ES2352343T3 - Intercambiador de calor de placas. - Google Patents
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Abstract
Un intercambiador de calor de placas, destinado a intercambiar calor entre por lo menos un fluido de alta temperatura y por lo menos un fluido de refrigeración, que comprende una pluralidad de placas (21, 31) apiladas del intercambiador de calor, cada una de los cuales comprende: (a) una abertura de entrada (3) para el fluido de alta temperatura, (b) una abertura de salida (4) para un fluido de refrigeración (c) una abertura de salida (5) para el fluido de alta temperatura y (d) una abertura de entrada (6) para el fluido de refrigeración, las placas apiladas del intercambiador de calor limitando canales para por lo menos dos fluidos que intercambian calor, y en el que pares de placas que limitan canales para un fluido de refrigeración están soldadas juntas a lo largo de áreas de contacto (10) para formar pestañas que se extienden en la entrada del flujo del fluido de alta temperatura, caracterizado porque hay provistos dos canales (23, 26) separados para el fluido de refrigeración adyacente a dichas áreas de contacto (10) que forman una pestaña que se extiende en el flujo de dicho fluido de alta temperatura que pasa a través de la abertura de entrada (3), estando dichos dos canales (23, 26) separados para el fluido de refrigeración provistos de una entrada común (24), y de una salida común (25), estando dicha entrada común (24) situada en una posición con presión de flujo más elevada que la de dicha salida común (25), estando uno (23) de dichos canales (23, 26) limitado en parte por una arista a presión (22) en una (21) de dichas placas (21, 31) que forman dichos pares de placas que limitan canales para el fluido de refrigeración, estando dicha arista a presión (22) destinada a hacer contacto con una arista correspondiente (32) en la otra placa (31) en dicho par (21, 31) de placas, dicho un canal (23) adyacente a dicha arista a presión (22) que tiene menos altura que dicha arista a presión (22).
Description
Intercambiador de calor de placas.
La presente invención se refiere a un
intercambiador de calor de placas destinado a intercambiar calor
entre por lo menos un fluido de alta temperatura y por lo menos un
fluido de refrigeración que comprende una pluralidad de placas
apiladas del intercambiador de calor, comprendiendo cada una de las
cuales: (a) una abertura de entrada para el fluido de alta
temperatura, (b) una abertura de salida para un fluido de
refrigeración, (c) una abertura de salida para dicho fluido de alta
temperatura y (d) una abertura de entrada para el fluido de
refrigeración, limitando, las placas apiladas del intercambiador de
calor, canales para por lo menos dos líquidos que intercambian
calor, y en el que pares de placas que limitan los canales para un
fluido de refrigeración están soldadas juntas a lo largo de áreas
de contacto para formar pestañas que se extienden en la entrada del
flujo de fluido de alta temperatura.
Dicho fluido de alta temperatura puede ser una
corriente de gas generada por la combustión de un combustible tal
como petróleo o gas natural, y el fluido de refrigeración puede ser
un flujo de agua utilizado para calentar las casas de viviendas.
Ciertamente se desea diseñar el intercambiador de calor tan pequeño
como sea posible y a un coste de fabricación bajo. Esto puede
obtenerse haciendo el intercambiador capaz de recibir el flujo del
gas de calentamiento a una temperatura muy alta.
Un límite de temperatura de los gases calientes
utilizados es establecido, por ejemplo, mediante el uso de material
para soldar para interconectar placas adyacentes del intercambiador
de calor alrededor de los agujeros de la portilla a través de los
cuales pasan los gases calientes. El material de soldadura -a menudo
cobre o níquel- es propenso a la fatiga cuando está expuesto a
temperaturas que cambian rápidamente, es decir, está expuesto a
elevados gradientes de temperatura. Incluso el material utilizado en
las placas del intercambiador de calor -generalmente acero- es
propenso a la fatiga cuando está expuesto a variaciones grandes y
rápidas de la temperatura. Por lo tanto, la vida del intercambiador
disminuirá generalmente con el aumento de la temperatura del fluido
de alta temperatura que pasa por el intercambiador.
El objeto de la presente invención es diseñar un
intercambiador de calor de placas del tipo referido más arriba, en
el cual los gradientes de temperatura máxima del material en el
intercambiador pueden ser reducidos substancialmente y en el cual
la vida del intercambiador puede prolongarse substancialmente.
