ES2256296T3 - Intercambiador de calor. - Google Patents

Abstract

Elemento para el intercambio de calor entre fluidos, en el que los canales para la circulación de los fluidos consisten en unas hendiduras a ambos lados de un material laminar fino, plegado (1) y caracterizado porque la relación entre la anchura (24) y la profundidad (25) de las hendiduras de los canales es inferior a 0, 15 veces el grosor del material laminar.

Description

Intercambiador de calor.

La presente invención se refiere a un elemento intercambiador de calor para intercambiar calor entre dos medios y una aplicación del elemento.

Los intercambiadores de calor son bien conocidos y se utilizan en muchas conexiones. Los tipos actuales de intercambiadores de calor utilizan tubos o láminas como tabiques divisores entre los dos medios. Basado en consideraciones sobre la transmisión térmica, el peso y la utilización de materiales, uno de los objetos es desarrollar intercambiadores de calor en los cuales los tabiques divisores son lo más finos posibles y, sin embargo, la construcción estructural de los elementos intercambiadores sigue teniendo la resistencia necesaria para poder resistir las presiones actuales en diversos períodos de aplicación.

Los intercambiadores tubulares se diseñan con varios tubos en la envuelta exterior común o como dos tubos coaxiales. Estos intercambiadores resultan adecuados para resistir presiones adecuadas y están también relativamente bien protegidos de posibles fugas entre los medios. No obstante, como los tubos son mucho más caros que la superficie correspondiente en láminas, los costes de producción son relativamente elevados.

Por otra parte, los intercambiadores laminares se utilizan especialmente en aplicaciones en las que no existe ningún requisito absoluto en cuanto a rigidez/estanqueidad y en las que la capacidad del intercambiador es grande.

En ambos tipos de intercambiadores de calor conocidos, los dos perfiles de circulación del medio distan de ser ideales. En el caso del intercambiador laminar conocido, que constituye una base de comparación para la presente invención, el problema está ligado a una velocidad de circulación limitada entre las láminas. La limitación reside en el hecho de que los canales de entrada de salida en cada esquina son estrechos, habida cuenta de la geometría, y los medios deben seguir una fuerte curva de 90°, lo cual se traduce en una caída de presión. Es por consiguiente la cuestión geométrica y no la velocidad de circulación en el intercambiador lo que proporciona la limitación para una caída de presión aceptable.

La velocidad de circulación a lo largo del elemento del intercambio es decisiva para la transmisión térmica entre el medio y el valor \alpha del área y se aplica, en circulación turbulenta de agua para calcular el valor \alpha como factor de por ejemplo 1 a 1 m/s y 1,8 a 2 m/s.

Se conocen intercambiadores de calor anteriores, en los cuales cada lámina se pliega en forma de zigzag, de tal modo que a ambos lados se forman canales, a través de los cuales circula el medio en cuestión véase por ejemplo US 601 637, EP 0 197 169 y SE 362 137. Lo que tienen en común todos ellos es que poseen unos perfiles de canal que no combinan necesariamente densidad de área con resistencia estructural para permitir la utilización de láminas delgadas y de unos canales tan estrechos para que la velocidad de circulación sea lo suficientemente elevada. Esto resulta relativamente fatal, ya que la reducida transmisión térmica exigirá un intercambiador mayor, lo cual se traducirá en una velocidad de circulación todavía más reducida.

Se conocen los principios de destilación con recompresión de vapor. La figura 7 muestra por ejemplo una cámara 18, dividida por un tabique divisor 19, en la que hay un líquido 20 que se calienta hasta el punto de ebullición. El vapor 21 del líquido es aspirado hacia el interior de un ventilador o compresor 22 y comprimido desde ahí, dentro de un espacio que se encuentra por debajo del tabique divisor 19. Debido a la presión más elevada, el vapor se condensará ahí a una temperatura superior a la temperatura del período de vaporización.

El calor de condensación pasará por consiguiente al líquido y evaporará una cantidad correspondiente de nuevo líquido. El condensado 23 se puede extraer al mismo tiempo que se lleva nuevo líquido al lateral de evaporación.

Este principio se aplica actualmente de modo industrial hasta secar los efluentes, como por ejemplo en la producción de leche en polvo, celulosa, etc.

