ES2566563T3 - Intercambiadores de placas y aletas con superficies texturadas - Google Patents

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Abstract

Un intercambiador de calor de placas y aletas, en el que el intercambiador de calor de placas y aletas es un hervidor de flujo descendente o un desflemador, que comprende: una primera lámina de separación (40); una segunda lámina de separación (42) adyacente y sustancialmente paralela a la primera lámina de separación (40); y al menos una aleta (28) verticalmente ondulada que se extiende entre la primera lámina de separación (40) y la segunda lámina de separación (42), definiendo dichas láminas de separación (40, 42) y dicha aleta (28) unos pasos verticales en dicho intercambiador, caracterizado por que dicha aleta (28) tiene una superficie texturada para obtener una textura superficial (50) en forma de acanaladuras o ranuras ininterrumpidas formadas o aplicadas en, al menos, una superficie de la aleta, en el que: al menos una parte de la textura superficial (50) tiene la forma de estrías horizontales, o al menos una parte de la textura superficial (50) está aplicada con un ángulo (α) con relación a una posición horizontal, en el que el ángulo (α) es mayor que 0º y menor que 75º.

Description

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DESCRIPCION
Intercambiadores de placas y aletas con superficies texturadas
La presente invencion se refiere a intercambiadores de placas y aletas que tienen superficies texturadas y tiene aplicacion particular en procesos criogenicos tales como la separacion de aire, aunque estos intercambiadores de placas y aletas se pueden usar tambien en otros procesos termicos y/o de transferencia de masa.
Los intercambiadores de placas y aletas se usan, en general, para intercambiar calor entre corrientes de proceso con el fin de calentar, enfriar, hervir, evaporar o condensar las corrientes. En este caso, se pueden denominar mas particularmente intercambiadores de calor de placas y aletas. Las condiciones de proceso en dichos intercambiadores de calor pueden implicar transmision de calor en fase unica o en dos fases, en las que las corrientes de fluido circulan en una direccion generalmente hacia arriba o en una direccion generalmente hacia abajo (aunque los flujos pueden ser tambien en otras direcciones). Pero en algunos casos, las corrientes de proceso incluyen mezclas de componentes de manera que se lleva a cabo tambien separacion de transferencia de masa, ademas de transmision de calor. En este ultimo caso, el vapor y el lfquido circulan en direcciones a contracorriente dentro de un paso de corrientes y el intercambiador de calor/masa se puede denominar desflemador.
Es conocido por la tecnica anterior que existen varios modos para mejorar el comportamiento de los intercambiadores de calor. Vease, por ejemplo, D.A. Reay, “Heat transfer enhancement - review of techniques and their possible impact on energy efficiency in the UK”, Heat Recovery System & CHP, volumen 11, n.° 1, pags. 1-40, 1991. Algunos de los metodos conocidos en la tecnica anterior incluyen:
• las superficies de algunos intercambiadores de calor pueden tener rugosidad para mejorar el comportamiento de la transmision de calor en flujo de fase unica, al favorecer la turbulencia en la capa lfmite;
• las superficies de algunos intercambiadores de calor se pueden tratar con revestimientos especiales o modificar geometricamente para crear cavidades entrantes que pueden mejorar el comportamiento durante la ebullicion nucleada;
• las superficies de algunos intercambiadores de calor se pueden tratar o modificar geometricamente para cambiar la humectacion mediante lfquidos que pueden mejorar el comportamiento al favorecer la condensacion en forma de gotas o facilitar el drenaje del condensado; y
• aunque todos los metodos anteriores son aplicables a intercambiadores de calor de placas y aletas, su comportamiento se mejora del modo mas facil por el uso de aletas perforadas, en forma de sierra o sinuosas que aumentan la turbulencia con relacion a las aletas lisas.
Sin embargo, como reconoceran los expertos en la tecnica, cada uno de los metodos de la tecnica anterior esta limitado en uno o mas modos. Por ejemplo, las mejoras obtenibles pueden estar limitadas a aplicaciones de flujo unico, a una estrecha gama de condiciones de flujo y funcionamiento o a un modo unico, tal como la condensacion.
En el documento US-A-4.434.842 (Gregory) se describe un ejemplo de las superficies de un intercambiador de calor de placas y aletas que han sido modificadas. En este intercambiador de calor, las aletas en las zonas de ebullicion estan realizadas por, al menos, dos capas, teniendo al menos una de las capas exteriores una pluralidad de agujeros en la misma. Las laminas onduladas de las aletas estan muy proximas entre sf de manera que se presenta la nucleacion de burbujas entre las laminas y las burbujas se liberan por los agujeros en las laminas.
Una textura superficial en forma de acanaladuras o ranuras (tal como la utilizada en la presente invencion) se ha usado en otros tipos de intercambiadores de calor (por ejemplo, intercambiadores de carcasa y tubos) para crear o realzar la turbulencia y mejorar la transmision de calor. Por ejemplo, veanse los documentos uS-A-4.434.842; US-A- 6.012.514 y US-A-5.966.809. Sin embargo, ademas del hecho de que esas patentes no estan relacionadas con intercambiadores de calor de placas y aletas, sus ensenanzas no son pertinentes para las ensenanzas de la presente invencion.
En el campo de los procesos de contacto que usan empaquetadura estructurada, es bien conocido que una textura superficial en forma de ranuras o acanaladuras puede mejorar el rendimiento de la transferencia de masa, como se ensena en el documento US-A-4.296.050 (correspondiente al documento GB-A-1604361). Veanse tambien los documentos US-A-5.730.000 y US-A-5.876.638. Estas patentes ensenan como usar una textura superficial bidireccional en forma de acanaladuras finas aplicada en parches sobre la superficie de placas onduladas de un elemento de empaquetadura, de manera que la textura es sustancialmente horizontal en algunas zonas y sustancialmente vertical en otras zonas. Pero esta mejora se basa en la experiencia de un modo de funcionamiento espedfico, a saber, el de una pelfcula lfquida que circula hacia abajo experimentando transferencia de masa frente a vapor que circula hacia arriba en una direccion a contracorriente del flujo de lfquido. La presente invencion tiene un alcance y una gama de aplicaciones mucho mas amplios que eso. Ademas, las caractensticas de forma geometrica y flujo globales dentro de un intercambiador de placas y aletas son muy diferentes de las de una empaquetadura estructurada, incluso para modos de funcionamiento generalmente similares.
