PT1716369E

PT1716369E - Permutador de calor e massa de placas com extensão de margem

Info

Publication number: PT1716369E
Application number: PT05713879T
Authority: PT
Inventors: Valeriy Maisotsenko; Leland E Gillan; Timothy L Heaton; Alan D Gillan; Rick J Gillan
Original assignee: Idalex Technologies Inc
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2010-08-05
Also published as: CA2554512A1; US7228699B2; CN100439807C; AU2005215644A1; US20050217303A1; EP1716369B1; CA2554512C; CY1111217T1; DE602005021314D1; IL177077A; WO2005080881A1; CN1918435A; ES2346232T3; AU2005215644B2; ATE468516T1; JP2007523316A; EP1716369A1; IL177077A0; DK1716369T3

Description

DESCRIÇÃO "PERMUTADOR DE CALOR E MASSA DE PLACAS COM EXTENSÃO DE MARGEM"

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO A Patente U.S. N° 6581402, concedida em 24 de Junho de 2003 e a Patente U.S. N° 6705096, concedida em 16 de Março de 2004 proporcionam antecedentes úteis para este pedido. O documento US 2003/145609 divulga uma placa de permutador de calor como definido no preâmbulo da reivindicação 1.

Campo da Invenção: A presente invenção refere-se a permutadores de calor e massa de placas para refrigeradores evaporativos indirectos. Em particular, a presente invenção refere-se a tais placas possuindo extensões de margem para uma remoção de fluido melhorada.

Discussão da Técnica Anterior: A refrigeração evaporativa indirecta é um método de refrigeração de uma corrente de fluido; habitualmente ar, através de evaporação de um liquido de refrigeração, habitualmente água, para uma segunda corrente de ar, ao mesmo tempo que se transfere calor da primeira corrente de ar para a segunda. O método possui várias vantagens inerentes, quando 1 comparado com o condicionamento de ar convencional: requisitos de electricidade baixos, fiabilidade relativamente alta, e a capacidade de pôr de lado a necessidade de refrigerantes, tal como o R-134, e todas as desvantagens que eles implicam. A Patente U.S. N° 6581402 mostra várias formas de realização para refrigeração evaporativa indirecta utilizando aparelhos de placas. A Figura 1 (Técnica anterior) mostra uma representação em perspectiva e esquemática de duas placas que mostra os canais do lado molhado, formados pelos lados molhados de uma primeira e uma segunda placa em frente uma da outra, com as suas passagens orientadas na mesma área geral e ilustra o gás de trabalho a entrar no lado seco, a passar através das passagens e para o interior dos canais do lado molhado. O fluido de produto está separado do gás de trabalho, uma vez que passa ao longo do lado seco da primeira e segunda placas. Placas adicionais formam uma pilha e placas adjacentes têm os seus lados secos voltados uns para os outros. Assim, a pilha de placas teria todas as placas impares orientadas com o seu lado seco voltado na mesma direcção e oposto a todas as placas pares. A invenção da Pat N° 6581402 proporciona um refrigerador evaporativo indirecto possuindo canais molhados e secos com escoamento cruzado em lados opostos de uma pluralidade de placas de permutador de calor que permitem a transferência de calor através das placas. As placas incluem extensões de margem para facilitar a remoção de água (ou de um fluido evaporativo semelhante) e minerais dissolvidos das placas.