El factor de eficacia del proceso se calcula a partir de la energía de evaporación, respectivamente la energía del ventilador. Para una cantidad dada de destilado, la energía del ventilador se determina a partir de la relación de presión entre evaporación y condensación.

La relación de presión y por lo tanto el consumo de energía depende de la facilidad con que se produce la transmisión térmica necesaria entre la pared de división.

Finalmente, esto se puede expresar de modo que el valor k de transmisión térmica del tabique divisor es un criterio decisivo en cuanto al área necesaria sobre la pared divisora.

Con vapor de agua, el límite de la relación de presiones para ventiladores de una etapa es de 1,15, lo cual supone una temperatura de condensación de aproximadamente 3,5ºC más. Con una temperatura de evaporación de 100ºC, la condensación se realizará a 103,5ºC.

Exceptuando los parámetros como polvo y similares, la transmisión térmica total, es decir el valor k se determinará por:

k = 1/(1/\alpha1 + s/\lambda + 1/\alpha2)

donde \alpha1 = transmisión térmica en el lado de condensación, \alpha2 = transmisión térmica en el lado de evaporación, s = grosor de la lámina y \lambda es igual al período de coeficiente de transmisión térmica del material laminar.

El valor \alpha más bajo dará entonces un valor de umbral asintótico de cual puede ser la magnitud del valor k.

Con una superficie vertical se puede lograr un valor \alpha1 relativamente elevado para condensación. El valor será superior cuanto menor altura tenga la superficie. Con una altura de 50 ml, el valor \alpha es de aproximadamente 13500 W/m^{2} ºC.

No obstante, será el valor \alpha en el lado de evaporación el que suponga, de modo definitivo, el factor de limitación a las temperaturas tan bajas que se pueden obtener aquí. El caso es que la diferencia de temperaturas entre la superficie y el punto de ebullición mínimo debe ser de 7ºC antes de que el agua hierva con burbujas en la superficie de calefacción. Con esta diferencia de temperaturas, el agua se evapora debido a que forma pequeñas burbujas de vapor en la misma agua. Esta forma de ebullición recibe el nombre de ebullición por convección, debido a que la transmisión de calor se realiza por período de convección.

Con la ebullición por convección y una diferencia de temperatura de 3,5ºC no se puede obtener un valor \alpha2 superior a aproximadamente 1800 W/m^{2} ºC. El valor k será por lo tanto tan bajo que la destilación del agua a la presión y temperatura anteriores requerirá 8,8 m^{2}/kg de destilado por minuto. Esto es demasiado elevado para obtener dimensiones y costes realistas para una planta de destilación de este tipo. El único método conocido para aumentar la transmisión térmica en la ebullición por convección consiste en mover el agua con respecto a la superficie calefactora, por ejemplo utilizando un dispositivo agitador, un ventilador helicoidal o una bomba.

Esto se consigue con el intercambiador de calor según la presente invención, tal como aquí se define, con las características indicadas en las reivindicaciones.

Para el intercambiador de calor según la invención, uno de los objetivos ha sido lograr una mayor transmisión térmica por autocirculación sin ayuda mecánica. La densidad de las burbujitas de vapor que se forman en el agua en la ebullición por convección es sin embargo demasiada pequeña al comienzo para conseguir un grado positivo de autocirculación. La densidad de las burbujas de vapor se puede incrementar aumentando la radiación térmica contra el agua. Esto únicamente se puede conseguir, con los parámetros dados, rodeando pequeñas cantidades de agua con una gran superficie de alimentación térmica, en la práctica, confinando el agua en una hendidura estrecha entre las hojas. La figura 1 de los dibujos muestra una vista en perspectiva de un elemento intercambiador de calor según la invención. La figura 2 muestra el elemento intercambiador de la figura 1 colocado en un alojamiento intercambiador, la figura 3 muestra una vista de la invención utilizada en un intercambiador térmico aire/líquido, la figura 4 muestra una sección del intercambiador térmico de la figura 3, la figura 5 muestra esquemáticamente la primera etapa para la producción del elemento intercambiador de calor según la invención, la figura 6 muestra la segunda etapa de la producción, la figura 7 muestra esquemáticamente el principio del proceso y la figura 8 muestra esquemáticamente un elemento intercambiador de calor con canales y paredes planas.

