WO2024052584A1 - Un dispositivo compresor gravitacional de vapor - Google Patents

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WO2024052584A1
WO2024052584A1 PCT/ES2023/070546 ES2023070546W WO2024052584A1 WO 2024052584 A1 WO2024052584 A1 WO 2024052584A1 ES 2023070546 W ES2023070546 W ES 2023070546W WO 2024052584 A1 WO2024052584 A1 WO 2024052584A1
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vapor
flow
water
face
evaporator
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PCT/ES2023/070546
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Juan Eusebio Nomen Calvet
Dan Alexandru Hanganu
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WGA Water Global Access, SL
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    • B01D1/00—Evaporating
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
    • C02F1/10—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation by direct contact with a particulate solid or with a fluid, as a heat transfer medium
    • C02F1/12—Spray evaporation

Definitions

  • a gravity steam compressor device A gravity steam compressor device
  • the present invention refers to a device for compressing water vapor by liquid water in vertical fall at terminal velocity, which uses the Earth's gravitational field as a proportioner of the mechanical power delivered, creating an optimal regime of low and uniform relative velocities that reduces the dissipates energy and maximizes energy transfer and, consequently, the efficiency of the vapor compression process.
  • water vapor compression systems are classified into three groups according to the compression agent: thermal vapor compression, mechanical vapor compression and vapor compression by kinetic energy of liquid water. These water vapor compressors are used in desalination or water purification facilities.
  • Thermal vapor compression increases the temperature and pressure of a vapor flow through an ejector to which a motive vapor of higher temperature and pressure is supplied. They are vapor compression systems whose use is conditioned on the availability of residual steam for use as motive steam for the ejector. They are devices with high specific energy consumption and that, in their industrial application to multi-effect desalination processes MED, result in aggregate specific energy consumption of thermal and electrical energy greater than 6 kWh e /m 3 to desalinate seawater of 35,000 ppm solids. total dissolved.
  • Mechanical compression of water vapor consists of increasing the pressure of a vapor flow as it passes through a mechanical compressor. They are systems whose capacity is limited by the volume of the compression chamber of the compressor and present problems of superheating of the steam above the pressure-temperature equilibrium curve of the saturated steam. They are devices with high specific energy consumption and that, in their industrial application to multi-effect desalination processes, result in resulting in specific electrical energy consumption greater than 6 kWh/m 3 to desalinate seawater of 35,000 ppm total dissolved solids.
  • Vapor compression by providing kinetic energy in the form of the velocity of fine liquid water droplets currently consists of providing energy to a flow of saturated water vapor through a flow of liquid water droplets at high speed relative to the steam flow. It is the technology called HID by its acronym in English, desalination by hydraulic injection, which consists of transforming the potential energy of water under pressure, provided by a pressure pump, into kinetic energy of high-speed drops that are in turn transformed then in potential energy of a flow of water vapor compressed by the drag forces of the liquid water droplets slowed by the gaseous medium of water vapor.
  • the HID vapor compression system has a higher energy efficiency than other current vapor compression systems, but it presents limitations due to pressure loss in the nozzles, due to low energy efficiency in the high-speed drop formation process due to the design.
  • current nozzles and by the energy dissipations that occur at high relative velocities of liquid water droplets in a saturated water vapor medium. They are devices with reduced specific energy consumption and that in their industrial application to desalination processes result in specific energy consumption around 3 kWh/m 3 to desalinate seawater of 35,000 ppm total dissolved solids, using the current generating nozzles. of drops available on the market.
  • Liquid water vapor compression should not be confused with older desalination systems that use cold water droplet jets as the condensation point of water vapor, in which liquid water droplets do not act as a vapor compression agent. but rather as a condensing surface that absorbs the latent heat of condensation of water vapor and which are very inefficient condensation systems since they do not recycle the latent heat of condensation.
  • a water meniscus is divided into three regions characterized by having very different behaviors with respect to heat transmission through the liquid film and the solid-liquid interfacial adhesion force. These three regions are the adsorption region, the transition region, and the bulk region of the meniscus. It is known that the thickness of the liquid water film is smaller in the adsorption region, but the thin liquid film remains tightly adhered to the solid substrate by the intermolecular forces between the liquid and the solid. In this adsorption region, the thermal conduction resistance is small and the interfacial thermal resistance is large. In the massive region of the meniscus, due to the large thickness of the water film, the conduction thermal resistance is large and the interfacial thermal resistance is small.
  • the transition region is located between the adsorption region and the bulk region of the meniscus. This transition region is characterized by a low conduction thermal resistance resulting from the reduced thickness of the water layer and by a low interfacial thermal resistance.
  • a water vapor compressor device by dragging liquid water in vertical fall at terminal velocity subjected to gravitational forces that we call GVC, for its acronym in English, compressor or gravitational vapor compression, has the capacity to compress water vapor with superior efficiency. to current vapor compression systems and devices
  • the GVC gravitational vapor compression device uses the drag forces of a liquid drop subjected to the force of gravity in relative motion with respect to a gaseous medium of water vapor to increase the pressure of the same vapor.
  • the GVC gravitational vapor compression device has a total height h that is divided into two zones: an initial velocity adjustment zone with a height hi in which the velocity of the liquid drop is adjusted from its initial velocity at the exit of the nozzle until reaching a relative velocity with respect to the vapor flow close to or equal to its terminal velocity corresponding to the size of the drop and an area with a height hz in which the velocity of the liquid drop is maintained, due to gravity, at a relative velocity with respect to the velocity of the steam flow close to or equal to the terminal velocity, of free fall in the water vapor environment, which corresponds to its size and the density and viscosity of the water vapor passed through.
  • the kinetic energy of the droplet varies, with a positive effect on vapor compression if the exit velocity of the droplet is greater than the sum of the velocity of the vapor flow. plus the terminal falling velocity of the droplet and has a negative effect on vapor compression if the exit velocity of the droplet is less than the sum of the vapor flow velocity plus the terminal falling velocity of the droplet.
  • the gravitational vapor compressor GVC transfers gravitational potential energy from the droplet by the drag force of the droplet along the height hi+hz, but along hz the relative velocity of the drop in relation to the vapor is equal to or close to the terminal velocity of fall of the drop in the vapor so that in this section the lowest possible level of energy dissipation occurs.
  • the GVC gravitational vapor compressor is the only vapor compression system and device that uses gravitational potential energy of water droplets at terminal and constant relative velocity, reducing the energy dissipation phenomena that occur in the case of relative velocities higher than the terminal velocity, as happens in current HID vapor compression and which limits the energy efficiency of current HID vapor compressors.
  • the GVC gravitational steam compressor device is a liquid water steam compressor formed by a vertical compression chamber, in the upper part of the compression chamber the water vapor to be compressed is provided and the upper part of the compression chamber has of a series of liquid water nozzles that form at least a bundle of fine droplets.
  • the compressor device operates with low relative velocity of the drops with respect to the vapor flow, so that the energy dissipation phenomena due to high relative velocity between the drop and the gaseous medium are limited in the upper part hi and the regime of the drops.
  • the terminal velocity in the vapor flow is laminar or low energy dissipation along the largest portion of the chamber height h 2 .
  • the interaction between the droplet flow and the vapor flow occurs with relative velocities different from the terminal velocity of fall between the drops and the water vapor, which entails some phenomena of minor energy dissipation, given the low relative velocity, along a height hi, until the drops reach the terminal velocity of fall into the water vapor so that the resultant force between gravity and buoyancy is equal to the force of drag with the gaseous medium of water vapor and the drop begins to fall at a constant relative speed in relation to the gas, at terminal velocity, so that the drops transmit forces to the steam that are transformed into greater pressure of the water vapor, compressing it with high energy efficiency.
