ES2437267A1

ES2437267A1 - Intercambiador de calor rotativo

Info

Publication number: ES2437267A1
Application number: ES201331691A
Authority: ES
Inventors: José María Martínez-Val Peñalosa
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-01-09

Abstract

Intercambiador de calor rotativo. Consistente en una estructura cilíndrica tubular rotatoria que a su vez consta de una tubería central de aportación del fluido primario y un conducto anular de retorno de dicho fluido, existiendo en el conducto anular varias protuberancias en forma de brazos en U, que giran solidarios con la estructura cilíndrica, en el seno de una vasija de contención del fluido secundario, habiendo unos tabiques transversales de separación, en forma de disco, por cuyo interior pasa la estructura cilíndrica rotatoria, quedando los brazos en U situados a una misma altura en la estructura cilíndrica en el espacio dejado entre dos tabiques sucesivos.

Description

INTERCAMBIADOR DE CALOR ROTATIVO

Sector técnico

La invención se encuadra en el campo de los intercambiadores de calor entre dos fluidos, uno primario, que es el que lleva más alta exergía, y uno secundario, que es el que recibe el calor desde el primario, no entrando en contacto o intercambio directo los dos fluidos entre

10 sí, permaneciendo cada uno dentro de su circuito, con la peculiaridad de que uno de ellos, en general el fluido primario, procede de un sistema giratorio o rotativo, por lo cual su conducción a través de colectores de entrada y salida ha de ser también de tipo rotatorio, mientras que el secundario fluye por un circuito que está fijo.

15 Antecedentes de la invención La invención no debe confundirse con los intercambiadores de calor de disco rotativo, pues en ellos hay contacto entre los fluidos, como es el caso de los recuperadores de calor humos/aire.

20 Como antecedentes parciales se pueden señalar los documentos EP0600574A2 y GB437313A, siendo este último el que tiene algunas características técnicas más parecidas, aunque adolece del fallo de no estructurar el circuito secundario de tal manera que se produzca una estratificación de temperaturas, siendo más bien un mezclador, y siendo el primero de los documentos citados relativo a un intercambiador tipo “donuts” o toroidal, que

25 sin embargo no ofrece las mismas funcionalidades y características que la invención propuesta.

En algunas aplicaciones industriales, como pueden ser las plantas termosolares de concentración que giran en uno o dos ejes para hacer seguimiento solar, y como pueden ser 30 algunos hornos rotativos, se genera el calor por reacciones químicas o por absorción de radiación solar o de otra índole y tal calor se ha de extraer de dicho sistema, en general para ser utilizado en un ciclo termodinámico o similar, creándose el problema de cómo transferir la energía térmica del fluido procedente de ese sistema a otro fluido que esté contenido en un circuito fijo en tierra, que por ejemplo pueda activar térmicamente a un generador de

35 vapor.

Se produce el problema de que el fluido que procede del sistema de generación de energía está dentro de un circuito que gira, a mayor o menor velocidad, pero en todo caso de manera continuada. Por ejemplo ese fluido primario puede ser un gas inerte como el CO2, que esté refrigerando una central solar cuyo receptor de radiación gire lentamente, pero continuadamente. Dicho fluido a alta temperatura ha de transferir su energía a un fluido secundario que podría ser directamente el agua, para vaporizarla, o con mayor generalidad, un fluido secundario como sales fundidas (de nitratos o nitritos de potasio o de calcio), que transfieren la energía a otro sistema distinto donde tiene su utilidad final.

La transferencia de calor desde el primario al secundario se ha de hacer sin mezcla entre los fluidos, y más aún, con estanqueidad perfecta en el circuito primario, pues el fluido primario ha de retornar al sistema en el cual se nutre de calor.