El principio del intercambiador de calor se muestra en la figura 8. La hoja sé pliega aquí formando hendiduras con una anchura 24 y una altura 25, apareciendo el agua en las hendiduras abiertas hacia la parte superior, y el vapor de condensación en las hendiduras abiertas hacia la parte inferior.

Es evidente que cuando se estrecha la hendidura 24, el flujo térmico real k (W/m^{2}) irradia una cantidad decreciente de calor y aumenta la densidad de las burbujas de vapor. Al llegar a cierto límite, las burbujas de vapor empezarán a combinarse para formar burbujas más grandes. Esto imprimirá al agua un fuerte movimiento, el flujo térmico aumentará y la cantidad de burbujas de vapor se incrementará, lo que significa que se produce una reacción de autoamplificación. La cantidad de vapor será entonces tan grande que forma una corriente de dos fases en la mayor parte mayor de la sección transversal, con el vapor en el centro de la rendija y una lámina fina de agua que es arrastrada a lo largo de las superficies.

Las pruebas han mostrado que, con agua a 100ºC y una anchura de hendidura de 1,5-2 mm, este límite se sitúa en una diferencia de temperatura de solamente 1,8 - 2ºC, y el valor \alpha se incrementa desde aproximadamente 1800 W/m^{2} ºC hasta 18.500 W/m^{2} ºC en el lado de evaporación. Esto se sitúa aproximadamente a un nivel que se puede lograr con ebullición rápida ordinaria y una diferencia de temperaturas de aproximadamente 18ºC o con evaporación laminar que se suele utilizar en las plantas de secado industrial antes mencionadas.

Se ha comprobado que se obtienen resultados óptimos cuando la anchura de las hendiduras 24 para los canales de circulación de fluido a ambos lados del material laminar plegado delgado 1 y la profundidad 25 en las hendiduras mantienen cierta relación entre si y con el grosor de la hoja. Por consiguiente la relación entre la anchura de la hendidura 24 y la profundidad de la hendidura 25 deberá ser inferior a 0,15 veces el grosor del material laminar. La altura de los pliegues deberá limitarse para evitar una contrapresión demasiado elevada en el vapor y de forma que el condensado en la parte inferior tenga un período de distancia de salida corto. Una altura de h = 50 mm parece ofrecer un resultado óptimo para ambos lados.

La transmisión térmica a ambos lados es tan buena que el grosor de la hoja empieza a tener un efecto negativo en el total del valor k. Por esta razón, pero también teniendo en cuenta el peso y los costes, resulta ventajoso disponer de una hoja lo más fina posible. Se suele utilizar ahora hojas de titanio de 0,4-0,5 mm en los intercambiadores de calor.

Con unas hendiduras tan estrechas como las que aquí se necesitan, las hendiduras rectas mostradas en la figura de principio podrían comprimirse fácilmente con una diferencia de temperatura relativamente pequeña.

En el intercambiador de calor según la invención, se ha llegado a obtener un método para la construcción del elemento, ondulando la hoja, que evita tener que comprimirla, pero al mismo tiempo no impide el acceso para la limpieza o para cerrar la circulación del medio, tal como se muestra esquemáticamente en la figura 1.

Para aislar los laterales de los dos medios entre sí, las hendiduras en el intercambiador de calor deben estar cerradas en sus extremos. En muchas aplicaciones, esto se puede realizar fácilmente moldeando los extremos juntos con un material adecuado.

Los extremos también se pueden cerrar soldando las hendiduras entre si Otra solución consiste en aplicar a presión una cubierta por ejemplo de caucho contra los extremos.

Con su elevada compacidad y el acceso directo desde ambos lados para la limpieza, el intercambiador de calor resulta perfectamente adecuado como intercambiador de calor general, por ejemplo como refrigerador de motor. También en este caso las hendiduras estrechas producirán un efecto térmico especial. El paso del líquido se traducirá en un aumento de la transmisión térmica con el período de velocidad de flujo. Cuando la hendidura es estrecha, la turbulencia cerca de la superficie es superior a la que existe con una hendidura ancha o un tubo, incluso si la velocidad de flujo media es igual.

