WO2023115230A1 - Intercambiador de calor de placas basado en la curva de hilbert - Google Patents

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Carlos Eduardo ROSALES HUERTA
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Universidad Técnica Federico Santa María
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Definitions

  • the present invention relates to the field of mechanical engineering and heat transfer, specifically to the field of heat exchangers having sets of stationary conduits separated by plates or sheets for heat-exchanging fluids, the fluids being in contact with different sides of a wall.
  • it provides a plate heat exchanger based on a surface built from the Hilbert curve.
  • phase change heat storage device comprising an energy storage unit that is made up of a heat preservation material, a turbulence unit, a channel of fluid carrier and a casing.
  • This geometry contains a metal framework that has a Hilbert curve shaped configuration and a phase-changing filler material.
  • said heat preservation material the outside of said casing is wrapped, wherein said metallic structure having a Hilbert surface configuration is evenly distributed inside said casing, with a fluid passing transversely to the plane of the plates.
  • the layout can be configured so that the fluids flow in a counter current throughout the entire heat transfer area, while obtaining the maximum thermodynamic efficiency for a heat exchanger.
  • the present invention provides a plate heat exchanger with a heat transfer surface and fluid circulation channels based on the Hilbert curve, which is characterized in that it comprises: a three-dimensional structure of substantially quadrangular shape, made up of a plurality of metal plates stacked; a metallic casing that operatively covers said substantially quadrangular three-dimensional structure; a set of double channels for the circulation of a fluid 1 and a fluid 2, which completely covers each of the metal plates that make up said plurality of metal plates, following a Hilbert curve of arbitrary order; where said fluid 1 and fluid 2 respectively enter a first channel and a second channel of said set of double channels of each plate from opposite ends, circulating countercurrent throughout the length of the double channels; where said fluid 1 has a temperature T 1 and said fluid 2 has a temperature T2, and where said temperatures Ti and T2 are different; a first double main supply duct that supplies the fluid 1 to said first channel of each of the plates, and a second double main supply duct that supplies the fluid 2 to said second channel of each of the plates; and
  • the plate heat exchanger is characterized in that the channels at each plate level completely cover its surface, permanently changing direction every one, two or three hydraulic diameters of the channel, according to a Hilbert curve.
  • the plate heat exchanger is characterized in that the fluids 1 and 2 that pass through it flow countercurrently throughout the entire heat exchange area.
  • the plate heat exchanger is characterized in that it additionally comprises a pair of distribution headers operatively connected to each of the double main supply ducts and each of the double main collector ducts.
  • the plate heat exchanger is characterized in that said pair of distribution heads direct the supplied fluids 1 and 2 towards their corresponding double main feed ducts, and gather the output fluids from each of their corresponding doubles. main collector ducts.
  • the plate heat exchanger is characterized in that the supply of the fluid 1 is carried out through multiple inlet openings, one per plate, which are arranged alternately towards the first channel or towards the second channel. each plate.
  • the plate heat exchanger is characterized in that, according to the alternating supply of fluid 1 to the first or second channel of each plate, said fluid in this plate circulates countercurrent to fluid 2 of the next plate in the three-dimensional structure formed by the plurality of stacked plates (12a, 12b, 12c).
  • the plate heat exchanger is characterized in that the supply of the fluid 2 is carried out through multiple inlet openings, one for each plate, which are arranged alternately towards the first channel or towards the second channel. of each plate, following a reverse sequence than the sequence of fluid inputs 1 .
  • the plate heat exchanger is characterized in that, according to the alternating supply of fluid 2 to the first channel or second channel of each plate, said fluid in this plate circulates countercurrent to fluid 1 of the next plate of the three-dimensional structure formed by the plurality of stacked plates (12a, 12b, 12c).
  • the plate heat exchanger is characterized in that the collection of the processed fluids 1 and 2 is carried out through multiple outlet openings, one for each plate, through which the channels of the plates discharge said fluids. towards their corresponding double main collector ducts.
  • FIG. 1 illustrates a top view in section of a first embodiment of a plate (12a) of the heat exchanger (1) that is the object of the present invention.
  • a first hot fluid 1 (F1) from left to right in a first channel (14a) and a cold fluid 2 (F2) from right to left in the second channel (14b).
  • the illustrated geometry corresponds to an embodiment using a fifth generation Hilbert curve. Referencing the inputs and outputs of said fluids (F1, F2), with the aim of clarifying, in addition, their flow directions.
  • FIG. 2 illustrates a top view in section of a first embodiment of another plate (12b) of the heat exchanger (1) that is the object of the present invention.
  • Said plate that is located above or below the plate (12a) illustrated in FIG. 1, where the hot fluid 1 (F1) now flows from left to right, in the second channel (14b), while the cold fluid 2 (F2) now flows from right to left in the first channel (14a).
  • This plate (12b) is also based on a fifth generation Hilbert curve. Referencing the inputs and outputs of said fluids (F1, F2), with the aim of clarifying, in addition, their flow directions.
  • FIG. 3 illustrates an isometric view in section of a first embodiment of the heat exchanger (1) that is the object of the present invention.
  • the rising arrows indicate the flow direction of cold fluid 2 (F2) that is collected in a discharge manifold after passing through the interplate channels.
  • the descending arrows on the left hand side indicate the flow of hot fluid 1 (F1 ) that flows through a distribution manifold towards its corresponding channels between plates.
  • the ascending arrows indicate the flow direction of the hot fluid 1 (F1) after passing through the channels between plates
  • the descending arrows indicate the flow direction of the cold fluid 2 (F2) that will enter the plates. channels between plates.
  • FIG. 4 illustrates an isometric view in section of a first embodiment of the heat exchanger (1) that is the object of the present invention.
  • the arrows entering each plate represent hot fluid 1 (F1) and on the right, the arrows entering each plate represent cold fluid 2 (F2).
  • the outgoing arrows represent the outlet of fluid 1 (F1 ) in the right, and fluid 2 (F2) on the left, both to its manifold discharge.
  • FIG. 5 illustrates an external isometric view of the heat exchanger (1) that is the object of the present invention.
  • the inputs of fluids 1 (F1) and 2 (F2) to the exchanger are observed, as well as their corresponding outputs, at the points indicated; these correspond to the connection points of the exchanger (1) with the supply ducts or tubes (15a, 15b) of the fluids to be processed.
