MX2014011533A - Intercambiador de calor. - Google Patents

Abstract

La presente exposición cubre un intercambiador de calor. El intercambiador de calor comprende, generalmente, un conducto y tubos sustancialmente paralelos que tienen una pared exterior y están dispuestos en el conducto para definir espacios entre ellos. Se dirige un flujo de aire por el conducto para suministrar calor a través de los espacios y sobre las paredes exteriores de los tubos. Un segundo medio dirige un flujo de aire que recibe calor a través de los tubos. El flujo de aire que suministra calor comprende, generalmente, aire húmedo, saturado o cercano a su curva de saturación. El intercambiador de calor comprende, además, medios de recolección dispuestos en el conducto para recolectar el condensado que fluye a lo largo de las paredes exteriores de los tubos tras salir del conducto en la salida.

Description

INTERCAMBIADOR DE CALOR CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente exposición se relaciona con el ahorro energético y la sostenibilidad global al reciclar el calor de escape de una operación manufacturera. Más particularmente, la presente descripción se refiere a un intercambiador de calor adecuado para usar en el reciclaje y la recuperación del calor de escape de la sección de secado de una máquina y un proceso para la fabricación de papel.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los productos de papel desechables, tales como pañuelos desechables, papel higiénico, toallas de papel y lo similar se fabrican, típicamente, a partir de una o más tramas de papel. Los procesos para la fabricación de productos desechables de papel pueden variar, pero, generalmente, incluyen la preparación de una dispersión acuosa de fibras papeleras. La dispersión acuosa se deposita en un alambre Fourdrinier para formar una trama embriónica de fibras papeleras en el alambre. Después, el alambre de Fourdrinier y la trama embrionaria se pueden transferir a una banda de secado al aire. Posteriormente, la trama de fibras celulósicas obtenida se pone en contacto con diversos cilindros de secado, que incluyen un tambor de secado Yankee y, preferentemente, se imprime contra ellos. Después, el tejido se seca en el tambor de secado Yankee al nivel de humedad deseado y se retira de ahí.

Uno de los inconvenientes de la producción de esos materiales de trama, especialmente los materiales de trama adecuados para la producción de toallas y pañuelos de papel para el consumidor, es que se requiere una cantidad considerable de agua para producir la trama embrionaria, así como una energía térmica considerable para secar la trama embrionaria obtenida y producir el producto de consumo final. Hasta ahora, la mayor parte del agua y de la energía térmica usadas en el proceso de secado se desperdicia por descarga al medio ambiente. Generalmente, este calor está en forma de vapor o aire húmedo generado durante el proceso de secado antes mencionado. Para los que están familiarizados con estos procesos de secado, el calor desperdiciado puede superar el 80 % de la energía eléctrica usada en el proceso.

Con la necesidad creciente de productos de papel desechables y con el efecto simultáneo del incremento de costos y la disminución de la disponibilidad de recursos naturales y energéticos, existe una necesidad creciente de recuperar y usar el calor desperdiciado a los efectos de recuperar para el uso la energía térmica producida durante el proceso de secado del papel. Claramente, la energía que se desecha a la atmósfera disminuye la rentabilidad del proceso.

Cuando se usa un proceso típico de secado del papel, la cantidad de calor residual que se genera puede ser de 2.20 kWh/kg (2,000 kWh de energía por cada tonelada) de pulpa producida y usada. Por lo tanto, se apreciará que durante el curso del proceso de secado se desperdicia una gran cantidad de energía térmica, y esa energía se pierde en forma de vapor y/o aire húmedo creados durante el proceso. Como resultado, se ha realizado intentos de recuperar ese calor en diversos tipos de sistemas de recuperación donde el vapor atmosférico generado durante este proceso se usa para suministrar calor en otras situaciones diversas. Por ejemplo, esos sistemas de recuperación de calor usan el vapor como fuente de calentamiento remota para desarrollos de carcasas, para el aire de ventilación del calor y/o agua potable, así como para precalentar el aire para combustión y/o secado de una máquina para la fabricación de papel.

Se ha sugerido, anteriormente, que el vapor del calor residual y del proceso que se produce durante el proceso de secado debería reinyectarse y usarse inmediatamente en la sección de secado de la máquina para la fabricación de papel. Los procesos actuales pueden reciclar cantidades limitadas de aire húmedo. Sin embargo, a un cierto nivel de saturación de humedad, el ahorro de energía de estos sistemas de reciclaje se pierde en una menor capacidad de secado de la corriente de aire caliente.

