ES2289419T3 - Intercambiador de calor. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador térmico para la transmisión térmica entre dos fluidos con una entrada (1) y una salida (2) para un tubo envolvente (8) para un fluido a enfriar, y un tubo interno (3) dispuesto dentro del tubo envolvente (8), el cual está obturado hacia el lado opuesto a la entrada (1) y el cual está unido con una entrada de refrigerante (5) sobre el lado opuesto a la salida (2) y presenta una salida de refrigerante, que conduce hacia el lado del tubo interno (3) orientado hacia la salida (2) y que pasa a una tubería en espiral (7) vuelta desde allí en dirección de la entrada (1) alrededor del tubo interno (3), que desemboca finalmente en una descarga de refrigerante (10), caracterizado por el hecho de que la salida de refrigerante (7) del tubo interno (3) está conectada a un tubo de salida (6) que se extiende por el interior del tubo interno (3) hasta la proximidad del lado de dicho tubo interno orientado hacia la entrada (1).
Description
Intercambiador de calor.
La invención se refiere a un intercambiador
térmico para la transmisión térmica entre dos fluidos
separados.
Los intercambiadores térmicos son aplicados de
múltiples maneras en la técnica, para realizar una transmisión
térmica entre dos fluidos. Así, los fluidos a tratar son calentados
o enfriados con intercambiadores térmicos.
Un campo de aplicación para los intercambiadores
térmicos es el enfriamiento de gases calientes. Así por ejemplo en
el campo de los motores de combustión, los gases de escape con
temperaturas de 1000ºC y superiores son expelidos de la cámara de
combustión. En algunos casos es deseable enfriar estos gases
calientes a temperaturas de 50ºC y más bajas. Aquí son utilizados
típicamente los intercambiadores térmicos. En determinadas
situaciones, en las cuales el espacio es estrecho o en las cuales
por otras razones es preciso realizar el intercambio térmico en un
recorrido a ser posible corto, son deseados los intercambiadores
térmicos de construcción pequeña o corta.
Del estado de la técnica no se conoce ningún
intercambiador térmico que sea apropiado particularmente para
generar un gradiente de temperatura alto a una distancia lo más
corta posible (p. ej. enfriamiento de gases calientes con una
temperatura inicial de 1000ºC y superior a una temperatura de salida
por debajo de 80ºC, preferiblemente por debajo de 50ºC sobre una
longitud de construcción de aproximadamente
30 cm).
30 cm).
Es por lo tanto tarea de la invención proveer un
intercambiador térmico que permita alcanzar una alta eficiencia de
transmisión térmica en caso de una construcción compacta.
Esta tarea se resuelve con un intercambiador
térmico con las características de la reivindicación 1. Se indican
otras configuraciones constructivas ventajosas del intercambiador
térmico en las reivindicaciones 2 a 6. En la reivindicación 7 se
cita una aplicación preferida del intercambiador térmico según la
invención que no representa sin embargo una aplicación exclusiva
posible.
El intercambiador térmico según la invención se
caracteriza por un tubo interno situado en el interior de un tubo
envolvente, el cual está obturado unilateralmente. El extremo
obturado del tubo interno se encuentra en el lado de entrada del
tubo envolvente, en el cual entran por ejemplo los gases calientes
a enfriar u otros fluidos calientes. Un refrigerante es introducido
primero en el tubo interno y enfría el fluido a enfriar que está
pasando tanto en la parte frontal obturada como también en la pared
del tubo. Desde el tubo interno, el fluido refrigerante pasa
entonces a una tubería en espiral vuelta alrededor del tubo interno
y también allí da lugar a otro efecto de refrigeración antes de
abandonar el intercambiador térmico.
De esta manera se crea primero una superficie de
contacto claramente agrandada con respecto a los intercambiadores
de calor convencionales, en la cual, por separado y por medio de
las paredes del tubo interno o de la tubería en espiral tiene lugar
un contacto entre el fluido refrigerante y el fluido a enfriar.
