Intercambiadores de Calor Aire-Aire: Funcionamiento y Ciclo

Los intercambiadores de calor son equipos fundamentales para regular temperaturas en múltiples sectores. Su funcionamiento, basado en principios termodinámicos, se adapta a distintos diseños y materiales según la aplicación. Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir energía térmica entre dos o más fluidos a distintas temperaturas. Este mecanismo ocurre a través de una superficie sólida que separa los fluidos, permitiendo que el calor se transfiera de un fluido a otro sin que estos se mezclen directamente. Por ejemplo, en un intercambiador típico, un fluido caliente cede calor a otro más frío, reduciendo su propia temperatura y aumentando la del fluido receptor.

Tipos de Intercambiadores de Calor

Aunque el principio de la transferencia de calor es el mismo independientemente del medio utilizado, existen diferentes clasificaciones:

• Intercambiadores de contacto directo: donde ambos medios se encuentran en contacto directo entre sí, lo que puede implicar contaminación. En estos casos, se da por sentado que los fluidos no se mezclan entre sí.
• Intercambiadores de contacto indirecto: los fluidos no se mezclan, sino que el calor se transfiere a través de las superficies de transferencia de calor. Las pérdidas de temperatura mediante radiación se pueden despreciar en este contexto. Estos están disponibles en varios tipos principales como los de placa, carcasa y tubo, o espiral.

Otros tipos de intercambiadores incluyen:

• Intercambiadores de tubo y carcasa: Consisten en un conjunto de tubos por donde fluye uno de los fluidos, rodeado por una carcasa externa que contiene el otro fluido.
• Intercambiadores de placas: Utilizan placas metálicas delgadas con patrones corrugados para crear canales por donde circulan los fluidos.
• Intercambiadores de aletas: Incorporan aletas para aumentar la superficie de transferencia de calor.
• Intercambiadores regenerativos: Acumulan calor en un medio sólido y luego lo transfieren al otro fluido.

Intercambiadores de Calor Aire-Aire en Sistemas de Ventilación

La ventilación y el aire son dos cosas distintas. La ventilación determina cómo se renueva el aire y qué confort aporta a una vivienda. Con un sistema de ventilación por intercambio de calor aire-aire, el 86 % de la energía del aire de retorno se recupera y recicla. Estos sistemas no despilfarran energía, sino que la recuperan para calefacción gratuita o refrigeración pasiva, manteniendo bajos los costes energéticos. Así, garantizan una eficiencia energética excelente y un ambiente interior saludable en cualquier situación. La ventilación asegura que la unidad esté bien oxigenada y elimina gases y olores.

Un sistema de ventilación por intercambio de calor aire-aire es un sistema equilibrado en el que el calor del aire de retorno se recupera y transfiere al aire de impulsión. Intercambio de calor significa recuperar el calor del aire de retorno con un intercambiador para calentar aire frío procedente del exterior del edificio. Estos sistemas son completamente mecánicos y constan de dos ventiladores: uno de aire de impulsión y otro de aire de retorno. Los ventiladores ventilan el edificio a través de dos conductos separados. El calor se recupera luego con un intercambiador situado entre los dos conductos.

Funcionamiento en Ventilación Mecánica Controlada (VMC)

Mediante conductos de ventilación, se extrae el aire de aquellas zonas donde está viciado y tiene un alto contenido en humedad, como cuartos de baño, lavanderías y cocinas. El aire caliente se filtra y pasa por el intercambiador de calor rotativo, que almacena la energía. El aire fresco y frío del exterior se filtra y conduce hacia el intercambiador de calor, donde la energía se transfiere y el aire se calienta. La recuperación de calor es la forma más eficaz de ahorrar energía y dinero. Aunque la unidad de ventilación por intercambio de calor aire-aire conlleve un incremento marginal de consumo de electricidad, se ahorra gran cantidad de energía térmica (calor).