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El documento EP-A-0448991 describe un intercambiador de calor en el que hay aletas onduladas que se extienden entre laminas sustancialmente paralelas y conectadas al mismo en lmeas de contacto respectivas. Las aletas y/o laminas tienen partes curvadas (Wolbungen). Las partes curvadas de las aletas se pueden extender transversalmente a las ondulaciones de aleta o en la direccion de las mismas y pueden ser ondulaciones o rebordes estampados paralelos entre sf (eingepragten Sicken). El objetivo principal de estas partes curvadas es aumentar la rigidez de las aletas y, por consiguiente, la posicion de las partes de aleta curvadas esta limitada a las partes de pared lateral entre lmeas de contacto adyacentes. Se da a conocer que las partes curvadas aumentan el area superficial de transmision de calor y el numero de Reynolds, mejorando por ello significativamente el rendimiento del intercambiador de calor.
El documento SU-A-1575063 describe un intercambiador de calor de placas y aletas para su uso en sistemas de calentamiento y aire acondicionado en los que unas corrientes de intercambio de calor circulan en direcciones mutuamente perpendiculares a traves de canales triangulares formados por laminas de separacion y aletas onduladas. Las laminas de separacion tienen entrantes transversales y las aletas tienen salientes transversales, que estan destinados principalmente a facilitar la fabricacion del intercambiador de calor y a aumentar la rigidez. Se hace referencia a los entrantes y los salientes que interrumpen el flujo de fluido y aumentan por ello el intercambio de calor, y se realiza la comparacion con intercambiadores de calor que tienen los salientes pero no los entrantes.
Los documentos EP 0 952 419 A1 y EP 0 479 486 A1 describen un hervidor de flujo descendente y un desflemador, respectivamente, que son intercambiadores de calor de placas y aletas que comprenden una pluralidad de aletas onduladas verticalmente que se extienden entre laminas de separacion paralelas, definiendo dichas laminas de separacion y dichas aletas unos pasos verticales.
Se desea aumentar el rendimiento y mejorar el comportamiento de los intercambiadores de placas y aletas.
Ademas, se desea mejorar las caractensticas de humectacion de una corriente de vapor-lfquido que circula hacia abajo dentro de los pasos de un intercambiador de placas y aletas a fin de mejorar el rendimiento de la transmision de calor.
Ademas, se desea adicionalmente mejorar las caractensticas de flujo de una corriente de vapor-lfquido que circula hacia arriba dentro de los pasos de un intercambiador de placas y aletas a fin de mejorar el rendimiento de la transmision de calor.
Ademas, se desea adicionalmente mejorar las caractensticas de turbulencia de una corriente de fase unica dentro de los pasos de un intercambiador de placas y aletas a fin de mejorar el rendimiento de la transmision de calor.
Ademas, se desea adicionalmente mejorar las caractensticas de turbulencia dentro de los pasos de flujo de un desflemador a contracorriente a fin de mejorar el rendimiento de la transferencia de masa con relacion a un intercambiador de placas y aletas convencional empleado bajo condiciones de funcionamiento similares.
Ademas, se desea adicionalmente mejorar las caractensticas de humectacion de una corriente de vapor-lfquido que circula hacia abajo dentro de los pasos de un intercambiador de placas y aletas de manera que se minimiza la tendencia a que precipite cualquier componente disuelto.
Ademas, se desea adicionalmente tener un intercambiador o desflemador de placas y aletas que muestre caractensticas de alto comportamiento para aplicaciones criogenicas, tales como las utilizadas en la separacion de aire, y para otras aplicaciones de transmision de calor y/o transferencia de masa.
Ademas, se desea adicionalmente tener un intercambiador de placas y aletas que supere muchas de las dificultades y desventajas de la tecnica anterior, para proporcionar resultados mejores y mas ventajosos.
Ademas, se desea adicionalmente tener un proceso de separacion de aire mas eficiente utilizando un intercambiador de placas y aletas o un hervidor de flujo descendente que sea mas compacto y/o mas eficiente que el de la tecnica anterior.
Ademas, se desea adicionalmente tener un diseno de intercambiador de placas y aletas que minimice el tamano, el peso y/o el coste de los hervidores de flujo descendente, lo que dana como resultado un proceso de separacion de aire mas eficiente y/o menos caro por cantidad unitaria de producto fabricado.
Ademas, se desea tambien tener un metodo para montar un intercambiador de placas y aletas o un hervidor de flujo descendente que use aletas con una textura superficial sobre las mismas, que confiera un mejor comportamiento que el de la tecnica anterior, y que supere tambien muchas de las dificultades y desventajas de la tecnica anterior, para proporcionar resultados mejores y mas ventajosos.
La presente invencion proporciona un intercambiador de placas y aletas que tiene superficies texturadas sobre sus aletas. La invencion proporciona tambien un metodo para mejorar el comportamiento de un intercambiador de placas
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y aletas. La “superficie texturada” utilizada en la presente invencion para obtener una “textura superficial” tiene la forma de acanaladuras o ranuras formadas o aplicadas en la superficie del material de aleta utilizado en el intercambiador de placas y aletas.
Se pueden aplicar superficies texturadas a tipos de aleta lisa, perforada, sinuosa, en forma de sierra o de otra clase. La textura se forma mas facilmente prensando el perfil metalico con ranuras o acanaladuras antes de formar la aleteadura. Las ranuras pueden ser horizontales, inclinadas en una direccion o inclinadas en diferentes direcciones, incluyendo en una disposicion entrecruzada. Se pueden usar intercambiadores de calor de placas y aletas texturados para tratar corrientes en una variedad de condiciones de funcionamiento, que implican calentamiento, enfriamiento, ebullicion, evaporacion o condensacion, y de condiciones de flujo, que incluyen fase unica, dos fases, flujo hacia arriba o flujo hacia abajo. La presente invencion se puede usar tambien para tratar corrientes que experimentan la separacion por transferencia de masa, ademas de transmision de calor.
Los expertos en la tecnica no esperanan ningun metodo de mejora unica para aumentar el rendimiento de transmision de calor y/o transferencia de masa en multiples modos de funcionamiento. Asf, un resultado sorprendente e inesperado de la presente invencion es que la adicion de textura superficial al material de aleta mejora el rendimiento de transmision de calor y/o transferencia de masa en multiples modos de funcionamiento, como se ha indicado anteriormente.
