BR112018013629B1

BR112018013629B1 - Trocador de calor evaporativo para resfriar ou condensar um fluido de processo

Info

Publication number: BR112018013629B1
Application number: BR112018013629-8A
Authority: BR
Inventors: Thomas W. Bugler
Original assignee: Evapco, Inc
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2022-05-24
Also published as: US20170198973A1; RU2721956C2; ZA201804764B; WO2017120603A1; CA3010855A1; RU2018123992A3; BR112018013629A2; US10288352B2; AU2017206116A1; AU2017206116B2; RU2018123992A; US20200132377A1; MX2018008463A; CA3010855C

Abstract

A presente invenção refere-se a resfriadores de circuito fechado de tubo elíptico aletado espiral e condensadores de refrigerante evaporativos, nos quais o fluxo de ar que entra na unidade é direcionado para fluir através dos tubos em uma direção que é paralela aos eixos geométricos de tubo e geralmente perpendicular às aletas produz um ganho em capacidade completamente inesperado de 25% comparado com unidades comparáveis nas quais o fluxo de ar é direcionado atravessado/perpendicular aos eixos geométricos de tubo.

Description

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A presente invenção refere-se a resfriadores de circuito fechado e condensadores de refrigerante evaporativos.

DESCRIÇÃO DOS FUNDAMENTOS

[0002] Tanto os resfriadores de circuito fechado evaporativos quanto condensadores de refrigerante evaporativos utilizam trocadores de calor para transferir calor de um fluido ou refrigerante interno indiretamente para um fluido circulante externo que é usualmente água. A água circulante, por sua vez, transfere calor e massa diretamente para o ar. O fluxo de ar é induzido ou forçado através do trocador de calor através de um dispositivo motriz tal como um ventilador. O trocador de calor, na tecnologia estabelecida, consiste em múltiplos tubos em serpentina que estão conectados no fluxo de fluido ou refrigerante principal através de conjuntos de cabeçote. A capacidade térmica destes resfriadores e condensadores é uma função da taxa de fluxo de ar de massa assim como os coeficientes de transferência de calor interno e externo da serpentina de trocador de calor.

[0003] Um avanço da tecnologia anterior, em relação aos tubos nus redondos originais, aperfeiçoa a taxa de fluxo de ar de massa mudando a forma de tubo redonda para elíptica, com o eixo geométrico longo da elipse paralelo à direção de fluxo de ar (Patente US Número 4.755.331). Como a elipse é mais aerodinamicamente formada do que o tubo redondo, a resistência ao fluxo de ar é reduzida, o fluxo de ar é subsequentemente aumentado, e, por meio disto, a capacidade térmica é aumentada.

[0004] Outro aperfeiçoamento da tecnologia anterior mudou os ângulos do eixo geométrico longo da elipse em um padrão alternado, esquerdo e direito. A capacidade de rejeição de calor térmica de cada tubo aumenta com o padrão inclinado o que também resulta em um maior espaçamento entre os tubos. Isto efetivamente reduz o custo reduzindo o número de tubos requeridos para conseguir a mesma capacidade de rejeição de calor do tubo verticalmente posicionado.

[0005] Outro avanço tecnológico anterior e significativo coloca aletas espirais sobre os tubos elípticos do trocador de calor em um espaçamento e altura de aleta específicos. Este avanço aumenta a capacidade térmica total do trocador de calor por uma quantidade muito significativa. As aletas estão espaçadas ao longo do comprimento dos tubos de modo a aumentar os coeficientes de transferência de calor térmicos sem aumentar a resistência ao fluxo de ar. Como este avanço tecnológico também estende a quantidade total de superfície de transferência de calor este permite conservação de água e redução de nuvem visível através de uma operação seca parcial ou completa em temperaturas de ar ambientais reduzidas.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0006] Todos os resfriadores e condensadores que utilizam as aletas espirais sobre os elípticos ou puxam ou empurram o ar para dentro do plenum sob a espiral ou do lado (perpendicular ao eixo geométrico de tubo e paralelo ao eixo geométrico longitudinal das aletas) ou de todos os lados. Apesar de parecer contraintuitivo, foi agora descoberto que orientando o fluxo de ar que entra no plenum de calor para ser paralelo aos tubos (perpendicular ao eixo geométrico de aleta), um ganho adicional em capacidade térmica é realizado. Resultados de testes iniciais mostram que orientando o fluxo de ar de modo que este entra no plenum de uma direção que é paralela ao eixo geométrico de tubo e perpendicular ao eixo geométrico de aleta produz um ganho total em capacidade de 25% comparado com quando o fluxo de ar de entrada de ar é perpendicular ao eixo geométrico de tubo e paralelo ao eixo geométrico de aleta. Este ganho de capacidade adicional devido à orientação das espiras em relação à direção de ar de entrada foi altamente inesperado.