Como se sabe de la industria anterior, un objetivo principal de los sistemas de recuperación de calor es reemplazar la energía primaria de una manera económica. En algunos sistemas de recuperación de calor puede usarse intercambiadores de calor, tales como intercambiadores de calor de placas e intercambiadores de calor tubulares. En los intercambiadores de calor de placas de la industria anterior, una estructura de placa forma dos sistemas de conductos perpendiculares entre sí. En un conjunto de conductos fluye un medio que suministra calor y en el otro conjunto de conductos fluye un medio que recibe calor. El medio de recepción calentado se procesa adicionalmente para reutilizarlo. Los intercambiadores de calor tubulares se proveen, generalmente, con un abastecimiento de vapor o agua, y los tubos están rodeados por nervaduras o equivalentes para incrementar el área de intercambio de calor. En radiadores laminares, los tubos están dispuestos, típicamente, entre una estructura de placa y en los conductos formados por la estructura de placa fluye agua, por ejemplo, agua glicol.

Otra forma de sistema de recuperación de calor provee un intercambiador de calor donde está dispuesto un flujo de aire húmedo y saturado, o cercano a su curva de saturación, para usar como flujo de aire que suministra calor. En este sistema, el flujo de aire que suministra calor está dispuesto para fluir dentro de tubos de orientación vertical, sustancialmente desde una parte superior de cada tubo hacia una parte inferior de cada tubo. El flujo de aire que recibe calor está dispuesto para fluir en una dirección sustancialmente horizontal por los espacios entre los tubos. De esta manera, el condensado procedente del flujo de aire húmedo que suministra calor en los tubos fluye hacia abajo a lo largo de las paredes interiores de los tubos y se recolecta en una cubeta ubicada dentro del sistema de conductos del intercambiador de calor, por debajo de la parte inferior de los tubos.

Sin embargo, ese sistema presenta serias deficiencias. Dado que por los tubos descritos circula aire caliente cargado de humedad y, frecuentemente, cargado de partículas, la parte interior de los tubos tiende a obstruirse con la acumulación de partículas. Claramente, la obstrucción y la creación de una capa de condensado se convierte en un inconveniente importante para la transferencia eficiente de calor. Esto reduce la eficiencia general del sistema y puede, incluso, inutilizarlo. Esto, claramente, no provee ningún beneficio al usuario del sistema e incrementa el mantenimiento del sistema.

Por lo tanto, sería ventajoso proveer la capacidad de precalentar el aire frío y seco mediante el uso de aire caliente y húmedo, al mismo tiempo que se recupera agua de la corriente de aire de escape. Esto puede proveer una reducción importante de la energía del sistema e importantes beneficios de sostenibilidad en un proceso manufacturero típico de productos desechables de papel. Si ese sistema fuera capaz de proveer regímenes de intercambio de calor de 5.86-11.7 MW (20-40 MMBtu/hr), puede ser posible reducir el uso de cantidades equivalentes de gas natural, a la vez que se recuperan 2.52-5.05 LJs (40-80 GPM) de agua por máquina. Además, puede esperarse que el vacío creado por el vapor de agua en condensación suministre 9,438.9-28,316.8 LJs (20,000-60,000 CFM) de capacidad de vacío, que puede superar algunas de las pérdidas de resistencia provocadas por el proceso de recuperación de energía.

Además de esfuerzos de sostenibilidad, un método para la recuperación de calor y agua a partir del aire húmedo de escape puede proveer beneficios económicos. Ese sistema debe permitir la recuperación de calor del aire de una corriente de aire de escape caliente, húmedo y cargado de fibras a una entrada de corriente de aire limpio y seco. Además, ese sistema debe minimizar la obstrucción y otros problemas derivados del mantenimiento que se relacionan con el equipo de recuperación.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN La presente exposición cubre un intercambiador de calor. El intercambiador de calor comprende, generalmente, un conducto y una pluralidad de tubos sustancialmente paralelos, cada uno de los cuales tiene una pared exterior, y dispuestos en ese conducto para definir espacios entre ellos. El intercambiador de calor comprende, además, primeros medios para dirigir un flujo de aire por ese conducto que suministra calor a través de los espacios y sobre las paredes exteriores de esos tubos, y segundos medios para dirigir un flujo de aire que recibe calor por esos tubos; una entrada dispuesta en una primera región de ese conducto y una salida dispuesta en una segunda región de ese conducto dispuesta de manera distal de esa primera región, de manera que en ese conducto el flujo de aire que suministra calor fluye desde esa entrada hasta esa salida, se forma condensado en esa pared exterior de esos tubos y fluye hacia esa salida. El flujo de aire que suministra calor comprende, generalmente, aire húmedo, saturado o cercano a su curva de saturación. El intercambiador de calor comprende, además, medios de recolección dispuestos en el conducto para recolectar el condensado que fluye a lo largo de las paredes exteriores de los tubos tras salir del conducto en la salida.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Fig. 1 es un diagrama en bloque de un proceso ilustrativo, pero no limitante, de recuperación de energía de la presente exposición; la Fig. 2 es una vista en planta de un intercambiador de calor ilustrativo, pero no limitante, adecuado para usar con el proceso de recuperación de energía de la presente exposición; la Fig. 3A es una vista en sección transversal del intercambiador de calor ilustrativo, pero no limitante, de la Fig. 2 tomada en la línea 3A, 3B - 3A, 3B; y, la Fig. 3B es otra vista en sección transversal del intercambiador de calor ilustrativo, pero no limitante, de la Fig. 2 tomada en la línea 3A, 3B - 3A, 3B, que muestra el sistema de rocío en funcionamiento.

DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Con referencia a la Fig. 1 , el proceso de recuperación de energía ilustrativo y no limitante 10 que se muestra puede recibir, generalmente, una corriente de energía calórica residual 12 en forma de vapor, escape de aire caliente, aire calentado cargado de humedad, escape de calor cargado de partículas y/o fibras, y lo similar. Las personas de habilidad ordinaria en la industria reconocerán que cualquier proceso de fabricación que toma una corriente de aire, abastece de energía térmica a la corriente para cumplir una tarea y después descarga el escape es adecuado para usar con el proceso y aparato de la presente exposición. En la presente descripción se describe algunos procesos de manufactureros ilustrativos que usan esos procesos.

Por ejemplo, en forma de ejemplo no limitante, diversos sistemas conocidos para el control de la contaminación usan dispositivos de poscombustión para oxidar residuos gaseosos de proceso de compuestos orgánicos volátiles. Es bien sabido que el precalentamiento de esta corriente de gas de proceso conduce a un proceso de oxidación mejor y más eficiente.

Del mismo modo, puede usarse el calor radiante emitido por un proceso manufacturero de placas de circuito para proveer calentamiento ambiental a otros lugares comprendidos por la operación manufacturera durante las temporadas de baja temperatura.

Además, y aún en forma de ejemplo no limitante, un producto tal como una trama continua de un producto textil o de papel se seca, generalmente, al hacer pasar el sustrato de trama por una pluralidad de cilindros secuenciales giratorios y calentados. Generalmente, estos cilindros se calientan internamente mediante vapor abastecido o, externamente, mediante grandes quemadores a gas. Típicamente, los gases de escape calientes y/o la corriente de energía residual provenientes del proceso de secado se disipan, usualmente, en la atmósfera circundante. Para extraer el agua contenida en un producto de papel se requiere mucha energía. Esto es aún más evidente cuando se comprende que estos materiales de trama se fabrican, típicamente, en un ancho de aproximadamente 3.05 m (10 pies) y se someten a las velocidades de fabricación de esas operaciones de secado que varían, típicamente, entre 15.2 y 25.4 m/s (3,000 a 5,000 pies por minuto). Esto requiere que las tramas se sequen muy rápidamente, ya que las etapas de secado final de las operaciones manufactureras típicas del papel proveen un producto final cuyo contenido de humedad es de aproximadamente 3 %.

Volviendo a la Fig. 1 , el proceso de recuperación de energía 10 concibe varias etapas de proceso y opciones no limitantes adecuadas para usar con el proceso de recuperación de energía 10 descrito. Si la corriente de energía calórica residual 12 está en la forma de gas de escape caliente y seco, puede proveerse una etapa para determinar si debe añadirse humedad adicional a la corriente de energía calórica residual 12. Esta etapa se representa en la Fig. 1 como 14. En una situación en la cual la energía de calor residual no está saturada y se ha determinado que debe añadirse humedad, se selecciona "sí" en el punto de decisión. Alternativamente, si la corriente de energía calórica residual 12 está en forma de vapor, entonces puede no ser necesaria la saturación adicional y esto puede conducir a la selección de "no" en el punto de decisión. En una modalidad preferida del proceso de recuperación de energía 10, las personas de habilidad ordinaria en la industria reconocerán que puede preferirse que la corriente de energía calórica residual 12 a tratar esté saturarla. Sin limitaciones teóricas de ninguna especie, las personas de habilidad ordinaria en la industria apreciarán fácilmente que la saturación de la corriente de energía calórica residual 12 puede activar y potenciar la transferencia de calor latente. Naturalmente, las personas de habilidad ordinaria en la industria deben entender que si se toma la decisión de no saturar la corriente de energía calórica residual 12, el equipo y el proceso descritos en la presente descripción son todavía adecuados para el uso. El uso o no de una corriente saturada de energía calórica residual 12 no debe considerarse como limitante del alcance de la invención expuesta en la presente descripción. Además, en la presente descripción, los términos "corriente saturada de energía calórica residual 12" y "corriente de energía calórica residual 12" se usan indistintamente, sin afectar la exposición general o el equipo descrito en la presente descripción.

