ES2841826T3 - Intercambiador de calor anular - Google Patents

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Abstract

Intercambiador de calor anular compuesto, como mínimo, de dos perfiles tubulares cerrados en sentido circunferencial (1, 2), dispuestos uno en el interior del otro para la circulación de medios y que tiene una estructura térmicamente conductiva (3) dispuesta en el interior, caracterizado por que la estructura térmicamente conductiva (3) comprende un par de bandas (4, 5) enrolladas estrechamente en sentido helicoidal situadas una sobre otra, siendo la primera banda (4) lisa, siendo la otra banda (5) corrugada en sentido transversal a la dirección de enrollado para crear canales (6) de circulación.

Description

DESCRIPCIÓN
Intercambiador de calor anular
Sector técnico
La invención se refiere a un intercambiador de calor anular que comprende, como mínimo, dos perfiles tubulares cerrados en sentido circunferencial, dispuestos uno en el interior del otro para la circulación de medios y que tiene una estructura térmica conductiva dispuesta en su interior.
Estado de la técnica anterior
Los intercambiadores de calor que comprenden, como mínimo, dos tubos para la circulación de medios dispuestos uno en el interior del otro, son denominados en ocasiones, intercambiadores de “un tubo dentro de un tubo”. Los intercambiadores de “un tubo dentro de un tubo” tienen dos funciones principales, separan los medios y al mismo tiempo sirven de superficie de intercambio de calor. La convección térmica desde el medio al material del intercambiador de calor es decisiva para el intercambio de calor, mientras que la conducción térmica está presente en un grado mínimo, únicamente en la pared del tubo.
Al incrementar la superficie de intercambio de calor aumenta el rendimiento del intercambiador de calor. En el intercambiador de “un tubo dentro de un tubo”, es preciso aumentar la longitud del tubo para incrementar la superficie de intercambio de calor. Como el tubo separa al mismo tiempo los medios, toda la superficie de intercambio de calor debe tener un cierto grosor de pared para resistir las presiones de los medios y su diferencial de presión. Esto hace que el peso y el tamaño de dichos intercambiadores sea muy grande.
La superficie de intercambio de calor se puede incrementar por medio de aletas. Las aletas forman parte del tubo y tienen un grosor del orden de milímetros. En este caso, tanto la convección térmica como la conducción térmica están presentes parcialmente, pero la convección térmica sigue siendo decisiva.
La colocación de aletas (incrementando la superficie de intercambio de calor) es utilizada en un solo lado, en el interior o en el exterior.
Para conseguir un rendimiento máximo con un mínimo peso del intercambiador, se realiza un intento para reducir el grosor de la pared de separación de los medios, lo cual está limitado por problemas tecnológicos, especialmente en lo que respecta a si los medios tienen presiones elevadas o diferentes. Además, estas paredes delgadas es necesario que sean unidas de un modo, por ejemplo, mediante soldadura blanda o soldadura, en el caso de intercambiadores de placa. Esto tiene asimismo ciertas limitaciones tecnológicas.
Un tubo para intercambiadores según el preámbulo de la reivindicación 1, que ha sido llenado con una superficie de intercambio de calor en forma de aletas es conocido a partir de la Patente US6533030.
Además, se conocen intercambiadores de calor que han sido llenados con una estructura en forma de nido de abeja. Las Patentes japonesas JPH02150691 y JPS62288495 pueden ser mencionadas como un ejemplo.
Adicionalmente, son conocidos los intercambiadores de calor rotativos de regeneración fabricados, por ejemplo, por la firma KASST que utilizan el principio del condensador, lo que significa que son cargados cíclicamente y después de que la parte cargada de la superficie del intercambiador de calor es girada a un lugar con una temperatura menor, son descargados de nuevo. Este es un principio funcional totalmente diferente del de los intercambiadores de “un tubo dentro de un tubo” desde el punto de vista técnico.
El objetivo de la invención es el de adaptar los intercambiadores de “un tubo dentro de un tubo” conocidos para conseguir una reducción de peso considerable y un aumento de rendimiento del intercambiador.
Descripción de la invención
Dicho objetivo se alcanza mediante un intercambiador de calor anular que comprende, como mínimo, dos perfiles tubulares cerrados en sentido circunferencial, dispuestos uno en el interior del otro para la circulación de los medios y que, según la invención, tiene una estructura térmica conductiva dispuesta en su interior, el principio de la cual es que la estructura térmica conductiva comprende una par de bandas enrolladas estrechamente en sentido helicoidal, dispuestas una sobre otra, siendo la primera banda lisa y siendo la segunda banda corrugada en sentido transversal a la dirección de enrollado para crear canales de circulación.