Según la presente invención, esto se obtiene por
medio de que dos canales separados para un fluido de refrigeración
estén provistos adyacentes a dichas áreas de contacto formando una
pestaña que se extiende en el flujo de dicho fluido de alta
temperatura que pasa a través de la abertura de entrada, estando
dichos dos canales separados para el fluido de refrigeración
proporcionados con una entrada común y con una salida común, estando
dicha entrada común situada en una posición en la que la presión
del flujo es más alta que la de dicha salida común, estando uno de
dichos canales limitado parcialmente por una arista a presión en una
de dichas placas que forman dichos pares de placas que limitan los
canales para el fluido de refrigeración, estando dicha arista a
presión destinada a hacer contacto con una arista correspondiente
en la otra placa en dicho par de placas, teniendo dicho canal
adyacente a dicha arista a presión menos altura que dicha arista a
presión.
Así se asegura que un flujo estable de medio
refrigerante será pasado entre las placas que están interconectadas
mediante soldadura a lo largo de las áreas que confinan las
aberturas de entrada en las placas para el flujo de alta
temperatura, estando dicho flujo del medio de refrigeración cerca de
las juntas soldadas y al material de la placa expuesto a máximos
gradientes de temperatura en el intercambiador.
La invención será descrita más detalladamente
haciendo referencia al dibujo adjunto, en el cual
la figura 1 muestra, esquemáticamente y en vista
en planta, una placa de un intercambiador de calor de la técnica
anterior destinada a calentar agua fría mediante gases calientes de
combustión.
La figura 2 muestra, esquemáticamente y en vista
en planta, una placa de un intercambiador de calor según la
presente invención.
La figura 3 muestra, esquemáticamente y en vista
en planta, una placa de un intercambiador de calor destinada a
estar colocada en la parte superior de una placa del tipo mostrado
en la figura 2 en un intercambiador de calor según la presente
invención.
La figura 4 muestra una sección vertical a
través de un intercambiador de calor según la presente invención,
siendo tomada dicha sección a lo largo de las líneas
X-X en las figuras 2 y 3.
La figura 5 muestra, como una vista en despiece
ordenado, el flujo que define las placas como las mostradas en la
figura 4.
La figura 6 es una vista en planta de una placa
de intercambiador de calor de un intercambiador de calor de tres
circuitos que corresponde a la placa mostrada en la figura 1.
La figura 7 es una vista en planta de una placa
de intercambiador de calor de un intercambiador de calor de tres
circuitos según la invención que muestra cómo el enfriamiento de las
pestañas de la placa en la entrada para un fluido caliente puede
ser mejorado en relación con la realización de la figura 6.
La figura 8 es una vista en planta de una placa
de intercambiador de calor de un intercambiador de calor de tres
circuitos que tiene una entrada central para fluido de
calentamiento.
La figura 9 es una vista en planta de una placa
de intercambiador de calor de un intercambiador de calor de tres
circuitos según la invención, que muestra cómo el enfriamiento de
las pestañas de la placa en la entrada para un fluido caliente
puede ser mejorado en relación con la realización de la figura
8.
La figura 10 es una vista en planta de una placa
de intercambiador de calor de un intercambiador de calor de tres
circuitos en el cual el calor es intercambiado entre un fluido de
refrigeración y dos fluidos de calentamiento.
La figura 11 es una vista en planta de una placa
de intercambiador de calor de un intercambiador de calor de tres
circuitos según la invención que muestra cómo el enfriamiento de las
pestañas de la placa en las entradas para dos fluidos de
calentamiento puede ser mejorado en relación con la realización de
la figura 10.
La figura 12 es una sección vertical a lo largo
de la línea Y-Y de la figura 11.
Una placa 1 conocida de intercambiador de calor
mostrada en la figura 1 está provista de un patrón de salientes y
entrantes curvos a presión con aristas y depresiones -mostrado
esquemáticamente y designado mediante 2. La placa 1 es mostrada
desde arriba y la cara superior está destinada a limitar un flujo de
agua de refrigeración, mientras su otra cara está destinada a
limitar un flujo de gas caliente, por ejemplo, que tiene una
temperatura de 1300ºC. La placa 1 está provista de cuatro agujeros
3-6, siendo el agujero 3 una entrada para el fluido
de alta temperatura, siendo el agujero 4 una salida para el agua de
refrigeración, siendo el agujero 5 una salida para el fluido de
alta temperatura y siendo el agujero 6 una entrada para el agua de
refrigeración.