  • FIG. 6 illustrates four different views of one of the fluid distribution heads (17) of the heat exchanger (1) that is the object of the present invention, (a) isometric view, as shown for the head on the left side of the heat exchanger in FIG. 5; (b) internal view of the conduit for the fluid 1; (c) view from below showing fluid 1 (F1) circulating in the central ducts and fluid 2 (F2) in the lateral ducts; (d) top view showing fluid 2 (F2) flowing around the bell that feeds fluid 1 (F1) to the main distribution manifold.
  • the plate heat exchanger (1) with a heat transfer surface and fluid circulation channels based on the Hilbert curve comprises: a three-dimensional structure of substantially quadrangular shape, made up of a plurality of metal plates (12a, 12b, 12c) stacked; a metallic casing (13) that operatively covers said substantially quadrangular three-dimensional structure; a set of double channels (14a, 14b) for the circulation of a fluid
  • a casing shall be understood as an external frame that gives consistency and protection to what it contains.
  • the metal casing (13) that covers the three-dimensional structure is thermally insulated.
  • the materials of said metallic casing (13) that achieve said thermal insulation do not represent a limiting characteristic for the present invention either.
  • the present invention as schematically illustrated in FIGS. 1 - 6 consists of a plate heat exchanger (1) whose heat transfer surface is constructed from the Hilbert curve.
  • the plate heat exchanger (1) based on this surface will be referred to as a Hilbert curve heat exchanger.
  • the first fluid will be referred to as fluid 1 (F1) and the second fluid as fluid 2 (F2); where said fluid 1 (F1) that enters at a temperature Ti ⁇ and leaves at a temperature T10 and said fluid 2 (F2) that enters at a temperature T2 ⁇ and leaves at a temperature T20.
  • the first fluid can be referred to interchangeably as hot fluid and the second fluid as cold fluid, when Ti ⁇ is greater than T2 ⁇ , or vice versa; without the foregoing limiting the scope of the present invention.
  • fluid 1 (F1) and fluid 2 (F2) are illustrated with notations "i” and “o” as an abbreviation for the words “in” and “ou”, referring to the entry and exit of said fluids and the direction in which they travel through the double channels (14a, 14b).
  • the Hilbert curve is used as a generating line to trace the wall that separates fluids 1 (F1) and 2 (F2) in the channels (14a, 14b) through which these fluids circulate on each plate.
  • the Hilbert curve can be constructed by a multi-scale recursive procedure, which produces a self-similar geometry at different size scales. By varying the number of repetitions of the recursive procedure, curves of greater or lesser complexity are obtained. These Hilbert curves can be classified by the order they occupy in the generation sequence.
  • the FIGs. 1 and 2 show channels (14) generated with fifth generation Hilbert curves.
  • the channels (14a, 14b) in FIGS. 3 and 4 are based on fourth generation Hilbert curves.
  • the fluids circulate through channels (14a, 14b) where they permanently change direction by advancing one, two or three hydraulic diameters along the channels (14), favoring the separation of the boundary layer in all these deviations and with it the increase in the global coefficient of convection.
  • Hydraulic diameter is a term commonly used in hydraulics when handling fluids in non-circular channels and tubes. Using this concept, the behavior of the flow can be studied in the same way as if it were a pipe with a circular section. The formula for calculating this is as follows:
  • A is the cross sectional area of the duct and P is the wetted or moist perimeter.
  • the order of the Hilbert curve allows grading how densely the channels (14) cover the surface of the plates (12).
  • different embodiments can be obtained by varying the order of generation of the Hilbert curve.
  • a plan of a plate (12) of quadrangular contour is provided with a Hilbert curve (of fifth generation) that covers all the plate quadrants.
  • the separating wall between the channels (14) of fluid 1 (F1) and fluid 2 (F2) in this plane is obtained by extruding the Hilbert curve in the third dimension perpendicular to the plane shown.
  • the other side walls of the two channels (14a, 14b) in this plane are obtained through the complementary curve that is generated by drawing the lines joining the corners of the elementary cells used to generate the Hilbert curve (while the Hilbert curve passes through the centers of those cells). Said complementary curve is extruded at the same height, to produce these other interior walls.
  • the result is two parallel channels (14a, 14b) which, curving multiple times through 90° or 180° turns, advance from an inlet to an outlet, completely covering the surface of the plate (12) in this path.
  • the wall that corresponds to the Hilbert curve is made of a material with high thermal conductivity and through it, heat transfer occurs from fluid 1 (F1) to fluid 2 (F2).
  • the wall materials do not limit the scope of the present invention.
  • the walls corresponding to the complementary curve are constructed of a thermally insulating material to minimize heat transfer from a fluid to itself.
  • the pattern produced by the Hilbert curve and its complementary curve separates the entire quadrangular contour in these two channels (14a, 14b).
  • Said channels (14a, 14b) each have two openings, at the left and right ends of the quadrangular contour. Through these openings the entry of fluids 1 (F1) and 2 (F2) to their corresponding channels (14a, 14b) occurs, as well as their exits after traveling through the entire channel (14). The The entry of the fluids occurs at the opposite ends, so that when passing through the channels (14a, 14b) they always circulate against the current.
  • the upper and lower walls of these channels (14a, 14b) are obtained by placing plates (12) above and below that have the same geometric pattern of channels. (14). With this, each of the two channels (14a, 14b) shown in FIG. 1 has a channel (14) equal to it that goes above it, separated by a plate (12). Similarly, each of these two channels (14a, 14b) has a channel (14) equal to it that goes below, separated by another plate (12).
  • These plates (12) are also made of a material with high thermal conductivity.
  • the fluid that goes through the channels (14a, 14b) above and below the channel with fluid 1 (F1) is fluid 2 (F2), so that fluid 1 (F1) in one plane transfers heat to fluid 2 (F2) not only through Hilbert's curved wall, but also through its upper and lower walls.
  • the fluid that goes through the channels (14a, 14b) above and below the channel with fluid 2 (F2) is fluid 1 (F1), which allows fluid 2 (F2) in one plane to receive heat from the fluid 1 (F1 ) not only through the curved Hilbert wall, but also from the upper wall and the lower wall.
  • the inputs and outputs of the upper and lower levels are staggered with respect to the inputs and outputs of the level shown in FIG. 1 .
  • a horizontal section of a plane for the plates (12) of the upper level is shown schematically with respect to the plane of FIG. 1 .
  • the inlet of fluid 1 (F1 i) is now on the extreme left, but in the alternate part of the double feed duct (15) and the channel (14b) that carries fluid 1 ( F1) goes above the channel (14b) that carries fluid 2 (F2) of the plane in FIG.1.
  • FIG. 3 shows an isometric view of a horizontal section of the heat exchanger (1) at a certain arbitrary level, where the channels (14a, 14b) for fluid 1 (F1) and fluid 2 (F2) are exposed. at that level.
