ES2777604T3 - Intercambiador de calor - Google Patents

Abstract

Un intercambiador (100) de calor que comprende una pluralidad de láminas planas dispuestas en paralelo y una pluralidad de láminas perfiladas, cada una de las cuales comprende un número de segmentos sustancialmente rectos y está dispuesta entre dos láminas planas posteriores y que tiene un perfil repetitivo, creando juntas las láminas perfiladas y las láminas planas una pluralidad de conductos paralelos dispuestos en capas, dividiéndose los conductos paralelos mediante las láminas perfiladas en conductos de un primer tipo y conductos de un segundo tipo, estando los conductos del segundo tipo adyacentes a los conductos del primer tipo, en el que cada conducto del primer y del segundo tipo tiene una anchura w(d) que es función de una distancia d, siendo d la distancia desde una primera lámina plana, caracterizándose el intercambiador de calor por las siguientes relaciones: w(d) = c1*d cuando 0 <= d < d1, w(d) = c1*d1 + c2*(d-d1) cuando d1 <= d < d2, y w(d) = c1*d1 + c2*(d2-d1) + c3*(d-d2) cuando d2 <= d < d3 en las que d3 es una distancia entre la primera lámina plana y una lámina plana posterior, en la que d1, d2, c1, c2, c3 son valores constantes, en las que c2 ≠ c1,c3, y en las que 0 < d1 < d2 < d3.

Description

DESCRIPCIÓN

Intercambiador de calor

Campo de la invención

La invención se refiere a un intercambiador de calor. También se refiere a un procedimiento para operar dicho intercambiador de calor. La invención se refiere, en particular, a un intercambiador de calor como se define en el preámbulo de la reivindicación 1 y a un procedimiento para operar dicho intercambiador de calor como se define en la reivindicación 14.

Antecedentes de la técnica

Los microintercambiadores de calor (también conocidos como intercambiadores de calor a microescala o intercambiadores de calor microestructurados) son intercambiadores de calor en los que (al menos un) fluido fluye en microcanales con dimensiones de sección transversal normalmente inferiores a 20 mm. Un intercambiador de calor de microcanales puede estar hecho de varios materiales como metal, cerámica o plástico. Los intercambiadores de calor de microcanales pueden usarse para muchas aplicaciones, incluidas motores de turbinas de gas para aviones de alto rendimiento, bombas de calor, unidades de aire acondicionado y ventilación con recuperación de calor.

Los canales de los intercambiadores de calor pueden tener todo tipo de secciones transversales. Los canales pueden tener, por ejemplo, secciones transversales de forma triangular. El caudal en las esquinas exteriores de tales canales será relativamente bajo, de modo que las partes de esquina de los canales no contribuyan a la transferencia efectiva de calor. Esto influirá directamente en la eficiencia del intercambiador de calor.

En la publicación DE10213543 se describe un intercambiador de calor que tiene canales con secciones transversales de forma rectangular. La velocidad de flujo en tales canales es más homogénea en comparación con las secciones transversales de forma triangular. Los canales se forman apilando múltiples capas perfiladas. Las capas perfiladas tienen cada una un perfil repetitivo hecho de una onda de bloque. Para facilitar el apilado, cada capa perfilada comprende esquinas dentadas en su lado superior para recibir las esquinas de una capa perfilada apilada sobre ella. De este modo, disminuye el riesgo de desplazamientos no deseados de las capas.

El apilado de las capas perfiladas en los intercambiadores de calor de microcanales es más difícil que en los intercambiadores de calor que tienen canales más grandes. Aunque los canales de forma rectangular tienen una cierta ventaja, la configuración del documento DE10213543 no es muy adecuada para crear microcanales. Para evitar el riesgo de movimiento (y, por lo tanto, de colapso) de la estructura de canal de forma rectangular, las láminas perfiladas se pueden separar mediante láminas planas. Esto proporciona una estructura más estable y, por tanto, más firme del intercambiador de calor de microcanales. Una desventaja de dicho intercambiador de calor es que las capas vecinas dentro del intercambiador de calor deben alinearse con mucha precisión. Si la alineación no es correcta, los canales del mismo tipo (es decir, que transportan fluido con la misma temperatura) estarán en contacto térmico. Esto reducirá la eficiencia del intercambiador de calor.

