WO2014167149A1

WO2014167149A1 - Intercambiador de calor mediante aletas pasantes

Info

Publication number: WO2014167149A1
Application number: PCT/ES2014/070198
Authority: WO
Inventors: José María MARTÍNEZ-VAL PEÑALOSA; Juan MARTÍNEZ-VAL PIERA
Original assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2015-10-12
Also published as: ES2405534B2; ES2405534A1

Abstract

Intercambiador en el cual hay una base material sólida de separación de los fluidos que intercambian calor, y las aletas atraviesan dicha base, prolongándose directamente desde el semiespacio ocupado por un fluido al semiespacio ocupado por el otro fluido, estando separados dichos semiespacios por la citada base material sólida, que está compuesta por una sucesión alternada de base de aleta y junta elástica; y teniendo las aletas un tamaño en el sentido de las trayectorias de los fluidos sustancialmente menor que la longitud total del intercambiador en ese sentido.

Description

INTERCAMBIADOR DE CALOR MEDIANTE ALETAS PASANTES

SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el campo de los intercambiadores de calor, y particularmente los destinados a fluidos a presiones similares a la atmosférica, incluyendo el propio aire, en aplicaciones de acondicionamiento de edificios, etcétera; y la especialización de la invención se orienta a fluidos que por propiedades térmicas o por condiciones de trabajo, presentan un valor muy pequeño del coeficiente de película de convección; aunque puede aplicarse en cualesquiera condiciones.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La invención no parece tener antecedentes inmediatos, aunque haya una gran variedad de tipos de intercambiadores, y algunos usen aletas, pero no con el concepto de aleta pasante, que es la raíz de la invención.

Existen varios documentos sobre intercambiadores con placas, que se asemejan algo a la configuración propuesta, pero el principio de funcionamiento es totalmente distinto, al igual que la trayectoria de los fluidos, pues en los intercambiadores de placas los fluidos primario y secundario pasan por cada lado de la placa, mientras que en esta invención no es así en absoluto.

Documentos que abordan intercambiadores de placas hay muchos, y algunos relevantes son el ES2353791T3, que describe un radiador aire-aire con un apilamiento clásico de capas para separar ambos flujos; el ES2209101T3, destinado a la refrigeración de aceite por aire, con placas acanaladas para guiar el flujo de aceite; el documento ES2199060B1 , que presenta un intercambiador para gases con piezas tipo capas fabricadas por estampación; y similar al anterior es el ES2281268B1 , que presenta también un apilamiento de placas, pasando los fluidos primario y secundario por cada lado de una placa dada.

En cuanto al uso de aletas, la mayor parte de las veces hacen referencias a tubos, como es el caso de ES8700112A1 , y con mayor generalidad de aplicación se encuentra lo descrito en ES0150256U, con aletas de configuración optimizada, pero que siguen siendo aletas en sentido convencional, solidarias o soldadas a una placa o un tubo base. Una descripción muy sistemática de perfeccionamientos en aletas para intercambiadores de calor se encuentra en ES8400193A1.

PROBLEMA TÉCNICO A RESOLVER

El problema a resolver es transferir el calor eficientemente y a buen coste, desde un fluido a otro cuando éstos tienen coeficientes de convección muy bajos, como suelen ser los gases a baja presión, y en particular el aire, cuando además no puede ser insuflado a altas velocidades en el sistema, bien por problemas de ruido o de excesiva pérdida de carga manométrica. Al ser la potencia térmica transferida, Q, medida en vatios (W), función del coeficiente global de transferencia, U, medido en W/(m² K); del área de transferencia, A, en m²; y de la diferencia de temperaturas logarítmica media, DT (en K o °C), más un factor de forma F (adimensional, menor o igual a 1) se tiene que

Q = U A DT F

Por lo cual, si U es pequeño, hay que subir de alguna manera A, pues F está limitado, y si se aumenta DT, se pierden prestaciones de temperatura en el intercambiador. Ese razonamiento lleva a aumentar A, introduciendo aletas.

