Intercambiador de calor regenerativo - Regenerative heat exchanger

Un intercambiador de calor regenerativo , o más comúnmente un regenerador , es un tipo de intercambiador de calor en el que el calor del fluido caliente se almacena intermitentemente en un medio de almacenamiento térmico antes de que se transfiera al fluido frío. Para lograr esto, el fluido caliente se pone en contacto con el medio de almacenamiento de calor, luego el fluido se desplaza con el fluido frío, que absorbe el calor.

En los intercambiadores de calor regenerativos, el fluido a ambos lados del intercambiador de calor puede ser el mismo fluido. El fluido puede pasar por un paso de procesamiento externo y luego fluye de regreso a través del intercambiador de calor en la dirección opuesta para su procesamiento adicional. Por lo general, la aplicación utilizará este proceso de forma cíclica o repetitiva.

El calentamiento regenerativo fue una de las tecnologías más importantes desarrolladas durante la Revolución Industrial cuando se utilizó en el proceso de granallado en caliente en altos hornos . Más tarde se utilizó en la fabricación de vidrio y acero, para aumentar la eficiencia de los hornos de solera abierta , y en calderas de alta presión y aplicaciones químicas y de otro tipo, donde sigue siendo importante en la actualidad.

Historia

Alto horno (izquierda) y tres estufas Cowper (derecha) que se utilizan para precalentar el aire que entra en el horno.

El primer regenerador fue inventado por el reverendo Robert Stirling en 1816 y también se encuentra como componente de algunos ejemplos de su motor Stirling . Los motores Stirling más simples, incluida la mayoría de los modelos, utilizan las paredes del cilindro y el desplazador como un regenerador rudimentario, que es más simple y económico de construir pero mucho menos eficiente.

Las aplicaciones posteriores incluyeron el proceso de alto horno conocido como hot blast y el horno de solera abierta también llamado horno regenerativo Siemens (que se usaba para fabricar vidrio), donde los gases de escape calientes de la combustión pasan a través de cámaras regenerativas de ladrillos refractarios, que así se calientan. Luego, el flujo se invierte, de modo que los ladrillos calentados precalienten el combustible.

Edward Alfred Cowper aplicó el principio de regeneración a los altos hornos, en la forma de la "estufa Cowper", patentada en 1857. Esto se usa casi invariablemente con los altos hornos hasta el día de hoy.

Cinco intercambiadores de calor regenerativo de Cowper colocados en serie.

Tipos de regeneradores

Los regeneradores intercambian calor de un fluido de proceso a un medio de almacenamiento de calor sólido intermedio, luego ese medio intercambia calor con un segundo flujo de fluido de proceso. Los dos flujos están separados en el tiempo, circulando alternativamente a través del medio de almacenamiento, o están separados en el espacio y el medio de almacenamiento de calor se mueve entre los dos flujos.

En los regeneradores rotativos , o ruedas térmicas , la "matriz" de almacenamiento de calor en forma de rueda o tambor, que gira continuamente a través de dos corrientes de fluido contrafluyentes. De esta forma, las dos corrientes están mayoritariamente separadas. Solo una corriente fluye a través de cada sección de la matriz a la vez; sin embargo, en el transcurso de una rotación, ambas corrientes eventualmente fluyen a través de todas las secciones de la matriz en sucesión. El medio de almacenamiento de calor puede ser un conjunto de placas de metal o malla de alambre de grano relativamente fino, hecho de alguna aleación resistente o revestido para resistir el ataque químico de los fluidos del proceso, o hecho de cerámica en aplicaciones de alta temperatura. Se puede proporcionar una gran cantidad de área de transferencia de calor en cada unidad de volumen del regenerador rotatorio, en comparación con un intercambiador de calor de carcasa y tubos; se pueden contener hasta 1000 pies cuadrados de superficie en cada pie cúbico de matriz del regenerador, en comparación con aproximadamente 30 pies cuadrados en cada pie cúbico de un intercambiador de carcasa y tubos.

Cada porción de la matriz será casi isotérmica , ya que la rotación es perpendicular tanto al gradiente de temperatura como a la dirección del flujo, y no a través de ellos. Las dos corrientes de fluido fluyen a contracorriente. Las temperaturas del fluido varían a lo largo del área de flujo; sin embargo, las temperaturas de las corrientes locales no son función del tiempo. Los sellos entre las dos corrientes no son perfectos, por lo que se producirá cierta contaminación cruzada. El nivel de presión permisible de un regenerador rotatorio es relativamente bajo, en comparación con los intercambiadores de calor.

Dibujos de patente de un regenerador rotatorio, que ilustra la matriz en forma de tambor y los sellos que impiden la mezcla de las corrientes.
LjungströmRegenerador rotativo.