En un aspecto, la invencion proporciona un hervidor de flujo descendente o un desflemador que es un intercambiador de placas y aletas que comprende una primera lamina de separacion y una segunda lamina de separacion, adyacente y sustancialmente paralela a la primera lamina de separacion, con al menos una aleta ondulada que se extiende entre la primera lamina de separacion y la segunda lamina de separacion, en el que una textura superficial ininterrumpida en forma de acanaladuras o ranuras esta formada o aplicada en, al menos, una superficie de la aleta.
Segun la invencion, al menos una parte de la textura superficial tiene la forma de estnas horizontales o al menos una parte de la textura superficial esta aplicada con un angulo con relacion a una posicion horizontal, en el que el angulo es mayor que 0 grados y menor que 75 grados, especialmente mayor que 0° y menor que 50°.
En otra variacion, al menos una parte de la textura superficial esta aplicada de manera entrecruzada.
Aun en otra variacion, la textura superficial tiene la forma de una acanaladura. La acanaladura puede tener una longitud de onda comprendida en un intervalo de 0,5 mm a 5 mm, preferiblemente en un intervalo de 1 mm a 3 mm; formar un angulo con relacion a una posicion horizontal, siendo el angulo preferiblemente mayor que 0o y menor que 75o; y/o tener una amplitud comprendida en un intervalo de 0,05 mm a 0,75 mm, preferiblemente de 0,15 mm a 0,50 mm.
Otro aspecto de la presente invencion es una unidad de separacion de aire criogenico que tiene un intercambiador de placas y aletas que comprende una primera lamina de separacion y una segunda lamina de separacion, adyacente y sustancialmente paralela a la primera lamina de separacion, con al menos una aleta ondulada que se extiende entre la primera lamina de separacion y la segunda lamina de separacion, en el que una textura superficial ininterrumpida en forma de acanaladuras o ranuras esta formada o aplicada en, al menos, una superficie de la aleta, en la que: al menos una parte de la textura superficial tiene la forma de estnas horizontales o al menos una parte de la textura superficial esta aplicada con un angulo con relacion a una posicion horizontal, en el que el angulo es mayor que 0o y menor que 75o.
El intercambiador puede ser como en cualquiera de las realizaciones o en variaciones anteriormente descritas de esas realizaciones.
La invencion proporciona tambien el uso para mejorar la transmision de calor, las caractensticas de humectacion y/o la tendencia a atascarse de un intercambiador de placas y aletas que comprende una primera lamina de separacion y una segunda lamina de separacion, adyacente y sustancialmente paralela a la primera lamina de separacion, con al menos una aleta ondulada que se extiende entre la primera lamina de separacion y la segunda lamina de separacion, de una textura superficial ininterrumpida en forma de acanaladuras o ranuras en, al menos, una superficie de dicha al menos una aleta, en el que: al menos una parte de la textura superficial tiene la forma de estnas horizontales o al menos una parte de la textura superficial esta aplicada con un angulo con relacion a una posicion horizontal, en el que el angulo es mayor que 0o y menor que 75o.
La invencion proporciona ademas un metodo para efectuar un intercambio de calor indirecto de una pluralidad de corrientes de fluido en un intercambiador de calor de placas y aletas que tiene un primer grupo de pasos adaptados para transportar una primera corriente de fluido, siendo la primera corriente de fluido de dos fases en, al menos, una parte del primer grupo de pasos, teniendo la parte del primer grupo de pasos una pluralidad de aletas onduladas dispuestas en su interior, con al menos una de las aletas que se extiende entre laminas de separacion vecinas sustancialmente paralelas y teniendo una superficie texturada ininterrumpida en forma de acanaladuras o ranuras.
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Otra realizacion es un intercambiador de calor de placas y aletas para servicio de hervidor o condensador, comprendiendo el intercambiador de calor un cuerpo paralelepipedico que incluye un conjunto de una pluralidad de laminas de separacion sustancialmente paralelas y una pluralidad de aletas onduladas que se extienden entre laminas de separacion adyacentes, teniendo al menos una de las aletas una superficie texturada ininterrumpida en forma de acanaladuras o ranuras, en el que: al menos una parte de la textura superficial tiene la forma de estnas horizontales, o al menos una parte de la textura superficial esta aplicada con un angulo con relacion a una posicion horizontal, en el que el angulo es mayor que 0° y menor que 75°.
Una realizacion adicional es un hervidor de flujo descendente que tiene un cuerpo generalmente paralelepipedico formado por un conjunto de pasos sustancialmente paralelos que se extienden de modo vertical adaptados para recibir un primer fluido introducido en un primer grupo de pasos y un segundo fluido introducido en un segundo grupo de pasos, alternando en posicion los pasos en el segundo grupo de pasos con los pasos en el primer grupo de pasos, teniendo el primer grupo de pasos una pluralidad de aletas dispuestas entre laminas de separacion vecinas, incluyendo las aletas unas aletas de diffcil recorrido para la distribucion de fluido del primer fluido y unas aletas de transmision de calor onduladas de facil recorrido, aguas abajo de las aletas de diffcil recorrido y que se extienden entre las laminas de separacion vecinas, formando las aletas de transmision de calor una o mas secciones de transmision de calor con area superficial progresivamente decreciente, teniendo al menos una aleta de transmision de calor, en una primera seccion de transmision de calor, al menos una superficie, comprendiendo la mejora una textura superficial ininterrumpida en forma de acanaladuras o ranuras en, al menos, una superficie.
Otro aspecto de la presente invencion es un hervidor de flujo descendente segun la invencion instalado en una columna de una planta de separacion de aire, en la que una corriente que contiene oxfgeno lfquido se hace pasar, a traves del primer grupo de pasos, en flujo paralelo a una corriente que contiene nitrogeno y/o que contiene argon, en el segundo grupo de pasos.
