Trocador de calor regenerativo - Regenerative heat exchanger

Um trocador de calor regenerativo , ou mais comumente um regenerador , é um tipo de trocador de calor onde o calor do fluido quente é armazenado de forma intermitente em um meio de armazenamento térmico antes de ser transferido para o fluido frio. Para conseguir isso, o fluido quente é colocado em contato com o meio de armazenamento de calor e, em seguida, o fluido é deslocado com o fluido frio, que absorve o calor.

Em trocadores de calor regenerativos, o fluido em cada lado do trocador de calor pode ser o mesmo fluido. O fluido pode passar por uma etapa de processamento externo e, em seguida, é refluído de volta através do trocador de calor na direção oposta para processamento posterior. Normalmente, o aplicativo usará esse processo de forma cíclica ou repetitiva.

O aquecimento regenerativo foi uma das tecnologias mais importantes desenvolvidas durante a Revolução Industrial, quando foi usado no processo de explosão a quente em altos-fornos . Posteriormente, foi usado na fabricação de vidro e aço, para aumentar a eficiência de fornos de sola aberta , e em caldeiras de alta pressão e aplicações químicas e outras, onde continua a ser importante hoje.

História

Alto-forno (à esquerda) e três fogões Cowper (à direita) usados ​​para pré-aquecer o ar soprado no forno

O primeiro regenerador foi inventado pelo Rev. Robert Stirling em 1816 e também é encontrado como um componente de alguns exemplos de seu motor Stirling . Os motores Stirling mais simples, incluindo a maioria dos modelos, usam as paredes do cilindro e do deslocador como um regenerador rudimentar, que é mais simples e barato de construir, mas muito menos eficiente.

As aplicações posteriores incluíram o processo de alto-forno conhecido como explosão quente e o forno de lareira aberta, também chamado de forno regenerativo Siemens (que era usado para fazer vidro), onde os gases de exaustão quentes da combustão são passados ​​por câmaras regenerativas de tijolo, que são aquecidas. O fluxo é então revertido, de modo que os tijolos aquecidos pré-aquecem o combustível.

Edward Alfred Cowper aplicou o princípio de regeneração aos altos-fornos, na forma do "fogão Cowper", patenteado em 1857. Quase invariavelmente usado com altos-fornos até hoje.

Cinco trocadores de calor regenerativos de Cowper colocados em série.

Tipos de regeneradores

Os regeneradores trocam calor de um fluido de processo para um meio de armazenamento de calor sólido intermediário, então esse meio troca calor com um segundo fluxo de fluido de processo. Os dois fluxos são separados no tempo, circulando alternadamente através do meio de armazenamento, ou são separados no espaço e o meio de armazenamento de calor é movido entre os dois fluxos.

Em regeneradores rotativos , ou rodas térmicas , a "matriz" de armazenamento de calor na forma de uma roda ou tambor, que gira continuamente através de duas correntes de fluido contrafluxo. Desta forma, os dois fluxos são principalmente separados. Apenas um fluxo flui através de cada seção da matriz por vez; entretanto, ao longo de uma rotação, ambos os fluxos eventualmente fluem por todas as seções da matriz em sucessão. O meio de armazenamento de calor pode ser um conjunto relativamente fino de placas de metal ou malha de arame, feito de alguma liga resistente ou revestido para resistir ao ataque químico pelos fluidos do processo, ou feito de cerâmica em aplicações de alta temperatura. Uma grande quantidade de área de transferência de calor pode ser fornecida em cada unidade de volume do regenerador rotativo, em comparação com um trocador de calor de casco e tubo - até 1000 pés quadrados de superfície podem estar contidos em cada pé cúbico da matriz do regenerador, em comparação com cerca de 30 pés quadrados em cada pé cúbico de um trocador casco e tubo.

Cada porção da matriz será quase isotérmica , uma vez que a rotação é perpendicular ao gradiente de temperatura e à direção do fluxo, e não através deles. Os dois fluxos de fluido fluem em contra-corrente. As temperaturas do fluido variam em toda a área de fluxo; no entanto, as temperaturas do fluxo local não são uma função do tempo. As vedações entre os dois fluxos não são perfeitas, portanto, ocorrerá alguma contaminação cruzada. O nível de pressão permitido de um regenerador rotativo é relativamente baixo, em comparação com trocadores de calor.

Desenhos de patente para um regenerador rotativo, ilustrando a matriz em forma de tambor e as vedações que evitam a mistura das correntes.
LjungströmRotary regenerator.

