MX2012014052A - Un evaporador con tubos revestidos y corrugados. - Google Patents

Abstract

Un evaporador que tiene tubos de transferencia de calor más eficientes, que están revestidos o corrugados verticalmente, o ambas cosas. El revestimiento, si bien reduce el coeficiente de transferencia de calor, alarga el tiempo entre tratamientos de limpieza para incrementar la eficiencia general del evaporador. La corrugación de los tubos controla las características de película y acrecienta la evaporación de la película por condensación de vapor dentro de los tubos. Se selecciona el perfil de corrugación para mejorar la ondulación y la turbulencia de las películas e incrementar de esa manera la evaporación y la condensación y, por ende, la efectividad del evaporador.

Description

UN EVAPORADOR CON TUBOS REVESTIDOS Y CORRUGADOS Campo de la Invención La presente invención se refiere al campo de la desalinación y, más en particular, a tubos para evaporador.

Antecedentes de la Invención La desalinación del agua es un proceso en el que se eliminan varios materiales solubles, tales como sal, contaminantes, etc., del agua que contiene esos materiales, dejando un agua limpia, usualmente potable. Se sabe que entre los procesos térmicos de desalinación más eficientes, actualmente en uso, están la destilación de efectos múltiples (MED) y la desalinación mecánica por compresión con vapor (MVC) .

El proceso MVC se basa en la aplicación del principio de una bomba de calor, que recicla continuamente y mantiene el calor latente cambiado en el proceso de evaporación condensación dentro del sistema, en lugar de usar vapor para efectuar la evaporación, como en los sistemas MED. El proceso de evaporación - condensación tiene lugar en equipos similares al usado en el proceso MED. Los tubos utilizados en los evaporadores de los procesos MED y MVC usualmente están hechos de aleaciones de aluminio, que tienen los coeficientes elevados de transferencia de calor necesarios para los procesos MED y MVC, lo que permite mantener lo más pequeño posible el tamaño de los evaporadores; es decir, a mayores coeficientes de transferencia de calor, menor será el tamaño del evaporador.

Debido a las altas temperaturas a las que se usan los tubos de aleación de aluminio en los sistemas anteriores y a la sal y a los contaminantes del agua que se va a desaliñar, la calidad de la superficie de esos tubos, que está en contacto con el agua, se deteriora con el tiempo, como resultado de la corrosión y de la formación de incrustaciones, reduciendo de esa manera los coeficientes de transferencia de calor. Cuando la corrosión y las incrustaciones llegan a un cierto nivel predeterminado, es necesario limpiar los tubos. En particular, en los sistemas MED y MVC, los tubos son limpiados normalmente cuando la reducción de su coeficiente de transferencia de calor alcanza aproximadamente el 10 por ciento de su valor original.

Sumario de la Invención Un aspecto a la invención provee un evaporador que comprende una pluralidad de tubos dispuestos para soportar una película vertical de agua salada, y para evaporar el agua de la película por medio de transferencia de calor desde una película de condensado de vapor que se está condensando dentro de los tubos; teniendo los tubos un coeficiente de transferencia de calor h0 que se deteriora a un coeficiente de transferencia de calor hm como resultado de la formación de incrustaciones; donde al alcanzar hm es necesario limpiar los tubos de las incrustaciones, después de un periodo T0; caracterizado el evaporador porque los tubos comprenden un revestimiento exterior que tiene un coeficiente de transferencia de calor hc mayor que hm y menor que h0; y el revestimiento exterior está seleccionado para incrementar el periodo de limpieza Tc para que sea mayor que T0.

Otro aspecto de la invención provee un evaporador que comprende una pluralidad de tubos horizontales, alargados verticalmente, dispuestos para soportar una película vertical de agua salada, y para evaporar el agua desde la película por medio de transferencia de calor desde una película de condensado del vapor que se está condensando dentro de los tubos; caracterizado porque los tubos horizontales están corrugados vertical y circunferencialmente, por lo menos en un perfil exterior especificado, que comprende rebordes y muescas exteriores alternantes en una cara exterior de los tubos; y el perfil exterior especificado está seleccionado para adelgazar la película sobre los rebordes exteriores, para incrementar la transferencia de calor a través de ellos y la evaporación desde ellos.

Este aspecto adicional y/o aspectos y/o ventajas adicionales de las modalidades de la presente invención, están explicados en la descripción detallada que sigue; se pueden inferir posiblemente de la descripción detallada y/o se pueden aprender al poner en práctica las modalidades de la presente invención.

Breve Descripción de las Figuras de la Invención Se entenderá más fácilmente la presente invención a partir de la descripción detallada de sus modalidades, dada conjuntamente con los dibujos anexos, en los que: La figura 1 es una ilustración esquemática de un evaporador 100 de efectos múltiples, con tubos redondos 110, de acuerdo con la técnica anterior, que está descrito, por ejemplo, en el documento de patente europea No. 1858609. Las plantas 100 de desalinacion de efectos múltiples, existentes, utilizan tubos horizontales 110 de aleación de aluminio, condensadores evaporadores de película descendente, en una disposición en serie, para producir, por medio de pasos repetitivos de evaporación y condensación, cada uno a menores temperatura y presión, una cantidad múltiple de destilado, a partir de una cantidad dada de vapor de entrada. La alimentación 90A que entra en cada efecto 101 es introducida como una película 90 descendente, delgada, sobre la superficie exterior 114 (ver las figuras 2 y 5A) , que está soportada externamente por los tubos 110. El vapor 85A fluye internamente a través de tubos 110 en el espacio interior 147, delimitado por la superficie interna 116 (ver las figuras 2 y 5B) . A medida que se condensa el vapor 85A, la alimentación 90A de la película 90 se evapora y se introduce el vapor en los tubos 110 del siguiente efecto 101. Se recoge el condensado 81 de los tubos 110, mientras que se recoge la salmuera 82 de la película 90, después que fluye sobre todos los tubos 110. Los tubos 110 de la técnica anterior son circulares. Se puede incorporar cualquier cantidad de condensadores evaporadores (efectos 101) en las secciones de recuperación térmica de las plantas, dependiendo de la temperatura y de los costos del calor de baja calidad disponible y del punto de transacción óptimo entre la inversión y la economía de vapor. Técnicamente la cantidad de efectos 101 está limitada únicamente por la diferencia de temperatura entre las temperaturas del vapor 85A y del agua de mar 90A (que definen los extremos caliente y frío de la unidad) y el diferencial de temperatura mínimo asignado en cada efecto 101.