Para propósitos quer da Pat N° 6581402 quer do presente pedido, a requerente deseja definir vários termos: 2 1. A superfície de transferência de calor ou superfície de permuta de calor tem muitas configurações. Estão todas contidas no âmbito desta invenção divulgada, com um ajuste apropriado da molhagem e escoamentos, como é bem conhecido na indústria. Para ilustração, a requerente utiliza uma configuração de placas. 2. 0 lado molhado ou porção molhada da superfície de permuta de calor significa a porção possuindo líquido evaporativo sobre ou na sua superfície, permitindo, assim, a refrigeração evaporativa da superfície e a absorção de calor latente da superfície. 3. 0 lado seco ou porção seca do permutador de calor significa porção da superfície de permuta de calor onde existe pouca ou nenhuma evaporação para o gás ou fluido adjacente. Assim, não existe transferência de vapor e de calor latente para os gases adjacentes. De facto, a superfície pode estar molhada, mas não com fluido evaporativo, ou estar molhada por condensação, mas não existe evaporação. 4. A corrente de trabalho ou a corrente de gás de trabalho é o escoamento de gás que flui ao longo da superfície de permuta de calor no lado seco, passa através das passagens na superfície para o lado molhado e captura vapor, e, através de evaporação, recebe o calor latente da superfície de permuta de calor e transporta-o para fora, para a descarga. Em algumas formas de realização, a corrente de trabalho pode ser descartada como desperdício e noutras pode ser utilizada para propósitos especiais, tais como adicionar humidade ou como calor de recuperação. 3 5. A corrente de produto ou corrente de fluido de produto é o escoamento de fluido (gás, líquido ou mistura) que passa ao longo da superfície de permuta de calor no lado seco e é refrigerado através da absorção de calor pela corrente de gás de trabalho no lado molhado, absorvendo calor latente através da evaporação na área molhada. A placa possui, igualmente, caminhos de passagem ou perfurações ou meios de transferência semelhantes entre o lado seco da placa e o lado molhado, em áreas definidas, que proporcionam um escoamento desde os canais de trabalho secos para os canais de trabalho molhados nos quais se realiza a refrigeração evaporativa directa. 0 método da invenção utiliza a separação de um escoamento de gás de trabalho (que é utilizado para evaporar líquido nos canais molhados e, assim, refrigerar a superfície molhada da placa de permutador de calor) a partir do escoamento de fluido de produto, que flui através dos canais de produto secos e dos canais de produto molhados, respectivamente, no mesmo lado da placa de permutador de calor. Ambos entregam calor à placa de permutador de calor que, na sua superfície oposta, está a ser refrigerada através de evaporação nos canais molhados de trabalho. 0 escoamento de gás de trabalho entra, primeiro, no canal de trabalho seco e, a seguir, através de perfurações, poros ou outros meios adequados de transferência, através da barreira da placa para o lado molhado e, por conseguinte, para os canais de trabalho molhados onde a evaporação de líquido na superfície do canal molhado, refrigera esta placa. 4

Os canais de produto secos estão no lado seco desta placa. A placa é em material fino para permitir uma fácil transferência de calor através da placa e para permitir, assim, que o calor seja transferido, rapidamente, do canal de produto seco para o canal de trabalho molhado. Esta é uma unidade ou elemento básico da invenção que ilustra o método da separação de escoamentos de gás de trabalho para refrigerar, indirectamente, o fluido de produto separado através de refrigeração evaporativa.