  • the illustrated embodiment corresponds to a fourth generation Hilbert curve.
  • the fluids 1 (F1) and 2 (F2) are supplied to the Hilbert channels located between the plates (12) from main feed ducts (15a, 15b) located at the left and right ends.
  • These double main feeding ducts (15a, 15b) have multiple openings, which correspond to the entrances of the fluids towards their corresponding channels (14a, 14b); hereinafter, and for simplicity of description, they will be referred to simply as feed manifolds.
  • feed manifolds In the same way, next to these ducts, there are double main collector ducts (16a, 16b), towards which the Hilbert channels of each level discharge;
  • these double outlet collector ducts (16a, 16b) will be referred to hereinafter as multiple collectors.
  • FIG.4 some of the inputs and outputs of fluids 1 (F1) and 2 (F2) towards or from the Hilbert channels at some levels are indicated. Alternating between the entry and exit points, for each level, produces the flow pattern mentioned above.
  • the channel (14a) of fluid 1 (F1) at a certain level, is surrounded by channels that carry fluid 2 (F2) circulating against the current, towards which it transfers heat: a channel (14b) on the side and channels ( 14a) above and below.
  • the channels (14b) of fluid 2 (F2) at each level are surrounded by channels that carry fluid 1 (F1) circulating countercurrently, from which they receive heat: a channel (14a) on the side and channels ( 14b) above and below.
  • a channel (14a) on the side and channels ( 14b) above and below To exchange the side (left or right) through which a fluid enters, there are two feed manifolds (15a, 15b) on each side for each fluid.
  • the openings connecting the Hilbert channels to these feed manifolds (15a, 15b) alternately vary from one level to the next, as indicated in FIGS. 1, 2 and 4. With this it is possible to invert the directions of the flows between the channels of one level and those of the next, and at the same time the position of the channel (14) through which the fluids will pass.
  • a tower-type structure with a rectangular base will be referred to as a tower-type structure.
  • the height of this tower is configurable in the construction, and depends on the number of plates (12) that it is decided to put in the plurality of stacked plates (12a, 12b, 12c).
  • FIG.5 schematically shows the complete heat exchanger (1), up to the upper level of the tower-type structure.
  • the outer surfaces of the heat exchanger (1) make up a metal casing (13) within which the core of the exchanger (1) is located, with its plurality of stacked plates (12a, 12b, 12c), each one comprising channels. from Hilbert.
  • This metallic casing (13) is made of a thermally insulating material.
  • distribution heads (17a, 17b) that allow operationally connect the heat exchanger (1) to ducts or pipes for transporting fluids 1 and 2 to and from the heat exchanger (1), as schematically illustrated in FIG.5.
  • Said distribution heads (17a, 17b) channel the supplied fluids towards the two feeding manifolds (15a, 15b) on each side.
  • said distribution heads (17a, 17b) gather the flows of processed fluid that exit through the two multiple collectors (16a, 16b) on each side.
  • said distribution heads (17a, 17b) are internally divided into sections for each fluid, as schematically shown in FIG.6.
  • the fluid 1 (F1 ) that is supplied to the heat exchanger (1) passes through a bell, inside the header (17), where it is diverted and directed towards the two supply manifolds (15a, 15b), on the side where the header (17) is installed. Outside this bell, and inside the chamber that contains it, flows the fluid 2 (F2) that comes from the multiple collectors (16a, 16b) on that side.
  • the two flows that come from the multiple collectors (16a, 16b) meet in this chamber and are directed towards the outlet of the heat exchanger (1).
  • the configuration illustrated in FIG. 6 corresponds to the head (17) located in the upper left end of the heat exchanger (1) shown in FIG. 5. For the head (17) located in the upper right corner, the configuration is the same, but the directions of the flows are reversed.

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Abstract

La presente invención se relaciona con el campo de la ingeniería mecánica y de la transferencia de calor. En particular, proporciona un intercambiador de calor de placas basado en una superficie construida a partir de la curva de Hilbert, que se caracteriza porque comprende una estructura tridimensional de forma sustancialmente cuadrangular, conformada por una pluralidad de placas metálicas apiladas; una carcasa metálica que cubre operativamente dicha estructura tridimensional sustancialmente cuadrangular; un conjunto de canales dobles para la circulación de un fluido 1 y de un fluido 2, que recubre completamente cada una de las placas metálicas que conforman dicha pluralidad de placas metálicas, siguiendo una curva de Hilbert de orden arbitrario; y un primer doble ducto principal colector del fluido 1 que ha recorrido los canales en las placas, y un segundo doble ducto principal colector del fluido 2 que ha recorrido los canales complementarios de las placas.

Description

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS BASADO EN LA CURVA DE HILBERT
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se relaciona con el campo de la ingeniería mecánica y de la transferencia de calor, específicamente con el campo de los intercambiadores de calor que tienen conjuntos de conductos estacionarios separados por placas o láminas para fluidos que intercambian calor, estando los fluidos en contacto con diferentes lados de una pared. En particular, proporciona un intercambiador de calor de placas basado en una superficie construida a partir de la curva de Hilbert.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Dentro del campo de los intercambiadores de calor, parte importante de los intercambiadores de calor indirectos es la geometría utilizada para la optimización del intercambio de calor entre fluidos a diferentes temperaturas, separados por una interfaz o pared.
En el estado de la técnica se conocen algunas configuraciones geométricas de intercambiadores de calor indirectos, pero a medida que las necesidades industriales aumentan, surge la necesidad de crear nuevos modelos más eficientes.
Actualmente, existen intercambiadores de calor de placas que ocupan una rama muy importante de los diseños de los intercambiadores de calor indirectos, una ventaja de dichos intercambiadores de placas es su potencial para lograr una mayor proporción de área de transferencia de calor por unidad de volumen del equipo. Por otro lado, desde un punto de vista termodinámico, la mejor disposición de flujo es el intercambiador de calor a contracorriente.
Un ejemplo de este tipo de intercambiador es el documento CN1 12923765 que describe un dispositivo de almacenamiento de calor por cambio de fase, que comprende una unidad de almacenamiento de energía que está compuesta por un material de conservación de calor, una unidad de turbulencia, un canal de transporte de fluido y una carcasa. Esta geometría contiene una estructura metálica que tiene una configuración con forma de la curva de Hilbert y un material de relleno que cambia de fase. En dicho material de conservación de calor, se envuelve el exterior de dicha carcasa, donde dicha estructura metálica que tiene una configuración de la superficie de Hilbert se distribuye uniformemente dentro de dicha carcasa, con un fluido que pasa transversalmente al plano de las placas.