Una ventaja de la invención es que las estructuras térmicas individuales de conducción están separadas una de otra por medio de los perfiles tubulares respectivos que funcionan como una superficie de intercambio de calor en los intercambiadores estándar, pero que en el intercambiador de la invención actúan de manera predominante como separadores de los medios. Los perfiles tubulares no forman primordialmente una superficie de intercambio de calor, sino una parte del intercambiador que separa los medios, de modo que los perfiles tubulares pueden estar dimensionados para las respectivas diferencias de presión, y el intercambiador según la invención puede ser utilizado para casi cualquier diferencia de presión entre los medios. Dado que la estructura térmica conductiva puede tener un grosor de decenas de micrómetros, independientemente de las presiones de los medios, mientras que el grosor de la pared y de las posibles aletas en los tubos de aletas de los intercambiadores conocidos es del orden de milímetros, es decir, 2 órdenes más gruesos, el peso del intercambiador de calor según la invención es considerablemente menor para un mismo rendimiento.
Los perfiles tubulares pueden tener, en principio, cualquier sección transversal, especialmente circular, ovalada, o rectangular.
La estructura térmica conductiva llena preferentemente los perfiles tubulares de forma completa.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 muestra esquemáticamente una sección transversal del primer ejemplo de un intercambiador de calor anular según la invención. La figura 2 muestra un detalle del diseño de la estructura térmica conductiva en la zona del perfil interior. Las figuras 3, 4, 5 y 6 muestran otras realizaciones de intercambiador de calor anular según la invención.
Descripción de realizaciones preferentes
Una realización de un intercambiador de calor anular según la figura 1 comprende tres perfiles tubulares dispuestos concéntricamente para la circulación de medios, a saber, el perfil exterior 1, el perfil interior 2 y el perfil central 7. En esta realización, los perfiles tubulares 1, 2, 7 están compuestos de tubos con una sección transversal circular. Los espacios intermedios entre estos perfiles 1,2, 7 están completamente llenos con una estructura térmica conductiva 3 que está compuesta de un par de bandas 4, 5 de lámina de aluminio enrolladas apretadamente en sentido helicoidal, de un grosor de 0,05 mm, situadas una sobre otra. La primera banda 4 es lisa mientras que la otra banda 5 es corrugada en sentido transversal a la dirección de enrollado para producir canales de circulación 6 (ver la figura 2). La realización de un intercambiador de calor anular según la figura 3 solamente difiere de la realización de la figura 1 en que no tiene un perfil central 7 y que todo el perfil interior 2 está completamente lleno con la estructura térmica conductiva 3.
La realización de un intercambiador de calor anular según la figura 4 comprende varios perfiles centrales 7. En dicho caso, puede haber dos medios, o el intercambiador puede ser diseñado para un intercambio de calor entre más medios.
Las figuras 5 y 6 muestran ejemplos de intercambiadores cuyos perfiles tubulares 1,2 tienen una sección transversal rectangular. Un experto en la materia encontrará obvio que los perfiles 1, 2, 7 puedan tener virtualmente cualquier sección transversal con un contorno cerrado.
El intercambiador de calor anular según la presente invención puede ser conectado como un intercambiador a contracorriente o un intercambiador de corrientes paralelas con cualquier número de perfiles insertados 1, 2, 7. El intercambiador puede ser utilizado asimismo para medios líquido/líquido, pero sus beneficios se manifiestan de manera máxima cuando son usados en medios gas/gas y gas/líquido y en aplicaciones con una elevada diferencia de presión en los lados caliente y frío (generadores de vapor, recuperadores de turbinas de combustión, condensadores, evaporadores).
El funcionamiento de un intercambiador de calor anular según la presente invención será descrito utilizando la realización mostrada en las figuras 1 y 2. Las otras realizaciones funcionan de una manera análoga.
