El intercambiador

El paso del calor de la llama y de los gases producidos en la combustión al fluido calorportador se realizan en el intercambiador de calor. Un intercambiador de calor se define de forma genérica como aquel dispositivo utilizado para transferir energía térmica entre dos o más fluidos, entre una superfi- cie sólida y un fluido o entre partículas sólidas y un fluido, las cuales se encuentran a diferente tem- peratura y en contacto térmico. En el caso concreto que nos interesa, la mayor parte de la trasmi- sión se lleva a cabo entre dos fluidos, los cuales permanecen separados por una pared sólida e impermeable: el calor generado en la reacción de combustión provoca el aumento de la temperatura de los gases resultantes (GPC), que atraviesan el intercambiador (muro divisorio), calentando al el agua que circula por su interior (segundo fluido, o fluido calorportador).

En éste aspecto, el intercambiador puede tener partes expuestas sólo a la llama, a la llama y a los gases simultáneamente o sólo a los gases. Conforme el calor va pasando de los gases al fluido calorportador, éste se calienta, mientras que los GPC se enfrían18_{. Se comprende que los gases sean} expulsados del aparato lo más fríos posible porque así se habrá aprovechado bien su energía, si bien, es necesario encontrar un equilibrio entre la temperatura de salida de los GPC (menor con el aumento de área de intercambio) y el costo del intercambiador.

Ilustración 3.6. Materialización de las calderas de combustible sílido, líquido y gaseoso. Fuente: DOCUMENTOS TÉCNICOS DE INSTALACIONES EN LA EDIFICACIÓN DTIE, Pedro Pozo

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La trasmisión de calor de la llama y los gases al fluido calorportador se realiza por radiación, con- ducción y convección19_.

En la combustión de carbón gran parte del calor pasa del combustible incandescente al intercambia- dor por radiación; en la combustión de gasóleo buena parte del calor se transfiere por radiación y el resto por convección. En la combustión de gases, con la excepción de los quemadores a radiación, sólo una pequeña parte del calor se transfiere por radiación, y la mayor parte lo hace por convec- ción.

Así, en este aspecto, cada combustible tiene su particularidad por lo que es adecuado para la calde- ra concreta diseñada, perdiéndose rendimiento, en la mayor parte de los casos, cuando se quema en otra caldera.

La superficie de radiación de una caldera es aquella que la llama o los GPC incandescentes ven. El calor transferido por radiación está relacionado con las temperaturas absolutas elevadas a la cuarta potencia20 _{y es por esto por lo que los materiales de las superficies expuestas a la radiación tienen} que aguantar las más altas temperaturas y además estar lo más limpias posibles para lograr que se refrigeren mientras trasmiten el calor al fluido calorportador.

El material con que se ha construido el hogar o cámara de combustión, expuesto directamente al fuego y a los GPC calientes, es un elemento de desgaste y el cambiador de calor puede corroerse, deformarse y agrietarse. En las revisiones periódicas de mantenimiento deberán tenerse en cuenta estos aspectos. El peligro es tanto mayor cuanto el material del cambiador no pueda refrigerarse por una circulación escasa o desigual del fluido calorportador.

Lo que caracteriza la transferencia de calor por convección desde los GPC calientes a la pared metá- lica del cambiador es que las moléculas de los GPC, en contacto con la pared, se desplazan con relación a la pared, cediendo su sitio, a la vez que ceden su calor a otra nueva molécula. La fuerza que impulsa el paso del calor por convección es la diferencia de temperaturas entre los GPC y la superficie metálica.

Si el movimiento de las moléculas de los GPC que están en contacto con la pared es debido a la diferencia de densidad relativa ocasionada por las diferencias de temperatura entre el hogar y el ambiente se dice que es de convección natural. Mientras que si existiera cualquier sistema mecáni- co (como un ventilador) que empujase los GPC, la convección sería forzada. A igual diferencia de temperaturas entre los GPC y el fluido calor portador, e igual superficie dos cambiadores idénticos pueden transferir distinta cantidad de calor por convección dependiendo del denominado coeficiente de convección.