Sumario de la invención

Uno de los objetos de la invención es proporcionar un intercambiador de calor en el que se resuelva al menos uno de los problemas de la técnica anterior.

Por lo tanto, de acuerdo con un primer aspecto, se proporciona un intercambiador de calor que comprende una pluralidad de láminas planas dispuestas en paralelo y una pluralidad de láminas perfiladas, cada una de las cuales está dispuesta entre dos láminas planas posteriores y tiene un perfil repetitivo. Las láminas perfiladas y las láminas planas juntas crean una pluralidad de conductos paralelos dispuestos en capas, dividiéndose los conductos paralelos mediante las láminas perfiladas en conductos de un primer tipo y conductos de un segundo tipo, los conductos del segundo tipo adyacentes con los conductos del primer tipo. Cada conducto del primer y segundo tipo tiene una anchura w(d) que es función de una distancia d, siendo d la distancia desde una primera lámina plana, en los que:

w (d )= c1*d

cuando 0 < d < d i,

w(d) = c1*d1 c2*(d-d1)

cuando d1 < d < d2, y

w(d) = c1*d1 c2*(d2-d1) c3*(d-d2)

cuando d2 < d < d3

en las que d3 es una distancia entre la primera lámina plana y una lámina plana posterior, en la que d1, d2, c1, c2, c3 son valores constantes, en las que c2 t c1,c3, y en las que 0 < d i < d2 < d3.

A partir de la primera lámina plana, el conducto tiene primero una anchura igual a cero. Esto da como resultado un contacto mínimo con la lámina plana y, por lo tanto, un contacto térmico mínimo del conducto con una capa adyacente. Posteriormente, la anchura aumenta linealmente hasta que la distancia d sea igual a un valor d1. Esto dará como resultado una primera parte de la sección transversal de forma sustancialmente triangular.

En una realización, la anchura de la parte de un conducto entre la distancia d1 y d2 aumenta con un factor c2 en el intervalo entre -2 < c2 < 5, y preferentemente en un intervalo entre -0,3 < c2 < 0,3. El último intervalo significa que la anchura de los canales es constante o casi constante en esta distancia. Como resultado, el conducto comprenderá una parte principal que tiene una forma sustancialmente rectangular. Entre d2 y d3, la anchura puede aumentar linealmente de nuevo.

Una forma sustancialmente rectangular, que está formada por la segunda parte, dará como resultado una superficie de intercambio de calor eficaz mejorada en comparación con el conducto de forma triangular. El contacto térmico mínimo del conducto con una capa adyacente, evitará la pérdida de eficiencia en caso de que las capas no estén alineadas correctamente. La restricción en la que c2 t c1, se menciona c3 para excluir una forma triangular, que es una forma conocida y no forma parte de la invención.

En una realización, la anchura del conducto no disminuye hacia la lámina plana posterior. Dichas láminas perfiladas son fáciles de fabricar usando un procedimiento de formación térmica en el que las láminas perfiladas se fabrican usando un molde y un contramolde. Después del moldeo, la lámina perfilada puede intercalarse entre las láminas planas y montarse usando procedimientos de unión térmica y/o química con otros procedimientos de unión no excluidos. Es preciso destacar que la invención no está restringida a una anchura continua no decreciente. Alternativamente, la anchura en la segunda parte entre d = d i y d = d2 puede disminuir al aumentar el valor de d.

En una realización, una sección transversal de cada conducto es simétrica con referencia a una perpendicular de las láminas planas. Dicha configuración es relativamente fácil de producir, especialmente en el caso de usar un procedimiento de formación térmica. Es preciso destacar que en esta realización, algunos conductos formados por las láminas planas y las láminas perfiladas pueden tener una sección transversal diferente (es decir, no simétrica) debido, por ejemplo, a un corte a los lados del intercambiador de calor.