[0007] Dispor o ventilador, espiras, e faces de entrada de ar para fazer com que o fluxo de ar entre no plenum de uma direção paralela ao eixo geométrico de tubo / perpendicular ao eixo geométrico de aleta pode ser feito em diversos modos, dependendo do tipo de ventilador e tipo de unidade.

[0008] Por exemplo, o resfriador ou condensador de contrafluxo de corrente de ar induzida de ventilador axial, para uma única unidade de célula, aspira ar para dentro do plenum de todos os quatro lados. Para produzir o resultado de aperfeiçoamento desejado para esta unidade, as espiras permanecem na mesma orientação, com os tubos de trocador de calor correndo paralelo aos dois lados longos da unidade e perpendiculares a dois lados curtos da unidade. Para obter o fluxo de ar de entrada principalmente paralelo ao eixo geométrico de tubo, as entradas de ar estão providas somente sobre as duas faces de entrada de ar que são o lado curto da unidade, os lados com as extremidades de tubo. Em uma unidade que já foi construída, as entradas de ar sobre os lados longos (os lados que são paralelos ao comprimento dos tubos de trocador de calor) são vedadas, deixando as entradas de ar abertas sobre os dois lados curtos restantes. Esta disposição faz com que todo o ar que entra no plenum da unidade entre de uma direção que é paralela aos eixos geométricos de tubo de trocador de calor e perpendicular ao eixo geométrico longitudinal das aletas. De modo a acomodar o fluxo de ar aumentado através dos lados que faceiam as extremidades de tubo sem aumentar a perda de pressão significativamente, a altura das aberturas de entrada de ar pode ser aumentada, aumentando a área de seção transversal de entrada de ar e reduzindo a velocidade de entrada de ar para um nível desejado. Uma vantagem adicional desta disposição é que as unidades podem ser posicionadas como múltiplas células com os lados fechados lado a lado sem penalidade. É notado que as designações de lado "longo" e "curto" na descrição acima pretendem designar o lado da unidade que é paralelo ao comprimento de tubo ("longo") e o lado da unidade que faceia as extremidades de tubo ("curto"), respectivamente. No caso de uma unidade que é substancialmente quadrada no plano, a invenção é conseguida provendo entradas de ar para o plenum sobre somente os dois lados da unidade que faceiam as extremidades de tubo.

[0009] Existem diversas possibilidades adicionais para uma unidade corrente de ar forçada com ventiladores ou axiais ou centrífugos todos de um lado. Em uma primeira modalidade, as espiras estão giradas 90 graus de modo que o eixo geométrico de tubo de trocador de calor fique paralelo à direção de fluxo de ar que entra no plenum. Para outra modalidade, os ventiladores são colocados sobre ou uma ou ambas extremidades curtas. Em uma terceira modalidade, uma disposição de duas células, costas com costas tem espiras que são giradas 90 graus em relação a uma orientação padrão, mas estas espiras correm totalmente através da largura de ambas as células de modo que espiras mais longas poderiam ser utilizadas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0010] Figura 1 é uma unidade de célula única de corrente de ar induzida da técnica anterior.

[0011] Figura 2 é uma vista em corte de uma unidade de célula única de corrente de ar induzida da técnica anterior.

[0012] Figura 3 é uma vista em corte de uma unidade de célula única de corrente de ar induzida de acordo com uma modalidade da invenção.

[0013] Figura 4 é uma unidade de célula única de corrente de ar forçada induzida da técnica anterior com ventiladores axiais sobre um lado.

[0014] Figura 5 é uma vista em corte de uma unidade de célula única de corrente de ar forçada induzida da técnica anterior com ventiladores axiais sobre um lado.

[0015] Figura 6 é uma vista em corte de uma unidade de corrente de ar forçada com ventiladores axiais todos sobre um lado de acordo com uma modalidade da invenção.

