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Intercambiadores de calor para grandes bombas de calor y calefacción urbana: refrigerantes, fuentes de calor y subestaciones

Autor: Equipo editorial de HeatEx Direct
Lectura: 9 minutos
Intercambiadores de calor para grandes bombas de calor y calefacción urbana: refrigerantes, fuentes de calor y subestaciones

En Europa, las redes de calefacción urbana están sustituyendo las calderas de carbón y de gas por grandes bombas de calor eléctricas que toman el calor del agua de mar, de los ríos, de las aguas residuales depuradas o del calor residual industrial. En Esbjerg (Dinamarca), una bomba de calor de 70 MW que usa CO2 como refrigerante y agua de mar como fuente empezó a abastecer las redes de calefacción urbana de Esbjerg y Varde a finales de 2024. En Odense, bombas de calor con una potencia total de 20 MW usan amoníaco para tomar calor de aguas residuales depuradas.

Una central de bombas de calor de este tipo es en gran medida un conjunto de intercambiadores de calor: en el lado de la fuente, en el ciclo del refrigerante y en el lado de la red, hasta las subestaciones de los edificios. Esta guía explica dónde están, cómo cambian su diseño el refrigerante y la fuente de calor, y qué especificar al comprarlos. El catálogo de productos de este sitio incluye intercambiadores de placas semisoldados para refrigeración con amoníaco, intercambiadores de placas soldadas de canal ancho para aguas con tendencia al ensuciamiento y unidades de intercambio de calor para calefacción urbana. Para un proyecto concreto, envíe sus datos mediante el formulario de solicitud de oferta.

1. Dónde están los intercambiadores

UbicaciónIntercambiadorFunción
Fuente de calorIntercambiador de placas entre el agua de la fuente y un circuito intermedioImpide que el agua de mar o las aguas residuales lleguen al evaporador del refrigerante
EvaporadorIntercambiador refrigerante-aguaEl refrigerante se evapora y toma calor de la fuente
Condensador o enfriador de gasIntercambiador refrigerante-aguaEl refrigerante cede su calor al agua de la red de calefacción urbana
Subenfriador, economizador, enfriador de aceiteIntercambiadores más pequeños en el ciclo del refrigeranteRecuperan calor y mejoran la eficiencia del ciclo
SubestaciónIntercambiador de placas entre la red y el edificioSepara la red de la calefacción del edificio y del agua caliente sanitaria

La central de Odense muestra este esquema. Alfa Laval, que suministró sus intercambiadores, describe intercambiadores de placas semisoldados que funcionan como evaporadores, condensadores, subenfriadores y enfriadores de aceite, con un circuito intermedio añadido entre las aguas residuales y el evaporador de amoníaco. La central enfría las aguas residuales depuradas unos 5 °C y produce unas cuatro unidades de calor por cada unidad de electricidad que consume.

2. El refrigerante decide gran parte del diseño

El Reglamento europeo sobre gases fluorados, (UE) 2024/573, aplicable desde el 11 de marzo de 2024, elimina los hidrofluorocarburos (HFC) del mercado de la UE para 2050. Por eso las grandes bombas de calor usan cada vez más refrigerantes naturales, y cada uno exige algo distinto a los intercambiadores.

  • Amoníaco. El amoníaco ataca el cobre, así que con él no se usan intercambiadores de placas soldadas por soldadura fuerte con cobre. El manual de refrigerantes de SWEP indica que los intercambiadores de placas soldadas por soldadura fuerte para amoníaco deben usar un material de aporte a base de níquel. Alfa Laval cita el amoníaco entre los fluidos agresivos para los que sirven sus intercambiadores de placas de acero inoxidable fusionadas. En grandes potencias son habituales los intercambiadores de placas semisoldados: el amoníaco circula por pares de placas soldadas y el agua por canales con juntas que pueden abrirse para limpiarlos. También se usan intercambiadores de placas y carcasa y de carcasa y tubos.
  • CO2. Los sistemas de CO2 trabajan a presiones mucho más altas que los de HFC. El intercambiador de placas soldadas por soldadura fuerte H48T de Danfoss para CO2 transcrítico, por ejemplo, está diseñado para 140 bar en el lado primario. Pregunte por la presión de diseño del lado del refrigerante y compruebe que el intercambiador y su certificación la cubren.
  • Hidrocarburos como el propano. Estos refrigerantes son inflamables, y las normas de seguridad limitan la cantidad que puede contener un sistema, por lo que se prefieren intercambiadores con poco volumen interno.

Sea cual sea el refrigerante, el fabricante de la bomba de calor suele especificar los intercambiadores del lado del refrigerante. Si los compra por separado, obtenga del diseñador de la bomba de calor el refrigerante, sus presiones y temperaturas y el código de equipos a presión exigido.

3. La fuente de calor decide el lado del agua

  • El agua de mar contiene cloruros y favorece la incrustación biológica. Son habituales las placas de titanio, con filtración aguas arriba. Para los materiales, consulte la lista de compra de intercambiadores marinos y de agua de mar.
  • Las aguas residuales depuradas ensucian las superficies de intercambio. En Odense, el agua vertida suele estar entre 8 y 22 °C, y un circuito intermedio la separa del evaporador de amoníaco. En el lado de las aguas residuales se suele elegir un intercambiador fácil de limpiar o, para aguas más sucias, un diseño de canal ancho.
  • El calor residual industrial y los centros de datos pueden aportar agua más caliente, lo que mejora la eficiencia de la bomba de calor. Consulte la sección sobre aprovechamiento del calor de la guía de intercambiadores para la refrigeración líquida de centros de datos.
  • El agua de río y de lago tiene variaciones estacionales de temperatura y arrastra residuos, así que la filtración y la temperatura mínima en invierno son importantes.

