calor en espiral tal y

como se muestra en las siguientes figuras.




4 Caracterización del intercambiador de calor en espiral.

En esta cuarta sección del tercer capítulo de la memoria se expondrá el

funcionamiento del intercambiador de calor en espiral y las características

que presenta este diseño.

Como primera consideración, destacar como se disponen los fluidos dentro

del intercambiador de calor en espiral para favorecer el intercambio de calor,

el aire circulará en dirección paralela al eje, mientras que el agua circulará

siguiendo la espiral descrita por la construcción del intercambiador de calor,

siguiendo el patrón de flujo cruzado entre los fluidos aire y agua, tal y como

se puede observar en la figura mostrada a continuación.


Figura 24: Disposición de flujos en el intercambiador.

En la siguiente figura se muestra un corte transversal del intercambiador de

calor en espiral, donde se observa con mayor claridad el sentido de flujo

cruzado y la configuración de las cámaras de agua y aire en el

intercambiador de calor.

Figura 25: Disposición de flujos en el intercambiador.


La segunda consideración a tener en cuenta son sus características físicas en

cuanto a la capacidad de intercambio de calor.

� La superficie total de intercambio será la correspondiente a las

láminas separadoras entre 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 utilizado para su construcción

y el inverso del espesor, contribuyen a mejorar la eficiencia de

intercambio de calor entre los fluidos que circulan por el

intercambiador de calor en espiral.

Como última consideración, destacar que una vez concluido la construcción

del prototipo de intercambiador de calor en espiral este se podrá introducir

en una carcasa de poliuretano con dos fines, el primero evitar pérdidas o

fugas de calor, además, de servir como soporte para la colocación en uno de

sus extremos un ventilador de PC o similar, que favorecerá la circulación del

aire por el intercambiador de calor y a la creación de un flujo de aire

turbulento que mejorará el intercambio de calor entre los fluidos.


Figura 26: Carcasa y ventilador.

5 Mejoras que se introducen con este diseño.

Los intercambiadores de calor en espiral es un tipo de intercambiador de

calor usado desde hace décadas en numerosas configuraciones y

aplicaciones. Desde esta perspectiva siempre se han trabajado en diseños

capaces de resistir presiones elevadas, fluidos corrosivos, tóxicos e incluso

explosivos o la búsqueda de un aumento de rigidez o refuerzo estructural

del dispositivo mediante diferentes métodos de corrugado de las láminas

que configuraban el intercambiador, casi todos estos aspectos son de carácter

eminentemente industrial.

En consecuencia, estos dispositivos presentan un peso y volumen notables,

con dificultad para su inserción física y estética en ciertas aplicaciones, tales

como los circuitos de transporte térmico en edificios, como es el caso que se

ocupa el presente documento.


Este diseño difiere de los intercambiadores de calor de carácter industrial

existentes, mejora los diseños de los intercambiadores descritos con

anterioridad ofreciendo solución a los problemas mencionados dando lugar a

un dispositivo ligero, compacto y con un coste de fabricación reducido.

Memoria. Instalación solar térmica. 52

Capítulo 4 INSTALACIÓN SOLAR

TÉRMICA.

Una vez explicado todo el procedimiento de construcción del prototipo del

intercambiador de calor se procede a su integración en un sistema solar

térmico.

Para este procedimiento se seguirán las siguientes fases:

• Ubicación de la construcción en la que se implantará la instalación.

• Descripción de la instalación.

• Descripción del circuito primario y componentes.

• Fluido caloportador.

• Descripción del circuito secundario y componentes.

1 Ubicación y descripción del edificio.

El edificio en el cual se va a realizar la integración del intercambiador de

calor en espiral en una instalación solar térmica se encuentra situado en el

Consejo Superior de Investigaciones Científicas de La Poveda, en el

municipio de Arganda del Rey perteneciente a la Comunidad autónoma de

Madrid como se puede observar en la figura, con coordenadas:

� Altitud: 548 metros.

� Latitud: 40,18º Norte.

� Longitud: 3,28 Oeste.


Figura 27: Ubicación de la caseta de pruebas.

La construcción consiste en una caseta de pruebas la cual se pretende

climatizar durante los meses de invierno además de disponer de agua

caliente sanitaria y de uso doméstico durante todo el año.

La caseta se encuentra ubicada sobre el terreno, de tal forma que su fachada

principal está orientada hacia el sur. La parte superior del edificio esta

formada por un tejado con una inclinación de 25º, además no existe ningún

elemento que produzca sombras sobre la construcción.

2 Descripción de la instalación solar térmica.

El esquema de funcionamiento de la instalación es el siguiente:

Figura 28: Esquema de la instalación solar térmica.


El sistema solar térmico consta de dos circuitos claramente diferenciados en

el esquema anterior, circuito primario (colector solar y cámara de agua del

intercambiador de calor) y circuito secundario formado por los

intercambiadores de calor en espiral encargados de la climatización, la

disposición de agua caliente sanitaria y de uso doméstico.

En el circuito primario circulará un fluido de trabajo que constará de una

mezcla de agua con anticongelante como sistema de protección contra

heladas.

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 calor portador (mezcla de agua y anticongelante) que

circulará por el intercambiador de calor, calentando el aire exterior para

introducirlo en el interior, a la temperatura de confort alrededor de los 23ºC

en invierno en la aplicación de climatización y para las aplicaciones de agua

caliente sanitaria y de uso domestico las temperaturas de calentamiento de

agua serán de 40ºC y 60ºC respectivamente.

El circuito secundario es el encargado tanto de gestionar el aire caliente a

introducir en el interior de la construcción en los meses de frío, como de

calentar el agua de los otros dos intercambiadores de calor en espiral uno

para la gestión del agua caliente sanitaria a temperatura de 40ºC y el

segundo intercambiador de calor en espiral para la gestión de agua de uso

doméstico 60ºC, finalmente se cierra el circuito secundario mediante una

válvula que permite la recirculación (cortocircuito) del agua que circula por

el circuito secundario con el fin de calentar el aire o el agua en las diferentes

aplicaciones.


2.1 Circuito Primario.

El circuito primario es el que engloba el sistema de captación (captador solar)

y parte del intercambiador de calor (cámara de agua) el cual determina la

frontera con el circuito secundario.

El esquema del circuito primario es el mostrado a continuación:

Figura 29: Esquema del circuito primario.

El fluido caloportador circula por dicho circuito y es el encargado junto con

el intercambiador de calor de llevar a cabo la transferencia de energía térmica

obtenida en el colector solar solar. El diseño para el circuito primario se basa

en la idea de forzar la circulación del fluido caloportador mediante una

bomba eléctrica, permitiendo de este modo obtener una protección contra

heladas al utilizar una mezcla de agua y refrigerante para conseguir un

fluido con un mayor punto de congelación y controlar la transferencia

térmica entre la captación y la acumulación.

Además del uso de una bomba eléctrica que nos asegura la circulación del

fluido a lo largo de todo el circuito, se le añaden al circuito un vaso de

expansión conectado en la entrada de la bomba cuya misión es la de absorber

la dilatación de volumen sufrida por el fluido debidos a los cambios de

temperatura, una válvula antirretorno también llamada válvula de retención


que tiene por objetivo cerrar por completo el paso del fluido en circulación en

un sentido y dejarlo libre en el contrario, esta válvula evitará el

descebamiento de la bomba y por último una válvula de ventilación para

impedir la formación de bolsas de aire atrapadas en el circuito que impidan

la circulación.