  • a GVC gravity vapor compressor performs, within the compression chamber, an efficient transformation of the potential energy of the liquid drop into compression potential energy of the vapor. water, keeping it in a saturated state, thanks to the application of gravity forces, the transfer of energy is carried out in more efficient conditions, with minimum relative velocities and minimum energy dissipation.
  • the GVC gravitational steam compressor device requires the contribution of potential energy by a liquid water pump in the form of low water pressure that is transformed into elevation of water in height, breaking of the surface tension to form drops and in the initial kinetic energy of the drops.
  • nozzles currently available on the market are used that operate with pressures between 1.5 and 3 bars and with droplet exit speeds from the nozzle between 10 and 20m/s.
  • the steam flow velocity is determined according to the diameter of the cross-section of the compression chamber;
  • the diameter of the drop is determined according to the type of nozzles used and the pressure at which the liquid water is supplied to the nozzle and the diameter of the drop will determine the terminal velocity and, consequently, the fall time of the drop and the total mass of water droplets falling at terminal velocity per unit time;
  • the difference between the exit velocity of the liquid drop and the velocity of the water vapor flow is determined and this difference in velocities will cause the height hi to adjust to a flow of drops at terminal velocity within the vapor flow;
  • the height h 2 of fall at terminal velocity is decided along which an efficient transformation of potential energy of liquid water into greater potential energy of steam in the form of greater pressure will be obtained.
  • a high-density transition region heat exchanger comprises heat exchange tubes or chambers in which the water condensed on the condensing face and the aqueous solution to be evaporated on the evaporating face flow within channels whose walls are in lower or lower proximity. equal to Imm, so that the flow of water or aqueous solution within these channels has the liquid-gas interface curved throughout the entire amplitude from wall to wall, which achieves a high density of transition regions on the surface of the face. evaporator and condenser face.
  • the high-density transition region heat exchanger it comprises evaporator-condenser tubes or chambers with a tube wall profile that in its cut perpendicular to the liquid flow has a sinusoid, sawtooth or similar profile of form that the entire gas-liquid interface of water or aqueous solution flows within microchannels in which the adhesion forces of water on the side wall of the microchannel curve its gas-liquid interface.
  • the measurements of the microchannels on the evaporating side and the condensing side will depend on the adhesion and cohesion forces and this in turn depends on the properties of the saline solution, the properties of the material of the tube wall or evaporator-condenser chamber. , the angle of inclination of the walls of the microchannel and many other factors such as the finish or treatment applied to the walls of the evaporator-condenser tube or chamber with hydrophilic or hydrophobic properties.
  • the faces of a wall of a tube or evaporator-condenser chamber of a high-density heat exchanger with transition regions are made with marine aluminum alloys, with a profile of symmetrically alternating, sawtooth or zig-shaped channels. -zag that forms microchannels on both the evaporating face and the condensing face with a depth less than or equal to 1 mm and a distance between summits or vertices of the microchannel less than or equal to 1 mm.
  • the high-density transition region heat exchanger operates with a thermal jump or temperature difference between the aqueous solution to be evaporated on the evaporating side of the evaporator-condenser tube or chamber and the temperature of the secondary water vapor to be condensed on the condensing side of the evaporator-condenser tube or chamber less than or equal to 0.3°C plus the elevation of the boiling point corresponding to the salinity and temperature of the aqueous solution to be evaporated.
  • This temperature difference of 0.3°C plus the elevation of the boiling point for seawater results in a temperature difference of less than 1°C compared to the 3°C typically required in current compression desalination devices. steam or mechanical vapor compression.
  • the result achieved with the high-density transition region heat exchanger is a low temperature differential between the aqueous solution to be evaporated and the condensed fresh water and this is due to a structure of the wall of the evaporator-condenser tube or chamber in the that the cohesion and adhesion forces of the water molecules position the flow of the aqueous solution to be evaporated from the evaporating face of the evaporator-condenser tube or chamber and position the flow of condensed water on the condenser face of the evaporator-condenser tube or chamber so that the liquid-gas interface is curved throughout the entire amplitude of the flow between the walls of each microchannel and a high density of transition regions is achieved on the evaporating side and on the condensing side.
  • the result of positioning the liquid flows between microchannel walls so that the adhesion and cohesion forces maintain the curvature of the liquid-gas interface throughout the entire width of the microchannel is to achieve a high water surface density in the transition region. both on the evaporator side and on the condenser side.
  • the wall of at least one evaporator-condenser tube or chamber of the latent heat exchanger must have the profile of the section normal to both the flow of saline solution to be evaporated as well as that of the condensate flow, in a symmetrically alternating manner in which the evaporating meniscus of the evaporating face is alternately inverted in relation to the condensing meniscus of the condensing face and so on along the perimeter of the tube or evaporator chamber condenser, so that the transition regions of the evaporating menisci and the condensing menisci are close together.
  • Figure 1 shows a cross-sectional diagram of a GVC gravity steam compressor
  • Figure 2 shows a schematic cross-sectional view of a GVC gravity vapor compressor coupled to a high-density transition region heat exchanger.
  • Figure 3 shows in a diagram in a longitudinal section the three regions of an evaporating meniscus in proximity to the three regions of a condensing meniscus and highlights the properties of the heat flow from a condensing transition region to an evaporating transition region, located in proximity,
  • Figure 4 shows in a diagram in a longitudinal section the three regions of an evaporating meniscus in proximity to the three regions of a condensing meniscus and highlights the properties of the heat flow from a condensing transition region and from a water-free zone. from the condensing face to an evaporating transition region, located in proximity, and
  • Figure 5 shows a diagram in a cross section, perpendicular to the flow of aqueous solution on the evaporator face and the flow of condensed water on the condenser face, of a section of the wall of an evaporator-condenser tube or chamber of an exchanger.
  • a gravitational water vapor compressor device called GVC, for its acronym in English, comprises a vertical chamber with a first section hi of speed adjustment for flows of water droplets with a relative velocity with respect to the vapor flow other than the terminal velocity of drop fall and a second section h2 of the compression chamber dedicated to a flow of drops at a relative velocity equal to or similar to the terminal velocity of fall of the drop in the vapor flow.
  • the GVC gravitational steam compressor device also includes nozzles in the upper part of the compression chamber that provide fine drops of less than 300 microns and at a low relative velocity of the drop with respect to the flow of water vapor.
  • the steam flow speed is determined according to the inner diameter of the compression chamber;
  • the diameter of the drop is determined according to the type of nozzles used and the pressure at which the liquid water is supplied to the nozzle;
  • the terminal velocity of the drop is also determined according to the distribution of drop diameters;
  • the fall time of the drop is determined according to the terminal velocity and the velocity of the vapor flow;
  • the relative exit velocity of the drop is determined in relation to the steam flow depending on the type of nozzle and the water pressure applied to the nozzle, which, in turn, will determine the height hi until the drops adjust to their terminal velocity. ;
  • the height h2 of fall at terminal velocity is decided along which it will be obtained an efficient transformation of potential energy of liquid water into higher potential energy of vapor in the form of higher pressure of compressed secondary vapor.
  • a vertical compression chamber 16 is shown with a water vapor inlet 8 in the upper part of the chamber 16.
  • a plurality of liquid water nozzles are arranged in the upper part of chamber 16. to which water is provided at the pressure necessary to raise the water to the height hi +h 2 and to form sprays 10 of fine water droplets, less than or equal to 300 microns in diameter.
  • the GVC gravitational vapor compression device would operate with droplets with a diameter greater than or equal to 300 microns, but the larger the diameter of the droplet, the greater its terminal velocity and the greater the necessary height of the compression chamber 16, which would entails a higher cost of construction of the device and a higher energy cost of lifting the water.
