INTERCAMBIADOR DE CALOR QUE TIENE UN TUBO DE VACIO
Campo de la Invención La invención se refiere a un intercambiador de calor que tiene un tubo de vacío con una pared exterior, y que tiene un tubo interior que retiene un fluido y cuya pared exterior se arregla concéntricamente a la pared exterior del tubo de vacío .
Antecedentes de la Invención El intercambiador de calor que tiene un tubo de vacío es en la actualidad el componente más importante para convertir energía solar en energía calorífica en la tecnología de calentamiento solar. Por ejemplo, de la US 4,186,724 se conoce este intercambiador de calor. El tubo interior para retener el fluido está compuesto de dos tubos concéntricos en el cual puede fluir el fluido en el modo a contracorriente. Este tubo inferior está circundado por un espacio de aislamiento que se une a una distancia del fluido, por la pared interior del tubo de vacío. La pared interior y la pared exterior del tubo de vacío se arreglan concéntricamente y forman en sección transversal un anillo, bajo un vacío parcial, alrededor del tubo interior. La US 4,307,712 describe un intereambiador de calor, adicional, de esta clase, en el cual se conecta el tubo interior, hasta el grado que sea posible de una manera integral, a costillas transversales a fin de conducir mejor el calor. En los intercambiadores de calor conocidos, se insertan varias superficies de reflexión o se ennegrecen varios elementos . Los tubos del sistema conductor de fluido usualmente se componen de un material que es buen conductor de calor. Sin embargo, no se conocen elementos que se proporcionen para una buena transferencia de calor de estas superficies de reflexión al sistema de tubos conductor de fluido. Las costillas que se conocen de la US 4,307,712 son complicadas de conectar al sistema de tubos conductor de fluido y no tienen ninguna conexión a tubos de vacío parcial.
Breve Descripción de la Invención Tomando esta técnica anterior como un punto de inicio, la invención se basa en el objeto de configurar un intercambiador de calor del tipo mencionado al comienzo de una manera tal que se incremente la transferencia de calor al sistema conductor de fluido. Un objeto adicional de la invención es evitar el fenómeno adverso de envejecimiento debido a los efectos de oxidación, por . ejemplo debido al uso de diferentes materiales (por ejemplo, metales) en los sistemas de tubos individuales, o el fenómeno de condensación. Este objeto se logra de acuerdo a la invención con las características de la reivindicación 1. Un intercambi dor de calor de acuerdo a la invención tiene un tubo de vacío con una pared exterior. Se puede rellenar un fluido conductor de calor en un tubo interior del intereambiador de calor. La pared exterior del tubo interior se arregla concéntricamente a una pared del tubo de vacío. En este contexto, se proporciona al menos una película conductora de calor que conecta la pared mencionada del tubo de vacío al sistema de tubos conductor de fluido. Este por lo menos un elemento conductor de calor se presiona en cada caso, con pre-tensión contra la pared mencionada del tubo de vació y contra el sistema de tubo conductor de fluido . El término tubo de vacío se entiende que significa un sistema de volumen alargado que se puede colocar bajo un vacío parcial en el estado de operación. Los tubos también pueden ser en particular esquinados o poligonales. Puesto que una película que es un hueco conductor de calor y que se extiende en una forma helicoidal en la sección transversal conecta el espacio de vacío exterior, en el cual en particular se proporciona el medio que recolecte y concentre la energía solar, al sistema de tubos conductor de fluido, se especifica una modalidad sorprendentemente simple . En las reivindicaciones secundarias se caracterizan refinamientos ventajosos adicionales.
Breve Descripción de las Figuras La invención ahora se describirá en más detalle a manera de ejemplo usando una modalidad de ejemplo y con referencia a las figuras anexas, en las cuales: La figura 1 muestra una sección transversal a través de un intercambiador de calor de acuerdo a una modalidad de ejemplo de la invención, La figura 2 muestra una sección longitudinal a lo largo de la línea II-II en la figura 1, La figura 3 muestra una ilustración esquemática de una pluralidad de intercambiador de calor de acuerdo a la invención, La figura 4 muestra una sección transversal a través de un intercambiador de calor de acuerdo a una modalidad adicional de ejemplo de esta invención, La figura 5 muestra una sección transversal a través de un intercambiador de calor de acuerdo con aún otra modalidad de ejemplo de la invención, y La figura 6 muestra una sección longitudinal parcial y vista lateral del intercambiador de calor de acuerdo a la figura 5.
