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 de forma intermitente en un medio de almacenamiento térmico antes de transferirse al fluido frío. Para lograr esto, el fluido caliente se pone en contacto con el medio de almacenamiento de calor y luego el fluido se desplaza con el fluido frío, que absorbe el calor. [1]
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 volver a fluir a través del intercambiador de calor en la dirección opuesta para continuar su procesamiento. 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 aire caliente en altos hornos . [2] Más tarde se utilizó en hornos de fusión de vidrio y fabricación de acero, para aumentar la eficiencia de los hornos de hogar abierto , y en calderas de alta presión y aplicaciones químicas y de otro tipo, donde sigue siendo importante hoy en día.
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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 más barato de construir, pero mucho menos eficiente.
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Las aplicaciones posteriores incluyen el proceso de alto horno conocido como hot blow 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 se calientan de esta manera. Luego, el flujo se invierte, de modo que los ladrillos calentados precalientan el combustible.
Edward Alfred Cowper aplicó el principio de regeneración a los altos hornos, en la forma de la "estufa Cowper", patentada en 1857. [3] Esta se utiliza casi invariablemente con los altos hornos hasta el día de hoy.
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 rotatorios , 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 que fluyen en contracorriente. De esta manera, las dos corrientes están en su mayoría 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 recubierto para resistir el ataque químico de los fluidos de 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. [4]
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 la corriente local no son una función del tiempo. Los sellos entre las dos corrientes no son perfectos, por lo que se producirá cierta contaminación cruzada. El nivel de presión admisible de un regenerador rotatorio es relativamente bajo, en comparación con los intercambiadores de calor.
En un regenerador de matriz fija , una sola corriente de fluido tiene un flujo cíclico y 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 conduce 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 "estufas" llenas de ladrillos refractarios. El gas caliente del horno se conduce a través de los ladrillos durante un intervalo, digamos una hora, hasta que el ladrillo alcanza una temperatura alta. Luego, las válvulas funcionan y conmutan 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 disposiciones 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. [5]
Otro tipo de regenerador se denomina intercambiador de calor regenerativo a microescala . Tiene una estructura de rejilla multicapa en la que cada capa está separada de la capa adyacente por la mitad de una celda que tiene una abertura a lo largo de ambos ejes perpendiculares 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 las paredes de la celda y se almacena allí. Cuando el flujo del fluido invierte la dirección, el calor se transfiere de las paredes de la celda nuevamente al fluido.
Un tercer tipo de regenerador se denomina regenerador " Rothemühle ". Este tipo tiene una matriz fija en forma de disco y las corrientes de fluido se conducen a través de campanas giratorias. El regenerador Rothemühle se utiliza como precalentador de aire en plantas generadoras de energía. El diseño térmico de este regenerador es el mismo que el de otros tipos de regeneradores. [ cita requerida ]
La nariz y la garganta funcionan como intercambiadores de calor regenerativos durante la respiración. El aire más frío que entra se calienta, de modo que llega a los pulmones como aire caliente. Al salir, este aire calentado deposita gran parte de su calor nuevamente en los costados de los conductos nasales, de modo que estos conductos estén listos para calentar el siguiente lote de aire que entra. Algunos animales, incluidos los humanos, tienen láminas de hueso enrolladas dentro de la nariz llamadas cornetes nasales para aumentar la superficie para el intercambio de calor. [ cita requerida ]
Los intercambiadores de calor regenerativos están compuestos de materiales con una alta capacidad térmica volumétrica y una baja conductividad térmica en la dirección longitudinal (flujo). A temperaturas criogénicas (muy bajas) de alrededor de 20 K , el calor específico de los metales es bajo, por lo que un regenerador debe ser más grande para una carga térmica determinada. [ cita requerida ]
Las ventajas de un regenerador sobre un intercambiador de calor recuperador (de contraflujo) es que tiene una superficie mucho mayor para un volumen determinado, 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. [ cita requerida ]
El diseño de los cabezales de entrada y salida utilizados para distribuir fluidos calientes y fríos 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 calientes y fríos en regeneradores rotatorios 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 la suciedad y la corrosión del lado del fluido. Finalmente, propiedades como la pequeña densidad de superficie y la disposición de contraflujo de los regeneradores 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 área de superficie en un regenerador aumenta en gran medida la transferencia de calor. [ cita requerida ]
La principal desventaja de los regeneradores rotatorios y de matriz fija es que siempre hay cierta mezcla de las corrientes de fluido y no se pueden separar por completo. Existe un arrastre inevitable de una pequeña fracción de una corriente de fluido a la otra. En el regenerador rotatorio, el fluido arrastrado queda atrapado dentro del sello radial y en la matriz, y en un regenerador de matriz fija, el fluido arrastrado es el fluido que permanece en el volumen vacío de la matriz. Esta pequeña fracción se mezclará con la otra corriente en el siguiente semiciclo. Por lo tanto, los regeneradores rotatorios 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 del fluido a menudo está prohibida con flujos líquidos. [ cita requerida ]
La alternancia constante de calentamiento y enfriamiento que tiene lugar en los intercambiadores de calor regenerativos somete a una gran tensión a los componentes del intercambiador de calor, lo que puede provocar grietas o roturas de los materiales. [ cita requerida ]