  • the liquid water 12 corresponding to the liquid water drops that have reached the end of the path is accumulated and evacuated and is pumped again, at least in part, to the upper nozzles. to form new water sprays 10 and the compressed water vapor leaves the compression chamber 16 through a secondary water vapor outlet duct 13 of higher pressure and temperature than the primary inlet steam 8.
  • FIG 2 shows a GVC gravitational steam compressor device mechanically coupled to at least one device of tubes or chambers and casing 1 with at least one high-density heat exchanger 2 of transition regions.
  • water to be desalinated is provided that flows through the inner evaporating face of the heat exchanger tubes or chambers 2 and in the lower inner part 4 of the heat exchanger tubes or chambers, seawater or brine 5 emerges, which accumulates at the bottom of the casing 1, and water vapor 7 is supplied through at least one duct to the steam inlet. water to be compressed 8 at the top of the GVC gravity steam compressor.
  • the secondary water vapor outlet 13 of the GVC gravity steam compressor is connected by a steam duct to the secondary water vapor inlet 14 in the condensing chamber of the latent heat exchanger and the compressed water vapor is condensed on the face outer condenser of the heat exchanger tubes or chambers 2 high-density transition regions.
  • the condensed water accumulates at the bottom of the condensing chamber and is extracted through an evacuation duct.
  • FIG. 3 shows the curved liquid-gas interface or liquid meniscus of aqueous solution to be desalted on one side.
  • the evaporator of the at least one tube or chamber of the at least one high-density transition region heat exchanger is divided into three regions: the adsorption region 23 where the thin liquid film remains tightly adhered to the solid substrate 17 of the wall of the evaporator-condenser tube or chamber by the intermolecular forces between the liquid and the solid, in this adsorption region 23 the thermal resistance due to conduction is small and the interfacial thermal resistance is large so that evaporation is almost non-existent in this adsorption region 23, the massive region 18 of the meniscus with a large thermal resistance due to thermal conduction due to the thickness of the water layer and in which the thermal interfacial resistance is small, and the transition region 19 which is characterized by having the lowest added thermal resistance and allow the highest heat flux Q per unit area with the condensing transition region 22
  • transition regions are divided into three regions: the adsorption region 20, the bulk region 21 of the meniscus and the transition region 22.
  • transition regions 19 and 22 By placing the transition regions 19 and 22 in proximity, on both sides of the wall 17 of the tube or evaporator-condenser chamber of a high-density heat exchange tube or chamber of regions transition, a heat flow Q exchange passage is achieved whereby the latent heat released by the vapor 14 condensed over the condensing transition region 22 flows with a low thermal resistance and with a low thermal gradient towards the transition region 19 evaporator where the energy Q is absorbed, at least in part, as latent heat of evaporation for the vapor 7 evaporated from the evaporator face.
  • a high density of transition regions on the condenser side and on the evaporator side achieve a high heat transfer coefficient per unit area and unit temperature gradient of the evaporator-condenser tube or chamber, which allows operation with low temperature differentials. between the evaporator face and the condenser.
  • the design of the condensing surface with microchannels ensures drainage ordered passive of water condensed by capillarity within the microchannels, ensuring the existence of surfaces free of thermally insulating water films.
  • the condensing face has water-free zones where the vapor 24 condenses directly on the condensing face of the wall 17 of at least one evaporator-condenser tube or chamber.
  • Figure 5 schematically shows a cross section, perpendicular to the flow of aqueous solution on the evaporator face and the flow of condensed water on the condenser face, of a wall segment 25 of a tube or an evaporator-condenser chamber of a high-density transition region heat exchanger showing the curved gas-liquid interface profile of the saline solution stream 26 to be evaporated flowing within a microchannel of the evaporating face, with full-width curvature of the gas-liquid interface from to wall of the microchannel, and the curved profile of the liquid-gas interface of the condensed water flow 27 flowing within a microchannel of the condensing face, with curvature of the liquid-gas interface throughout the entire width from wall to wall of the microchannel .
  • the curvature of the liquid-gas interface across the width of the microchannels that cover, at least in part, the evaporating face and through which the saline solution to be evaporated 26 flows achieves a high density of transition regions 19 in the curvature of the interface. liquid-vapor of the saline solution to be desalted and with the consequent high density of areas with a high heat flow latent evaporation that absorbs the evaporated vapor 7.
  • the curvature of the liquid-gas interface across the width of the microchannels that cover, at least in part, the condensing face and through which the condensed water flows 27 achieves a high density of regions transition 22 in the curvature of the liquid-vapor interface of the condensed water and with the consequent high density of zones with a high flux of latent heat of condensation released by the condensed vapor 14.
  • the sinusoidal shape of the wall 25 alternates in successive inversions, with 180° rotations, an evaporating meniscus 26 and a condensing meniscus 27 in reverse symmetry, so that the condensing transition region 22 of a condensing meniscus 27 where the vapor condensation 14 releasing latent heat of condensation with a greater flow of energy per unit area, remains in proximity to an evaporating transition region 19 of an evaporating meniscus 26 absorbing latent heat of evaporation and generating primary steam 7 with a greater flow of energy absorbed per unit area.
  • the high density of transition regions that occur in this alternating structure of evaporating microchannels and condensing microchannels or other sawtooth, zigzag or similar structure achieve a high density of paths of high Qi flow of energy in the form of latent heat released in the condensing transition region 22 and a high density of high flow paths Q2 of energy in the form of latent heat released on a water-free surface of the condensing face where vapor 24 condenses, which flow to the evaporating transition region 19 of the evaporator face where energy is absorbed in the form of latent heat of evaporation in the generation of primary steam 7
  • One form of embodiment of the evaporator-condenser heat exchanger tubes or chambers with a sinusoidal, zigzag, sawtooth or similar wall is by extrusion of aluminum alloys or by stamping, forming microchannels Imm deep and lmm wide. summit to summit of each microchannel.
  • the depth greater than lmm manages greater flow rates and longer evaporator-condenser tubes or chambers are achieved.
  • the depth of the microchannels less than or equal to 1 mm results in more channels per unit of perimeter of the condenser evaporator tube or chamber and, consequently, the number of transition regions per unit surface area of condenser evaporator tube or chamber is increased.
  • the sinusoidal shape is modified with a profile of angled ends, creating a zigzag shape, or with flat ends, creating a crenellated shape, instead of the rounded ends of the sinusoidal.
  • transition regions on the non-fluted or grooved face are unattainable with the current double-fluted, double-fluted evaporator-condenser tubes or chambers, designed to create turbulence in the descending water flows since large areas of flat liquid-gas interface would form in these tubes, and is unattainable with fluted or grooved tubes on only one face since this would result in the absence of transition regions on the non-fluted or grooved face.
  • a GVC gravity steam compressor into a shell and tube or chamber device with at least one high-density transition region heat exchanger performs seawater evaporation cycles of 45,000ppm total dissolved solids salinity and condensation of the secondary water vapor compressed by the GVC gravitational steam compressor with pressure differences around 1OOPa between the pressure of the primary evaporated value 7 on the inner evaporating face of the tubes or chambers of the high-density heat exchanger 2 transition regions and the pressure of the compressed secondary vapor 14 condensed on the condensing side of the tube bundle of the high-density heat exchanger 2 of transition regions.