Por otro lado, el documento de Uwe Scheithauer (Potentials and Challenges of Additive Manufacturing Technologies for Heat Exchanger, November 5th, 2018) describe un artículo relacionado con las potenciales tecnologías de fabricación para intercambiadores de calor. En este documento se sugiere optimizar un intercambiador de calor mediante dos objetivos que definen el alcance del diseño: por un lado, la superficie para el intercambio de calor debe ser máxima, y, por otro lado, los fluidos que fluyen al interior del intercambiador de calor deben permanecer el mayor tiempo posible. Es aquí, donde los fractales cumplen un rol fundamental en la optimización de la superficie. En particular, una superficie generada a partir de la curva de Hilbert es una de las geometrías que cumple con dichas características.
Sin embargo, los antecedentes del estado de la técnica son silentes respecto a aplicaciones de intercambiadores de calor de placas con geometrías fractales, con una optimización en el recorrido del fluido.
En consecuencia, existe la necesidad de crear una variedad geométrica en las placas de los intercambiadores de calor que contenga canales con una forma geométrica como la superficie de Hilbert, para que un fluido recorra la curva descrita por dicha superficie, maximizando así el tiempo de recorrido y aumentando el recorrido del fluido en dicha superficie sin aumentar el volumen del equipo. Al mismo tiempo, el trazado se puede configurar para que los fluidos circulen a contracorriente en toda la extensión del área de transferencia de calor, obteniéndose a la vez la máxima eficiencia termodinámica para un intercambiador de calor. SUMARIO DE LA INVENCIÓN
La presente invención proporciona un intercambiador de calor de placas con superficie de transferencia de calor y canales de circulación de fluidos basados en la curva de Hilbert, que se caracteriza porque comprende: una estructura tridimensional de forma sustancialmente cuadrangular, conformada por una pluralidad de placas metálicas apiladas; una carcasa metálica que cubre operativamente dicha estructura tridimensional sustancialmente cuadrangular; un conjunto de canales dobles para la circulación de un fluido 1 y de un fluido 2, que recubre completamente cada una de las placas metálicas que conforman dicha pluralidad de placas metálicas, siguiendo una curva de Hilbert de orden arbitrario; donde dichos fluido 1 y fluido 2, ingresan respectivamente a un primer canal y a un segundo canal de dicho conjunto de canales dobles de cada placa por extremos opuestos, circulando a contracorriente en toda la extensión de los canales dobles; donde dicho fluido 1 tiene una temperatura T 1 y dicho fluido 2 tiene una temperatura T2, y donde dichas temperaturas Ti y T2 son distintas; un primer doble ducto principal de alimentación que suministra el fluido 1 a dicho primer canal de cada una de las placas, y un segundo doble ducto principal de alimentación, que suministra el fluido 2 a dicho segundo canal de cada una de las placas; y un primer doble ducto principal colector del fluido 1 que ha recorrido los canales en las placas, y un segundo doble ducto principal colector del fluido 2 que ha recorrido los canales complementarios de las placas.
En una realización preferida, el intercambiador de calor de placas se caracteriza porque los canales en cada nivel de placa recubren completamente su superficie, cambiando de dirección permanentemente cada uno, dos o tres diámetros hidráulicos del canal, según una curva de Hilbert.
En otra realización preferida, el intercambiador de calor de placas se caracteriza porque los fluidos 1 y 2 que lo atraviesan fluyen a contracorriente en toda el área de intercambio de calor.
En otra realización preferida, el intercambiador de calor de placas se caracteriza porque comprende, adicionalmente, un par de cabezales de distribución conectados operativamente a cada uno de los dobles ductos principales de alimentación y cada uno de los dobles ductos principales colectores. En una realización preferida adicional, el intercambiador de calor de placas se caracteriza porque dicho par de cabezales de distribución dirigen los fluidos 1 y 2 suministrados hacia sus correspondientes dobles ductos principales de alimentación, y reúnen los fluidos de salida de cada uno de sus correspondientes dobles ductos principales colectores.
En una realización preferida, el intercambiador de calor de placas se caracteriza porque el suministro del fluido 1 se realiza a través de múltiples aberturas de entrada, una por placa, las cuales se disponen de forma alternada hacia el primer canal o hacia el segundo canal de cada placa.
En otra realización preferida, el intercambiador de calor de placas se caracteriza porque de acuerdo con el suministro alternado de fluido 1 al primer canal o segundo canal de cada placa, dicho fluido en esta placa circula a contracorriente del fluido 2 de la siguiente placa de la estructura tridimensional conformada por la pluralidad de placas (12a,12b,12c) apiladas.
En otra realización preferida, el intercambiador de calor de placas se caracteriza porque el suministro del fluido 2 se realiza a través de múltiples aberturas de entrada, una por cada placa, las cuales se disponen de forma alternada hacia el primer canal o hacia el segundo canal de cada placa, siguiendo una secuencia inversa que la secuencia de las entradas del fluido 1 .
En otra realización preferida, el intercambiador de calor de placas se caracteriza porque de acuerdo con el suministro alternado de fluido 2 al primer canal o segundo canal de cada placa, dicho fluido en esta placa circula a contracorriente del fluido 1 de la siguiente placa de la estructura tridimensional conformada por la pluralidad de placas (12a,12b,12c) apiladas.
En una realización preferida adicional, el intercambiador de calor de placas se caracteriza porque la recolección de los fluidos 1 y 2 procesados se realiza a través de múltiples aberturas de salida, una por cada placa, mediante las cuales los canales de las placas descargan dichos fluidos hacia sus correspondientes dobles ductos principales colectores. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La FIG. 1 ¡lustra una vista superior en corte de una primera realización de una placa (12a) del intercambiador de calor (1 ) que es objeto de la presente invención. Con un primer fluido caliente 1 (F1 ) de izquierda a derecha en un primer canal (14a) y un fluido frío 2 (F2) de derecha a izquierda en el segundo canal (14b). La geometría ¡lustrada corresponde a una realización usando una curva de Hilbert de quinta generación. Referenciando las entradas y salidas de dichos fluidos (F1 , F2), con el objetivo de aclarar, además, las direcciones de flujo de los mismos.