Una realizacion adicional de la invencion es una mejora para un hervidor de flujo descendente que tiene un cuerpo generalmente paralelepipedico formado por un conjunto de pasos sustancialmente paralelos que se extienden de modo vertical adaptados para recibir un primer fluido introducido en un primer grupo de pasos y un segundo fluido introducido en un segundo grupo de pasos, alternando en posicion los pasos en el segundo grupo de pasos con los pasos en el primer grupo de pasos, teniendo el segundo grupo de pasos una pluralidad de aletas dispuestas entre laminas de separacion vecinas, incluyendo las aletas unas aletas de distribucion de entrada y salida para un flujo uniforme del segundo fluido hacia dentro y hacia fuera del segundo grupo de pasos y unas aletas de transmision de calor onduladas que forman, al menos, una seccion de transmision de calor entre las aletas de distribucion de entrada y salida y que se extienden entre las laminas de separacion vecinas, teniendo al menos una aleta de transmision de calor, en dicha al menos una seccion de transmision de calor, al menos una superficie, comprendiendo la mejora una textura superficial ininterrumpida en forma de acanaladuras o ranuras en dicha al menos una superficie.
Otro aspecto de la invencion es un hervidor de flujo descendente segun la invencion instalado en una columna de una planta de separacion de aire, en la que una corriente que contiene oxfgeno lfquido se hace pasar a traves del primer grupo de pasos en flujo paralelo a una corriente que contiene nitrogeno y/o que contiene argon en un segundo grupo de pasos.
Otra realizacion es un intercambiador de placas y aletas para servicio como desflemador, comprendiendo el intercambiador un cuerpo paralelepipedico que incluye un conjunto de una pluralidad de laminas de separacion sustancialmente paralelas y una pluralidad de aletas onduladas que se extienden entre laminas de separacion adyacentes, teniendo al menos una de dichas aletas una superficie texturada ininterrumpida en forma de acanaladuras o ranuras.
El intercambiador de placas y aletas de la invencion se puede preparar mediante un metodo de multiples etapas. La primera etapa es proporcionar dos laminas de separacion sustancialmente paralelas y una lamina alargada. La segunda etapa es formar una textura superficial ininterrumpida en forma de acanaladuras o ranuras sobre la lamina alargada. La tercera etapa es corrugar la lamina alargada para formar una aleta que tiene la textura superficial sobre la misma. La cuarta etapa es disponer la aleta que tiene la textura superficial sobre la misma entre las laminas de separacion.
La invencion se describira a continuacion a modo de ejemplo con referencia a los dibujos que se acompanan, en los que:
la figura 1A es una vista, en perspectiva y en despiece ordenado, de un elemento basico o subconjunto de un intercambiador de placas y aletas convencional;
la figura 1B es una vista, en perspectiva y en despiece ordenado, de un elemento basico o subconjunto de un intercambiador de placas y aletas, con aletas que tienen una superficie texturada segun la presente invencion;
las figuras 2A-2D ilustran cuatro tipos de aletas utilizadas tfpicamente en intercambiadores de placas y aletas;
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la figura 3A es un diagrama esquematico que ilustra una superficie texturada que tiene estnas horizontales segun la presente invencion;
la figura 3B es un diagrama esquematico de otra superficie texturada que usa estnas con un angulo (a) respecto a la horizontal;
la figura 3C es un diagrama esquematico que ilustra otra superficie texturada que usa estnas aplicadas de manera entrecruzada;
la figura 3D es un diagrama esquematico que ilustra una vista en seccion de la superficie texturada en la figura 3A, tomada por la lmea 3D-3D;
la figura 4 es un diagrama esquematico que ilustra una muestra experimental constituida por un apilamiento horizontal de pasos de aleta;
la figura 5 es un grafico que ilustra el comportamiento de las aletas texturadas segun la presente invencion en comparacion con aletas lisas y perforadas de la tecnica anterior desde el punto de vista de los coeficientes de transmision de calor (HTC) frente a la energfa de bombeo (PE) para transmision de calor en fase unica; la figura 6 es un diagrama esquematico que ilustra un conjunto de ensayo utilizado para determinar el comportamiento de aletas de la tecnica anterior y aletas que tienen superficies texturadas segun la presente invencion; y
las figuras 7 a 14 son graficos que ilustran el comportamiento de aletas que tienen superficies texturadas segun la presente invencion en comparacion con el comportamiento de aletas de la tecnica anterior desde el punto de vista de la calidad del vapor (VQ) frente a los coeficientes de transmision de calor (HTC) bajo las condiciones senaladas anteriormente en cada uno de los graficos.
Haciendo referencia a la figura 1, un intercambiador de placas y aletas convencional comprende varios pasos, cada uno de los cuales esta realizado con material de aleta 28 colocado entre laminas de separacion 40, 42 y barras extremas 24A, 24B. Los tipos de aleta mas comunes son lisos, perforados, en forma de sierra y sinuosos, como se muestra en las figuras 2A, 2B, 2C y 2D.
Como se muestra en la figura 1B, la presente invencion usa aletas que tienen una superficie texturada 50, en lugar de aletas convencionales. Las figuras 3A, 3B, 3C y 3D muestran algunos ejemplos de los tipos de superficies texturadas 50 que se pueden usar. Aunque las estnas formadas por las acanaladuras o ranuras tienen preferiblemente la forma de lmeas rectas que son, en general, uniformemente rectas (antes de corrugar la lamina), los expertos en la tecnica reconoceran que las estnas no tienen que ser rectas. Por ejemplo, cada estna podna ser curvada, en zigzag o de alguna otra forma. Ademas, aunque las lmeas 52 en las figuras 3A, 3B y 3C son sustancialmente paralelas para formar un patron uniforme, los expertos en la tecnica reconoceran que las lmeas de las acanaladuras o ranuras pueden formar otros patrones, tanto uniformes como no uniformes.
Aunque sin querer limitarse a ningun metodo de fabricacion particular, es mas ventajoso aplicar la textura superficial a un perfil de chapa metalica plano mediante una operacion tal como prensado, justamente antes de que el metal sea conformado adoptando una forma de aleta. Por ejemplo, para aplicar la textura superficial de la presente invencion a una aleta perforada, se puede usar el siguiente procedimiento:
- perforar un perfil de chapa metalica plano;
- aplicar la textura superficial mediante una operacion tal como prensado;
- formar la aleta perforada sin danar la textura superficial en el proceso (lo que puede requerir el uso de herramientas especiales); y
- soldar por soldadura fuerte la aleta en un intercambiador de placas y aletas.