El agua de mar 90A que entra es desaireada y precalentada en el condensador de rechazo de calor, y luego es dividida en dos corrientes. Una es regresada al mar como descarga de enfriador, y la otra se vuelve alimentación para el proceso de destilación. Se trata previamente la alimentación 90A con un inhibidor de incrustaciones y se la introduce en el grupo de temperatura más baja. La introducción al grupo de temperatura más baja (flujo de alimentación en retroceso) , en lugar de a la más alta, se debe a un esfuerzo por mantener la eficiencia termodinámica de la planta, al reducir el mezclado irreversible de la alimentación de agua de mar más fría con la temperatura de los efectos calientes. Debido a la naturaleza de la película descendente 90 de los tubos 110 de flujo ascendente de alimentación, es necesaria una bomba para mover el agua salada de la parte inferior del efecto 101 a la parte superior del siguiente efecto 101.

El vapor de entrada 85A es alimentado a los tubos 110 del efecto más caliente. Se condensa allí, desprendiendo su calor latente al agua salada que fluye sobre la superficie exterior de los tubos 110, al mismo tiempo que tiene lugar la condensación en el interior del tubo 110, ocurre una cantidad casi igual de evaporación en el exterior, menos la cantidad reguerida para precalentar la alimentación a la temperatura de evaporación. Se repite el proceso de evaporación -condensación a lo largo de toda la serie de efectos, cada uno de los cuales contribuye con una cantidad de destilado adicional. El vapor procedente del último efecto es condensado mediante el enfriador de agua de mar en el condensador de rechazo de calor.

La figura IB es una ilustración esquemática de un aparato de desalinación mecánica por compresión de vapor (MVC) con tubos redondos 110, de acuerdo con la técnica anterior. El MVC comprende un evaporador 100 que recibe la alimentación 90A de agua de mar, que es precalentada mediante cambio de calor con el producto de salida 81 y la salmuera 82 en un cambiador de calor 87 y en un condensador 88. Se introduce consecutivamente el agua 90 como una película descendente, en los tubos 110 de un efecto 101 después del otro. En cada efecto 101 se produce la película descendente por medio del agua residual procedente del efecto anterior, mientras que se condensa el vapor procedente del efecto precedente dentro de los tubos 110. Se elimina el vapor y se comprime por medio de una compresora 86, para volverlo a introducir en el primer efecto. El condensado 81 y la salmuera residual 82 son sacados entonces del evaporador 100. Los tubos 110 son el cambiador de calor en el evaporador 100, y su coeficiente de transferencia de calor y su susceptibilidad a la formación de incrustaciones, determinan la eficiencia total del MVC.

La figura 2 es una vista en sección de un ejemplo de un tubo redondo de transferencia de calor que se puede usar en MED (figura 1A) y en MVC (figura IB) , de acuerdo con algunas modalidades de la invención.

La figura 3 es una vista en sección de un tubo ovalado y revestido de transferencia de calor en MED y en MVC, de acuerdo con ciertas modalidades de la invención.

La figura 4 es una vista externa en perspectiva de un tubo ovalado y corrugado de transferencia de calor, de acuerdo con algunas modalidades de la invención.

Las figuras 5A a 5D son ilustraciones esquemáticas de un tubo corrugado y alargado verticalmente, de acuerdo con algunas modalidades de la invención.

Las figuras 6A a 61 son ilustraciones esquemáticas de la forma de corrugación en los tubos y de su producción, de acuerdo con algunas modalidades de la invención; y La figura 7 es un diagrama esquemático de flujo de alto nivel, que ilustra un método para acrecentar la transferencia de calor a través de los tubos de evaporador, de acuerdo con algunas modalidades de la invención.

Descripción Detallada de las Modalidades Representativas de la Invención Antes de explicar la descripción detallada, puede ser útil establecer las definiciones de ciertos términos que se usarán en lo que sigue.

El término "corrugado", cuando se usa en esta solicitud, se define como una secuencia de rebordes y muescas paralelas y alternantes, o estrias. Los rebordes y las muescas (o estrias) están en ambos lados de la superficie corrugada. La dirección de las muescas o estrias 124 (ver más adelante) en los tubos 110 puede ser vertical, o las muescas 124 pueden sr diagonales con respecto a las caras del tubo 110. El término "tubos corrugados" no debe tomarse como una restricción al ángulo relativo de los rebordes y las muescas, con respecto a las caras de los tubos.

Antes de explicar por lo menos una modalidad de la invención en forma detallada, se debe entender que la invención no está limitada en su aplicación a los detalles de construcción ni a la disposición de los componentes señalados en la siguiente descripción o ilustrados en los dibujos. La invención es aplicable a otras modalidades o puede ser puesta en práctica o efectuada de diversas maneras. Además, se debe entender que la fraseología y la terminología empleadas aquí tienen el propósito de describir, y no se deben considerar como restricciones. Cuando los elementos de transferencia de calor, tales como los tubos 110 de transferencia de calor, están hechos de metal ligero o de aleación de metal ligero, sus superficies de transferencia de calor 114, 116 (en lo sucesivo denominadas "superficies metálicas de transferencia de calor"), cuando se ponen bajo las condiciones del proceso, sufren de corrosión y/o de precipitación de incrustaciones.