Opcionalmente para la constante c2, cuenta que c2 = 0. Esto dará como resultado una parte de forma rectangular de la sección transversal.

Opcionalmente, al menos las láminas perfiladas están formadas a partir de plástico térmicamente deformable. Este material se prefiere cuando el intercambiador de calor se fabrica usando un procedimiento de termoformado.

En una realización, para c2 cuenta que c2 <c1, c3. Esto significa que los conductos tienen sustancialmente forma de cohete.

En una realización, la distancia d3 entre dos láminas planas adyacentes tiene un valor en el intervalo entre 1 mm y 10 mm. Estas pequeñas dimensiones dan como resultado una malla muy fina con una buena eficiencia.

Opcionalmente c1 = c3. Esto significa que el ángulo del primer segmento de pared y del tercer segmento de pared son iguales. En una realización d i = d3-d2. Cuando se combina con la opción de c1 = c3, esto da como resultado una realización en la que la longitud del primer segmento de pared y del tercer segmento de pared son iguales. Cuando esto ocurre, la sección transversal de los conductos del primer tipo y de los conductos del segundo tipo es la misma. Esto da como resultado un flujo mejor equilibrado con igual resistencia al flujo.

La invención también se refiere a un procedimiento para operar un intercambiador de calor, comprendiendo el procedimiento:

- proporcionar un intercambiador de calor como se ha descrito anteriormente;

- conducir un fluido de un primer tipo a través de los conductos del primer tipo;

- conducir un fluido de un segundo tipo a través de los conductos del segundo tipo.

Otra realización preferida y sus ventajas serán claras para el lector al leer la descripción y los dibujos.

Breve descripción de los dibujos

Estos y otros aspectos de la invención son evidentes y se aclararán con referencia a las realizaciones descritas a continuación en el presente documento. En los dibujos,

la figura 1 muestra un gráfico de la anchura w(d) de un conducto en función de la distancia d de acuerdo con una realización;

la figura 2 muestra esquemáticamente una sección transversal de parte de una capa de un intercambiador de calor de acuerdo con una realización;

la figura 3 muestra esquemáticamente una sección transversal de parte de una capa de un intercambiador de calor de acuerdo con una realización adicional;

la figura 4 muestra esquemáticamente una sección transversal de parte del intercambiador de calor de acuerdo con una realización adicional;

la figura 5 muestra esquemáticamente una sección transversal de parte del intercambiador de calor de acuerdo con una realización adicional, y

la figura 6 es una vista en perspectiva de algunas partes del intercambiador de calor de acuerdo con una realización.

Debe señalarse que los artículos que tienen los mismos números de referencia en diferentes figuras, tienen las mismas características estructurales y las mismas funciones, o son las mismas señales. Cuando se ha explicado la función y/o estructura de dicho artículo, no hay necesidad de una explicación repetida de la misma en la descripción detallada.

Descripción detallada de realizaciones

A lo largo de la siguiente descripción, se exponen detalles específicos para proporcionar una comprensión más completa a las personas expertas en la materia. Sin embargo, los elementos bien conocidos pueden no haberse mostrado o descrito en detalle para evitar oscurecer innecesariamente la divulgación. Por consiguiente, la descripción y los dibujos deben considerarse en un sentido ilustrativo, más que restrictivo.

En una realización, se proporciona un intercambiador de calor que comprende una pluralidad de láminas planas dispuestas en paralelo y una pluralidad de láminas perfiladas, cada una de las cuales está dispuesta entre dos láminas planas posteriores y tiene un perfil repetitivo. Debido a un procedimiento de formación especial, las láminas perfiladas comprenden un número de segmentos o partes sustancialmente rectos. Las láminas perfiladas y las láminas planas juntas crean una pluralidad de conductos paralelos dispuestos en capas. Los conductos paralelos están divididos mediante las láminas perfiladas en conductos de un primer tipo y conductos de un segundo tipo, los conductos del segundo tipo adyacentes con los conductos del primer tipo. Cada conducto del primer y del segundo tipo tiene una anchura w(d) que es función de una distancia d, siendo d la distancia desde una primera lámina plana.