En cualquier aspecto, la corriente de energía calórica residual insaturada o recién saturada 12 puede enviarse, seguidamente, a un único intercambiador de calor 16. En las Figs. 2, 3A y 3B se muestra el intercambiador de calor 16 en detalle. La corriente saturada de energía calórica residual 12 circula por el intercambiador de calor 16 de conformidad con el principio de flujo cruzado. El intercambiador de calor 16 incluye, preferentemente, medios para dirigir la corriente saturada de energía calórica residual 12 hacia y a través del intercambiador de calor 16 (por ejemplo, ventiladores, aire de renovación, etc.) según la necesidad. Además, el intercambiador de calor 16 comprende, preferentemente, una cantidad de tubos 32 sobre los cuales circula la corriente saturada de energía calórica residual 12 (es decir, externa a los tubos 32). Por cada uno de los tubos 32 (es decir, interno a los tubos 32) puede circular aire fresco 34 (por ejemplo, limpio y no contaminado) que será calentado por la corriente saturada o insaturada de energía calórica residual 12. Sin limitaciones teóricas de ninguna especie, el contacto de la corriente saturada de energía calórica residual 12 con la superficie externa de cada uno de los tubos 32 imparte energía térmica a cada uno de los tubos 32. Después, esta energía térmica se transfiere al aire fresco 34 que circula por los tubos, el cual, posteriormente, puede reciclarse en la corriente manufacturera o en cualquier otra corriente de producción/uso.

Además, debe entenderse que el enfriamiento de la corriente saturada de energía calórica residual 12 con la superficie externa de los tubos 32 provocado por una pérdida de energía tras el contacto con los tubos 32 puede provocar la condensación de la humedad contenida en la corriente saturada de energía calórica residual 12. Después, este condensado también puede recolectarse y reciclarse en el proceso manufacturero o en cualquier otra corriente de producción/uso.

Como se mencionó más arriba, el intercambiador de calor 16 consiste, preferentemente, en una serie de tubos 32 que contienen el aire fresco 34 que circula por ellos y que van a calentarse con la corriente saturada de energía calórica residual 12. La corriente saturada de energía calórica residual 12 fluye sobre los tubos 32 que van a calentarse a fin de proveer el calor requerido para calentar el aire fresco 34 contenido en los tubos 32. En una modalidad preferida, los tubos 32 se pueden fabricar en una construcción unitaria completa para el intercambiador de calor 16. En una modalidad alternativa preferida y no limitante, el conjunto de tubos 32 que comprende solo una porción de los tubos 32 destinada a proveer un intercambiador de calor completo 16 se puede fabricar como una unidad y proveer, por ejemplo, como un haz de tubos 44. Se cree que cada haz de tubos 44 se puede fabricar como unidades increméntales e individuales que contienen una pluralidad de tubos 32 diseñados para ser una porción de la arquitectura total del intercambiador de calor 16. Los haces de tubos 44 obtenidos pueden disponerse e interconectarse según la necesidad del usuario final en un arreglo que forme un intercambiador de calor completo 16. Para facilitar la construcción, las entradas y salidas de la totalidad de los tubos 32 o los respectivos haces de tubos 44, o cualquier porción de estos, que comprende el intercambiador de calor 16 pueden estar en comunicación continua común a través de un respectivo recinto o distribuidor de entrada 50 y/o un respectivo recinto o distribuidor de salida 52. En cualquier aspecto, se prevé que el intercambiador de calor 16 puede comprender varias características de diseño relacionadas con la disposición de los tubos 32 en cualquier arreglo articulado requerido más abajo, a fin de proveer el diseño requerido por el usuario para el flujo de energía calórica residual 12 a tratar.

Por ejemplo, para una buena transferencia del calor, el material del tubo 32 seleccionado debe tener, preferentemente, una buena conductividad térmica para el funcionamiento y para el flujo de energía calórica residual 12 a tratar. Dado que el calor se transfiere desde un lado caliente (exterior) a un lado frío (interior) de los tubos 32, las personas de habilidad ordinaria en la industria entenderán que existe una diferencia de temperatura a través del ancho de los tubos 32. Debido a la tendencia del material de los tubos 32 a expandirse térmicamente de manera diferente a temperaturas diversas, se puede producir estrés térmico durante el funcionamiento. Esto se adiciona al estrés impartido a los tubos 32 por las presiones ejercidas sobre los tubos 32 por los propios fluidos (tales como la corriente de energía calórica residual 12). El material de los tubos 32 debe ser compatible, además, con la carcasa y los fluidos secundarios de los tubos 32 durante largos períodos en las condiciones de funcionamiento (temperaturas, presiones, pH, etc.) para minimizar el deterioro, como la corrosión. Todos estos requisitos exigen una cuidadosa selección de materiales de tubo robustos, térmicamente conductores, resistentes a la corrosión y de alta calidad, típicamente metales, que incluyen aleación de cobre, acero inoxidable, acero al carbono, aleación no ferrosa de cobre, Inconel®, níquel, Hastelloy®, titanio, cobres de alta conductividad, latones, acero inoxidable forjado Martensitic®, bronces al aluminio, bronce al aluminio 90/10, bronce al aluminio 92/8, bronce al aluminio duro (forjado) 93/7, bronce al aluminio 95/5, bronce al aluminio 95/5 1/2 duro (forjado), bronce al aluminio con níquel y hierro, como extrudido (forjado), combinaciones de estos y lo similar. Además, los tubos 32 se pueden proveer en varios tipos no limitantes, que incluyen lisos, con aletas longitudinales, con aletas radiales, extrudido, laminado, con costura y lo similar.

