ES2200112T3 - Aleta metalica para un intercambiador de calor. - Google Patents

Abstract

UNA ALETA METALICA (1) CONSTA DE UNA PARTE CENTRAL (12) PROVISTA DE AL MENOS UNA SERIE (6) DE LAMINILLAS FIJAS INCLINADAS (7-1, 7-2) DE FORMA ELEGIDA Y SEPARADAS ENTRE SI POR ABERTURAS (8) DE DIMENSIONES ELEGIDAS QUE PERMITEN EL PASO DE UN FLUIDO ENTRE LAS LAMINILLAS. LAS LAMINILLAS DE UNA MISMA SERIE ESTAN DISTRIBUIDAS AL MENOS EN DOS GRUPOS CUYAS INCLINACIONES RESPECTIVAS VARIAN DE UN GRUPO A OTRO.

Description

Aleta metálica para un intercambiador de calor.

La invención se refiere a las aletas metálicas utilizadas en los intercambiadores de calor, soldadas o montadas mecánicamente, para formar superficies de intercambio diferentes destinadas para aumentar las superficies de intercambio entre tubos por los cuales circula un primer fluido caliente o frío, y un segundo fluido, por ejemplo aire, que circula entre estos tubos.

Estas aletas están generalmente realizadas en forma de placas superpuestas las unas por encima de las otras (intercambiador de calor montado mecánicamente), y en este caso las mismas son atravesadas por los tubos, o bien plegadas prácticamente en forma de acordeón (intercambiador de calor soldado) y en este caso las mismas están intercaladas entre los tubos.

Algunas aletas conocidas comprenden una parte central provista de al menos una serie de laminillas fijas inclinadas con un ángulo constante, de forma elegida, y separadas las unas de las otras por unas aberturas de dimensiones elegidas que permiten el paso del fluido entre las laminillas. Tales aletas, denominadas aletas de persianas, se describen por ejemplo en la publicación US - 5.289.874.

La realización de persianas sobre las superficies de intercambio indirectas permite desde luego aumentar los intercambios térmicos, pero aumenta al mismo tiempo las pérdidas de carga, las cuales disminuyen el rendimiento del intercambiador de calor. Este efecto es el número de aletas superpuestas. Puede también reforzarse si la instalación tiene varios intercambiadores de calor montados en serie.

Además, el experto en la materia sabe que las persianas de laminillas de inclinación constante son tanto más propicias a las pérdidas de carga cuanto más importante es su inclinación, lo cual es generalmente el caso en los intercambiadores de calor conocidos donde las aletas presentan una inclinación de aproximadamente 35º. Tales ángulos provocan un desprendimiento de la capa límite en los lugares donde el fluido (por ejemplo el aire) inicia su cambio de dirección, y por consiguiente, se crea cerca de las paredes de las zonas velocidades muy bajas denominadas "de recirculación de aire" y "de agua muerta" que, desde un punto de vista térmico, son malas debido a que la convención no puede ya producirse normalmente.

En consecuencia, un objetivo de la invención es proporcionar una aleta metálica que no presente la totalidad o parte de los inconvenientes de las aletas de la técnica anterior. El documento US-A-5.035.052 describe una aleta según el preámbulo de la reivindicación 1. La invención propone una aleta según la reivindicación 1.

La inclinación de las laminillas de un grupo será tanto mayor cuanto más elevado sea el número de orden del grupo. Así, las laminillas de un primer grupo presentarán una primera inclinación cuyo valor será inferior al de un segundo grupo, el cual será eventualmente el mismo inferior al de un tercer grupo.

En la medida en que las aletas comprenden laminillas con al menos dos inclinaciones diferentes, se reducen notablemente las pérdidas de carga.

Características opcionales de la invención son objeto de las reivindicaciones dependientes.

Preferentemente, laminillas próximas de inclinaciones respectivas diferentes pertenecen a dos grupos de laminillas cuyos números de orden se siguen o se preceden. Por ejemplo, una laminilla del primer grupo será seguida de una laminilla del segundo grupo cuya inclinación es más importante. Los cambios de dirección del fluido varían así progresivamente, y por consiguiente más suavemente, lo cual permite limitar los desprendimientos de la capa límite y por consiguiente permitir operar a una mayor superficie de intercambio indirecto.