2.1.1 Captador solar.

Dentro de una instalación solar térmica, el sistema de captación solar, tiene

por misión la de captar la radiación solar y convertir su energía en energía

calorífica, pero esta conversión no es directa sino que existen unas pérdidas

por radiación, conducción y convección asociada a dicha conversión y la cual

provoca una disminución del rendimiento del panel.

La radiación solar llega con un ángulo de inclinación que varia con la hora

del día y el mes. Por ello se deben orientar el panel de manera que la

radiación llegue lo más perpendicular posible al panel y así captar la mayor

potencia.

En la presente instalación se va a colocar el panel sobre el tejado con una

inclinación de 25º, por lo tanto se procederá a la corrección de los datos de

radiaciones mensuales incidentes sobre plano horizontal obtenidos del

estudio meteorológico.

A partir de los datos de la Tabla 4 que se muestra a continuación [PCTI06], se

pueden observar los coeficientes de corrección, k para dicha inclinación (25º)

con respecto a la latitud a la que se encuentra la instalación, en La Poveda

dicha latitud es de 40º.


Tabla 4: Factor de inclinación, k para latitud 40º.

Se puede comprobar en la tabla que el factor de inclinación para todos los

meses es mayor o igual a uno, de esta forma se consigue que la incidencia se

produzca de una forma más directa, logrando el objetivo buscado, un

aumento de potencia.

Existe otro factor a tener en cuenta provocado por la orientación, por ello se

considerará el gráfico que se muestra a continuación [CTEM 06].


Figura 30: Ángulo acimut según inclinación.

Para su comprobación se debe encontrar el punto donde coinciden la curva

de inclinación 25º y la orientación o acimut (orientación Sur), la cruz de la

figura anterior marca el punto donde se cortan ambas curvas, en la zona

entre 95 y 100% de aprovechamiento de energía irradiada por el sol.

Para saber cuál es la radiación útil que incide sobre el panel solar, se debe

aplicar ambos coeficientes y una vez aplicados el valor obtenido representa el

coeficiente de radiación útil sobre plano inclinado, como se muestra en la

siguiente Tabla 5, donde se recopilan los datos obtenidos en el estudio

meteorológico y la aplicación de los factores calculados, donde:

� ][ 2mWIH es la radiación mensual incidente sobre plano horizontal.

� ][ 2mWIT es la radiación útil mensual incidente sobre plano horizontal.


MES ][ 2mWIH Coeficiente de

corrección (K)

Coeficiente

acimut ][ 2m

WIT

Enero 190 1,3 0,95 234,65

Febrero 221 1,23 0,95 258,24

Marzo 432 1,16 0,95 476,06

Abril 553 1,08 0,95 567,38

Mayo 596 1,02 0,95 577,52

Junio 783 1 0,95 743,85

Julio 733 1,02 0,95 710,28

Agosto 652 1,09 0,95 675,15

Septiembre 555 1,19 0,95 627,43

Octubre 324 1,3 0,95 400,14

Noviembre 178 1,38 0,95 233,36

Diciembre 163 1,36 0,95 210,59

Tabla 5: Recopilación de radiaciones mensuales sobre plano horizontal.

El panel solar, cuando esta expuesto al sol, recibe un flujo energético bajo el

efecto del cual se calienta, pudiendo alcanzar diferentes temperaturas:

� Temperatura de equilibrio, ganancias en radiación solar del colector

equilibran las pérdidas energéticas hacia el entorno.

� Temperatura de trabajo, máxima temperatura que alcanza el panel

solar.

� Temperatura de utilización, que es la temperatura que alcanza el

fluido caloportador.


Cuanto mayor sea la temperatura de utilización, mayores serán las pérdidas

térmicas, por tanto, menor la cantidad útil o aprovechable que el fluido

caloportador será capaz de extraer.

Puesto que el rendimiento del colector se define como el coeficiente entre la

energía útil obtenida y la energía solar incidente, esté disminuye a medida

que la temperatura de utilización aumenta.

Desde el punto de vista del aprovechamiento energético, interesa hacer

trabajar al panel solar a la temperatura más baja posible, siempre que dicha

temperatura sea suficiente para la utilización específica en cada caso.

En cuanto a los tipos de colectores, existen muchas clases atendiendo a los

fines específicos a los que van destinados y a las características de sus partes

fundamentales o a los materiales utilizados en su construcción como ya se

hizo referencia en el aparatado del estudio de tecnologías existentes del

presente documento, por ello en este apartado se informará sobre una serie

de criterios para realizar una correcta elección del colector solar.

Los criterios son los mostrados a continuación:

Diseño, tamaño y peso de un panel solar plano:

Generalmente, todos los paneles solares pianos consisten en un

paralelepípedo, caracterizado por las tres dimensiones, largo, ancho y

grueso. La disposición más general es la vertical, es decir, el lado menor se

coloca horizontal, recorriendo el circuito hidráulico la placa colectora de

abajo a arriba. Esta disposición vertical suele ser más eficiente para conseguir

temperaturas más elevadas y es más barata de fabricar, en la mayoría de los

casos, por lo que es el más general. Existen paneles que se colocan al revés, es

decir con el lado mayor horizontal (apaisados). Esta disposición horizontal se

presta más a paneles sin excesivos requerimientos de altas temperaturas,


pero suele ser más cara y la distribución del fluido en su interior no suele ser

tan eficiente.

Existen también paneles solares cuadrados, que tienen características

intermedias, pero que en general son más pequeños en superficie que los

rectangulares.

Finalmente paneles especiales con la cubierta curvada, con espejos en el

interior.

El tamaño de los paneles es un dato Importante. Las dimensiones

estandarizadas son de 2 x 1 m de largo x ancho, lo que permite disponer de

aproximadamente 1 .8 a 1.9 2m de superficie útil por panel solar. Paneles de

mayor tamaño son difíciles de transportar, mientras que si son más pequeños

el efecto de las superficies inútiles del marco, las conexiones entre ellas, etc.

aumentan considerablemente, especialmente en instalaciones de un cierto

tamaño.

El peso es otro factor a tener muy en cuenta. El peso ideal es de unos

30 2mKg de panel, que asegura una cierta rigidez, al tiempo que el peso total

de los paneles es aceptable.

Acabado:

Este criterio se centra en el aspecto exterior del panel. Este debe tener un

aspecto correcto, se debe comprobar que el marco exterior es uniforme en

toda su longitud, que la placa colectora no presenta raspaduras

desconchaduras o abolladuras, que los elementos de cierre son uniformes a

todo lo largo del panel, que los orificios para las conexiones estén limpios y

perfectamente sellados.


Cubierta:

La cubierta puede ser de vidrio o plástico. En general, son preferibles las

cubiertas de vidrio. En los paneles de 2 x 1 m, suelen haber dos vidrios, uno

que cubre la parte inferior y otro para la superior. En paneles más pequeños

puede haber un solo vidrio. Un panel de 2 x 1 m. o mayor con tan solo vidrio

es desaconsejable, pues este vidrio, aunque suele ser de mayor espesor, está

más expuesto a romperme por dilataciones, pedrisco, vientos huracanados,

etc.

