ES2286309T3 - Intercambiador de calor de placas circulares. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor de placas circulares (1) que comprende un alojamiento (3) que se utiliza como bastidor (2) y una pila (6) de placas compuesta por placas de transferencia de calor ranuradas circulares (10), teniendo lugar la trasferencia de calor entre unos medios de transferencia de calor sólidos, gases, líquidos o correspondientes que fluyen por espacios presentes entre las placas de transferencia de calor (10), estando provistas dichas placas de - unos orificios centrales (16), situados en la parte central de las placas (10), destinados a guiar el flujo de un medio de transferencia de calor a los espacios situados entre las placas, radialmente en relación con las placas de transferencia de calor(10), - unos orificios diametrales (11, 12) en los lados opuestos del orificio central, desde los cuales el flujo del segundo medio de transferencia de calor es guiado hasta un flujo en la dirección del perímetro del intercambiador de calor de placas circulares (1), constituyendo los orificios diametrales (11, 12) en los lados opuestos del orificio central de las placas de transferencia de calor (10) y el orificio central (16) los pasos de entrada o salida de los medios de transferencia de calor, y - unas ranuras en su plano y unas aristas (18) entre estas, ranuras a lo largo de las cuales fluye el medio de transferencia de calor entre dichos orificios diametrales (11, 12). caracterizado porque - las aristas entre las ranuras de dos placas de transferencia de calor adyacentes forman un patrón ortogonal y porque - las ranuras y/o las aristas (18) entre estas son trazos evolventes curvados, o trazos evolventes modificados, formándose los trazos evolventes modificados al modificar los trazos evolventes individuales de tal forma que las áreas superficiales de los elementos de patrón ortogonales formados por los trazos evolventes son constantes y la desviación de la forma de un cuadrado es lo más pequeña posible y las curvas son lo más ortogonal posible. - - - (En el mencionado fascículo siguen las versiones en alemán y en francés, respectiva-mente, de las mismas reivindicaciones que se han traducido de la versión en inglés). - - - - 3 - - 8 - 1
Description
Intercambiador de calor de placas
circulares.
La presente invención se refiere a un
intercambiador de calor de placas circulares según el preámbulo de
la reivindicación 1. Un intercambiador de calor como este se da a
conocer en el documento
WO-A-9930099.
Los intercambiadores de calor de placas
convencionales presentan la forma de un rectángulo con bordes
redondeados. Típicamente, las placas de transferencia de calor se
han provisto de cuatro orificios para los flujos principal y
secundario. La pila de placas está sellada con juntas de caucho o un
elemento parecido y tensionada mediante pernos de bloqueo entre las
placas finales. En tales intercambiadores de calor, la sección del
flujo es casi constante por toda la longitud del recorrido del
flujo. En particular, esto es aplicable a los intercambiadores de
calor de placas provistos de placas que presentan una forma estrecha
y larga. Normalmente, las placas de transferencia de calor están
provistas de ranuras curvadas o radiales alrededor de las aberturas
de los flujos principal y secundario, a fin de distribuir los
flujos de la forma más uniforme posible en los espacios dispuestos
entre las placas de transferencia de calor. Puesto que la parte
recta de los intercambiadores de calor es homogénea en relación con
el flujo, el flujo y la transferencia de calor están equilibrados en
esta parte. Se han dado a conocer anteriormente una gran variedad
de formas y patrones para ranurar las placas de transferencia de
calor. Los patrones de ranuras más comunes han sido patrones
formados de varios elementos rectos, como patrones de espiga o
parecidos.
Un inconveniente de los intercambiadores de
calor de placas equipados con juntas ha sido su pobre resistencia a
la presión, a la temperatura a la corrosión. No obstante, los
intercambiadores de calor de tubos convencionales se han colocado
en el interior de un alojamiento circular, lo cual resulta ventajoso
en la tecnología de los depósitos de presión. También se han dado a
conocer anteriormente intercambiadores de calor de placas
circulares, en los que la pila de placas está alojada en el
interior de un alojamiento circular. Los conjuntos de
intercambiadores de calor de placas de este tipo se han presentado,
por ejemplo, en la publicación de patente FI 79409, la publicación
de patente FI 84659, la publicación WO 97/45689 y la solicitud de
patente FI 974476.
