Sistemas de Recuperación de Energía – Regeneradores

Regenerador rotativo Ljungström

Los sistemas de recuperación de energía son equipos que permiten la recuperación de energía térmica que normalmente sería desechada de un proceso. Al captar esta energía, estos sistemas permiten aprovecharla en otras secciones del proceso. Por lo tanto, la implementación de este tipo de sistemas permite el ahorro de uso de materiales, energía; el cual se traduce en ahorros monetarios para las empresas y en una mejora de su ecoeficiencia. Este artículo proveerá una breve introducción a un tipo de estos sistemas: los regeneradores.

Los regeneradores se basan en el principio de almacenamiento del calor. Es decir, a través de ellos fluyen los gases de combustión a altas temperaturas, los cuales se enfrían a su paso por estos equipos. Dentro de estas operaciones unitarias, deberá existir un material, sólido o fluido, que tenga la capacidad de absorber esa energía térmica para luego liberarla. La operación de regeneración de calor puede hacerse de manera continua o por lotes (Ahmed, et al., 2019).

Diagrama de regenerador rotativo

Para la operación continua, la opción más difundida son los regeneradores rotativos. En estos equipos son de forma cilíndrica, con una sección giratoria compuesta por placas metálicas acomodadas de manera similar a una reja. En estos sistemas, existe una separación axial que divide el flujo de los fluidos fríos y calientes; de tal manera que estos nunca se mezclan.  Si bien las corrientes nunca están en contacto directo la una con la otra, la transferencia de calor de uno al otro es facilitado por la rotación de las placas metálicas: el flujo caliente transfiere energía a la sección rotativa; la cual gira para ponerse en contacto con la corriente fría. En otras palabras, primero se calienta una sección de la reja, luego esta gira y al ponerse en contacto con el fluido frío, sube la temperatura de este (Malinauskaite & Jouhara, 2023).

Diagrama del interior de una estufa Cowper - Fuente: Hwang, Y y Lee, Y

Por otro lado, la operación de los sistemas de regeneración de calor por lotes es significativamente menos compleja. Un ejemplo de este tipo de equipos son las estufas Cowper que calientan el aire usado en los altos hornos. En estas instalaciones existe una matriz fija; esto es, un material inmóvil a través del cual fluye la corriente caliente y la fría, en tiempos diferentes. La matriz fija es un tipo de ladrillo refractario llamado “checker”, como el juego de damas, en inglés. El ladrillo recibe este nombre porque tiene una serie de huecos que asemejan al patrón del tablero del juego (Willmott, 2011) (Ahmed, et al., 2019).

Ladrillos "checker" - Fuente: Kerui Refractory

Entonces, las estufas Cowper se operan en dos pasos. En el primero se quema el combustible para que los gases de combustión a alta temperatura pasen por los ladrillos “checker” y que estos se calienten; este proceso normalmente dura 3 horas. Luego, se detiene la quema de combustible y se sopla aire a través de la estufa; el cual recibe el calor de los ladrillos refractarios para alcanzar una temperatura de más de 1,000 °C. Con estas condiciones de operación se puede suministrar de aire al alto horno por aproximadamente 1 hora. Por lo tanto, los altos hornos deben contar con múltiples estufas Cowper para suministrar aire caliente de manera continua.

En suma, los regeneradores son sistemas, continuos o por lotes, que permiten aprovechar el calor de una corriente para calentar otra en un proceso. Para continuar, el principio de funcionamiento de estos es el almacenamiento de calor en los materiales, el cual es transferido a flujos de menor temperatura. Entonces, son equipos que previenen la pérdida de energía térmica y que aumentan la eficiencia de las operaciones industriales de las empresas.

Referencias:

Ahmed, S., Schmalzer, D., Van Essendeft, D., Shadle, L., Siefert, N., Link, D., . . . Dees, D. (2019). Energy Resources, Conversion, and Utilization. In D. Green, & M. Southard, Perry's Chemical Engineers' Handbook. Estados Unidos: McGraw-Hill.

Hwang, Y., & Lee, Y. (2020). Thermal stress analysis of refractory linings in a hot blast stove. Journal of Physics Conference Series.

Malinauskaite, J., & Jouhara, H. (2023). A theoretical analysis of waste heat recovery technologies. In J. Malinauskaite, & H. Jouhara, Sustainable Energy Technology, Business Models, and Policies (pp. 99-144). Elsevier.

Willmott, A. (2011). Regenerative Heat Exchangers. Thermopedia.