Muitas formas de realização de refrigeração evaporativa incluem um material com efeito de mecha para distribuir a água ou outro liquido evaporativo sobre o lado molhado da placa. Ver, por exemplo, a Figura 7 da Pat N° 6581402, em que um material 7 com efeito de mecha distribui o liquido evaporativo ao longo dos canais 5 do lado molhado. As placas 6 adoptam uma "forma em V" na forma de realização da Figura 7. A água também se evapora melhor de uma superfície com efeito de mecha do que de uma superfície de água, uma vez que o material de efeito de mecha quebra a tensão superficial da água. A obtenção de um efeito de mecha ascendente numa superfície vertical garantirá que não existe água em excesso sobre a superfície da placa, mas limita, igualmente, a altura da placa 5 que pode ser utilizada. A obtenção de um efeito de mecha descendente da água ao longo de uma superfície ajudada pela gravidade, pode ser bom de uma perspectiva de molhagem, se a quantidade de água não exceder a que a mecha pode transportar. A obtenção de um efeito de mecha numa direcção mais horizontal pode permitir um sistema de molhagem de reservatório vertical, tal como mostrado na Pat U.S. N° 6705096. Existem algumas aplicações de permutadores de calor e massa de placas que requerem uma geometria mais inovadora que corresponda a uma concepção termodinâmica mais complicada, que requer, de novo, uma aplicaçao mais horizontal, tal como a Patente U.S. N° 6581402. Em todos os casos, deseja-se criar um meio que garanta que a mecha nao seja alagada pela água. 0 refrigerador evaporativo indirecto da Pat N° 6581402 funciona bem. Mas encontrou-se, em utilização, uma desvantagem inerente da concepção. A inclinação das placas para permitir que a gravidade ajude a puxar a água através da mecha, ajudou a remover o líquido em excesso e a lavar os minerais para fora das placas. No entanto, as placas de permutador de calor muito próximas, com superfícies com efeito de mecha voltadas umas para as outras, permitiram que a água se acumulasse nos canais. Esta acumulação foi provocada pela tensão superficial da água que adere à margem das placas. Por exemplo, dadas duas placas horizontais em paralelo, uma gota da placa superior penderia e aderiria a uma gota na parte inferior nas margens de placa. A água recuaria então das margens das placas nas superfícies com efeito de mecha conferindo dois efeitos prejudiciais. Primeiro, a água de superfície reduz, significativamente, a taxa de transferência de calor e, assim, a refrigeração do fluido no lado oposto da placa. Em segundo lugar, esta sobre-molhagem entre as placas provocou uma distribuição de escoamento de ar 6 não uniforme através das placas molhadas e, deste modo, uma refrigeração não uniforme do fluido a ser refrigerado no lado oposto das placas.

Quando a água nos canais molhados é evaporada, quaisquer minerais dissolvidos que estejam na água são deixados para trás. Mesmo que nem toda a água seja evaporada, quando os minerais na água ficam demasiado concentrados, depositam-se sobre qualquer superfície com que entrem em contacto. Tais minerais depositados apresentam um problema a longo prazo, uma vez que se acumulam e acabam por impedir o escoamento da água, particularmente no material com efeito de mecha. As porções da placa já não são completamente molhadas e a eficiência de permuta de calor reduz-se.

Assim, permanece uma necessidade da técnica para aparelhos e métodos para extraírem líquido em excesso e minerais da porção de permuta de calor da placa e para remoção dos mesmos da placa.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO É um objectivo da presente invenção proporcionar um aparelho e métodos para extrair líquido em excesso e minerais da porção de permuta de calor da placa e para remoção dos mesmos da placa.

Adicionaram-se extensões de margem às placas de refrigeradores evaporativos indirectos para permitir que o liquido evaporativo em excesso migre para as margens das placas e goteje para fora, levando os minerais dissolvidos com ele. 7

Pode realizar-se, igualmente, transferência de calor. uma melhor evaporação e

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 2a é uma representação, em perspectiva e esquemática, de uma primeira forma de realização da presente invenção, possuindo extensões de margem inclinadas. A Figura 2b é uma vista lateral da forma de realização da Figura 2a. A Figura 3 é uma vista lateral de uma segunda forma de realização da presente invenção, possuindo extensões de margem direitas. A Figura 4 é uma representação, em perspectiva e esquemática de uma terceira forma de realização da presente invenção, utilizando uma concepção de escoamento em contra corrente e possuindo extensões de margem inclinadas. A Figura 5 é uma representação, em perspectiva e esquemática de uma quarta forma de realização da presente invenção, com as placas numa orientação vertical possuindo extensões de margem direitas. A Figura 6 é uma representação, em perspectiva e esquemática, de uma quinta forma de realização da presente invenção, com uma concepção integrada e possuindo extensões de margem inclinadas. A Figura 7 é uma vista em corte de extremidade de uma sexta forma de realização da presente invenção, na qual as placas inclinam-se de modo descendente desde um eixo central e possuindo um sistema de canal de alimentação para molhagem das placas.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DA INVENÇÃO

