MXPA06013731A - Metodo y aparato para formar un intercambiador termico. - Google Patents

Abstract

Un intercambiador termico y metodo para elaborar un intercambiador termico que incluye: formar un anillo anular de una masa conductora de calor solida, el anillo anular tiene un eje central y tiene superficies axialmente opuestas; una pluralidad de pasos estan perforados a traves del anillo anular y a traves de las superficies opuestas para proveer pasos para el flujo de un fluido a traves de los pasos y transferir energia termica entre la masa y el fluido; de preferencia, los pasos son paralelos al eje y tienen una seccion transversal circular y estan acomodados en una pluralidad de conjuntos de pasos circunferencialmente separados, cada conjunto tiene una pluralidad de pasos radialmente separados.

Description

MÉTODO Y APARATO PARA FORMAR UN INTERCAMBIADOR TÉRMICO CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención generalmente se refiere a intercambiadores térmicos y un método para fabricar un intercambiador térmico, y muy específicamente se refiere a un intercambiador térmico interno para una máquina de ciclo Stirling libre de pistón.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Muchas máquinas requieren la transferencia de calor desde una masa a otra, tal como transferencia entre una masa dentro de la máquina a una masa fuera de la máquina. Los motores Stirling, bombas térmicas y enfriadores comúnmente requieren transferencia térmica desde el exterior de su recipiente de presión herméticamente sellado, a través de la pared del recipiente de presión al qas en funcionamiento, en una ubicación dentro del recipiente de presión para proveer un sistema aceptador de calor, y transferencia térmica del gas dentro de la máquina a otra ubicación a través de la pared del recipiente de presión a una masa, tal como un refrigerante, fuera del recipiente de presión para formar un sistema rechazador de calor. Para proveer la eficiencia y velocidad de transferencia térmica, los intercambiadores térmicos comúnmente se emplean tanto dentro como fuera del recipiente de presión de la máquina Stirling. Un intercambiador térmico interior intercambia calor con el gas en funcionamiento en el interior de la máquina y conduce el calor a o desde la pared del recipiente de presión. Un intercambiador térmico exterior intercambia calor con una fuente de calor exterior o un refrigerante, tal como aire ambiental o un refrigerante en circulación y conduce el calor a o desde la pared del recipiente de presión. La Patente EUA números 4,052,854 a du Pré analiza la transferencia térmica en un motor Stirling o calentador. La Patente EUA 4,429,732 a Moscrip describe un regenerador, el cual es similar a un intercambiador térmico pero almacena calor y alternativamente transfiere calor a y desde el gas en funcionamiento y la masa del generador conforme el gas en funcionamiento cicla a través del regenerador. La Patente EUA 5,373,634 a Lipp, aunque no para una máquina Stirlinq, muestra un intercambiador térmico que tiene pasos rectos de extremo abierto con canales u orificios perforados en los lados de la estructura transversales a los pasos rectos. En la técnica anterior, las máquinas Stirling más grandes generalmente recurren a intercambiadores térmicos internos los cuales están construidos de varios tubos paralelos conductivamente conectados a la pared del recipiente de presión para aumentar el área de superficie de transferencia térmica a través de la pared. Sin embargo, dichos intercambiadores térmicos tubulares requieren numerosas juntas de cobresoldadura para fijar los tubos a la pared. Este número grande de juntas también aumenta tremendamente la probabilidad de falla debido a la fuga y también aumenta el costo de fabricación. Máquinas Stirling más pequeñas comúnmente utilizan una construcción de cabeza monolítica en donde el calor es transferido a través de la pared del recipiente de presión de la máquina. Cuando se utiliza una cabeza monolítica, resulta una práctica común cobresoldar una superficie interna con aletas, con frecuencia en la forma de aletas doblada, a la cabeza del recipiente de presión. Dichos intercambiadores térmicos tienen flujo de gas entre placas paralelas, en donde la uniformidad del flujo es extremadamente sensible a la separación de placas debido a que la velocidad del flujo de masa es proporcional al cubo de de espacio entre las aletas. Por lo tanto, el flujo de masa a través de las esquinas es limitado. Las aletas dobladas son fabricadas a partir de una hoja de material doblado en múltiples aletas con pasos entre las aletas. Este proceso requiere múltiples pasos de flexión y formación, además de cobresoldar los componentes de hoja para conexión a la cabeza del recipiente de presión. Adicionalmente, las aletas dobladas generalmente no están disponibles en la separación requerida por las máquinas Stirling de manera que con frecuencia requieren ablandamiento y reconfiguración adicionales. Cada uno de estos pasos de fabricación agrega gastos adicionales al costo del intercambiador térmico. Además de las aletas dobladas, las aletas radiales también han sido maquinadas en un intercambiador térmico . Por lo tanto, un objetivo y característica de la invención es proveer un intercambiador térmico mejorado, más eficiente y menos costoso de fabricar, particularmente para una máquina Stirling. Otro objetivo y característica de la invención es proveer un método para formar un intercambiador térmico a un costo moderado que permita la transferencia térmica eficiente.