El flujo de agua de refrigeración a lo largo de
la placa 1 ha sido indicado mediante una pluralidad de flechas 7 y
8 - indicando las flechas más grandes 7 direcciones de un flujo de
masa más grande, mientras las flechas 8 indican la dirección de un
flujo de masa substancialmente menor. El agujero 3 está limitado por
un borde circular 9 de la placa 1 que ha sido soldada a una placa
adyacente del intercambiador de calor -no mostrada en la figura 1-
a lo largo de una área 10 con forma de anillo entre el borde 9 y una
línea 11 que confinaba una esquina 13 de la placa 1. La área 10 con
forma de anillo de las dos placas soldadas juntas formará una
pestaña que, en ambas caras, están en contacto mediante gases
calientes y refrigerado mediante la conducción de calor a partes de
la placa adyacente expuestas al agua de refrigeración.
Sin embargo, el flujo de agua de refrigeración
es muy lento a lo largo de una parte 12 de la placa 1 -mostrada
mediante una trama en la figura 1. Por lo tanto, el material de
soldadura -cobre o níquel- utilizado para interconectar las placas
en la área 10, y el material de la placa en la área 10 alcanzará tal
temperatura elevada que excede el límite establecido mediante el
material de soldadura y, a menudo, junto con un elevado gradiente
de temperatura en el material de las placas del intercambiador de
calor. Esto puede provocar la fatiga del material y, por tanto,
reducir substancialmente, el tiempo de vida del intercambiador de
calor.
Las figuras 2 y 3 muestran cómo este
inconveniente puede ser evitado en gran parte usando un diseño según
la presente invención.
La figura 2 muestra una placa 21 de
intercambiador de calor que se va a utilizar en un intercambiador de
calor según la presente invención. Los detalles y las
características correspondientes ya mostradas en la figura 1 se han
proporcionado con los números de referencia correspondientes. La
placa 21 es mostrada desde arriba y el agua de refrigeración está
pasando por el lado superior mientras el gas caliente está
circulando a lo largo de su lado inferior. Una arista 22, formada
como parte de un anillo, ha sido presionada en dirección ascendente
hasta el nivel de las partes superiores de las aristas 2. La parte
superior de dicha arista 22 hace contacto con la parte superior de
una arista correspondiente en una placa adyacente -explicada más
abajo haciendo referencia a la figura 3- y limita con un canal 23
separado situado entre la arista 22 y dicha pestaña en una parte
del área 10 con forma de anillo. Como se muestra en la figura 2, el
canal 23 tiene una entrada 24 alejada de la abertura de salida 4
para el flujo de agua de refrigeración y una salida 25 cerca de
dicha abertura de salida 4. Una parte del flujo de agua de
refrigeración que entra en la entrada 24 del canal 23 pasará a
través de un canal 26 entre dicha pestaña en una parte del área 10
con forma de anillo y la esquina adyacente 13 de la placa 21. Se
comprenderá que la presión del fluido de refrigeración en la
posición de la entrada 24 sea más alta que la de la salida 25,
asegurando así un flujo a través de los canales 23 y 26.
La figura 3 muestra una placa 31 del
intercambiador de calor que va a ser colocada en la parte superior
de la placa 21 mostrada en la figura 2. La figura 3 muestra la
placa 31 desde arriba y el agua de refrigeración pasará a lo largo
de su cara inferior. Como es práctica común en la técnica, el patrón
2 de salientes y entrantes curvos de la placa 31 está dirigido en
oposición al de la placa de la figura 2. La arista que tiene forma
como parte de un anillo, y es mencionada más arriba, ha sido
designada mediante 32 y es presionada en dirección descendente para
hacer contacto con la parte superior de la arista 22 mostrada en la
figura 2. Las dos aristas curvadas 22 y 32 limitarán juntas, por lo
tanto, con el canal 23. La entrada 24 del canal y la salida 25 del
canal se muestran de nuevo en la figura 3.
\newpage
\global\parskip0.900000\baselineskip
La figura 4 es una sección vertical a través de
un intercambiador de calor según la invención -siendo tomada la
sección a lo largo de las líneas X-X de las figuras
2 y 3. El intercambiador mostrado tiene diez canales que forman
placas de placa metálica delgada soldadas juntas en las áreas y en
los puntos en los que hacen contacto unos con otros. Como se
muestra en la figura 4, el intercambiador está provisto de placas de
extremo más pesadas -una placa de extremo superior 101 y una placa
de extremo inferior 102. La placa de extremo superior 101 lleva
elementos de ajuste 103, 104 para conexiones a una fuente para
proporcionar flujo de gas caliente respectivamente para drenar agua
de refrigeración caliente. Los números de referencia 105 y 106 son
utilizados para anillos de distancia. Los flujos del intercambiador
de calor están provistos de diferentes sombreados con rayas.