Abstract

Un dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC que comprende al menos una cámara (16) vertical de compresión y en su parte superior están dispuestos una pluralidad de boquillas de generación de espráis (10) de gotas, que forman un flujo de gotas en el flujo de vapor de agua a lo largo de una altura h1 de la carcasa vertical (16), la velocidad de las gotas de los haces de gotas (10) se ajusta a lo largo de la altura h1 a la velocidad terminal de caída en relación con un flujo de gas, la cámara de compresión (16) presenta una altura h2 en la que caen gotas a igual o próxima a velocidad terminal dentro de un flujo de vapor de agua, que comprime al vapor de agua, y comprende también un conducto de salida de vapor secundario (13).

Description

Un dispositivo compresor gravitacional de vapor
Objeto
La presente invención se refiere a un dispositivo compresor de vapor de agua por agua líquida en caída vertical a velocidad terminal, que utiliza el campo gravitacional terrestre como dosificador de la potencia mecánica entregada, creando un régimen óptimo de velocidades relativas bajas y uniformes que aminora las disipaciones de energía y maximiza la transferencia de energía y, por consiguiente, la eficiencia del proceso de compresión de vapor.
Estado de la técnica
Actualmente los sistemas de compresión de vapor de agua se clasifican en tres grupos según el agente compresor: compresión térmica de vapor, compresión mecánica de vapor y compresión de vapor por energía cinética de agua líquida. Estos compresores de vapor de agua se usan en instalaciones de desalinización o purificación de agua.
La compresión térmica de vapor aumenta la temperatura y presión de un flujo de vapor mediante un eyector al que se aporta un vapor motriz de mayor temperatura y presión. Son sistemas de compresión de vapor cuyo uso queda condicionado a la disponibilidad de vapor residual para su uso como vapor motriz del eyector. Son dispositivos con consumos específicos de energía elevados y que en su aplicación industrial a procesos de desalinización multiefecto MED dan como resultado consumos específicos de energía agregados de energía térmica y eléctrica superiores a 6 kWhe/m3 para desalinizar agua de mar de 35.000 ppm sólidos disueltos totales.
La compresión mecánica de vapor de agua consiste en aumentar la presión de un flujo de vapor al transitar por un compresor mecánico. Son sistemas cuya capacidad queda limitada por el volumen de la cámara de compresión del compresor y presentan problemas de supercalentamiento del vapor por encima de la curva de equilibrio presión-temperatura del vapor saturado. Son dispositivos con consumos específicos de energía elevados y que en su aplicación industrial a procesos de desalinización multiefecto dan como resultado consumos específicos de energía eléctrica superiores a 6 kWh/m3 para desalinizar agua de mar de 35.000 ppm sólidos disueltos totales.
La compresión de vapor por aporte de energía cinética en forma de velocidad de gotas finas de agua líquida consiste en la actualidad en aportar energía a un flujo de vapor de agua saturado a través de un flujo de gotas de agua líquida a alta velocidad relativa respecto al flujo de vapor. Es la tecnología denominada HID por sus siglas en inglés, de desalinización por inyección hidráulica, que consiste en transformar la energía potencial de agua bajo presión, aportada por una bomba de presión, en energía cinética de gotas a alta velocidad que se transforma a su vez seguidamente en energía potencial de un flujo de vapor de agua comprimido por las fuerzas de arrastre de las gotas de agua líquida frenadas por el medio gaseoso vapor de agua. El sistema de compresión de vapor HID tiene una eficiencia energética superior a los otros sistemas de compresión de vapor actuales, pero presenta limitaciones por pérdida de carga de las boquillas, por baja eficiencia energética en el proceso de formación de gotas a alta velocidad debidas al diseño de las boquillas actuales y por las disipaciones de energía que se producen a altas velocidades relativas de gotas de agua líquida en un medio de vapor de agua saturado. Son dispositivos con consumos específicos de energía reducidos y que en su aplicación industrial a procesos de desalinización dan como resultado consumos específicos de energía en torno a 3 kWh/m3 para desalinizar agua de mar de 35.000 ppm sólidos disueltos totales, utilizando las actuales boquillas generadoras de gotas disponibles en el mercado.
La compresión de vapor por aporte de agua líquida no debe confundirse con viejos sistemas de desalinización que usan chorros de gota de agua fría como punto de condensación del vapor de agua, en los que las gotas de agua líquida no actúan como agente de compresión del vapor si no como superficie condensadora que absorbe el calor latente de condensación del vapor de agua y que son sistemas de condensación muy ineficientes dado que no reciclan el calor latente de condensación.
Es conocido que la interacción de las fuerzas de cohesión y adhesión de las moléculas de agua con la superficie sólida de un recipiente producen una curvatura de la interfaz líquido vapor conocida como menisco de agua o de solución acuosa.
Asimismo, es conocido que un menisco de agua se divide en tres regiones caracterizadas por tener comportamientos muy diferentes respecto a la transmisión de calor a través de la película líquida y la fuerza de adhesión interfacial sólido-líquido. Estas tres regiones son la región de adsorción, la región de transición y la región masiva del menisco. Es conocido que el espesor de la película de agua líquida es más pequeño en la región de adsorción, pero la película líquida delgada se mantiene fuertemente adherida al sustrato sólido por las fuerzas intermoleculares entre el líquido y el sólido. En esta región de adsorción, la resistencia térmica a conducción es pequeña y la resistencia térmica interfacial es grande. En la región masiva del menisco, debido al gran espesor de la película de agua, la resistencia térmica por conducción es grande y la resistencia térmica interfacial es pequeña. La región de transición se encuentra entre la región de adsorción y la región masiva del menisco. Esta región de transición se caracteriza por una baja resistencia térmica por conducción resultante del reducido espesor de la capa de agua y por una baja resistencia térmica interfacial.
Una divulgación de referencia en esta materia es el artículo "Revisión de los efectos de la topografía superficial, la química superficial y la física de fluidos sobre la evaporación en la línea de contacto", Review of the Effects of Surface Topography, Surface Chemistry, and Fluid Physics on Evaporation at the Contact Line, del que es primer autor Joel L. Plawsky, del Rensselaer Polytechnic Institute de Nueva York.
Es conocido que en el agua o la solución acuosa que está en contacto con las paredes sólidas de un recipiente se produce una curvatura de la interfaz líquido-gas por efecto de la resultante de las fuerzas de adhesión y de cohesión. Es conocido que, si las paredes son próximas entre sí, la interfaz líquido vapor está curvada en toda su amplitud entre pared y pared. Es conocido que, si las paredes del recipiente están a una distancia superior a la de actuación de las fuerzas de adhesión de las moléculas de agua sobre las paredes, entonces la interfaz líquido gas es plana en la zona central entre paredes y sólo se curva en la proximidad de las paredes.
Sumario La presente invención se define en el apartado de Reivindicaciones.
Un dispositivo compresor de vapor de agua por arrastre de agua líquida en caída vertical a velocidad terminal sometida a fuerzas gravitacionales que denominamos GVC, por sus siglas en inglés de compresor o compresión gravitacional de vapor presenta una capacidad para comprimir vapor de agua con una eficiencia superior a los actuales sistemas y dispositivos de compresión de vapor
El dispositivo de compresión gravitacional de vapor GVC utiliza las fuerzas de arrastre de gota líquida sometida a la fuerza de la gravedad en movimiento relativo respecto a un medio gaseoso de vapor de agua para aumentar la presión del mismo vapor.
El dispositivo de compresión gravitacional de vapor GVC tiene una altura total h que se divide en dos zonas: una zona inicial de ajuste de velocidad con una altura hi en la que la velocidad de la gota líquida se ajusta desde su velocidad inicial de salida de la boquilla hasta llegar a una velocidad relativa respecto al flujo de vapor próxima o igual a su velocidad terminal correspondiente al tamaño de la gota y una zona con una altura hz en la que la velocidad de la gota líquida se mantiene, debido a la gravedad, a una velocidad relativa respecto a la velocidad del flujo de vapor próxima o igual a la velocidad terminal, de caída libre en el ambiente de vapor de agua, que corresponde a su tamaño y a la densidad y viscosidad del vapor de agua atravesado.