Durante un cierto periodo de tiempo, la corrosión y la precipitación de incrustaciones reducen los coeficientes de transferencia de calor de las superficies metálicas de transferencia de calor y, si no se lleva a cabo su limpieza (mediante un tratamiento de limpieza) , puede disminuir sustancialmente la producción de desalinación . Por lo tanto, en un proceso de desalinación, ya sea que se efectúe por MED, por MVC o por cualquier otro sistema de desalinación, donde los tubos 110 de transferencia de calor están hechos convenientemente de un metal ligero o de una aleación de metal ligero. Los tubos 110 tienen un coeficiente original h0 de transferencia de calor en su superficie metálica de transferencia de calor, y un valor mínimo hm aceptable del coeficiente de transferencia de calor, al que se efectúa la limpieza de la superficie metálica de transferencia de calor de la corrosión y/o de las incrustaciones precipitadas. Bajo condiciones de proceso predeterminadas, normalmente se sabe qué tanto tiempo se tarda el coeficiente de transferencia de calor en alcanzar su valor mínimo aceptable, y cuando el sistema necesita ser sometido al tratamiento de limpieza. Cada una de estas veces, se tiene que terminar temporalmente el funcionamiento del sistema para hacer la limpieza. Dependiendo de la calidad del agua en diferentes sitios, se puede tardar el sistema diferentes tiempos Tor durante los cuales se alcanza el valor mínimo hm aceptable anterior del coeficiente de transferencia de calor.

Con frecuencia la diferencia aceptable entre los valores original y mínimo del coeficiente de transferencia de calor (hQ - hm) es no mayor que el 10 por ciento del coeficiente original de transferencia de calor h0.

La figura 2 es una vista en sección de un ejemplo de un tubo 110 redondo de transferencia de calor que se puede usar en MED (figura 1A) y en MVC (figura IB) de acuerdo con algunas modalidades de la invención. El tubo 110 comprende una superficie exterior 141 sobre la que se deposita el revestimiento 140, una superficie interior 116, y una pared 145 que se extiende entre las superficies 141 y 116, que constituyen el material del tubo.

La superficie exterior 141 del tubo 110 puede estar revestida con un revestimiento 140, tal como una capa protectora de cerámica, con una superficie exterior de revestimiento 114 que es la cara exterior del tubo 110.

El tubo 110 de transferencia de calor puede estar hecho de un metal ligero o de una aleación de metal ligero, tal como aluminio o aleaciones de magnesio (por ejemplo, aleaciones de aluminio de las series 3XXX y 5XXX) , y en un proceso de desalinación, la superficie exterior 114 funciona como la superficie exterior original (es decir, sin el revestimiento 140) de transferencia de calor 141 (denominada en lo sucesivo la "superficie metálica de transferencia de calor") .

El revestimiento 140, tal como la capa protectora de cerámica sobre la superficie metálica exterior de transferencia de calor 141 puede comprender, total o parcialmente, un óxido del metal del que está hecho el tubo 110, obtenido mediante un tratamiento de oxidación de la superficie 141.

Se pueden usar varios procesos para formar el revestimiento 140 de la capa protectora de cerámica. Los ejemplos de dichos procesos son: la anodización y la oxidación electrolítica por plasma, que se conoce también como oxidación con microarco (MA) ; siendo este último un proceso más avanzado para producir revestimientos de mejor calidad. Ambos procesos mencionados arriba son procesos electroquímicos de tratamiento de superficies, para generar revestimientos de óxido sobre metales; MAO es un proceso que emplea mayores potenciales que la anodización, provocando que ocurran descargas en la capa de óxido que se está formando, donde el plasma resultante modifica y mejora la estructura de la capa de óxido.

Alternativamente, se puede depositar el revestimiento sobre la superficie, por ejemplo, mediante el proceso de rociado térmico (por ejemplo, rociado de plasma) o mediante el proceso de electrodeposición (conocido también como galvanoplastia) . Por ejemplo, una capa 140 protectora de cerámica depositada puede comprender óxido de zirconio y/o otros óxidos usados típicamente usados para producir capas de revestimiento de cerámica.

Se puede formar la capa protectora de cerámica 140 mediante numerosas capas de revestimiento de cerámica separadas que comprendan diferentes materiales y que tengan propiedades diferentes. También se puede usar una combinación de los procesos antes mencionados para producir la capa protectora de cerámica 140.

Con el revestimiento 140 que se describió arriba, la superficie exterior 114 funciona, en un proceso de desalinación, como una superficie de transferencia de calor con capa de cerámica (en lo sucesivo denominada "superficie de cerámica de ansferencia de calor") .

La pared 145 del tubo 110 de transferencia de calor tiene un espesor 132, y el revestimiento 140 tiene un espesor 142, que es esencialmente menor que el espesor 132 del tubo 110. En particular, el espesor de pared 142 puede ser de entre el 5 por ciento y el 0.5 por ciento del espesor del revestimiento 142.

Por ejemplo, con el tubo 110 descrito arriba que está hecho de la aleación de aluminio 5052, con un espesor 132 de la pared 145 del tubo que está en la escala de entre 1 y 2 mm, la capa de protección de cerámica 140 puede tener el espesor 142 entre 10 y 20 mieras. Se puede formar el revestimiento 140, por ejemplo, mediante oxidación de microarco, y tener un promedio de rugosidad (o sea, de acabado superficial - Ra, en la escala aproximada de 0.5 a 2 mieras .