La FIG. 2 ¡lustra vista superior en corte de una primera realización de otra placa (12b) del intercambiador de calor (1 ) que es objeto de la presente invención. Dicha placa que se ubica por encima o por debajo de la placa (12a) ¡lustrada en la FIG. 1 , en donde el fluido caliente 1 (F1 ) fluye ahora de izquierda a derecha, en el segundo canal (14b), mientras que el fluido frío 2 (F2) fluye ahora de derecha a izquierda en el primer canal (14a). Esta placa (12b) se basa también en una curva de Hilbert de quinta generación. Referenciando las entradas y salidas de dichos fluidos (F1 , F2), con el objetivo de aclarar, además, las direcciones de flujo de los mismos.
La FIG. 3 ¡lustra una vista ¡sométrica en corte de una primera realización del intercambiador de calor (1 ) que es objeto de la presente invención. En la izquierda, las flechas ascendentes indican la dirección de flujo del fluido frío 2 (F2) que es colectado en un múltiple de descarga después de pasar por los canales entre placas. Las flechas descendentes del lado izquierdo indican el flujo del fluido caliente 1 (F1 ) que fluye a lo largo de un múltiple de distribución hacia sus correspondientes canales entre placas. Al lado derecho, las flechas ascendentes indican la dirección de flujo del fluido caliente 1 (F1 ) después de pasar por los canales entre placas, y las flechas descendentes indican la dirección del flujo de fluido frío 2 (F2) que va a entrar a los canales entre placas.
La FIG. 4 ¡lustra una vista isométhca en corte de una primera realización del intercambiador de calor (1 ) que es objeto de la presente invención. En la izquierda, las flechas que ingresan a cada placa representan el fluido caliente 1 (F1 ) y en la derecha, las flechas que ingresan a cada placa representan el fluido frío 2 (F2). A ambos lados, las flechas salientes representan el egreso del fluido 1 (F1 ) en la derecha, y fluido 2 (F2) en la izquierda, ambos hacia su múltiples colectores de descarga.
La FIG. 5 ¡lustra una vista isométhca externa del intercambiador de calor (1 ) que es objeto de la presente invención. Donde se observa las entradas de los fluidos 1 (F1 ) y 2 (F2) al intercambiador, así como sus correspondientes salidas, en los puntos que se indican; estos corresponden a los puntos de conexión del intercambiador (1 ) con los ductos o tubos de alimentación (15a, 15b) de los fluidos a procesar.
La FIG. 6 ¡lustra cuatro vistas diferentes de uno de los cabezales de distribución (17) de fluido del intercambiador de calor (1 ) que es objeto de la presente invención, (a) vista isométhca, como se muestra para el cabezal en el lado izquierdo del intercambiador de calor en la FIG. 5; (b) vista interna del conducto para el fluido 1 ; (c) vista desde abajo que muestra el fluido 1 (F1 ) circulando en los conductos centrales y el fluido 2 (F2) en los conductos laterales; (d) vista desde arriba que muestra el fluido 2 (F2) fluyendo alrededor de la campana que alimenta el fluido 1 (F1 ) al colector principal de distribución.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
De manera esencial, el intercambiador de calor de placas (1 ) con superficie de transferencia de calor y canales de circulación de fluidos basados en la curva de Hilbert que es objeto de la presente invención comprende: una estructura tridimensional de forma sustancialmente cuadrangular, conformada por una pluralidad de placas metálicas (12a,12b,12c) apiladas; una carcasa metálica (13) que cubre operativamente dicha estructura tridimensional sustancialmente cuadrangular; un conjunto de canales dobles (14a, 14b) para circulación de un fluido
1 (F1 ) y de un fluido 2 (F2), que recubre completamente cada una de las placas metálicas (12) que conforman dicha pluralidad de placas metálicas (12a,12b,12c), siguiendo una curva de Hilbert de orden arbitrario; donde dichos fluido 1 (F1 ) y fluido
2 (F2), ingresan respectivamente a un primer canal (14a) y a un segundo canal (14b) de dicho conjunto de canales dobles (14a, 14b) de cada placa (12) por extremos opuestos, circulando a contracorriente en toda la extensión de los canales dobles (14a, 14b); donde dicho fluido 1 (F1 ) tiene una temperatura Ti y dicho fluido 2 (F2) tiene una temperatura T2, y donde dichas temperaturas Ti y T2 son distintas; un primer doble ducto principal de alimentación (15a) que suministra fluido 1 (F1 ) a dicho primer canal (14a) de cada una de las placas (12), y un segundo doble ducto principal de alimentación (15b), que suministra fluido 2 (F2) a dicho segundo canal (14b) de cada una de las placas (12); y un primer doble ducto principal colector (16a) del fluido 1 (F1 ) que ha recorrido los canales (14a, 14b) en las placas (12), y un segundo doble ducto principal colector (16b) del fluido 2 (F2) que ha recorrido los canales (14) complementarios de las placas (12).
En el contexto de la presente invención, y a modo de aclaración general a lo largo de toda la descripción, las dimensiones del intercambiador de calor de placas (1 ), así como las partes que lo componen, no limitan en absoluto el alcance de la protección.
En el contexto de la presente invención, y sin que esto limite el alcance de la misma, se entenderá como carcasa a un armazón exterior que da consistencia y protección a lo que contiene. En una realización preferida, y sin que esto limite el alcance de la protección, la carcasa metálica (13) que cubre la estructura tridimensional, está térmicamente aislada. En una realización aún más preferida, los materiales de dicha carcasa metálica (13) que consiguen dicha aislación térmica tampoco representan una característica limitante para la presente invención.
La presente invención, tal como se ¡lustra esquemáticamente en las FIGs. 1 - 6 consiste en un intercambiador de calor de placas (1 ) cuya superficie de transferencia de calor se construye a partir de la curva de Hilbert. En lo sucesivo, por simplicidad y sin que esto limite el alcance de la presente invención, se hará referencia al intercambiador de calor de placas (1 ) basado en esta superficie como intercambiador de calor con la curva de Hilbert.
En el contexto de la presente invención, por simplicidad y sin que esto limite el alcance de la presente invención, se hará referencia al primer fluido como fluido 1 (F1 ) y al segundo fluido como fluido 2 (F2); donde dicho fluido 1 (F1 ) que entra a una temperatura Ti¡ y sale a una temperatura T10 y dicho fluido 2 (F2) que entra a una temperatura T2¡ y sale a una temperatura T20. Indistintamente se puede denominar al primer fluido como fluido caliente y al segundo fluido como fluido frío, cuando Ti¡ es mayor que T2¡, o viceversa; sin que lo anterior limite el alcance de la presente invención. Adicionalmente, a modo de aclaración general, con respecto a la FIG 1 y FIG 2 se ¡lustran el fluido 1 (F1 ) y fluido 2 (F2) con notaciones “i” y “o” como abreviatura de las palabras “in" y “ou , haciendo referencia a la entrada y salida de dichos fluidos y la dirección en la cual recorren los canales dobles (14a, 14b).