Valores tipo del coeficiente de convección (W/m2_ºC)

Gases en convección natural 0,57-28

Gases en convección forzada 11-280

Tabla 3.2. Valores orientativos de los coeficientes de convección. Fuente: DOCUMENTOS TÉCNICOS DE INSTALACIONES EN LA EDIFICACIÓN DTIE, Pedro Pozo

El valor de este coeficiente de convección varía ampliamente dentro de cada uno de las calderas pertenecientes a cada grupo y depende de la tecnología con la que el fabricante haya resuelto su construcción. Del examen de los valores contenidos en la tabla 3.2 puede deducirse que las calde- ras de hogar presurizado precisan, a igualdad de potencia, menos superficie de cambiador que las calderas de convección natural. Por otro lado, la fuerza que impulsa el paso de los gases por el calentador es debida, según los diseños, a la depresión creada por el tiro natural, o a la presión producida por un ventilador. La velocidad con la que los gases fluyen por el intercambiador depende de la diferencia de presiones existente, y la transferencia de calor por convección depende a su vez de la velocidad de paso de los gases.

Una vez que la pared metálica del lado de los GPC del intercambiador ha recibido el calor por con- vección o radiación, éste se trasmite por conducción desde la pared del lado GPC hasta la pared del lado del fluido calorportador.

19 _{El análisis de los mecanismos de trasmisión de calor involucrados en el problema se da en el ANEXO B} 20 _{Para el caso de los gases, el calor se transfiere de forma diferente por radiación. Ver ANEXO B.9}

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La conducción de calor es directamente proporcional a la superficie del intercambiador, a la diferen- cia de temperaturas existente entre las superficies de metal de ambos lados, y a una constante de proporcionalidad característica de cada material, que se conoce como coeficiente de trasmisión de calor por conducción. La transferencia de calor por conducción desde la pared caliente a la pared fría es inversamente proporcional a la distancia que separa ambas secciones (espesor de la pared). Unos materiales conducen mejor que otros lo que se expresa por la bondad de su coeficiente de conducción y el espesor de pared resulta en sí un inconveniente o resistencia al paso de calor. Su finalidad es la de separar los GPC del fluido calorportador y soportar la presión. Como en las instala- ciones individuales la presión es relativamente pequeña, el espesor del metal también lo es y la resistencia que opone el material al paso del calor no tiene, en lo que se refiere a la conducción, excesiva importancia. Mayor importancia tiene sin embargo el ensuciamiento de las paredes del lado del agua y del lado de los GPC, así como la corrosión por deposiciones de sales que toda agua lleva consigo. En la tabla 3.3 se puede observar que el aire se comporta como aislante, lo que justifica la necesidad de purgarlo.

Valores tipo de coeficientes de conducción (W/mºC)

Aceros inoxidables 14-35 Cobre 385

Bronces 26-42 Incrustaciones de sales minerales 0,2

Acero al carbono 37-52 Aire (100ºC) 0,031

Fundición 56-64 Aire (300ºC) 0,046

Tabla 3.3. Valores orientativos de los coeficientes de conducción. Fuente: DOCUMENTOS TÉCNICOS DE INSTALACIONES EN LA EDIFICACIÓN DTIE, Pedro Pozo

Una vez que el calor ha alcanzado la superficie de la pared metálica del lado del fluido calorportador el calor debe transferirse desde esta superficie al fluido, y lo hace de nuevo por convección. Sin embargo el valor del coeficiente de convección de este lado es mucho mayor ya que se trata de un líquido y alcanza valores de entre 170 y 5700 (W/m2_ºC).

El la ilustración 3.7 se puede ver el perfil aproximado de las temperaturas a lo largo de la interfase. La temperatura disminuye bastante entre los GPC y el muro divisorio y relativamente poco entre ambos lados de la pared, y entre la pared interna y el fluido calorportador. Esto se debe a que la resistencia al paso de calor es mucho más elevada entre los GPC y la superficie metálica (coeficien- tes de convección bajos) que entre ambas superficies o entre la superficie interna y el agua (coefi- cientes de trasmisión de calor más elevados).

Ilustración 3.7. Perfil de temperaturas para la pared del intercambiador limpia (A) y con incrustaciones de 3mm (B). Fuente: DOCUMENTOS TÉCNICOS DE INSTALACIONES EN LA EDIFICACIÓN DTIE, Pedro Pozo Después de un cierto tiempo de operación se produce el ensuciamiento de las superficies y ya no se transmite tanto calor como cuando el calentador inició su operación. El ensuciamiento es el depósito de óxido, hollín, incrustaciones de sales minerales, sustancias orgánicas, biofilm, etc. y equivale a una resistencia adicional a la transferencia de calor, siendo indispensable una limpieza periódica del intercambiador para retornarlo al estado inicial.