A lo largo de la altura hi del compresor gravitacional de vapor GVC la energía cinética de la gota varia, con un efecto positivo sobre la compresión del vapor si la velocidad de salida de la gota es superior a la suma de la velocidad del flujo de vapor más la velocidad terminal de caída de la gota y tiene un efecto negativo en la compresión del vapor si la velocidad de salida de la gota es inferior a la suma de la velocidad del flujo de vapor más la velocidad terminal de caída de la gota.
A lo largo de la altura hi + hz el compresor gravitacional de vapor GVC transfiere energía potencial gravitacional desde la gota mediante la fuerza de arrastre de la gota a lo largo de la altura hi+hz, pero a lo largo de hz la velocidad relativa de la gota con relación al vapor es igual o próxima a la velocidad terminal de caída de la gota en el vapor de forma que en este tramo se produce el menor nivel posible de disipación de energía. El compresor gravitacional de vapor GVC es el único sistema y dispositivo de compresión de vapor que utiliza energía potencial gravitacional de gotas de agua a velocidad relativa terminal y constante, reduciendo los fenómenos de disipación de energía que se producen en el caso de velocidades relativas superiores a la velocidad terminal, como sucede en la actual compresión de vapor HID y que limita la eficiencia energética de los actuales compresores de vapor HID.
El dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC es un compresor de vapor por agua líquida formado por una cámara de compresión vertical, en la parte superior de la cámara de compresión se aporta el vapor de agua a comprimir y la parte superior de la cámara de compresión dispone de una serie de boquillas de agua líquida que forman al menos un haz de gotas finas. El dispositivo compresor funciona con baja velocidad relativa de las gotas respecto al flujo de vapor, de modo que se limitan los fenómenos de disipación de energía por alta velocidad relativa entre la gota y el medio gaseoso en la parte superior hi y el régimen de las gotas a velocidad terminal en el flujo de vapor es laminar o de baja disipación de energía a lo largo de la mayor porción de la altura de la cámara h2.
Dentro de la parte superior de la cámara de compresión, la interacción entre el flujo de gotas y el flujo de vapor ocurre con unas velocidades relativas distintas a la velocidad terminal de caída entre las gotas y el vapor de agua, lo que conlleva unos fenómenos de disipación de energía menores, dada la baja velocidad relativa, a lo largo de una altura hi, hasta que las gotas llegan a la velocidad terminal de caída en el vapor de agua de forma que la fuerza resultante entre gravedad y flotabilidad es igual a la fuerza de arrastre con el medio gaseoso de vapor de agua y la gota pasa a caer a velocidad relativa constante en relación al gas, a velocidad terminal, de forma que las gotas transmiten al vapor fuerzas que se transforman en mayor presión del vapor de agua, comprimiéndolo con una elevada eficiencia energética.
A diferencia de los actuales sistemas de compresión mediante inyección de agua líquida HID, un compresor gravitacional de vapor GVC realiza, dentro de la cámara de compresión, una transformación eficiente de la energía potencial de la gota líquida en energía potencial de compresión del vapor de agua, manteniéndolo en estado saturado, gracias a la aplicación de las fuerzas de gravedad, la transferencia de energía se realiza en condiciones más eficientes, con mínimas velocidades relativas y mínima disipación de energía.
El dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC requiere el aporte de energía potencial mediante una bomba de agua líquida en forma de baja presión del agua que se transforma en elevación del agua en altura, rotura de la tensión superficial para formar gotas y en la energía cinética inicial de las gotas. Para conseguir gotas entre 100 y 300 mieras actualmente se usan boquillas disponibles en el mercado que funcionan con presiones entre 1,5 y 3 bares y con velocidades de salida de la gota de la boquilla entre 10 y 20m/s.
En el diseño de un dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC se determina la velocidad del flujo de vapor según el diámetro de la sección transversal de la cámara de compresión; se determina el diámetro de la gota según el tipo de boquillas utilizadas y la presión a la que se aporta el agua líquida a la boquilla y el diámetro de la gota determinará la velocidad terminal y, en consecuencia, el tiempo de caída de la gota y la masa total de gotas de agua cayendo a velocidad terminal por unidad de tiempo; se determina la diferencia entre la velocidad de salida de la gota líquida y la velocidad del flujo de vapor de agua y esta diferencia de velocidades causará la altura hi hasta ajustarse a un flujo de gotas a velocidad terminal dentro del flujo de vapor; se decide la altura h2 de caída a velocidad terminal a lo largo de la cual se obtendrá una eficiente transformación de energía potencial del agua líquida en mayor energía potencial del vapor en forma de mayor presión. La combinación de estos parámetros en el diseño de un dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC acoplado a un intercambiador de calor latente de alta densidad de regiones de transición, permite la construcción de dispositivos de desalinización por compresión gravitacional de vapor GVCD, por sus siglas en inglés, con rendimientos energéticos agregados superiores o ¡guales al 60%, lo cual permite desalinizar agua de mar con una salinidad de 45.000 ppm por debajo de l,7kWh/m3, cuando el actual récord para salinidad de 40.000ppm es de 2,23kWh/m3 usando dispositivos de osmosis inversa. Un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición comprende tubos o cámaras intercambiadores de calor en los que el agua condensada sobre la cara condensadora y la solución acuosa a evaporar sobre la cara evaporadora fluyen dentro de canales cuyas paredes se encuentran en proximidad inferior o igual a Imm, de forma que el flujo de agua o de solución acuosa dentro de estos canales tiene la interfaz líquido-gas curvada en toda la amplitud de pared a pared lo que consigue una alta densidad de regiones de transición en la superficie de la cara evaporadora y de la cara condensadora.
En una realización del intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición comprende tubos o cámaras evaporadores-condensadores con un perfil de la pared de tubo que en su corte perpendicular al flujo de líquido tiene un perfil sinusoide, en diente de sierra o similar de forma que toda la interfaz líquido gas del agua o la solución acuosa que fluye dentro de microcanales en los que las fuerzas de adhesión del agua sobre la pared lateral del microcanal curva su interfaz líquido gas. Las medidas de los microcanales de la cara evaporadora y de la cara condensadora dependerán de las fuerzas de adhesión y cohesión y ello a su vez depende de las propiedades de la solución salina, de las propiedades del material de la pared de tubo o cámara evaporador condensador, del ángulo de inclinación de las paredes del microcanal y de otros muchos factores como del acabado o tratamiento aplicado a las paredes del tubo o cámara evaporador- condensador con propiedades hidrófilas o hidrófugas.
En una realización las caras de una pared de un tubo o cámara evaporador- condensador de un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición se realizan con aleaciones marinas de aluminio, con un perfil de canales simétricamente alternantes, en diente de sierra o zig-zag que forma unos microcanales tanto en la cara evaporadora como en la cara condensadora de una profundidad inferior o igual a 1 mm y una distancia entre cumbres o vértices del microcanal inferior o igual a 1 mm.
Para conseguir un ciclo de evaporación y condensación, el intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición funciona con un salto térmico o diferencia de temperatura entre la solución acuosa a evaporar en la cara evaporadora del tubo o cámara evaporador-condensador y la temperatura del vapor de agua secundario a condensar en la cara condensadora del tubo o cámara evaporador-condensador inferior o igual a 0,3°C más la elevación del punto de ebullición correspondiente a la salinidad y temperatura de la solución acuosa a evaporar.