La figura 1 muestra un gráfico de la anchura w(d) de un conducto en función de la distancia d. Como puede observarse en la figura 1, la anchura aumenta linealmente en una primera parte entre d = 0 y d = d1. Posteriormente, la anchura aumenta lentamente hasta d = d2. Finalmente, la anchura aumenta linealmente a un valor máximo. La función w(d) de la figura 1 se puede describir de la siguiente manera:

w (d )= c1*d

cuando 0 < d < d1,

w(d) = c1*d1 c2*(d-d1)

cuando d1 < d < d2, y

w(d) = c1*d1 c2*(d2-d1) c3*(d-d2)

cuando d2 < d < d3

El parámetro d3 refleja una distancia entre la primera lámina plana y una lámina plana posterior. Además 0 < d i < d2 <d3. En el ejemplo de la figura 1, c1 = c3 = 1 y c2 = 0,1. Debe señalarse que c1 y c3 pueden diferir. En una realización, el valor de c2 se encuentra en un intervalo de 0 < c2 <5. En una realización preferida, el valor para c2 se encuentra en un intervalo de 0 < c2 <0,3.

La figura 2 muestra esquemáticamente una sección transversal de parte de una capa 20 de un intercambiador de calor. El intercambiador de calor comprende una primera lámina 15 plana y una lámina 16 plana adyacente. Las láminas 15 y 16 están dispuestas en paralelo. Entre las dos láminas 15, 16 planas se dispone una lámina 17 perfilada. La lámina 17 perfilada está formada para mostrar un perfil curvo repetitivo. Las dos láminas 15, 16 planas junto con la lámina 17 perfilada crean una pluralidad de conductos 21, 22 paralelos. Durante su uso, los conductos 21 (también denominados conductos del primer tipo) transportan un fluido, por ejemplo, aire, en una dirección hacia el plano del papel. Los conductos 22 (también denominados conductos del segundo tipo) transportan un fluido en una dirección fuera del plano del papel, de manera opuesta a la dirección del flujo en los conductos 21. Este tipo de intercambiador de calor se refiere a un intercambiador de calor a contraflujo.

Cada uno de los conductos 21 está encerrado por parte de la lámina 16 plana, una pared 24 recta y una pared perfilada que tiene un primer segmento 25 de pared, un segundo segmento 26 de pared y un tercer segmento 27 de pared. En la figura 2, el segundo segmento 26 de pared está dispuesto en paralelo con la pared 24 recta que se asemeja a un valor para c2 igual a cero.

La figura 3 muestra esquemáticamente una sección transversal de parte de una capa 30 de un intercambiador de calor de acuerdo con una realización adicional. En esta realización, la lámina 17 perfilada está curvada para formar conductos en los que los conductos 21 del primer tipo tienen una sección transversal que es una versión especular de la sección transversal de los conductos 22 del segundo tipo. Cada uno de los conductos 21 de la figura 3 está encerrado por parte de la lámina 16 plana, un primer segmento 31 de pared, un segundo segmento 32 de pared, un tercer segmento 33 de pared y un cuarto segmento 34 de pared. Es preciso destacar que la lámina perfilada de pared puede ser relativamente delgada. Como consecuencia, los segmentos de pared pueden estar ligeramente curvados debido a las fuerzas dentro del intercambiador de calor o debido al enfriamiento después de un procedimiento de termoformado. Téngase en cuenta que los segmentos de pared también pueden estar ligeramente curvados intencionadamente, por ejemplo, para reducir tensión en el material.

Como puede observarse en las figuras 2 y 3, los conductos 21 del primer tipo no tienen una superficie de contacto que contacte la lámina 15 plana, excepto en el punto en el que la punta de la sección transversal toca la lámina 15 plana. Esto significa que el contacto entre estos conductos y una capa superior (no mostrada) se mantiene al mínimo.