La existencia de incrustaciones de sales minerales en la pared metálica del lado del agua ocasiona la elevación de la temperatura del metal sobre los valores normales, el incremento consecuente de temperatura de los GPC y puesto que los gases abandonan el sistema más calientes, se aprovecha

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menos la energía del combustible que cuando las superficies están limpias. Las incrustaciones minerales del lado del agua dependen de la cantidad de sales disueltas en ésta y de la temperatura. Este último factor afecta a la solubilidad de las sales en agua. Dependiendo de la temperatura, el agua admitirá una cierta cantidad de sales disueltas, si esta temperatura aumenta o disminuye puede acarrear la deposición de mayor cantidad de sales (ilustración 3.8, Abajo).

La suciedad en el lado de los GPC es debida a las deposiciones de hollín y de grasas procedentes del ambiente en los aparatos instalados en cocinas que toman el aire de combustión directamente del local.

Ilustración 3.8. Temperaturas de la pared metálica del intercambiador en función del espesor de las incrustaciones (arriba) y solubilidad de distintas sales en agua en función de la temperatura (abajo). Fuente: DOCUMENTOS TÉCNICOS DE INSTALACIONES EN LA EDIFICACIÓN DTIE, Pedro Poz (arriba), Wiki- pedia (abajo)

El diseño compacto de la caldera en su conjunto requiere del empleo de tecnologías mejoradas en la transferencia de calor. Así en el lado de los GPC encontramos cambiadores de tubos de aletas, cambiadores de superficies plegadas o acanaladas y cambiadores de fundición con formas geomé- tricas variadas. Las aletas de todo tipo representan un incremento en la superficie de transferencia de calor; las superficies con pliegues buscan, para mejorar el coeficiente de transferencia de calor por convección, el flujo turbulento; los cambios de dirección del flujo, se utilizan para mantener un gradiente de temperatura lo más constante posible de forma que tengamos en todo momento una transferencia de calor constante. Dentro del diseño compacto, los pasos de humos facilitan la am- pliación de la superficie de transferencia de calor en el espacio limitado del calentador y favorecen el enfriamiento de los GPC. En el lado del agua, los pliegues de la superficie y la velocidad del agua, favorecen así mismo el flujo turbulento y con ello la transferencia de calor.

Dado que la elevación excesiva en la temperatura del metal lleva a transformaciones metalúrgicas indeseables, una característica necesaria de seguridad de funcionamiento es que no haya fuego en ausencia de flujo de fluido calorportador, ya que actúa como refrigerante. Por ello es necesario que

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exista circulación del fluido cuando se inicie la combustión y algún tiempo después de haberse extinguido para alcanzar un enfriamiento que no ocasione tensiones metalúrgicas.

La cantidad de agua contenida en el intercambiador influye sobre el control, siendo más difícil man- tener la temperatura que se desea obtener en el fluido calorportador, dentro de la precisión deseada, en sistemas de pequeño volumen. Por otro lado, pequeñas cantidades de caudal llevan a un calen- tamiento más rápido, lo que es deseable en los sistemas calentadores de ACS, en los que se requie- re un leve periodo de tiempo entre la apertura del grifo y la llegada de agua caliente.

Ilustración 3.9. Intercambiador con aletas (izqda.), superficies plegadas (centro) y intercambiador de fundición (dcha.)

Los materiales del intercambiador deben resistir, manteniendo su estructura metalúrgica, las tempe- raturas previstas de operación y la agresividad de los GPC. Con esta última finalidad son habituales los recubrimientos cerámicos o de estaño-plomo.

Teniendo en cuenta los criterios económicos y de simplicidad a la que se estuvo sujeto en el diseño del calentador, se optó para el intercambiador la geometría más sencilla de todas: la utilización de un tubo liso de cobre de fácil adquisición en tiendas, enroscado formando una bobina helicoidal. Para hacer más compacto el intercambiador, se partió para el diseño y cálculo de una geometría que consistía en una serie de bobinados concéntricos abarcando al máximo el área transversal del que- mador, y limitando la altura del calentador similar al mostrado en la ilustración 3.10.

Ilustración 3.10. Geometría seleccionada para el intercambiador del quemador.