En el intercambiador de calor según la
publicación de patente finlandesa 79409, la pila de placas está
compuesta por placas de transferencia de calor soldadas entre sí
por sus perímetros exteriores que presentan la forma de un círculo
o de un polígono regular. Las placas de transferencia de calor no
comprenden orificios; los flujos principal y secundario se
introducen en los espacios existentes entre las placas de
transferencia de calor desde sus perímetros exteriores. Las placas
están provistas de ranuras uniformes en todas sus superficies.
Debido a la forma circular del intercambiador de calor, las
velocidades de los flujos y las propiedades de transferencia de
calor varían en los diferentes puntos de la placa. En la solución
según la publicación WO 97/45689, la pila de placas compuestas de
placas de transferencia de calor circulares está alojada en el
interior de un alojamiento cilíndrico como en la disposición de la
publicación FI 84659. En las disposiciones de cada publicación, se
prevén orificios para el flujo de un segundo medio de transferencia
de calor en el diámetro, en los lados opuestos de las placas de
transferencia de calor. Las construcciones de intercambiadores de
calor según las publicaciones mencionadas anteriormente han
aplicado placas cuyas ranuras son rectas y se extienden linealmente
desde un borde de la placa a otro. El intercambiador de calor según
la solicitud de patente FI 974476 difiere de los otros en que sus
placas de transferencia de calor están provistas de un orificio
central.
Un objetivo de la presente invención es
proporcionar un dispositivo para mejorar la transferencia de calor
de un intercambiador de calor circular, fácil de implementar y por
el que se consigue una transferencia de calor uniforme en una placa
de transferencia de calor circular.
Una forma de realización típica de la invención
está basada en el hecho de que la densidad o forma de las ranuras
en las placas de transferencia de calor y/o el ángulo \alpha de
las aristas entre las ranuras de las placas de transferencia de
calor adyacentes se cambian en el sentido del flujo secundario del
medio de transferencia de calor, para compensar los cambios
ocasionados por la placa circular en las condiciones de flujo del
medio de transferencia de calor. Al usar las placas de transferencia
de calor circulares provistas de un orificio central, en los casos
de flujo radial, la sección del flujo típicamente aumenta o
disminuye en función de si el flujo se dirige hacia el orificio
central de la placa de transferencia de calor o en el sentido
contrario.
La invención se refiere a un intercambiador de
calor de placas circulares según la reivindicación 1.
Mediante la invención, se conseguirán ventajas
significativas en comparación con la técnica anterior. Con las
placas de transferencia de calor circulares se consigue una
transferencia de calor eficiente en toda la superficie de
transferencia. El flujo en el sentido radial de la placa circular
decelera de forma natural cuando se traslada del perímetro interior
al perímetro exterior. En el método y el dispositivo según la
invención, la disminución de la transferencia de calor, ocasionada
de forma natural por la deceleración del flujo, se compensa de
forma eficiente mediante arreglos en el flujo de los fluidos, como
el control de flujo y/o turbulencias, así como diferentes patrones
de las placas de transferencia de calor. Un patrón de rombos o
cuadrático formado por las aristas entre las ranuras de las placas
de transferencia de calor adyacentes proporcionará puntos de
soporte mecánicos en los puntos finales de los elementos de patrón
rectangulares de la pila de placas. Los elementos de patrón forman
una rejilla en la que el soporte mecánico interno de la pila de
placas se reforzará y, por lo tanto, será más resistente a la alta
presión. El flujo que va de los canales de distribución a los
espacios presentes entre las placas y al conducto de salida está
implementado de tal modo que el fluido fluirá del modo más uniforme
posible en los diferentes espacios presentes entre las placas y en
cada punto en cada espacio entre las placas. La pérdida de presión
en el flujo de gas es insignificante, porque no hay estructuras en
los canales de flujo de gas que causen pérdidas de presión
innecesarias.