El elemento Intercambiador está encapsulado, en esta aplicación, dentro de semi-envolturas equipadas con entrada y salida respectivas en los extremos. El problema se puede ejemplificar con un refrigerador de motor en el que la temperatura se tiene que reducir aproximadamente 5 a 8ºC. Con una altura de canal de 50 mm, la anchura del canal no tiene que tener una anchura superior a 1,5 a 2 mm para conseguir una velocidad de 1,5 a 1,8 m/s. Se necesita una diferencia de presión mínima para que una hoja fina se deforme y reduzca por lo tanto o cierre los canales en el lateral opuesto.

El elemento consiste en un hoja fina que se pliega como un fuelle en el que todos los planos de pliegue están curvados en la misma dirección. La presión en los canales afectará la forma de los canales del canal si la presión en los canales contiguos es diferente. Un lado del canal intenta enderezarse mientras que el otro lado tira del perfil hacia adentro, de modo que las fuerzas se igualan más o menos entre sí. Se monta un elemento intercambiador 1 entre una envuelta superior 2 y una envuelta inferior 3 que presentan ambas canales de entrada y de salida 4 y 5 en cada extremo. Las envueltas exteriores 2, 3 también pueden ejercer una presión contra las partes superiores del canal del elemento, de modo que se desvíen las curvas de los elementos obteniéndose de este modo una mayor resistencia estructural. Las curvas en las superficies de las paredes de los canales son de preferencia paralelas.

Se han realizado pruebas de prototipo con un refrigerador de motor con canales dimensionados tal como se indica en el ejemplo anterior y con una placa de titanio de 0,5 mm de grosor solamente. La construcción pudo resistir una presión diferencial de más de 5 bars sin muestra alguna de deformación de las paredes del canal. La densidad del área grande comparada con el área de paso proporcionó un valor \alpha de más de 30% superior al de un tubo con el mismo período de velocidad de paso. La transmisión térmica total, valor k, es esencialmente superior para intercambiadores de calor de lámina convencionales.

Además de intercambiar calor entre líquidos, el elemento intercambiador de calor según la invención resultará adecuado para intercambiar calor entre un líquido por convección, evaporación o condensación de un lado, y el gas, por ejemplo el aire, del otro lado.

Una realización de este tipo se muestra en las figuras 3 y 4. En el lado del líquido, se sujeta una hoja 6 que cubre el elemento y está sujeta a las partes superiores del canal. Para diferencias de presión muy elevadas, por ejemplo en plantas de refrigeración, sería conveniente utilizar ondulación veteada para aumentar la superficie activa.

La invención halla cierto fundamento en la necesidad de un condensador y un evaporador eficaces y razonablemente combinados para la destilación, en la recompresión del período de vapor. Uno de estos aparatos de destilación es en realidad una bomba de calor, en la que el vapor del lado de la evaporación es aspirado al interior de un ventilador y comprimido por éste dentro del lado del condensador donde, en virtud del aumento de presión condensa a una temperatura superior a la temperatura de evaporación. De este modo, se transmite el calor de condensación al lado de evaporación, de modo que se evapora una nueva cantidad de líquido. De este modo, se recircula internamente la energía térmica.

En los barcos, por ejemplo, se utilizan aparatos de destilación, denominados evaporadores, para producir agua potable a partir de agua de mar.

La evaporación del agua del mar presenta sin embargo grandes problemas, llegándose a soluciones que ofrecen una transmisión térmica satisfactoria al mismo tiempo que permanecen limpias.

Un problema particularmente importante es el denominado "scaling", es decir que la sal y el calcio se precipitan y forman una capa aislante térmica y dura sobre las superficies del intercambiador de calor.

El problema es causado en particular por el hecho de que cuando se forma una burbuja de vapor sobre la superficie de un elemento de caldera, deja sobre la superficie sal y materiales secos que contenía el agua en forma de cristales. Estos residuos formarán pronto una capa que queda fijada por el calor debido a que la temperatura por debajo de la cubierta aumenta como consecuencia del aumento del efecto de aislamiento. Este fenómeno se reduce aplicando e hirviendo a temperatura reducida, es decir baja presión y dosificando con productos químicos.

La creencia actual de que el problema mencionado se incrementa al aumentar la temperatura es correcta pero no se asume correctamente que es la misma temperatura la que constituye la causa fundamental. Es decir la diferencia entre la temperatura de la superficie del elemento de la caldera y el punto de ebullición.

