Cambiador de calor-refrigerador rotativo
- regenerativo con fluido intermedio y
cambio de fase
Descripción
Introducción
Ante la creciente necesidad de refrigerar / calentar fluidos de un modo más eficiente y ocupando un menor espacio y por lo tanto con menor consumo de recursos, aparece la necesidad de crear cambiadores de calor más eficientes, compactos y que hagan un mejor aprovechamiento energético del intercambio de calor.
En la mayoría de aplicaciones en donde se utilizan cambiadores de calor para refrigerar - calentar cierto fluido a menudo existe la necesidad de calentar - refrigerar cualquier otro fluido para cualquier otra función, si esta función de calentamiento se realizase con el mismo cambiador que nos sirve para refrigerar el otro fluido la eficiencia del proceso aumentaría de forma notable (regeneración).
En las siguientes paginas se describen las bases de un cambiador de calor rotatorio - regenerativo que es capaz de realizar de forma eficiente las funciones descritas con anterioridad.
El uso de este mismo dispositivo sirve también para la refrigeración de las paletas en la zona de fluido caliente, presentando una clara opción de su uso como refrigerador de materiales situados en zonas de flujo caliente, prolongando de este modo la vida útil de estos materiales, así como su sustitución por otros de inferiores características abaratando costos.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
Así mismo, dado su carácter rotativo y la cantidad de energía que en forma de presión y energía cinética suelen llevar los fluidos a calentar - refrigerar, con un diseño adecuado de las palas a modo de turbina se puede extraer potencia del dispositivo a través de un eje.
Descripción y funcionamiento
En primer lugar los fluidos a refrigerar y calentar han de ser conducidos al cambiador en conductos concéntricos, ocupando el fluido refrigerante la zona interior y el fluido a refrigerar la exterior. El fluido refrigerante y el refrigerado pueden ir en el mismo sentido o en sentido contrario, siendo más efectivo el sentido contrario para de esta forma aprovechar al máximo el intercambio favorable en la conducción concéntrica.
Mediante la conducción concéntrica se conducen los fluidos hasta unas paletas huecas rotatorias que son las que conforman el cambiador como tal, ambos fluidos pasan a través de las paletas sin mezclarse, ya que existe un sistema de sellado entre ambos fluidos, y a la saüda son conducidos de nuevo de forma concéntrica y ya refrigerados / calentados hasta las zonas donde se deseen aplicar.
Las conducciones concéntricas solo son necesarias a la entrada y salida del cambiador, pudiendo inmediatamente después adoptar cualquier configuración.
Todo el cambiador rotativo anteriormente comentado se presenta de forma esquemática en la figura 1.
La refrigeración se lleva a cabo en las paletas de la siguiente forma. Como se comentó con anterioridad las paletas son huecas y en su interior se encuentra un liquido que es capaz de cambiar de fase entre las temperaturas del fluido refrigerante y el refrigerado (p.e. a la temperatura del fluido refrigerante es üquido y la del refrigerado es gas).
Al paso del fluido caliente por la zona exterior de las paletas, este transmitirá calor al fluido intermedio situado en el interior de la paleta gasificándolo. Al realizarse el intercambio d calor con cambio de fase de uno de los fluidos implicados este intercambio se verá muy favorecido
2 HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
El fluido gasificado en la zona periférica del interior de la paleta y teniendo en cuenta que esta está girando será impulsado por el liquido situado en la zona inferior de la paleta (por el efecto de fuerza de rotación sobre el liquido que tiene mayor densidad que el gas) a la zona interior de la paleta en donde volverá a ser licuado por el efecto del fluido exterior refrigerante (de nuevo el intercambio de calor se realizara de una forma eficiente al existir cambio de fase).Entiéndase que la zona periférica de la palera es la de mayor radio siendo la interior la de radio menor.
Este ciclo es de funcionamiento continuo, siempre y cuando las paletas estén girando alrededor de un eje concéntrico con el tubo de conducción de refrigerante y fluido caliente.
En la figura 2 se esquematiza el proceso explicado.
Las paredes exteriores e interiores de las paletas se diseñaran de tal forma que se mejore en lo posible el coeficiente de convección, con el uso de aletas, laminas corrugadas, costillas, turbuladores o cualquier otro mecanismo.