La capa protectora de cerámica 140 puede estar configurada para garantizar que el coeficiente de transferencia de calor del tubo 110, en su superficie exterior de cerámica 114, de transferencia de calor, tenga un valor hc que satisfaga la condición: hm < hc < h0, bajo las condiciones predeterminadas de proceso a las que se hizo referencia antes. Como resultado de la formación de la capa protectora de cerámica 140 descrita arriba, el tubo 110 tiene una velocidad de corrosión menor y/o una precipitación de incrustaciones menor que las que tendría sin la capa protectora de cerámica 140, con la superficie de metal 141 como superficie exterior 114.

Con la capa protectora de cerámica 140 que se describe en lo que antecede, el tiempo Tc durante el cual el coeficiente de transferencia de calor hc alcanza su valor mínimo aceptable hm, es mayor que T0 -el tiempo en el que el tubo 110 alcanza el valor hm sin la capa 140. Por consiguiente, si bien el revestimiento 140 reduce el coeficiente máximo de transferencia de calor (limpia) de h0 (para la superficie 141 metálica de transferencia de calor sin el revestimiento 140) a hc, extiende muchísimo la duración entre las limpiezas secuenciales de la superficie exterior 114 de las incrustaciones y la corrosión, desde T0 a Tc, y ambos efectos proveen un coeficiente promedio mayor de transferencia de calor durante el periodo de operación entre los tratamientos secuenciales (Tc) , y al mismo tiempo reduce la frecuencia de los tratamientos de limpieza necesarios, lo que incrementa la eficiencia total de la desalinación .

Por ejemplo, en lugar de limpiar el sistema de desalinación una vez por año (T0) , que es una frecuencia estándar de limpieza para sistemas de efectos múltiples, se lo puede limpiar una vez cada dos años (Tc) .

La figura 3 es una vista en sección de un tubo 110 ovalado, revestido, de transferencia de calor, usado en MED y en MVC, de acuerdo con algunas modalidades de la invención; y la figura 4 es una vista externa en perspectiva de un tubo ovalado y corrugado 110 de transferencia de calor, de acuerdo con algunas modalidades de la invención.

Si bien la figura 2 ilustra un tubo redondo 110, la figura 3 ilustra una sección transversal ovalada o verticalmente alargada del tubo 110, y la figura 4 ilustra una sección transversal verticalmente alargada del tubo 110, con corrugaciones verticales de la superficie exterior 114, que pueden, aunque no deben, estar revestidas con el revestimiento 140, y que mejoran adicionalmente la transferencia de calor a través del tubo 110.

Las flechas marcan la dirección del agua 90 que es rociada sobre la superficie 114 del tubo 110. La capa protectora de cerámica 140 puede sr aplicada a por lo menos alguna porción de la superficie 114 del tubo 110, que sirve como superficie de transferencia de calor, a fin de reducir la velocidad de corrosión y/o la precipitación de incrustaciones sobre ella.

En las modalidades corrugadas (figuras 4, 5D, 61) se puede depositar un revestimiento 140 sobre las corrugaciones, por ejemplo, sólo sobre la superficie exterior 114 (posiblemente también sobre la superficie interior 116) . El espesor de revestimiento 142A, 142B puede variar a través de las corrugaciones, por ejemplo, variar entre los rebordes externos 122 y las muescas externas 124, de la superficie exterior 114 (ver la figura 61) . Se pueden calcular los espesores de revestimiento 142A, 142B para elevar al máximo la transferencia de calor e incrementar al máximo los intervalos de limpieza en sus condiciones de operación y con respecto al flujo de la película de agua, como se explica más abajo (figura 6F-6H) . Los inventores sostienen que el incremento de la transferencia de calor en general y la eficiencia de la transferencia de calor, mediante los tubos 110 de transferencia de calor con el revestimiento de cerámica 140, es un resultado sorprendente ya que, en vista de su conductividad térmica extremadamente baja, dichos revestimientos no habían sido usados sobre elementos cuyo funcionamiento necesitara de su elevada conductividad térmica, tales como los elementos usados en los procesos de desalinación . Por el contrario, se sugería más bien el uso de los revestimientos anteriores como capas de barrera térmica (J. A. Curran e l. W. Clyne, The Thermal Conductivity of Plasma Electrolytic Oxide Coatings on Aluminum and Magnesium, Surface and Coatings Technology, volumen 199, números 2-3, 22 de septiembre de 2005, páginas 177 a 183, Plasma Electrolysis) .

El inventor del asunto de la presente solicitud se ha dado cuenta de que, a pesar de la conductividad térmica reducida, se puede usar el revestimiento (capa protectora) 140 en elementos que participan en un proceso de desalinación, para incrementar el tiempo en el que la corrosión y/o la precipitación de incrustaciones sobre su superficie metálica de transferencia de calor, hace que el coeficiente de transferencia de calor de la superficie alcance su valor mínimo aceptable, si el revestimiento está diseñado de manera que el coeficiente de transferencia de calor cambiado (hc) sea mayor que el coeficiente de transferencia de calor mínimo aceptable (hm) . El elemento 110 de transferencia de calor puede ser un tubo que tenga cualquier forma de sección transversal deseada. La capa protectora de cerámica 140, en dicho elemento, puede estar dispuesta sobre la superficie exterior 141 de la pared del tubo, o sea, orientada hacia el exterior del tubo 110 y/o sobre una superficie interna 116 del tubo 110. El elemento 110 de transferencia de calor también puede ser una placa cambiadora de calor, por ejemplo, como las que se usan en los evaporadores MVC.

La superficie de transferencia de calor 116 del elemento 110 de transferencia de calor puede estar enmuescado o liso. Cuando los tubos con muescas 110 son ovalados, pueden estar formados de tal manera que las muescas estén orientadas alrededor de 90° con respecto al eje longitudinal de los tubos 110 (por ejemplo, verticalmente, cuando los tubos 110 están horizontales) . La superficie de transferencia de calor o por lo menos una porción de ella, también puede tener una forma corrugada. Las muescas o corrugaciones aumentan la eficiencia de la transferencia de calor.