Descripción Detallada de las Modalidades de Ejemplo La figura 1 muestra una sección transversal a través de un intercambiador de calor de acuerdo a una modalidad de ejemplo de la invención. El intercambiador de calor comprende un tubo de vacío que se compone de dos tubos
3 y 6 de vidrio que se empujan uno en el otro y cuyos extremos se funden entre sí en un lado como en una botella de termo. Los tubos 3 y 6 de vidrio se representan cada uno como círculos compuestos de dobles guiones . En la separación
4 entre los tubos 3 y 6 de vidrio que se extienden concéntricamente entre sí existe permanentemente un vacío parcial, en particular la presión es ventajosamente menor de 0.1 Pa, o en otras palabras 0.1 microbar. El volumen parcial en la separación 4 impide en particular que el calor absorbido del sol se emita nuevamente al exterior a través de convección. El recolector solar usualmente se compone de una pluralidad de intercambiadores de calor que se arreglan en paralelo y/o en serie, el distribuidor/recolector 11 ilustrado en la figura 3 y el cuadro 15 portador con el reflector externo (no ilustrado en las figuras) . En la modalidad de ejemplo ilustrada aquí, el intercambiador de calor comprende un tubo 7 de flujo hacia adelante, un tubo 8 de flujo de retorno y el deflector 9 conductor de calor en forma de espiral . El deflector 9 conductor de calor está conectado permanentemente, como se puede ver en la figura 3, al tubo 8 de flujo de retorno en la región 10. En el "N"~ ésimo recolector solar en la figura 3, el deflector 9 conductor de calor se puede ver en una región 10 de unión en el tubo 8 de flujo de retorno. El tubo 7 de flujo hacia adelante con el volumen concéntrico 17 conduce un fluido portador, térmico, relativamente frío. El tubo 8 de flujo de retorno, que está continuamente conectado al recolector/distribuidor 11, conduce fluido portador, térmico, calentado en el volumen 18 que es de sección transversal anular. El distribuidor/recolector 11 distribuye y recolecta una pluralidad de secciones de tubo 7 de flujo hacia adelante y tubos 8 de flujo de retorno a los deflectores 9 conductores de calor, asociados y tubos 3 y 6 de vacío de una manera hidráulica de acuerdo a "Tichelmann" . El principio de los perfiles de temperatura en los volúmenes 17 y 18 de fluido, es decir más caliente en el exterior y más frío en el interior y/o modo a contracorriente también se pueden ajustar de la manera invertida, es decir más frío en el exterior y/o modo a co-corriente . El volumen de fluido que se recolecta de los N recolectores entonces deja el alojamiento 14 del recolector con el aislamiento a la salida 13 del recolector después de que se ha combinado individualmente con los reflectores de los cuadros portadores 15. Se aplica un absorbedor 5 sobre superficie completa del tubo 6 de vacío interior, por ejemplo como una capa que se aplica metálicamente. Cuando hay vacío muy bueno, tal como las presiones mencionadas anteriormente en el intervalo de microbares, se producen temperaturas de estancamiento de más de 340 grados Celsius. El absorbedor puede en particular, capas de óxido metálico que se aplican con tecnología de plasma. Cuando el vacío es más pequeño, caso en el cual sólo se presentan temperaturas relativamente bajas en el absorbedor 5, el absorbedor puede ser aquel revestido con aluminio, materiales de poliéster aluminizados, tal como el material que está disponible de Dupont con la marca comercial "Mylar" u otros materiales absorbedores 5 que se arreglan en esta región de vacío parcial (vacío) de la separación 4. La energía térmica solar, a manera de ejemplo, que se absorbe, se transmite al deflector 9 conductor de calor, en forma de espiral, a través del vidrio del tubo interior 6. Esta capa absorbedora 5 se puede aplicar al interior del tubo 6 y/o integrar en el deflector conductor de calor, en forma de espiral . El deflector 9 conductor de calor es un deflector rectangular que se une de manera preferente, por ejemplo se suelda en duro, en la región 10 al tubo 8. Entonces se enrolla alrededor del tubo 8 con pre-tensión antes de que se empujen