Se define la efectividad de una aleta como el cociente entre la potencia térmica disipada o absorbida por la aleta realmente, dividida por la potencia térmica que se habría transferido si toda la aleta hubiera estado a la temperatura de su base. Para una aleta recta de sección uniforme, esta efectividad E se puede aproximar muy precisamente por la función

E = Th(M L)/(M L)

Siendo Th la función tangente hiperbólica, L la longitud de la aleta, y M un parámetro físico-geométrico que para una aleta de conductividad térmica k, bañada por un fluido con coeficiente de convección h, teniendo una anchura H y espesor G, vale

M = (h (2 H+2 G)/(k-H G))^{1 2}

que para aletas de muy pequeño espesor comparado con la anchura queda M = (h-2)/(k-G))^{1 2}

Para una longitud dada, L, la aleta funciona tanto mejor cuanto menor es h respecto del producto k-G, que a su vez está restringido en el espesor G, pues se considera que la aleta tiene temperatura casi uniforme a su través en una sección dada, lo cual exige que G sea pequeño.

En un montaje de aletas convencionales, éstas transportan el calor absorbido o cedido, según los casos, hacia la base o desde ella; y el calor ha de cruzar la base (una placa o un tubo) hacia el otro lado, o desde el otro lado, según donde se ubique el fluido caliente.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención consiste en no pegar o soldar la aleta a la base material sólida de separación de los fluidos que intercambian calor, sino que las aletas se prolongan directamente desde el semiespacio ocupado por un fluido al semiespacio ocupado por el otro fluido, estando separados dichos semiespacios por la citada base material sólida, que está compuesta por una sucesión alternada de aleta en su parte del medio, y pieza-base o junta elástica; lo cual será especialmente útil cuando ambos fluidos sean de bajo valor de coeficiente de película.

Este es el concepto base de esta invención, la aleta pasante, que evita resistencias térmicas de contacto entre la aleta y la base.

Con la disposición expuesta se consigue transferir directamente el calor entre ambos fluidos, aunque se requiere una disposición física que mantenga a ambos separados, y que a su vez sea fácil de construir, lo cual también es parte de la invención. Las aletas se apilan en planos paralelos, que pueden estar muy próximos entre sí, y se separan por las piezas-base; estas piezas en general se conforman de un larguerillo o plaquita metálica del mismo material que las aletas, más una junta de tipo elástica por cada cara de la pieza-base, teniendo dichas juntas elásticas unos rebajes longitudinales donde encaja la aleta pasante. Todos los elementos se adhieren entre sí mediante una resina de silicona, o un elastómero adhesivo compatible con los materiales del intercambiador y con los propios fluidos.

Además de las piezas-base ya dichas, en los extremos de las aletas, o al menos en uno de los extremos, cabe interponer entre aletas consecutivas una pieza de material elástico similar al usado en las juntas en las piezas-base, que actúa en los extremos para mantener el paralelismo entre las aletas, y amortigua además las vibraciones que se produzcan.

El conjunto del apilamiento de aletas, alternadas con las piezas-base, queda presionado en sentido transversal a las aletas por varios vástagos o larguerillos que atraviesan el apilamiento por el nivel medio de dichas piezas-base, así como las paredes laterales que cierran herméticamente cada semiespacio del apilamiento; que también queda herméticamente cerrado por las paredes superior e inferior; quedando sin embargo abiertas las paredes frontales, tanto en el semiespacio superior como en el inferior, cada uno con sus colectores de entrada y salida correspondientes, yendo el flujo de los fluidos en paralelo a las caras de las aletas, que en general tienen un ancho en ese sentido de la trayectoria del fluido, que se denomina H, que es mucho menor que la longitud total Z del intercambiador, desde una boca de entrada a su correspondiente colector de salida, impidiendo así que haya una transferencia de calor considerable en el sentido longitudinal del paso de los fluidos.

En caso de que uno de los fluidos pueda condensar, o de que sea un fluido mixto condensable en parte, como es el aire húmedo, dicho fluido se hace pasar por el semiespacio inferior, con las aletas montadas vertical mente, y el condensado es recogido en una bandeja que cierra por debajo dicho semiespacio, trasegándose posteriormente el condensado donde sea oportuno, fuera del intercambiador en sí.

