La importancia de la regeneración térmica

La mayoría de los procesos industriales necesitan energía, pero solo una parte de ese consumo energético se utiliza para cada proceso, como la pasteurización o la evaporación. La energía no utilizada se desperdicia, pero mediante el uso de intercambiadores de calor, es posible recuperar la mayor parte de dicha energía a través de la regeneración de calor residual.

La regeneración (o recuperación) de calor es el proceso mediante el cual el calor de un proceso que, de otro modo, se perdería o desperdiciaría, se recupera y se utiliza para calentar. La regeneración de calor no debe confundirse con los "intercambiadores de calor regenerativos", que son un tipo específico de intercambiador de calor en el que los fluidos del producto y del servicio fluyen alternativamente y el calor se almacena en la estructura del intercambiador.

En HRS, cuando hablan de regeneración de calor, se refieren a la recuperación de la mayor cantidad de calor excedente (o capacidad de enfriamiento) posible, después de que se haya realizado la función principal del intercambiador de calor.

La recuperación y reutilización del calor residual industrial es un concepto atractivo que podría reducir simultáneamente los costes energéticos y las emisiones de CO₂

Dada la importancia de la eficiencia energética en la reducción del uso de combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero (GHG), podemos afirmar que es imperativo emplear la regeneración y recuperación de calor en cada proceso. Como se ha señalado en una reciente publicación, "el uso del exceso de calor también podría ser importante para mejorar la viabilidad económica y de la huella climática de los nuevos procesos... evitando la adición de nueva capacidad de producción de calor". 

Beneficios de la regeneración térmica

La recuperación de calor mejora la eficiencia energética de los procesos de intercambio térmico, por lo que el mayor y más obvio beneficio de la regeneración de calor (recuperación) es que se demanda menos energía para un determinado proceso de calentamiento o refrigeración, lo que proporciona beneficios financieros, pero también es mejor para el medio ambiente, en comparación con los sistemas sin recuperación energética.

La reutilización del calor recuperado también reduce la cantidad de calor necesario para para ciertos procesos. Por ejemplo, si un material se precalienta con calor recuperado, se puede completar el calentamiento necesario (pasteurización) utilizando agua caliente de otra fuente o parte de la fábrica, en lugar de instalar una caldera exclusivamente para proporcionar el aumento de temperatura necesario.

Al aumentar la eficiencia energética del proceso de transferencia térmica, la recuperación de calor también permitir reducir el tamaño del equipo y el tiempo de procesamiento necesarios.

El proceso de la recuperación de calor

Un ejemplo lo podemos encontrar en los procesos de pasteurización de alimentos, donde los productos como las cremas deben calentarse a la temperatura necesaria para lograr la pasteurización y luego enfriarse rápidamente para mantener la vida útil y la calidad. Dichos sistemas implican el uso de dos intercambiadores de calor: uno usa agua caliente para elevar la temperatura, mientras que el segundo usa agua fría para enfriar la crema nuevamente. El proceso de enfriamiento produce agua tibia que puede desecharse, enfriarse para reutilizarse o enfriarse utilizando parte del calor contenido para precalentar la crema antes del proceso de pasteurización. Esta última opción aplica la recuperación de calor o la regeneración de calor, lo que reduce la cantidad de nueva energía requerida para las siguientes primeras fases de calentamiento.

Como otro ejemplo, muchas plantas de biogás utilizan intercambiadores de calor para pasteurizar el digestato producido durante el proceso de digestión anaeróbica (AD). El calor "excedente" que se genera después de que el sistema ha estado funcionando también se puede usar para precalentar el digestato, lo que reduce la carga de calor total y mejora la eficiencia general.

La recuperación de calor también se puede utilizar en aplicaciones gaseosas. Ya sea utilizando el calor de los gases de combustión procedentes de un motor de cogeneración (CHP) para precalentar el digestato, o un gran intercambiador de calor de gas a gas para capturar el calor residual del procesamiento químico, por lo que se puede aprovechar el calor presente en productos gaseosos o corrientes residuales.

Quizás el uso más común de la regeneración de calor se vea en los sistemas de evaporación de múltiples efectos, donde se combinan una serie de intercambiadores de calor, por ejemplo, en el Sistema de Concentración de Digestato HRS DCS. La primera etapa de evaporación calienta el digestato líquido y utiliza un separador ciclónico; el vapor producido en este primer ciclo (disponible a 70˚C) se usa posteriormente como medio de calentamiento para el segundo efecto, por lo que se repite el proceso. El vapor subsiguiente (disponible a unos 60˚C) se aplica después como medio de calentamiento para el tercer ciclo.

El número de efectos está determinado por el nivel de sólidos secos requerido y la cantidad de calor excedente disponible, hasta un máximo de cuatro ciclos. Tras la etapa final, el vapor se vuelve a condensar en agua y este calor se usa para precalentar el producto entrante antes de la primera etapa de evaporación. En total, el calor se regenera hasta cuatro veces en el proceso.

Otras consideraciones

Para determinar el valor potencial del calor residual y, por lo tanto, determinar para qué se puede utilizar, es necesario conocer una serie de parámetros sobre la temperatura del proceso, el producto y el medio de calentamiento (o refrigeración) que se utiliza, y el rendimiento del proceso de intercambio térmico, en términos de área de transferencia de calor y caudal. Por lo tanto, es importante considerar la regeneración o recuperación de energía lo antes posible. Los sistemas de recuperación de calor se pueden adaptar a muchos procesos, pero su diseño suele ser un compromiso y las soluciones adaptadas pueden implicar un exceso de tuberías y otras conexiones.

Para optimizar los beneficios de la regeneración de calor, es importante que el calor residual se transfiera al medio de almacenamiento (por ejemplo, agua o fluido de transferencia térmica, como el glicol) tan pronto como sea posible después de su origen. Esto suele pasar cuando el calor residual está en forma de gas, ya que presenta una constante de energía mucho mayor que el líquido, lo que significa que el calor se pierde mucho más rápido.

Si tenemos en cuenta todos estos factores, podremos calcular los costes de inversión adicionales asociados con la especificación de la regeneración de calor del proyecto, y los costes operaciones y energéticos, y, a partir de ahí, determinar el retorno de la inversión para el proyecto. Aunque los costes de capital pueden ser más altos, los beneficios financieros y ambientales a largo plazo harán que el uso de la regeneración de calor en proyectos de intercambiadores de calor sea muy atractivo.