Como apreciarán las personas de habilidad ordinaria en la industria, existen varias características de diseño térmico que deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar los tubos 32 para colocarlos en intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Sorprendentemente, se ha comprobado que el uso de un tubo 32 de diámetro pequeño da lugar a un intercambiador de calor 16 económico y compacto. Sin embargo, puede usarse tubos 32 de mayor diámetro. Las personas de habilidad ordinaria en la industria deben considerar el diámetro del tubo 32, el espacio disponible y el costo. Las personas de habilidad ordinaria en la industria deben considerar el espesor de la pared de los tubos 32 para garantizar que cualquier vibración inducida por el flujo tenga resistencia, que exista una resistencia axial suficiente en la estructura, que exista una resistencia circunferencial suficiente (para soportar la presión interna del tubo) y que exista una resistencia al pandeo suficiente (para soportar el exceso de presión en la carcasa).

Además, las personas de habilidad ordinaria en la industria deben entender que debe considerarse la longitud del tubo 32 para que el intercambiador de calor 16 sea lo más largo posible, pero que no exceda las capacidades de producción. Además, las personas de habilidad ordinaria en la industria apreciarán la practicidad de garantizar que el paso del tubo 32 (es decir, la distancia de centro a centro de tubos 32 adyacentes) no sea menor que 1.25 veces el diámetro exterior del tubo 32. Sin embargo, las personas de habilidad ordinaria en la industria podrían usar cualquier paso de tubo deseado para suministrar el flujo y la transferencia de aire deseados y necesarios para optimizar el desempeño del intercambiador de calor 16 para la corriente de energía calórica residual 12 usado. Además, debe entenderse que el uso de tubos 32 corrugados puede elevar la turbulencia de los fluidos involucrados. Sin limitaciones teóricas de ninguna especie, se cree que la turbulencia puede elevar la transferencia de calor y proveer un mejor rendimiento. Sin embargo, debe entenderse que la disposición de los tubos 32 se puede proveer en cualquier orientación, separación y lo similar, para adaptarse a la corriente de energía calórica residual 12 a tratar.

Además, las personas de habilidad ordinaria en la industria deben considerar la ubicación de los tubos 32 dentro del intercambiador de calor 16. Existen cuatro tipos principales de disposición de tubos, que son, triangular (30°), triangular girada (60°), cuadrada (90°) y cuadrada girada (45°). Se ha comprobado, y las personas de habilidad ordinaria en la industria sin duda apreciarán, que los patrones triangulares pueden otorgar una mayor transferencia de calor, ya que fuerzan el fluido a fluir de una manera más turbulenta por los tubos 32. Las personas de habilidad ordinaria en la industria apreciarán que se puede emplear patrones cuadrados donde existen grandes obstrucciones y la limpieza se realiza con mayor regularidad.

En principio, se cree que el intercambiador de calor 16 se puede considerar como dos corrientes de fluido que están conectadas térmicamente (por ejemplo, la corriente saturada de energía calórica residual 12 y el aire fresco 34). Sean las corrientes de fluido de igual longitud, L, con una capacidad calorífica (energía por unidad de masa por unidad de cambio en la temperatura) y sea el régimen de flujo de la masa de los fluidos que circulan por el intercambiador de calor 16 (masa por unidad de tiempo), donde el subíndice /' se aplica a la corriente saturada de energía calórica residual 12 y el aire fresco 34.