El procedimiento para aplicar la invencion a otros tipos de aletas (es decir, distintos de una aleta perforada) requerina etapas similares, pero la secuencia exacta de las operaciones puede ser diferente, como reconoceran los expertos en la tecnica.
Las texturas superficiales mostradas en las figuras 3A, 3B y 3C pueden consistir en acanaladuras o ranuras 52 que son casi sinusoidales en una vista en seccion, como se muestra en la figura 3D. Los expertos en la tecnica reconoceran que otras formas posibles incluyen, pero no estan limitadas a una forma ondulante sinuosa, unas ondas pronunciadas, una forma en dientes de sierra o una de onda cuadrada. Los inventores han determinado que son optimos los siguientes intervalos de dimensiones:
- la longitud de onda A (mostrada en la figura 3D) esta comprendida preferiblemente en un intervalo de 0,5 mm a 5 mm, con un intervalo mas preferido de 1 mm a 3 mm; y
- la amplitud de pico a pico h (mostrada en la figura 3D), cuando se observa solamente en un lado de la lamina, esta comprendida preferiblemente en el intervalo de 0,05 mm a 0,75 mm, con un intervalo mas preferido de 0,15 mm a 0,50 mm. La eleccion de esta dimension (h) puede estar limitada por la separacion ffsica entre aletas adyacentes y/o el grosor del metal (t) (ilustrado en la figura 3D). Una separacion muy ajustada entre aletas adyacentes, un alto grosor del metal, o ambos, restringira la profundidad de las acanaladuras o ranuras que se pueden usar.
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En los casos de textura inclinada (figura 3B) y textura entrecruzada (figura 3C), el angulo a de las ranuras con relacion a la horizontal esta comprendido preferiblemente en el intervalo de 0 grados a 75 grados, y mas preferiblemente en el intervalo de 0 grados a 50 grados. Aunque la figura 3C muestra angulos iguales (a=a) en ambos lados del diagrama, los expertos en la tecnica reconoceran que los angulos no tienen que ser los mismos (es decir, el angulo en un lado podna ser a y el otro angulo en el otro lado podna ser mayor o menor que a).
Aunque las ensenanzas de la tecnica anterior desde el punto de vista de las mejoras de superficies conduciran a realizaciones diferentes en la medida en que sean aplicables a condiciones de flujo y formas geometricas diferentes, los inventores se sorprendieron al descubrir que una textura superficial en forma de ranuras o acanaladuras puede mejorar el comportamiento de un intercambiador de calor de placas y aletas en todos los modos de funcionamiento, incluyendo en flujo de fase unica o de dos fases, flujo hacia arriba o flujo hacia abajo, calentamiento o enfriamiento y evaporacion o condensacion. Este resultado inesperado sena sorprendente tambien para otros expertos en la tecnica.
La presente invencion tiene un valor significativo puesto que los intercambiadores de placas y aletas se pueden realizar mas compactos con relacion a los intercambiadores de placas y aletas convencionales por el uso de textura superficial sobre el material de aleta. Esto puede ser beneficioso desde el punto de vista del capital y el coste de funcionamiento combinados de una planta, tal como una planta de separacion de aire. La presente invencion puede reducir tambien los atascos en corrientes que se evaporan en flujo hacia abajo. En separacion de aire criogenico, esto sena particularmente valioso con hervidores de flujo descendente que hacen evaporarse corrientes que contienen oxfgeno.
EJEMPLOS
Los Ejemplos en lo que sigue se proporcionan para ilustrar posibles usos de la presente invencion. Los expertos en la tecnica pueden prever otros ejemplos.
Ejemplo 1
Este Ejemplo ilustra la mejora de la transmision de calor en flujos de fase unica obtenida por la aplicacion de una textura superficial segun las ensenanzas de la presente invencion. Las comparaciones en este Ejemplo son relativas a aletas perforadas y aletas lisas utilizadas comunmente en intercambiadores de calor de placas y aletas. La figura 4 es un diagrama esquematico de las muestras experimentales y la figura 5 ilustra las comparaciones del comportamiento.
Como se ilustra en la figura 4, las muestras experimentales estaban constituidas por un apilamiento horizontal 60 de nueve pasos de aleta, que teman aproximadamente 80 mm de ancho y 280 mm de largo. Todas las muestras conteman 22 aletas por pulgada (72 aletas por metro) con un diametro equivalente de aproximadamente 1,65 mm. Este valor se calculo usando la formula bien conocida de cuatro veces el volumen encerrado por las aletas dividido por su area superficial de base, excluyendo los efectos de las perforaciones o la textura. Las muestras perforadas teman un area abierta de aproximadamente el 10%. El grosor de lamina t para todas las muestras era 0,2 mm. Cuando se uso textura superficial, era aproximadamente sinusoidal con una amplitud h igual a 0,2 mm y una longitud de onda A igual a 1,75 mm, segun el diagrama esquematico de la figura 3D. Se estudiaron dos inclinaciones de textura superficial diferentes con los angulos senalados en la leyenda de la figura 5. El valor de 90 indica una direccion de textura superficial que es perpendicular a la direccion de la aleta, mientras que el valor de 45 indica una direccion de textura superficial que esta inclinada (a 45°) con relacion a la aleta.
Se realizaron experimentos en las secciones de ensayo en el interior de un tunel aerodinamico. En primer lugar, las muestras se llevaron a una condicion de funcionamiento permanente en aire circulante. A continuacion, se realizo un cambio de etapa repentino hasta la temperatura del aire entrante 62, a continuacion de lo cual se midio la respuesta de salida 64 como una imagen de pulso termico. El coeficiente de transmision de calor se calculo en base al gradiente de temperatura de salida maximo segun el procedimiento de Locke [Locke, G. L., 1950, “Heat Transfer and Flow Friction Characteristic of Porous Solid”, Tr. n.° 10, Mech. Eng. Dept., Universidad de Stanford, Stanford, CA]. La cafda de presion se midio con un manometro de tubo en U inclinado. La cafda de presion por rozamiento se calculo despues de tener en cuenta los efectos de entrada y salida debido a la aceleracion del flujo segun los metodos en Kays, W. M and London, A. L., 1984, Compact Heat Exchangers, 3a Edicion, McGraw-Hill, Nueva York.