As Figuras 2a-7 mostram várias formas de realização de extensões de margem adicionadas a placas de transferência de calor em refrigeradores evaporativos indirectos. Embora se mostrem várias formas de realização, será evidente para os especialistas da técnica que as extensões de margem podem ser adicionadas a muitas outras placas de refrigeradores evaporativos indirectos. As Pat U.S. N° 6581402 e 6705096, incorporadas neste documento como referência, mostram uma variedade de configurações de placas e também se conhecem outras. Em cada um dos casos, as extensões de margem são adicionadas às margens das placas, para lá da porção de permuta de calor das placas, e facilitam a remoção do líquido evaporativo em excesso desde os lados molhados das placas. Embora o termo "para lá da porção de permuta de calor das placas" se utilize para indicar que as extensões de margem são adicionadas aos lados ou extremidades das placas, isto não implica que não possa aí ocorrer permuta de calor. A seguinte tabela lista os números de referência utilizados nesta patente: 9 1 fluido de produto do lado seco (e. g., ar) 2 gás de trabalho (e. g., ar) 3 canais de produto do lado seco (formas de realização com perfuração) 4 canais de trabalho do lado seco 5 canais do lado molhado 6 Placas 7 guias de canal 8 material com efeito de mecha 9 lados secos das placas 10 lados molhados das placas 11 Perfurações 20 extensões de margem 21 comprimento das extensões de margem 22 fluido evaporativo (e. g., água) 23 canal de alimentação para molhar as placas 24 camada não permeável 25 camada com efeito de mecha

A Figura 2a é uma representação, em perspectiva e esquemática, de uma primeira forma de realização da presente invenção possuindo extensões 20 de margem inclinadas. A

Figura 2b é uma vista lateral da forma de realização da Figura 2a. As placas 6, nas Figuras la e lb, são mostradas na horizontal, mas podem estar igualmente inclinadas (ver, por exemplo, a Figura 7 da Pat U.S. N° 6581402. A forma de realização das Figuras la e lb é uma concepção com escoamento transversal um pouco semelhante à da Figura 1 (Técnica Anterior) . Cada uma das placas possui um lado 9 seco e os lados secos estão voltados uns para os outros. Os lados 9 secos incluem canais 4 do lado seco, através dos quais flui o 10 fluido 1 de produto. Os lados 10 molhados possuem canais 5 do lado molhado, através dos quais flui o gás 2 de trabalho. Os canais 5 do lado molhado são, geralmente, transversais aos canais 4 do lado seco.

Os canais 5 do lado molhado são molhados por um líquido 22 evaporativo, através de efeito de mecha, pulverização ou de um método semelhante. A forma de realização específica mostrada nas Figuras 2a e 2b não mostra canais de trabalho para a passagem de um fluido de trabalho através das placas, desde o lado seco até aos lados molhados, como se mostra na Figura 1 (Técnica Anterior) , mas esses podem ser incluídos na forma de realização da Figura 2. A Figura 2b mostra o escoamento fluido 22 evaporativo em excesso para fora do canal 5 do lado molhado e a gotejar para fora das extensões 20 de margem das placas 6. As extensões de margem inclinadas, que se estendem por uma distância 21 para lá da extremidade das placas 6, facilitam esta remoção de fluido, abrindo o espaço para lá da porção de transferência de calor dos lados 10 secos.

Numa forma de realização preferida e particular de um sistema de refrigeração evaporativa indirecta (descrito neste documento a título de exemplo), 80 placas são empilhadas numa pilha com uma altura de 10 polegadas. As dimensões das placas são de 20 polegadas por 18 polegadas. O material da placa é um revestimento de polietileno sobre papel de fibra de celulose (o papel actua como um material com efeito de mecha). O espaçamento entre as placas é de 0,125 polegadas.