Esta diferencia de temperatura de 0,3°C más la elevación del punto de ebullición para agua marina resulta en una diferencia de temperatura inferior a 1°C en comparación con los 3°C que se suelen requerir en los actuales dispositivos desalinizadores por compresión de vapor o de compresión mecánica de vapor. El resultado conseguido con el intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición es un bajo diferencial de temperatura entre la solución acuosa a evaporar y el agua dulce condensada y ello se debe a una estructura de la pared del tubo o cámara evaporador condensador en la que las fuerzas de cohesión y de adhesión de las moléculas de agua posicionan el flujo de la solución acuosa a evaporar de la cara evaporadora del tubo o cámara evaporador-condensador y posicionan el flujo de agua condensada en la cara condensadora del tubo o cámara evaporador condensador de forma que la interfaz líquido gas está curvada en toda la amplitud del flujo entre las paredes de cada microcanal y se consigue una alta densidad de regiones de transición en la cara evaporadora y en la cara condensadora.
El resultado de posicionar los flujos de líquido entre paredes de microcanales de forma que las fuerzas de adhesión y cohesión mantengan la curvatura de la interfaz líquido gas en toda la amplitud del microcanal es el de conseguir una alta densidad de superficie de agua en región de transición tanto en la cara evaporadora como en la cara condensadora. Para lograr una elevada densidad de regiones de transición simultáneamente tanto en la cara evaporadora como en la cara condensadora, la pared del, al menos un tubo o cámara evaporador condensador del intercambiador de calor latente, debe tener el perfil de la sección normal tanto al flujo de solución salina a evaporar como a la del flujo de condesado, en forma simétricamente alternante en la que el menisco evaporador de la cara evaporadora queda alternativamente invertido con relación al menisco condensador de la cara condensadora y así sucesivamente a lo largo del perímetro del tubo o cámara evaporador- condensador, de manera que, las regiones de transición de los meniscos evaporadores y de los meniscos condensadores queden en proximidad.
Breve descripción de las figuras
Una explicación más detallada de la invención se da en la descripción que sigue y que se basa en las figuras adjuntas:
La Figura 1 muestra en un esquema en un corte transversal un compresor gravitacional de vapor GVC,
La Figura 2 muestra en un esquema en un corte transversal un compresor gravitacional de vapor GVC acoplado a un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición,
La Figura 3 muestra en un esquema en un corte longitudinal las tres regiones de un menisco evaporador en proximidad de las tres regiones de un menisco condensador y se destacan las propiedades del flujo de calor desde una región de transición condensadora a una región de transición evaporadora, situadas en proximidad,
La Figura 4 muestra en un esquema en un corte longitudinal las tres regiones de un menisco evaporador en proximidad de las tres regiones de un menisco condensador y se destacan las propiedades del flujo de calor desde una región de transición condensadora y desde una zona libre de agua de la cara condensadora a una región de transición evaporadora, situadas en proximidad, y
La Figura 5 muestra en un esquema en un corte transversal, perpendicular al flujo de solución acuosa de la cara evaporadora y al flujo de agua condensada de la cara condensadora, de una sección de la pared de un tubo o cámara evaporador-condensador de un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición, con un diseño de la pared del tubo o de la cámara evaporador-condensador en forma alternante o capiculado, en forma de eje con codos en lados enfrentados, donde un menisco evaporador queda rotado unos 180°, en simetría inversa con relación a cada uno de los dos meniscos condensadores adyacentes del lado de enfrente y la proximidad de las paredes de los microcanales de la cara evaporadora y de la cara condensadora consigue la curvatura de la interfaz líquido gas, en toda la amplitud del microcanal de pared a pared, del flujo de agua de la cara condensadora y del flujo de solución acuosa de la pared evaporadora consiguiendo una alta densidad de regiones de transición en la superficie de la cara evaporadora y de la cara condensadora y consiguiendo una alta densidad de zonas de alto flujo de calor desde la cara evaporadora a la cara condensadora que resultan en un elevado coeficiente de transferencia de calor latente del intercambiador de calor latente, por unidad de superficie y grado Kelvin de diferencia de temperatura.
Descripción detallada
En relación ahora con las figuras 1 a 5, un dispositivo compresor gravitacional de vapor de agua denominado GVC, por sus siglas en inglés, cómprense una cámara vertical con un primer tramo hi de ajuste de velocidad para flujos de gotas de agua con una velocidad relativa respecto al flujo de vapor distinta a la velocidad terminal de caída de gota y un segundo tramo h2 de la cámara de compresión dedicado a un flujo de gotas a velocidad relativa igual o similar a la velocidad terminal de caída de la gota en el flujo de vapor. El dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC comprende también unas boquillas en la parte superior de la cámara de compresión que aportan gotas finas inferiores a 300 mieras y a una baja velocidad relativa de la gota respecto al flujo de vapor de agua.
El dispositivo compresor GVC si funcionara con gotas superiores o ¡guales a 300 mieras perdería eficiencia energética dado que la altura de la cámara de compresión debe ser superior dada la mayor velocidad terminal de las gotas a medida que aumenta su diámetro.
En el diseño del dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC se determina la velocidad del flujo de vapor según el diámetro interior de la cámara de compresión; se determina el diámetro de la gota según el tipo de boquillas utilizadas y la presión a la que se aporta el agua líquida a la boquilla; se determina también la velocidad terminal de la gota según la distribución de diámetros de gota; se determina el tiempo de caída de la gota según la velocidad terminal y la velocidad del flujo de vapor; se determina la velocidad relativa de salida de la gota con relación al flujo de vapor según el tipo de boquilla y la presión de agua aplicada a la boquilla que, a su vez, determinará la altura hi hasta que las gotas se ajustan a su velocidad terminal; se decide la altura h2 de caída a velocidad terminal a lo largo de la cual se obtendrá una eficiente transformación de energía potencial del agua líquida en mayor energía potencial del vapor en forma de mayor presión del vapor secundario comprimido.
La combinación de estos parámetros en el diseño del dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC acoplado a un intercambiador de calor latente de alta densidad de regiones de transición, permite la construcción de dispositivos de desalinización por compresión gravitacional de vapor GVCD, por sus siglas en inglés, con rendimientos energéticos agregados superiores o ¡guales al 60%, lo cual permite desalinizar agua de mar con una salinidad de 45.000 ppm sólidos disueltos totales por debajo de l,7kWh/m3, cuando el actual récord es de 2,23kWh/m3 usando dispositivos de osmosis inversa.
En relación ahora con la Figura 1, donde se muestra una cámara de compresión vertical 16 con una entrada de vapor de agua 8 en la parte superior de la cámara 16. En la parte superior de cámara 16 se dispone una pluralidad de boquillas de agua líquida a las que se aporta agua a la presión necesaria para elevar el agua hasta la altura hi +h2 y para formar espráis 10 de gotas de agua finas, inferiores o ¡guales a 300 mieras de diámetro.
El dispositivo de compresión gravitacional de vapor GVC funcionaría con gotas de un diámetro superior o igual a 300 mieras, pero cuanto mayor sea el diámetro de la gota mayor será su velocidad terminal y mayor será la altura necesaria de la cámara de compresión 16, lo cual comporta un mayor coste de construcción del dispositivo y un mayor coste energético de elevación del agua.
Actualmente existen en el mercado boquillas que forman un spray de gotas de diámetro entre 100 y 300 mieras con un aporte de agua a una presión entre 1,5 y 3 bares y con velocidades absolutas de salida de las gotas de agua entre 10 y 20m/s.
A lo largo de la altura hi de la cámara de compresión, el flujo de caída de gotas de agua líquida en el medio gaseoso de vapor se produce disipación 9 de energía por la velocidad relativa del flujo de agua con respecto al flujo de vapor, superior a la velocidad terminal de la gota.