En la presente invención, la curva de Hilbert se usa como línea generatriz para trazar la pared que separa los fluidos 1 (F1 ) y 2 (F2) en los canales (14a, 14b) a través de los cuales estos fluidos circulan sobre cada placa (12). La curva de Hilbert se puede construir por un procedimiento recursivo multi-escala, lo cual produce una geometría autosimilar en diferentes escalas de tamaño. Variando el número de repeticiones del procedimiento recursivo, se obtienen curvas de mayor o menor complejidad. Estas curvas de Hilbert se pueden clasificar por el orden que ocupan en la secuencia de generación. Las FIGs. 1 y 2 muestran canales (14) generados con curvas de Hilbert de quinta generación. Los canales (14a, 14b) en las FIGs. 3 y 4 se basan en curvas de Hilbert de cuarta generación.
Los fluidos circulan por canales (14a, 14b) donde cambian permanentemente de dirección al avanzar uno, dos o tres diámetros hidráulicos a lo largo de los canales (14), favoreciéndose la separación de la capa límite en todas esas desviaciones y con ello el incremento en el coeficiente global de convección.
El diámetro hidráulico (Dh) es un término comúnmente utilizado en hidráulica cuando se manejan fluidos en canales y tubos no circulares. Mediante este concepto se puede estudiar el comportamiento del flujo de la misma forma como si se tratara de una tubería de sección circular. La fórmula para el cálculo de este es la siguiente:
44 Dh - ~¡
Donde A es el área de la sección transversal del ducto y P es el perímetro mojado o húmedo.
En una realización preferida que resulta particularmente ventajosa, y sin que esto limite el alcance de la protección, el orden de la curva de Hilbert permite graduar cuán densamente los canales (14) recubren la superficie de las placas (12). Sin embargo, no limita el alcance de la presente invención, y diferentes realizaciones se pueden obtener variando el orden de generación de la curva de Hilbert.
En una realización preferida, y sin que esto limite el alcance de la protección, tal como se ¡lustra esquemáticamente en la FIG. 1 , se proporciona un plano de una placa (12) de contorno cuadrangular con una curva de Hilbert (de quinta generación) que cubre todos los cuadrantes de placa. La pared separadora entre los canales (14) de fluido 1 (F1 ) y fluido 2 (F2) en este plano se obtiene al extruir la curva de Hilbert en la tercera dimensión perpendicular al plano mostrado. Las otras paredes laterales de los dos canales (14a, 14b) en este plano se obtienen a través de la curva complementaria que se genera al trazar las rectas que unen las esquinas de las celdas elementales usadas para generar la curva de Hilbert (mientras que la curva de Hilbert pasa por los centros de esas celdas). Dicha curva complementaria es extruida en la misma altura, para producir estas otras paredes interiores. El resultado son dos canales (14a, 14b) paralelos los cuales, curvándose múltiples veces mediante giros de 90° o 180°, avanzan desde una entrada hasta una salida, recubriendo completamente la superficie de la placa (12) en este trayecto. La pared que corresponde a la curva de Hilbert se construye de un material de alta conductividad térmica y a través de ella ocurre transferencia de calor desde el fluido 1 (F1 ) al fluido 2 (F2). Los materiales de las paredes no limitan el alcance de la presente invención. En una realización preferida, y sin que esto limite el alcance de la protección, las paredes que corresponden a la curva complementaria se construyen de un material térmicamente aislante para minimizar la transferencia de calor desde un fluido a sí mismo.
De este modo, en esta realización preferida, sin que esto limite el alcance de la presente invención, el patrón producido por la curva de Hilbert y su curva complementaria separa todo el contorno cuadrangular en estos dos canales (14a, 14b). Dichos canales (14a, 14b) tienen dos aperturas cada uno, en los extremos izquierdo y derecho del contorno cuadrangular. A través de estas aperturas se produce la entrada de los fluidos 1 (F1 ) y 2 (F2) a sus correspondientes canales (14a, 14b), así como sus salidas después de recorrer todo el canal (14). La entrada de los fluidos ocurre en los extremos opuestos, de modo que al pasar por los canales (14a, 14b) circulan siempre a contracorriente.
En una realización preferida adicional, y sin que esto limite el alcance de la protección, las paredes superior e inferior de estos canales (14a, 14b) se obtienen colocando placas (12) por encima y por debajo que tengan el mismo patrón geométrico de canales (14). Con esto, cada uno de los dos canales (14a, 14b) mostrados en la FIG.1 tiene un canal (14) igual a él que va por encima, separado por una placa (12). De igual modo, cada uno de estos dos canales (14a, 14b) tiene un canal (14) igual a él que va por debajo, separado por otra placa (12). Estas placas (12) se construyen también con un material de alta conductividad térmica. El fluido que va por los canales (14a, 14b) superior e inferior al canal con fluido 1 (F1 ) es fluido 2 (F2), de modo que el fluido 1 (F1 ) en un plano transfiere calor al fluido 2 (F2) no solo a través de la pared curva de Hilbert, sino también a través de sus paredes superior e inferior. De igual modo, el fluido que va por los canales (14a, 14b) superior e inferior al canal con fluido 2 (F2) es fluido 1 (F1 ), lo cual permite que el fluido 2 (F2) en un plano recibe calor desde el fluido 1 (F1 ) no solo a través de la pared curva de Hilbert, sino también desde la pared superior y la pared inferior.
Para obtener esta configuración de flujos, las entradas y salidas de los niveles superior e inferior están alternadas con respecto a las entradas y salidas del nivel mostrado en la FIG. 1 . Además, en la FIG.2 se muestra esquemáticamente una sección horizontal de un plano para las placas (12) del nivel superior con respecto al plano de la FIG. 1 . Por otra parte, en la FIG.2 la entrada del fluido 1 (F1 i) está ahora en el extremo izquierdo, pero en la parte alterna del doble ducto de alimentación (15) y el canal (14b) que lleva el fluido 1 (F1 ) va por encima del canal (14b) que lleva fluido 2 (F2) del plano en la FIG.1 . A su vez, la entrada de fluido 2 (F2¡) en el plano de la FIG. 2 está en el extremo derecho, y el canal (14a) que lleva el fluido 2 (F2) va por encima del canal (14a) de fluido 1 (F1 ) en la FIG.1. Para el nivel inferior al plano de la FIG.1 el patrón de flujo sería el mismo que el indicado en la FIG.2.