La capa protectora de cerámica 140 puede comprender, o estar hecha totalmente de, un óxido de una aleación de metal ligero, tal como una aleación de aluminio o una aleación de magnesio; en cuyo caso la capa protectora de cerámica 140 puede comprender, o estar hecha totalmente de, óxido de aluminio o de magnesio, respectivamente. El magnesio tiene la ventaja de ser más ligero que el aluminio, pero es más sensible a las condiciones severas del proceso (tales como alta temperatura y elevada concentración de soluto) .

El elemento 110 de transferencia de calor puede constituir parte del sistema de desalinación o del sistema de concentración de la solución química, o de un sistema usado en los evaporadores , en particular, los evaporadores industriales. Las figuras 5? a 5D son ilustraciones esquemáticas de un tubo corrugado 110, verticalmente alargado, de acuerdo con algunas modalidades de la invención; y las figuras 6A a 61 son ilustraciones esquemáticas de una forma de corrugación 120 en los tubos 110 y su producción, de acuerdo con algunas modalidades de la invención.

La figura 5A es una vista en perspectiva del tubo 110, con la película 90 ilustrada sobre una parte del tubo 110. La película 90 cae sobre la totalidad o la mayoría de la longitud del tubo 110, y está mostrada únicamente sobre una parte del tubo 110 por razones de claridad. La figura 5B ilustra una sección transversal del tubo 110; la figura 5C es una vista en perspectiva de un detalle en el borde superior del tubo 110, y la figura 5D ilustra un tubo corrugado 110 revestido .

Las figuras 6A a 6D ilustran una sección longitudinal del tubo 110, que presenta varias formas de corrugación 120. La figura 6E ilustra la sección transversal en un método ejemplar de producción, y las figuras 6F a 61 ilustran la película 90 y el vapor que se condensa 85 sobre la sección longitudinal y, además, ilustran el funcionamiento del perfil corrugado de la pared del tubo, con y sin el revestimiento 140.

El evaporador de efectos múltiples 100 comprende los efectos 101, cada uno de los cuales tiene una pluralidad de tubos horizontales 110, dispuestos para soportar una película vertical 90 de agua salada, y para evaporar el agua de la película 90 mediante la transferencia de calor desde el vapor que se condensa dentro de los tubos 110. Los tubos 110 están verticalmente alargados para aumentar el área de contacto entre los tubos 110 y la película 90, y para soportar y controlar mejor la forma y el espesor de la película 90. La forma de los tubos 110 puede ser ovalada y puede tener lados verticales paralelos 111A, conectados a extremos redondeados 111B.

Los tubos 110 están corrugados 112 vertical y circunferencialmente (con relación a una sección transversal), en un perfil especificado 120. La forma de corrugación 120 se puede seleccionar de acuerdo con diversos criterios incluyendo, por ejemplo, los coeficientes de transferencia de calor, el espesor y las ondulaciones de la película 90 y de la película de condensado 85, la velocidad de flujo descendente de la película 90 y de la película de condensado 85, con respecto a un sitio en el perfil 120. La corrugación 112 está dispuesta para incrementar la transferencia de calor del vapor a la película 90 y, además, incrementa la evaporación de agua mediante la determinación de las características de la película.

La figura 5D presenta una ilustración ampliada y exagerada de una sección transversal a través del borde del tubo 110 corrugado y revestido. Los rebordes exteriores 122 y las muescas exteriores 142 (ver más adelante, figura 6A) en la cara exterior 114 de los tubos 110, se pueden revestir con el revestimiento 140, tal como una capa de óxido, que puede tener diversos espesores sobre el reborde exterior 122 (espesor 142A) y la muesca exterior 124 (espesor 142B) . Los espesores 142 del revestimiento 140 están exagerados en la figura 5D.

El perfil 120 comprende un perfil exterior especificado 120A y un perfil interior especificado 120B (figuras 6A, 6F) , o que están seleccionados para controlar las características de flujo, tales como el espesor y la ondulación, de la película 90 y de la película de condensado 85, respectivamente, para mejorar la evaporación desde una cara exterior 114 y la condensación sobre una cara interior 116 de los tubos 110.

El perfil exterior especificado 120A comprende rebordes externos 122 y muescas externas 124, en la cara exterior 114 de los tubos 110; el perfil interior especificado 120B comprende rebordes internos 126 y muescas internas 128, en la cara interior 116. Las muescas externas 124 corresponden a los rebordes internos 126 y las muescas internas 128 corresponden a los rebordes externos 122. El perfil exterior 120A mejora la evaporación (desde los rebordes externos 122), al mismo tiempo que el perfil interior 120B mejora la condensación del vapor (en las muescas internas 128).

El perfil 120A de reborde exterior especificado puede ser congruente con el perfil 120B de reborde interior especificado, de manera que el perfil 120 sea rotacionalmente simétrico. La congruencia puede ser el resultado de un método de producción simétrico de las láminas que se usan para fabricar los tubos 110. Se puede producir la corrugación 112 mediante dos dientes idénticos 91, cada uno de los cuales está dispuesto para producir un perfil de reborde correspondiente 122, 126. Los tubos 110 pueden ser producidos a partir de láminas corrugadas planas (ver la figura 6E) , por ejemplo, doblándolas y soldándolas a tubos 110. Los tubos 110 pueden ser producidos de maneras alternativas, tales como hidroformación, prensado, etc.

El perfil 120A de reborde externo especificado y el perfil 120B de reborde interno especificado pueden ser trapezoidales, ya sea con lados rectos o convexos (figura 6B) .

