ES2235772T3 - Intercambiador de calor del tipo de evaporador de pelicula descendente con sistema de distribucion de refrigerante. - Google Patents
Intercambiador de calor del tipo de evaporador de pelicula descendente con sistema de distribucion de refrigerante.Info
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Abstract
Un intercambiador de calor de envuelta y tubos que tiene un evaporador de película descendente y sistema de distribución de refrigerante, que comprende: un grupo en línea de tubos de intercambiador de calor que opera en modo de evaporación en película descendente, que incluye una pluralidad de filas no escalonadas de tubos de intercambio de calor, en el que dichas filas están substancialmente alineadas verticalmente con espacios que separan las filas. un suministro para proporcionar refrigerante. al menos un mecanismo de distribución de refrigerante en comunicación de fluido con el suministro citado y que tiene una salida de refrigerante cerca de dicha pluralidad de filas de tubos de intercambio de calor, caracterizado por una pluralidad de deflectores ubicados a la salida de refrigerante citada, en el que cada uno de dichos deflectores está en alineación substancial con uno de dichos espacios, que se extienden sobre uno de los citados espacios para dirigir el refrigerante desde la salida citada de dicho mecanismo de distribución, y desde cada uno de los espacios dichos y hasta las filas de tubos de intercambio de calor substancialmente alineadas verticalmente.
Description
Intercambiador de calor del tipo de evaporador de
película descendente con sistema de distribución de
refrigerante.
El invento se refiere a un intercambiador de
calor de tubo y carcasa o envuelta horizontal, de acuerdo al
preámbulo de la reivindicación 1. Tal intercambiador de calor es
conocido de la patente
US-A-5645124.
En los intercambiadores de calor de película
descendente de tubos y envuelta horizontales para los congeladores
por compresión de vapor, el líquido de intercambio de calor es
rociado sobre la parte superior de la primera capa de tubos que
forman el conjunto de tubos, usando boquillas de rociar. En estos
casos, se emplea normalmente un paso de tubos alternados. El paso de
tubos alternados tiende a provocar caídas de presión mayores en el
lado de vapor de la tubería, a medida que el vapor sube a través de
la pila, particularmente con los congeladores de compresión de
vapor. Para rectificar esto, los fabricantes emplearán pasos
liberales de tubos para reducir la caída de presión. Esto ocasiona
un diámetro de envuelta mayor, lo que ocasiona un coste más alto del
equipo. Adicionalmente, para disponer los tubos en una estructura en
línea para minimizar la penalización de la caída de presión, otros
fabricantes emplean sistemas de distribución de goteros complicados,
los cuales son muy susceptibles de nivelado por máquina y costosos
en diseño y estructura. Un problema adicional sucede en la
distribución de refrigerante en dos fases, en las que las boquillas
de rociado utilizadas no proporcionan con frecuencia una
distribución de líquido uniforme, lo que lleva a un rendimiento
inferior del intercambiador de calor. Un inconveniente adicional del
diseño del banco de tubos alternados o escalonados es que el flujo
de fluido disponible está distribuido en un número mayor de tubos.
Esto conduce a un caudal de película relativamente más pequeño y a
un régimen de recirculación local más bajo (definido como el caudal
de película dividido por la velocidad de producción de vapor),
incrementando el potencial del secado y una reducción significativa
en los coeficientes de transferencia de calor. Una disposición de
banco de tubos en línea permite operar a un mayor caudal de película
para mejorar el inconveniente arriba mencionado. Sin embargo, cuando
se hace esto, es posible que algunas partes del líquido distribuido
no alcancen la superficie de transferencia de calor, un objetivo de
la mejora del invento presente.
Un ejemplo de un diseño reciente de evaporador de
película descendente, que tiene un sistema de distribución de
refrigerante, es mostrado en la patente de los Estados Unidos
5.645.124. Algunas realizaciones de los distribuidores de
refrigerante se muestran en esta patente, usando el preferido una
interfaz de pantalla de malla entre un distribuidor y los tubos y
otro con una disposición de tubo en tubo para distribuir el
refrigerante sobre la pantalla y el conjunto de tubos de intercambio
de calor.
Como se muestra en la Fig. 7, el refrigerante se
desplaza a través de un tubo interno y es liberado a través de un
orificio superior en un tubo externo. El refrigerante gotea cayendo
por los lados del tubo interno a través de una abertura inferior
sobre la pantalla y luego por el tubo evaporador. Se muestra un
diseño alternativo de tubo evaporador donde, en vez de una verdadera
estructura cilíndrica, el tubo incluye un punto en V sobre la
superficie inferior para dirigir las gotas de refrigerante sobre el
tubo evaporador situado debajo. En otra realización, junto con el
punto en v, el tubo evaporador incluye un área de estanque para
recoger y distribuir el refrigerante para una distribución más
controlada.