Dentro de los sistemas de ventilación, estos intercambiadores tienen un papel esencial en la mejora de la eficiencia y el aprovechamiento energético del aire que circula dentro de un edificio. Mediante un intercambiador de calor, el aire expulsado del interior del edificio (un aire viciado) transmite energía (calor en invierno y frío en verano) al aire que se introduce en él. El intercambiador está diseñado de tal manera que los aires (impulsión/extracción) se transfieren la energía sin tener contacto, de manera que no pasan olores. Además, estos sistemas de ventilación disponen de filtros que permiten mejorar la calidad del aire introducido. ¿Sabías que los intercambiadores de calor procuran ahorros de hasta el 92%?

Beneficios y Normativa

Un edificio de apartamentos ventilado con un sistema de extracción de aire exclusivamente suele aumentar su consumo de electricidad entre 2 y 4 kWh/m2 si se instala un sistema de ventilación por intercambio de calor aire-aire. Pero, al mismo tiempo, ahorrará unos 40 kWh/m2 al año en calefacción. La cantidad de energía que puede ahorrarse depende de varios factores. El Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE), en su ámbito de aplicación en edificios terciarios, exige la utilización de intercambiadores de calor para aquellas instalaciones en las que el caudal total de extracción supere los 0,28 m³/s, en su actualización de marzo de 2021.

Tipos Específicos de Intercambiadores de Calor Aire-Aire

Intercambiadores Rotativos

Los intercambiadores de calor utilizados en sistemas de ventilación trabajan con fluidos que no se mezclan entre sí, de manera que el calor se transfiere a través de una pared sólida. Los intercambiadores rotativos están constituidos por una rueda dotada en su sentido axial de múltiples conductos de pequeño diámetro paralelos entre ellos. La rueda está accionada por un pequeño motor-reductor que la mueve a velocidad lenta (10-15 rpm). El intercambio de calor entre ambos flujos se produce gracias al movimiento rotativo del propio intercambiador. Las celdillas metálicas del intercambiador son calentadas por el flujo caliente que pasa a través de ellas. Este tipo de intercambiadores son muy utilizados especialmente para grandes caudales de aire.

Intercambiadores de Placas

Los intercambiadores de placas constan de unas placas muy finas de aluminio o plástico, paralelas entre ellas, en las que alternativamente circulan el flujo de aire de extracción por una cara y el de entrada por la otra. Los flujos de aire de entrada y salida se cruzan en el interior del intercambiador en sentido perpendicular uno del otro. Este tipo de intercambiadores son muy utilizados en los aparatos domésticos, siendo apreciados por su simplicidad y su coste relativamente moderado.

Existen variantes dentro de los intercambiadores de placas:

• Flujo cruzado: Los flujos de aire de entrada y salida se cruzan en sentido perpendicular.
• Contraflujo: Los flujos de aire recorren en su interior caminos paralelos y opuestos. Los intercambiadores a contraflujo tienen un rendimiento superior al de los de flujo cruzado, aunque también su coste es más alto. Con este tipo de recuperadores se suele conseguir una eficiencia que puede superar el 90%, llegando hasta el 95%.
• Flujo de corriente: Para medios muy sensibles al calor, el flujo de corriente se utiliza en intercambiadores de calor de placas con juntas. La ventaja de este diseño es que el fluido más frío se encuentra con el más caliente al entrar en el intercambiador de calor, minimizando el riesgo de sobrecalentamiento o congelación de los medios sensibles.

Los fluidos entran a través de las conexiones y portillas de las placas de transferencia de calor. Las juntas de estanqueidad especialmente diseñadas, situadas entre las placas, dirigen los fluidos de modo que los fluidos calientes y fríos pasan contracorriente en canales alternados. Cuando el fluido entra entre las placas, pasa sobre el área de distribución. El área de distribución bien diseñada es una de las características más importantes de un intercambiador de calor de placas, con el propósito principal de asegurar un flujo uniforme de fluido sobre toda la placa, maximizando la eficiencia de la transferencia de calor y minimizando la mala distribución y el ensuciamiento.