A continuación, se describirá la invención con
mayor detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos en los
cuales:
la figura 1 muestra esquemáticamente un
intercambiador de calor de placas según la invención, visto en
sección transversal desde el lateral,
la figura 2 muestra esquemáticamente una vista
superior de una pila de placas compuesta por placas de transferencia
de calor con un orificio central y provistas de ranuras con la
forma de evolvente modificada,
la figura 3 muestra esquemáticamente una vista
superior de una pila de placas compuesta por placas de transferencia
de calor con un orificio central y provistas de ranuras con la
forma de evolvente normal.
La figura 1 muestra un intercambiador de calor
de placas circulares 1 según la invención, en una vista lateral en
sección transversal. La unidad de alojamiento 2 utilizada como
depósito de presión para el intercambiador de calor 1 con la
estructura de placas comprende un alojamiento 3 y placas finales 4 y
5 que están fijadas al alojamiento 3 de forma permanente. La unidad
de alojamiento 2 aloja una pila 6 de placas que forman las
superficies de transferencia de calor 10, pudiéndose retirar la pila
para realizar la limpieza y el mantenimiento, por ejemplo,
conectando uno de los extremos 4, 5 al alojamiento 3 mediante una
junta de brida. Un medio de transferencia de calor que fluye por el
interior de la pila 6 de placas forma un flujo principal que es
conducido a la pila 6 de placas por un paso de entrada 7 en el
extremo 5 y se descarga por un paso de salida 8, como muestran las
flechas 9.
La pila 6 de placas forma las superficies de
intercambio de calor del intercambiador de calor de placas 1, que
están compuestas por placas de transferencia de calor ranuradas 10
conectadas entre sí. Las placas de transferencia de calor 10 están
conectadas entre sí en pares mediante soldaduras en los perímetros
exteriores de las aberturas de flujos 11 y 12, y los pares de
placas están conectados entre sí mediante soldaduras en los
perímetros exteriores 13 de las placas de transferencia de calor.
Las aberturas de flujo 11 y 12 constituyen los pasos de entrada y
salida del flujo principal en el interior de la pila 6 de placas,
siendo por estos pasos por los que el medio de transferencia de
calor se introduce y se descarga desde los conductos formados por
las placas de transferencia de calor 10.
En la forma de realización de la figura 1, el
flujo secundario se muestra mediante las flechas 14. El medio de
transferencia de calor del flujo secundario se introduce mediante un
paso de entrada 15 situado en el extremo 5 hasta un conducto
central 16 formado por un orificio central en la pila 6 de placas,
descargándose el medio de transferencia de calor desde el conducto
central 16 de una forma radial a través del paso de salida 17 en el
alojamiento 3.
En la figura 2 se muestra esquemáticamente la
pila 6 de placas según la invención, ranuradas con curvas 18
evolventes modificadas. En las figuras, las líneas continuas
muestran las aristas 18 entre las ranuras formadas en una placa de
transferencia de calor y las líneas discontinuas muestran las
aristas 18 de una placa colocada contra aquella. El ángulo entre
las aristas 18 de estas placas adyacentes se indica con una letra
\alpha. La pila 6 de placas está formada por placas de
transferencia de calor 10 idénticas, girando una de cada dos placas
respecto a la placa 10 precedente de tal forma que dos superficies
superiores o inferiores de las placas 10 idénticas están siempre
colocadas una contra la otra. Los puntos de soporte de las aristas
18 del par de placas forman elementos de patrón, como rombos o
rectángulos muy parecidos, de tal forma que las áreas superficiales
de los elementos de patrón citados anteriormente son iguales. Los
ángulos entre los lados en los patrones miden preferentemente entre
70º y 110º. El patrón de aristas es ortogonal en el punto medio del
radio de la superficie de la placa y ligeramente diferente de
ortogonal al desplazarse hacia el borde interior 19 o el borde
exterior 13 de la placa de transferencia de calor 10. Los flujos
radiales de los fluidos son idénticos en cada sector del círculo,
cuya magnitud es igual al ángulo formado por evolventes adyacentes;
este ángulo preferentemente no es superior a unos pocos grados.