La figura 4 muestra esquemáticamente una sección transversal de parte del intercambiador de calor de acuerdo con una realización adicional. En la figura 4 se muestran dos capas de los conductos del intercambiador de calor. Una primera capa comprende una primera lámina 41 perfilada y una segunda capa comprende una segunda lámina 42 perfilada. En este ejemplo, la primera lámina 41 perfilada y la segunda lámina 42 perfilada tienen perfiles idénticos. Sin embargo, debe señalarse que la lámina perfilada en diferentes capas no tiene que ser idéntica y que diferentes capas pueden comprender láminas perfiladas de manera diferente.

En la figura 4, el conducto 21 del primer tipo se indica con símbolos de estrella, lo que indica que el aire en estos conductos 21 es más frío que el aire que fluye a través de los conductos 22 del segundo tipo. Es preciso destacar que la invención no se limita al intercambiador de calor con conductos de tipo de contraflujo. Se puede conducir aire (u otros fluidos) a través de los conductos del primer tipo y de los conductos del segundo tipo en la misma dirección (por lo tanto, no en dirección opuesta/inversa).

La figura 5 muestra esquemáticamente una sección transversal de parte del intercambiador de calor de acuerdo con una realización adicional. En la figura 5 se muestran dos capas de los conductos del intercambiador de calor. Las capas en esta realización se asemejan a las capas de la realización de la figura 4, pero las capas están ligeramente desplazadas entre sí. Como puede observarse en la figura 5, las puntas de los conductos 21 de la capa inferior tocan las puntas de los conductos 22 en la capa superior. Esto significa que no habrá intercambio de energía en esta posición entre estos conductos que tienen diferentes tipos. Esto no es un inconveniente ya que en otras ubicaciones de la lámina 44 plana entre las puntas, el intercambio de energía es óptimo debido a un contacto óptimo entre los conductos del primer tipo y los conductos del segundo tipo en una capa adyacente.

Todas las realizaciones anteriores muestran conductos que tienen una sección transversal que comprende al menos una parte de forma sustancialmente rectangular y dos o tres partes de forma triangular. En la figura 5, la parte de forma rectangular se indica con el número de referencia 51, y las tres partes de forma rectangular se indican con los números de referencia 52, 53 y 54, respectivamente. Preferentemente, la dimensión de la parte 51 sustancialmente rectangular es más del 70 % de la sección transversal total de un conducto. En la situación en la que c2 = 0 y c1 = c3 = 1, esto significa que la sección transversal total de las tres partes 52, 53, 54 de forma triangular es menor o igual al 20 % de la sección transversal total de un conducto.

Una relación altura/anchura preferida de la parte 51 sustancialmente rectangular es más de 3. Tales valores dieron buenos resultados durante las simulaciones de los conductos.

La figura 6 es una vista en perspectiva de algunas partes del intercambiador de calor de acuerdo con una realización. El intercambiador 100 de calor comprende una unidad 101 de intercambio de calor. La unidad 101 de intercambio de calor puede comprender las láminas planas y las láminas perfiladas que forman los conductos del primer y segundo tipo como se ha descrito anteriormente. El intercambiador 100 de calor comprende además una primera unidad 102 de acoplamiento dispuesta para acoplar un primer conducto externo (no mostrado) en un primer extremo de los conductos del primer tipo y para acoplar un segundo conducto externo a un primer extremo de los conductos del segundo tipo. El intercambiador 100 de calor comprende además una segunda unidad 103 de acoplamiento dispuesta para acoplar un tercer conducto externo (no mostrado) en un segundo extremo de los conductos del primer tipo y para acoplar un cuarto conducto externo a un segundo extremo de los conductos del segundo tipo.

De acuerdo con una realización preferida, al menos las láminas perfiladas están formadas a partir de plástico térmicamente deformable. Para producir las láminas perfiladas, las láminas de plástico se presionan entre un molde y un contramolde que tiene cavidades y extensiones adecuadas.