Si se asume un estado estacionario, de modo que los perfiles de temperatura no sean funciones del tiempo, los perfiles de temperatura de las corrientes de fluido (en donde cada una se puede considerar como contenida en un tubo) se pueden representar como T^x) y T2(x), donde x es la distancia en el tubo. Supóngase, además, que la única transferencia de calor desde un pequeño volumen de fluido en un tubo es hasta el elemento de fluido del otro tubo en la misma ubicación. Debido a las diferencias de temperatura en ese tubo, no habrá transferencia de calor a lo largo de este. Según la ley de enfriamiento de Newton, la velocidad de cambio energético de un pequeño volumen de fluido es proporcional a la diferencia de temperatura entre este y el elemento correspondiente en el otro tubo. Es decir: du2 (Tj - T2) dt Aquí, u¡(x) es la energía térmica por unidad de longitud y ? es la constante de conexión térmica por unidad de longitud entre los dos tubos. Este cambio en energía interna genera un cambio en la temperatura del elemento de fluido. La velocidad de cambio en el tiempo para el elemento de fluido transportado por el flujo es: dt 1 dx y, donde J¡ = C¡j es el "régimen de flujo de la masa térmica". Las ecuaciones diferenciales que regulan el intercambiador de calor pueden, ahora, escribirse como: Nótese que, dado que el sistema está en un estado estacionario, no hay derivadas parciales de la temperatura con respecto al tiempo y, dado que no hay transferencia de calor a lo largo del tubo, no hay derivadas segundas en como se encuentra en la ecuación del calor. Estas dos ecuaciones diferenciales de primer orden acopladas se pueden resolver para obtener: donde ?1=?/?1 , 2=?/?2, = 1 + ?2 y A y ? son dos constantes de integración todavía indeterminadas. Sean T10 y T20 y las temperaturas a x=0 y sean T1 L y T2L las temperaturas en el extremo del tubo a x = L. Defínanse las temperaturas promedio en cada tubo como: Si se usan las soluciones anteriores, estas temperaturas son: „ t Bk „ Bfa¿ k La elección de dos de las temperaturas anteriores permite eliminar las constantes de integración, y eso permite hallar las otras cuatro temperaturas. La energía total transferida se halla al integrar las expresiones para la velocidad de cambio en el tiempo de energía interna por unidad de longitud: Por la conservación de la energía, la suma de las dos energías es cero.

La cantidad 2— ? se conoce como "diferencia de temperatura media logarítmica" y es una medida de la eficiencia del intercambiador de calor en la transferencia de energía térmica. Sin limitaciones teóricas de ninguna especie, se cree que el intercambiador de calor de la presente invención puede ser rentable con una eficiencia térmica del 40 %, siempre que los costos de construcción sean razonables. Por lo tanto, debe entenderse que el intercambiador de calor de la presente invención podría proveer una eficiencia mayor que 50 %, o mayor que 60 %, o mayor que 80 % o mayor que 90 %. Sin embargo, debe apreciarse que pueden ser posibles eficiencias térmicas aún menores si se realiza un mayor análisis de vida proyectada o se emplean métodos de construcción de menor costo.

En la práctica, la corriente saturada de energía calórica residual 12 circula por espacios definidos entre los tubos 32. Preferentemente, la corriente saturada de energía calórica residual 12 circula por el intercambiador de calor 16 en una dirección que es generalmente ortogonal al eje longitudinal de los tubos 32 y el flujo de aire existente allí cruza el flujo para la corriente de aire frío y seco.

El agua condensada en el intercambiador de calor 16 procedente de la corriente de energía calórica residual 12 fluye hacia una cubeta 18. El agua condensada que se elimina de la corriente saturada de energía calórica residual 12 puede recircularse desde la cubeta 18. En forma de ejemplo no limitante, esta recirculación puede dirigirse hacia un sistema de rocío 20 que se usa para suministrar agua a fin de permitir la saturación de una corriente insaturada de energía calórica residual 12, antes de entrar en la corriente de energía calórica residual 12 que ingresa en el intercambiador de calor 16. Además, el agua condensada eliminada de la corriente saturada de energía calórica residual 12 se puede usar para reintroducirla en diversas porciones del proceso de fabricación de papel y los sistemas asociados, por comunicación, a él 22. En forma de ejemplo no limitante, se puede suministrar agua limpia para introducir en las etapas iniciales del proceso de fabricación de papel, tales como el desintegrador de pulpa, así como otros sistemas relacionados con la preparación de la pulpa para la producción de productos de papel. Del mismo modo, se puede suministrar agua reciclada limpia para introducir en un sistema de generación de vapor usado con el objeto de generar el vapor necesario para las diversas etapas de secado del proceso de fabricación de papel. Además, si la corriente de agua condensada se calienta, esta agua calentada se puede filtrar e introducir en una corriente de suministro de agua potable o no potable.

Incluso, se puede suministrar agua reciclada limpia para introducir en el intercambiador de calor 16 a fin de proveer un beneficio de limpieza a las superficies externas de los tubos 32 dispuestos dentro del intercambiador de calor 16, usado en el proceso de intercambio de calor descrito en la presente descripción. Ese beneficio de limpieza se puede efectuar mediante la incorporación del sistema de rocío 40. Un sistema de rocío ilustrativo 40 puede incorporar una bomba o un accionador equivalente para hacer circular el flujo de agua hacia las toberas del sistema de rocío 40. Sorprendentemente, se ha comprobado que el sistema de rocío 40 provee una excelente capacidad de limpieza, porque cualquier particulado existente en la corriente saturada de energía calórica residual 12 tiende a unirse a la superficie exterior de los tubos 32 que comprende el intercambiador de calor 32. Las personas de habilidad ordinaria en la industria deben tener en cuenta que la eficiencia del intercambiador de calor 16 depende de una transferencia más eficiente de energía térmica desde la corriente saturada de energía calórica residual 12 dispuesta en el exterior de los tubos 32 hasta el aire fresco 34 dispuesto dentro de los tubos 32. El depósito de particulado o cualquier otro contaminante sobre la superficie exterior del tubo 32 puede afectar la transferencia de calor y, finalmente, la eficiencia del intercambiador de calor 32. Se puede asumir razonablemente que el hecho de proveer un sistema de rocío 40 que lava eficazmente el particulado de la superficie exterior del tubo 32 ayuda a mantener una óptima transferencia de calor y una óptima eficiencia del intercambiador de calor 6.