Los rebordes externos 122 y los rebordes internos 126 pueden tener partes superiores planas, que sean angulares 123, 127 (respectivamente) en sus lados. Alternativamente, los rebordes externos 122 y los rebordes internos 126 pueden tener partes superiores convexas que sean angulares 123, 127 (respectivamente) en sus lados. Los rebordes externos angulados 123 están conformados para controlar las características de la película. Por ejemplo, el ángulo 123 puede ser seleccionado para promover la evaporación de la película 90 adelgazando o rompiendo la película 90 y mejorando la inestabilidad de la película, como se ilustra en la figura 6F.

La forma de los tubos 110 influye en las características de la película y puede estirar y adelgazar la película 90 bajo la acción de la gravedad, de la tensión superficial y de las fuerzas de flujo (figuras 6F a 61) . Los rebordes externos 122 pueden mejorar el carácter ondulatorio de la película descendente 90 sobre la cara exterior 114 de los tubos 110 y, de esa manera, incrementarla evaporación. Los rebordes internos 126 y las muescas internas 128 pueden incrementar el carácter ondulatorio del condensado descendente sobre la cara interna 116 de los tubos 110 y, de esa manera, acrecentar la condensación .

La corrugación 112 de las caras interna y externa 114, 116 permite optimizar las características superficiales que elevan al máximo la evaporación y la condensación y, de esa manera, eleva al máximo la eficiencia del proceso. En particular, generando una ondulación más fuerte, vértices de turbulencia internos dentro de las películas 90 y de la película de condensado, e imparte fuerzas cortantes sobre la película 90.

Los inventores han descubierto que la corrugación 112 cambia las características de flujo y mejora la transferencia de calor en algunas modalidades, de la siguiente manera (figuras 6H, 61) . El flujo descendente de la película 90 (sobre la cara exterior 114) y/o de la película de condensado 80 (sobre la cara interior 116) tiene un volumen mayor y una velocidad menor en las muescas 124, 128 (flujos 124A, 128A) que en los rebordes 122, 126 (flujos 122A, 126A) , todo con designación, respectivamente, a la cara exterior 114 y a la cara interior 116. Debido a las diferentes velocidades de flujo, las partes intermedias de la película fluyen con un componente horizontal 124B, 128B que compensa las masas corrosivas y genera la ondulación en las películas 90, 85, lo que acrecienta la evaporación. Como resultado de las fuerzas de tensión superficial, las películas 90, 85 sobre los rebordes 122, 126, denotadas en la figura 61 con los números de referencia 90A y 80A, son más delgadas y fluyen más rápido que sin la corrugación 112, y su delgadez mejora la transferencia de calor (denotada por los números de referencia 90B y 80B en la figura 61, respectivamente) desde el tubo 110 a través de las películas 122A, 126A y, por consiguiente, hay una evaporación más fuerte de ellas. En realidad, en las muescas 124, 128 la transferencia de calor se vuelve un tanto peor pero, en general, debido al área mayor de las áreas con una película más delgada, se mejora la transferencia de calor. Estos efectos de la corrugación son mucho más significativos en la cara exterior 114 ya que la cantidad de agua en la película 90 es mucho mayor que en la película 80 (ya que la película 90 es agua de alimentación, mientras que la película 80 es de condensado) .

En las modalidades, se puede revestir la cara exterior 114 del tubo 110 (figura 6G) , posiblemente en espesores variables 142A, 142B sobre el perfil 120, para reducir la formación de incrustaciones e incrementar el coeficiente promedio total de transferencia de calor y/o los periodos de mantenimiento con respecto a los tubos corrugados sin reves imiento 110.

Alternativamente, el perfil 120 puede comprender únicamente una corrugación exterior (figura 6B) , un perfil ondulado (figura 6C) lo que también puede dar algunos de los beneficios presentados aquí.

En unas modalidades, los inventores han descubierto que las siguientes características de perfil son muy efectivas en ciertos casos. En el perfil 120, la distancia horizontal entre las muescas secuenciales 131 es 3.2 veces (± 10 por ciento) mayor que el espesor 132 de la pared del tubo, y la profundidad de las muescas 133 es un quinto (± 10 por ciento) de la distancia horizontal entre las muescas secuenciales 131. El espesor 132 de la pared del tubo puede estar entre 0.7 y 1.6 mm. En unas modalidades, el espesor 132 de la pared del tubo puede estar entre 1 y 1.25 mm. Los tubos 110 pueden estar hechos de aluminio para incrementar las propiedades de transferencia de calor.

Unas partes de los tubos 110, o su totalidad, pueden estar recubiertos o revestidos por el revestimiento anticorrosión 140, tal como un revestimiento de cerámica. La cara interna 116 también puede estar revestida con un revestimiento anticorrosión (no mostrado) . El revestimiento 140 puede ser depositado sobre los tubos 110 antes o después de su producción a partir de las láminas; en el último caso, para proteger las áreas esforzadas de los tubos 110. El espesor 142 del revestimiento 140 puede estar entre 10 y 20 mieras, con un promedio aproximado de entre 0.5 y 2 mieras. El revestimiento 140 puede estar formado, por ejemplo, por medio de oxidación con microarco, anodización u otros métodos oxidantes de tratamiento superficial.

Los inventores han encontrado que, sobre todo en algunas modalidades, los tubos corrugados 110 tienen un coeficiente total de transferencia de calor (evaporación y condensación) que es mayor en un factor de 2.5 a 3.5, con respecto a los tubos ovalados lisos, en las mismas condiciones hidráulicas y termodinámicas .

El evaporador 100 puede comprender además una unidad tensioactiva, dispuesta para añadir un agente tensioactivo al agua salada, para controlar el espesor de la película 90 sobre los tubos 110. El agente tensioactivo puede incrementar la ondulación de la película 90 y mejorar aún más la evaporación.