El medio caliente es suministrado al espacio entre el perfil interior 2 y el perfil central 7 en donde el medio transfiere el calor por convección a la estructura térmica conductiva 3. La estructura térmica conductiva 3 conduce este calor al tubo que forma el perfil interior 2 y a continuación el calor es conducido a la estructura térmica conductiva 3 que llena el espacio entre el perfil interior 2 y el perfil exterior 1. En este espacio, la estructura térmica conductiva 3 transfiere calor por convección al medio más frío que circula por este espacio. El desplazamiento del calor se indica mediante flechas en la figura 2.
De este modo, el intercambiador de calor anular según la presente invención se basa en un intercambio combinado de calor en el que la convección térmica tiene la misma importancia que la conducción térmica. Su superficie de transferencia de calor se maximiza mediante la inserción de la estructura térmica conductiva 3 antes descrita. La transferencia de calor a esta estructura térmica conductiva 3 y la posterior conducción térmica por medio de esta estructura térmica conductiva 3 a la pared de separación de los respectivos perfiles 1, 2, 7 es utilizada igualmente para el intercambio de calor. De este modo, la conducción térmica por medio de la estructura térmica conductiva 3 es aplicada en un grado considerablemente más elevado, siendo tan importante como la convección térmica en el intercambiador basado en la presente invención.
Las estructuras térmicas conductivas individuales 3 están separadas unas de otras por los respectivos perfiles tubulares 1,2, 7, que funcionan como una superficie de intercambio de calor en los intercambiadores estándar, pero en el intercambiador de la invención actúan predominantemente como separadores de los medios.
Como los medios están separados por los perfiles tubulares 1, 2, 7 que están diseñados para las diferencias de presión respectivas, el intercambiador basado en la presente invención puede ser utilizado para virtualmente cualquier diferencia de presión de los medios. De este modo, los perfiles tubulares 1, 2, 7 no forman primordialmente una superficie de intercambio de calor, sino una parte de separación de los medios del intercambiador. Dado que la estructura térmica conductiva puede tener un grosor de decenas de micrómetro independientemente de las presiones de los medios, mientras que el grosor de la pared y de las posibles aletas en los tubos de aletas de los intercambiadores conocidos es del orden de milímetros, es decir, 2 órdenes más gruesos, el peso del intercambiador de calor según la invención es considerablemente menor para el mismo rendimiento.
Se utilizó un cálculo comparativo utilizando un modelo numérico del programa ANSYS CFD para comparar la cantidad de calor transferida por un tubo de aluminio de 50 mm con un diámetro de 20 mm en cuatro versiones, simulando 4 diferentes tipos de intercambiadores:
- tubo liso
- tubo estándar con aletas
- tubo con aletas según la Patente US6533030
- intercambiador según la invención.
Condiciones de cálculo: un tubo calentado desde el exterior a una temperatura constante de 100 °C; aire entrando por el tubo a una temperatura de 20 °C y una velocidad de circulación de 31,87 m/s.
Un intercambiador ideal que tuviera una eficiencia del 100 % tendría un rendimiento de 604 W. Utilizando el modelo numérico, se calcularon los valores siguientes:
T ubo liso - 32 W (5 % del intercambiador ideal)
T ubo estándar con aletas - 146 W (24 % del intercambiador ideal)
Tubo con aletas según la Patente US6533030 - 252 W (42 % del intercambiador ideal)
Intercambiador según la invención - 375 W (62 % del intercambiador ideal).
A partir de lo anterior, es obvio que el intercambiador de la invención tiene, con mucho, el mayor rendimiento.
Lista de signos de referencia:
1 perfil exterior
2 perfil interior
3 estructura térmica conductiva
4 primera banda
5 segunda banda
6 canal de circulación
7 perfil central

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Intercambiador de calor anular compuesto, como mínimo, de dos perfiles tubulares cerrados en sentido circunferencial (1, 2), dispuestos uno en el interior del otro para la circulación de medios y que tiene una estructura térmicamente conductiva (3) dispuesta en el interior, caracterizado por que la estructura térmicamente conductiva (3) comprende un par de bandas (4, 5) enrolladas estrechamente en sentido helicoidal situadas una sobre otra, siendo la primera banda (4) lisa, siendo la otra banda (5) corrugada en sentido transversal a la dirección de enrollado para crear canales (6) de circulación.
2. Intercambiador de calor anular, según la reivindicación 1, caracterizado por que los perfiles tubulares (1, 2) tienen una sección transversal circular, ovalada o rectangular.
3. Intercambiador de calor anular, según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que la estructura térmica conductiva (3) llena completamente los perfiles tubulares (1,2).
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