Una rueda térmica , también conocida como intercambiador de calor rotativo , o rueda de entalpía aire-aire rotativa , rueda de recuperación de energía o rueda de recuperación de calor , es un tipo de intercambiador de calor de recuperación de energía ubicado dentro de las corrientes de aire de suministro y escape de las unidades de manejo de aire o unidades de techo o en los gases de escape de un proceso industrial, con el fin de recuperar la energía térmica. Otras variantes incluyen ruedas de entalpía y ruedas desecantes . Una rueda térmica específica para enfriamiento a veces se denomina rueda de Kioto .
Las ruedas térmicas rotativas son un medio mecánico de recuperación de calor. Una rueda metálica porosa rotativa transfiere energía térmica de una corriente de aire a otra al pasar por cada fluido alternativamente. El sistema funciona como una masa de almacenamiento térmico mediante la cual el calor del aire se almacena temporalmente dentro de la matriz de la rueda hasta que se transfiere a la corriente de aire más fría. [1]
Existen dos tipos de ruedas térmicas rotativas: ruedas de calor y ruedas de entalpía ( desecantes ). Aunque existe una similitud geométrica entre las ruedas de calor y entalpía, existen diferencias que afectan el funcionamiento de cada diseño. En un sistema que utiliza una rueda desecante, la humedad en la corriente de aire con la humedad relativa más alta se transfiere a la corriente de aire opuesta después de fluir a través de la rueda. Esto puede funcionar en ambas direcciones de aire entrante a aire de escape y aire de escape a aire entrante. El aire de suministro puede luego usarse directamente o emplearse para enfriar aún más el aire. Este es un proceso que consume mucha energía. [2] [ se necesita cita para verificar ] [ ¿por qué? ]
El intercambiador de calor de rueda de entalpía aire-aire rotatorio es un cilindro giratorio lleno de un material permeable al aire, normalmente polímero, aluminio o fibra sintética, que proporciona la gran superficie necesaria para la transferencia de entalpía sensible ( la entalpía es una medida de calor). A medida que la rueda gira entre las corrientes de aire de suministro y de escape, recoge energía térmica y la libera en la corriente de aire más fría. La fuerza impulsora detrás del intercambio es la diferencia de temperaturas entre las corrientes de aire opuestas (el gradiente térmico).
El intercambio de entalpía se logra mediante el uso de desecantes . Los desecantes transfieren humedad a través del proceso de adsorción , que se produce principalmente por la diferencia en la presión parcial del vapor dentro de las corrientes de aire opuestas. Los desecantes típicos consisten en gel de sílice y tamices moleculares .
Las ruedas entálpicas son los dispositivos más eficaces para transferir energía térmica tanto latente como sensible . La elección de los materiales de construcción del rotor, que normalmente son polímero, aluminio o fibra de vidrio, determina su durabilidad.
Al utilizar dispositivos de recuperación de energía rotativos, las dos corrientes de aire deben estar adyacentes entre sí para permitir la transferencia local de energía. Además, se deben tener en cuenta consideraciones especiales en climas más fríos para evitar la formación de escarcha en las ruedas. Los sistemas pueden evitar la formación de escarcha modulando la velocidad de las ruedas, precalentando el aire o deteniendo o haciendo funcionar el sistema.
O'Connor et al. [3] estudiaron el efecto que tiene una rueda térmica rotatoria en los caudales de aire de suministro a un edificio. Se creó un modelo computacional para simular los efectos de una rueda térmica rotatoria en los caudales de aire cuando se incorpora a un sistema de torre eólica comercial . La simulación se validó con un experimento de modelo a escala en un túnel de viento subsónico de circuito cerrado. Los datos obtenidos de ambas pruebas se compararon para analizar los caudales. Aunque los caudales se redujeron en comparación con una torre eólica que no incluía una rueda térmica rotatoria, se cumplieron los índices de ventilación recomendados para los ocupantes de una escuela o un edificio de oficinas por encima de una velocidad del viento externo de 3 m/s, que es inferior a la velocidad del viento promedio del Reino Unido (4-5 m/s).
En este estudio no se han realizado pruebas de campo ni datos experimentales a gran escala, por lo que no se puede demostrar de manera concluyente que las ruedas térmicas rotativas sean factibles para su integración en un sistema de torre eólica comercial. Sin embargo, a pesar de la disminución del caudal de aire dentro del edificio después de la introducción de la rueda térmica rotativa, la reducción no fue lo suficientemente grande como para evitar que se cumplieran las pautas de ventilación. Aún no se han realizado suficientes investigaciones para determinar la idoneidad de las ruedas térmicas rotativas para la ventilación natural; se pueden cumplir las tasas de suministro de ventilación, pero aún no se han investigado las capacidades térmicas de la rueda térmica rotativa. Sería beneficioso realizar más trabajos para aumentar la comprensión del sistema. [4]
Una rueda térmica consiste en una matriz circular de panal de abeja de material absorbente de calor, que gira lentamente dentro de las corrientes de aire de suministro y escape de un sistema de manejo de aire. A medida que gira la rueda térmica, se captura calor de la corriente de aire de escape en una mitad de la rotación y se libera a la corriente de aire fresco en la otra mitad de la rotación. De este modo, la energía térmica residual de la corriente de aire de escape se transfiere al material de la matriz y luego del material de la matriz a la corriente de aire fresco. Esto aumenta la temperatura de la corriente de aire de suministro en una cantidad proporcional al diferencial de temperatura entre las corrientes de aire, o "gradiente térmico", y depende de la eficiencia del dispositivo. El intercambio de calor es más eficiente cuando las corrientes fluyen en direcciones opuestas , ya que esto provoca un gradiente de temperatura favorable a lo largo del espesor de la rueda. El principio funciona a la inversa, y la energía de "enfriamiento" se puede recuperar en la corriente de aire de suministro si se desea y el diferencial de temperatura lo permite.