La figura 7 es un diagrama esquemático de flujo, de nivel alto, que ilustra un método 150 de mejorar la transferencia de calor a través de los tubos del evaporador, de acuerdo con algunas modalidades de la invención. El método 150 comprende las siguientes etapas: corrugar (es decir, formar rebordes y muescas) una superficie exterior de los tubos (etapa 155) para adelgazar una película de agua descendente, por lo menos en una parte de la cara externa (etapa 156) , a fin de incrementar la transferencia de calor a través de la película adelgazada (etapa 157) y, opcionalmente, corrugar una cara interna de los tubos (etapa 160) para adelgazar una película de condensado descendente, en al menos una parte de la cara interna (etapa 161) , a fin de incrementar la transf rencia de calor a través de la película de condensado adelgazada (etapa 162) .

El método 150 puede comprender además aplanar los rebordes de la corrugación (ya sea en la cara interna o en la externa, o en ambas) para adelgazar la correspondiente película soportada sobre ellos (etapa 165) . Los rebordes corrugados pueden ser total o parcialmente aplanados (para volverlos planos o convexos) a fin de crear bordes angulados en los rebordes.

La corrugación de la cara externa y de la cara interna (etapas 155 y 160, respectivamente) puede ser efectuada alternadamente (etapa 170) para producir una correspondencia entre los rebordes de la cara exterior y las muescas de la cara interior, y entre los rebordes de la cara interior y las muescas de la cara exterior.

Por ejemplo, se puede llevar a cabo la corrugación alternada mediante dos dientes opuestos para formar láminas corrugadas planas (etapa 175), y el método 150 puede comprender también doblar las láminas para generar los tubos, para proveer tubos alargados con caras planas paralelas (etapa 180) . Se pueden formar los tubos mediante cualquier otro método de producción, tal como hidroformación, prensado, etc .

Los inventores han encontrado que se elevó al máximo la eficiencia de la transferencia de calor en un caso al corrugar los tubos (etapas 155, 160, 170) para producir una distancia horizontal entre las muescas secuenciales que era 3.2 veces (± 10 por ciento) del espesor de pared de un tubo, y una profundidad de las muescas que es la quinta parte (± 10 por ciento) de la distancia horizontal entre muescas secuenciales .

El método 150 puede comprender también revestir la cara exterior de los tubos mediante un revestimiento anticorrosivo (etapa 185) , por ejemplo, oxidando la superficie exterior de los tubos. El revestimiento puede tener un coeficiente de transferencia de calor hc que es menor que el coeficiente máximo de transferencia de calor hQ de los tubos sin revestir, y mayor que el coeficiente mínimo aceptable de transferencia de calor hm (que requiere limpiar los tubos de las incrustaciones para mantener una eficiencia general aceptable) . El revestimiento, si bien reduce el coeficiente máximo de transferencia de calor, alarga el tiempo entre tratamientos de limpieza subsiguientes, y de esa manera aumenta la eficiencia general del evaporador.

Se puede llevar a cabo el revestimiento (185) después de formar los tubos y puede ser de espesor variable, especialmente cuando se aplica sobre tubos corrugados. El revestimiento puede ser efectuado mediante cualquier método conocido, tal como oxidación electrolítica, oxidación con microarco, anodización, deposición, etc.

En la descripción anterior, una modalidad es un ejemplo de implementación de la invención. Las diversas apariciones de "una modalidad" o "alguna modalidad", no necesariamente se refieren todas a las mismas modalidades.

Si bien varios aspectos de la invención pueden estar descritos en el contexto de una sola modalidad, también se pueden proveer separadamente los aspectos o en cualquier combinación adecuada. Inversamente, aun cuando la invención se puede describir aquí en el contexto de modalidades separadas, por claridad, también se puede implementar la invención en una sola modalidad. Adicionalmente, se debe entender que la invención puede ser llevada a cabo o puesta en práctica de diversas maneras, y que se puede implementar la invención en modalidades diferentes que las señaladas en la descripción precedente.

La invención no está limitada a esos diagramas ni a las descripciones correspondientes. Por ejemplo, no es necesario que el flujo se mueva a través de cada caja o estado ilustrado, ni exactamente en el mismo orden que se ilustra y se describe.

Los significados de los términos técnicos y científicos usados aquí deben entenderse comúnmente como los entiende alguien con experiencia ordinaria en la materia a la que pertenece la invención, a menos que se defina de otra manera. Si bien se ha descrito la invención con respecto a un número limitado de modalidades, no se deben considerar éstas como restricciones al alcance de la invención, sino más bien como ej emplificaciones de algunas de las modalidades preferidas. Otras posibles variaciones, modificaciones y aplicaciones también quedan dentro del alcance de la invención.

Claims (33)

REIVINDICACIONES

1. - Un evaporador que comprende una pluralidad de tubos horizontales, verticalmente alargados, dispuestos para soportar una película vertical de agua salada, y para evaporar agua de la película por medio de transferencia de calor desde una película de condensado del vapor que se condensa dentro de los tubos, caracterizado porque los tubos horizontales están corrugados vertical y circunferencialmente en por lo menos un perfil exterior especificado que comprende rebordes y muescas externos alternantes sobre la cara exterior de los tubos; y el perfil exterior especificado está seleccionado para adelgazar la película en los bordes exteriores para incrementar la transferencia de calor a través de ellos y la evaporación desde ellos.

2. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los tubos horizontales están corrugados vertical y circunferencialmente por lo menos en un perfil interno especificado que comprende rebordes y muescas internos, alternantes, en una cara interna de los tubos; y el perfil interno especificado está seleccionado para adelgazar la película de condensado sobre los rebordes internos para acrecentar la transferencia de calor a través de ellos y la condensación sobre ellos .

3. - El evaporador de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que por lo menos uno de entre el perfil exterior y el perfil interior es trapezoidal.

4. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 3, en el que por lo menos uno de los siguientes: los rebordes externos y los rebordes internos, es trapezoidal, con lados convexos .

5. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 3, en el que por lo menos uno de los siguientes: los rebordes exteriores y los rebordes interiores, tiene partes superiores planas o convexas, que son angulares en sus lados; donde los rebordes angulados están formados para controlar las características de la película.

6. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 2, en el que el perfil externo especificado es congruente con el perfil interno especificado.

7. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 6, en el que, para ambos perfiles interno y externo especificados: la distancia horizontal entre muescas secuenciales es 3.2 veces (± 10 por ciento) el espesor de la pared del tubo; y la profundidad de las muescas es la quinta parte (± 10 por ciento) de la distancia horizontal entre muescas secuenciales .

8. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el espesor de la pared del tubo está entre 0.7 y 1.6 mm.

9. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 2, en el que los tubos están producidos a partir de láminas corrugadas planas.

10. - El evaporador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que los tubos son ovalados.

11. - El evaporador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que los tubos tienen lados verticales paralelos y extremos redondeados.

12. - El evaporador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que los tubos están revestidos con un revestimiento externo anticorrosión.

13. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el revestimiento externo anticorrosión es de cerámica .

14. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el revestimiento externo anticorrosión es una capa de óxido.

15. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el espesor del revestimiento exterior está entre 5 por ciento y 0.5 por ciento del espesor de pared de los tubos .

16. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el revestimiento exterior comprende óxido de aluminio generado mediante oxidación con microarco en los tubos de aluminio.

17. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 12, en el que los tubos están hechos de por lo menos uno de los siguientes materiales: aluminio, magnesio, una aleación de aluminio y una aleación de magnesio.

18. - El evaporador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, que comprende además una unidad tensioactiva, dispuesta para añadir un agente tensioactivo al agua salada, para controlar el espesor de película en los tubos .

19.- Tubos corrugados utilizables en el evaporador de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18.

20. - Un método para acrecentar la transferencia de calor a través de tubos evaporadores horizontales que están alargados verticalmente; comprendiendo el método: corrugar la cara exterior de los tubos en por lo menos un perfil exterior especificado que comprende rebordes y muescas externos alternantes en la cara exterior de los tubos a fin de adelgazar una película de agua descendente en al menos parte de la cara externa, a fin de incrementar la transferencia de calor a través de la película adelgazada.

21. - El método de acuerdo con la reivindicación 20, que comprende además corrugar una cara interna de los tubos para adelgazar la película de condensado descendente, en al menos parte de la cara interna, a fin de incrementar la transferencia de calor a través de la película de condensado adelgazada .

22. - El método de acuerdo con la reivindicación 20 o 21, que comprende adicionalmente aplanar los rebordes de corrugación para adelgazar la película correspondiente soportada sobre él.

23. - El método de acuerdo con la reivindicación 21, en el que se lleva a cabo alternadamente la corrugación de la cara exterior y de la cara interior a fin de producir una correspondencia entre los rebordes de la cara exterior y las muescas de la cara interior, y entre los rebordes de la cara interior y las muescas de la cara exterior.

24. - El método de acuerdo con la reivindicación 23, en el que se lleva a cabo la corrugación por medio de dos dientes opuestos para formar láminas corrugadas planas, y que comprende adicionalmente doblar las láminas para generar los tubos a fin de producir tubos alargados con caras planas paralelas .

25. - El método de acuerdo con la reivindicación 23, en el que las corrugaciones están seleccionadas para producir una distancia horizontal entre muescas secuenciales, que es 3.2 veces (± 10 por ciento) el espesor de la pared del tubo, y la profundidad de las muescas es la quinta parte (± 10 por ciento) de la distancia horizontal entre muescas secuenciales .

26. - El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 20 a 25, que comprende además revestir la cara exterior de los tubos mediante un revestimiento anticorrosivo .

27. - El método de acuerdo con la reivindicación 26, en el que se lleva a cabo el revestimiento mediante un tratamiento oxidante.

28. - Un evaporador que comprende una pluralidad de tubos dispuestos para soportar una película vertical de agua salada, y evaporar el agua de la película mediante transferencia de calor desde una película de condensado de vapor que se condensa dentro de los tubos; los tubos tienen un coeficiente de transferencia de calor h0 que se deteriora a un coeficiente de transferencia de calor hm, como resultado de la formación de incrustaciones; donde al alcanzar hm se hace necesario limpiar los tubos de las incrustaciones, después de un periodo T0; caracterizado el evaporador porque los tubos comprenden un revestimiento exterior que tiene un coeficiente de transferencia de calor hc mayor que hm y menor que h0; estando seleccionado el revestimiento exterior para incrementar el periodo de limpieza a Tc mayor que T0.

29. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 28, en el que el espesor del revestimiento exterior está entre 5 por ciento y 0.5 por ciento del espesor de pared de los tubos .

30. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 28, en el que el revestimiento exterior comprende óxido de aluminio generado mediante oxidación con microarco en tubos de aluminio.

31. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 28, en el que el revestimiento exterior es una capa oxidada.

32. - El evaporador de acuerdo con la reivindicación 28, en el que los tubos están hechos de por lo menos uno de los siguientes materiales: aluminio, magnesio, una aleación de aluminio y una aleación de magnesio.

33. - Tubos revestidos utilizables en el evaporador de cualquiera de las reivindicaciones 28 a 32. RESUMEN DE LA INVENCIÓN Un evaporador que tiene tubos de transferencia de calor más eficientes, que están revestidos o corrugados verticalmente, o ambas cosas. El revestimiento, si bien reduce el coeficiente de transferencia de calor, alarga el tiempo entre tratamientos de limpieza para incrementar la eficiencia general del evaporador. La corrugación de los tubos controla las características de película y acrecienta la evaporación de la película por condensación de vapor dentro de los tubos. Se selecciona el perfil de corrugación para mejorar la ondulación y la turbulencia de las películas e incrementar de esa manera la evaporación y la condensación y, por ende, la efectividad del evaporador.