En un regenerador de matriz fija , una sola corriente de fluido tiene un flujo cíclico reversible; se dice que fluye "a contracorriente". Este regenerador puede ser parte de un sistema sin válvulas , como un motor Stirling . En otra configuración, el fluido se canaliza a través de válvulas a diferentes matrices en períodos de funcionamiento alternativos, lo que da como resultado temperaturas de salida que varían con el tiempo. Por ejemplo, un alto horno puede tener varias "estufas" o "cuadros" llenos de ladrillos refractarios refractarios. El gas caliente del horno se conduce a través del ladrillo durante un intervalo, digamos una hora, hasta que el ladrillo alcanza una temperatura alta. Luego, las válvulas operan y cambian el aire de entrada frío a través del ladrillo, recuperando el calor para su uso en el horno. Las instalaciones prácticas tendrán múltiples estufas y arreglos de válvulas para transferir gradualmente el flujo entre una estufa "caliente" y una estufa "fría" adyacente, de modo que se reduzcan las variaciones en la temperatura del aire de salida.

Otro tipo de regenerador se llama intercambiador de calor regenerativo a microescala . Tiene una estructura de rejilla multicapa en la que cada capa está desplazada de la capa adyacente por media celda que tiene una abertura a lo largo de ambos ejes perpendicular al eje de flujo. Cada capa es una estructura compuesta de dos subcapas, una de un material de alta conductividad térmica y otra de un material de baja conductividad térmica. Cuando un fluido caliente fluye a través de la celda, el calor del fluido se transfiere a los pozos de la celda y se almacena allí. Cuando el flujo de fluido cambia de dirección, el calor se transfiere de las paredes de la celda al fluido.

Un tercer tipo de regenerador se denomina regenerador " Rothemuhle ". Este tipo tiene una matriz fija en forma de disco y las corrientes de fluido se conducen a través de campanas giratorias. El regenerador Rothemuhle se utiliza como precalentador de aire en algunas plantas generadoras de energía. El diseño térmico de este regenerador es el mismo que el de otros tipos de regeneradores.

Biología

Usamos nuestra nariz y garganta como un intercambiador de calor regenerativo cuando respiramos. El aire más frío que entra se calienta, de modo que llega a los pulmones en forma de aire caliente. En el camino de regreso, este aire calentado deposita gran parte de su calor en los lados de los conductos nasales, de modo que estos conductos están listos para calentar el siguiente lote de aire que ingresa. Algunos animales, incluidos los humanos, tienen láminas enrolladas de hueso dentro de la nariz llamados cornetes nasales para aumentar el área de superficie para el intercambio de calor.

Criogenia

Los intercambiadores de calor regenerativos están compuestos por materiales con alta capacidad calorífica volumétrica y baja conductividad térmica en la dirección longitudinal (flujo). A temperaturas criogénicas (muy bajas) alrededor de 20 K , el calor específico de los metales es bajo, por lo que un regenerador debe ser más grande para una carga de calor determinada.

Ventajas de los regeneradores

Las ventajas de un regenerador sobre un intercambiador de calor de recuperación (contraflujo) es que tiene una superficie mucho mayor para un volumen dado, lo que proporciona un volumen de intercambiador reducido para una densidad de energía, eficacia y caída de presión determinadas. Esto hace que un regenerador sea más económico en términos de materiales y fabricación, en comparación con un recuperador equivalente.

El diseño de los cabezales de entrada y salida utilizados para distribuir fluidos fríos y calientes en la matriz es mucho más simple en los regeneradores de contraflujo que en los recuperadores. La razón detrás de esto es que ambas corrientes fluyen en diferentes secciones para un regenerador rotatorio y un fluido entra y sale de una matriz a la vez en un regenerador de matriz fija. Además, los sectores de flujo para fluidos fríos y calientes en regeneradores rotativos pueden diseñarse para optimizar la caída de presión en los fluidos. Las superficies de la matriz de los regeneradores también tienen características de autolimpieza, lo que reduce el ensuciamiento y la corrosión del lado del fluido. Finalmente, propiedades como la pequeña densidad de superficie y la disposición de los regeneradores a contraflujo lo hacen ideal para aplicaciones de intercambio de calor gas-gas que requieren una efectividad superior al 85%. El coeficiente de transferencia de calor es mucho menor para los gases que para los líquidos, por lo que la enorme superficie de un regenerador aumenta enormemente la transferencia de calor.

Desventajas de los regeneradores

La principal desventaja de los regeneradores rotativos y de matriz fija es que siempre hay algo de mezcla de las corrientes de fluido y no se pueden separar por completo. Hay un arrastre inevitable de una pequeña fracción de una corriente de fluido a la otra. En el regenerador rotatorio, el fluido de arrastre queda atrapado dentro del sello radial y en la matriz, y en un regenerador de matriz fija, el fluido de arrastre es el fluido que permanece en el volumen vacío de la matriz. Esta pequeña fracción se mezclará con la otra corriente en el siguiente medio ciclo. Por lo tanto, los regeneradores rotativos y de matriz fija solo se utilizan cuando es aceptable que se mezclen las dos corrientes de fluido. El flujo mixto es común para aplicaciones de transferencia de calor y / o energía de gas a gas, y menos común en fluidos líquidos o de cambio de fase, ya que la contaminación de fluidos a menudo está prohibida con flujos de líquido.

El calentamiento y enfriamiento constantes que tienen lugar en los intercambiadores de calor regenerativos ejercen una gran presión sobre los componentes del intercambiador de calor, lo que puede provocar grietas o roturas de los materiales.

Ver también

Referencias