[0016] Figura 7 é uma vista em corte de uma unidade de corrente de ar forçada com ventiladores axiais todos sobre um lado de acordo com outra modalidade da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0017] A Figura 3 mostra um resfriador evaporativo de célula única de corrente de ar induzida de acordo com uma primeira modalidade da invenção. No topo da unidade está o ventilador o qual aspira ar para dentro da unidade e força-o para fora do topo da unidade. Abaixo do ventilador (não mostrado) está um sistema de distribuição de água que distribui água sobre a espira de tubo. A espira de tubo é feita de uma rede de tubos elípticos em serpentina com aletas espirais. Cada comprimento do tubo está conectado nas suas extremidades a um comprimento de tubo mais alto e/ou mais baixo por uma curva de tubo. O fluido de processo a ser resfriado entra nos tubos através de um cabeçote de entrada e sai dos tubos através de um cabeçote de saída. Sob a espira de tubo está o plenum, onde o ar entra na unidade e a água que é fornecida para a unidade através do sistema de distribuição de água é resfriada através de troca de calor direta com o ar, acumula no fundo e recirculada para o topo através do sistema de recirculação de água, não mostrado. Enquanto que nas unidades da técnica anterior, as entradas de ar eram providas sobre todos os quatro lados do plenum permitindo que o ventilador aspirasse o ar para dentro do plenum e para dentro da espira de tubo de todas as quatro direções. De acordo com a invenção, no entanto, nenhuma entrada de ar está provida sobre os lados do plenum que são paralelos ao eixo geométrico longitudinal dos comprimentos de tubo, e entradas de ar estão somente providas sobre os lados do plenum que estão sob as extremidades de tubo / curvas de tubo. Os inventores inesperadamente descobriram que provendo as entradas de ar somente nas extremidades do plenum sob as extremidades de tubo e não permitindo o ar entrar no plenum dos lados que são paralelos aos eixos geométricos longitudinais dos tubos, a capacidade da unidade pode ser surpreendentemente aumentada em 25%.

[0018] De acordo com uma modalidade alternativa, os dispositivos de corrente de ar induzida da técnica anterior (especificamente, resfriadores evaporativos com tubo elíptico com aletas espirais, ver Figuras 1 e 2) podem ser modificados de acordo com a invenção vedando as entradas de ar sobre os lados da unidade que são paralelos ao eixo geométrico longitudinal dos tubos. Mesmo reduzindo a área de superfície das entradas de ar por mais de 50%, foi surpreendentemente descoberto que modificando os dispositivos da técnica anterior como discutido a capacidade das unidades aumentou em 25%.

[0019] Referindo à Figura 5, um resfriador evaporativo de corrente de ar forçada da invenção tem, do topo para baixo, um sistema de distribuição de água (não mostrado), seguido pela espira de tubo, seguida pelo plenum. A espira de tubo é feita de uma rede de tubos elípticos em serpentina com aletas espirais. Cada comprimento de tubo está conectado em suas extremidades a um comprimento de tubo mais alto e/ou mais baixo adjacente por uma curva de tubo. O fluido de processo a ser resfriado entra nos tubos através de um cabeçote de entrada e sai dos tubos através de um cabeçote de saída. Sob a espira de tubo está o plenum, onde o ar entra na unidade e resfria a água que flui sobre as espiras, fornecida através do sistema de distribuição de água. A água acumula no fundo do plenum e é recirculada para o topo através do sistema de recirculação de água, não mostrado. Um ventilador axial ou centrífugo está situado sobre um lado do plenum sob a extremidades de tubo de modo a forçar o ar para dentro do plenum em uma direção que é paralela ao eixo geométrico longitudinal dos comprimentos de tubo. Como com os resfriadores evaporativos de corrente de ar induzida da invenção, os resfriadores evaporativos de corrente de ar forçado da invenção, nos quais o ar é forçado para dentro do plenum em uma direção que é paralela ao eixo geométrico longitudinal de comprimentos de tubo elíptico aletado espiral aumenta a capacidade do dispositivo em 25% se comparado com forçar o ar para dentro do plenum em uma direção que é perpendicular ao eixo geométrico longitudinal dos comprimentos de tubo (Figura 4).

[0020] De acordo com outra modalidade da invenção, mostrada na Figura 6, a orientação da espira de tubo em uma unidade de corrente de ar forçada pode ser girada a 90 graus em relação à orientação em resfriador evaporativo de corrente de ar forçada da técnica anterior com uma espira de tubo elíptico aletado espiral (Figura 4) de modo que as extremidades de tubo fiquem alinhadas através do eixo geométrico longitudinal da unidade, acima da localização dos ventiladores axiais / centrífugos. De acordo com esta disposição, os ventiladores forçam o ar para dentro do plenum em uma direção que é paralela ao eixo geométrico longitudinal dos tubos, novamente com o resultado altamente inesperado de aumentar a capacidade do dispositivo em 25%.

[0021] Referindo à Figura 7, de acordo com uma modalidade adicional da invenção, um segundo conjunto de ventiladores pode ser colocado sobre um lado do plenum oposto a um primeiro conjunto de ventiladores em um resfriador evaporativo de ar forçado com tubos elípticos aletados espirais nos quais a espira de tubo é girada 90 graus em relação à orientação da espira de tubo em resfriador evaporativo de corrente de ar forçada da técnica anterior. De acordo com esta modalidade, os eixos geométricos longitudinais dos tubos estão orientados perpendiculares ao eixo geométrico longitudinal da unidade, e um ou mais ventiladores estão situados sob cada conjunto de extremidades de tubo, forçando o ar para dentro do plenum em uma direção que é paralela aos eixos geométricos longitudinais dos tubos, inesperadamente aumentando a capacidade da unidade em 25%.

