ES2226030T3 - Procedimiento y dispositivo para mejorar la transmision del calor. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN METODO PARA MEJORAR LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN UN INTERCAMBIADOR TERMICO, EN EL QUE LOS ELEMENTOS DE INTERCAMBIO DE CALOR (1, 8) ESTAN BAÑADOS POR UN MEDIO CALORICO Y CEDEN EL CALOR A UN FLUIDO QUE SE HALLA EN CONTACTO CON ELLOS EN EL INTERIOR (3) DEL INTERCAMBIADOR TERMICO. EL FLUIDO QUE DISCURRE EN EL INTERIOR (3) ENTRE LOS ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADOR TERMICO SE CALIENTA LOCALMENTE POR MEDIO DE UNOS ELEMENTOS TERMICOS (2, 9) ADICIONALES HASTA UNA TEMPERATURA TAL, QUE DENTRO DEL FLUIDO APAREZCAN BURBUJAS DE EBULLICION SOBRE LA SUPERFICIE DE DICHOS ELEMENTOS TERMICOS ADICIONALES (2, 9). LAS BURBUJAS DE VAPOR FORMADAS ASCIENDEN ENTRE LOS ELEMENTOS REGULARES DEL INTERCAMBIADOR TERMICO (1, 8) EN EL INTERIOR (3). A TAL FIN SE HA PREVISTO UN REFRIGERADOR DE EVAPORACION CON ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADOR TERMICO (1, 8) DISPUESTOS EN SENTIDO HORIZONTAL Y SUPERPUESTOS VERTICALMENTE, ASI COMO UN RECIPIENTE QUE CONTIENE LA CAVIDAD INTERIOR (3) DE LOS ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADOR TERMICO (1, 8). POR DEBAJO DE LOS ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADOR TERMICO (1, 8), PREFERIBLEMENTE EN EL TERCIO INFERIOR DE LA INSTALACION VERTICAL, ESTAN COLOCADOS ELEMENTOS TERMICOS (2, 9) ADICIONALES CONECTADOS CON UN CIRCUITO DE CALENTAMIENTO INDEPENDIENTE DE LOS ELEMENTOS DEL INTERCAMBIADOR TERMICO (1, 8).

Description

Procedimiento y dispositivo para mejorar la transmisión del calor.

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para mejorar la transmisión del calor en un intercambiador de calor, en el cual son recorridos por un medio de calefacción los elementos para el intercambio térmico y desprenden su calor a un líquido que está en contacto con los mismos, que se encuentra en el recinto de la camisa del intercambiador de calor. La invención se refiere a un procedimiento para mejorar la transmisión del calor en la superficie de los planos de calefacción (ebullición en cuba). En el caso de pequeñas densidades de flujo térmico o bien en el caso de pequeños recalentamientos de la pared, en los cuales no tiene lugar una evaporación en forma de burbujas sobre la superficie de los elementos de calefacción. En un caso de éste tipo se transmite el calor en la superficie de los elementos de calefacción únicamente mediante convección libre, siendo mala la transmisión del calor, según las experiencias.

La evaporación de líquidos sobre una superficie de calefacción se lleva a cabo en cubas de evaporación sobre paredes de calefacción planas dispuestas de manera horizontal o vertical así como sobre la superficie de haces tubulares. El calentamiento de los elementos de calefacción puede llevarse a cabo bien con un fluido o por medio de energía eléctrica o nuclear (véase por ejemplo la publicación VDI-Wärmeatlas, 4ª edición, parte Ha). El proyecto de tales aparatos se lleva a cabo con ayuda de procedimientos de cálculo conocidos o mediante ensayos. En el caso de un recalentamiento suficientemente elevado de la pared tiene lugar sobre la superficie de las paredes de calefacción la evaporación en forma de burbujas. En éste caso el coeficiente de transmisión térmica es, según las experiencias, relativamente elevado y la superficie de calefacción necesaria es relativamente pequeña con una potencia prefijada del aparato. En el caso de diferencias de temperatura entre la superficie de los elementos intercambiadores de calor y la temperatura de ebullición del líquido circundante, que sean menores que 20ºC, preferentemente menores que 2 a 10ºC, normalmente no tiene lugar una evaporación en forma de burbujas sobre las paredes de calefacción. El calor se transmite, en un caso de éste tipo, únicamente mediante conducción térmica y mediante convección. El coeficiente de transmisión térmica sobre las superficies intercambiadoras de calor es relativamente pequeño en un caso de éste tipo de tal manera, que las superficies de calefacción necesarias y el volumen del aparato tienen que dimensionarse de una manera relativamente grande.