Em um regenerador de matriz fixa , uma única corrente de fluido tem fluxo cíclico e reversível; diz-se que flui "contra-corrente". Este regenerador pode ser parte de um sistema sem válvulas , como um motor Stirling . Em outra configuração, o fluido é canalizado através de válvulas para diferentes matrizes em períodos de operação alternados, resultando em temperaturas de saída que variam com o tempo. Por exemplo, um alto-forno pode ter vários "fogões" ou "checkers" cheios de tijolos refratários. O gás quente da fornalha é canalizado através da alvenaria por algum intervalo, digamos uma hora, até que o tijolo atinja uma temperatura elevada. As válvulas então operam e alternam a entrada de ar frio através do tijolo, recuperando o calor para uso no forno. As instalações práticas terão fogões múltiplos e arranjos de válvulas para transferir gradativamente o fluxo entre um fogão "quente" e um fogão "frio" adjacente, de modo que as variações na temperatura do ar de saída sejam reduzidas.

Outro tipo de regenerador é chamado de trocador de calor regenerativo em microescala . Possui uma estrutura de grade multicamadas na qual cada camada é deslocada da camada adjacente por meia célula que tem uma abertura ao longo de ambos os eixos perpendiculares ao eixo do fluxo. Cada camada é uma estrutura composta de duas subcamadas, uma de material de alta condutividade térmica e outra de material de baixa condutividade térmica. Quando um fluido quente flui através da célula, o calor do fluido é transferido para os poços da célula e armazenado lá. Quando o fluxo de fluido inverte a direção, o calor é transferido das paredes das células de volta para o fluido.

Um terceiro tipo de regenerador é denominado regenerador " Rothemuhle ". Este tipo tem uma matriz fixa em forma de disco e fluxos de fluido são canalizados através de coifas rotativas. O regenerador Rothemuhle é usado como um pré-aquecedor de ar em algumas usinas de geração de energia. O design térmico deste regenerador é o mesmo de outros tipos de regeneradores.

Biologia

Usamos nosso nariz e garganta como um trocador de calor regenerativo quando respiramos. O ar mais frio que entra é aquecido, de modo que chega aos pulmões como ar quente. No caminho de volta para fora, esse ar aquecido deposita muito de seu calor de volta nas laterais das passagens nasais, de modo que essas passagens estão prontas para aquecer o próximo lote de ar que entra. Alguns animais, incluindo humanos, têm lençóis enrolados de osso dentro do nariz chamado conchas nasais para aumentar a área de superfície para troca de calor.

Criogenia

Os trocadores de calor regenerativos são compostos de materiais com alta capacidade volumétrica de calor e baixa condutividade térmica na direção longitudinal (fluxo). Em temperaturas criogênicas (muito baixas) em torno de 20 K , o calor específico dos metais é baixo e, portanto, um regenerador deve ser maior para uma determinada carga de calor.

Vantagens dos regeneradores

As vantagens de um regenerador em relação a um trocador de calor de recuperação (contrafluxo) é que ele tem uma área de superfície muito maior para um determinado volume, o que proporciona um volume de trocador reduzido para uma dada densidade de energia, eficácia e queda de pressão. Isso torna um regenerador mais econômico em termos de materiais e fabricação, em comparação com um recuperador equivalente.

O projeto de coletores de entrada e saída usados ​​para distribuir fluidos quentes e frios na matriz é muito mais simples em regeneradores de contrafluxo do que em recuperadores. A razão por trás disso é que ambos os fluxos fluem em seções diferentes para um regenerador rotativo e um fluido entra e sai de uma matriz por vez em um regenerador de matriz fixa. Além disso, os setores de fluxo para fluidos quentes e frios em regeneradores rotativos podem ser projetados para otimizar a queda de pressão nos fluidos. As superfícies da matriz dos regeneradores também possuem características de autolimpeza, reduzindo a corrosão e incrustação do lado do fluido. Finalmente, propriedades como pequena densidade superficial e arranjo de contrafluxo de regeneradores o tornam ideal para aplicações de troca de calor gás-gás que requerem eficácia superior a 85%. O coeficiente de transferência de calor é muito mais baixo para gases do que para líquidos, portanto, a enorme área de superfície em um regenerador aumenta muito a transferência de calor.

Desvantagens dos regeneradores

A principal desvantagem dos regeneradores rotativos e de matriz fixa é que sempre há alguma mistura dos fluxos de fluido e eles não podem ser completamente separados. Há uma transição inevitável de uma pequena fração de um fluxo de fluido para o outro. No regenerador rotativo, o fluido de transporte fica preso dentro da vedação radial e na matriz, e em um regenerador de matriz fixa, o fluido de transporte é o fluido que permanece no volume vazio da matriz. Esta pequena fração se misturará com a outra corrente no meio-ciclo seguinte. Portanto, os regeneradores rotativos e de matriz fixa são usados ​​apenas quando é aceitável que as duas correntes de fluido sejam misturadas. O fluxo misto é comum para aplicações de transferência de energia e / ou calor de gás para gás, e menos comum em líquidos ou fluidos de mudança de fase, uma vez que a contaminação do fluido é frequentemente proibida com fluxos líquidos.

O aquecimento e resfriamento constantes que ocorrem nos trocadores de calor regenerativos colocam muito estresse nos componentes do trocador de calor, o que pode causar rachaduras ou quebra de materiais.

Veja também

Referências