Además, esta configuración constructiva, en la cual el fluido a
enfriar primero circula en contracorriente hacia el extremo
unilateralmente cerrado del tubo interno y pasa luego lateralmente
por el tubo interno, a lo largo de las espiras de la tubería en
espiral, provoca un arremolinamiento del fluido a enfriar, por lo
cual el fluido circula en remolinos parcialmente también contra la
corriente principal en sí. Con ello se obtiene un tiempo de
permanencia especialmente largo o un largo recorrido de migración
del fluido a enfriar en el intercambiador térmico, de modo que
resulte un contacto intenso entre el fluido a enfriar y los
elementos, el tubo interno y la tubería en espiral, atravesados por
el fluido en un recorrido corto del intercambiador térmico. Esto
finalmente da lugar a que en una corta extensión longitudinal del
intercambiador térmico pueda lograrse una refrigeración
considerable.
El intercambiador térmico según la invención
naturalmente es sin embargo también idóneo para calentar por lo
contrario un fluido frío que fluya por el tubo envolvente con ayuda
de un medio de calentamiento que fluya por la entrada "de
refrigerantes". En este aspecto, los conceptos "entrada de
refrigerante", "salida de refrigerante" y "descarga de
refrigerante" no han de interpretarse en el sentido de estar
limitados a un refrigerante, sino que pueden ser utilizados
igualmente para un fluido, el cual es aprovechado para calentar un
medio que fluye por el tubo envolvente, es decir un "medio de
calentamiento".
El tubo de salida previsto en el interior del
tubo interno tiene la ventaja de que el refrigerante que fluye por
el tubo interno debe distribuirse por todo el tubo interno antes de
que pueda pasar al tubo de salida y entrar en la tubería en
espiral. De esta manera se refuerza el efecto de refrigeración
logrado en la pared del tubo interior, lo cual da lugar a una mejor
potencia de refrigeración total o potencia de transmisión térmica
del intercambiador térmico. Los mismos razonamientos rigen
naturalmente para un funcionamiento del intercambiador térmico para
calentar un fluido.
La configuración del lado obturado del tubo
interno como placa de choque conduce a un primer arremolinamiento
del medio afluente que se produce ya en esta geometría,
contribuyendo en total al largo tiempo de permanencia del medio
afluente en el intercambiador térmico y a la alta eficiencia
lograda del intercambiador térmico.
También el perfeccionamiento previsto según la
reivindicación 3 contribuye a una alta eficiencia del
intercambiador térmico, ya que la tubería en espiral es guiada al
menos a lo largo de toda la longitud del tubo interno dando vueltas
alrededor del mismo. Las espiras individuales de la tubería en
espiral preferiblemente forman en este caso estrechas vueltas sin
entrar en contacto entre sí. Entre las espiras individuales de la
tubería en espiral debe haber una distancia, para que también allí
pueda tener lugar un contacto entre el fluido a enfriar o a
calentar y la superficie de la tubería en espiral atravesada por el
refrigerante o el medio de calentamiento.
Una configuración, como la indicada en la
reivindicación 4, según la cual la tubería en espiral está
dispuesta a una distancia radial a la pared del tubo interno y a la
pared del tubo envolvente, contribuye al arremolinamiento deseado
del medio que circula por el tubo envolvente y a la mayor eficiencia
de intercambio térmico asociada. Así se ha demostrado que una
distancia radial de la tubería en espiral a esta pared del tubo
interno, que sea aproximadamente igual a la distancia radial de la
tubería en espiral hasta la pared del tubo envolvente, ofrece unos
resultados especialmente buenos (reivindicación 5).
Según la reivindicación 6 es finalmente
ventajoso que al menos la tubería en espiral del intercambiador
térmico esté realizada de un material con buenas características de
conducción térmica. En este caso se utiliza preferiblemente el
cobre, sin embargo también son imaginables otros materiales con
buenas características de conducción térmica, como por ejemplo la
plata.