Intercambiadores Entálpicos (Recuperación de Humedad)

Son intercambiadores que además de transferir calor de un flujo de aire al otro, son capaces de transferir también la humedad. Son bastante utilizados en climas cálidos y húmedos para ahorrar energía en la climatización del aire acondicionado. La recuperación de humedad es una característica valiosa en los recuperadores de calor, especialmente en climas extremos, ya sea muy secos o muy húmedos.

Recuperadores de Calor Sensible

Este tipo de intercambiadores solo recuperan calor sensible, sin transferir humedad de un flujo de aire al otro.

Diseños Específicos para Intercambiadores Aire-Aire: Pegados y Soldados

Los intercambiadores de calor aire-aire se diseñan tanto en flujo cruzado simple como en contracorriente cruzado con campanas de inversión. Como material se utiliza acero inoxidable, por lo que la condensación de agua no es crítica. Con el fin de proporcionar un proceso y una solución rentable, se pueden mezclar soluciones pegadas y soldadas, así como materiales de acero inoxidable y acero al carbono. Existen soluciones para una amplia gama de caudales de aire, así como de temperaturas, incluso hasta 1000°C.

• Pegado aire-aire: Es una construcción ligera en la que la conexión tubo-hoja se genera mediante un pegamento especial sin silicona. Este tipo de intercambiador de calor puede utilizarse perfectamente en aplicaciones de baja y media temperatura hasta 180°C. La importante reducción de peso de estos recuperadores permite instalarlos en lugares antes inaccesibles. La menor necesidad de soldaduras y el uso de componentes de paredes finas hacen que la nueva construcción sea más barata y menos complicada de fabricar, manteniendo toda su funcionalidad.
• Soldado aire-aire: Es adecuado para aplicaciones con temperaturas más altas, mayor contaminación y cargas externas más elevadas en el intercambiador de calor, siendo totalmente personalizado para satisfacer las necesidades individuales del cliente.

En este tipo de intercambiadores, el aire caliente del proceso fluye alrededor de tubos lisos de paredes finas, se enfría y se condensa si es necesario. El aire fresco y frío fluye por el interior de los tubos, se precalienta con el aire de salida y se introduce en el proceso, lo que permite una recuperación eficaz del calor.

La Bomba de Calor Aire-Aire: Un Ciclo Invertido

En la bomba de calor aire-aire, tanto la calefacción como la refrigeración del espacio acondicionado se consiguen mediante la inversión del flujo del fluido frigorífico (refrigerante con el que se carga el sistema de refrigeración) entre las baterías o intercambiadores denominados clásicamente evaporador y condensador. La inversión de este flujo se consigue mediante una válvula de 4 vías accionada por un termostato situado en el ambiente acondicionado.

Las baterías intercambiadoras dejan de denominarse estrictamente evaporador y condensador, debido a que actúan efectuando la doble función, dependiendo de si el equipo está trabajando en ciclo de calor o de frío. En un equipo bomba de calor aire-aire, estas baterías se denominan:

• Batería exterior: Es la que efectúa las funciones de condensador en ciclo de frío y de evaporador en ciclo de calor. Está situada en el exterior del espacio acondicionado.
• Batería interior: Situada en el interior del espacio acondicionado, actúa como evaporador en ciclo de refrigeración y como condensador en ciclo de calor.

Ambas baterías son de tubo de aleta, ya que se trata de intercambiadores aire-refrigerante debido a que el calor siempre se toma y se cede al aire (situado dentro y fuera del espacio acondicionado), de ahí el nombre de bomba de calor aire-aire. Actualmente, los equipos bomba de calor aire-aire son del tipo compacto (package) o partidos (split). Sus capacidades oscilan entre las 4.500 y 20.000 frig/h.