La figura 5 muestra un trazado grafico logantmico de los coeficientes de transmision de calor (HTC) frente a la energfa de bombeo (PE). En tal trazado grafico, una curva mas alta es equivalente a un comportamiento superior. Se puede ver que las aletas perforadas (■) son superiores a las aletas lisas (□), como es bien conocido en la tecnica anterior. La adicion de textura superficial inclinada (45) (A) no mejora el comportamiento de la aleta perforada (■). Sin embargo, la adicion de textura superficial perpendicular (90) (0) produce una mejora del 30 al 50% en los coeficientes de transmision de calor para la misma energfa de bombeo. Estos resultados fueron sorprendentes e inesperados para los inventores, tanto desde el punto de vista cualitativo como cuantitativo, y senan sorprendentes e inesperados para otros expertos en la tecnica.
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Ejemplo 2
Este Ejemplo ilustra la mejora de la transmision de calor en flujos de dos fases bajo una variedad de condiciones, obtenida por la aplicacion de una textura superficial segun las ensenanzas de la presente invencion. Las comparaciones en este Ejemplo son relativas a aletas perforadas, que se usan comunmente para servicio de flujos de dos fases en intercambiadores de calor de placas y aletas.
La figura 6 es un diagrama esquematico del conjunto de ensayo y las figuras 7-14 muestran las comparaciones del comportamiento. La orientacion de los pasos de ensayo de aleta era vertical en todos los casos, y cuando se uso textura superficial, fue en una direccion que era perpendicular a la direccion de la aleta. En otras palabras, la direccion de la textura superficial era horizontal con relacion al laboratorio, lo que corresponde a un angulo a de 0 grados segun el diagrama esquematico en la figura 3A.
Como se ilustra en la figura 6, cada muestra de ensayo 70 estaba constituida por un paso de aleta soldado por soldadura fuerte entre laminas de cierre de aluminio. La muestra estaba abierta en la parte superior e inferior y cerrada por los lados a fin de contener el flujo de fluido en la direccion vertical. Cada paso tema aproximadamente 70 mm de ancho y 280 mm de largo y se sujetaba de forma similar a un sandwich entre masilla de alta conductividad termica, placas de cobre 72, uniones Peltier 74 y pasos de flujo de agua 76 en ambos lados. Se usaron uniones Peltier para fijar las fuerzas de activacion de la temperatura, de tal modo que los coeficientes de transmision de calor se pudieron medir con alta precision incluso a partir de tales muestras pequenas.
Los flujos entrantes de vapor/lfquido entraron en la entrada de vapor-lfquido 78 y los flujos salientes salieron en la salida de vapor-lfquido 80. El agua de enfriamiento entro en la entrada de agua de enfriamiento 82 y salio en la salida de agua de enfriamiento 84. Una sonda de presion 86 midio las presiones.
Los experimentos se realizaron usando freon 21 en una variedad de modos, incluyendo evaporacion y condensacion en dos flujos masicos diferentes bajo condiciones de flujo hacia arriba y flujo hacia abajo. Debido al pequeno tamano de las muestras, en cualquier experimento dado, solamente se presento un pequeno cambio en la calidad, que representa la parte de la mezcla total de dos fases que esta en la fase vapor. Se repitieron los experimentos varias veces a fin de delimitar un amplio intervalo de interes.
Las figuras 7 a 10 muestran los trazados graficos de los coeficientes de transmision de calor (HTC) frente a la calidad del vapor (VQ) para unos flujos masicos de evaporacion con flujo hacia abajo de 21 kg/m2s (figura 7) y 57 kg/m2s (figura 8) y unos flujos masicos de condensacion con flujo hacia abajo de 21 kg/m2s (figura 9) y 57 kg/m2s (figura 10).
Las figuras 11 a 14 muestran los trazados graficos de los coeficientes de transmision de calor (HTC) frente a la calidad del vapor (VQ) para unos flujos masicos de evaporacion con flujo hacia arriba de 21 kg/m2s (figura 11) y 57 kg/m2s (figura 12) y unos flujos masicos de condensacion con flujo hacia arriba de 21 kg/m2s (figura 13) y 57 kg/m2s (figura 14).
Como se ve en las figuras 7-14, la muestra de aleta perforada, ademas de texturada, presenta un comportamiento que es consistentemente superior al de la muestra de aleta perforada. Este efecto se puede ver bajo todas las condiciones de funcionamiento en todas las figuras. Aunque las magnitudes son diferentes en condiciones diferentes, el patron de mejora es un fenomeno general con la adicion de textura superficial. En general, la mejora vana desde el 10% hasta el 50%.
Otro efecto interesante ocurre solamente en la evaporacion. Es un fenomeno conocido como resecacion, en el que una degradacion de la transmision de calor se presenta a calidades del vapor muy altas como consecuencia de que las superficies de transmision de calor empiezan a resecarse. Esto no ocurre en la condensacion. Como se muestra en las figuras 7 y 8 para la evaporacion de flujo descendente y en las figuras 11 y 12 para la evaporacion de flujo ascendente, la aleta perforada, ademas de texturada, mantiene mejores coeficientes de transmision de calor a calidades del vapor altas cuando se compara con la aleta perforada. Esto es una indicacion de que la textura superficial del Ejemplo 2 tiene efectos beneficiosos en las caractensticas de humectacion de las aletas perforadas.
Ademas de mejorar la transmision de calor, unas caractensticas de humectacion mejores pueden proporcionar tambien un beneficio secundario muy importante, que es la reduccion en la tendencia al atasco. Los condensadores hervidores utilizados en plantas industriales de separacion de aire hacen evaporarse corrientes que contienen oxfgeno frente a corrientes que contienen nitrogeno o que contienen argon. Aunque las plantas de separacion de aire modernas tienen lechos de adsorcion con tamices moleculares para eliminar la mayona de los contaminantes del aire antes de la separacion por destilacion criogenica, cualquier contaminante que desliza a traves de los lechos de adsorcion tiende a concentrarse en las corrientes de evaporacion. Estos incluyen contaminantes inertes tales como dioxido de carbono y oxido nitroso, asf como contaminantes reactivos tales como hidrocarburos. El atasco puede conducir a una perdida de rendimiento, asf como a la creacion de condiciones potencialmente peligrosas si se acumulan suficientes hidrocarburos en los pasos que contienen oxfgeno. El uso de aletas texturadas puede reducir la tendencia al atasco de los intercambiadores de calor de placas y aletas al mejorar sus caractensticas de
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humectacion, que se manifiestan asf claramente desde el punto de vista de una mejor transmision de calor a altas calidades.
