ES2894870T3 - Mejora de la capacidad térmica del intercambiador de calor con aletas elípticas - Google Patents
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Abstract
Un intercambiador de calor evaporativo para enfriar o condensar un fluido de proceso, que comprende: una sección de intercambio de calor indirecto; una sección de intercambio de calor directo situada debajo de la sección de intercambio de calor indirecto; un sistema de distribución de agua ubicado sobre la sección de intercambio de calor indirecto y configurado para rociar agua sobre la sección de intercambio de calor indirecto; la sección de intercambio de calor indirecto que comprende un colector de entrada de fluido de proceso y un colector de salida de fluido de proceso, y una serie de tubos serpenteantes que conectan dicho colector de entrada y dicho colector de salida, dichos tubos serpenteantes que tienen una sección transversal elíptica con aletas en espiral; dichos tubos serpenteantes que tienen además tramos que se extienden a lo largo de un eje longitudinal, dichos tramos conectados a tramos adyacentes de un mismo tubo serpenteante mediante codos del tubo; dicha sección directa que comprende un pleno donde el agua distribuida por dicho sistema de distribución de agua y que ha recibido calor de dicha sección indirecta se enfría por contacto directo con el aire que se mueve a través de dicho pleno; un sistema de recirculación de agua, que incluye bomba y tuberías, configurado para tomar el agua recolectada en el fondo de dicho pleno y suministrarla a dicho sistema de distribución de agua; un motor de aire configurado para mover el aire ambiente al interior de dicha cámara y hacia arriba a través de dicha sección indirecta; el intercambiador de calor evaporativo que se caracteriza porque dicho intercambiador de calor evaporativo está configurado de modo que dicho motor de aire mueve el aire a dicho pleno solo en una dirección que es paralela a dicho eje longitudinal de dichos tramos de tubo y perpendicular a los ejes longitudinales de dichas aletas en espiral.
Description
DESCRIPCIÓN
Mejora de la capacidad térmica del intercambiador de calor con aletas elípticas
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
La presente invención se refiere a enfriadores de circuito cerrado y condensadores de refrigerante evaporativo. Descripción de los antecedentes
Tanto los enfriadores evaporativos de circuito cerrado como los condensadores refrigerantes evaporativos utilizan intercambiadores de calor para transferir calor de un fluido interno o refrigerante indirectamente a un fluido de circulación externo que usualmente es agua. El agua en circulación, a su vez, transfiere calor y masa directamente al aire. El flujo de aire es inducido o forzado a través del intercambiador de calor a través de un dispositivo motriz tal como un ventilador. El intercambiador de calor, en la tecnología establecida, consta de múltiples tubos serpenteantes que están conectados al flujo principal de fluido o refrigerante a través de conjuntos de cabezal. La capacidad térmica de estos enfriadores y condensadores es una función del caudal de aire másico, así como de los coeficientes de transferencia de calor internos y externos del serpentín del intercambiador de calor.
Un avance tecnológico anterior, sobre los tubos lisos redondos originales, mejora el caudal de aire másico al cambiar la forma del tubo redondo a elíptica, con el eje largo de la elipse paralelo a la dirección del flujo de aire (Patente de Estados Unidos núm. 4,755,331). Dado que la elipse tiene una forma más aerodinámica que el tubo redondo, la resistencia al flujo de aire se reduce, el flujo de aire se incrementa posteriormente y, de esta manera, aumenta la capacidad térmica.
Otra mejora de la tecnología anterior ha cambiado los ángulos del eje largo de la elipse en un patrón alterno, izquierdo y derecho. La capacidad de eliminación de calor térmico de cada tubo aumenta con el patrón inclinado, lo que también da como resultado una mayor separación entre los tubos. Esto reduce efectivamente el costo al reducir el número de tubos necesarios para lograr la misma capacidad de eliminación de calor del tubo posicionado verticalmente.
Otro avance tecnológico previo y significativo coloca aletas en espiral en los tubos elípticos del intercambiador de calor a una separación y una altura de aleta específicos. Este avance aumenta la capacidad térmica general del intercambiador de calor en una cantidad muy significativa. Las aletas están separadas a lo largo de los tubos para aumentar los coeficientes de transferencia térmica sin aumentar la resistencia al flujo de aire. Dado que este avance tecnológico también extiende la cantidad total de superficie de transferencia de calor, permite la conservación del agua y la reducción visible de la estela a través del funcionamiento en seco parcial o completo a temperaturas ambientales reducidas. El documento US2012/012292 describe un intercambiador de calor evaporativo conocido. Resumen de la invención
Todos los enfriadores y condensadores que usan las aletas en espiral en los tubos elípticos tiran o empujan el aire hacia el pleno debajo del serpentín desde el lado (perpendicular al eje del tubo y paralelo al eje longitudinal de las aletas) o desde todos los lados. Aunque parece contradictorio, ahora se ha descubierto que al orientar el flujo de aire que entra al pleno de calor para que sea paralelo a los tubos (perpendicular al eje de la aleta), se obtiene una ganancia adicional en la capacidad térmica. Los resultados de la prueba inicial muestran que la orientación del flujo de aire para que ingrese al pleno desde una dirección que sea paralela al eje del tubo y perpendicular al eje de la aleta produce una ganancia total de capacidad del 25 % en comparación con cuando el flujo de aire de entrada de aire es perpendicular al eje del tubo y paralelo al eje de la aleta. Esta ganancia de capacidad adicional debido a la orientación de las bobinas en relación con la dirección del aire de entrada fue muy inesperada.