El vidrio puede ser del tipo solar o normal (transparente). El de tipo solar es

pulido en su cara interior y ligeramente rugoso en la exterior. Este tipo de

vidrio está comercializado en España y cada vez tiene más aceptación.

El colector puede tener dos cubiertas, en este caso el colector es especial para

obtener altas temperaturas.

Si la cubierta es de plástico se deberá ir con más cuidado. Los plásticos más

utilizados son el policarbonato y el Tedlar. Si utiliza policarbonato, se

reconocerá por su enorme transparencia, pero se debe averiguar si ha sido

tratado para resistir a la radiación ultravioleta. Las láminas de policarbonato,

tienen un espesor similar a las de vidrio, pero en general los plásticos se

comportan peor que el vidrio en relación con el “efecto invernadero”.

Si la cubierta es de Tedlar, se reconocerá por el hecho de ser ligeramente

mate y por su falta de rigidez. El Tedlar es una película de 0.1 mm. de

espesor de fluoruro de polivinilo. El Tedlar es el plástico que mejor com-

portamiento tiene tanto para la radiación solar como para la infrarroja lejana

bastante aceptable (aunque el vidrio es mejor), es inmune a la radiación

ultravioleta, resiste altas temperaturas y a pesar de su pequeño espesor, es

altamente resistente a impactos, golpes. A pesar de ello, el Tediar se usa poco

debido a su elevado precio y a las dificultades que entraña la fijación del

mismo en el panel (algo que no ocurre con una lámina rígida).


Material y forma del circuito hidráulico:

El material y la forma del circuito hidráulico son importantes por dos

motivos. El primero es que el material del circuito hidráulico (aluminio,

cobre, acero, acero inoxidable) nos determinará el material de las tuberías, ya

que debido a los problemas de corrosión no es conveniente utilizar

materiales muy distintos entre sí, como, por ejemplo, cobre y acero

galvanizado.

El segundo, la forma del circuito hidráulico y su diseño (serie, paralelo,

tubos) determina la presión máxima de utilización. Los circuitos en serie de

tubos son los más resistentes, siguiéndole luego los circuitos en paralelo,

también de tubos, (en los catálogos suele venir indicada la presión máxima

de servicio).

En general, son preferibles los circuitos en paralelo, así como los formados

por tubos independientes de la placa colectora (que son más seguros),

aunque la transmisión de calor sea en estos casos un poco peor.

Superficie selectiva:

La superficie selectiva requerirá seguidamente nuestra atención. Se debe

comprobar que el pigmento negro sea totalmente uniforme en toda la

superficie de la placa colectora, sin la presencia de zonas más brillantes o más

mates. Asimismo, se tiene que comprobar que no existe ningún

agrietamiento, irregularidad, etc. en la misma. Según el sistema de

tratamiento elegido y los materiales (pintura, electrodeposición, tratamiento

químico) los componentes del pigmento selectivo pueden reaccionar con el

metal base o con la humedad del aire, degradándose, o bien despegándose

del mismo y saltando. Este punto es sumamente delicado. Finalmente,

recordemos que la selectividad, especialmente si es muy elevada, puede

perder características rápidamente con el paso del tiempo y disminuir a

valores inferiores de los previstos.


Aislamiento térmico:

A continuación de la placa colectora nos encontramos con el aislante térmico.

Se debe comprobar la presencia del reflector, una hoja de aluminio brillante,

pegada encima del aislante en la parte que mira a la placa colectora. El

reflector, como su nombre indica, es un espejo térmico que refleja otra vez

hacia la placa la radiación que ésta emite por debajo, por lo que su presencia

aumenta el rendimiento energético de un panel solar respecto a otro idéntico

sin ella.

El aislante debe tener un grosor apropiado (nunca inferior a 3 cm y

preferentemente 5cm y más). Cuanto mayor es el espesor de aislante, tanto

mejor, pues las pérdidas del panel serán reducidas. Un dato muy importante

y que se suele pasar por alto es comprobar que el aislante continúa por los

cuatro laterales del panel solar. A veces, por razones estéticas y para

aproximar más la superficie total a la de abertura (es decir, hacer el marco

más estrecho), los fabricantes no ponen aislante en esta zona, esto es

especialmente grave en el lateral superior, donde debido a la convección

interna, el material estará muy caliente, con pérdidas elevadas. Una simple

inspección a través de la cubierta transparente nos evidenciará si existe

aislante (que generalmente estará tapado por una chapa metálica por razones

estéticas) o si es imposible que éste exista debido al escaso espesor del marco.

El tipo de aislante es muy importante, ya que los aislantes son materiales

fibrosos que tienen tendencia a absorber humedad.

La humedad puede infiltrarse en un panel a partir del aire atmosférico o por

entrada directa de agua, por ejemplo, de lluvia. Los aislantes húmedos

pierden sus propiedades aislantes y se vuelven buenos conductores del calor.

Por esta razón deberemos asegurarnos que el aislante elegido por el

fabricante no tenga estos problemas.


Marco exterior:

Todo lo anteriormente descrito se introduce en una caja, la cual puede ser de

una sola pieza o bien compuesta de un marco y de una placa de fondo

independiente (que generalmente es una plancha de acero galvanizado), ya

se ha dicho que es conveniente que el marco tenga algunos centímetros de

grosor, con objeto de tener aislante térmico en su interior.

La caja puede ser metálica o de algún material como poliéster reforzado con

fibra de vidrio (material, este último, con que se fabrican embarcaciones) si la

caja es metálica, es preferible que conste de un marco y de una placa de

fondo independientes. Los materiales más utilizados para el marco son el

acero inoxidable y el aluminio anodizado, por su resistencia a la corrosión.

Los marcos de acero pintado no son convenientes, pues acaban oxidándose

tarde o temprano. El marco es el elemento donde se apoyan todos los

componentes del panel solar, por lo que es conveniente que sea muy rígido.

En acero inoxidable los cuatro laterales pueden soldarse entre sí, mientras

que en aluminio anodizado se atornillan.

Si la caja es de poliéster, ésta suele ser de una sola pieza, pudiendo a veces

llevar refuerzos de alambre en algunas zonas, especialmente en el marco, y

con dibujos y nervaduras en el fondo para darle más rigidez mecánica.

Fijaciones:

A continuación se debe examinar las fijaciones del panel. Hay paneles que las

llevan incorporadas, mientras que en otros los mismos fabricantes

proporcionan unas piezas sencillas que los sujetan por las esquinas.

Es importante destacar que las fijaciones deben ser robustas y sencillas.

Todas aquellas fijaciones compuestas de piezas complicadas y más o menos

ingeniosas conducen a que se tenga que depender de unas piezas exclusivas

y caras.


Conexiones:

Los tubos de conexión, pueden presentarse de tres maneras diferentes: por

los laterales derecho e izquierdo, por los laterales superior e inferior o por la

parte posterior. Lo normal es que estas conexiones estén redondeadas a fin

de acoplar de forma apropiada. No obstante, hay algunos que son lisos y

están previstos para ser soldados o para colocar un manguito de plástico. En

general, las conexiones roscadas son preferibles sobre las demás, ya que

pueden permitir el rápido desmontaje de un panel y la sustitución por otro.