Preferiblemente el intercambiador térmico según
la invención se utiliza para enfriar gases de escape de combustión
de motores de combustión, particularmente gases de escape de
combustión de motores de automóvil. Precisamente en los motores de
automóviles o en el sistema de gases de escape de los motores de
automóviles, un intercambiador térmico de este tipo debe alcanzar
una alta potencia de refrigeración, para enfriar los gases de
escape calientes con aproximadamente 1000ºC y superior para que
salgan de la cámara de combustión a una temperatura de 80ºC e
inferior, preferiblemente por debajo de 50ºC. El intercambiador
térmico sin embargo debe ser también de una construcción compacta,
puesto que el espacio en el sistema de gases de escape del
automóvil es limitado. Aquí resulta especialmente muy apropiado el
intercambiador térmico según la invención.
Se deducen otras ventajas y características del
intercambiador térmico según la invención de la siguiente
descripción con ayuda de la figura adjunta. En este caso, en la
Fig. 1 se muestra esquemáticamente una sección transversal de un
intercambiador térmico según la invención.
En la figura se representa esquemáticamente un
intercambiador térmico según la invención 12 en sección
transversal. El intercambiador térmico 12 según la invención
comprende un tubo envolvente 8, el cual desemboca en una entrada 1
representada arriba en el dibujo y una salida 2 representada abajo
en el dibujo, pasando por estrechamientos radiales. Este ejemplo de
realización del intercambiador térmico 12 está concebido
preferiblemente para el enfriamiento de gases calientes. El
intercambiador térmico según la invención puede emplearse sin
embargo en todas las variantes posibles así como también para el
enfriamiento de líquidos, para calentar gases o líquidos u otras
transmisiones térmicas.
En el interior del tubo envolvente 8 está
dispuesto de manera concéntrica a éste un tubo interno 3, el cual,
en su parte frontal opuesta a la entrada 1 y representada arriba en
el dibujo, está obturado. La parte frontal obturada del tubo
interno 3 forma una placa de choque 11 para un fluido, en
particular un gas, afluente a través de la entrada 1 al
intercambiador térmico 12. En el lado opuesto a la salida 2 del
tubo interno 3, éste presenta una entrada de refrigerante 5, que
atraviesa el tubo envolvente 8 y que está conectado a una
alimentación de refrigerante 9. En el interior del tubo interno 3
se encuentra un tubo de salida 6, el cual se extiende hasta la
proximidad de la placa de choque 11 y donde presenta un orificio.
Este orificio se encuentra aproximadamente central sobre el eje
central del tubo interno 3. El tubo de salida 6 sale del tubo
interno 3 y pasa a una tubería en espiral 7, guiada en estrechas
espiras, pero manteniendo una distancia entre las espiras, a lo
largo de toda la longitud del tubo interno 3 y alrededor de éste.
Al final de la tubería en espiral, ésta pasa a un tubo de descarga
de refrigerante 10 que atraviesa el tubo envolvente 8.
En un funcionamiento preferido para el
enfriamiento de gases de escape calientes de motores de combustión,
los gases de escape entran por la entrada 1 en el tubo envolvente
8. Allí impactan sobre la placa de choque 11, con lo cual la
corriente es dividida y se producen unos primeros arremolinamientos.
