Un recuperador es un intercambiador de calor de recuperación de energía de contraflujo de propósito especial ubicado dentro de las corrientes de aire de suministro y escape de un sistema de manejo de aire, o en los gases de escape de un proceso industrial, con el fin de recuperar el calor residual . Generalmente, se utilizan para extraer calor del escape y utilizarlo para precalentar el aire que ingresa al sistema de combustión. De esta manera, utilizan la energía residual para calentar el aire, compensando parte del combustible y, por lo tanto, mejorando la eficiencia energética del sistema en su conjunto.
En muchos tipos de procesos, la combustión se utiliza para generar calor, y el recuperador sirve para recuperar o recuperar este calor, con el fin de reutilizarlo o reciclarlo. El término recuperador se refiere también a los intercambiadores de calor de contraflujo líquido-líquido utilizados para la recuperación de calor en las industrias químicas y de refinería y en procesos cerrados como el ciclo de refrigeración por absorción amoniaco-agua o LiBr-agua.
Los recuperadores se utilizan a menudo en asociación con la parte del quemador de un motor térmico para aumentar la eficiencia general. Por ejemplo, en un motor de turbina de gas , el aire se comprime, se mezcla con combustible, que luego se quema y se utiliza para impulsar una turbina. El recuperador transfiere parte del calor residual del escape al aire comprimido, precalentándolo así antes de entrar en la etapa del quemador de combustible. Dado que los gases se han precalentado, se necesita menos combustible para calentarlos hasta la temperatura de entrada de la turbina. Al recuperar parte de la energía que normalmente se pierde como calor residual, el recuperador puede hacer que un motor térmico o una turbina de gas sean significativamente más eficientes.
Normalmente, la transferencia de calor entre corrientes de aire proporcionadas por el dispositivo se denomina " calor sensible ", que es el intercambio de energía, o entalpía , que da como resultado un cambio en la temperatura del medio (aire en este caso), pero sin cambio en el contenido de humedad. Sin embargo, si los niveles de humedad o humedad relativa en la corriente de aire de retorno son lo suficientemente altos como para permitir que se produzca condensación en el dispositivo, esto hará que se libere " calor latente " y el material de transferencia de calor se cubrirá con una película de agua. A pesar de una absorción correspondiente de calor latente, como parte de la película de agua se evapora en la corriente de aire opuesta, el agua reducirá la resistencia térmica de la capa límite del material del intercambiador de calor y, por lo tanto, mejorará el coeficiente de transferencia de calor del dispositivo y, por lo tanto, aumentará la eficiencia. El intercambio de energía de dichos dispositivos ahora comprende transferencia de calor sensible y latente; además de un cambio en la temperatura, también hay un cambio en el contenido de humedad de la corriente de aire de escape.
Sin embargo, la película de condensación también aumentará ligeramente la caída de presión a través del dispositivo y, según el espaciado del material de la matriz, esto puede aumentar la resistencia hasta en un 30 %. Si la unidad no se coloca en pendiente y no se permite que el condensado se drene correctamente, esto aumentará el consumo de energía del ventilador y reducirá la eficiencia estacional del dispositivo.
En los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) , los recuperadores se utilizan habitualmente para reutilizar el calor residual del aire de escape que normalmente se expulsa a la atmósfera . Los dispositivos suelen estar compuestos por una serie de placas paralelas de aluminio , plástico , acero inoxidable o fibra sintética , cuyos pares alternos de cobre están encerrados en dos lados para formar conjuntos gemelos de conductos en ángulo recto entre sí, y que contienen las corrientes de aire de suministro y extracción. De esta manera, el calor de la corriente de aire de escape se transfiere a través de las placas separadoras y hacia la corriente de aire de suministro. Los fabricantes afirman que se alcanzan eficiencias brutas de hasta el 95%, según la especificación de la unidad.
Las características de este dispositivo son atribuibles a la relación entre el tamaño físico de la unidad, en particular la distancia del recorrido del aire, y el espaciado de las placas. Para una caída de presión de aire igual a través del dispositivo, una unidad pequeña tendrá un espaciado de placas más estrecho y una velocidad de aire menor que una unidad más grande, pero ambas unidades pueden ser igual de eficientes. Debido al diseño de flujo cruzado de la unidad, su tamaño físico dictará la longitud del recorrido del aire y, a medida que este aumenta, aumentará la transferencia de calor, pero también aumentará la caída de presión, por lo que el espaciado de las placas se aumenta para reducir la caída de presión, pero esto a su vez reducirá la transferencia de calor.
Como regla general, un recuperador seleccionado para una caída de presión de entre 150 y 250 pascales (0,022 y 0,036 psi) tendrá una buena eficiencia, mientras que tendrá un pequeño efecto en el consumo de energía del ventilador, pero tendrá a su vez una eficiencia estacional más alta que la de un recuperador físicamente más pequeño, pero con una mayor caída de presión.
Cuando no se requiere la recuperación de calor, es habitual que el dispositivo se desvíe mediante el uso de compuertas dispuestas dentro del sistema de distribución de ventilación. Suponiendo que los ventiladores estén equipados con controles de velocidad de inversor, configurados para mantener una presión constante en el sistema de ventilación, la caída de presión reducida conduce a una desaceleración del motor del ventilador y, por lo tanto, reduce el consumo de energía y, a su vez, mejora la eficiencia estacional del sistema.
Los recuperadores también se han utilizado para recuperar calor de los gases residuales y precalentar el aire de combustión y el combustible durante muchos años mediante recuperadores metálicos para reducir los costos de energía y la huella de carbono de la operación. En comparación con alternativas como los hornos regenerativos, los costos iniciales son menores, no hay válvulas que cambiar de un lado a otro, no hay ventiladores de tiro inducido y no requiere una red de conductos de gas distribuidos por todo el horno.
Históricamente, los índices de recuperación de los recuperadores en comparación con los quemadores regenerativos eran bajos. Sin embargo, las recientes mejoras en la tecnología han permitido que los recuperadores recuperen el 70-80% del calor residual y ahora es posible precalentar el aire hasta 850-900 °C (1560-1650 °F).
Los recuperadores se pueden utilizar para aumentar la eficiencia de las turbinas de gas para la generación de energía, siempre que el gas de escape esté más caliente que la temperatura de salida del compresor. El calor de escape de la turbina se utiliza para precalentar el aire del compresor antes de calentarlo más en la cámara de combustión, lo que reduce el consumo de combustible necesario. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre la salida de la turbina y la del compresor, mayor será el beneficio del recuperador. [1] Por lo tanto, las microturbinas (<1 MW), que normalmente tienen relaciones de presión bajas, son las que más tienen que ganar con el uso de un recuperador. En la práctica, es posible duplicar la eficiencia mediante el uso de un recuperador. [2] El principal desafío práctico para un recuperador en aplicaciones de microturbinas es hacer frente a la temperatura del gas de escape, que puede superar los 750 °C (1380 °F).