Las aletas pueden ubicarse en cualquier disposición geométrica, particularmente en horizontal, aunque en ese caso, si hay condensación, las aletas se montan con inclinación, bien longitudinal, bien lateral, para evacuar el condensado; y se selecciona su forma entre tener la sección recta constante o variable, particularmente triangular.

EXPLICACIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 muestra un corte transversal del intercambiador, con las aletas apiladas en paralelo y las piezas-base entre ellas.

La figura 2 muestra un corte longitudinal, con las aletas silueteadas, no todas de la misma anchura, en función de las condiciones de trabajo, como ausencia de condensación en la parte más caliente. La figura 3 muestra un corte longitudinal de una pieza-base rodeada de su junta elástica en la que se aprecian los rebajes para alojar las aletas.

La figura 4 muestra una chapa longitudinal a partir de la cual se hace un conjunto de aletas.

La figura 5 muestra un corte transversal del intercambiador, con aletas de sección recta triangular, y las juntas o piezas-base entre ellas, siendo esta disposición especialmente efectiva, pues reduce el peso de cada aleta sin mermar prácticamente sus prestaciones térmicas.

MODO PREFERENTE DE REALIZACION DE LA INVENCION

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma, anotando que las figuras no están a escala, pues algunos elementos no podrían identificarse:

1. Conjunto de aletas, mostrado en corte transversal al sentido de movimiento de los fluidos.

2. Pieza-base, o junta elástica, que separa a dos aletas (3 y 4).

3. Aleta adyacente a la pieza-base 2, por un lado.

4. Aleta adyacente a la pieza-base 2, por el otro lado.

5. Semiespacio superior, por donde circula un fluido.

6. Semiespacio inferior, por donde circula el otro fluido.

7. Larguero (o larguerillo, si es de pequeño tamaño) de presión del conjunto de aletas y piezas-base, incluyendo su cabeza; y la contera a rosca.

8. Largueros de cierre hermético del intercambiador.

9. Piezas de extremo para fijar la separación entre aletas y amortiguar vibraciones (no son necesarias ambas; basta con las de arriba).

10. Boca de entrada del fluido que circula por el semiespacio superior.

1 1. Colector de salida del fluido que circula por el semiespacio superior.

12. Boca de entrada del fluido que circula por el semiespacio inferior.

13. Colector de salida del fluido que circula por el semiespacio inferior. 14. Bandeja de recogida de condensado.

15. Drenaje de condensado.

16. Pieza-base.

17. Cables o tensores de arriostramiento vertical de las piezas-base.

18. Parte central rígida de la pieza-base.

19. Junta elástica de la pieza-base, que da hermeticidad a los semiespacios.

20. Rebajes en la junta elástica para alojar las aletas.

21. Silueta de una aleta en su alojamiento.

22. Aleta vista en silueta, a lo largo de su anchura.

23. Chapa longitudinal completa, que se monta como conjunto de aletas.

24. Ranuras practicadas en la chapa 23 para conformar las aletas

25. Aletas de la chapa 23.

26. Taladros para enhebrar los larguerillos 7.

27. Pared lateral de cierre hermético de los semiespacios del intercambiador.

28. Pared superior de cierre hermético del intercambiador.

29. Pared inferior de cierre hermético del intercambiador.

30. Tuerca de presión del larguero 7.

31. Aletas de sección recta triangular.

Para la aplicación de la invención y su materialización es preciso seleccionar el material a emplear en las aletas, que ha de ser de alta conductividad, siendo el aluminio el más aconsejable, por el conjunto de sus propiedades, facilidad de trabajo en láminas y coste.

El aluminio se corta con las dimensiones requeridas por la aplicación, que puede requerir longitudes distintas en cada semiespacio, para proporcionar el área de transmisión requerida.

Una modalidad especialmente recomendable por sencillez de montaje es hacer las aletas en una chapa de aluminio (23), a la que se aplican cortes transversales (24), no completos, pues la banda del medio se preserva continua para que sirva de apoyo a la pieza-base, que en este caso, sobre todo en apilamientos compactos de chapa, se hace solo de junta elástica plana, pues la chapa de aluminio se presenta completa sobre la tira elástica (19) sin relleno metálico (18), no necesitando hendiduras (20), pues la chapa metálica se presenta completa sobre la tira elástica. Lo más adecuado es montar el conjunto enhebrándolo por sus taladros (26) sobre los larguerillos (7) de compresión final. Esta modalidad permite una gran compactación pues las chapas se pueden hacer de 1 mm de espesor, y la separación entre ellas, una vez comprimida la junta elástica, también de 1 mm.