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN El aparato de la invención es un intercambiador térmico que es un anillo anular formado de una masa sólida conductora de calor. El anillo anular tiene un eje central y superficies axialmente opuestas, con una pluralidad de pasos lineales formados a través del anillo y las superficies opuestas, para flujo de un fluido a través de los pasos y transferencia de enerqía térmica entre la masa sólida y el fluido. De preferencia, los pasos son paralelos al eje y tienen una sección transversal circular. Además, de preferencia los pasos están acomodados en una pluralidad de conjuntos de pasos circunferencialmente separados, cada conjunto tiene una pluralidad de pasos radialmente separados. El método para hacer un intercambiador térmico comprende formar un anillo anular de una masa conductora de calor sólida, el anillo anular tiene un eje central y tiene superficies axialmente opuestas, y después perforar una pluralidad de pasos a través del anillo anular y a través de las superficies opuestas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La figura 1 es una vista superior de la modalidad preferida de la presente invención. La figura 2 es una vista transversal agrandada de una porción de la modalidad de la figura 1 tomada sustancialmente a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1. La figura 3 es una vista transversal de una máquina Stirling que ilustra el posicionamiento de las modalidades de la figura 1. Al describir la modalidad preferida de la invención, la cual se ilustra en las figuras, se recurrirá a terminología específica para propósitos de claridad. Sin embargo, no se pretende que la invención quede limitada al término específico así seleccionado y, se entenderá que cada término específico incluye todos los equivalentes técnicos, los cuales operen en una forma similar para loqrar un propósito similar.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La modalidad preferida de la presente invención se ilustra en la figura 1. La invención es un intercambiador térmico 5 para transferir energía térmica entre el interior de una máquina de ciclo Stirling y el exterior de la máquina. El intercambiador térmico 5 se forma a partir de una masa sólida conductora de calor, tal como cobre o aluminio, en un anillo anular que tiene un eje central 7 y superficies axialmente opuestas 9 y 11. La masa es un sólido en el sentido de que no está construida mediante la conexión entre sí de una pluralidad de elementos de armazón y/o pared sino que comienza como una pieza de material sólido integral. Una pluralidad de pasos lineales 8 se forman a través del anillo 6 y las superficies opuestas 9 y 11 para permitir el flujo de un fluido a través de los pasos 8 y transferir la energía térmica entre la masa y el fluido. En la modalidad preferida, los pasos 8 son paralelos al eje central 7 del anillo anular y tienen una sección transversal circular como se ilustró en las figuras 1 y 2. Los pasos 8 están acomodados en una pluralidad de conjuntos de pasos 8 circunferencialmente separados, cada conjunto tiene una pluralidad de pasos radialmente separados 8. De preferencia, cada conjunto de pasos 8 incluye dos a cuatro pasos alineados 8 acomodados a lo largo de un eje radial del anillo, en las figuras 1 y 2 se ilustran cuatro. Sin embargo, se pueden utilizar otras cantidades y configuraciones de pasos y se seleccionan como una función del tamaño del intercambiador térmico, el tamaño de los agujeros para lograr las características de flujo de fluido deseadas y las características de transferencia térmica deseadas. El método para formar los pasos 8 puede incluir perforación o vaciado. La perforación se puede lograr a través de técnicas de formación de metal tradicionales, las cuales incluyen perforación que emplea una broca giratoria o maquinado por descarga eléctrica (EDM) . Los pasos 8 de preferencia tienen una sección transversal circular y paredes cilindricas cuando se fabrican de acuerdo con el método preferido de fabricación. Sin embargo, cuando los pasos son vaciado o maquinado, está disponible una variedad de formas, por ejemplo, los pasos pueden ser vaciado con secciones transversales que son ranuras cuadradas, rectangulares, ovaladas o radiales. De preferencia, la masa conductora térmica sólida es una sola pieza, masa sólida unitaria o bloque que tiene una forma de anillo anular. Sin embargo, de manera alterna, el anillo anular se puede formar en segmentos discretos separados, cada uno de los cuales es una masa o bloque sólido. Por ejemplo, el anillo puede constar de dos segmentos de medio anillo de 180 grados, cuatro segmentos de 90 grados o seis segmentos de 60 grados. De preferencia, el anillo anular no consta de dichas partes de componentes múltiples, pero la formación del anillo de dichas partes de componente no se aparta del concepto de la invención. Adicionalmente, no