Además, se ha comprobado, sorprendentemente, que al proveer la corriente saturada de energía calórica residual 12 en contacto con la superficie exterior del tubo 32 elimina los importantes inconvenientes asociados con los sistemas de la industria anterior. Por ejemplo, la materia particulada existente en la corriente saturada de energía calórica residual 12 no puede impactar en la superficie interna del tubo 32, lo que da lugar a una tarea de limpieza difícil, si no casi imposible. Ese sistema requeriría, probablemente, un desmontaje completo para efectuar un proceso de limpieza. El depósito de particulado sobre la superficie exterior de los tubos 32 se puede extraer con mayor facilidad que la materia particulada impactada y dispuesta dentro de un tubo 32.

El flujo enfriado de aire de escape procedente de la corriente de energía calórica residual 12 todavía puede contener gotas de humedad, incluso después de que la corriente de energía calórica residual 12 haya circulado por el intercambiador de calor 16. Por lo tanto, la corriente restante de energía calórica residual 12 se puede hacer circular por una trampa dispuesta en un conducto de escape suministrado. Como se muestra en la Fig. 2, la corriente saturada de energía calórica residual 12 se introduce, preferentemente, en la porción superior del intercambiador de calor 16. Después, la corriente saturada de energía calórica residual 12 circula por el intercambiador de calor 16 y el condensado cae, principalmente, sobre el fondo del intercambiador de calor 16. Este condensado puede eliminarse a través de un conducto de escape, o puede recircularse para usar nuevamente en el sistema de rocío 20 para la saturación adicional de la corriente entrante de energía calórica residual 12, o puede usarse en el sistema de rocío 40 para limpiar las superficies exteriores de los tubos 32 del intercambiador de calor 16, y lo similar. En cualquier caso, es probable que el condensado recuperado por el ¡ntercambiador de calor 16 se haga pasar por una serie de conductos apropiados, en donde exista una bomba o un accionador equivalente para hacer pasar el flujo de agua hacia un sistema de rocío 20 o un sistema de rocío 40. Dado que en el arreglo de la presente invención se emplea una gran cantidad de agua en el intercambiador de calor 16, es sencillo mantener el intercambiador de calor 16 limpio, en cuyo caso no se requiere una limpieza exhaustiva, que además, provee la ventaja de que el lado de escape del intercambiador de calor 16 no se bloquea fácilmente.

El ¡ntercambiador de calor de acuerdo con la presente exposición es adecuado para usar como intercambiador de calor a fin de proveer aire de escape limpio y caliente 42. Por ejemplo, el aire de escape limpio y caliente 42 se puede usar para proveer aire de sustitución precalentado a una máquina papelera o cualquier otra aplicación de recuperación de calor. La válvula de desvío 24 puede seleccionar una ruta para el aire de escape limpio y caliente 42 que ha sido recuperado. Por ejemplo, la válvula de desvío 24 puede dirigir el aire de escape limpio y caliente 42 para proveer aire de sustitución precalentado a una máquina papelera, como se describió anteriormente. Alternativamente, el aire de escape limpio y caliente 42 se puede usar para el control climático dentro del establecimiento manufacturero, u otras operaciones relacionadas, en forma de aire ambiental calentado. Alternativamente, en caso de mal funcionamiento, mantenimiento, cualquier circunstancia exigente y lo similar, el aire de escape limpio y caliente 42 puede descargarse a la atmósfera.

Se cree que el intercambiador de calor 16 de acuerdo con la invención puede usarse de manera sumamente favorable en salidas de proceso de máquinas papeleras, de pulpa y cartón, particularmente, en las salidas de proceso de una sección de secado de esas máquinas. En cualquier caso, cuando la presente invención se aplica a fábricas de papel que usan varias máquinas papeleras, se puede llegar a una situación favorable que permita lograr una recuperación térmica importante. La presente invención provee una solución técnica y económicamente factible para la recuperación y reutilización de grandes cantidades de calor y otras energías generadas durante la producción de papel para secar el papel. Está basada en la idea de que solo necesita elevarse la presión del vapor de agua de acuerdo con la necesidad. Como resultado, el arreglo se puede hacer aún más práctico si se conecta con un sistema adicional de generación de vapor, tal como la central eléctrica a contrapresión descrita.