El efecto de giro de las paletas se puede conseguir mediante el uso de un motor para girarlas, o bien, si aun se desea un mayor aprovechamiento energético, con la energía que traen los fluidos a refrigerar / calentar a modo de turbina diseñando las palas de forma adecuada. Véase un esquema de diseño de palas propulsadas por el fluido en la figura 3
El paso de los fluidos de la parte estática (tubería concéntrica) a la rotatoria (palas refrigerantes) se llevara a cabo usando los sellos adecuados para el fluido a utilizar (p.e. sellos laberínticos para aire, sellos de gas, cierres - sellos mecánicos, prensaestopas,...).
Como ya se ha comentado con anterioridad el mismo dispositivo sirve también para la refrigeración del material de las paletas inmerso en el fluido caliente, ya que al haber por su interior una circulación de una mezcla gas - líquido de temperatura inferior en todo momento a la del fluido caliente que lo circunda mantendrá el material a una temperatura sensiblemente menor a la del fluido.
Para el funcionamiento del dispositivo en cualquiera de sus aplicaciones no se requiere de ningún dispositivo o fluido de refrigeración externo con el consiguiente ahorro en sistemas de bombeo y refrigeración (torres de enfriamiento) auxiliares.
3
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
Campos de aplicación
El diseño en su versión cambiador es apücable en cualquier campo industrial que requiera un intercambio de calor eficiente. Ejemplos de inmediata aplicación se dan en turbinas de gas y de vapor para refrigeración entre etapas, de etapas o de sangrados secundarios y para precalentamiento de combustibles pesados. En plantas petroquímicas e industriales en general para calentamiento y enfriamiento en las diversas fases del proceso. En vehículos terrestres y marinos para refrigeración de motores, en aviones para refrigeración de motores y calentamiento del aire del pasaje. En sistemas de aire acondicionado para mmimizar el tamaño de estos y realizar un mejor aprovechamiento energético del proceso, etc....
Así mismo el diseño en su versión refrigerador de materiales resulta de inmediata aplicación en cualquier tipo de turbomaquinaria que maneje gases a temperaturas elevadas con el fin de refrigerar los componentes rotativos inmersos en la corriente de fluido caliente.
Descripción de las figuras
Las figuras que se presentan a continuación son únicamente esquemáticas, no reflejándose ninguna dimensión por ser estas variables dependiendo del campo de aplicación. La única misión de las figuras es la descripción y ubicación de los diversos componentes del sistema.
En la figura 4 se han representado el fluido refrigerante y el refrigerado circulando en el mismo sentido por motivos de sencillez representativa, no existiendo ningún impedimento para hacer circular los fluidos en sentido contrario aprovechando los efectos ya comentados.
Así mismo las superficies se representan como lisas aunque como ya se ha comentado para mejorar su eficiencia se pueden dotar de aletas, etc.
En la representación lateral de la figura 5 las carcasas exteriores se han representado transparentes para poder ver la disposición interior.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
La relación entre Ll, L2, L3, DI, D2 y D3 vendrá dada por las características físicas de los fluidos que intervienen, así como los espesores, las características mecánicas requeridas y la forma de las palas. El numero de etapas (discos) de paletas que habrán de ser usados dependerá también de las circunstancias concretas de cada caso.
Entre los datos que se pueden tener en cuenta están las siguientes magnitudes (aunque por supuesto y dependiendo del caso concreto no se descartan otras):
• Gastos de fluidos refrigerantes y refrigerados.
• Capacidad de adaptación del fluido, para que el flujo sea suave, de una configuración de conductos independientes a la configuración concéntrica que requiere el cambiador.
• Velocidad de giro de las palas rotatorias y numero de estas.
• Presiones de los fluidos intervinientes en el cambio de calor.
• Salto de temperaturas que se quiera conseguir entre la entrada y la salida.
La figura 6 es una vista frontal que en el caso de la figura es la entrada de ambos fluidos el refrigerante y el refrigerado.
La figura 7 es una representación con las palas transparentes para mostrar la disposición completa de los conductos concéntricos.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)