La disposición del ventilador, los serpentines y las caras de entrada de aire para hacer que el flujo de aire ingrese al pleno desde una dirección paralela al eje del tubo/perpendicular al eje de la aleta se puede hacer de varias maneras, según el tipo de ventilador y el tipo de unidad.
Por ejemplo, el enfriador o condensador de contraflujo de tiro inducido por ventilador axial, para una unidad de celda única, aspira aire hacia el pleno desde los cuatro lados. Para producir el resultado de mejora deseado para esta unidad, las bobinas permanecen en la misma orientación, con los tubos del intercambiador de calor paralelos a los dos lados largos de la unidad y perpendiculares a los dos lados cortos de la unidad. Para que el flujo de aire de entrada sea mayormente paralelo al eje del tubo, las entradas de aire se proporcionan solo en las dos caras de entrada de aire que son el lado corto de la unidad, los lados con los extremos del tubo. En una unidad ya construida, las entradas de aire en los lados largos (los lados que son paralelos a la longitud de los tubos del intercambiador de calor) se sellan, dejando abiertas las entradas de aire en los dos lados cortos restantes. Esta disposición hace que todo el aire que entra al pleno de la unidad ingrese desde una dirección que es paralela a los ejes del tubo del
intercambiador de calor y perpendicular al eje longitudinal de las aletas. Para alojar un mayor flujo de aire a través de los lados que se orientan hacia los extremos del tubo sin aumentar significativamente la pérdida de presión, se puede aumentar la altura de las aberturas de entrada de aire, aumentando el área de la sección transversal de entrada de aire y reduciendo la velocidad de entrada de aire a un nivel deseado. Una ventaja adicional de esta disposición es que las unidades se pueden posicionar como celdas múltiples con los lados cerrados uno al lado del otro sin penalización. Cabe señalar que las designaciones de lado "largo" y "corto" en la descripción anterior están destinadas a designar el lado de la unidad que es paralelo a la longitud del tubo ("largo") y el lado de la unidad que se orienta hacia los extremos del tubo ("corto"), respectivamente. En el caso de una unidad que es sustancialmente cuadrada en planta, la invención se logra proporcionando entradas de aire al pleno en sólo los dos lados de la unidad que se enfrentan a los extremos del tubo.
Hay varias posibilidades adicionales para una unidad de tiro forzado con ventiladores axiales o centrífugos, todos en un lado. En una primera realización, las bobinas se giran 90 grados para que el eje del tubo del intercambiador de calor esté paralelo a la dirección del flujo de aire que entra en el pleno. Para otra realización, los ventiladores se colocan en uno o en ambos extremos cortos. En una tercera realización, una disposición de dos consecutiva tiene bobinas que se giran 90 grados con respecto a una orientación estándar, pero estas bobinas se extienden completamente a lo ancho de ambas celdas para poder utilizar bobinas más largas.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es una unidad de celda única de tiro inducido de la técnica anterior.
La Figura 2 es una vista en corte de una unidad de celda única de tiro inducido de la técnica anterior.
La Figura 3 es una vista en corte de una unidad de celda única de tiro inducido de acuerdo con una realización de la invención.
La Figura 4 es una unidad de celda única de tiro forzado inducido de la técnica anterior con ventiladores axiales en un lado.
La Figura 5 es una vista en corte de una unidad de celda única de tiro forzado inducido de la técnica anterior con ventiladores axiales en un lado.
La Figura 6 es una vista en corte de una unidad de tiro forzado con ventiladores axiales todos en un lado de acuerdo con una realización de la invención.
La Figura 7 es una vista en corte de una unidad de tiro forzado con ventiladores axiales todos en un lado de acuerdo con otra realización de la invención.