es necesario, aunque si preferible, que el anillo sea completo o sin fin en su totalidad. Por ejemplo, el anillo se puede extender, por ejemplo, solo 330° alrededor de un círculo dejando un segmento de 30° para otra estructura que se extiende paralela a su eje. El anillo generalmente es anular, pero puede incluir algunas separaciones de las paredes perfectamente circulares, incluyendo pestañas, uñas u otras estructuras de proyección, o cortes, tal como muescas o canales. El contorno exterior del anillo de preferencia se ajusta al contorno de la pared interior del recipiente de presión de una máquina Stirling para optimizar la conexión térmicamente conductora y, de preferencia, está cobresoldada a esa pared. La modalidad preferida de la invención es particularmente conveniente como un intercambiador térmico para mejorar una máquina de ciclo Stirling libre de pistón. Haciendo referencia a la figura 3, la máquina Stirling 10 tiene un desplazador 12 que oscila en un recipiente de presión 13 el cual contiene un gas en funcionamiento. Los intercambiadores térmicos internos 16 y 18 están en contacto térmicamente conductor con el recipiente de presión 13 para transportar calor entre el interior y exterior del recipiente de presión. Estos son anillos anulares, como el intercambiador térmico 5 de la figura 1, cobresoldados a la pared interna del recipiente de presión 13. Específicamente, un aceptador de calor interno 16 y un rechazador interno 18 están montados dentro del recipiente de presión 13. Como una configuración alternativa, la superficie de la pared periférica del anillo anular que forma el intercambiador térmico interno del sistema de aceptador de calor (el intercambiador térmico superior en una máquina, tal como se ilustra en la figura 3) se puede formar en un contorno de forma frusto-cónica o de domo para acoplar de manera ajustada una pared superior interior similarmente contorneada de la cabeza del recipiente de presión 13. Todo el anillo anular también puede estar hecho con una forma similar y no es necesario que las superficies opuestas sean paralelas. Sin embargo, los pasos se seguirán extendiendo entre superficies opuestas del anillo anular. Por ejemplo, si el anillo anular está hecho en una forma fruto-cónica, los pasos pueden no ser paralelos al eje central, sino que pueden estar alineados de forma oblicua al eje, tal como yacer a lo largo de una superficie cónica imaginaria. De acuerdo con los principios operativos muy conocidos de la máquina de ciclo Stirling, el gas en funcionamiento, típicamente helio, dentro de la máquina de ciclo Stirlinq 10, es transportado entre la región A y la región B durante operación. La presente invención ayuda en la transferencia de energía térmica entre el gas en funcionamiento y el aceptador interno 16 y el rechazador 18 durante la operación de la máquina. Conforme el gas en funcionamiento es desplazado a través de los pasos 8 de la modalidad preferida, la energía térmica es transferida a o desde el gas a las paredes de los pasos 8 y también es conducida a través de los intercambiadores térmicos de aceptador y rechazador 16 y 18. La energía térmica también es conducida a través del recipiente de presión 13. Se cree que la modalidad preferida de la presente invención es ventajosa sobre los intercambiadores térmicos de la técnica anterior. Aunque la eficiencia de la transferencia térmica con frecuencia es tan importante que se prefiere el mejor intercambiador térmico incluso si es más costoso, la fabricación de un intercambiador térmico, de acuerdo con la presente invención se cree que es menos costoso debido a que el equipo moderno de maquinado controlado por computadora es muy eficiente en tiempo en la perforación precisa de múltiples agujeros. Además, debido a que los agujeros son perforados a través de un bloque sólido de material, el metal restante provee una trayectoria de conducción térmica con una sección transversal máxima para conducción de calor entre el recipiente de presión y las paredes de los agujeros. Aunque el flujo de gas a través de cualquier intercambiador térmico es sensible a la separación entre las paredes de los pasos, y por lo tanto, el flujo de gas a través de los pasos cilindricos es sensible al diámetro de los pasos, los pasos de la modalidad preferida tendrán un diámetro de aproximadamente dos veces el espacio en un intercambiador térmico de placa paralela convencional. Por lo tanto, se mejorará la resistencia de flujo y el gas quedará igualmente expuesto a todo la superficie de pared interior de los pasos cilindricos para elevar al máximo la transferencia térmica entre esas paredes y el gas. Además, cualquier calor irradiado de las paredes de paso cilindrico será irradiado a otra porción de la pared cilindrica en luqar de ser irradiado a otro componente estructural dentro de la máquina. Aunque se han analizado a detalle algunas modalidades preferidas de la presente invención, se entenderá que se pueden adoptar varias modificaciones sin apartarse del espíritu de la invención o alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (3)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como prioridad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES

1.- Una máquina de ciclo Stirling, libre de pistón, mejorada que tiene un desplazador que oscila en un recipiente de presión que contiene un qas en funcionamiento e intercambiadores térmicos en contacto térmicamente conductor con el recipiente de presión para transportar calor entre el interior y exterior del recipiente de presión, en donde la mejora es un intercambiador térmico que comprende: un anillo anular formado de una masa sólida conductora de calor y en conexión térmicamente conductora con el interior del recipiente de presión, el anillo anular tiene un eje central y superficies axialmente opuestas, el anillo tiene una pluralidad de pasos lineales a través del anillo y las superficies opuestas, los pasos están en comunicación de fluido con el gas en funcionamiento para flujo del gas en funcionamiento a través de los pasos y transferencia de energía térmica entre la masa y el gas en funcionamiento.

2.- La máquina de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el anillo anular está cobresoldado a la pared interior del recipiente de presión.

3. - La máquina de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los pasos son paralelos al eje. . - La máquina de conformidad con la reivindicación 3, caracterizada porque los pasos están acomodados en una pluralidad de conjuntos de pasos circunferencialmente separados, cada conjunto comprende una pluralidad de pasos radialmente separados. 5.- La máquina de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada porque los pasos tienen una sección transversal circular. 6.- La máquina de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque cada conjunto comprende por lo menos dos pasos alineados acomodados a lo larqo de un eje radial del anillo. 7. - La máquina de conformidad con la reivindicación 6, caracterizada porque el anillo anular está cobresoldado a la pared interior del recipiente de presión .