Un estudio de las diferentes fases con ebullición de agua a presión atmosférica mostró claramente que la ebullición se produce en la evaporación por convección a una diferencia de temperatura comprendida entre 1 y 7 K, de 7 a 26 K, con evaporación de burbujas en la superficie del elemento y más de 26 K en la evaporación laminar. En las diferentes fases, la transmisión térmica, valor \alpha varía considerablemente.

La diferencia de temperaturas en la ebullición en evaporadores convencionales oscila entre 15 y 20 K y la ebullición se produce por lo tanto en el período de la fase de burbujeo. Las burbujas de vapor se forman sobre la superficie del elemento de la caldera y esta es la causa principal del problema del "scaling" (formación de incrustaciones).

En la ebullición en el aparato de destilación con recompresión del vapor, la diferencia de temperaturas, debido al consumo de energía del ventilador, será inferior a 1,5 K, esto significa que la ebullición se produce por convección y que las burbujas de vapor se forman en el agua y no sobre la superficie del intercambiador de calor. Las sales y los materiales secos seguirán entonces las burbujas de vapor hacia arriba, hasta la superficie y saldrán con el agua excedente. Para mantener la concentración baja se utiliza, al igual que ocurre en evaporadores convencionales, dos veces más agua de alimentación que la cantidad de destilado producido.

Con una diferencia de temperatura de 1,5 K, se consigue un valor \alpha muy bajo para la transmisión térmica, en torno a 1,5 - 1,8 kW/m^{2} K . Esto es tan reducido que no se puede aplicar en la práctica, ya que la superficie del intercambiador de calor tendrá que ser enorme. Se ha visto que el valor \alpha se puede aumentar sustancialmente utilizando circulación forzada, por ejemplo un dispositivo agitador.

El intercambiador de calor según la presente invención se caracteriza por una construcción muy sencilla, un uso reducido de material, unos valores de transmisión térmica muy buenos y su utilidad dentro de cierto número de áreas. En el intercambiador de calor según la invención, los canales contendrán una demanda de agua modesta comparada con la gran superficie que rodea el agua. Incluso si la carga térmica específica W/m^{2} es muy baja, se producirán grandes cantidades de vapor, comparado con la cantidad de agua en los canales. Esto crea turbulencias en el valor \alpha mejorado. La turbulencia desplazará el límite para la evaporación por convección a un nivel algo más elevado.

Se ha sometido a prueba un intercambiador de calor del mismo tipo y realización que el prototipo antes mencionado, en forma de evaporador y condensador combinado para destilación por recompresión de vapor, y se ha visto que, a una temperatura de ebullición para el agua de mar de 100ºC y una temperatura de condensación de 103ºC, se produce un proceso de autoamplificación, en el que el valor \alpha empieza a aumentar de repente, la turbulencia sigue creciendo así como la transmisión térmica. El efecto de autoamplificación se puede apreciar por el hecho de que pasan pocos segundos desde la primera aparición de pequeñas burbujas hasta que se produce la rápida ebullición del agua.

En las pruebas con un aparato de destilación con el intercambiador de calor según la invención, se muestra que el valor \alpha se estabiliza a 18,5 kW/m^{2} K. La estabilización indica que se acerca el valor k asintótico, ya que la transmisión térmica en el lado de condensación se mantiene relativamente constante.

Se ha observado que la colocación horizontal da los mejores resultados, pero también se han hecho pruebas con una colocación angular hasta una posición vertical con resultados relativamente aceptables. En estas pruebas, se ha recubierto parcialmente el lado de evaporación con una hoja 41 con aberturas en ambos extremos. La abertura inferior se encontraba debajo de una columna de agua Hwc, de forma que la mayoría del vapor ha sido impulsada hacia arriba a través de los canales, trayendo agua consigo de modo que se produce una recirculación sustancial.

Se ha visto que la potente turbulencia mantiene limpio el lateral de evaporación y no se ha observado ninguna incrustación a lo largo de cierto período de tiempo.

A las temperaturas antes citadas, la presión de vapor del ventilador corresponde aproximadamente a 1,5 m/s, lo cual es naturalmente también necesario en esta aplicación por la resistencia estructural dada por las curvas en los canales. Teniendo en cuenta la agresividad del agua de mar hirviendo, el titanio es el único material útil aunque resulta caro y es pobre conductor térmico. Esto es importante para hacer que la hoja sea lo más fina posible y se deberá tener en cuenta la resistencia mecánica al proceder a la construcción estructural.