En la tecnología del frío se emplean haces tubulares horizontales en el caso de pequeñas diferencias entre la temperatura de la pared caliente y la temperatura de ebullición del fluido, que son rociados con el agente de refrigeración a ser evaporado (véase por ejemplo la publicación de R. Billet: "Verdampfung und ihre technischen Anwendungen", Verlag Chemie (1983)). Para evitar puntos secos sobre los tubos, la cantidad rociada tiene que ser mayor que la cantidad de líquido evaporada. En general se rebombea varias veces el agente de refrigeración con ayuda de una bomba. Según las experiencias las bombas están sometidas a un desgaste por rozamiento. Además deben tener un nivel de admisión correspondiente en el caso en el que se harán circular líquidos a ebullición.

Se conoce por la publicación US 4 050 507 un procedimiento para la transmisión térmica mejorada sobre las paredes de una unidad electrónica, por ejemplo de un circuito integrado semiconductor, en el cual se han dispuesto elementos de calefacción adicionales en o en las proximidades del extremo inferior de las paredes para la transmisión del calor. Sobre los elementos de calefacción adicionales se presenta una ebullición con formación de burbujas. Las burbujas ascendentes mejoran así la transmisión de calor sobre las paredes de la unidad electrónica.

La invención tiene como tarea mejorar considerablemente la transmisión del calor en el caso de pequeñas diferencias de temperatura entre la superficie de los elementos intercambiadores de calor y la temperatura de ebullición del líquido circundante (bajo recalentamiento de la pared) o, correspondientemente, bajas densidades de flujo térmico en las superficies para el intercambio térmico. Se entenderán por "bajas diferencias de temperatura" en éste caso (es decir en el ámbito de la invención) recalentamientos de la pared tan pequeños que no tenga lugar sobre la superficie de los elementos intercambiadores de calor una evaporación con formación de burbujas.

La tarea se resuelve por medio de las características de la reivindicación 1 o bien de la reivindicación 4.

Las burbujas formadas fluyen entre los restantes elementos de calefacción, sobre los cuales no tiene lugar una evaporación con formación de burbujas, hacia arriba. Mediante las burbujas ascendentes se aumenta la convección y, de éste modo, se mejora la transmisión del calor sobre todos los elementos intercambiadores de calor. Las burbujas de vapor se desprenden sobre las superficies para el líquido. El líquido exento de burbujas, que tiene una densidad mayor que el líquido que contiene burbujas entre los elementos de calefacción, fluye hacia abajo fuera de los elementos de calefacción. De éste modo se genera en el recipiente una corriente de recirculación.

En éste caso la diferencia de temperatura \DeltaT_{H} entre la superficie de los elementos adicionales y la temperatura de ebullición del líquido circundante es mayor que 10ºC y, de forma especialmente preferente, mayor que 20ºC.

El calentamiento de los elementos de calefacción adicionales puede llevarse a cabo, ventajosamente, eléctricamente o con líquidos, gases o vapores condensados a modo de agente de calefacción. En éste caso se utiliza como agente de calefacción cloro gaseoso, condensado en los elementos de calefacción adicionales.

El procedimiento según la invención se lleva a cabo en un intercambiador de calor para la condensación de vapores de cloro que contienen gases inertes, en el cual el líquido, que se encuentra en el recinto de la camisa, está constituido igualmente por cloro líquido y el intercambiador de calor se hace trabajar en combinación con el recinto de la camisa a modo de recuperador de cloro. En éste caso se alimenta en continuo cloro líquido al recinto de la camisa, que se evapora debido a la energía térmica aportada al intercambiador de calor y se descarga en continuo, a su vez, cloro gaseoso, mientras que se alimenta cloro gaseoso a los elementos intercambiadores de calor a modo de medio de calefacción, que se condensa, al menos parcialmente a su paso a través de los elementos intercambiadores de calor, que actúan como refrigeradores por evaporación para el cloro gaseoso y se descarga en continuo en forma de cloro licuado.

El dispositivo para la realización del procedimiento anteriormente descrito parte de un refrigerador por evaporación con elementos intercambiadores de calor dispuestos verticalmente de manera superpuesta, que se extienden en la dirección horizontal y de un recipiente que incluye los elementos intercambiadores de calor, que forma un recinto de la camisa y que se caracteriza según la invención porque se han dispuesto elementos de calefacción adicionales por debajo de los elementos intercambiadores de calor o entre los mismos, preferentemente en el tercio inferior de la disposición vertical, que están en conexión con un circuito cerrado de medio de calefacción, separado de los elementos intercambiadores de calor.