ambos conjuntamente en el doble tubo 3, 6 del tubo de vacío y rellenen el espacio intermedio 19. La pre-tensión del deflector presiona contra la pared interior del tubo 6 y provoca que descanse en esta pared interior sobre un cierto intervalo, por ejemplo 90 grados o un cuarto de ciclo. Se puede seleccionar un área más pequeña, pero también en particular un área más grande que esto. El deflector 9 se soporta contra la superficie interior de vidrio sobre el intervalo angular más grande posible, por ejemplo más de 355 grados, de manera preferente casi 360 grados, por ejemplo 359 grados, que es ventajoso y evita la formación indeseada de condensado. El deflector 9 conductor de calor que de esta manera está en forma de espiral en la sección transversal se presiona por su propia fuerza de muelle de una manera firme y de cubierta de superficie sobre la superficie completa de vidrio del tubo 6 de modo que se logra la transición óptima de calor. Con esta solución, la invención no solo permite la conducción ideal de calor sino también en virtud de la presión superficial homogénea contra el interior del tubo 6 interior de vacío impide puentes fríos, y de manera particular impide en su mayor parte la formación de agua de condensación que provoca gruesas capas de oxidación en sistemas de acuerdo a la técnica anterior, que a su vez da por resultado una reducción en la energía de la conversión de energía solar. Una desventaja de los deflectores conductores de calor, insertados de forma fija en los diferentes coeficientes de expansión de los materiales individuales (vidrio, varios metales, etc.), de modo que se forman separaciones que conducen a los efectos indeseados mencionados entre los deflectores conductores de calor y los tubos, etc. Esto da por resultado una ventaja adicional del uso del deflector 9 conductor de calor ya que el movimiento relativo térmicamente inducido del deflector 9 conductor de calor con respecto a las superficies adyacentes asegura limpieza deseable, por ejemplo, de la superficie de vidrio del tubo interior 6 y de la superficie del deflector. Esto es correcto en el deflector 9 conductor de calor que se une en la región 10, pero el deflector 9 conductor de calor también se puede insertar de una manera flotante de modo que se soporte tanto en el tubo interior 6 como en el tubo 8 por medio de la fuerza de muelle. El volumen 19 entre el tubo interior 6 y el tubo 8 se puede rellenar, por ejemplo con aire ambiental o un gas protector o estar bajo un vacío parcial.
La figura 4 muestra una sección transversal a través de un intercambiador de calor de acuerdo a una modalidad adicional de ejemplo de la invención. Se caracterizan características idénticas en las figuras por símbolos de referencia respectivamente idénticos. El intercambiador de calor también comprende aquí un tubo de vacío que está compuesto de dos tubos 3 y 6 de vidrio que se empujan uno dentro del otro. La capa absorbedora 5 se aplica la exterior, pero existen las mismas posibilidades como en la modalidad de ejemplo de acuerdo a la figura 1. El deflector 29 conductor de calor se compone en esta modalidad de ejemplo de una pluralidad de deflectores angulares, ocho deflectores 29 aquí, que tienen dos extremos libres 20 y de esta manera una forma en C que se une de manera preferente en la región 10 en el tubo 8. Cada deflector 29 se inserta con pre-tensíón entre los tubos 6 y 8 a fin de rellenar el espacio intermedio 19. El pre-tensado de cada deflector 29 lo presiona contra la pared interior del tubo 6 y provoca que descanse en esta pared interior sobre un cierto intervalo. Se ilustra aquí un intervalo de respectivamente 22.5 grados. Sin embargo también se pueden seleccionar regiones más grandes o más pequeñas que esto. También dependen del número de deflectores usados. Sin embargo, el interior completo del tubo 6 también se cubre de manera ventajosa. Si se proporcionan N películas 29 conductoras de calor, donde N>=8, sus extremos libres 20 entonces pueden soportar en particular sobre una región angular de casi a 360/N grados, con pre-tensión, contra las paredes 6, 8 mencionadas. Los