Cuando las gotas de agua llegan a su velocidad terminal en el medio gaseoso de vapor de agua, el flujo de gotas de agua líquida en el medio gaseoso de vapor de agua pasa a ser un flujo ordenado, laminar 11 de caída vertical en el que la fuerza de gravedad sobre la gota es equilibrada por las fuerzas de arrastre y de flotabilidad de la gota en el medio gaseoso y las gotas caen a una velocidad relativa con relación al flujo gaseoso constante, a una velocidad terminal, a lo largo de la altura hs de la cámara 16 de compresión.
En el fondo inferior interior de la cámara 16 de compresión se acumula y se evacúa el agua líquida 12 correspondiente a las gotas de agua líquida que han llegado al final de trayecto y que se vuelve a bombear, al menos en parte, a las boquillas superiores para formar nuevos espráis 10 de agua y el vapor de agua comprimido sale de la cámara 16 de compresión por un conducto 13 de salida del vapor de agua secundario de mayor presión y temperatura que el vapor primario de entrada 8.
En relación ahora con la Figura 2 donde se muestra un dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC acoplado mecánicamente a, al menos, un dispositivo de tubos o cámaras y carcasa 1 con, al menos, un intercambiador de calor 2 de alta densidad de regiones de transición. En la parte superior 3 de la cara interior de los tubos o cámaras del intercambiador de calor 2 de alta densidad de regiones de transición se aporta agua a desalinizar que fluye por la cara interior evaporadora de los tubos o cámaras intercambiadores de calor 2 y en la parte inferior interior 4 de los tubos o cámaras intercambiadores de calor sale agua de mar o salmuera 5 que se acumula en el fondo de la carcasa 1 y vapor de agua 7 que se aporta por, al menos, un conducto hasta la entrada de vapor de agua a comprimir 8 en la parte superior del compresor gravitacional de vapor GVC.
La salida del vapor de agua secundario 13 del compresor gravitacional de vapor GVC se conecta mediante un conducto de vapor hasta la entrada del vapor de agua secundario 14 en la cámara condensadora del intercambiador de calor latente y el vapor de agua comprimido se condensa sobre la cara condensadora exterior de los tubos o cámaras del intercambiador de calor 2 de alta densidad de regiones de transición. El agua condensada se acumula en el fondo de la cámara condensadora y se extrae 15 por un conducto evacuador.
En relación ahora con la Figura 3 donde se muestra la interfaz liquido gas curvada o menisco líquido de solución acuosa a desalinizar en una cara evaporadora del, al menos un, tubo o cámara del, al menos un, intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición se divide en tres regiones: la región de adsorción 23 donde la película líquida delgada se mantiene fuertemente adherida al sustrato sólido 17 de la pared del tubo o cámara evaporador condensador por las fuerzas intermoleculares entre el líquido y el sólido, en esta región de adsorción 23 la resistencia térmica por conducción es pequeña y la resistencia térmica interfacial es grande de forma que la evaporación es casi inexistente en esta región de adsorción 23, la región masiva 18 del menisco con una gran resistencia térmica por conducción térmica debida al grosor de la capa de agua y en la que la resistencia interfacial térmica es pequeña, y la región de transición 19 que se caracteriza por tener la menor resistencia térmica agregada y permitir el mayor flujo Q de calor por unidad de superficie con la región de transición 22 condensadora
En relación con la Figura 3 donde también se muestra la interfaz líquido gas curvada o menisco de agua condensada sobre la cara condensadora del intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición se divide en tres regiones: la región de adsorción 20, la región masiva 21 del menisco y la región de transición 22. Al colocar en proximidad las regiones de transición 19 y 22, a ambos lados de la pared 17 del tubo o cámara evaporadora-condensadora de un tubo o cámara de intercambio de calor de alta densidad de regiones de transición, se consigue un pasaje de intercambio de flujo Q de calor por el que el calor latente liberado por el vapor 14 condensado sobre la región de transición 22 condensadora fluye con una baja resistencia térmica y con un bajo gradiente térmico hacia la región de transición 19 evaporadora donde la energía Q es absorbida, al menos en parte, como calor latente de evaporación para el vapor 7 evaporado desde la cara evaporadora.
Una alta densidad de regiones de transición en la cara condensadora y en la cara evaporadora consiguen un alto coeficiente de transferencia de calor por unidad de superficie y unidad de gradiente de temperatura del tubo o cámara evaporador condensador, lo cual permite operar con bajos diferenciales de temperatura entre la cara evaporadora y la condensadora. Asimismo, el diseño de la superficie condensadora con microcanales asegura el drenaje pasivo ordenado del agua condensada por capilaridad dentro de los microcanales, asegurando la existencia de superficies libres de películas de agua térmicamente aislantes.
En relación ahora con la Figura 4, la cara condensadora tiene zonas libres de agua donde el vapor 24 se condensa directamente sobre la cara condensadora de la pared 17 de, al menos, un tubo o cámara evaporador- condensador.
Estas zonas libres de agua se producen por diseño de la cara condensadora con zonas parcialmente recubiertas de una capa hidrófuga que repele rápidamente las gotas que se forman por condensación, también se producen como resultado de efectos de oscilaciones dinámicas libres o forzadas en el flujo del agua condensada dentro de la estructura condensadora y también se producen por diseño de los microcanales con una profundidad superior a la cubierta por el flujo de agua condensada.
La proximidad de las regiones de transición evaporadora 19 con regiones de transición condensadoras 22 y con zonas de condensación de vapor 24 sin agua de la cara condensadora crea vías de alto flujo Qi, Q2 de calor y baja resistencia térmica.
La Figura 5, muestra de forma esquemática un corte transversal, perpendicular al flujo de solución acuosa de la cara evaporadora y del flujo de agua condensada sobre la cara condensadora, de un segmento de pared 25 de un tubo o una cámara evaporador-condensador de un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición que muestra el perfil curvado de la interfaz líquido gas del flujo de solución salina 26 a evaporar que fluye dentro de un microcanal de la cara evaporadora, con curvatura de la interfaz líquido gas en toda la amplitud de para a pared del microcanal, y el perfil curvado de la interfaz líquido gas del flujo de agua 27 condensada que fluye dentro de un microcanal de la cara condensadora, con curvatura de la interfaz líquido gas en toda la amplitud de pared a pared del microcanal. La curvatura de la interfaz líquido-gas a lo ancho de los microcanales que cubren, al menos en parte la cara evporadora y por los que fluye la solución salina a evaporar 26 consigue una alta densidad de regiones de transición 19 en la curvatura de la interfaz líquido-vapor de la solución salina a desalinizar y con la consiguiente alta densidad de zonas con un elevado flujo de calor latente de evaporación que absorbe el vapor evaporado 7. La curvatura de la interfaz líquido-gas a lo ancho de los microcanales que cubren, al menos en parte, la cara condensadora y por los que fluye el agua condensada 27 consigue una alta densidad de regiones de transición 22 en la curvatura de la interfaz líquido-vapor del agua condensada y con la consiguiente alta densidad de zonas con un elevado flujo de calor latente de condensación liberado por el vapor condensado 14.