Preferentemente los elementos intercambiadores de calor están constituidos en éste caso por tubos dispuestos paralelamente al eje del recipiente.

Alternativamente los elementos intercambiadores de calor pueden estar constituidos también por placas huecas dispuestas paralelamente al eje del recipiente con superficies intercambiadoras de calor orientadas verticalmente.

Como elementos de calefacción adicionales se emplearán, convenientemente, varillas de calefacción, eléctricamente calentables, dispuestas paralelamente con respecto al eje del recipiente o tubos recorridos por un medio de calefacción.

Se ha acreditado de una forma especialmente buena una realización en la cual se han dispuesto chapas conductoras a ambos lados de los elementos intercambiadores de calor para favorecer una corriente de recirculación análoga a la de un reactor de reciclo, que limitan un recinto de circulación, que contiene los elementos intercambiadores de calor con flujo ascendente y un recinto de circulación, formado fuera de los elementos intercambiadores de calor, con flujo descendente.

En los evaporadores en los que no tiene lugar una evaporación en forma de burbujas sobre las superficies de los elementos de calefacción como consecuencia de una pequeña diferencia de temperatura entre las superficies y la temperatura de ebullición del fluido limítrofe, puede mejorarse considerablemente la transmisión del calor en el conjunto del aparato por medio de los elementos adicionales descritos.

Se ha observado que ya un número limitado de elementos de calefacción adicionales es suficiente para mejorar, bajo condiciones por lo demás idénticas, los coeficientes medios de transmisión del calor de un haz tubular en un múltiplo con respecto al caso de la convección libre sin formación de burbujas. La superficie de calefacción necesaria y el volumen del aparato pueden reducirse considerablemente con ayuda de éstas medidas. Los calentamientos adicionales, descritos, son adecuados tanto para evaporadores con haces tubulares horizontales como también para elementos en forma de placas ordenados verticalmente.

A continuación se describe la invención con mayor detalle por medio de ejemplos de realización y de los dibujos. Muestran:

la figura 1 un intercambiador de calor con calefacción adicional, en el cual los elementos intercambiadores de calor están constituidos por tubos dispuestos horizontalmente,

la figura 2 un intercambiador de calor con calefacción adicional, en el cual los elementos intercambiadores de calor están constituidos por placas huecas dispuestas verticalmente y

la figura 3 un esquema de flujos para el funcionamiento de un recuperador de cloro.

En el evaporador, dibujado en sección transversal en la figura 1, debe licuarse en los tubos 1 cloro que contiene gases inertes a una presión de aproximadamente 5,3 bar_{abs}. La temperatura máxima para la condensación es de +11ºC y disminuye a medida que aumenta la cantidad licuada, puesto que aumenta la proporción de los gases inertes. En el recinto de la camisa 3 del evaporador (es decir en el recinto comprendido entre los tubos 1) se evapora el cloro licuado. La presión sobre el cloro líquido es aproximadamente de 3,4 bar_{abs}. La temperatura media de ebullición en el recinto de la camisa del haz tubular es aproximadamente desde -1 hasta -2ºC. El cloro, no condensado en los tubos 1, se licúa adicionalmente en intercambiadores de calor conectados aguas abajo (no dibujado). Con ésta pequeña diferencia de temperaturas entre el cloro condensado y el cloro en evaporación no tiene lugar una evaporación con burbujas sobre las paredes de los tubos. Por debajo del haz tubular o bien en la zona inferior del haz tubular se calientan externamente ahora algunos de los tubos 2, por ejemplo con un agente de refrigeración comprimido procedente de los condensadores conectados aguas abajo o con agua caliente a modo de medio de calefacción. En éste caso se elegirá la temperatura del agente de calefacción tan elevada que la diferencia de temperaturas \DeltaT_{H} entre la superficie de éstos elementos de calefacción adicionales y la temperatura de ebullición del líquido circundante sea tan elevada, que se produzca en la superficie de los elementos de calefacción adicionales la evaporación con formación de burbujas (ebullición con burbujas). Esto ocurre normalmente en el caso de recalentamientos de la pared mayores que 5 hasta 10ºC, preferentemente mayores que 20ºC. Las burbujas de vapor (vapor M_{d}) ascienden entre los tubos 1 del haz tubular del intercambiador de calor y se desprenden en la superficie del líquido 4. El líquido exento de burbujas o bien pobre en burbujas 5 (corriente M_{u}) fluye hacia abajo en la camisa del aparato 6 y el haz tubular. Para favorecer (para mejorar) éste flujo de recirculación se han dispuesto entre el haz tubular, constituido por los tubos 1, y la camisa del aparato 6, chapas conductoras 7.

