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Intercambiadores de Calor de Serpentín

Pueden ser de tipo helicoidal, constituidos por un tubo arrollado en espiral situado en la parte inferior del acumulador, o de haz tubular, que son los que se suelen utilizar para la obtención de ACS en instalaciones convencionales.

Interacumulador con intercambiador de calor de haz tubular. 1. Vertical. 2.Horizontal.
Interacumulador solar con intercambiador de calor de tipo helicoidal.

Dentro del serpentín normalmente el fluido proveniente de los colectores está en circulación forzada, mientras que en el exterior la renovación de fluido (ACS) en contacto con el serpentín se hace por convección natural.
Un sencillo criterio que calcula la eficacia de un intercambiador para saber si este es adecuado consiste en comprobar que la temperatura a la salida del intercambiador es, como mucho, 5 ºC mayor que la temperatura media del ACS acumulada.

En instalaciones de energía solar para aplicaciones de ACS la temperatura media del agua en el acumulador a efectos de diseño tiene normalmente un valor de 45 ºC.

Los intercambiadores convencionales están diseñados para unos saltos térmicos superiores a los que puede proporcionar la energía solar. El salto térmico típico de un intercambiador convencional es 90 ºC – 70 ºC, mientras que lo habitual en energía solar es 55 ºC – 45 ºC.
El intercambiador de serpentín deberá tener una superficie de intercambio de entre 1/4 y 1/3
de la superficie útil de los colectores.

Una instalación con una superficie útil de colectores de 8 m2. ¿Cuántos metros de tubo de cobre con un diámetro de 20 mm (0.02m) serán necesarios en un intercambiador de calor de serpentín helicoidal?
Solución:
Si se utiliza una proporción entre superficies de captación y de intercambio de 4 a 1, la superficie de intercambio deberá ser:
S = 8/4 = 2 m2
S = 2πrl
2 = 2π(0,02/2)l
L = 2m2/(0,02m*3.14) = 31,8 m
Luego, para conseguir el máximo aprovechamiento solar, el tubo de cobre deberá tener 31,8 m de longitud total.

En el diseño del acumulador con intercambiador de serpentín, se tendrá en cuenta:

  • Con el objeto de transferir la máxima energía posible del fluido caloportador al agua del acumulador, se colocará el serpentín en la parte más baja del acumulador, de forma que la diferencia de temperaturas entre fluidos sea la máxima posible.
  • En los serpentines helicoidales, la distancia entre espiras será igual al menos a dos veces el diámetro exterior del tubo. Esto lleva a que el intercambiador ocupe una gran altura en el interior del acumulador.
  • Si se utiliza como fluido caloportador agua con anticongelante se deberá aumentar algo la superficie de intercambio (del orden de un 10%).

 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE ENVOLVENTE

La doble envolvente de estos intercambiadores es una camisa que recubre el depósito acumulador y por donde circula el fluido caloportador. La superficie de contacto es el perímetro de un cilindro de altura igual a la altura de la camisa.

Este tipo de intercambiadores dan excelentes resultados para uso solar, por lo que son muy utilizados.

Es conveniente que el interior de doble envolvente cuente con un deflector helicoidal para conseguir que el fluido caloportador no pase directamente de la entrada a la salida sin circular por toda la envolvente o, al menos, si no es esto posible, situar la entrada y la salida del fluido del primario diametralmente opuestas.

El deflector puede ser una tira de chapa soldada en forma de hélice o un simple cordón de soldadura.

Interacumulador solar con intercambiador de doble envolvente. Los orificios a distancia situados arriba son la entrada de agua fría y la salida de agua caliente; kv es el retorno de colectores y kr la ida a colectores, m y n son dos conexiones roscadas.

Lo dicho anteriormente para intercambiadores de serpentín sobre proporción entre superficies también es válido para este tipo de intercambiadores, por lo que existe un límite geométrico para su uso, que viene dado por el hecho de que la superficie de intercambio en este caso es la superficie lateral de un cilindro y, por tanto, crece con el radio de este, mientras que el volumen de acumulación crece con el cuadrado del radio.

Se puede dar el caso de que la superficie de intercambio llegue a ser inferior a ¼ de la superficie de los colectores, a no ser que se mantenga un radio pequeño, con lo que la altura crecerá de forma desorbitada, teniendo en este caso que colocar varios acumuladores.

Hay gran cantidad de fabricantes de este tipo de intercambiadores que normalmente realizan depósitos acumuladores de doble pared o doble envolvente para maximizar la superficie de intercambio, en este caso será igual a la superficie lateral más las partes inferior y superior del mismo, es decir:

S = 2πrh + 2πr2

Este tipo de acumuladores se fabrican con volúmenes de acumulación de hasta 1.000 litros.

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