En el caso de que la conexión sea por la parte posterior hay que verificar que

el tubo de salida está lo más alto posible e incluso si no es perpendicular a la

placa de fondo sino inclinado hacia arriba (hecho que es preferible) para

poder dar salida a las posibles burbujas de aire.

Elementos de cierre:

El panel, en general, debe ser estanco, principalmente a la lluvia. Por otra

parte, los paneles a lo largo de las 24 horas del día están sometidos a fuertes

calentamientos y enfriamientos que hacen que sus materiales se dilaten de

forma apreciable. Ello obliga a disponer de elementos de cierre que

garanticen la estanqueidad, pero permitan las dilataciones. Esto se consigue

mediante juntas de caucho especial o de siliconas.

Estos materiales deben colocarse a lo largo del perímetro de la cubierta

transparente, en los ángulos de aquellos marcos que sean de cuatro piezas no

soldadas, junto a los elementos de fijación y en las conexiones.

Los elementos de cierre pueden degradarse con el tiempo debido a las altas

temperaturas, y a la radiación ultravioleta. Los tipos de caucho más usado

son el Etileno—propileno y el EPOM. Las siliconas, que pueden teñirse del

color que se desee, son en general más resistentes que los cauchos.


Un cierre defectuoso origina un problema muy común después de una lluvia

o de unos días con mucha humedad el agua entra dentro del panel solar,

bien sea directamente (lluvia) o en forma de vapor de agua.

Mientras que el vapor de agua existente dentro del panel solar esté por

encima del punto de rocío no pasará nada, pero en caso contrario el agua

condensará en forma de vaho, preferentemente en la parte inferior de la

cubierta transparente.

El empañamiento del panel tiene lugar preferentemente le noche, cuando la

temperatura es baja, y en las zonas inferiores del panel. El vaho formado no

deja pasar la radiación solar, por lo que el panel solar no se calienta. Al no

calentarse el panel solar, el vaho no se desvanece y el rendimiento energético

es bajo. Este fenómeno se ve acentuado si el material aislante es buen

absorbente de humedad. La presencia de humedad es peligrosa, pues puede

provocar la oxidación de la placa colectora y la degradación de la superficie

selectiva.

El empañamiento se evita haciendo algún orificio en la parte posterior del

panel, al abrigo del agua de lluvia. En general, un panel solar debe ser

estanco al agua de lluvia, pero no necesariamente hermético, siendo

preferible que posea una cierta ventilación por la parte posterior del mismo.

Accesibilidad del panel solar:

Finalmente, se debe tener en cuenta un detalle de suma importancia, la

accesibilidad de las diferentes partes del panel solar y su posible desmontaje.

En este sentido son preferibles aquellos paneles que estén atornillados o que

puedan desmontarse con cierta facilidad.

Hay paneles en los que, una vez construidos, resulta imposible hacer

cualquier reparación sin romperlos. La accesibilidad es especialmente

importante en el caso de la cubierta transparente, ya que este elemento es el

más vulnerable debido a su fragilidad. Por ello, el panel debe estar cons-


truido de tal forma que se pueda cambiar la cubierta fácilmente, incluso sin

necesidad de desmontarlo ni desconectarlo del circuito hidráulico.

Igual recomendación debe hacerse para el resto de componentes, aunque en

este caso se deberá desmontarlo y desconectarlo del circuito hidráulico

[FERA08].

Con estos criterios, ya se dispone de elementos de juicio más que suficientes

para hacer una elección acertada del tipo de panel solar que se desea instalar.

2.1.2 Fluido caloportador.

El fluido caloportador que se va a hacer circular por el circuito primario será

una mezcla de agua y anticongelante en este caso el anticongelante elegido es

una disolución acuosa propilenglicol, muy común y usado en este tipo de

instalaciones, como se muestra a continuación [DTIE06], se relaciona la

variación de la temperatura de congelación con el porcentaje de

propilenglicol en agua y las propiedades de la mezcla resultante según la

proporción usada.

Figura 31: Variación de la Tº con la proporción de propilenglicol en agua.


Tabla 6: Propiedades de la mezcla agua- propilenglicol. ( fuente: Technical Suport Department)

La proporción de propilenglicol se calcula de la siguiente forma:

Se tendrá en cuenta la temperatura mas desfavorable que se pueda dar en la

zona en la que se va a realizar la instalación del sistema solar térmico por ello

se tomará la temperatura mínima histórica con un margen de 5ºC, para este

caso se tomará como referencia la temperatura mínima histórica de Madrid

ya que no se dispone de la temperatura mínima histórica de la localidad en la

que se instala el sistema solar térmico y por ello el uso de un margen de 5ºC.

PROVINCIA ALTITUD (m) LATITUD TEMP.MÍNIMA HISTÓRICA

MADRID 667 metros 40,4 -16ºC

Siguiendo el proceso la temperatura estimada más desfavorable será de -

21ºC, que le corresponde una concentración de un 33% de propilenglicol en

agua.


Una vez conocida la concentración de propilenglicol necesaria se usarán los

valores de los parámetros que se exponen en la gráfica de las propiedades de

la mezcla agua-propilenglicol que circulará por el circuito primario.

Entrando en la tabla con un volumen de mezcla correspondiente al 38%,

mínima temperatura de trabajo de -20ºC y conociendo que en el circuito

primario el fluido caloportador pude alcanzar los 80ºC se obtienen las

propiedades termo físicas del fluido:

� Densidad: 3997m

kg=ρ

� Calor específico: KkgkJcp ⋅= 94,3

� Conductividad térmica: KmWK ⋅= 441,0

� Viscosidad dinámica: 2310897,0

mNs−⋅=µ � sm

kg⋅⋅= −310812,2µ

� Viscosidad cinemática: sm26109,0 −⋅=υ

2.2 Circuito Secundario.

El circuito secundario engloba tres intercambiadores de calor cada uno con

una misión diferente, el primero es el intercambiador de calor en espiral para

la aplicación de uso doméstico (cámara de agua 60ºC) que determina la

frontera entre el circuito primario, el segundo intercambiador de calor en

espiral es el encargado de gestionar el agua caliente sanitaria (cámara de

agua 40ºC) y por último el tercer intercambiador de calor en espiral

encargado de climatizar el interior en los meses de más frío, evacuando el

aire a la temperatura de confort (cámara de aire 23ºC) que previamente ha

sido calentado por el fluido caloportador proveniente del circuito primario,

para finalizar con la descripción del circuito secundario se hace referencia al


uso de válvulas para el equilibrado del circuito (Capítulo 6 del presente

documento).

El esquema del circuito secundario es el mostrado a continuación:

Figura 32: Esquema del circuito secundario.

Memoria. Materiales de cambio de fase. 72

Capítulo 5 MATERIALES DE CAMBIO DE

FASE.

En el presente capítulo se analizará la posibilidad de usar materiales de

cambio de fase como una aplicación innovadora en la gestión de

almacenamiento de calor para las aplicaciones de climatización, agua

corriente sanitaria y uso doméstico.

1 Introducción a los materiales de cambio de fase.

Como respuesta a uno de los condicionantes de uso de la energía solar

térmica (falta de coincidencia en el tiempo entre la demanda y la capacidad

de producción de energía) se presenta el uso de materiales de cambio de fase

como un sistema eficiente para el almacenamiento energético, el cual

ayudará a promover el uso de esta tecnología energética alternativa.