Na prática, os comprimentos 21 das extensões de margem de 1/2 polegada e 1 polegada são muito eficazes na drenagem do líquido 22 evaporativo em excesso. Com um espaçamento de placas 11 de, aproximadamente, 0,125 polegadas, as extensões de margem substancialmente inferiores a 1/4 polegada não funcionam tão bem (1/16 polegada não funciona de modo nenhum com este espaçamento de placa). No entanto, com espaçamentos de placa mais apertados, espera-se que as extensões de margem tão pequenas como 1/8 polegada realizem o objectivo de remover de modo eficiente o liquido evaporativo em excesso. As extensões de margem substancialmente maiores do que o espaçamento da placa funcionam melhor. A Figura 3 é uma vista lateral de uma segunda forma de realização da presente invenção, muito semelhante à das Figuras 2a e 2b, mas possuindo extensões de margem direitas. Muita da discussão relativa às Figuras 2a e 2b também é relevante para esta forma de realização. A extensão 20 de margem na forma de realização da Figura 3 estende-se direita para fora, em vez de curvar para longe dos lados 10 molhados. Esta concepção é mais fácil de fabricar do que a concepção das Figuras 2a e 2b e remove o fluido evaporativo em excesso melhor do que as placas convencionais sem extensões de margem. A Figura 4 é uma representação, em perspectiva e esquemática, de uma terceira forma de realização da presente invenção utilizando uma concepção de escoamento em contracorrente e possuindo extensões 20 de margem inclinadas. Em vez de possuir canais 5 do lado molhado e canais 4 do lado seco transversais uns aos outros, eles são geralmente paralelos, mas fluem em direcções opostas. A extensão de margem é, geralmente, transversal às guias de canal do lado molhado, de modo a que o gás de trabalho flua numa direcção diferente daquela em direcção 12 da extensão de margem (perpendicular na forma de realização da Figura 4). 0 líquido 22 evaporativo ainda reveste os canais 5 do lado molhado através do material 8 com efeito de mecha e migra, através do efeito de mecha, sob as guias 7 de canal, de modo a que o líquido em excesso se desloque para as extensões 20 de margem e goteje para fora. A migração do líquido 22 evaporativo sob as guias 8 de canal é feita da seguinte forma. As placas 6 são formadas por um material 25 com efeito de mecha reforçado por um material 24 que é impermeável ao líquido 22 evaporativo. Por exemplo, as placas 6 podem ser formadas por um revestimento 24 de polietileno sobre papel 25 de fibra de celulose. O papel 25 actua como um material com efeito de mecha, extraindo por efeito de mecha o líquido 22 sob as guias 7 de canal e para fora até às extensões 22 de margem, onde o líquido 22 goteja para fora das placas. A Figura 5 é uma representação, em perspectiva e esquemática, de uma quarta forma de realização da presente invenção, com as placas 6 numa orientação vertical, e possuindo extensões 20 de margem direitas. O escoamento 2 de gás de trabalho é ascendente nos canais 5 do lado molhado e o escoamento 1 de fluido de produto é lateral ao longo dos canais 4 do lado seco. O líquido evaporativo flui de modo descendente, nos canais 5, desde o topo e goteja para fora das extensões 20 de margem na parte inferior. A Figura 6 é uma representação, em perspectiva e esquemática, de uma quinta forma de realização da presente invenção, com uma concepção integrada e possuindo uma forma integrada de extensões 20 de margem inclinadas. A forma de realização da Figura 6 é formada, de um modo preferido, por um 13 bloco sólido de um único material, tal como alumínio extrudido. Esta concepção é vantajosa quando as placas estão sob alguma tensão, tal como, quando o refrigerador evaporativo indirecto está pressurizado.

Em algumas aplicações da invenção, as placas 6 e os distanciadores 7 podem ser formados a partir de materiais rígidos, tais como alumínio. Em tais casos, as placas 6 e os distanciadores 7 de placas podem ser extrudidos numa única peça, tal como se mostra na Figura 6. As extensões 20 de margem das placas 6 são afuniladas, de um modo preferido, de modo a possuírem uma abertura maior nas margens, para facilitar o gotejamento para fora do líquido 22 em excesso. O lado (molhado) evaporativo das placas 10 requer uma estrutura que distribua o produto evaporado 22 sobre a sua superfície. A distribuição do produto evaporado pode realizar-se com material de floculação ou por gravação química da superfície de um material, tal como o alumínio, criando uma superfície com efeito de mecha.