Descripción detallada
La Figura 3 muestra un enfriador evaporativo de celda única de tiro inducido de acuerdo con una primera realización de la invención. En la parte superior de la unidad está el ventilador que aspira aire hacia la unidad y lo expulsa por la parte superior de la unidad. Debajo del ventilador (que no se muestra) hay un sistema de distribución de agua que distribuye el agua sobre el serpentín. El serpentín está hecho de una serie de tubos elípticos serpentinos con aletas en espiral. Cada tramo de tubo está conectado en sus extremos a un tramo de tubo superior y/o inferior adyacente mediante un codo de tubo. El fluido de proceso a enfriar entra a los tubos a través de un cabezal de entrada y sale de los tubos a través de un cabezal de salida. Debajo del serpentín está el pleno, donde el aire entra a la unidad y el agua que se suministra a la unidad a través del sistema de distribución de agua se enfría mediante un intercambio de calor directo con el aire, se acumula en la parte inferior y se recircula hacia la parte superior a través del sistema de recirculación de agua, no mostrado. Mientras que en las unidades de la técnica anterior, se proporcionaron entradas de aire en los cuatro lados del pleno, lo que permite que el ventilador extraiga aire hacia el pleno y hacia el serpentín desde las cuatro direcciones. De acuerdo con la invención, sin embargo, no se proporcionan entradas de aire en los lados del pleno que sean paralelas al eje longitudinal de los tramos del tubo, y las entradas de aire solo se proporcionan en los lados del pleno que están debajo de los extremos del tubo/codos del tubo. Los inventores han descubierto inesperadamente que al proporcionar entradas de aire solo en los extremos del pleno debajo de los extremos del tubo y no permitiendo que entre aire en el pleno desde los lados que son paralelos a los ejes longitudinales de los tubos, la capacidad de la unidad puede incrementarse sorprendentemente en un 25 %.
De acuerdo con una realización alternativa, los dispositivos de tiro inducido de la técnica anterior (específicamente, enfriadores evaporativos con tubo elíptico con aletas en espiral, ver Figuras 1 y 2) pueden modificarse de acuerdo con la invención sellando las entradas de aire en los lados de la unidad que están paralelo al eje longitudinal de los tubos. Incluso reduciendo el área superficial de las entradas de aire en más del 50 %, se descubrió sorprendentemente que modificando los dispositivos de la técnica anterior como se describió, la capacidad de las unidades aumentó en un 25 %.
Con referencia a la Figura 5, un enfriador evaporativo de tiro forzado de la invención tiene, de arriba hacia abajo, un sistema de distribución de agua (no se muestra), seguido por el serpentín, seguido por el pleno. El serpentín está hecho de una serie de tubos elípticos serpentinos con aletas en espiral. Cada tramo de tubo está conectado en sus extremos a un tramo de tubo superior y/o inferior adyacente mediante un codo de tubo. El fluido de proceso a enfriar entra a los tubos a través de un cabezal de entrada y sale de los tubos a través de un cabezal de salida. Debajo del serpentín se encuentra el pleno, donde el aire entra a la unidad y enfría el agua que fluye sobre los serpentines, suministrada a través del sistema de distribución de agua. El agua se acumula en la parte inferior del pleno y se recircula hacia la parte superior a través del sistema de recirculación de agua, no se muestra. Un ventilador axial o centrífugo está situado en un lado del pleno debajo de los extremos del tubo para forzar el aire al interior del pleno en una dirección que es paralela al eje longitudinal de los tramos del tubo. Al igual que con los enfriadores evaporativos de tiro inducido de la invención, los enfriadores evaporativos de tiro forzado de la invención, en los que el aire es forzado al interior del pleno en una dirección que es paralela al eje longitudinal de los tramos del tubo elípticos con aletas en espiral, aumenta la capacidad del dispositivo en 25 % en comparación con forzar el aire en el pleno en una dirección que es perpendicular al eje longitudinal de los tramos del tubo (Figura 4).
De acuerdo con otra realización de la invención, que se muestra en la Figura 6, la orientación del serpentín en una unidad de tiro forzado se puede girar 90 grados con respecto a la orientación en un enfriador evaporativo de tiro forzado de la técnica anterior con un serpentín elíptico con aletas en espiral (Figura 4) de modo que los extremos del tubo estén alineados a lo largo del eje longitudinal de la unidad, por encima de la ubicación de los ventiladores axiales/centrífugos. De acuerdo con esta disposición, los ventiladores fuerzan el aire al interior del pleno en una dirección que es paralela al eje longitudinal de los tubos, de nuevo con el resultado altamente inesperado de incrementar la capacidad del dispositivo en un 25 %.
Con referencia a la Figura 7, de acuerdo con una realización adicional de la invención, se puede colocar un segundo conjunto de ventiladores en un lado del pleno opuesto a un primer conjunto de ventiladores en un enfriador evaporativo de aire forzado con tubos elípticos con aletas en espiral en los que el tubo se enrolla 90 grados con respecto a la orientación del serpentín en un enfriador evaporativo de tiro forzado de la técnica anterior. De acuerdo con esta realización, los ejes longitudinales de los tubos están orientados perpendicularmente al eje longitudinal de la unidad, y uno o más ventiladores están situados debajo de cada conjunto de extremos del tubo, forzando el aire hacia el interior del pleno en una dirección que es paralela a los ejes longitudinales de los tubos, aumentando inesperadamente la capacidad de la unidad en un 25 %.