Con objeto de mejorar la rigidez interna del sistema, se disponen unos cables o tensores de arriostramiento vertical (17), que van desde las paredes de arriba (28) y abajo (29) a algunas piezas-base (2) o sus larguerillos (7).

En cuanto a la longitud de la aleta, L, su valor depende de la aplicación, pero es recomendable que el producto M L sea igual a 1 o próximo a él, pues para ese valor, la efectividad de la aleta es 75%. Cabe aumentarla reduciendo L, pero entonces el área de transferencia disminuye mucho, e igualmente la potencia térmica transferida. Por el contrario, si se aumenta L aumenta el área, pero la efectividad de la aleta cae considerablemente, por lo que el aumento de potencia térmica transferida resulta exiguo.

Por ejemplo, para aletas de aluminio, con una conductividad k próxima a 200 W/m °C, si el coeficiente de película h es de 10 W/m² °C, si se escoge un espesor de 1 mm, adecuado a este tipo de montaje, se tiene que M = 10 m^"1 , lo que llevaría a una longitud de la aleta de 10 cm.

La anchura total efectiva de las aletas es próxima a la longitud total del cambiador, aunque realmente se hagan cortes en la chapa, en sentido transversal al movimiento del fluido, para evitar la transferencia de calor en ese sentido, que no aporta nada al proceso de intercambio.

Si se considera como referencia una placa base de separación entre los fluidos de 1 m por 1 m, teniendo en cada semiespacio las aletas 10 cm de altura, y se apilan en la forma antedicha, con 1 mm de espesor las aletas, y 1 mm de espesor las juntas entre ellas, se tiene un apilamiento de 500 chapas/aletas, cada una de ellas de 0,2 m² de superficie en cada semiespacio, teniendo en cuenta ambas caras, lo que da una superficie de aletas de 100 m² bañando a cada fluido; lo cual es un valor ciertamente muy alto. Medido en superficie por unidad de volumen de cada semiespacio, es de 1000 m²/m³. La sección recta de paso de fluido en cada semiespacio es de 0,05 m², lo cual requiere una velocidad de 5 m/s para pasar un caudal de 25 litros por segundo, es decir, 90 m³/hora.

En un aparato como el descrito, de 1 m por 1 m por 10 cm de volumen útil por semiespacio, con un h de 10 W/m² °C y una caída de 2 °C en la película, se transferirían 2 kW de potencia térmica. Esta potencia se transfiere por las aletas al otro semiespacio, donde las condiciones serían iguales si el valor de h fuera el mismo, y en todo caso el producto de h por la caída de temperatura en esa película tendría que ser igual a 20 W/m². Para hacer el recorrido a través del aluminio se ha de tener en cuenta que su sección recta es aproximadamente 0,5 m², y por tanto el flujo térmico en la sección recta del plano medio de la aleta, para transferir la potencia dicha, sería de 4 kW/m². Dado que su conductividad vale 200 W/m °C, el gradiente que se establece es de 20 °C/m; y aplicado a los 5 cm que aproximadamente hay desde el punto medio de recolección de calor en un semiespacio, al punto medio del otro, se obtiene una caída de 1 °C de temperatura en al aluminio. Así pues, habría una caída total de temperatura, en la trasferencia expuesta, de 5 °C.

En general, las aletas se ubican en cualquier disposición geométrica, concretamente la que mejor se acople a las condiciones de contorno. Ahora bien, si hay condensación, las aletas se montan verticales o con inclinación, bien longitudinal, bien lateral, para evacuar el condensado; y se selecciona su forma entre tener la sección recta constante o variable, particularmente triangular. Si las aletas van verticales, el fluido que se condensa se hace pasar por el semiespacio inferior, y el condensado es recogido en una bandeja que cierra por debajo dicho semiespacio, trasegándose posteriormente el condensado fuera del intercambiador.

