Oportunidades para la recuperación de energía residual en la industria (3ª PARTE)

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Requerimientos de área del intercambiador de calor

La temperatura del calor residual influye en la tasa de la transferencia de calor entre la fuente de calor y disipador de calor, lo cual significativamente influye en la factibilidad de la recuperación. La expresión para transferencia de calor puede ser generalizado por la siguiente ecuación:

Donde Q es la tasa de transferencia de calor; U es el coeficiente de transferencia de calor; A es el área de superficie para intercambio térmico; y ∆T es la diferencia de temperatura entre los dos chorros de fluido.

Ya que la transferencia de calor es una función de U, área y ∆T, una pequeña ∆T requerirá una mayor transferencia de calor. Ver la siguiente figura:

Como puede verse en la gráfica anterior cuando la diferencia de temperaturas es baja el área de intercambio se incrementa dramáticamente. La forma de la curva y área requerida variará dependiendo de los fluidos de transferencia de calor, coeficientes de transferencia de calor, y tasa de transferencia de calor requerida.

Máxima eficiencia para la generación de energía eléctrica

Las fuentes de calor a diferentes de temperatura tendrán límites de eficiencia teórica variables para generación de energía eléctrica. La máxima eficiencia a una temperatura dada se basa en la eficiencia de Carnot, que se define como:

Donde T_H es la temperatura del calor residual; y T_L es la temperatura del disipador térmico.

La eficiencia de Carnot representa la máxima eficiencia posible de un motor a una temperatura dada. La eficiencia de Carnot se incrementa en altas temperaturas y cae dramáticamente para las temperaturas más bajas.

Ya que la temperatura en el calor residual tiene un impacto dramático en la factibilidad de la recuperación de calor, es importante realizar una evaluación previa de la calidad y cantidad del calor residual. A continuación analizaremos la cantidad de pérdida de calor residual de diferentes procesos, pero también analizaremos el potencial de trabajo en orden de considerar las variaciones en las temperaturas de calor residual. El potencial de trabajo representa el máximo trabajo posible que puede ser extraído de un motor térmico operando entre la temperatura del calor de los residuos y la temperatura ambiente. Esto se calcula multiplicando el calor residual por la eficiencia de Carnot donde WP es el potencial de trabajo de la fuente de calor.

E es la pérdida de calor residual al medio ambiente; η es la eficiencia de Carnot; T_H es la temperatura de la fuente de calor residual; y T_o es la temperatura ambiente (25 ºC).

Selección de temperaturas y materiales

La temperatura de la fuente de calor de los residuos tiene importantes ramificaciones para selección de materiales en intercambiadores de calor y sistemas de recuperación. Las reacciones de corrosión y oxidación, como todas las reacciones químicas, se aceleran dramáticamente por el incremento de la temperatura. Si la fuente de calor residual contiene sustancias corrosivas, las superficies de recuperación de calor pueden dañarse. Asimismo, el acero al carbono a altas temperaturas (> 425 ºC) y el acero inoxidable por encima de 650 ºC comienza a oxidarse. Por lo tanto, aleaciones avanzadas o materiales compuestos deben ser usados a altas temperaturas. Los materiales mecánicos no se usan por encima de 871 ºC. Las alternativas incluyen sangrado de aire air en los gases de escape a menor temperatura, o usando materiales cerámicos que pueden resistir mejor la temperatura alta. En el caso de sangrado de aire, la cantidad de calor contenida en los chorros de escape quedan constantes, pero la calidad se reduce debido a la caída de temperatura.

Composición del flujo de residuos

Aunque las composiciones químicas no influyen directamente en la cantidad y calidad del calor disponible (a menos que tenga valor como combustible), la composición del flujo afecta al proceso de recuperación y selección de materiales. La composición y fase del flujo de calor residual determinará factores tales como la conductividad térmica y la capacidad de calor, que impactarán en la efectividad del intercambiador de calor.

Las tasas de transferencia en los intercambiadores de calor son dependientes de la composición y fase de los flujos de calor residual, lo cual impactará en la efectividad del intercambiador de calor. Sin embargo, la composición química específica del proceso de gases residuales tendrá un impacto importante en los diseños del intercambiador de calor, restricciones de materiales y costes.

Las tasas de transferencia de calor en el intercambiador de calor son dependientes de la composición y fase de los flujos de calor residual, estando además influidos por la deposición de cualquier sustancia sucia en el intercambiador de calor. 

Tabla 1. Rango General de Coeficientes de Transferencia de Calor para Transferencia de Calor Sensible en Intercambiadores de Calor

Condiciones del fluido	Coeficiente de transferencia de calor
Agua, líquido	5 x 103 a 1 x 104
Líquido, líquido	1,5 x 103 a 2 x 103
Gas (P = 1000 kPa)	2,5 x 102 a 4 x 102
Gas (P = 100.200 kPa)	8 x 10 a 1,2 x 102

Otra consideración clave es la interacción entre químicos en el flujo de escape y los materiales del intercambiador de calor. El ensuciamiento o fouling es un problema común en el intercambio de calor, y puede sustancialmente reducir la efectividad del intercambio o causar un fallo del sistema.

Los métodos para tratar el fouling son numerosos e incluyen la filtración del fluido contaminado, construcción de intercambiador con materiales avanzados, incrementar el área de la superficie del intercambiador de calor, y diseñar el intercambiador de calor para fácil acceso y limpieza. Sin embargo, el problema del fouling queda aún como desafío significativo en la ciencia térmica.

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