Además, puede incluirse otras variaciones y modificaciones diversas de las modalidades descritas. Por ejemplo, el intercambiador de calor 16, la válvula de desvío 24 y la cubeta 18 pueden construirse como una unidad integral o como unidades separadas, tal como se describen. Además, se puede usar varios vaporizadores en paralelo para producir vapor a presiones diferentes. Cada uno de ellos puede alimentarse a un grupo de alimentación de vapor de superficie de la sección de secado de la máquina papelera, sin necesidad de elevar la presión y, preferentemente, sin reducir la presión. Por ejemplo, se puede usar ese sistema a fin de elevar la temperatura del aire caliente y seco para usar en el secado al aire.

Las dimensiones y los valores expuestos en la presente no deben entenderse como estrictamente limitados a los valores numéricos exactos mencionados. En lugar de ello, a menos que se especifique de cualquier otra manera, cada una de esas dimensiones se referirá tanto al valor mencionado como a un intervalo funcionalmente equivalente que comprende ese valor. Por ejemplo, una dimensión descrita como "40 mm" se refiere a "aproximadamente 40 mm." Todos los documentos mencionados en la presente descripción, incluida cualquier referencia cruzada o patente o solicitud relacionada, se incorporan en la presente descripción en su totalidad como referencia, a menos que se excluya expresamente o limite de cualquier otra forma. La mención de cualquier documento no es una admisión de que constituye una industria anterior respecto a cualquier invención descrita o reivindicada en la presente o que por sí sola, o en cualquier combinación con alguna otra referencia o referencias, enseña, sugiere o describe dicha invención. Además, en el grado en que cualquier significado o definición de un término en este documento contradiga cualquier significado o definición del mismo término en un documento incorporado como referencia, el significado o definición asignado a ese término en este documento deberá regir.

Aunque modalidades particulares de la presente invención han sido ilustradas y descritas, será evidente para los experimentados en la industria que se pueden hacer diversos cambios y modificaciones sin alejarse del espíritu y alcance de la invención. Por ello, en las reivindicaciones anexas se pretende cubrir todas aquellas modificaciones y cambios que queden dentro del alcance de esta invención.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un intercambiador de calor caracterizado por: un conducto: una pluralidad de tubos sustancialmente paralelos, cada uno de los cuales tiene una pared exterior, dispuestos en ese conducto para definir espacios entre ellos; primeros medios para dirigir un flujo de aire por ese conducto, que suministra calor a través de los espacios y sobre esas paredes exteriores de esos tubos; segundos medios para dirigir un flujo de aire que recibe calor por esos tubos; una entrada en una primera región de ese conducto y una salida en una segunda región de ese conducto dispuesta de manera distal de esa primera región, de modo que, en ese conducto, el flujo de aire que suministra calor fluye desde esa entrada hasta esa salida, se forma condensado en esa pared exterior de esos tubos, y fluye hacia esa salida; el flujo de aire que suministra calor comprende aire húmedo, saturado o cercano a su curva de saturación; y, medios de recolección dispuestos en ese conducto para recolectar ese condensado que fluye a lo largo de esas paredes exteriores de esos tubos tras salir de ese conducto en esa salida.

2. El intercambiador de calor de la reivindicación 1 , caracterizado además por medios de rocío para rociar un medio acuoso en una fase atomizada en el flujo de aire que suministra calor, antes de que el flujo de aire que suministra calor ingrese en esa entrada.

3. El intercambiador de calor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque esos tubos están caracterizados, además, por miembros que se proyectan dentro de los espacios para incrementar el área de superficie externa de esos tubos sobre los cuales circula el flujo de aire que suministra calor.

4. El intercambiador de calor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque cada tubo de esos tubos sustancialmente paralelos tiene una entrada en comunicación continua con una entrada de al menos otro tubo sustancialmente paralelo.

5. El intercambiador de calor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque cada tubo de esos tubos sustancialmente paralelos tiene una salida en comunicación continua con una salida de al menos otro tubo sustancialmente paralelo.

6. El intercambiador de calor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque cada uno de esos tubos sustancialmente paralelos son corrugados.

7. El intercambiador de calor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además por un sistema de rocío; ese sistema de rocío está adaptado para limpiar esas paredes exteriores de esos tubos sustancialmente paralelos.

8. El intercambiador de calor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además por un sistema de rocío; ese sistema de rocío está adaptado para saturar ese flujo de aire antes de que ese flujo de aire entre en contacto con esa pared exterior de esos tubos.

9. El intercambiador de calor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque ese flujo de aire que recibe calor a través de esos tubos se dirige hacia un proceso manufacturero que produjo ese flujo de aire que suministra calor.

10. El intercambiador de calor de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque ese intercambiador de calor tiene una diferencia de temperatura media logarítmica de al menos aproximadamente 40 por ciento.