La pluralidad de placas (12a,12b,12c) apiladas descrita genera un arreglo tridimensional de superficies de transferencia de calor, a pesar de que los canales de flujo se curvan múltiples veces, de modo que, la transferencia de calor en el ¡ntercambiador (1 ) es tridimensional; con lo cual se consigue un arreglo de flujo que produce la máxima eficiencia termodinámica manteniendo al mismo tiempo una forma compacta. En la FIG.3 se muestra una vista isométhca de una sección horizontal del ¡ntercambiador de calor (1 ) a cierto nivel arbitrario, donde quedan expuestos los canales (14a, 14b) de fluido 1 (F1 ) y de fluido 2 (F2) en ese nivel. En el caso de la FIG.3 la realización ¡lustrada corresponde a una curva de Hilbert de cuarta generación. Los fluidos 1 (F1 ) y 2 (F2) son suministrados a los canales de Hilbert situados entre las placas (12) desde ductos principales de alimentación (15a, 15b) ubicados en los extremos izquierdo y derecho. Estos dobles ductos principales de alimentación (15a, 15b) tienen múltiples aberturas, que corresponden a las entradas de los fluidos hacia sus correspondientes canales (14a, 14b); de aquí en adelante, y para simplificar la descripción se designarán simplemente como múltiples de alimentación. De igual manera, junto a estos ductos, se ubican dobles ductos principales colectores (16a, 16b), hacia donde descargan los canales de Hilbert de cada nivel; en lo sucesivo y para simplificar la descripción estos dobles ductos colectores (16a, 16b) de salida se designarán de aquí en adelante como múltiples colectores.
En la FIG.4 se indican algunas de las entradas y salidas de fluidos 1 (F1 ) y 2 (F2) hacia o desde los canales de Hilbert en algunos niveles. La alternancia entre los puntos de entrada y salida, para cada nivel, produce el patrón de flujo mencionado antes. Así, el canal (14a) de fluido 1 (F1 ), en cierto nivel, queda rodeado por canales que llevan fluido 2 (F2) circulando a contracorriente, hacia los cuales transfiere calor: un canal (14b) por el costado y canales (14a) por arriba y por abajo.
De igual modo, los canales (14b) de fluido 2 (F2) en cada nivel quedan rodeados por canales que llevan fluido 1 (F1 ) circulando a contracorriente, desde los cuales reciben calor: un canal (14a) por el costado y canales (14b) por arriba y por abajo. Para intercambiar el lado (izquierdo o derecho) por el cual entra un fluido, existen dos múltiples de alimentación (15a, 15b) en cada lado para cada fluido. Las aberturas que conectan los canales de Hilbert con estos múltiples de alimentación (15a, 15b) varían alternadamente de un nivel al siguiente, como se indica en las FIGs. 1 , 2 y 4. Con esto se consigue invertir las direcciones de los flujos entre los canales de un nivel y los del siguiente, y a la vez la posición del canal (14) a través del cual pasarán los fluidos.
Esta pluralidad de las placas (12a,12b,12c) apiladas, con canales de Hilbert, a los cuales se suministran fluidos 1 (F1 ) y 2 (F2) a través de múltiples de alimentación (15a, 15b), y desde los cuales reciben los fluidos en múltiples colectores (16a, 16b) después de pasar por los canales (14a, 14b), produce una estructura de tipo torre. En lo sucesivo, por simplicidad y sin que esto limite el alcance de la presente invención, se hará referencia a una estructura tipo torre de base rectangular como estructura tipo torre. La altura de esta torre es configurable en la construcción, y depende del número de placas (12) que se decida poner en la pluralidad de las placas (12a,12b,12c) apiladas. Por lo tanto, la razón de altura a dimensiones laterales del intercambiador de calor (1 ) se puede ajustar en función del espacio disponible. La FIG.5 muestra esquemáticamente el intercambiador de calor (1 ) completo, hasta el nivel superior de la estructura de tipo torre. Las superficies exteriores del intercambiador de calor (1 ) conforman una carcasa metálica (13) dentro de la cual se ubica el núcleo del intercambiador (1 ), con su pluralidad de placas (12a,12b,12c) apiladas, donde cada una comprende canales de Hilbert. Esta carcasa metálica (13) se construye de un material térmicamente aislante.
En una realización preferida, y sin que esto limite el alcance de la presente invención, en los extremos superiores de los múltiples de alimentación (15a, 15b) y múltiples colectores (16a, 16b) existen cabezales de distribución (17a, 17b) que permiten conectar operativamente el intercambiador de calor (1 ) a ductos o tuberías de transporte de los fluidos 1 y 2 hacia y desde el intercambiador de calor (1 ), tal como se ¡lustra esquemáticamente en la FIG.5. Dichos cabezales de distribución (17a, 17b) canalizan los fluidos suministrados hacia los dos múltiples de alimentación (15a, 15b) en cada lado. Al mismo tiempo, dichos cabezales de distribución (17a, 17b) reúnen los flujos de fluido procesado que salen a través de los dos múltiples colectores (16a, 16b) a cada lado. En otra realización preferida, y sin que esto limite el alcance de la presente invención, dichos cabezales de distribución (17a, 17b) están divididos internamente en secciones para cada fluido, como se muestra esquemáticamente en la FIG.6. El fluido 1 (F1 ) que es suministrado al intercambiador de calor (1 ) pasa por una campana, interior al cabezal (17), en donde es desviado y dirigido hacia los dos múltiples de alimentación (15a, 15b), en el lado donde el cabezal (17) está instalado. Por fuera de esta campana, y dentro de la cámara que la contiene, fluye el fluido 2 (F2) que viene desde los múltiples colectores (16a, 16b) de ese lado. Los dos flujos que vienen desde los múltiples colectores (16a, 16b) se reúnen en esta cámara y son dirigidos hacia la salida del intercambiador de calor (1). La configuración ¡lustrada en la FIG. 6 corresponde al cabezal (17) situado en el extremo superior izquierdo del intercambiador de calor (1 ) mostrado en la FIG. 5. Para el cabezal (17) situado en el extremo superior derecho, la configuración es igual, pero las direcciones de los flujos están invertidas.