Descripción de la invención

La invención comprende:

-: una estructura cilíndrica rotatoria compuesta de un tubo o conducto central y un conducto anular exterior al mismo, existiendo entre ambos un aislamiento térmico, y siendo toda la estructura cilíndrica solidaria entre sí, estando abierta por un extremo para su conexión con el sistema que le nutre de energía térmica, y quedando cerrada por su otro extremo o confín mediante un casquete esférico o torisférico;

-: una pluralidad de brazos radiales en U que parten desde el conducto anular hacia afuera, y vuelven de nuevo hacia el conducto anular, quedando la U del tubo en la parte más alejada del conducto anular, y habiendo varios de estos brazos a una misma altura del conducto anular, midiendo la altura en el sentido axial del eje de rotación, y conformando el conjunto de brazos en U que están a una misma altura lo que se denomina escalón de brazos en U;

-: quedando todos los brazos en U dentro de un recipiente o vasija de contención del fluido secundario, estando esta vasija fija en tierra, con al menos una boca de entrada de fluido secundario y al menos una boca de salida de dicho fluido secundario;

-: y existiendo unos tabiques separadores fijos al interior de la pared de la vasija del fluido secundario, siendo estos tabiques perpendiculares al eje de rotación y siendo

su forma geométrica la de un disco, con una oquedad en la parte interna, por la que atraviesa la estructura cilíndrica del fluido primario; -habiendo un escalón de brazos en U del conducto anular en el espacio entre dos tabiques consecutivos;

-: y en cada escalón de tubos, se interrumpe el conducto anular propiamente dicho continuando la canalización de flujo por dentro de los tubos en U de dicho escalón;

-: estando la vasija de contención cerrada por la fogonadura de entrada de la estructura cilíndrica merced a una junta rotativa;

-: y rotando toda la estructura cilíndrica, incluyendo sus brazos en U, en el interior de la vasija de fluido secundario a lo que se añade, con elementos exteriores a la invención en sí, el movimiento de los fluidos, que en el caso del fluido primario entra en la estructura cilíndrica del intercambiador de calor por el tubo o conducto central, llega hasta el confín, toma de vuelta hacia su sistema de origen, a lo largo del conducto anular, y a su paso por dicho conducto anular se desvía sucesivamente por los escalones de los brazos en U que conforman las protuberancias del conducto anular a lo largo del intercambiador en sí, esto es, dentro de la vasija.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra un corte en sentido longitudinal axial del intercambiador de calor, alrededor del eje de revolución de la estructura cilíndrica rotatoria.

La figura 2 muestra una sección transversal a la anterior, en la que se aprecian los brazos en U de un escalón, y la estructura interna de la parte rotatoria, así como el límite interior de los discos que hacen de tabique de separación, más la junta de cierre en la fogonadura de la vasija del fluido secundario.

Descripción detallada de la invención

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma:

1.: Eje de giro de la estructura cilíndrica

2.: Tubo central

3.: Pared del tubo central

4.: Conducto anular

5.: Aislamiento

6.: Pared del conducto anular giratorio

7.: Junta rotativa de cierre de la fogonadura

8.: Boca de entrada del fluido secundario en la vasija

5 9. Vasija de contención del fluido secundario

10.: Boca de salida de fluido secundario

11.: Brazo en U

12.: Tabique separador

13.: Flujo de salida del fluido primario 10 14. Flujo de entrada del fluido primario

15.: Flujo de salida del fluido secundario

16.: Flujo de entrada del fluido secundario

17.: Tapa de la vasija del fluido secundario

18.: Confín de la estructura cilíndrica 15 19. Límite interior de los tabiques separadores

Para la aplicación de la invención y su materialización es preciso seleccionar el material a emplear, que sea compatible con los fluidos de que se trate. La estructura cilíndrica requiere la confección de unos tubos en U del mismo material que sea la carcasa exterior de la

20 estructura cilíndrica, así como la unión de dichos tubos con dicha carcasa, de tal forma que en cada escalón de tubos se interrumpe el conducto anular propiamente dicho que es sustituido en cuanto a canalización de flujo por los tubos en U de dicho escalón.

Todo el conjunto cilíndrico gira libremente, y su única zona de fricción es la de la junta

25 rotativa de la fogonadura de la vasija del secundario, en la cual tiene que encajar dicha estructura cilíndrica.

Para insertar todo el conjunto de elementos que intervienen en la conformación de los flujos de los fluidos, la vasija en sí puede hacerse de un cuerpo cilíndrico más una tapa. El cuerpo

30 cilíndrico a su vez puede estar dividido en dos mitades longitudinales, para permitir el ensamblaje de los tabiques separadores, que pueden estar constituidos por dos mitades de disco, que se unen entre sí cuando se cierran las dos mitades del cuerpo de la vasija; sobre las cuales se ubica la tapa, que también puede estar compuesta de dos mitades de disco, lo cual facilita su armado con el cuerpo cilíndrico de la vasija y la junta de la fogonadura.