As superfícies hidrófilas, tal como descrito na Pat U.S. N° 6568465 de Meissner et al. , podem actuar como superfícies com efeito de mecha. A Figura 7 é uma vista em corte de extremidade de uma sexta forma de realização da presente invenção, na qual as placas 6 se inclinam para baixo desde um eixo central. Um canal 23 de alimentação contém líquido 22 evaporativo para molhagem das placas. De um modo geral, um material 25 com efeito de mecha (ver Figura 4 para um exemplo) extrai líquido 22 do canal 23 de alimentação ao longo dos canais 5 do lado molhado. Quando o líquido 22 atinge as extremidades exteriores das placas 6, é extraído para fora das placas pelas extensões 20 de margem, 14 mostradas, neste caso, como extensões de margem inclinadas semelhantes às mostradas nas Figuras 2a e 2b.

Os especialistas na técnica de sistemas de refrigeração evaporativa indirecta reconhecerão que podem efectuar-se várias alterações e modificações nas formas de realização exemplificativas mostradas e descritas anteriormente, que estão ainda abrangidas pelo espirito e âmbito da invenção. Em todos os casos, as extensões de margem nas placas de permutador de calor estendem-se para lá da área de transferência de calor das placas e auxiliam a drenagem do fluido evaporativo para fora das placas.

Lisboa, 28 de Julho de 2010 15

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Placa (6) de permutador de calor para utilizar num sistema de refrigeração evaporativa indirecta, compreendendo a placa: um lado (9) seco possuindo uma permeabilidade baixa em relação a um liquido (22) evaporativo e formado de modo a permitir que um fluido (1) de produto flua sobre uma área de transferência de calor da sua superfície; um lado (10) molhado concebido para que a sua superfície seja molhada por um líquido evaporativo e formado de modo a permitir que um gás (2) de trabalho flua sobre a sua superfície de modo a evaporar o líquido evaporativo; e caracterizada por uma extensão (20) de margem formada na margem da placa, para lá da área de transferência de calor, para fazer com que o líquido evaporativo em excesso goteje para fora da placa.
2. Placa da reivindicação 1, em que a extensão de margem se inclina para longe do lado molhado.
3. Placa da reivindicação 1, formada como uma peça integral de um único material.
4. Placa da reivindicação 3, em que o material é alumínio. 1
5. Placa da reivindicação 4, em que o lado molhado é texturado de modo a formar uma superfície (8) com efeito de mecha.
6. Placa da reivindicação 3, compreendendo ainda um material (8) com efeito de mecha fixo ao lado molhado da placa.
7. Placa da reivindicação 1, em que o lado molhado inclui uma superfície (8) com efeito de mecha.
8. Placa da reivindicação 1, em que o lado molhado inclui guias (7) de canal para canalizar o gás de trabalho.
9. Placa da reivindicação 8, em que o gás de trabalho flui numa direcção diferente daquela em direcção da extensão de margem e em que o líquido evaporativo flui sob as guias de canal de modo a alcançar a extensão de margem.
10. Refrigerador evaporativo indirecto compreendendo: uma pluralidade de placas (6) de permutador de calor de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 9, que estão dispostas geralmente paralelas e distanciadas, em que as extensões de margem se estendem para lá da margem das áreas de transferência de calor das placas numa distância de, pelo menos, a distância entre as placas.
11. Refrigerador evaporativo indirecto da reivindicação 10, em que as placas estão orientadas geralmente de modo vertical e as extensões de margem estão localizadas nas partes inferiores das placas. 2 12. Refrigerador evaporativo indirecto da reivindicação 10, em que as placas estão orientadas geralmente de modo horizontal.
13. Refrigerador evaporativo indirecto da reivindicação 10, em que as placas estão inclinadas de modo descendente em cada direcção a partir de um eixo central.
14. Refrigerador evaporativo indirecto da reivindicação 13, compreendendo ainda um canal (23) de alimentação localizado no eixo central, contendo o canal de alimentação o fluido evaporativo.
15. Refrigerador evaporativo indirecto da reivindicação 10 ou 14, em que as placas incluem um material (25) com efeito de mecha nos seus lados molhados. Lisboa, 28 de Julho de 2010 3 1/8 'V

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2a figura 3/8

Figura 2b 4/8

Figura 3 5/8 1

Figura 4 6/8

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Figura 7