Claims

REIVINDICACIONES Un intercambiador de calor de placas (1 ) con superficie de transferencia de calor y canales de circulación de fluidos basados en la curva de Hilbert, CARACTERIZADO porque comprende: una estructura tridimensional de forma sustancialmente cuadrangular, conformada por una pluralidad de placas metálicas (12a,12b,12c) apiladas; una carcasa metálica (13) que cubre operativamente dicha estructura tridimensional sustancialmente cuadrangular; un conjunto de canales dobles (14a, 14b) para circulación de un fluido 1 (F1 ) y de un fluido 2 (F2), que recubre completamente cada una de las placas metálicas (12) que conforman dicha pluralidad de placas metálicas (12a,12b,12c), siguiendo una curva de Hilbert de orden arbitrario; donde dichos fluido 1 (F1 ) y fluido 2 (F2), ingresan respectivamente a un primer canal (14a) y a un segundo canal (14b) de dicho conjunto de canales dobles (14a, 14b) de cada placa (12) por extremos opuestos, circulando a contracorriente en toda la extensión de los canales dobles (14a, 14b); donde dicho fluido 1 (F1 ) tiene una temperatura Ti y dicho fluido 2 (F2) tiene una temperatura T2, y donde dichas temperaturas Ti y T2 son distintas; un primer doble ducto principal de alimentación (15a) que suministra el fluido 1 (F1 ) a dicho primer canal (14a) de cada una de las placas (12), y un segundo doble ducto principal de alimentación (15b), que suministra el fluido 2 (F2) a dicho segundo canal (14b) de cada una de las placas (12); y un primer doble ducto principal colector (16a) del fluido 1 (F1 ) que ha recorrido los canales (14a, 14b) en las placas (12), y un segundo doble ducto principal colector (16b) del fluido 2 (F2) que ha recorrido los canales (14) complementarios de las placas (12). El intercambiador de calor de placas (1 ) según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque los canales (14a, 14b) en cada nivel de placa (12) recubren completamente su superficie, cambiando de dirección permanentemente cada uno, dos o tres diámetros hidráulicos del canal, según una curva de Hilbert. El intercambiador de calor de placas (1 ) según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque los fluidos 1 (F1 ) y 2 (F2) que lo atraviesan fluyen a contracorriente en toda el área de intercambio de calor. El intercambiador de calor de placas (1 ) según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque comprende, adicionalmente, un par de cabezales de distribución (17a, 17b) conectados operativamente a cada uno de los dobles ductos principales de alimentación (15a, 15b) y cada uno de los dobles ductos principales colectores (16a, 16b). El intercambiador de calor de placas (1 ) según la reivindicación 4, CARACTERIZADO porque dicho par de cabezales de distribución (17a, 17b) dirigen los fluidos 1 (F1 ) y 2 (F2) suministrados hacia sus correspondientes dobles ductos principales de alimentación (15a, 15b), y reúnen los fluidos de salida (F1 , F2) de cada uno de sus correspondientes dobles ductos principales colectores (16a, 16b). El intercambiador de calor de placas (1 ) según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el suministro del fluido 1 (F1 ) se realiza a través de múltiples aberturas de entrada, una por placa, las cuales se disponen de forma alternada hacia el primer canal (14a) o hacia el segundo canal (14b) de cada placa (12). El intercambiador de calor de placas (1 ) según la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque de acuerdo con el suministro alternado de fluido 1 (F1 ) al primer canal (14a) o segundo canal (14b) de cada placa (12), dicho fluido (F1 ) en esta placa circula a contracorriente del fluido 2 (F2) de la siguiente placa de la estructura tridimensional conformada por la pluralidad de placas (12a,12b,12c) apiladas.
8. El intercambiador de calor de placas (1 ) según la reivindicación 6, CARACTERIZADO porque el suministro del fluido 2 (F2) se realiza a través de múltiples aberturas de entrada, una por cada placa, las cuales se disponen de forma alternada hacia el primer canal (14a) o hacia el segundo canal (14b) de cada placa (12), siguiendo una secuencia inversa que la secuencia de las entradas del fluido 1 (F1 ).
9. El intercambiador de calor de placas (1 ) según la reivindicación 8, CARACTERIZADO porque de acuerdo con el suministro alternado de fluido 2 (F2) al primer canal (14a) o segundo canal (14b) de cada placa (12), dicho fluido (F2) en esta placa circula a contracorriente del fluido 1 (F1 ) de la siguiente placa de la estructura tridimensional conformada por la pluralidad de placas (12a,12b,12c) apiladas. 0. El intercambiador de calor de placas (1 ) según la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque la recolección de los fluidos 1 (F1 ) y 2 (F2) procesados se realiza a través de múltiples aberturas de salida, una por cada placa, mediante las cuales los canales (14a, 14b) de las placas (12) descargan dichos fluidos (F1 , F2) hacia sus correspondientes dobles ductos principales colectores (16a, 16b).
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107255425A (zh) * 2017-06-27 2017-10-17 中国船舶重工集团公司第七〇九研究所 一种换热板、加工方法及换热器
CN109579575A (zh) * 2018-11-16 2019-04-05 大连海事大学 分形通道印刷电路板换热器
IN201841028799A (es) * 2018-07-31 2020-02-07
CN210892803U (zh) * 2019-11-18 2020-06-30 中国核动力研究设计院 一种基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器
CN112268471A (zh) * 2020-11-18 2021-01-26 西安热工研究院有限公司 一种基于仿生分形结构的微通道换热器芯体
US20210095932A1 (en) * 2016-07-12 2021-04-01 Fractal Heatsink Technologies, LLC System and method for maintaining efficiency of a heat sink
CN112629295A (zh) * 2020-12-30 2021-04-09 大连海事大学 一种新型三维螺旋缠绕式流道的印刷电路板式换热器芯体
CN112923765A (zh) * 2021-02-04 2021-06-08 东南大学 一种相变储热装置

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210095932A1 (en) * 2016-07-12 2021-04-01 Fractal Heatsink Technologies, LLC System and method for maintaining efficiency of a heat sink
CN107255425A (zh) * 2017-06-27 2017-10-17 中国船舶重工集团公司第七〇九研究所 一种换热板、加工方法及换热器
IN201841028799A (es) * 2018-07-31 2020-02-07
CN109579575A (zh) * 2018-11-16 2019-04-05 大连海事大学 分形通道印刷电路板换热器
CN210892803U (zh) * 2019-11-18 2020-06-30 中国核动力研究设计院 一种基于金属毛细管的紧凑型微通道换热器
CN112268471A (zh) * 2020-11-18 2021-01-26 西安热工研究院有限公司 一种基于仿生分形结构的微通道换热器芯体
CN112629295A (zh) * 2020-12-30 2021-04-09 大连海事大学 一种新型三维螺旋缠绕式流道的印刷电路板式换热器芯体
CN112923765A (zh) * 2021-02-04 2021-06-08 东南大学 一种相变储热装置

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