Un material de cambio de fase (MCF) es una sustancia que requiere de gran

energía térmica para cambiar de fase con un elevado calor latente de fusión y

solidificación a una cierta temperatura, siendo capaz de almacenar y liberar

grandes cantidades de energía a temperatura constante, la cual se puede

aprovechar para devolverla en el momento adecuado.

Existen diferentes aplicaciones en las que se puede beneficiar del uso de las

propiedades de los materiales de cambio de fase como es el transporte y

conservación de productos sensibles a los cambios de temperatura

(alimentarios o farmacéuticos), industria textil (camisetas, calzado) o en

aplicaciones en edificios, mediante micro encapsulado o embebidos en los

materiales de construcción, este estudio se centrará en la uso de este material

de cambio de fase introduciéndolo en otro componente constructivo


(intercambiador de calor en espiral) como sistema de almacenamiento

térmico para climatización, en la aplicación de agua corriente sanitaria y uso

doméstico.

2 Interés en el uso de materiales de cambio de fase.

El interés que presenta el uso de los materiales de cambio de fase para las

aplicaciones de aclimatación de interiores y agua caliente sanitaria radica en

el calor absorbido cuado se produce un cambio de estado en el material de

cambio de fase utilizado.

De entre los cambios de estado sólido-sólido, sólido- líquido, sólido- gas y el

líquido-gas a través de los cuales se puede aprovechar el almacenamiento del

calor latente del material de cambio de fase, el cambio de estado que presenta

una mejor alternativa a considerar es el cambio sólido-líquido, debido a la

gran densidad de acumulación energética por unidad de volumen con una

escasa variación de temperatura[NSPD11].

Figura 33: MCF sólido-líquido.

En este estado de semi fusión (sólido-líquido), el material de cambio de fase

absorbe grandes cantidades de calor a una temperatura casi constante, el

material de cambio de fase sigue absorbiendo calor sin un aumento


significativo de la temperatura hasta que todo el material se convierte en

líquido, cuando la temperatura ambiente entorno a un material de cambio de

fase en estado líquido cae, el material de cambio de fase se solidifica,

liberando su calor latente almacenado.

Los cambios de fase de gas a líquido no son prácticos para su uso como

almacenamiento térmico, debido a la enorme variación del volumen y altas

presiones necesarias para almacenar los materiales, siempre que sea en su

fase gaseosa. Los cambios de estado de gas-líquido tienen un calor más alto

que la transformación de las transiciones de sólido-líquido, mientras que los

cambios de fase sólido-sólido suelen ser muy lentos y tienen un calor más

bajo de transformación.

Existe una gran cantidad de materiales de cambio de fase disponibles

entorno a casi cualquier rango de temperatura requerida entre (-10ºC hasta

190ºC), para las aplicaciones que se van a tratar en el presente documento, la

elección del material de cambio de fase será en un rango de temperatura

entorno a los 23ºC (dentro de la zona de confort humano) para la aplicación

de calefacción y 40ºC, 60ºC para la aplicación de agua corriente sanitaria y

uso doméstico, con el uso de los materiales de cambio de fase en el interior

de los distintos intercambiadores de calor en espiral integrados en el sistema

solar térmico resulta muy eficaz su uso debido a que su capacidad de

almacenamiento de calor, el cual, podrá oscilar entre cinco y catorce veces

más calor por unidad de volumen de almacenamiento que en los materiales

usados convencionalmente, como el agua.

Existe gran diversidad de materiales (parafinas, sales hidratadas o acuosas y

alcoholes) utilizados como materiales de cambio de fase dependiendo de la

temperatura de fusión para la aplicación concreta que se desee para su uso

tal y como se muestra a continuación.


Figura 34: Clases de materiales de cambio de fase.

A partir de los diferentes materiales de cambio de fase existentes, se realiza

una comparación de ventajas e inconvenientes a tener en cuenta en el uso de

estos materiales diferenciando entre orgánicos e inorgánicos.

Tabla 7: Ventajas e inconvenientes MCF utilizados.


3 Aplicación de los materiales de cambio de fase.

En un sistema solar térmico la captación de la energía de la radiación solar en

forma de calor se realiza a través del panel solar, el cual, a partir de los datos

obtenidos del estudio meteorológico realizado en el Capítulo 2 del presente

documento, proporciona un perfil de temperatura en el que los rangos de

trabajo aproximados serán de entre 80ºC temperatura máxima y 14ºC

temperatura mínima.

Se utilizaran materiales de cambio de fase que estén dentro de los rangos de

temperatura de captación del sistema solar térmico de manera que la reserva

de temperatura y su utilización para los tres fines diferentes de aplicación:

� Uso doméstico: 1MCFT = 60ºC.

� Agua corriente sanitaria: 2MCFT =40ºC.

� Calefacción: 3MCFT = 23ºC ± 3ºC (Banda de confort).

Se introducirán materiales de cambio de fase con las temperaturas de trabajo

descritas con anterioridad en los intercambiadores de calor en espiral

integrados en el circuito secundario de la instalación solar térmica, teniendo

en cuenta que los fluidos de trabajo para el intercambiador de calor en

espiral de la aplicación de calefacción será agua/aire y los intercambiadores

de calor en espiral para las aplicaciones de agua corriente sanitaria y uso

doméstico serán agua/agua con un principio de funcionamiento idéntico al

descrito en el Capítulo 3 del presente documento, para la construcción del

prototipo de intercambiador de calor en espiral agua/aire.

La instalación final se representa en el esquema simplificado mostrado a

continuación:


Figura 35: Instalación con inclusión de MCF.

El uso de los materiales de cambio de fase para el almacenamiento de la

energía térmica, tiene por objetivo el utilizar la fuente de calor natural,

energía solar para calentar y almacenar el calor necesario para hacer coincidir

la disponibilidad y la demanda con respecto al tiempo y con respecto a la

potencia.

Existen tres formas diferentes para la aplicación de los materiales de cambio

de fase en la construcción:

� Incluir materiales de cambio de fase en las paredes del edificio

(sistema pasivo).

� Incluir materiales de cambio de fase en otros componentes que no

sean las paredes de edificio, dispositivos externos (sistema pasivo).

� Utilizar dispositivos separados como almacén que incluyan materiales

de cambio de fase (sistema activo).

Los sistemas activos son aquellos en los que el calor o el frío se almacenan y

son liberados automáticamente cuando las temperatura interior o exterior

aumentan o disminuyen por encima o por debajo del punto de fusión de


material de cambio de fase utilizado, mientras que el sistema activo, el calor

o el frío almacenado se encuentra en un contenedor térmicamente separado

del edificio con un aislamiento y este calor o frío almacenado se utiliza bajo

una demanda y no de manera automática.

En la instalación desarrollada en el presente documento se introducirá un

sistema activo, mediante la introducción del material de cambio de fase en

los intercambiadores de calor en espiral integrados en el sistema solar

térmico.

Memoria. Gestión de la instalación. 79

Capítulo 6 GESTIÓN DE LA INSTALACIÓN.