En el caso del evaporador, mostrado en la figura 2, con elementos intercambiadores de calor en forma de placas 8 (placas huecas) se han dispuesto por debajo de éstos elementos, elementos de calefacción adicionales constituidos por tubos 9, de manera análoga a la de la realización según la figura 1, que se calientan eléctricamente o con un medio de calefacción a una temperatura tan elevada que tenga lugar nuevamente sobre sus superficies una evaporación con formación de burbujas. El vapor formado 3 (corriente M_{d}) asciende, como en el caso de los ejemplos anteriormente descritos, entre los elementos 8 y se desprende en la superficie del líquido 10. El líquido exento de burbujas o bien pobre en burbujas 5 (corriente M_{u}) fluye hacia abajo en el recinto intermedio comprendido entre la pared del recipiente 11 y los elementos de calefacción externos. Para mejorar el flujo de recirculación, que resulta de ello, se han dispuesto en el recinto de la camisa una o varias chapas conductoras 12.

Los elementos de calefacción adicionales 2 (en la figura 1) o bien 9 (en la figura 2) pueden estar dispuestos también en la parte inferior de los elementos intercambiadores de calor 1 (es decir dentro del haz de tubos) o bien 8 (es decir entre las placas huecas). Se entenderá en éste caso por "parte inferior" aproximadamente el 1/3 de la altura total del haz tubular o bien de las placas huecas dispuestas verticalmente. El agente de calefacción se alimenta en ambos casos a través de un circuito cerrado de calefacción separado de los elementos regulares intercambiadores de calor 1 o bien 8.

La figura 3 muestra un intercambiador de calor 13 para la licuación/evaporación recuperativa de vapores puros y de vapores que contienen gases inertes (por ejemplo cloro) y un sistema de refrigeración 14 conectado con el mismo, que se ha realizado por ejemplo con una o con varias etapas y que sirve para la condensación adicional de vapores procedentes de los gases residuales 15, que no se condensan en el intercambiador de calor 13. Como ejemplo de un recuperador con calefacción adicional se ha representado un intercambiador de calor con un haz tubular 16 desmontable, horizontal. A través de la tubuladura 17 llega cloro que contiene gases inertes 18 hasta el recuperador. En el ejemplo esquematizado, ésta mezcla de cloro y de gases inertes fluye en primer lugar a través de los tubos superiores del haz tubular 16 y tras inversión en la cámara de inversión 19 recorre los tubos inferiores. El cloro 27, condensado en los tubos abandona el intercambiador de calor 13 o bien el recuperador a través de la tubuladura 20 y se descarga hasta un depósito 21. La mezcla de cloro y de gases inertes 15, que no se condensa en el intercambiador de calor 13, abandona el intercambiador de calor 13 a través de la tubuladura 22. En el sistema intercambiador de calor 14 se separa por condensación otra parte del cloro. El cloro 23, licuado en el sistema intercambiador de calor 14 abandona el intercambiador de calor 14 a través de la tubuladura 24 y se envía convenientemente también hasta el depósito 21. Los gases residuales 24, no licuados en el sistema intercambiador de calor 14 se separan a través de la tubuladura 25. Como medio de refrigeración 26, para el sistema intercambiador de calor 14, pueden emplearse, por ejemplo, agua, frigenos a ebullición o cloro a ebullición a una presión menor que en el recinto de la camisa del recuperador 13. Para la refrigeración de la mezcla gaseosa formada por vapor y gases inertes 18 se evapora el gas licuado 27 o bien 28 en el recinto de la camisa del intercambiador de calor 13 a una presión que es menor que la presión de la corriente de producto 18. A partir del depósito 21 llega cloro líquido 28, pasando por una válvula de estrangulación 29, hasta el recinto de la camisa del intercambiador de calor 13. La cantidad de la fase líquida, que se encuentra en el recuperador (cloro líquido) 28 se regula con ayuda del nivel de líquido 30 en el recinto de la camisa en el intercambiador de calor 13. El vapor 31, formado en el recinto de la camisa del intercambiador de calor 13 recorre además, convenientemente, un separador de gotas 32. El vapor 31 abandona entonces el intercambiador de calor 13 a través de la tubuladura 33.