Características y Ventajas de las Bombas de Calor Aire-Aire

• Cumplen la doble función de calefactar y enfriar, permitiendo conseguir las condiciones de confort durante todo el año con un solo equipo.
• Las unidades tanto de calor como de frío para acondicionar un espacio determinado se consiguen mediante una sola fuente de energía (normalmente la eléctrica).
• El calor suministrado por el equipo en el ciclo de calor es de dos o tres veces superior al absorbido por el equipo para su funcionamiento.
• No se precisan chimeneas ni tomas de aire para que el equipo funcione, lo que reduce los costos de instalación.

Esfuerzos y Fiabilidad en Bombas de Calor Aire-Aire

Por lo general, una bomba de calor tiene tres zonas de funcionamiento dentro de las cuales los componentes están sometidos a esfuerzos importantes. Estas zonas están definidas por las condiciones ARI de 7ºC y -7ºC. El material de las bombas de calor no solamente debe estar concebido para su trabajo en estos puntos, sino también para condiciones anormales, tales como: arranque en épocas muy frías, tensiones de alimentación extremas, averías de algún componente o contaminación del refrigerante en mayor o menor grado. Los equipos de diseño actual que se han probado en estas condiciones (además de las condiciones ARI) gozan de una fiabilidad prácticamente asegurada.

El Compresor: Componente Fundamental

El compresor es la parte fundamental de una bomba de calor. Su misión es bombear los vapores producidos en el evaporador a baja presión y comprimirlos a alta presión. En consecuencia, la presión de alta (P.A.) y la presión de baja (P.B.) se producirán en función del sistema, de las temperaturas y de las posibles anormalidades que tengan lugar en el equipo.

• Cuando las P.A. y P.B. son elevadas, la potencia eléctrica consumida es importante, lo que implica que los esfuerzos mecánicos a que se someten componentes como cojinetes, cigüeñal y válvulas son importantes.
• Otra zona de esfuerzos importantes se produce con una P.A. elevada y una P.B. débil. Con esa relación de compresión, la temperatura de descarga aumenta y el caudal de fluido frigorífico es bajo, lo que puede provocar una mala refrigeración del motor eléctrico del compresor, acelerando su destrucción por vía química.

Cuando acontecen situaciones anormales, como fuga de gas, filtros sucios, condensador sucio o falta de aire a través del evaporador o condensador, el punto de funcionamiento se sitúa dentro de la zona de esfuerzos importantes. Para proteger el compresor, se montan seguridades adecuadas, como presostatos de alta y baja.

Compresor en Ciclo de Calor y Deshielo

Si en un equipo de refrigeración se invierte el ciclo para que trabaje proporcionando calor, el ciclo del sistema se sitúa en un punto más alejado que el tarado del presostato de baja de un equipo concebido solo como refrigerador. Además de los esfuerzos enumerados, las bombas de calor están sometidas a otro esfuerzo adicional que se produce durante la formación de hielo y el ciclo de deshielo, especialmente alrededor de los 0°C. Durante el ciclo de deshielo, el funcionamiento del equipo también implica esfuerzos. El esfuerzo que solicita al compresor durante estos periodos deriva de las inversiones del ciclo y se motiva por variaciones de presión, temperatura y caudal de refrigerante, lo que puede llevar a que el funcionamiento del compresor se sitúe en la zona de esfuerzos elevados.

En resumen, se identifican tres zonas de esfuerzos principales:

1. Los puntos ARI 7°C y -7°C, que enmarcan la zona de formación de hielo.
2. Temperaturas exteriores elevadas (por encima de 7°C, hacia los 13°C y más).
3. Temperaturas exteriores bajas (alrededor de -15°C).

En consecuencia, una bomba de calor está sometida a esfuerzos importantes en regiones que no quedan definidas por los puntos de medida 7ºC y -7ºC, dentro de los cuales prácticamente todos los equipos de refrigeración funcionan correctamente.