Conocidas las temperaturas a las que van a trabajar los materiales de cambio

de fase para las distintas aplicaciones, es necesario conocer el calor máximo

que puede aportar el material, el cual, viene definido por la siguiente

expresión:

masaQQ LATENTEMAX *=

Donde el calor latente dependerá del material de cambio de fase utilizado y

la masa = VolumenMCF *ρ , de esta forma queda definido el calor máximo que

puede aportar cada material de cambio de fase según su aplicación dentro de

la instalación.

Para determinar la cantidad de calor cedido a lo largo del tiempo según la

aplicación que lleve a cabo el material de cambio de fase en las diferentes

aplicaciones dentro de la instalación solar térmica, se podrá calcular

mediante la siguiente expresión:

salidaentradaREMANENTE QQQ −=

)ºº( SALIDAENTRADALATENTEentradaentrada TTQCaudalQ −∗=

)ºº( ENTRADASALIDALATENTEsalidaasalidaa TTQCaudalQ −∗=

Para determinar este valor se deberá instalar sensores de temperatura y de

medida de caudal en la instalación en la disposición que se muestra a

continuación.


Figura 36: Instalación con la disposición de los sensores de medida.

Donde:

� C= es el caudalímetro medida del caudal de salida del circuito

primario.

� Tp= Sensor de medida de la temperatura del agua a la salida del panel

solar.

� T1, T2 y T3 = Sensores que miden la temperatura del agua a la salida

de los intercambiadores de uso domestico, agua corriente sanitaria y

climatización respectivamente.

Los sensores de temperatura tienen la misión de medir la temperatura a la

entrada (circuito primario de la instalación) y la salida (circuito secundario

de la instalación) de cada uno de los intercambiadores de calor integrados

para las diferentes aplicaciones, mientras que el caudalímetro tiene por

objetivo la gestión del caudal térmico mediante válvulas todo-nada del

caudal de fluido que circula a la salida del circuito primario, para conseguir

adaptar el caudal térmico a los perfiles de la demanda estabilizada entorno al

punto de fusión del material de cambio de fase donde proporciona todo su

potencial de almacenamiento energético por unidad de volumen. Con el fin


de gestionar de una manera óptima el correcto funcionamiento de la

instalación, consiguiendo controlar la temperatura a la que el material de

cambio de fase proporciona el máximo beneficio de sus cualidades de

almacenamiento de calor (mantener el material de cambio de fase en un

estado semilíquido), se desarrolla a continuación un algoritmo de control de

la instalación que consigue optimizar el funcionamiento correcto de la

instalación con el uso de los sensores descritos para alcanzar la gestión

completa del sistema.


1 Diagrama de flujo del algoritmo general de la instalación.

Para la gestión de esta instalación mediante la medida de los sensores

descritos con anterioridad se propone el siguiente algoritmo general de

control de la instalación.

Figura 37: Diagrama de flujo algoritmo general de la instalación.


En el diagrama de flujo general se describe el funcionamiento que se debe

llevar a cabo para conseguir el objetivo de control de la instalación de manera

satisfactoria para las tres aplicaciones.

Existen tres temperaturas de consigna que marcan la temperatura de

funcionamiento de cada uno de los materiales de cambio de fase usados en la

instalación, estas temperaturas de consigna se compararán con la

temperatura medida por el sensor de temperatura Tp (realiza la medida de la

temperatura del fluido a la salida de la placa solar conectada en el circuito

primario) que marca la temperatura del fluido a la entrada de los tres

dispositivos, de manera que si la temperatura medida por el sensor Tp es

mayor o igual a la temperatura de consiga de alguna de las tres aplicaciones,

mandará una señal de apertura de la válvula de entrada al dispositivo

correspondiente. En el caso de que no se cumpla ninguna de las

comparaciones, volverá a realizarse la medida.

Una vez abierta la válvula correspondiente de alguna de las aplicaciones, se

realizará una nueva comparación, esta vez se comparará la temperatura

medida por el sensor Tp con la medida de temperatura del sensor T1, T2 o

T3 (dependiendo de la condición anterior que se haya cumplido con

anterioridad), si la temperatura medida por el sensor Tp es menor o igual a la

temperatura medida por el sensor de salida del dispositivo (condición que

indica que el material de cambio de fase está en estado líquido y deja de

cumplir su misión de almacenamiento de calor), se cerrará la válvula y se

realizará de nuevo el proceso de medida y comparación de temperaturas.

Este proceso determinará si la temperatura que no es válida para una de las

aplicaciones es o no válida para el resto de aplicaciones, además para tener

un control total de la instalación se tendrán en cuenta dos consideraciones

finales:

� Un valor de histéresis ( ± 5ºC ) que vendrá marcada por el rango de

temperatura de funcionamiento de los materiales de cambio de fase

utilizados.


� Un retardo de unos 10 minutos entre la conmutación de cierre de una

válvula y apertura de la válvula de otra aplicación (en el caso de que

exista).

De esta forma se evita conmutaciones constantes de apertura y cierre de

válvula y se consigue una doble protección en el caso de fluctuaciones de la

temperatura exterior que repercuten de forma directa en la temperatura del

fluido que circula por la instalación.

Llevando a cabo la gestión de la instalación descrita, se asegura el correcto

funcionamiento de los dispositivos y de los materiales de cambio de fase que

se utilizan en el interior de los intercambiadores de calor en espiral de cada

aplicación, además se consigue realizar una captura a varias temperaturas

provocando un incremento del rendimiento total de la instalación.

Memoria. discusión y conclusiones. 85

Capítulo 7 DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES.

En esta sección de la memoria se expondrán los resultados y conclusiones del

estudio realizado desde la construcción del prototipo de intercambiador de

calor en espiral, su posterior integración en un sistema solar térmico y el

análisis de uso de materiales de cambio de fase como una aplicación

innovadora en la gestión de almacenamiento de calor para las diferentes

aplicaciones de climatización y agua corriente sanitaria de uso domestico.

Los resultados obtenidos del diseño y construcción del prototipo de

intercambiador en espiral presentan grandes mejoras frente a los

intercambiadores de calor de placas-plano paralelas que se usan en las

instalaciones solar térmicas en la actualidad, a continuación se destacan las

principales ventajas de la integración de este dispositivo de intercambiador

de calor en espiral.

La superficie total de intercambio del dispositivo será la

correspondiente a las láminas separadoras entre fluidos (agua/agua o

agua/aire), dos veces el desarrollo de la sección espiral por la longitud

de las láminas a lo largo del eje, lo cual permitirá un diseño más

compacto a la vez que presenta un mejor rendimiento de transferencia

térmica por unidad de volumen frente a los dispositivos utilizados en

la actualidad.

La conductividad térmica del material utilizado para la construcción

del dispositivo y el inverso del espesor contribuyen de manera

significativa la eficacia de intercambio del dispositivo, es decir,

cantidad real de transferencia de calor en un intercambiador dado la

cantidad máxima posible de transferencia de calor.


La creación de ondulaciones u cualquier tipo de alteración superficial

a lo largo de toda la superficie interior por donde fluye el aire en el

caso de la aplicación de climatización o el agua en el caso de la

aplicación de uso domestico y agua corriente sanitaria, ayudará a

romper la circulación laminar de los fluidos sobre la superficie de

intercambio lo que provocará un aumento de la potencia térmica, la

cual es directamente proporcional a la superficie de las láminas de

intercambio, la conductividad de los medios y con el salto térmico en

cada uno de los dispositivos utilizados.