deflectores 29 conductores de calor que están en forma de C en sección transversal se presionan por su propia fuerza de muelle de una manera firme y cubierta de superficies sobre la superficie completa de vidrio del tubo 6 de modo que se logra transición óptima de calor. Cada deflector 29 conductor de calor se puede unir a un lado, por ejemplo en el tubo interior 8, pero de manera alternativa o adicional también en la pared interior del tubo 6 de modo que un extremo libre o ambos extremos libres 20 se mueven con respecto a las superficies adyacentes como resultado del movimiento relativo térmicamente inducido de los tubos 6, 8 y de los deflectores 29 conductores de calor con respecto uno al otro . En una modalidad de ejemplo que no se ilustra en las figuras, se proporcionan dos películas 9 conductoras de calor, en forma de espiral, que se unen de forma separada una de la otra en un intervalo angular de 180 grados en la pared exterior del sistema 8 de tubos conductor de fluido sobre un intervalo angular 10, particular en cada caso sobre un intervalo angular de virtualmente 180 grados. Esto das por resultado dos espirales que se extienden una dentro de la otra, la transmisión de calor que se mejora por las dos superficies de soporte y la sección transversal de doble línea para la conducción de calor. De esta manera, también es posible que se proporcionen películas 9 conductoras de calor en forma de espiral sobre virtualmente 120 grados en cada 'caso. Cuando hay cuatro películas 9 conductoras de calor, en forma de espiral, se unen al tubo 8 interior en un intervalo angular de por ejemplo 90 grados. La longitud del extremo libre de cada película 9 conductora de calor que es por ejemplo tal que se extiende sobre, por ejemplo, un intervalo angular de 540 grados a 720 grados, con el extremo libre que se soporta en el interior del tubo 6 o de una película 9 adyacente conductora de calor. La figura 5 muestra una sección transversal a través de un intereambiador de calor de acuerdo a aún otra modalidad de ejemplo de la invención, y la figura 6 muestra una sección longitudinal a lo largo de la línea VI-VI en la figura 5. El intercambiador de calor también comprende aquí un tubo de vacío que está compuesto de dos tubos 3 y 6 de ' vidrio que se empujan uno en el otro. La capa absorbedora 5 se aplica al exterior del tubo 6 de vidrio. Por ejemplo, se puede rellenar aire ambiente o gas protector en el volumen 19 entre el tubo 6 interior y el tubo 8 o puede haber un vacío parcial. Los elementos 39.conductores de calor de esta modalidad de ejemplo se componen cada uno de al menos una varilla 31 metálica conductora de calor, por ejemplo elaborada de cobre, que se suelda en el exterior del tubo 8 de flujo de retorno se conecta de algún otro modo. La figura 6, es evidente que dos varillas metálicas 31 que se arregla a una distancia una de la otra a una línea del forro del tubo que se extiende paralelo al eje principal del intercambiador de calor se asocian con cada elemento 39 conductor de calor. En cada caso, se adapta un manguito 32 hueco en estas varillas metálicas 31 que se componen preferentemente de material sólido, el manguito 32 que se compone preferentemente del mismo material o que tiene el mismo coeficiente de expansión térmica. Los manguitos 32 se unen en su extremo que da respectivamente a la varilla 31 a un deflector 33 conductor calor, por ejemplo se suelda a este. En el estado montado del intercambiador de calor, el deflector 33 conductor de calor se soporta contra la pared interior del tubo 6, y el deflector 33 conductor de calor no está ventajosamente pre-doblado de modo que se presiona de una manera de muelle contra la pared 6. El efecto de muelle se transmite por los dos manguitos 32, en este caso, en virtud del hecho que un elemento 34 de muelle, por ejemplo un muelle de compresión se arregla en cada manguito 33, este muelle de compresión que se soporta en un extremo en el deflector 33 conductor de calor y en el otro extremo que se presiona contra la punta de la varilla 31. Como resultado, el deflector 33 conductor de calor se retiene de manera