Diseño de Compresores para Bombas de Calor

Debido a estos desafíos, es necesario que el compresor utilizado en una bomba de calor esté diseñado de forma que:

• Los arrollamientos del motor estén preparados para soportar temperaturas más altas de lo habitual.
• Los elementos de protección de estos arrollamientos sean adecuados.
• El aceite utilizado para la lubricación sea adecuado para soportar las elevadas temperaturas sin sufrir transformaciones químicas.
• La lubricación esté asegurada durante cualquier condición de funcionamiento, garantizando la vida de todas las partes móviles (cojinetes, cigüeñal, válvulas, válvula de inversión, válvulas de retención, etc.).
• El refrigerante se mantenga a su nivel adecuado tanto en ciclo de verano como de invierno para evitar golpes de líquido al compresor.

Actualmente, gracias a los ensayos efectuados sobre las condiciones de funcionamiento de una bomba de calor, se dispone de compresores herméticos especialmente diseñados para trabajar en estos equipos. Se han tomado medidas para reforzar los cojinetes y dar más superficie de paso a través de las válvulas. Los motores eléctricos disponen de un aislamiento mejor y la refrigeración del estator ha sido mejorada. Asimismo, se utilizan aceites de base mineral que evitan una serie de problemas que surgen con aceites de refrigeración estándar. Consecuentemente, estas mejoras permiten ampliar la zona de funcionamiento del equipo. La bomba de calor AIRE-AIRE es cada día más fiable y, en consecuencia, cada vez más sencilla. Los compresores más robustos precisan menos órganos de protección.

Aplicaciones y Consideraciones de Diseño

Los intercambiadores de calor son esenciales para numerosas aplicaciones industriales y domésticas. Son fundamentales en el sector de HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) para el control térmico, y en general, en cualquier sistema donde sea necesario regular la temperatura. Su función principal es transferir energía entre dos fluidos, pero en la práctica su versatilidad hace que se apliquen en una gran variedad de procesos. En un sistema de climatización, el evaporador absorbe la energía del aire interior al evaporar el refrigerante, mientras que el condensador expulsa ese calor al exterior.

Al diseñar una instalación de VMC con recuperador de calor, hay varias consideraciones clave que deben ser evaluadas para garantizar un rendimiento óptimo, eficiencia energética y confort:

• Selección del tipo de recuperador de calor: Dependiendo de las necesidades específicas de la instalación y del clima local, puede ser deseable un recuperador de calor sensible (solo recupera calor) o un recuperador entálpico (recupera calor y humedad).
• Cálculo de caudales necesarios: Determinar con precisión los caudales de aire necesarios para cada zona del edificio es fundamental para el diseño eficiente de un sistema de VMC con recuperador de calor.
• Dimensionado apropiado de los conductos: Es indispensable dimensionar correctamente el sistema de VMC en función del volumen del espacio, el uso previsto y la ocupación del edificio.
• Integración con otros sistemas: El sistema de VMC debe estar bien integrado con otros sistemas de HVAC para optimizar el uso de energía y mejorar el control del clima interior.
• Control de la calidad del aire interior: Asegurar una adecuada filtración y purificación del aire es esencial para mantener la calidad del aire interior.
• Mantenimiento y accesibilidad: Diseñar el sistema para que sea fácilmente accesible para mantenimiento regular y reparaciones.
• Consideraciones acústicas: Diseñar el sistema para minimizar el ruido, lo cual es esencial en entornos residenciales y en ciertos entornos comerciales.

En muchas instalaciones, y con el objeto de mejorar aún más la eficiencia energética de los equipos, se están combinando los intercambiadores de calor con sistemas basados en energías renovables. En la actualidad, los recuperadores de calor han evolucionado para ofrecer funciones avanzadas que mejoran significativamente su eficiencia y flexibilidad. Los sistemas de ventilación con toberas ajustables ofrecen una solución innovadora para adaptarse a diferentes configuraciones de espacio y requisitos de instalación, permitiendo modificar la dirección y el flujo del aire según las necesidades específicas del entorno, mejorando la distribución del aire y la eficacia del sistema de ventilación.

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