La forma sinusoidal de la pared 25 alterna en inversiones sucesivas, con rotaciones de 180°, un menisco evaporador 26 y un menisco condensador 27 en simetría inversa, de forma que la región de transición condensadora 22 de un menisco condensador 27 en donde se produce la condensación de vapor 14 liberando calor latente de condensación con un mayor flujo de energía por unidad de superficie, queda en proximidad de una región de transición evaporadora 19 de un menisco evaporador 26 absorbiendo calor latente de evaporación y generado vapor primario 7 con un mayor flujo de energía absorbida por unidad de superficie. La elevada densidad de regiones de transición que se producen en esta estructura alternante de microcanales evaporadores y microcanales condensadores u otra estructura en diente de sierra, zigzag o similar consiguen una alta densidad de trayectos de alto flujo Qi de energía en forma de calor latente liberado en la región de transición condensadora 22 y una alta densidad de trayectos de alto flujo Q2 de energía en forma de calor latente liberado en una superficie libre de agua de la cara condensadora donde condensa vapor 24, que fluyen hasta la región de transición 19 evaporadora de la cara evaporadora donde la energía es absorbida en forma de calor latente de evaporación en la generación de vapor primario 7
Una forma de realización de los tubos o cámaras intercambiadores de calorevaporador-condensador con pared 25 sinusoidal, en zigzag, diente de sierra o similar es por extrusión de aleaciones de aluminio o por estampado formando unos microcanales de Imm de profundidad y de lmm de ancho de cumbre a cumbre de cada microcanal. La profundidad mayor a lmm gestiona mayores caudales y se consiguen tubos o cámaras evaporadores condensadores de mayor longitud. La profundidad de los mircrocanales menor o igual a 1 mm, resulta en más canales por unidad de perímetro del tubo o cámara evaporador condensador y, en consecuencia, se aumenta el número de regiones de transición por unidad de superficie de tubo o cámara evaporador condensador. Para anchos de los microcanales superiores a Imm a medida que se aumenta el ancho aparecen zonas planas, sin curvatura, de la interfaz liquido vapor, se reduce la densidad de regiones de transición y se reduce la eficiencia del intercambiador de calor. En estas zonas planas de la interfaz líquido vapor la transmisión de calor latente tanto de evaporación como de condensación es muy poco eficiente lo que penaliza la eficiencia del intercambiador de calor. La forma sinusoidal se modifica con un perfil de extremos en ángulo, creando una forma en zigzag, o con extremos planos, creando una forma almenada, en lugar de extremos redondeados de la sinusoidal.
La elevada densidad de regiones de transición es inalcanzable con los actuales tubos o cámaras evaporadores-condensadores de doble estriado, double flutted, diseñados para crear turbulencia en los flujos de agua descendentes dado que en estos tubos se formarían amplias zonas de interfaz líquido gas plana, y es inalcanzable con tubos estriados o ranurados en una sola cara dado que ello resultaría en la ausencia de regiones de transición en la cara no estriada o ranurada.
La incorporación de un compresor gravitacional de vapor GVC a un dispositivo de carcasa y tubos o cámaras con, al menos, un intercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición realiza ciclos de evaporación de agua de mar de 45.000ppm sólidos disueltos totales de salinidad y condensación del vapor de agua secundario comprimido por el compresor gravitacional de vapor GVC con diferencias de presión en torno a lOOPa entre la presión del valor primario evaporado 7 en la cara evaporadora interior de los tubos o cámaras del intercambiador de calor 2 de alta densidad de regiones de transición y la presión del vapor secundario comprimido 14 condensado en la cara condensadora del haz de tubos del intercambiador de calor 2 de alta densidad de regiones de transición. Este incremento de presión del vapor de agua se consigue con una eficiencia energética agregada del compresor gravitacional de vapor GVC en toda su altura, hi más h2, superior al 60%, lo cual resulta en consumos específicos de energía para desalinizar agua de mar de 45.000ppm sólidos disueltos totales por debajo de l,7kWh/m3 de agua producida, cuando el actual récord de consumo específico de energía para desalineación está en 2,23 kWh/m3 y utilizando dispositivos de osmosis inversa.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC, caracterizado por que el dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC comprende al menos una cámara (16) vertical de compresión, una pluralidad de boquillas de generación de espráis (10) de gotas que forman un flujo de gotas en el flujo de vapor de agua a lo largo de una altura hi de la carcasa vertical 16 en el que las gotas de los haces de gotas (10) ajustan su velocidad hasta llegar a una velocidad igual o similar a la velocidad terminal de caída en relación al flujo de gas, comprende una altura h2 de la cámara de compresión 16 en la que las gotas de agua caen en flujo ordenado (11) con una velocidad de las gotas igual o próxima a la velocidad terminal de las gotas en un flujo de vapor de agua y comprimen el vapor de agua y comprende un conducto de salida de vapor secundario (13).
2. Dispositivo compresor de acuerdo con la reivindicación 1, donde el dispositivo compresor gravitacional de vapor GVC está acoplado mecánicamente a un dispositivo evaporador condensador (1), el vapor primario a comprimir (8) proviene del vapor evaporado (7) de la cara evaporadora de los tubos o cámaras evaporadores condensadores de un intercambiador de calor (2) de alta densidad de regiones de transición y el vapor secundario (13) se aporta como vapor a condensar (14) en la cara condensadora de los tubos o cámaras evaporadores condensadores de un intercambiador de calor (2) de alta densidad de regiones de transición.
3. Dispositivo compresor acoplado mecánicamente a un dispositivo evaporador condensador de acuerdo con la reivindicación 2, donde el dispositivo evaporador condensador (1) comprende al menos un intercambiador de calor (2) de alta densidad de regiones de transición donde la cara evaporadora está cubierta, al menos en parte, de microcanales por los que fluye la solución salina a evaporar con la interfaz líquido gas curvada en todo el ancho de pared a pared del microcanal y por tener la cara condensadora cubierta, al menos en parte, de microcanales por los que fluye el agua condensada con la interfaz líquido gas curvada en todo el ancho de pared a pared del microcanal.
4. Dispositivo compresor acoplado mecánicamente a un dispositivo evaporador condensador (1) de acuerdo con la reivindicación 3, donde el ¡ntercambiador de calor de alta densidad de regiones de transición está caracterizado por que la región de transición (19) de un menisco o curvatura de la interfaz líquido gas de la cara evaporadora está en proximidad de una región de transición (22) de un menisco o curvatura de la interfaz líquido gas de agua de la cara condensadora o de una zona libre de agua de la cara condensadora sobre la que se condensa vapor (24) y se crea una vía de transferencia rápida de calor latente en la que el flujo de energía en forma de calor latente liberado por el vapor (14) condensado sobre la región de transición condensadora (22) de la cara condensadora o el vapor (24) condensado sobre una zona libre de agua de la cara condensadora fluyen con baja resistencia térmica, con un bajo gradiente de temperatura y con un elevado flujo de calor a la región de transición evaporadora (19) de la cara evaporadora donde el flujo de energía se transforma, al menos en parte, en calor latente de evaporación del vapor (7) evaporado.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004026767A2 (en) * 2002-09-20 2004-04-01 Levine Michael R Desalinization still
WO2009000016A1 (en) * 2007-06-22 2008-12-31 Desalination Technology Pty Ltd Desalination
US20110017583A1 (en) * 2009-07-26 2011-01-27 Michael John Lord Method and Apparatus for Effluent Free Sea Water Desalination
ES2688450T3 (es) * 2010-04-13 2018-11-02 Sanhua (Hangzhou) Micro Channel Heat Exchanger Co., Ltd. Intercambiador de calor con microcanales curvados

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004026767A2 (en) * 2002-09-20 2004-04-01 Levine Michael R Desalinization still
WO2009000016A1 (en) * 2007-06-22 2008-12-31 Desalination Technology Pty Ltd Desalination
US20110017583A1 (en) * 2009-07-26 2011-01-27 Michael John Lord Method and Apparatus for Effluent Free Sea Water Desalination
ES2688450T3 (es) * 2010-04-13 2018-11-02 Sanhua (Hangzhou) Micro Channel Heat Exchanger Co., Ltd. Intercambiador de calor con microcanales curvados

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