Otro aspecto constructivo importante para la mejora de la

transferencia de calor entre los fluidos en el dispositivo, es la inclusión

en las cámaras por donde circulan los fluidos de lanas, espumas de de

poro abierto e incluso de mallas de un buen material conductor la

cual cumplirá dos misiones aumento de la transferencia de calor y

dotar al dispositivo de una mayor consistencia, en el estudio realizado

este hecho es de una especial relevancia en el caso de que uno de los

fluidos tenga una baja conductividad térmica como es el caso del aire

en la aplicación de climatización.

En cuanto a la utilización del material de cambio de fase se debe destacar

que la capacidad de acumulación de calor viene dada por la masa del

material de cambio de fase contenido en el interior del intercambiador de

calor en espiral a utilizar en las diferentes aplicaciones y por el calor latente

de fusión del mismo, esta masa queda determinada por las dimensiones del

dispositivo en el que se introducen.

Asimismo, el calor almacenado será proporcional a la densidad y al calor

latente de fusión del material de cambio de fase 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.

Se debe destacar la importancia de ajustar el caudal térmico de salida del

circuito primario de forma que la cámara en la que se encuentra el material

de cambio de fase se encuentre en todo momento en estado de semifusión,

ajustando el caudal a los perfiles de la demanda estabilizada entorno al

punto de fusión del material de cambio de fase, debido a que es entorno a ese

punto donde el material de cambio de fase proporciona todo su potencial de

acumulación energética por unidad de volumen con una escasa variación de

temperatura, gracias al calor latente de cambio de fase.

Se expone la necesidad de implantar una máquina térmica en el sistema final

para compensar aquellas situaciones que se pueden dar en la que la

instalación no pueda hacer coincidir la disponibilidad y la demanda con

respecto al tiempo.

Se concluye, primando la importancia de la disposición de los diferentes

dispositivos con la inclusión de material de cambio de fase para las distintas

aplicaciones de climatización, agua corriente sanitaria y uso doméstico se

instalan en cascada (captura a varias temperaturas) lo que redunda en un

notable incremento de la eficiencia energética del sistema.

Memoria. Bibliografía. 88

Capítulo 8 BIBLIOGRAFÍA.

[IDEA10] Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. IDEA

[BPSD10] BP Stadistical Review of World Energy.

[GUIA02] Guía de intercambiadores de calor: Tipos generalidades y

aplicaciones; Departamento de Termodinámica, asignatura fenómenos de

transporte II. 2002. (Sección de tecnologías existentes)

[PCTI06] Pliego de condiciones técnicas de instalaciones de energía solar

térmica. 2006.

[CTEM 06] Código técnico de la edificación (CTE). Marzo 2006.

[FERA08] Fuentes energéticas renovables y alternativa solar térmica

(Colectores solares aplicaciones y utilidades). 2008. (Sección de criterios de

elección de captador solar).

[NSPD10] Patente intercambiador de calor en espiral Número de solicitud:

P2010_00954.

[NSPD11] Patente intercambiador-acumulador de calor con material de

cambio de fase.

[DTIE06] Documento técnico de instalaciones en la edificación para

producción de A.C.S con energía solar térmica DTIE 8.03.2006.

Normativa:

[1] Reglamento de Instalaciones térmicas en Edificios (RITE).

[2] Norma Básica NBE-CT-79, sobre condiciones Térmicas en los edificios.

[3] Plan de Energía renovables publicado por el IDAE.

Otra documentación:

Memoria. Bibliografía. 89

[4] Regulación y certificación energética de edificios, Xabier García Casals,

mayo 2004, IIT-04-022I.

[5] A.F.Mills. Transferencia de calor. McGraw-Hill, 1996.

[6] Prácticas de sostenibilidad en la edificación. Generalitat de Catalunya.

[7] Mataix, Claudio. Mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Ediciones

del castillo, S.A. 2ª edición, 1986.

Páginas web:

[8] www.aislo.com . Portal comercial sobre aislamiento y construcción.

(Sección de tecnologías existentes)

[9] www.idae.es. Página del Instituto para la Diversificación y el Ahorro de

Energía.

[10] www.censolar.es. Centro de estudios de la energía solar.

[11] www.scielo.isciii.es. Biblioteca virtual de colección de revistas científicas,

(Scientific library online).

[12] www.wikipedia.org.

[13] www.csic.es Consejo superior de investigaciones científicas.

Pliego de Condiciones

Pliego de condiciones. Condiciones generales 2

Índice

Capítulo 1 Condiciones generales ................................................................3

Capítulo 2 Condiciones económicas ............................................................6


Capítulo 1 CONDICIONES GENERALES

Ya que el producto final no tiene interés comercial, sino mas bien interés

científico, debido a que se trata de un prototipo de desarrollo y

divulgativo, se hará un pliego de condiciones general en el caso de querer

replicar el producto con fines no comerciales.

Las condiciones y cláusulas que se establecen en este documento tratan de

la contratación, por parte de persona física o jurídica, para la construcción

del prototipo y gestión de la instalación que ha sido desarrollada en este

proyecto.

El cumplimiento de estas condiciones obliga a ambas partes, y son las que

a continuación se exponen:

1. Las dos partes se comprometen desde la fecha de la firma del

contrato, a cumplir todo lo que a continuación se estipula.

2. En el caso de reclamación o discrepancia en lo concerniente al

cumplimiento por cualquiera de las dos partes, una vez agotada

la vía del entendimiento, se tramitará el asunto por vía legal.

3. El suministrador se compromete a cumplir fielmente las

condiciones técnicas, de diseño, fabricación y capacidad que se

estipulen en la lista de materiales y especificaciones indicadas en

el proyecto, a comprobar por el comprador desde la recepción

del mismo.


4. La conformidad de los inspectores del comprador no exime al

proveedor de la responsabilidad que le atañe en los defectos de

diseño y construcción que se mostrasen con posterioridad. El

suministrador garantiza igualmente, que el suministro efectuado

está dotado de todas las medidas de seguridad exigidas por las

Condiciones Generales y Económicas.

5. El plazo de entrega será de seis semanas a partir de la fecha de la

firma del contrato.

6. Si la entrega se retrasara más de las seis semanas acordadas, el

comprador podrá rescindir el contrato, siéndole retribuidas todas

las cantidades abonadas.

7. El equipo está garantizado por 1 año a partir de la fecha de

puesta en servicio del mismo, cubriendo la reparación de fallo

interno o defecto de fabricación y excluyendo cualquier mal uso

que se haga del equipo.

8. El plazo de puesta en servicio no será superior a cinco meses a

partir de la fecha de entrega del equipo.

9. La garantía sólo será válida siempre que se lleve a cabo una

correcta instalación del equipo, así como un correcto uso del

mismo. La garantía cesa por manipulaciones efectuadas por

personal no autorizado expresamente por el suministrador.


10. El suministrador no asumirá ninguna responsabilidad superior a

las aquí definidas, y en ningún caso pagará indemnizaciones por

cualquier otro daño o perjuicio directo o indirecto a personas o

cosas por lucro cesante.