La pantalla de malla está puesta en contacto con,
o cercana a, el extremo de los tubos evaporadores del conjunto de
tubos. La pantalla de malla es corrugada u ondulada, formando picos
y valles, tal que cada valle es generalmente paralelo a, y situado
directamente sobre, el eje longitudinal de los tubos más superiores
del evaporador. De esta manera, masas de refrigerante líquido
aumentan axialmente a lo largo de los valles de la pantalla, hasta
que la gravedad supera la fuerza de atracción de la superficie que
suspende el líquido refrigerante sobre la superficie de la pantalla
de malla. El refrigerante cae entonces y gotea sobre los tubos más
superiores del evaporador. Cuando la pantalla está tocando los
tubos, el refrigerante fluye sobre el tubo. Aunque el empleo de las
pantallas puede minimizar la salpicadura de refrigerante y la
cantidad de refrigerante succionado por el compresor, la pantalla
actúa como un impedimento substancial al flujo de refrigerante hacia
los tubos del evaporador.
Por lo tanto, existe una necesidad de un sistema
de distribución mejorada de refrigerante para intercambiadores de
calor de película descendente, cuyo sistema permite para una
estructura de tubos en línea, distribución uniforme del refrigerante
y caída de presión mínima en los tubos del evaporador.
El objetivo primario de este invento es
proporcionar un sistema mejorado de distribución para
intercambiadores de calor de película descendente.
Otro objeto de este invento es proporcionar un
sistema de distribución mejorado para intercambiadores de calor de
película descendente, en el que un sistema de tubos en línea del
intercambiador de calor puede ser empleado con un sistema de
distribución sencillo, reduciendo así la caída de presión y
mejorando la eficiencia de distribución del refrigerante.
Todavía otro objeto de este invento es
proporcionar un sistema de distribución mejorado de refrigerante
para un intercambiador de calor de película descendente, en el que
las boquillas de rociado se emplean para la distribución y se
proporciona un mecanismo para dirigir con precisión el refrigerante
a los tubos apilados en línea del intercambiador de calor , para la
distribución eficiente del refrigerante.
Además, otro objeto de este invento es
proporcionar un sistema de distribución mejorado de refrigerante
para un intercambiador de calor de película descendente, que tenga
caudales incrementados locales de la película empleando grupos de
tubos en línea, en el que el régimen de recirculación local
(definido como el caudal de la película dividido por el régimen de
producción de vapor) es incrementado para mejorar los coeficientes
de humectabilidad y de transferencia de calor.
Los objetos y ventajas adicionales que se exponen
aquí se consiguen con los intercambiadores de calor de envuelta y
tubos horizontales, de acuerdo a la reivindicación 1. El sistema
incluye un grupo de tubos de intercambiador de calor en línea que
funciona de modo de evaporación de película descendente, incluyendo
una pluralidad de filas no alternadas o escalonadas de tubos
intercambiadores de calor, donde las filas están substancialmente
alineadas verticalmente con espacios separándolas, y un suministro
para aportar refrigerante. Al menos un mecanismo de distribución en
comunicación de fluido con el suministro y que tiene una salida de
refrigerante próxima a la pluralidad de filas de tubos
intercambiadores de calor, está provisto de una pluralidad de
desviadores de flujo situados a la salida del refrigerante. Cada uno
de los desviadores de flujo está alineado substancialmente con uno
de los espacios, extendiéndose sobre uno de los espacios para
dirigir refrigerante desde la salida del mecanismo de distribución,
hacia fuera de uno de los espacios y sobre las filas alineadas
verticalmente de los tubos intercambiadores de calor.
Figs. 1a es una vista frontal esquemática del
sistema de distribución de rociado y de intercambiador de calor del
presente invento, que emplean desviadores de flujo del distribuidor
y un grupo de tubos en línea según los principios del presente
invento;
Figs. 1b es una vista lateral tomada a lo largo
de la línea 1b-1b de la Fig. 1a.
Fig. 2 es una representación esquemática de un
grupo de tubos escalonados, para un diseño de intercambiador de
calor de la técnica anterior.
Fig. 3a es una vista frontal agrandada de los
desviadores de flujo del sistema de distribución de rociado que se
muestra en la Fig. 1; y
Fig. 3b es una vista frontal agrandada tomada a
lo largo de la línea 3b-3b de la Fig. 3a, de los
desviadores del sistema de distribución de rociado que se muestra
en la Fig. 1.