El calentamiento adicional, necesario para la generación de la ebullición con formación de burbujas en el intercambiador de calor 13 se lleva a cabo en éste caso por medio de tubos en forma de horquilla 34, que son recorridos por un líquido de calefacción 35 o por un vapor condensado, a modo de medio de calefacción, que está constituido convenientemente por el agente de refrigeración 26 evaporado en el sistema intercambiador de calor 14 y comprimido a continuación. Puesto que la corriente másica 28, que abandona el depósito 21, es, en general, menor que la suma de las corrientes másicas 27 y 23, se envía el exceso 36 por ejemplo a un depósito para cloro líquido.

Claims (8)

1. Procedimiento para mejorar la transmisión del calor en un intercambiador de calor, en el cual los elementos intercambiadores de calor son recorridos por un medio de calefacción y desprenden su calor en un líquido, que se encuentra en el recinto de la camisa del intercambiador de calor, que está en contacto con los mismos, que circunda los elementos intercambiadores de calor, caracterizado porque el intercambiador de calor (13) se hace trabajar en conexión con el recinto de la camisa a modo de recuperador de cloro, alimentándose al recinto de la camisa cloro licuado (28) en continuo, que se evapora debido a la energía térmica aportada por el intercambiador de calor (13) y se descarga de nuevo en continuo en forma de cloro gaseoso (15), mientras que se alimenta a los elementos intercambiadores de calor (16) cloro gaseoso (18) a modo de medio de calefacción, que se condensa, al menos parcialmente durante su recorrido a través de los elementos intercambiadores de calor (16), que actúan como refrigerantes por evaporación para el cloro gaseoso (18) y se descarga en continuo en forma de cloro licuado (27), y el cloro líquido (28) se calienta entre los elementos intercambiadores de calor (16), en el recinto de la camisa, por medio de elementos de calefacción adicionales (34), localmente hasta una temperatura tan elevada que se presente una ebullición con formación de burbujas en el líquido sobre la superficie de éstos elementos de calefacción adicionales (34) y las burbujas de vapor formadas ascienden entre los elementos intercambiadores de calor regulables (16) en el recinto de la camisa, siendo la diferencia de temperaturas (\DeltaT_{H}) entre la superficie de los elementos de calefacción adicionales (34) y la temperatura de ebullición del cloro líquido (28), mayor que 10ºC, preferentemente mayor que 20ºC.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la calefacción de los elementos adicionales (34) se lleva a cabo eléctricamente o con líquidos, gases o vapores condensados a modo de medio de calefacción.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque se emplea, como medio de calefacción, cloro gaseoso, separado por condensación en los elementos de calefacción adicionales (34), u otro medio de refrigeración.

4. Dispositivo para la realización del procedimiento según las reivindicaciones 1 a 3, que comprende un refrigerante por evaporación con elementos intercambiadores de calor (1, 8) dispuestos verticalmente, de manera superpuesta, que se extienden en la dirección horizontal y por un recipiente que contiene a los elementos intercambiadores de calor (1, 8), que forma un recinto para la camisa, caracterizado porque se han dispuesto elementos de calefacción adicionales (2, 9) por debajo de los elementos intercambiadores de calor (1, 8) o entre los mismos, preferentemente en el tercio inferior de la disposición vertical, que están en conexión con un circuito cerrado de medio de calefacción, separado de los elementos intercambiadores de calor (1, 8).

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque los elementos intercambiadores de calor están constituidos por tubos (1) dispuestos paralelamente con respecto al eje del recipiente.

6. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque los elementos intercambiadores de calor están constituidos por placas huecas (8) dispuestas paralelamente con respecto al eje del recipiente, con superficies intercambiadoras de calor orientadas verticalmente.

7. Dispositivo según la reivindicación 5 ó 6, caracterizado porque los elementos de calefacción adicionales están constituidos por varillas de calefacción dispuestas paralelamente con respecto al eje del recipiente, eléctricamente calentables, o por tubos recorridos por un agente de calefacción (2, 9).

8. Dispositivo según las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado porque para la generación de un flujo de recirculación, similar al de un reactor con reciclo, en el recipiente se han dispuesto a ambos lados de los elementos intercambiadores de calor (1, 8), chapas conductoras (7, 12), que limitan un recinto de flujo formado por elementos intercambiadores de flujo, que contiene los elementos intercambiadores de calor, con flujo ascendente M_{U}.