Pliego de condiciones. Condiciones económicas 6

Capítulo 2 CONDICIONES ECONÓMICAS

Los precios indicados en este proyecto son firmes y sin revisión por

ningún concepto, siempre y cuando se acepten dentro del período de

validez posteriormente indicado. El período de validez del presupuesto es

hasta el mes de diciembre de 2011.

La forma de pago del presente proyecto será:

� 20% a la recepción del pedido.

� 20% a la entrega de planos y documentación técnica.

� 40% a la entrega del equipo.

� 20% a la puesta en marcha del sistema, siempre y cuando

este plazo no exceda los 90 días a contar desde la fecha de

entrega del equipo. En caso de que se exceda este tiempo,

este 20% se abonará transcurridos 90 días desde la entrega

del equipo.

Presupuesto

Presupuesto. Gastos directos estimados 2

Índice

Capítulo 1 Gastos directos estimados..........................................................4

Capítulo 2 Gastos indirectos estimados ......................................................6

Capítulo 3 Honorarios estimados .................................................................8

Capítulo 4 Coste total estimado ..................................................................10

Índice de tablas

Tabla 1: Gastos directos estimados intercambiador aire/agua.................................4

Tabla 2: Gastos directos estimados intercambiador agua/agua ...............................4

Tabla 3: Coste total estimado del producto ............................................................10


En este capítulo se calculará el precio unitario que alcanzará el producto

final en función de tres partes:

� Honorarios estimados (número de horas trabajadas por el

Ingeniero Industrial con su correspondiente salario).

� Gastos directos estimados (que englobará todos los gastos

relacionados con el desarrollo del producto).

� Gastos indirectos estimados (agrupa a aquellos gastos que no

están relacionados directamente con la producción, pero que son

necesarios para el desarrollo o ensayo del producto, como

pueden ser la iluminación, el equipamiento, etc.).


Capítulo 1 GASTOS DIRECTOS ESTIMADOS

A continuación se detallan los materiales usados para la construcción del

prototipo de intercambiador de calor en espiral (Aire/Agua) y

(Agua/agua) así como su coste unitario y su coste global total.

Lista de materiales Coste total (€)

Bobina de aluminio. 102,32

Tubos de aluminio perforado. 6,2

Lámina de aluminio perforado y

corrugado. 53,6

Sellante de silicona 12,5

Bloque de espuma de poliuretano. 3,6

Bolsa de MCF(23º C) 6

Ventilador PC 12,7

TOTAL 196,92 €

Tabla 1: Gastos directos estimados intercambiador aire/agua

Lista de materiales Coste unidad

Bobina de aluminio. 102,32

Tubos de aluminio perforado. 6,2

Lámina de aluminio perforado y

corrugado. 53,6

Sellante de silicona 12,5

Bolsa de MCF(40º C) 6

TOTAL 180,62 €

Tabla 2: Gastos directos estimados intercambiador agua/agua

En la instalación se su utilizó un intercambiador de Agua/Aire y dos

intercambiadores de Agua /Agua, ascendiendo el gasto directo estimado

a un total de 558,16 €.


Todos los precios anteriores se han obtenido como estimación en función

del coste unitario de cada producto o en función del peso del segmento o

porción usada en proporción al coste de adquirir todo el producto y del

tratamiento necesario del material.

Presupuesto. Gastos indirectos estimados 6

Capítulo 2 GASTOS INDIRECTOS ESTIMADOS

Los gastos indirectos son aquellos gastos que no están relacionados con la

fabricación y construcción del prototipo de intercambiador de calor en

espiral ni puesta en marcha de la instalación, pero que de alguna manera

son necesarios de forma implícita para desarrollar el producto. Estos

gastos incluirían:

� Gastos de servicios generales:

- Luz y equipos: 45 €

� Costes por amortización y utilización de los equipos: se debe tomar en

cuenta el coste que aparece por la amortización tanto de los equipos

usados como del software manejado para la realización de pruebas y

ensayos sobre el producto. Los siguientes son los gastos por

amortización y utilización de equipos:

- Equipo informático de antigüedad aproximada 3 años.

Tiempo de amortización de 5 años: 200 €/año.

Tiempo de uso durante el proyecto: 6 meses

Coste =×=12

6€200 año 100 €

- Taller de trabajo.

Tiempo de amortización de 20 años: 1000 €/año.

Tiempo de uso durante el proyecto: 3 meses

Presupuesto. Gastos indirectos estimados 7

Coste =×=12

31000 año

€ 250 €

- Consumo de gases.

Luego el montante total de los gastos indirectos asciende a 395 €. Estos

gastos pueden reducirse notablemente, ya que aunque en este caso los

equipos fueron usados durante seis y tres meses sólo para este proyecto,

podrían haber sido usados también, durante este tiempo, para otros

proyectos, que necesitasen una cantidad similar de tiempo de uso del

equipo informático y del taller de trabajo.

Presupuesto. Honorarios estimados 8

Capítulo 3 HONORARIOS ESTIMADOS

Los honorarios se calculan en función de las horas trabajadas por el

Ingeniero Industrial para realizar tanto el desarrollo, supervisión, montaje,

etc. del proyecto. Se establecerá el precio de hora trabajada por el

ingeniero (incluyendo las horas extras y las horas dedicadas a la

documentación) en 30 €/hora. Mencionar que las horas trabajadas al día

son 6 horas. Seguidamente se procederá a la descripción detallada del

número de horas trabajadas:

- El período de aclimatación al nuevo entorno se prolongó durante mes

a razón de 2 día por semana, 6 horas al día:

6 horas/día x 2 días/semana x 4 semanas = 48 horas

- El período de diseño, caracterización y montaje del prototipo de

intercambiador de calor en espiral se prolongó durante 5 meses, a

razón de 2 días por semana y 6 horas al día:

6 horas/día x 2 días/semana x 20 semanas = 240 horas

- 25 horas extra por resolución de problemas y redacción de informes.

El total de horas trabajadas para desarrollar completamente el prototipo

de intercambiador de calor en espiral será finalmente de:

Nº total de horas trabajadas = 313 horas

Siendo 313 el número de horas trabajadas por el ingeniero el coste de sus

honorarios ascenderá a 9390 €.

Presupuesto. Honorarios estimados 9

Si se realizan otros prototipos similares, se esperan unos honorarios

sustancialmente menores, debido a que la experiencia adquirida durante

la realización del primer prototipo hará que se necesite un menor número

de horas por desarrollo del prototipo producido.

Presupuesto. Coste total estimado 10

Capítulo 4 COSTE TOTAL ESTIMADO

Para calcular el coste total del producto ya sólo falta sumar los distintos

gastos estimados calculados anteriormente. Una vez realizada esta cuenta

habrá que añadir el 16% de IVA y se obtendrá el precio total del desarrollo

y fabricación del la instalación final.

Concepto Coste (€)

Gastos directos estimados 558,16 €

Gastos indirectos estimados 395 €

Honorarios estimados 9.390 €

Coste total (sin IVA) 10.343,16 €

Coste total (incluyendo el 16% IVA) 11.998,06 €

Tabla 3: Coste total estimado del producto

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Medida y caracterización de un intercambiador de calor en ...intercambiador de calor en espiral, este tipo de intercambiador de calor presenta un mejor rendimiento de transferencia