Unas magnitudes de mejora tan grandes (del 30 al 50% en el Ejemplo 1 y del 10 al 50% en el Ejemplo 2), sin renunciar a nada, son sorprendentes e inesperadas. Estos resultados del comportamiento conseguidos usando superficies texturadas fueron sorprendentes e inesperados para los inventores y senan sorprendentes e inesperados para otros expertos en la tecnica.
En base a la descripcion, los dibujos y los ejemplos anteriores, los expertos en la tecnica reconoceran que la presente invencion tiene muchos beneficios y ventajas sobre los intercambiadores de calor de placas y aletas que se ensenan en la tecnica anterior. Algunos de estos beneficios y ventajas se describen mas adelante.
Los intercambiadores de calor y los desflemadores disenados de acuerdo con la presente invencion seran mas cortos y mas ligeros que los dispositivos de la tecnica anterior equivalentes para el mismo servicio. Ademas, habra reducciones en el volumen de las cajas fnas que contienen tales dispositivos en procesos de separacion de aire, dando como resultado costes de capital globales mas bajos.
Alternativamente, los intercambiadores de calor y los desflemadores disenados de acuerdo con la presente invencion pueden ofrecer costes de funcionamiento mas bajos, con los mismos costes de capital, debido a su rendimiento mas alto.
Son posibles tambien diversas combinaciones ventajosas de los dos efectos anteriores.
La presente invencion puede reducir tambien la tendencia a atascarse de un intercambiador de calor de placas y aletas, mejorando por ello su rendimiento de funcionamiento global con el paso del tiempo. Esto es especialmente aplicable a intercambiadores de calor de placas y aletas que contienen corrientes que se evaporan mientras circulan en una direccion generalmente hacia abajo.
Las diversas realizaciones de la presente invencion se han descrito con referencia a los dibujos y los ejemplos explicados anteriormente. Sin embargo, se debena apreciar que se pueden realizar variaciones y modificaciones en dichas realizaciones, dibujos y ejemplos sin salirse del alcance de la invencion como se define en las reivindicaciones que siguen.

Claims (22)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un intercambiador de calor de placas y aletas, en el que el intercambiador de calor de placas y aletas es un hervidor de flujo descendente o un desflemador, que comprende:
    una primera lamina de separacion (40);
    una segunda lamina de separacion (42) adyacente y sustancialmente paralela a la primera lamina de separacion (40); y
    al menos una aleta (28) verticalmente ondulada que se extiende entre la primera lamina de separacion (40) y la segunda lamina de separacion (42),
    definiendo dichas laminas de separacion (40, 42) y dicha aleta (28) unos pasos verticales en dicho intercambiador, caracterizado por que dicha aleta (28) tiene una superficie texturada para obtener una textura superficial (50) en forma de acanaladuras o ranuras ininterrumpidas formadas o aplicadas en, al menos, una superficie de la aleta,
    en el que: al menos una parte de la textura superficial (50) tiene la forma de estnas horizontales, o
    al menos una parte de la textura superficial (50) esta aplicada con un angulo (a) con relacion a una posicion
    horizontal,
    en el que el angulo (a) es mayor que 0° y menor que 75°.
  2. 2. El intercambiador de placas y aletas segun la reivindicacion 1, en el que el intercambiador de placas y aletas es un hervidor de flujo descendente que tiene un cuerpo generalmente paralelepipedico formado por un conjunto de pasos sustancialmente paralelos que se extienden de modo vertical adaptados para recibir un primer fluido introducido en un primer grupo de pasos y un segundo fluido introducido en un segundo grupo de pasos, alternando en posicion los pasos en el segundo grupo de pasos con los pasos en el primer grupo de pasos, al menos un grupo de pasos que tienen una pluralidad de aletas onduladas (28) que se extienden entre laminas de separacion (40, 42) vecinas y que tienen una textura superficial (50) en forma de acanaladuras o ranuras ininterrumpidas en, al menos, una de sus superficies.
  3. 3. El hervidor de flujo descendente segun la reivindicacion 2, en el que el primer grupo de pasos tienen aletas de diffcil recorrido para la distribucion de fluido del primer fluido y aletas de transmision de calor onduladas de facil recorrido, aguas abajo de las aletas de diffcil recorrido y que se extienden entre laminas de separacion vecinas, formando las aletas de transmision de calor una o mas secciones de transmision de calor con area superficial progresivamente decreciente, teniendo al menos una aleta de transmision de calor, en una primera seccion de transmision de calor, una textura superficial (50) en forma de acanaladuras o ranuras ininterrumpidas en, al menos, una de sus superficies.
  4. 4. El hervidor de flujo descendente segun la reivindicacion 2, en el que el segundo grupo de pasos tienen aletas de distribucion de entrada y salida para un flujo uniforme del segundo fluido hacia dentro y hacia fuera del segundo grupo de pasos y aletas de transmision de calor onduladas que forman, al menos, una seccion de transmision de calor entre las aletas de distribucion de entrada y salida y que se extienden entre laminas de separacion vecinas, teniendo al menos una aleta de transmision de calor, en dicha al menos una seccion de transmision de calor, una textura superficial (50) en forma de acanaladuras o ranuras ininterrumpidas en, al menos, una de sus superficies.
  5. 5. El intercambiador de placas y aletas segun la reivindicacion 1, en el que el intercambiador de placas y aletas es un desflemador que comprende un cuerpo paralelepipedico que incluye un conjunto de una pluralidad de laminas de separacion sustancialmente paralelas y una pluralidad de aletas onduladas que se extienden entre laminas de separacion adyacentes, teniendo al menos una de dichas aletas una superficie texturada en forma de acanaladuras o ranuras ininterrumpidas.
  6. 6. El intercambiador de placas y aletas segun la reivindicacion 1, en el que el angulo (a) es mayor que 0o y menor que 50o.
  7. 7. El intercambiador de placas y aletas segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos una parte de la textura superficial (50) esta aplicada de manera entrecruzada.