Esto está indicado esquemáticamente en la figura por unas flechas
correspondientes. Allí en la placa de choque 11 ya tiene lugar un
primer contacto mediato con el fluido refrigerante que circula en
el tubo interno 3, de modo que ya se provoca un efecto de
refrigeración inicial. Una vez desviado el medio caliente entrante,
preferiblemente el gas, de la placa de choque 11, penetra en el
espacio anular formado entre el tubo envolvente 8 y el tubo interno
3. En este espacio anular se encuentra la tubería en espiral, que,
en este ejemplo de realización, está dispuesta en dirección radial
aproximadamente central entre la pared del tubo interno 3 y la pared
del tubo exterior 8. Debido a la resistencia al flujo producida por
la tubería en espiral 7 por una parte, así como también por la
convección producida entre la pared del tubo interno 3 que es fría
en comparación con el refrigerante fresco afluente, y las paredes
más calientes de la tubería en espiral 7 atravesada ya por el
refrigerante calentado, el fluido afluente en el tubo envolvente 8,
preferiblemente el gas, es forzado a una formación de remolinos.
Esto está señalado mediante flechas correspondientes en la figura
derecha arriba en las dos vueltas superiores de la tubería en
espiral 7. Mediante estos arremolinamientos, el fluido afluente,
preferiblemente un gas, circula en el tubo envolvente 8 en un
recorrido claramente prolongado y tiene un contacto intensivo con
las superficies de los elementos tubo interno 3 y tubería en
espiral 7, atravesados por el fluido refrigerante.
Una vez atravesada toda la longitud del tubo
envolvente 8 o de la tubería en espiral 7 y en este caso
experimentando un fuerte arremolinamiento, el fluido enfriado,
preferiblemente un gas, sale por la salida 2.
El flujo de refrigerante desde la alimentación
de refrigerante 9 a través del tubo interno 3 y de la tubería en
espiral 7 hasta el tubo de descarga de refrigerante 10 está
señalado también por flechas.
En el ejemplo de realización mostrado para un
intercambiador térmico según la invención, el tubo interno 3 tiene
un diámetro d de 60 mm, el diámetro de la tubería en espiral
d_{s}, medido desde la pared exterior hasta la pared exterior, es
de 110 mm, el diámetro D del tubo envolvente es de 150 mm, la
longitud L del tubo envolvente es de 200 a 300 mm, el diámetro de la
entrada 1 y de la salida 2 (en las figuras no señalado) es de
aprox. 50 a 60 mm. Se utiliza una tubería de cobre como tubería en
espiral 7 con sección transversal circular y un diámetro de 15
mm.
Este intercambiador térmico es utilizado para
enfriar los gases de escape salientes de un motor de combustión con
aproximadamente 1000ºC y superior a temperaturas de aprox. 50ºC.
Para tal objeto se introduce n-butano con una
temperatura ambiente (aprox. 25ºC) en la entrada de refrigerante, el
n-butano abandona entonces la salida de refrigerante
con una temperatura de aproximadamente 120ºC. Para la elevación del
refrigerante n-butano se utiliza una bomba de 30
bar. Alternativamente puede utilizarse como refrigerante, en lugar
del n-butano, también agua u otro líquido o una
mezcla líquida.
Debido a sus dimensiones, el intercambiador
térmico según la invención podría ser integrado en el sistema de
gases de escape de un automóvil, por ejemplo como sustitución de un
catalizador o un silenciador.
Como efecto positivo del enfriamiento drástico
de los gases de escape resultó que no se produjeron los
contaminantes contenidos en los gases de escape, que por otro lado
deben ser eliminados del flujo de gases de escape mediante una
técnica de catalizadores dispendiosa, en el intercambiador térmico.
Esto se explica por el hecho de que, debido al enfriamiento rápido
de los gases de escape a las temperaturas a las cuales salen del
motor de combustión, hasta el punto de rocío de agua, se forma
agua. Este agua lava casi por completo los demás componentes nocivos
contenidos en el flujo de gases de escape. Mediante el agua
producida al enfriarse los gases de escape hasta el punto de rocío
del agua surge un efecto de refrigeración adicional, puesto que
también el agua puede evacuar una parte de calor.