En referencia a la Fig. 1, se muestra una
representación esquemática de la realización preferida del sistema
mejorado de distribución de refrigerante del presente invento, el
cual está generalmente designado como 10. El sistema incluye
generalmente boquillas de rociar 12, deflectores o desviadores 14 y
un grupo de tubos 15.
Las boquillas de rociar 12 están diseñadas y
funcionan de una manera conocida en la técnica, y rocían
refrigerante que baja sobre el sistema de tubos del intercambiador
de calor, dispuestos alineados verticalmente y no escalonados. Como
se muestra en la Fig. 1, cada boquilla de rociar 12 cubre un área de
rociado A, sobre la que un refrigerante se rocía hacia abajo sobre
los tubos de intercambio de calor. En una disposición típica, y con
los tubos de intercambio de calor 16 en una posición no escalonada,
el refrigerante fluiría en un volumen substancial entre los tubos de
intercambio de calor más alejados, con lo que afecta de esa manera
la eficiencia de la cobertura del tubo por el refrigerante
disponible. Esta es la razón usual por la cual se emplea una
disposición de tubos de intercambiador de calor escalonados, cuya
disposición escalonada muestra, por ejemplo, en la Fig. 2. De esta
manera, cualquier refrigerante que baje entre los tubos del
intercambiador de calor, se usa en la siguiente fila de tubos, que
están desplazados de una manera escalonada de las filas previa y
siguiente. Sin embargo, como se indica en la sección básica, las
disposiciones escalonadas sufren de una caída de presión no
deseada, entre las otras cosas descritas.
De acuerdo con los principios del invento
presente, hay deflectores 14 en el borde de las boquillas de rociar
12, y están espaciados de tal manera que están ubicados en los
espacios entre los tubos del intercambiador de calor. Es decir, con
los tubos del intercambiador de calor dispuestos de la manera
preferida no escalonada, y apilados verticalmente, los deflectores
14 están alineados con los espacios entre los tubos del
intercambiador de calor, como por ejemplo, el deflector 14a sobre el
espacio 18. Para facilitar dirigir el refrigerante hacia los tubos
del intercambiador de calor entre los que están colocados cada
desviador, el desviador tendrá preferiblemente una forma de galón,
con un extremo estrecho u orientado hacia arriba, en dirección de
las boquillas de rociar, de tal manera que las patas 22 de los
desviadores, y sus superficies 24, son orientadas substancialmente
hacia el centro 23 de la superficie superior longitudinal de los dos
tubos del intercambiador de calor hacia donde está orientado el
desviador con forma de galón. Adicionalmente, el borde del fondo 25
de cada deflector está dentado, como se muestra en la Fig. 3, de tal
forma que los dentados se enfrentan a los grupos de tubos en línea,
como se muestra. En la realización preferida, la distancia entre los
extremos 26 de los dientes 28 es un paso predeterminado P. El paso P
es seleccionado para que sea menor que el paso natural del
refrigerante, medido según gotea éste en columnas líquidas desde los
tubos horizontales del intercambiador de calor. El paso natural de
la columna líquida está dado por la siguiente ecuación:
(1)2*\Pi{(2*sigma)/(rho*g)}0,5
donde,
- sigma = tensión superficial,
- rho= densidad de refrigerante líquido, y
- g = aceleración debida a la gravedad.
En una realización, el paso preferido de las
puntas de los dientes estará en el intervalo de sesenta a ochenta y
cinco por ciento (60-85%), y mas particularmente
setenta y cinco por ciento (75%) del valor determinado por la
ecuación (1). Sin embargo, el tipo de refrigerante usado y otros
factores, que incluyen el tipo de congelador y otros equipos
empleados, pueden afectar al porcentaje óptimo escogido. En todos
los casos, el paso de los dientes ha de ser menor que el valor
determinado por la ecuación (1). Al ser el paso de los dientes menor
que el paso natural de la columna líquida, se facilita la
distribución rápida del refrigerante líquido. Además, los dientes
proporcionan una vía para que el vapor escape del grupo de tubos sin
caída significativa de presión, lo que por otra parte causaría
reducción en la presión de succión y reducción en la eficiencia del
congelador.