  8. 8. El intercambiador de placas y aletas segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la textura superficial (50) tiene la forma de acanaladuras o ranuras con una longitud de onda (A) comprendida en un intervalo de 0,5 mm a 5 mm.
  9. 9. El intercambiador de placas y aletas segun la reivindicacion 8, en el que la longitud de onda (A) esta comprendida en un intervalo de 1 mm a 3 mm.
  10. 10. El intercambiador de placas y aletas segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la textura superficial tiene la forma de acanaladuras o ranuras con una amplitud pico (h) comprendida en un intervalo de 0,05 mm a 0,75 mm.
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  11. 11. El intercambiador de placas y aletas segun la reivindicacion 10, en el que la amplitud (h) esta comprendida en un intervalo de 0,15 mm a 0,50 mm.
  12. 12. El intercambiador de placas y aletas segun una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la aleta que tiene la superficie texturada (50) esta perforada.
  13. 13. Una unidad de separacion de aire criogenico que tiene un intercambiador de placas y aletas para su uso en el tratamiento de corrientes de dos fases, comprendiendo dicho intercambiador:
    una primera lamina de separacion (40);
    una segunda lamina de separacion (42) adyacente y sustancialmente paralela a la primera lamina de separacion (40); y
    al menos una aleta (28) verticalmente ondulada que se extiende entre la primera lamina de separacion (40) y la segunda lamina de separacion (42),
    definiendo dichas laminas de separacion (40, 42) y dicha aleta (28) pasos verticales en dicho intercambiador, caracterizada por que dicha aleta (28) tiene una superficie texturada para obtener una textura superficial (50) en forma de acanaladuras o ranuras ininterrumpidas formadas o aplicadas en, al menos, una superficie de la aleta, en la que: al menos una parte de la textura superficial (50) tiene la forma de estnas horizontales, o al menos una parte de la textura superficial (50) esta aplicada con un angulo (a) con relacion a una posicion horizontal, en la que el angulo (a) es mayor que 0° y menor que 75°.
  14. 14. La unidad de separacion de aire criogenico segun la reivindicacion 13, en la que el intercambiador de placas y aletas es como esta definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.
  15. 15. La unidad de separacion de aire criogenico segun la reivindicacion 13 o la reivindicacion 14, en la que el intercambiador de placas y aletas es un hervidor de flujo descendente para recibir una corriente que contiene oxfgeno lfquido y un flujo paralelo de una corriente que contiene nitrogeno y/o que contiene argon.
  16. 16. Un metodo para efectuar un intercambio de calor indirecto de una pluralidad de corrientes de fluido en un intercambiador de calor de placas y aletas que tiene un primer grupo de pasos verticales que transportan una primera corriente de fluido, que es de dos fases en, al menos, una parte de dichos pasos, teniendo dicha parte una pluralidad de aletas (28) onduladas verticalmente dispuestas en su interior, con al menos una de las aletas que se extiende entre laminas de separacion (40, 42) vecinas sustancialmente paralelas, caracterizado por que dicha al menos una aleta tiene una superficie texturada en forma de acanaladuras o ranuras ininterrumpidas formadas o aplicadas en, al menos, una superficie, en el que: al menos una parte de la textura superficial (50) tiene la forma de estnas horizontales, o al menos una parte de la textura superficial (50) esta aplicada con un angulo (a) con relacion a una posicion horizontal, en el que el angulo (a) es mayor que 0o y menor que 75o.
  17. 17. El metodo segun la reivindicacion 16, en el que al menos una parte de la textura superficial (50) esta aplicada de
    manera entrecruzada, o en el que el angulo (a) es mayor que 0o y menor que 50o.
  18. 18. El metodo segun la reivindicacion 16, en el que la textura superficial (50) tiene la forma de acanaladuras o
    ranuras con una longitud de onda (A) comprendida en el intervalo de 0,5 mm a 5 mm y preferiblemente en el que la longitud de onda (A) esta comprendida en un intervalo de 1 mm a 3 mm.
  19. 19. El metodo segun la reivindicacion 16, en el que la textura superficial tiene la forma de acanaladuras o ranuras que tienen una amplitud pico (h) comprendida en el intervalo de 0,05 mm a 0,75 mm y preferiblemente en el que la amplitud (h) esta comprendida en un intervalo de 0,15 mm a 0,50 mm, o en el que la aleta que tiene la superficie texturada esta perforada.
  20. 20. El uso de una textura superficial (50) en forma de acanaladuras o ranuras ininterrumpidas, en el que: al menos una parte de la textura superficial (50) tiene la forma de estnas horizontales, o al menos una parte de la textura superficial (50) esta aplicada con un angulo (a) con relacion a una posicion horizontal, en el que el angulo (a) es mayor que 0o y menor que 75° en un intercambiador de placas y aletas, teniendo el intercambiador de placas y aletas un primer grupo de pasos verticales que transportan una primera corriente de fluido, que es de dos fases en, al menos, una parte de dichos pasos, teniendo dicha parte una pluralidad de aletas (28) onduladas verticalmente dispuestas en su interior, con al menos una de las aletas que se extiende entre laminas de separacion (40, 42) vecinas sustancialmente paralelas, estando dicha textura superficial formada o aplicada en la superficie de, al menos, una de dichas aletas onduladas verticalmente para mejorar el comportamiento del intercambiador.
  21. 21. El uso segun la reivindicacion 20, en el que la mejora es en la transmision de calor, o en el que la mejora es en el comportamiento de humectacion o en el que la mejora es en la tendencia a atascarse.
  22. 22. El uso segun la reivindicacion 21, en el que al menos una parte de la textura superficial (50) esta aplicada de manera entrecruzada, o en el que el angulo (a) es mayor que 0o y menor que 50° o en el que la textura superficial (50) tiene la forma de acanaladuras o ranuras con una longitud de onda (A) comprendida en el intervalo de 0,5 mm a
    5 mm y preferiblemente en el que la longitud de onda (A) esta comprendida en un intervalo de 1 mm a 3 mm, o en el que la textura superficial tiene la forma de acanaladuras o ranuras con una amplitud pico (h) comprendida en el intervalo de 0,05 mm a 0,75 mm y preferiblemente en el que la amplitud (h) esta comprendida en un intervalo de 0,15 mm a 0,50 mm, o en el que la aleta que tiene la superficie texturada esta perforada.
    5
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