5 Las dimensiones físicas de las diversas partes dependerán de los fluidos que se utilicen y de las diferencias de temperaturas de entrada y salida, observándose las prescripciones convencionales de diseño de los intercambiadores de calor.

Es de notar que esencialmente el intercambio de calor se produce en contracorriente, lo cual

10 mejora las condiciones de funcionamiento, y permite que la temperatura de salida del fluido secundario sea mayor que la temperatura de salida del fluido primario, y más aún, que dicha temperatura de salida del fluido secundario esté próxima a la de entrada del fluido primario.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones

15 particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificación de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1 – Intercambiador de calor rotativo, caracterizado porque comprende una estructura cilíndrica rotatoria compuesta de un tubo o conducto central (2) y un conducto anular (4) exterior al mismo, existiendo entre ambos un aislamiento térmico, y siendo toda la estructura cilíndrica solidaria entre sí, estando abierta por un extremo para su conexión con el sistema que le nutre de energía térmica, y quedando cerrada por su otro extremo o confín (18) mediante un casquete esférico o de otra morfología; añadiéndose una pluralidad de brazos radiales en U (11) que parten desde el conducto anular hacia afuera, y vuelven de nuevo hacia el conducto anular, quedando la U del tubo en la parte más alejada del conducto anular, y habiendo varios de estos brazos a una misma altura del conducto anular, midiendo la altura en el sentido axial del eje de rotación, y conformando el conjunto de brazos en U que están a una misma altura lo que se denomina escalón de brazos en U; quedando todos los brazos en U dentro de un recipiente o vasija de contención (9) del fluido secundario, estando esta vasija firme en tierra, con al menos una boca de entrada de fluido secundario y al menos una boca de salida de dicho fluido secundario; y existiendo unos tabiques separadores (12) fijos al interior de la pared de la vasija del fluido secundario, siendo estos tabiques perpendiculares al eje de rotación y siendo su forma geométrica la de un disco, con una oquedad en la parte interna, por la que atraviesa la estructura cilíndrica del fluido primario; habiendo un escalón de brazos en U en el espacio entre dos tabiques consecutivos; y en cada escalón de tubos, se interrumpe el conducto anular propiamente dicho, continuando la canalización de flujo por dentro de los tubos en U de dicho escalón; estando la vasija de contención del fluido secundario cerrada en la fogonadura de entrada de la estructura cilíndrica merced a una junta rotativa (7).

2 – Intercambiador de calor rotativo, según reivindicación primera, caracterizado porque toda la estructura cilíndrica, incluyendo sus brazos en U, rota en el interior de la vasija de fluido secundario, y el fluido primario entra en la estructura cilíndrica del intercambiador de calor por el tubo o conducto central (2), llega hasta el confín (18), toma de vuelta hacia su sistema de origen a lo largo del conducto anular (4), y a su paso por dicho conducto anular se desvía sucesivamente por los escalones de los brazos en U (11) que conforman las protuberancias del conducto anular a lo largo del intercambiador en sí, que es el interior de la vasija (9).

Figura 1

Figura 2

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

N.º solicitud: 201331691

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 20.11.2013

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : Ver Hoja Adicional

DOCUMENTOS RELEVANTES

Categoría

56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas

X

CN 202793114 U (TORCH TECHNOLOGY HENAN CO LTD) 13.03.2013, reivindicaciones; figuras. 1,2

A

US 3369977 A (EMILE BECHARD) 20.02.1968, columna 1, líneas 35-58; columna 2, línea 69 – columna 4, línea 6; figura 2. 1,2

A

DE 3516487 A1 (AGROBER MEZOEGAZDASAGI ELELM et al.) 21.11.1985, página 8, párrafo 2; figuras. 1,2

A

US 1689189 A (BROADHURST FRANK S) 30.10.1928, página 1, líneas 1-5,30-37; página 1, línea 63 – página 3, línea 4; figuras 1,3. 1,2

A

GB 854371 A (SYDNEY NORTH COOMBES) 16.11.1960, todo el documento. 1,2

Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud

El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:

Fecha de realización del informe 26.12.2013

Examinador A. Rodríguez Cogolludo Página 1/4

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201331691

CLASIFICACIÓN OBJETO DE LA SOLICITUD F28D11/04 (2006.01)

F28D11/02 (2006.01) F28F5/00 (2006.01) Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación)

F28D, F28F

Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC

Informe del Estado de la Técnica Página 2/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201331691

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 26.12.2013

Declaración

Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)

Reivindicaciones Reivindicaciones 1,2 SI NO

Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)

Reivindicaciones Reivindicaciones 1,2 SI NO

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).