Además, el gas ocupará un volumen más pequeño
con una diferencia de temperatura de varios 100ºC, puesto que todos
los gases durante el calentamiento a 1ºC se expanden en 1/126 y se
contraen con una reducción de la temperatura. Esto tiene como
consecuencia, que, con el empleo del intercambiador térmico según
la invención para el enfriamiento de los gases de escape producidos
en un motor de combustión de un automóvil, las emisiones de sonido
se reducen casi completamente pudiéndose suprimir los silenciadores
salvo un silenciador final.
El intercambiador térmico según la invención no
está limitado a la aplicación descrita en este ejemplo de
realización, sino puede emplearse para el enfriamiento o
calentamiento de diversos fluidos. Así por ejemplo es imaginable
emplear un intercambiador térmico dimensionado correspondientemente
mayor en caso de proporciones similares para el enfriamiento de
gases de escape de centrales energéticas o instalaciones
industriales, donde también aquí puede lograrse un efecto de
depuración provocado por el enfriamiento repentino de los
gases.
Pero incluso sin un efecto depurador, el
intercambiador térmico puede ser aplicado únicamente para la
transmisión de calor.
En este aspecto se hace referencia a las
siguientes reivindicaciones relativas al alcance y contenido de la
invención, que solo limitan la invención en su contenido.
\global\parskip0.500000\baselineskip
1
\tabulEntrada
2
\tabulSalida
3
\tabulTubo interno
4
\tabulExtremo inferior del tubo
5
\tabulEntrada de refrigerante
6
\tabulTubo de salida
7
\tabulTubería en espiral
8
\tabulTubo envolvente
9
\tabulAlimentación de refrigerante
10
\tabulTubo de descarga de refrigerante
11
\tabulPlaca de choque
12
\tabulIntercambiador térmico
D
\tabulDiámetro
D
\tabulDiámetro
Ds
\tabulDiámetro
L
\tabulLongitud
\global\parskip0.000000\baselineskip
Claims (7)
1. Intercambiador térmico para la transmisión
térmica entre dos fluidos con una entrada (1) y una salida (2) para
un tubo envolvente (8) para un fluido a enfriar, y un tubo interno
(3) dispuesto dentro del tubo envolvente (8), el cual está obturado
hacia el lado opuesto a la entrada (1) y el cual está unido con una
entrada de refrigerante (5) sobre el lado opuesto a la salida (2) y
presenta una salida de refrigerante, que conduce hacia el lado del
tubo interno (3) orientado hacia la salida (2) y que pasa a una
tubería en espiral (7) vuelta desde allí en dirección de la entrada
(1) alrededor del tubo interno (3), que desemboca finalmente en una
descarga de refrigerante (10), caracterizado por el hecho de
que la salida de refrigerante (7) del tubo interno (3) está
conectada a un tubo de salida (6) que se extiende por el interior
del tubo interno (3) hasta la proximidad del lado de dicho tubo
interno orientado hacia la entrada (1).
2. Intercambiador térmico según la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el lado
obturado del tubo interno forma una placa de choque (11) para el
fluido a enfriar y que fluye por el tubo envolvente (8) a través de
la entrada (1).
3. Intercambiador térmico según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que la tubería en espiral (7) es guiada al menos a lo largo de toda
la longitud del tubo interno (3) y rodeando éste último.
4. Intercambiador térmico según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que la tubería en espiral (7) está dispuesta con distancia radial a
la pared del tubo interno (3) y a la pared del tubo envolvente
(8).
5. Intercambiador térmico según la
reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que la
distancia radial de la tubería en espiral (7) a la pared del tubo
interno (3) es aproximadamente igual a la distancia radial de la
tubería en espiral (7) a la pared del tubo envolvente (8).
6. Intercambiador térmico según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que al menos la tubería en espiral (7) consiste en un material con
buenas características de conducción térmica calor, preferiblemente
de cobre.
7. Aplicación de un intercambiador térmico
según una de las reivindicaciones 1 a 6 para el enfriamiento de
gases de escape que provienen de la combustión de motores de
combustión, particularmente de gases de escape de combustión de
motores de automóviles.
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