Gracias al patrón casi idéntico de la toda la superficie de la
placa, la eficiencia de la transferencia de calor, calculada por
unidad del radio del intercambiador de calor 10, es casi constante
en todas las partes de la placa de transferencia de calor 10. Puede
darse localmente una ligera disminución radial en la eficiencia de
la transferencia de calor, debido a la disminución de la velocidad
del flujo y de la turbulencia oca-
sionada por el movimiento radial del fluido así como un cambio en el volumen ocasionado por el enfriamiento del gas.
sionada por el movimiento radial del fluido así como un cambio en el volumen ocasionado por el enfriamiento del gas.
En la figura 3 se muestra esquemáticamente un
conjunto de evolventes ideales, en el que los puntos de una
evolvente individual se determinan en un sistema de coordenadas
cartesianas mediante dos ecuaciones, en las que el sentido de giro
se determina por el signo de la fórmula que sirve para calcular la
coordenada y:
x = \pm r (cos
\Theta + \Theta sin
\Theta)
y = \pm r (sin
\Theta - \Theta cos
\Theta)
siendo \Theta el ángulo entre la
línea entre el punto y el origen y el eje x en radianes, y r es el
radio interior del conjunto de trazos. Los conjuntos de evolventes
en el sistema de coordenadas cilíndricas se forman en relación con
el origen girando y copiando el trazo de una evolvente individual
girando en ambas direcciones mediante un cambio de nivel lineal.
Las áreas superficiales de los elementos de patrón, formadas por
conjuntos de evolventes ideales y que parecen rombos, no son
constantes en la dirección del radio, y las desviaciones de estos
elementos de patrón de la forma cuadrática aumentan cuando divergen
del radio interior, y no se forma un patrón ortogonal con las
intersecciones de los trazos que se extienden en direcciones
opuestas. Las diferencias en el área superficial de los elementos
de patrón y las desviaciones de los trazos del sistema ortogonal
aumentan cuanto mayor sea la relación R/r entre los
radios.
El conjunto de evolventes modificadas formado
por ranuras y/o las aristas 18 entre estas, mostrado en la figura
2, está formado por conjuntos de evolventes ideales que se extienden
en sentidos opuestos mediante la modificación de los trazos
individuales de forma que las áreas superficiales de los elementos
de patrón rectangulares son constantes y la desviación de la forma
de un cuadrado es lo más pequeña posible, y las curvas estén lo más
cerca posible del sistema ortogonal.
Claims (1)
1. Intercambiador de calor de placas circulares
(1) que comprende un alojamiento (3) que se utiliza como bastidor
(2) y una pila (6) de placas compuesta por placas de transferencia
de calor ranuradas circulares (10), teniendo lugar la trasferencia
de calor entre unos medios de transferencia de calor sólidos, gases,
líquidos o correspondientes que fluyen por espacios presentes entre
las placas de transferencia de calor (10), estando provistas dichas
placas de
- -
- unos orificios centrales (16), situados en la parte central de las placas (10), destinados a guiar el flujo de un medio de transferencia de calor a los espacios situados entre las placas, radialmente en relación con las placas de transferencia de calor (10),
- -
- unos orificios diametrales (11, 12) en los lados opuestos del orificio central, desde los cuales el flujo del segundo medio de transferencia de calor es guiado hasta un flujo en la dirección del perímetro del intercambiador de calor de placas circulares (1), constituyendo los orificios diametrales (11, 12) en los lados opuestos del orificio central de las placas de transferencia de calor (10) y el orificio central (16) los pasos de entrada o salida de los medios de transferencia de calor, y
- -
- unas ranuras en su plano y unas aristas (18) entre estas, ranuras a lo largo de las cuales fluye el medio de transferencia de calor entre dichos orificios diametrales (11, 12).
- caracterizado porque
- -
- las aristas entre las ranuras de dos placas de transferencia de calor adyacentes forman un patrón ortogonal y porque
- -
- las ranuras y/o las aristas (18) entre estas son trazos evolventes curvados, o trazos evolventes modificados, formándose los trazos evolventes modificados al modificar los trazos evolventes individuales de tal forma que las áreas superficiales de los elementos de patrón ortogonales formados por los trazos evolventes son constantes y la desviación de la forma de un cuadrado es lo más pequeña posible y las curvas son lo más ortogonal posible.
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