Una rueda térmica , también conocida como intercambiador de calor giratorio , o rueda de entalpía aire-aire giratoria , rueda de recuperación de energía o rueda de recuperación de calor , es un tipo de intercambiador de calor de recuperación de energía colocado dentro de las corrientes de aire de suministro y escape de aire. unidades de manipulación o unidades de tejado 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 de refrigeración a veces se denomina rueda de Kyoto .
Las ruedas térmicas rotativas son un medio mecánico de recuperación de calor. Una rueda metálica porosa giratoria transfiere energía térmica de una corriente de aire a otra pasando 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 giratorias: ruedas térmicas y ruedas de entalpía ( desecante ). Aunque existe una similitud geométrica entre las ruedas de calor y de entalpía, existen diferencias que afectan el funcionamiento de cada diseño. En un sistema que utiliza una rueda desecante, la humedad de 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 del aire entrante al aire de escape y del aire de escape al aire entrante. El aire de suministro puede usarse entonces directamente o emplearse para enfriar aún más el aire. Este es un proceso que consume mucha energía. [2] [ necesita cotización para verificar ] [ ¿por qué? ]
El intercambiador de calor giratorio de rueda de entalpía aire-aire es un cilindro giratorio lleno de un material permeable al aire, generalmente 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 a la corriente de aire más frío. 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 es impulsado predominantemente 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 de entalpía son los dispositivos más eficaces para transferir energía térmica tanto latente como sensible . La elección de los materiales de construcción del rotor, normalmente polímero, aluminio o fibra de vidrio, determina la durabilidad.
Cuando se utilizan dispositivos rotativos de recuperación de energía, las dos corrientes de aire deben estar adyacentes entre sí para permitir la transferencia local de energía. Además, se deben tener consideraciones especiales en climas más fríos para evitar que las ruedas se congelen. Los sistemas pueden evitar la formación de escarcha modulando la velocidad de las ruedas, precalentando el aire o deteniendo/activando el sistema.
O'Connor et al. [3] estudiaron el efecto que tiene una rueda térmica giratoria sobre los caudales de aire de suministro a un edificio. Se creó un modelo computacional para simular los efectos de una rueda térmica giratoria sobre los caudales de aire cuando se incorpora a un sistema de torre eólica comercial . La simulación se validó con un experimento 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 giratoria, los índices de ventilación orientativos para los ocupantes de una escuela o un edificio de oficinas se cumplieron con una velocidad del viento externo de 3 m/s, que es inferior a la Velocidad media del viento en el Reino Unido (4-5 m/s).
En este estudio no se completaron datos experimentales o de pruebas de campo a gran escala, por lo que no se puede demostrar de manera concluyente que las ruedas térmicas giratorias sean viables 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 giratoria, la reducción no fue lo suficientemente grande como para evitar que se cumplieran los índices de ventilación establecidos. Aún no se han realizado investigaciones suficientes para determinar la idoneidad de las ruedas térmicas rotativas en la ventilación natural; se pueden alcanzar las tasas de suministro de ventilación, pero aún no se han investigado las capacidades térmicas de las ruedas térmicas rotativas. Sería beneficioso realizar más trabajos para aumentar la comprensión del sistema. [4]
Una rueda térmica consta de una matriz circular en forma de panal de material absorbente de calor, que gira lentamente dentro de las corrientes de aire de suministro y escape de un sistema de tratamiento de aire. A medida que gira la rueda térmica, el calor se captura 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 dependiendo 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 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 control de velocidad por inversor para mejorar el 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 mayores 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 frontales entre 1,5 y 3,0 metros por segundo (4,9 y 9,8 pies/s), y con caudales de volumen de aire iguales, se pueden esperar eficiencias brutas "sensibles" del 85%. Aunque existe un pequeño requerimiento de energía para hacer 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 la eficiencia bruta entre un 10% y un 15%.
Normalmente se denomina " sensible " a la transferencia de calor entre corrientes de aire proporcionada por el dispositivo, 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 provocará que se libere calor " latente " y el material de transferencia de calor se cubrirá con una película de agua. A pesar de una correspondiente absorción 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 mejorará así el coeficiente de transferencia de calor del dispositivo, y por tanto, aumentar la eficiencia. El intercambio de energía de tales dispositivos ahora comprende transferencia de calor tanto sensible como latente; Además del cambio de 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, dependiendo del 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 recubrimiento higroscópico aplicado , y el uso de este, o el uso de matrices de fibras sintéticas porosas, permite la adsorción y liberación de vapor de agua, a niveles de humedad muy inferiores a los normalmente requeridos para la condensación y el calor latente. que se produzca la transferencia. La ventaja de esto es una eficiencia de transferencia de calor aún mayor, pero también da como resultado el secado o humidificación de las corrientes de aire, lo que también puede ser deseable para el proceso particular al que sirve el aire de suministro.
Por este motivo a estos dispositivos también se les conoce comúnmente como rueda de entalpía .
Durante el interés de la industria automotriz por las turbinas de gas para la propulsión de vehículos (alrededor de 1965), Chrysler inventó un tipo único de intercambiador de calor giratorio [5] que consistía en un tambor giratorio construido con metal corrugado (similar en apariencia al cartón corrugado). Este tambor hacía girar 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 la combustión aumentó significativamente la eficiencia del motor de turbina. Este motor resultó poco práctico para una aplicación automotriz debido a su escaso par a baja velocidad. Incluso un motor tan eficiente, si fuera lo suficientemente grande como para ofrecer el rendimiento adecuado, tendría una eficiencia de combustible promedio baja . Un motor de este tipo puede resultar atractivo en el futuro cuando se combine con un motor eléctrico en un vehículo híbrido debido a su gran longevidad y su capacidad para quemar una amplia variedad de combustibles líquidos. [ ¿investigacion original? ]
Una rueda desecante es muy similar a una rueda térmica, pero con un recubrimiento aplicado con el único propósito de deshumidificar o "secar" la corriente de aire. El desecante suele ser gel de sílice . A medida que gira la rueda, el desecante pasa alternativamente por el aire entrante, donde se adsorbe la humedad , y por una zona de “regeneración”, donde se seca el desecante y se expulsa la humedad. La rueda continúa girando y se repite el proceso de adsorbencia. La regeneración normalmente se lleva a cabo mediante el uso de un serpentín de calentamiento, como un serpentín 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 requerida y recuperar el calor del ciclo de regeneración.
Las ruedas térmicas no son adecuadas para su uso donde se requiere una separación total de las corrientes de aire de suministro y escape, ya que el aire pasará por 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. otro durante su rotación normal. El primero se reduce mediante sellos de escobillas y el segundo se reduce mediante una pequeña sección de purga, formada al enchapar un pequeño segmento de la rueda, normalmente en la corriente de aire de escape.
Las matrices hechas de materiales fibrosos o con revestimientos higroscópicos para la transferencia de calor latente son mucho más susceptibles a sufrir daños y degradación por " incrustaciones " que los materiales metálicos o plásticos simples, y son difíciles o imposibles de limpiar eficazmente si están sucias. Se debe tener cuidado de filtrar adecuadamente las corrientes de aire tanto en el lado de escape como en el de aire fresco de la rueda. Cualquier suciedad que se adhiera a cualquiera de los lados del aire será invariablemente transportada a la corriente de aire del otro lado.