Como el elemento intercambiador según la invención está formado por una hoja larga plegada, el elemento resulta perfectamente adecuado para la producción mecánica continua de control automático.

Por esta razón, se ha desarrollado un método especial que hace posible esta producción, en el que la hoja pasa por dos estaciones de la máquina.

En la estación de la figura 5, la hoja se dobla primero fuertemente en forma de escalón con dos pliegues de 90° utilizando una cuchilla 7. La cuchilla 8 y la cuchilla 9 descienden simultáneamente y conforman la hoja entre el pliegue anterior, ya sea conformándola en curvas tal como se muestra en las figuras 1 y 2 u ondulándola de forma diferente, por ejemplo paralela, tal como se muestra en la figura 8. Las cuchillas 8 y 9, al mismo tiempo hacen que los ángulos de pliegue sean más agudos. Todas las cuchillas 7, 8 y 9 comprimen el bloque de configuración estacionario 10 con los perfiles correspondientes. Un mecanismo de alimentación 11 lleva hacia adelante la hoja una vez que las cuchillas han vuelto a la posición superior.

La figura 6 muestra una herramienta que dobla la hoja tal como se muestra en las figuras 1 y 2. Las cuchillas 8 y 9 tienen forma ondulada recta y el bloque conformador está formado por lo tanto con ranuras transversales correspondientes a la forma de la
hoja.

La hoja pre-doblada permanece entonces en la estación, tal como se muestra en la figura 6. Aquí, cada uno de los dobles se comprime entre dos placas de presión 12 y 13 de un lado y 14 y 15 del otro lado, doblándose la hoja para alcanzar su anchura final. Una vez que las placas de presión 12 y 14 han regresado a la posición posterior, las placas de presión 13 y 14 suben y bajan respectivamente y permiten su alimentación para el pliegue siguiente. Para garantizar la alimentación, las placas de alimentación 16 y 15 bajan y suben respectivamente al mismo tiempo.

En la figura 6, la placa de presión inferior 14 está en la posición adelantada y la placa de presión superior 12 está en la posición atrasada. Incluso cuando se van a doblar hojas muy finas tal como se indica aquí, se precisan unas fuerzas muy grandes que van aumentando exponencialmente al reducirse el radio de plegado. Con la articulación especial de las placas de presión 12 y 14, se consigue una fuerza de presión inversamente proporcional a la tangente del ángulo de la placa de presión. La fuerza tiende a infinito cuando el ángulo y el movimiento tienden a cero.

Las estaciones están situadas, de preferencia, alineadas y trabajan de forma sincrónica.

Claims (6)

1. Elemento para el intercambio de calor entre fluidos, en el que los canales para la circulación de los fluidos consisten en unas hendiduras a ambos lados de un material laminar fino, plegado (1) y caracterizado porque la relación entre la anchura (24) y la profundidad (25) de las hendiduras de los canales es inferior a 0,15 veces el grosor del material laminar.

2. Elemento según la reivindicación anterior, caracterizado porque las paredes del elemento en sección están configuradas como superficies de igual curvatura como por ejemplo círculos parciales u otras formas de curvas.

3. Elemento según la reivindicación 1, caracterizado por las paredes del elemento están configuradas como superficies planas.

4. Elemento según la reivindicación anterior, caracterizado porque las paredes del elemento están fabricadas a base de titanio.

5. Utilización de un intercambiador de calor con elementos según la reivindicación anterior para evaporar un líquido.

6. Dispositivo de destilación que incluye unos elementos según las reivindicaciones 1-4, caracterizado porque dicho dispositivo comprende una cámara (18) dividida por un tabique de partición (19), una de cuyas partes por lo menos está constituida por elementos del intercambiador de calor (1), porque se ha dispuesto un ventilador o compresor (22) para aspirar el vapor (21) de un líquido (20) en la parte superior de la cámara y presurizarlo y hacerlo pasar por debajo del tabique divisor (19), desde donde se puede extraer el condensado (23) al mismo tiempo que se aplica un nuevo líquido al lado de evaporación.