Oportunidades para la recuperación de energía residual en la industria (5ª PARTE)

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OPCIONES Y TECNOLOGÍAS PARA LA RECUPERACIÓN DEL CALOR RESIDUAL

Los métodos para la recuperación de calor incluyen la transferencia de calor entre gases y/o líquidos (ej. precalentamiento del aire de la combustión y precalentamiento del agua de alimentación de la caldera), transferencia de calor a la carga que entra en el horno (ej. precalentamiento de calcín/lote en hornos de vidrio), generando energía eléctrica y/o energía mecánica, o usando calor con bombas de calor para calentamiento o enfriamiento.

Intercambiadores de calor

Los intercambiadores de calor son comúnmente usados para transferir calor desde los gases de escape al aire entrando en el horno. Ya que el aire de combustión precalentado entra en el horno a temperaturas más altas, menos energía será necesaria desde el combustible. Tecnologías típicas usadas para precalentar el aire incluyen recuperadores, regeneradores de quemador, regeneradores rotatorios, y precalentadores de aire pasivos.

Recuperador

Los recuperadores recobran el calor residual del gas de escape en aplicaciones de alta y media temperatura tales como hornos de recocido, hornos de fusión, postquemadores, incineradores de gases, quemadores de tubos radiantes, y hornos de recalentamiento. Los recuperadores pueden basarse en radiación, convección, o combinaciones de ambos:

• Un recuperador de radiación simple consiste en dos longitudes concéntricas de conductos. Los gases residuales calientes pasan a través de un conducto interior y la transferencia de calor es primariamente radiada a la pared y al aire frío entrando en la carcasa exterior. El aire de la envolvente precalentada luego se desplaza a los quemadores del horno.
• El recuperador de tipo tubo o convectivo hace pasar los gases calientes a través de tubos de diámetro relativamente pequeños contenidos en una envolvente más grande.
• Otra alternativa es el recuperador de convección. El sistema incluye una sección de radiación seguida por una sección de convección para maximizar la efectividad de transferencia de calor.

Los recuperadores se construyen con materiales metálicos o cerámicos. Los recuperadores metálicos se usan en aplicaciones con temperaturas por debajo de 1093 ºC., mientras que la recuperación de calor a altas temperaturas es más conveniente para recuperadores de tubos cerámicos. Estos pueden operar con temperaturas en el lado caliente tan alta como 1538 ºC y temperaturas en el lado frío de alrededor de 982 ºC.

Regenerador

Regenerador de hornos

Los hornos regenerativos consisten en dos cámaras brick “checerwork” a través de las que el flujo de aire se enfría y calienta alternativamente. Cuando los gases de la combustión pasan a través de una cámara, los ladrillos absorben calor del gas de la combustión e incrementan la temperatura. El flujo de aire luego se ajusta de forma que el aire de combustión entrante pasa a través del checkerwork caliente, que transfiere calor al aire de la combustión entrando en el horno. Dos cámaras se usan de forma que mientras una está absorbiendo calor de los gases de  escape, la otra está transfiriendo calor al aire de la combustión. La dirección del caudal de aire es alterada cada 20 minutos. Los regeneradores se usan más frecuentemente con hornos de vidrio y hornos de coque, e históricamente se usaron con hornos de acero, antes de que estos hornos se reemplazaran por diseños más eficientes. También se usan para precalentar las ráfagas calientes proporcionadas por altos hornosusados en la fabricación de hierro; sin embargo, los regeneradores en altos hornos no son una aplicación de recuperación de calor, pero simplifican los medios por los que el calor liberado de la combustión del gas se transfiere al chorro de aire caliente. Los sistemas del regenerador son especialmente convenientes para aplicaciones de alta temperatura con gases de escape sucios. Una desventaja principal es el gran tamaño y los costes de capital, que son significativamente más altos que los costes de los recuperadores.

Precalentadores de aire pasivos

Los precalentadores de aire pasivos son dispositivos de recuperación de calor gas a gas para aplicaciones de media temperatura donde debe prevenirse la contaminación cruzada entre los chorros de gas. Las aplicaciones incluyen hornos, calderas de vapor, escapes de las turbinas de gas, recuperación secundaria de hornos, y recuperación de aire acondicionado.

Los precalentadores pasivos pueden ser de dos tipos – placa y tubo caliente.  El intercambiador de calor de placa consiste en múltiples placas paralelas que pueden crear canales separados para los chorros calientes y fríos. El flujo caliente y frío alterna entre las placas y permite áreas significativas para transferencia de calor. Estos sistemas son menos susceptibles a la contaminación pero a menudo son voluminosos y más costosos, y más susceptibles a los problemas de fouling.

El intercambiador de calor de tubos calientes consiste en varias tuberías con extremos sellados. Cada tubo contiene una estructura de mecha capilar que facilita el movimiento del fluido de trabajo entre los extremos fríos y calientes de la tubería. Los gases sobre un extremo de la tubería caliente, causando la evaporación del fluido de trabajo en el interior de la tubería. Los gradientes de presión a lo largo de la tubería causan que el vapor caliente se mueva al otro extremo de la tubería. Los gradientes de presión a lo largo de la tubería causan que el vapor caliente se mueva al otro extremo de la tubería, donde el vapor se condensa y transfiere calor al gas frío. El condensado luego acaba el ciclo en el lado caliente de la tubería vía acción capilar.

Quemadores regeneradores/recuperativos

Los quemadores que incorporan sistemas regenerativos o recuperativos están comercialmente disponibles. Más simples y más compactos en diseño y construcción que los hornos regenerativos autónomos o recuperadores estos sistemas proporcionan eficiencia energética incrementada comparada con los quemadores operando con aire ambiental. Un quemador auto-recuperativo incorpora superficies de intercambio de calor como parte del diseño del cuerpo del quemador en orden de capturar energía del gas de los humos saliendo, que pasa hacia atrás a través del cuerpo. Los quemadores auto-regenerativos pasan los gases de salida a través del cuerpo del quemador en una envolvente de medio refractario y operan en parejas similares de la manera de un horno regenerativo. Típicamente, los sistemas de quemadores recuperativos tienen menos área de intercambio de calor y los sistemas de quemadores regenerativos tienen una masa inferior a las unidades autónomas. De aquí, su recuperación de energía es más baja pero sus costes también son más bajos y el retrofit es una opción atractiva para la recuperación de energía.

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