Claims (11)
1. Un intercambiador de calor evaporativo para enfriar o condensar un fluido de proceso, que comprende: una sección de intercambio de calor indirecto;
una sección de intercambio de calor directo situada debajo de la sección de intercambio de calor indirecto; un sistema de distribución de agua ubicado sobre la sección de intercambio de calor indirecto y configurado para rociar agua sobre la sección de intercambio de calor indirecto;
la sección de intercambio de calor indirecto que comprende un colector de entrada de fluido de proceso y un colector de salida de fluido de proceso, y una serie de tubos serpenteantes que conectan dicho colector de entrada y dicho colector de salida, dichos tubos serpenteantes que tienen una sección transversal elíptica con aletas en espiral; dichos tubos serpenteantes que tienen además tramos que se extienden a lo largo de un eje longitudinal, dichos tramos conectados a tramos adyacentes de un mismo tubo serpenteante mediante codos del tubo;
dicha sección directa que comprende un pleno donde el agua distribuida por dicho sistema de distribución de agua y que ha recibido calor de dicha sección indirecta se enfría por contacto directo con el aire que se mueve a través de dicho pleno;
un sistema de recirculación de agua, que incluye bomba y tuberías, configurado para tomar el agua recolectada en el fondo de dicho pleno y suministrarla a dicho sistema de distribución de agua;
un motor de aire configurado para mover el aire ambiente al interior de dicha cámara y hacia arriba a través de dicha sección indirecta;
el intercambiador de calor evaporativo que se caracteriza porque dicho intercambiador de calor evaporativo está configurado de modo que dicho motor de aire mueve el aire a dicho pleno solo en una dirección que es paralela a dicho eje longitudinal de dichos tramos de tubo y perpendicular a los ejes longitudinales de dichas aletas en espiral.
2. Un intercambiador de calor evaporativo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde sustancialmente todo el flujo de aire impulsado por dicho motor de aire hacia dicha sección indirecta fluye primero a través de dicho pleno.
3. Un intercambiador de calor evaporativo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho motor de aire es un ventilador, y dicho intercambiador de calor evaporativo es un dispositivo de tiro inducido y dicho ventilador está ubicado encima de dicho sistema de distribución de agua y está configurado para extraer aire desde el exterior de dicho dispositivo hacia el interior dicho pleno y a través de dicha sección de intercambio de calor indirecto.
4. Un intercambiador de calor evaporativo de acuerdo con la reivindicación 3, en donde los lados de dicho pleno paralelos a dichos tramos de tubo están sellados para evitar la entrada sustancial de aire.
5. Un intercambiador de calor evaporativo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho motor de aire es un ventilador, y dicho intercambiador de calor evaporativo es un dispositivo de tiro forzado, y dicho ventilador está ubicado en un lado de dicho pleno que está debajo de dichos codos del tubo.
6. Un intercambiador de calor evaporativo de acuerdo con la reivindicación 5, en donde dicho eje longitudinal de dichos tramos de tubo es perpendicular a un eje longitudinal de dicho intercambiador de calor evaporativo.
7. Un intercambiador de calor evaporativo de acuerdo con la reivindicación 5, en donde dicho ventilador está configurado para extraer aire desde el exterior de dicho dispositivo y forzarlo hacia dicho pleno en una dirección que es paralela a dicho eje longitudinal de dichos tramos de tubo y perpendicular a los ejes longitudinales de dicha aletas en espiral.
8. Un intercambiador de calor evaporativo de acuerdo con la reivindicación 7, en donde sustancialmente todo el flujo de aire que entra en dicha sección indirecta se suministra por dicho ventilador.
9. Un intercambiador de calor evaporativo de acuerdo con la reivindicación 8, en donde sustancialmente no entra aire en dicho pleno excepto a través de dicho ventilador.
10. Un intercambiador de calor evaporativo de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho motor de aire es un primer ventilador y un segundo ventilador, dicho primer ventilador ubicado en un lado de dicho pleno que está debajo de un conjunto de codos del tubo en un primer extremo de dichos tramos de tubo, dicho segundo ventilador ubicado en un lado de dicho pleno que está debajo de un conjunto de codos del tubo en un segundo extremo de dichos tramos de tubo.
11. Un intercambiador de calor evaporativo de acuerdo con la reivindicación 10, en donde dichos ventiladores están configurados para extraer aire desde el exterior de dicho dispositivo y forzarlo hacia dicho pleno en una dirección que es paralela a dicho eje longitudinal de dichos tramos de tubo y perpendicular a los ejes longitudinales de dichas aletas en espiral.
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