Claims

1. Trocador de calor evaporativo para resfriar ou condensar um fluido de processo, caracterizado pelo fato de que consiste essencialmente em: uma seção de troca de calor evaporativa indireta; uma seção de troca de calor direta situada sob a seção de troca de calor evaporativa indireta; um sistema de distribuição de água localizado acima da seção de troca de calor evaporativa indireta e configurado para pulverizar água sobre a seção de troca de calor evaporativa indireta; a seção de troca de calor evaporativa indireta compreendendo um cabeçote de entrada de fluido de processo e um cabeçote de saída de fluido de processo, e uma rede tubos em serpentina que conectam o dito cabeçote de entrada e o dito cabeçote de saída, os ditos tubos em serpentina tendo uma seção transversal elíptica com aletas espirais; os ditos tubos em serpentina ainda tendo comprimentos que se estendem ao longo de um eixo geométrico longitudinal, os ditos comprimentos conectados a comprimentos adjacentes de um mesmo tubo em serpentina por curvas de tubo; a dita seção direta compreendendo um plenum onde a água distribuída pelo dito sistema de distribuição de água e tendo recebido calor da dita seção de troca de calor evaporativa indireta é resfriada por contato direto com o ar que se move através do dito plenum; um sistema de recirculação de água, que inclui uma bomba e tubos, configurado para pegar a água que se acumula e um recipiente no fundo do dito plenum e fornecê-la para o dito sistema de distribuição de água; um movedor de ar configurado para mover o ar ambiente para dentro do dito plenum e para cima através da dita seção de troca de calor evaporativa indireta; em que o dito trocador de calor evaporativo está configurado, de modo que o ar é movido pelo dito movedor de ar para dentro do dito plenum em uma direção que é paralela ao dito eixo geométrico longitudinal dos ditos comprimentos de tubo e perpendicular aos eixos geométricos longitudinais das ditas aletas espirais.

2. Trocador de calor evaporativo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que substancialmente todo o fluxo de ar acionado pelo dito movedor de ar para dentro da dita seção de troca de calor evaporativa indireta flui primeiro através do dito plenum.

3. Trocador de calor evaporativo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito movedor de ar é um ventilador, e o dito trocador de calor evaporativo é um dispositivo de corrente de ar induzida, e o dito ventilador está localizado acima do dito sistema de distribuição de água, e está configurado para aspirar ar do exterior do dito dispositivo para dentro do dito plenum e para cima através da dita seção de troca de calor evaporativa indireta.

4. Trocador de calor evaporativo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que lados do dito plenum paralelos aos ditos comprimentos de tubo são vedados para impedir uma substancial entrada de ar.

5. Trocador de calor evaporativo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito movedor de ar é um ventilador, e o dito trocador de calor evaporativo é um dispositivo de corrente de ar forçada, e o dito ventilador está localizado em um lado do dito plenum que está sob as ditas curvas de tubo.

6. Trocador de calor evaporativo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito eixo geométrico longitudinal dos ditos comprimentos de tubo é perpendicular a um eixo geométrico longitudinal do dito trocador de calor evaporativo.

7. Trocador de calor evaporativo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito ventilador está configurado para aspirar ar do exterior do dito dispositivo e forçá-lo para dentro do dito plenum em uma direção que é paralela ao dito eixo geométrico longitudinal dos ditos comprimentos de tubo e perpendicular aos eixos geométricos longitudinais das ditas aletas espirais.

8. Trocador de calor evaporativo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que substancialmente todo o fluxo de ar que entra na dita seção de troca de calor evaporativa indireta é fornecido pelo dito ventilador.

9. Trocador de calor evaporativo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que substancialmente nenhum ar entra no dito plenum exceto através do dito ventilador.

10. Trocador de calor evaporativo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito movedor de ar é um primeiro ventilador e um segundo ventilador, o dito primeiro ventilador localizado em um lado do dito plenum que está sob um conjunto de curvas de tubo em uma primeira extremidade dos ditos comprimentos de tubo, o dito segundo ventilador localizado em um lado do dito plenum que está sob um conjunto de curvas de tubo em uma segunda extremidade dos ditos comprimentos de tubo.

11. Trocador de calor evaporativo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que os ditos ventiladores estão configurados para aspirar ar do exterior do dito dispositivo e forçá- lo para dentro do dito plenum em uma direção que é paralela ao dito eixo geométrico longitudinal dos ditos comprimentos de tubo e perpendicular aos eixos geométricos longitudinais das ditas aletas espirais.