Base de la Opinión.-

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

Informe del Estado de la Técnica Página 3/4

OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201331691

1. Documentos considerados.-

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

Documento

Número Publicación o Identificación Fecha Publicación

D01

CN 202793114 U (TORCH TECHNOLOGY HENAN CO LTD) 13.03.2013
2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración

La invención tiene por objeto un intercambiador de calor rotativo cilíndrico con una estructura mejorada, así como su modo de funcionamiento, estrechamente ligado a dicha estructura.

El documento D01, al que pertenecen las referencias que se citarán de aquí en adelante, divulga un intercambiador de calor rotativo que comprende una estructura cilíndrica rotatoria compuesta por un conducto central (15) y un conducto anular (14) exterior al mismo, existiendo entre ambos un aislamiento térmico (reiv. 3) y siendo toda la estructura cilíndrica solidaria entre sí, estando abierta por un extremo para su conexión con, en este caso, un fluido secundario que va a aprovechar la energía térmica de otro fluido (primario), y quedando cerrada por el otro extremo (el izquierdo en la fig. 1).

Una pluralidad de brazos radiales en U (6) parten desde el conducto anular hacia afuera y vuelven de nuevo hacia ese conducto, quedando la U del tubo en la parte más alejada del conducto anular, y habiendo varios de estos tubos (concretamente, 2) a una misma altura del conducto anular, midiendo la altura en la dirección del eje de rotación. Todos los brazos en U (6) quedan dentro de un recipiente o vasija de contención (9) del fluido primario , que permanece fija y presenta una boca de entrada (12) del fluido primario y una boca de salida (5) de dicho fluido.

Fijos al interior de la pared de la vasija (9) se hallan unos tabiques separadores (8) perpendiculares al eje de rotación y con forma de disco, con una oquedad en la parte interna por la que atraviesa la estructura cilíndrica del fluido secundario. Tal y como se aprecia en la fig. 1, entre cada escalón de tubos en U (6) existe un tabique separador (8), y en cada escalón de tubos se interrumpe el conducto anular (14) propiamente dicho, continuando la canalización del flujo por dentro de los tubos en U (6).

Se aprecia, por tanto, que la estructura del intercambiador de calor de D01 es idéntica a la del intercambiador descrito en la reivindicación 1 de la solicitud, proporcionando, por tanto, las mismas ventajas que éste. La principal diferencia entre el funcionamiento de uno y otro radica en que los circuitos de fluido caliente y frío están intercambiados en ambos. No obstante, sería evidente para un experto en la materia asociar un circuito u otro a cada uno de los fluidos según lo aconsejen las circunstancias.

De igual modo, se considera evidente disponer una junta rotativa entre la vasija (9) y el conjunto rotatorio interior.

A la vista de todo lo anteriormente expuesto, la reivindicación 1 de la solicitud no presentaría actividad inventiva de acuerdo con el art. 8.1 de la Ley 11/1986 de Patentes.

Con respecto a la reivindicación 2 de la solicitud, se considera que tampoco ésta cumple el requisito de actividad inventiva (art. 8.1 Ley 11/1986), puesto que en el intercambiador de calor del documento D01, la estructura cilíndrica, incluidos los brazos en U (6), rota en el interior de la vasija (9) del fluido primario, y el fluido secundario entra (11) en la estructura cilíndrica por el conducto central (15), llega hasta el confín, retorna a lo largo del conducto anular (14), y a su paso por él se desvía sucesivamente por los escalones de brazos en U (6) que conforman las protuberancias del conducto anular (14) a lo largo del intercambiador.

Informe del Estado de la Técnica Página 4/4