Se comprenderá que los canales 23 y 26 para agua
de refrigeración estarán situados cerca de las conexiones soldadas
y partes de la placa expuestas al flujo de gas caliente, por
ejemplo, las pestañas formadas por las áreas 10 con forma de anillo
del canal que forma placas y, por tanto, inferior a la temperatura
máxima del material de soldadura y del material de las
pestañas.
Debe también ser comprendido que la altura de
los canales 23 y 26 establecida mediante depresiones en las placas
próximas al área 10 debería ser menor que la altura de las aristas
22 o las depresiones 32 para no bloquear el flujo del medio de
temperatura elevada.
La figura 5 muestra, por separado y dibujado
aparte, algo del canal que forma las placas de la figura 4. Las
placas que tienen la forma correspondiente a la placa mostrada en la
figura 2 han sido marcadas con A y las placas que corresponden a
las de la figura 3 están marcadas con B. La altura de una arista
curvada 22 de la placa de tipo A y de la depresión curvada
correspondiente 32 de una placa tipo B deberían ser iguales a la
altura de una arista del patrón 2 de salientes y entrantes en curva
de las placas. Los flujos de gas caliente y de agua de
refrigeración han sido mostrados, respectivamente, con flechas
dobles y sencillas.
Se comprenderá que el dispositivo descrito
arriba y mostrado en las figuras 2-5 pueden ser
utilizados para otros fines de intercambio de calor distintos a las
calderas para calentar casas de viviendas. Puede ser utilizado de
manera ventajosa para cualquier aplicación en la cual uno de los
flujos intercambiadores de calor es un fluido caliente que tiene
una temperatura tan alta que podría ser perjudicial para materiales
situados próximos a agujeros de la portilla en los que entra el
fluido caliente.
Las figuras 2-5 muestran la
invención siendo aplicada a un intercambiador de calor de dos
circuitos. La figura 6 muestra el problema de refrigerar las
pestañas de la placa que se extienden en una abertura de entrada
para un fluido caliente utilizado en un intercambiador de calor de
tres circuitos. Un intercambiador conocido de este tipo ha sido
descrito, por ejemplo, en la patente estadounidense número
6.305.466. En este tipo de intercambiador, un fluido de
calentamiento es refrigerado por dos fluidos de baja temperatura
independientes. Cada uno de los dos fluidos de refrigeración está
limitado por pares de placas interconectadas mediante soldadura
alrededor de agujeros de la portilla para el fluido de
calentamiento y que forma pestañas que se extienden en los agujeros
de la portilla para el fluido de calentamiento. Normalmente, la
entrada y la salida para el fluido de calentamiento están
dispuestas, respectivamente, entre las salidas y las entradas, para
los dos fluidos de refrigeración. Se comprenderá que el flujo de
fluido de refrigeración entre su entrada 6 y su salida 4 será algo
lento en el área indicada mediante sombreado a rayas.
Según se muestra en la figura 7, los canales 23
y 26 independientes que tienen entradas y salidas comunes,
respectivamente 24 y 25, pueden ser provistos y limitados
parcialmente por una arista 22. Así el enfriamiento del área 10 de
la placa que forma las pestañas que se extienden en la entrada 3 del
fluido caliente será mejorado en un modo similar al enfriamiento
referido arriba con respecto a la explicación de las figuras
2-5. El área designada mediante 27 es un área de
placa presionada a la altura de la
\hbox{arista 22. Debe
advertirse que la área 27 no necesita, especialmente, ser
refrigerada.}
La figura 8 muestra una placa de un
intercambiador de calor de tres circuitos en el cual un flujo de
calentamiento que tiene una portilla 3 de entrada central y dos
portillas 5a y 5b de salida está intercambiando calor con dos
flujos de refrigeración que tienen entradas 6, 6' y salidas 4, 4'.
El flujo de refrigeración será algo pobre a lo largo de las áreas
con sombreado a rayas de la figura 8.
Como se muestra en la figura 9 el flujo de
refrigeración se podía mejorar alrededor de la entrada 3 del fluido
de calentamiento mediante la provisión de canales 23 y 26 que tienen
una entrada común 24 y una salida común 25 y que están limitados en
parte por las aristas 22 y 22'.