En operación, cuando el refrigerante es rociado
hacia abajo desde las boquillas, el refrigerante que abandona las
boquillas en alineación o que choca con los espacios 18, fluye hacia
debajo desde el borde trasero 24 de las patas 22 o del deflector 14,
sobre el borde 25 y a través de los dentados 28, y es dirigido al
centro superior 23 de los tubos de intercambio de calor
circundantes. El refrigerante fluye entonces alrededor de los tubos
de intercambio de calor, sobre la superficie exterior del tubo,
hasta que alcanza la superficie inferior del tubo y la gravedad
rompe la unión superficial entre el refrigerante y el tubo para
provocar que el refrigerante restante, no vaporizado, se mueva hacia
los tubos de intercambio de calor subyacentes. Aunque se muestra un
deflector en forma de galón, es posible emplear otras formas, como
en forma de c, en forma de v, y medio octogonal, por citar
unas
pocas.
pocas.
La ventaja primordial de este invento es que se
proporciona un sistema mejorado de distribución para
intercambiadores de calor de película descendente. Otra ventaja del
invento es que se proporciona un sistema mejorado de distribución
para intercambiadores de calor de película descendente, en el que
puede emplearse un sistema en línea de tubos de intercambio de calor
con un sistema de distribución sencillo, reduciendo así la caída de
presión y mejorando la eficiencia de distribución del refrigerante.
Todavía otra ventaja de este invento es que se proporciona un
sistema mejorado de distribución de refrigerante para
intercambiadores de calor de película descendente, en el que se
emplean boquillas de rociar para la distribución y un mecanismo es
proporcionado para dirigir adecuadamente el refrigerante hacia los
tubos de intercambio de calor apilados en línea, para una
distribución eficiente del refrigerante. Aún otra ventaja de este
invento es que se proporciona un sistema mejorado de distribución,
que emplea un grupo de tubos en línea, y muestra mayores caudal,
película y velocidad de recirculación local del fluido
distribuido.
Claims (10)
1. Un intercambiador de calor de envuelta y tubos
que tiene un evaporador de película descendente y sistema de
distribución de refrigerante, que com-
prende:
prende:
un grupo en línea de tubos de intercambiador de
calor que opera en modo de evaporación en película descendente, que
incluye una pluralidad de filas no escalonadas de tubos de
intercambio de calor, en el que dichas filas están substancialmente
alineadas verticalmente con espacios que separan las filas.
un suministro para proporcionar refrigerante.
al menos un mecanismo de distribución de
refrigerante en comunicación de fluido con el suministro citado y
que tiene una salida de refrigerante cerca de dicha pluralidad de
filas de tubos de intercambio de calor, caracterizado por
una pluralidad de deflectores ubicados a la
salida de refrigerante citada, en el que cada uno de dichos
deflectores está en alineación substancial con uno de dichos
espacios, que se extienden sobre uno de los citados espacios para
dirigir el refrigerante desde la salida citada de dicho mecanismo de
distribución, y desde cada uno de los espacios dichos y hasta las
filas de tubos de intercambio de calor substancialmente alineadas
verticalmente.
2. El intercambiador de calor según la
reivindicación 1, en el que cada deflector tiene un extremo ancho y
un extremo estrecho, y en el que el extremo estrecho citado está
más cerca de la salida de refrigerante citada.
3. El intercambiador de calor según la
reivindicación 2, en el que los deflectores tienen forma de galón
para dirigir el refrigerante hacia los tubos de intercambio de
calor.
4. El intercambiador de calor según la
reivindicación 3, en el que dichos deflectores tienen una
superficie dentada para ponerse en contacto con el refrigerante que
abandona dicho mecanismo de distribución de refrigerante.
5. El intercambiador de calor según la
reivindicación 4, en el que dicha superficie dentada incluye una
pluralidad de dientes orientados en la dirección del flujo de
refrigerante desde el mecanismo de distribución de refrigerante
citado.
6. El intercambiador de calor según la
reivindicación 5, en el que dicho refrigerante sale de columnas
líquidas que tienen un paso natural, y en el que cada uno de dicha
pluralidad de dientes tiene una punta, siendo la distancia entre las
puntas de los dientes un paso predeterminado de menor tamaño que el
paso natural.
7. El intercambiador de calor según la
reivindicación 6, en el que el paso predeterminado citado tiene un
tamaño del 60-80% del paso natural citado.
8. El intercambiador de calor según la
reivindicación 7, en el que dicho paso predeterminado es un 75% del
paso natural citado.
9. El intercambiador de calor según cualquier
reivindicación precedente, en el que dicho refrigerante es un
refrigerante de baja tensión superficial.
10. El intercambiador de calor según cualquier
reivindicación precedente, en el que dicho mecanismo de distribución
comprende un sistema de boquillas de rociar.
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