Por descontado, para hacer posible el paso de los fluidos con el caudal que se requiera, se ha de contar con unos circuladores, típicamente ventiladores, que impulsen a cada fluido con la velocidad especificada.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1 - Intercambiador de calor mediante aletas pasantes, en el cual hay una base material sólida de separación estanca de los fluidos que intercambian calor caracterizado porque las aletas (1 ,

3,

4) se prolongan directamente desde el semiespacio ocupado por un fluido

(5) al semiespacio ocupado por el otro fluido

(6) , estando separados dichos semiespacios por la citada base material sólida, que está compuesta por una sucesión alternada de aletas (1 , 3, 4) en su parte del medio, y pieza-base (2) o junta elástica, apilándose las aletas en planos paralelos, próximos entre sí, pero separadas por las piezas-base, que se conforman con un larguerillo o plaquita metálica (18) del mismo material que las aletas, más una junta de tipo elástica (19) por cada cara de la pieza-base, teniendo dichas juntas elásticas unos rebajes longitudinales (20) donde encaja la aleta pasante, quedando todo adherido entre sí mediante una resina de silicona, o un elastómero adhesivo compatible con los materiales del intercambiador y con los propios fluidos.

2 - Intercambiador de calor mediante aletas pasantes, según reivindicación primera, caracterizado porque en los extremos de las aletas, o al menos en uno de ellos, se interpone entre ellas una pieza de material elástico (9) similar al usado como juntas en las piezas-base (2), que actúa en ese caso para mantener el paralelismo entre las aletas (1 , 3, 4), y amortigua además las vibraciones que se produzcan.

3 - Intercambiador de calor mediante aletas pasantes, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el conjunto del apilamiento de aletas (1 , 3, 4), alternadas con las piezas-base (2), queda presionado, en sentido transversal a las aletas, por varios vástagos o largueros

(7) que atraviesan el apilamiento (1) por el nivel medio de dichas piezas-base, así como las paredes laterales (27) que cierran herméticamente cada semiespacio del apilamiento; que también queda herméticamente cerrado por las paredes superior (28) e inferior (29); quedando sin embargo abiertas las paredes frontales, tanto en el semiespacio superior como en el inferior, cada uno con sus colectores de entrada y salida correspondientes, yendo el flujo de los fluidos en paralelo a las caras de las aletas; y se disponen unos cables o tensores de arriostram iento vertical (17), que van desde las paredes de arriba (28) y abajo (29) a algunas piezas-base (2) o sus larguerillos (7). 4 - Intercambiador de calor mediante aletas pasantes, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en caso de que uno de los fluidos pueda condensar, o sea un fluido mixto condensable en parte, como es el aire húmedo, las aletas (3, 4) se montan verticales, y dicho fluido condensable se hace pasar por el semiespacio inferior, y el condensado es recogido en una bandeja (14) que cierra por debajo dicho semiespacio inferior (6), trasegándose posteriormente el condensado fuera del intercambiador.

5 - Intercambiador de calor mediante aletas pasantes, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las aletas se ubican en cualquier disposición geométrica, particularmente en horizontal, aunque en ese caso, si hay condensación, las aletas se montan con inclinación, bien longitudinal, bien lateral para evacuar el condensado; y se selecciona su forma entre tener la sección recta constante o variable, particularmente triangular (31).

6 - Intercambiador de calor mediante aletas pasantes, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las aletas se hacen a partir de chapas completas (23), a la que se aplican cortes transversales (24), no completos, pues la banda del medio se preserva continua para que sirva de apoyo a la pieza-base (2), que en este caso se hace sólo de junta elástica plana, no necesitando hendiduras (20), pues la chapa metálica (23) se presenta completa sobre la tira elástica (19) sin relleno metálico (18), montando el conjunto enhebrándolo por sus taladros (26) sobre los larguerillos (7) de compresión final del apilamiento (1).

7 - Intercambiador de calor mediante aletas pasantes, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la longitud de las aletas (3, 4) en el seno de un fluido, desde la base de separación entre fluidos, es el inverso de un parámetro que corresponde a la raíz cuadrada de una fracción cuyo numerador es el doble del coeficiente de película del fluido seleccionado para el diseño en cuestión, y su denominador es el producto de la conductividad del material de las aletas por el espesor medio de éstas.