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 transferirse 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. [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 regresa a través del intercambiador de calor en la dirección opuesta para su posterior procesamiento. Normalmente 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 chorro caliente en altos hornos . [2] Posteriormente se utilizó en hornos de fusión de vidrio y en la fabricación de 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.
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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, incluidos 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.
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Las aplicaciones posteriores incluyeron el proceso de alto horno conocido como alto horno 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 se invierte el flujo, de modo que los ladrillos calentados precalientan el combustible.
Edward Alfred Cowper aplicó el principio de regeneración a los altos hornos, en forma de la "estufa Cowper", patentada en 1857. [3] Esto se utiliza casi invariablemente en 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 se separan en el tiempo, circulando alternativamente a través del medio de almacenamiento, o se separan 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 en contracorriente. De esta manera, las dos corrientes se separan en su mayor parte. Sólo 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 sucesivamente a través de todas las secciones de la matriz. El medio de almacenamiento de calor puede ser un conjunto de placas metálicas o malla de alambre de grano relativamente fino, hecho de alguna aleación resistente o recubierto 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 rotativo, en comparación con un intercambiador de calor de carcasa y tubos; cada pie cúbico de matriz del regenerador puede contener hasta 1000 pies cuadrados de superficie, 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 en 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 permitido de un regenerador rotativo es relativamente bajo en comparación con el de los intercambiadores de calor.
En un regenerador de matriz fija , una única corriente de fluido tiene un flujo cíclico y reversible; se dice que fluye "contracorriente". Este regenerador puede formar parte de un sistema sin válvulas , como por ejemplo un motor Stirling . En otra configuración, el fluido se conduce a través de válvulas a diferentes matrices en períodos de funcionamiento alternos, lo que da como resultado temperaturas de salida que varían con el tiempo. Por ejemplo, un alto horno puede tener varias "estufas" o "damas" llenas de ladrillo refractario refractario. 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 funcionan y cambian el aire frío de entrada a través del ladrillo, recuperando el calor para usarlo 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 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 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 célula, el calor del fluido se transfiere a las paredes celulares y se almacena allí. Cuando el flujo de fluido invierte la dirección, el calor se transfiere desde las paredes de la celda al fluido.
Un tercer tipo de regenerador se denomina regenerador " Rotemühle ". Este tipo tiene una matriz fija en forma de disco y los flujos de fluido se conducen a través de campanas giratorias. El regenerador Rothemühle se utiliza como precalentador de aire en centrales eléctricas. El diseño térmico de este regenerador es el mismo que el de otros tipos de regeneradores. [ cita necesaria ]
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 en forma de aire caliente. Al regresar, este aire calentado deposita gran parte de su calor nuevamente en los lados de los conductos nasales, de modo que estos conductos estén listos para calentar el siguiente lote de aire que ingresa. Algunos animales, incluidos los humanos, tienen láminas rizadas de hueso dentro de la nariz llamado cornetes nasales para aumentar la superficie de intercambio de calor. [ cita necesaria ]
Los intercambiadores de calor regenerativos están hechos de materiales con alta capacidad calorífica volumétrica y 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 de calor determinada. [ cita necesaria ]
Las ventajas de un regenerador sobre un intercambiador de calor de recuperación (a contracorriente) es que tiene una superficie mucho mayor para un volumen determinado, lo que proporciona un volumen de intercambiador reducido para una densidad de energía, efectividad 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 necesaria ]
El diseño de los cabezales de entrada y salida utilizados para distribuir fluidos fríos y calientes en la matriz es mucho más sencillo en los regeneradores de contraflujo que en los recuperadores. La razón detrás de esto es que ambas corrientes fluyen en secciones diferentes para un regenerador rotativo 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 se pueden diseñar 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 contaminación y la corrosión del lado del fluido. Finalmente, propiedades como la pequeña densidad superficial y la disposición de los regeneradores en 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 considerablemente la transferencia de calor. [ cita necesaria ]
La principal desventaja de los regeneradores rotativos y de matriz fija es que siempre hay cierta 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 rotativo, el fluido remanente queda atrapado dentro del sello radial y en la matriz, y en un regenerador de matriz fija, el fluido remanente 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 sólo se utilizan cuando es aceptable mezclar 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 líquidos o fluidos que cambian de fase, ya que la contaminación de fluidos a menudo está prohibida con flujos líquidos. [ cita necesaria ]
La constante alternancia de calentamiento y enfriamiento que tiene lugar en los intercambiadores de calor regenerativos ejerce mucha presión sobre los componentes del intercambiador de calor, lo que puede provocar grietas o roturas de los materiales. [ cita necesaria ]