Es preciso destacar que la invención no se limita a los intercambiadores de calor de microcanales. Las secciones transversales propuestas de los canales también pueden usarse en otros tipos de intercambiadores de calor que tengan dimensiones más grandes. Además, es preciso destacar que las láminas pueden estar hechas de materiales externos como metal o cerámica.

La invención también se refiere a un procedimiento para operar un intercambiador de calor. El procedimiento comprende proporcionar un intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, conducir un fluido de un primer tipo a través de los conductos del primer tipo y conducir un fluido de un segundo tipo a través de los conductos del segundo tipo. El fluido puede ser aire, pero de forma alternativa, dependiendo de la aplicación, el fluido puede ser un gas o un líquido.

Debe señalarse que las realizaciones mencionadas anteriormente ilustran en lugar de limitar la invención, y que los expertos en la materia podrán diseñar muchas realizaciones alternativas.

En las reivindicaciones, los signos de referencia colocados entre paréntesis no se interpretarán como limitativos de la reivindicación. El uso del verbo "comprender" y sus conjugaciones no excluye la presencia de elementos o etapas distintos de los expresados en una reivindicación. El artículo "un" o "una" precediendo a un elemento, no excluye la presencia de una pluralidad de tales elementos. El mero hecho de que ciertas medidas se mencionen en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de estas medidas no se pueda usar con ventaja.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Un intercambiador (100) de calor que comprende una pluralidad de láminas planas dispuestas en paralelo y una pluralidad de láminas perfiladas, cada una de las cuales comprende un número de segmentos sustancialmente rectos y está dispuesta entre dos láminas planas posteriores y que tiene un perfil repetitivo,

creando juntas las láminas perfiladas y las láminas planas una pluralidad de conductos paralelos dispuestos en capas, dividiéndose los conductos paralelos mediante las láminas perfiladas en conductos de un primer tipo y conductos de un segundo tipo, estando los conductos del segundo tipo adyacentes a los conductos del primer tipo,

en el que cada conducto del primer y del segundo tipo tiene una anchura w(d) que es función de una distancia d, siendo d la distancia desde una primera lámina plana, caracterizándose el intercambiador de calor por las siguientes relaciones:

w (d )= c1*d

cuando 0 < d < d1,

w(d) = c1*d1 c2*(d-d1)

cuando d1 < d < d2, y

w(d) = c1*d1 c2*(d2-d1) c3*(d-d2)

cuando d2 < d < d3

en las que d3 es una distancia entre la primera lámina plana y una lámina plana posterior, en la que d1, d2, c1, c2, c3 son valores constantes, en las que c2 t c1,c3, y en las que 0 < d i < d2 < d3.

2. Intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, en el que -2 < c2 < 5.

3. Intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 2, en el que -0,3 < c2 < 0,3.

4. Intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que 0,1 < c1,c3 < 5.

5. Intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una sección transversal de cada conducto es simétrica con referencia a una perpendicular de las láminas planas.

6. Intercambiador de calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que los conductos formados por las láminas planas y las láminas perfiladas son no simétricos en sección transversal.

7. Intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que c2 = 0.

8. Intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que c2 < c1,c3.

9. Intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos las láminas perfiladas están formadas a partir de plástico térmicamente deformable.

10. Intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que 1 mm < d3 < 10 mm.

11. Intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que c1 = c3.

12. Intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que d1 = d3-d2.

13. Intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende una primera unidad (102) de acoplamiento dispuesta para acoplar un primer conducto externo en un primer extremo de los conductos del primer tipo y para acoplar un segundo conducto externo a un primer extremo del segundo tipo, y una segunda unidad (103) de acoplamiento dispuesta para acoplar un tercer conducto externo en un segundo extremo de los conductos del primer tipo y para acoplar un cuarto conducto externo a un segundo extremo de los conductos del segundo tipo.

14. Un procedimiento de operación de un intercambiador de calor, comprendiendo el procedimiento:

- proporcionar un intercambiador de calor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores; - conducir un fluido de un primer tipo a través de los conductos del primer tipo;

- conducir un fluido de un segundo tipo a través de los conductos del segundo tipo.