La figura 10 muestra el problema de refrigerar
las dos entradas de un fluido de calentamiento de un intercambiador
de calor de tres circuitos que tiene un único fluido de
refrigeración para enfriar dos fluidos de calentamiento. Las áreas
con sombreado con rayas, mostradas en la figura 10, indican áreas
con enfriamiento pobre debido a la baja velocidad del fluido de
refrigeración.
La figura 11 muestra cómo el enfriamiento podría
ser mejorado de una forma similar al de las realizaciones de la
invención descritas previamente. Características similares se han
proporcionado con números de referencia correspondientes. Para una
mejor comprensión, la figura 12 muestra
\hbox{la sección
vertical a lo largo de la línea Y-Y de la figura
11.}
En la figura 12, cada uno de los dos fluidos de
calentamiento, así como el único fluido de refrigeración, están
provistos de un sombreado con rayas especial. Los canales 23 y 26
están cerca de las pestañas 10. Cada pestaña consiste en cuatro
partes de placa soldadas juntas.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Claims (7)
1. Un intercambiador de calor de placas,
destinado a intercambiar calor entre por lo menos un fluido de alta
temperatura y por lo menos un fluido de refrigeración, que comprende
una pluralidad de placas (21, 31) apiladas del intercambiador de
calor, cada una de los cuales comprende: (a) una abertura de entrada
(3) para el fluido de alta temperatura, (b) una abertura de salida
(4) para un fluido de refrigeración (c) una abertura de salida (5)
para el fluido de alta temperatura y (d) una abertura de entrada (6)
para el fluido de refrigeración, las placas apiladas del
intercambiador de calor limitando canales para por lo menos dos
fluidos que intercambian calor, y en el que pares de placas que
limitan canales para un fluido de refrigeración están soldadas
juntas a lo largo de áreas de contacto (10) para formar pestañas
que se extienden en la entrada del flujo del fluido de alta
temperatura,
caracterizado porque hay provistos dos
canales (23, 26) separados para el fluido de refrigeración adyacente
a dichas áreas de contacto (10) que forman una pestaña que se
extiende en el flujo de dicho fluido de alta temperatura que pasa a
través de la abertura de entrada (3), estando dichos dos canales
(23, 26) separados para el fluido de refrigeración provistos de una
entrada común (24), y de una salida común (25), estando dicha
entrada común (24) situada en una posición con presión de flujo más
elevada que la de dicha salida común (25), estando uno (23) de
dichos canales (23, 26) limitado en parte por una arista a presión
(22) en una (21) de dichas placas (21, 31) que forman dichos pares
de placas que limitan canales para el fluido de refrigeración,
estando dicha arista a presión (22) destinada a hacer contacto con
una arista correspondiente (32) en la otra placa (31) en dicho par
(21, 31) de placas, dicho un canal (23) adyacente a dicha arista a
presión (22) que tiene menos altura que dicha arista a presión
(22).
2. Un intercambiador de calor de placas según la
reivindicación 1,
Caracterizado porque en cada placa del
intercambiador de calor dicha abertura de entrada (3) para dicho
flujo de fluido de alta temperatura es de una área más grande que
la de la abertura de salida (5) para dicho fluido de alta
temperatura.
3. Un intercambiador de calor de placas según la
reivindicación 1 o la 2,
caracterizado porque está adaptado para
un gas como dicho fluido de alta temperatura.
4. Un intercambiador de calor de placas según
cualquiera de las reivindicaciones 1-3,
caracterizado porque cada placa del
intercambiador de calor es de forma generalmente rectangular y
porque las aberturas de entrada y de salida (3-6)
para los fluidos que intercambian calor próximo están colocadas
cerca de las esquinas de la misma.
5. Un intercambiador de calor de placas según la
reivindicación 1,
caracterizado porque está diseñado para
tres fluidos que intercambian calor:
- (i)
- un fluido de calentamiento, de alta temperatura y
- (ii)
- dos fluidos de refrigeración. (Figura 7).
6. Un intercambiador de calor de placas según la
reivindicación 5, caracterizado porque la entrada (3) del
fluido de calentamiento ha sido situada alejada de la entrada (6) y
de la salida (4) para uno de los dos fluidos de refrigeración.
(Figura. 9).
7. Un intercambiador de calor de placas según la
reivindicación 1, caracterizado porque ha sido diseñado para
tres fluidos que intercambian calor: (i) dos fluidos de
calentamiento y (ii) un fluido de refrigeración, las aberturas de
entrada (3, 3') y de salida (5, 5') para los fluidos de
calentamiento que están situados a ambos lados de las aberturas (4,
6) del fluido de refrigeración. (Figura. 11)
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