La matriz de intercambio de calor puede ser de aluminio, plástico o fibra sintética. El intercambiador de calor gira mediante un pequeño motor eléctrico y un sistema de transmisión por correa. Los motores suelen tener una velocidad controlada por inversor para un mejor control de la temperatura del aire de salida. Si no se requiere intercambio de calor, el motor se puede detener por completo.
Debido a que el calor se transfiere desde la corriente de aire de escape a la corriente de aire de suministro sin pasar directamente a través de un medio de intercambio, las eficiencias brutas suelen ser más altas que las de cualquier otro sistema de recuperación de calor del lado del aire. La menor profundidad de la matriz de intercambio de calor, en comparación con un intercambiador de calor de placas, significa que la caída de presión a través del dispositivo normalmente es menor en comparación. Generalmente, se seleccionará una rueda térmica para velocidades de entrada entre 1,5 y 3,0 metros por segundo (4,9 y 9,8 pies/s), y con caudales de aire iguales, se pueden esperar eficiencias brutas "sensibles" del 85%. Aunque hay un pequeño requisito de energía para girar la rueda, el consumo de energía del motor suele ser bajo y tiene poco efecto sobre la eficiencia estacional del dispositivo. La capacidad de recuperar calor "latente" puede mejorar las eficiencias brutas en un 10-15%.
Normalmente, la transferencia de calor entre corrientes de aire proporcionadas por el dispositivo se denomina " 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 tales 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 las corrientes de aire.
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 %. Esto aumentará el consumo de energía del ventilador y reducirá la eficiencia estacional del dispositivo.
Las matrices de aluminio también están disponibles con un revestimiento higroscópico aplicado , y el uso de este, o el uso de matrices de fibra sintética porosa, permite la adsorción y liberación de vapor de agua, a niveles de humedad mucho más bajos que los que normalmente se requieren para que se produzca la condensación y la transferencia de calor latente. El beneficio de esto es una eficiencia de transferencia de calor aún mayor, pero también da como resultado el secado o la humidificación de las corrientes de aire, lo que también puede ser deseable para el proceso particular al que se suministra el aire.
Por esta razón estos dispositivos también se conocen comúnmente como rueda de entalpía .
Durante el interés de la industria automotriz en las turbinas de gas para la propulsión de vehículos (alrededor de 1965), Chrysler inventó un tipo único de intercambiador de calor rotatorio [5] que consistía en un tambor rotatorio construido de metal corrugado (similar en apariencia al cartón corrugado). Este tambor giraba continuamente mediante engranajes reductores impulsados por la turbina. Los gases de escape calientes se dirigían a través de una parte del dispositivo, que luego giraba hacia una sección que conducía el aire de inducción, donde se calentaba este aire de admisión. Esta recuperación del calor de combustión aumentó significativamente la eficiencia del motor de turbina. Este motor resultó poco práctico para una aplicación automotriz debido a su pobre par a baja velocidad. Incluso un motor tan eficiente, si fuera lo suficientemente grande como para ofrecer el rendimiento adecuado, tendría una baja eficiencia de combustible promedio . Un motor de este tipo puede ser atractivo en algún momento futuro cuando se combine con un motor eléctrico en un vehículo híbrido debido a su robusta longevidad y su capacidad para quemar una amplia variedad de combustibles líquidos. [ investigación original? ]
Una rueda desecante es muy similar a una rueda térmica, pero con un revestimiento aplicado con el único propósito de deshumidificar o "secar" la corriente de aire. El desecante normalmente es gel de sílice . A medida que la rueda gira, el desecante pasa alternativamente por el aire entrante, donde se adsorbe la humedad , y por una zona de "regeneración", donde el desecante se seca y se expulsa la humedad. La rueda continúa girando y el proceso de adsorción se repite. La regeneración normalmente se lleva a cabo mediante el uso de una bobina de calentamiento, como una bobina de agua o vapor, o un quemador de gas de encendido directo.
Las ruedas térmicas y las ruedas desecantes se utilizan a menudo en configuración en serie para proporcionar la deshumidificación necesaria y recuperar el calor del ciclo de regeneración.
Las ruedas térmicas no son adecuadas para su uso cuando se requiere una separación total de las corrientes de aire de suministro y de escape, ya que el aire se desviará en la interfaz entre las corrientes de aire en el límite del intercambiador de calor y en el punto donde la rueda pasa de una corriente de aire a la otra durante su rotación normal. El primero se reduce mediante sellos de cepillo y el segundo se reduce mediante una pequeña sección de purga, formada al revestir un pequeño segmento de la rueda, normalmente en la corriente de aire de escape.
Las matrices fabricadas con materiales fibrosos o con revestimientos higroscópicos para la transferencia de calor latente son mucho más susceptibles a sufrir daños y degradarse por " incrustaciones " que los materiales de metal o plástico, y son difíciles o imposibles de limpiar de forma eficaz si están sucias. Se debe tener cuidado de filtrar adecuadamente las corrientes de aire tanto en el lado de escape como en el lado de aire fresco de la rueda. Cualquier suciedad que se adhiera en cualquiera de los lados del aire invariablemente será transportada a la corriente de aire del otro lado.