segura en contacto cercano con la pared 6, siendo asegurada una buena conducción de calor en el tubo 8 por medio de la conexión a través de la varilla 31- con muelle y el manguito 32. En la modalidad de ejemplo ilustrada, en cada caso se une cuatro varillas 31 al tubo 8 en un intervalo angular de 90 grados alrededor del eje principal del intercambiador de conformidad con la reivindicación calor en dos ubicaciones a lo largo del eje longitudinal mencionado. Entonces se proporcionan cuatro deflectores 33 conductores de calor y los manguitos 32 se unen a estos en ubicaciones correspondientes. Las dimensiones de los deflectores 33 conductores de .calor son tal que después de la inserción en el tubo 6 se ajustan cómodamente contra casi el forro interior completo del tubo 6, en otras palabras los cuatro deflectores 33 conductores de calor toman un intervalo angular de algo menos que 90 grados (=360/4 grados) . A fin de llevar a cabo el montaje, en cada caso, los muelles 34 se taponean en los manguitos, y la unidad compuesta del manguito 32 y el deflector 33 conductor de calor se tapona y presiona de modo que el tubo 6 se empuja sobre los deflectores 33 conductores de calor en la dirección del eje longitudinal. En este caso, los tubos interiores 7 y 8 se aseguran de manera preferente sobre un muelle cónico longitudinal 35 que se soportan en el extremo longitudinal del tubo 6 y una depresión terminal correspondiente en el tubo 8. En la modalidad de ejemplo ilustrada, las varillas asociadas 31 se arreglan cada una en la misma posición longitudinal a lo largo del sistema 8 de tubo. En otras modalidades de ejemplo, estas varillas 31 también se pueden proporcionar a diferentes distancias longitudinales entre si . Las varillas 31 también se pueden unir al deflector 33 conductor de calor, y los manguitos 32 se pueden unir al sistema 8 de tubo. En lugar de dos veces , también se pueden proporcionar cuatro puntos de unión 31, 32 y 34 y cuatro deflectores 33 conductores de calor asociados, tres o cuatro veces los puntos de unión. Por otra parte, también es posible proporcionar dos o tres deflectores 33 conductores de calor, cada uno con dos, tres o más puntos de unión. En general más de cuatro deflectores 33 conductores de calor no es necesario para el propósito de conducir calor o de hacer estable el intercambiador de calor. En una modalidad de ejemplo que no se ilustra en las figuras, cada conexión de varilla individual 31 manguito 32 con elemento 34 de muelle insertado también se puede reemplazar por un elemento de muelle individual en cada caso, elementos de muelle que se unen en un extremo al tubo 8 y en el otro extremo al deflector 33 conductor de calor. Este elemento de muelle entonces observa la función de los tres elementos de un punto 31, 32, 34 de unión. El premontaje es simplemente más complicado que en la modalidad de ejemplo ilustrada en las figuras 5 y 6 puesto que cuando se lleva a cabo un montaje los elementos de muelle se deben unir primero sin que se pierda su elasticidad. Los tubos 3 y 6 se pueden componer en particular de vidrio. Los tubos interiores 7 y 8 se pueden componer de metal, en particular cobre, latón, aluminio o acero inoxidable, la secuencia que indica técnicamente más ventajoso. Los metales que son de manera preferente buenos conductores de calor se seleccionan para estos tubos 7, 8. El deflector 9 o 29 conductor de calor se componen de un material que es un buen conductor de calor, en particular de un metal tal como cobre, latón, aluminio o tipos adecuados de acero inoxidable o titanio de lámina blanda.
Lista de números de referencia: 3 Tubo de vidrio 4 Separación 5 Capa absorbedora 6 Tubo de vidrio 1 Tubo de flujo hacia adelante 8 Tubo de flujo de retorno
9 Deflector conductor de calor
Intervalo angular 11 Cuadro distribuidor 13 Salida de recolector 14 Alojamiento de recolector
Cuadro portador 17 Volumen fluido 18 Volumen fluido 19 Espacio intermedio 20 Extremo libre 29 Deflector conductor de calor
31 Varilla metálica 32 Manguito 33 Deflector conductor de calor
34 Elemento de muelle 35 Muelle cónico 39 Elemento conductor de calor