Sea cual sea la fuente, facilite al proveedor las temperaturas mínima y máxima de la fuente a lo largo del año, un análisis del agua, el contenido de sólidos y el método de limpieza previsto.

4. Las temperaturas de las redes están bajando

Las redes de calefacción urbana antiguas trabajan a alta temperatura. El resumen de la Universidad de Aalborg sobre las generaciones de calefacción urbana sitúa las temperaturas de impulsión de la tercera generación por debajo de 100 °C, y las de la cuarta generación en unos 50 a 60 °C de impulsión, hasta 70 °C en periodos fríos, con retornos en torno a 25 °C. Las temperaturas de impulsión más bajas hacen más eficientes las bombas de calor, porque tienen que elevar menos la temperatura.

Para los intercambiadores, temperaturas más bajas significan diferencias de temperatura más pequeñas, así que las subestaciones necesitan intercambiadores diseñados para una aproximación de temperatura pequeña, lo que suele implicar más superficie de intercambio. Una temperatura de retorno baja es un objetivo en sí mismo: cuanto más se enfría el agua en las subestaciones, más calor transporta cada metro cúbico de agua de la red. Al especificar un intercambiador de subestación, indique la temperatura de retorno exigida además de las temperaturas de impulsión.

5. Subestaciones y unidades de intercambio de calor

Muchos proyectos compran las subestaciones como unidades de intercambio de calor prefabricadas que combinan intercambiadores de placas, bombas, válvulas, instrumentos y control. Ejemplos en este sitio:

  • La unidad de intercambio de calor de ViEX combina un intercambiador, una bomba de circulación, una bomba de reposición y un sistema de control, e indica puntos de funcionamiento típicos como 130/80 °C en el lado de la red y 95/70 °C en el lado del edificio.
  • La unidad de intercambio de calor estandarizada de THT Juyuan declara objetivos de pérdida de carga inferiores a los valores de referencia nacionales de China, por ejemplo 40 kPa para el intercambiador de placas frente a una referencia de 50 kPa.
  • Las unidades de la serie MP de Accessen tienen la certificación CE de TÜV Rheinland y dan servicio a la planta de vehículos comerciales de BYD en Hungría.

La pérdida de carga importa porque las bombas de la red funcionan todo el año. China también ha publicado la norma GB/T 47007-2026 sobre ensayos y evaluación de la eficiencia energética de intercambiadores de placas, y algunos fabricantes ya han ensayado series de placas según las reglas anteriores de eficiencia energética de intercambiadores TSG R0010-2019. THT Juyuan, por ejemplo, afirma que ocho de sus series de placas alcanzaron el nivel 1 en ensayos del centro nacional de inspección de calidad de intercambiadores; consulte sus intercambiadores de placas con eficiencia energética de nivel 1.

6. Prevea arranques frecuentes y cambios de carga

Las bombas de calor eléctricas se usan cada vez más para equilibrar la red eléctrica. La central de Esbjerg, por ejemplo, puede encenderse y apagarse muchas veces al día. Cada arranque y cada parada es un ciclo térmico para los intercambiadores, que somete a esfuerzos a las juntas y, en los equipos soldados por soldadura fuerte, a las uniones soldadas. Explique al proveedor cómo funcionará la central y pregunte si el diseño ofertado tiene límites en el número de ciclos o en la velocidad de cambio de temperatura. El mismo punto se trata para el vapor en la guía sobre intercambiadores de placas con vapor.

7. Qué especificar

ElementoQué indicar
Posición en la instalaciónLado de la fuente, evaporador, condensador o enfriador de gas, subenfriador, subestación
Lado del refrigeranteRefrigerante, presión y temperatura de diseño, código exigido
Fuente de calorTipo de fuente, rango de temperatura a lo largo del año, análisis del agua, sólidos, método de limpieza
Lado de la redTemperaturas de impulsión y retorno, presión de diseño, pérdida de carga admisible
PotenciaPotencia térmica en el punto de diseño y a carga mínima
FuncionamientoNúmero de arranques y paradas al día, velocidad de cambio de carga
MaterialesMaterial de las placas, compuesto de las juntas cuando las haya, material de aporte en equipos soldados por soldadura fuerte
AlcanceSolo el intercambiador, o una unidad completa con bombas, válvulas y control

Qué significa esto para los compradores

En los proyectos de bombas de calor y calefacción urbana, el refrigerante, la fuente de calor y las temperaturas de la red deciden el diseño de los intercambiadores. Elija diseños adecuados al refrigerante, por ejemplo sin cobre con amoníaco y con la presión de diseño completa para el CO2. Proteja el evaporador del agua sucia de la fuente con un circuito intermedio e intercambiadores que puedan limpiarse. Diseñe las subestaciones para una temperatura de retorno baja y poca pérdida de carga, y diga a los proveedores con qué frecuencia arrancará y parará la instalación. Para subestaciones e instalaciones de edificios, la lista de verificación de proveedores de intercambiadores para HVAC recoge más preguntas.

Fuentes y páginas relacionadas

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