Por otro lado, algunas aletas de la técnica anterior comprenden río arriba de la laminilla de la primera fila una laminilla auxiliar en dirección hacia arriba fija espaciada de la laminilla de la primera fila por una abertura de forma seleccionada. Esta laminilla auxiliar está destinada para canalizar el fluido al comienzo de la serie. Ahora bien, esta laminilla auxiliar en dirección hacia arriba presenta generalmente una longitud sensiblemente igual a la mitad de la longitud de las laminillas de la serie, lo cual hace que la misma no redirija suficientemente el fluido. Según la reivindicación 3, el extremo libre de la laminilla auxiliar río arriba se encuentra situada a una altura más baja que los niveles respectivos de las laminillas de la serie, lo cual permite redirigir eficazmente el fluido. Este fluido queda entonces enseguida bien orientado y, por otra parte, los bordes de ataque de las laminillas de la serie son mejor abordados, y por otra parte, la probabilidad de desprendimiento de la capa límite de la pared se reduce notablemente.

Algunas aletas de la técnica anterior, comprenden igualmente, río abajo de la laminilla de la última fila, una laminilla auxiliar río abajo fija espaciada de la laminilla de la última fila por una abertura de forma seleccionada. Esta laminilla auxiliar río abajo está destinada, como la laminilla auxiliar río arriba para canalizar el fluido al término de la serie. Ahora bien, esta laminilla auxiliar río abajo presenta generalmente una longitud sensiblemente igual a la mitad de la longitud de las laminillas de la serie, lo cual hace que no redirija suficientemente el fluido.

Es por lo que está prevista la característica de la reivindicación 4.

Cuando la aleta comprende al menos dos series de laminillas que se siguen (llamadas respectivamente en serie río arriba y en serie río abajo), éstas pueden estar unidas entre sí por mediación de la laminilla auxiliar río abajo de una y la laminilla auxiliar río arriba de la otra. Eso contribuye a la pérdida de carga, y por consiguiente a mejorar el rendimiento del intercambiador de calor.

De forma particularmente ventajosa, las laminillas auxiliares presentan una inclinación inferior o igual a la de las laminillas del primer grupo de la serie. Más preferentemente, esta inclinación es inferior a la de las laminillas del primer grupo con un valor comprendido entre aproximadamente 1º y aproximadamente 20º.

En el primer modo de realización, las series de laminillas próximas presentan los mismos grupos de laminillas.

En este caso, es preferible que los grupos de idéntico número de orden de dos series de laminillas próximas presenten orientaciones opuestas. Eso permite subdividir el fluido en capas que penetrarán cada una entre dos laminillas de la serie río arriba y volverán a salir entre las dos laminillas correspondientes de la serie río abajo situadas simétricamente con relación a un plano de simetría medio.

En un segundo modo de realización, las series de laminillas próximas presentan grupos de laminillas diferentes.

Según la invención, las inclinaciones de las laminillas están comprendidas dentro de una horquilla que va de 15º a 35º. Las fuertes inclinaciones (típicamente superioresw a 30º) no presentan ya, en adelante, inconvenientes, ya que su influencia nefasta sobre el fluido está compensada al menos por el hecho de que se utilizan laminillas con inclinaciones diferentes.

Por otro lado, es preferible que la inclinación de las laminillas del primer grupo sea inferior a la de las laminillas del grupo cuyo número de orden es el más elevado con un valor comprendido entre aproximadamente 1º y aproximadamente 15º.

La invención se aplica más particularmente a las aletas realizadas en aluminio o en una aleación de aluminio, o también de cobre.

En la descripción que sigue, realizada a título de ejemplo, se hace referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

- la figura 1 ilustra una parte de un intercambiador de calor soldado equipado con aletas onduladas;

- la figura 2 ilustra una parte de un intercambiador de calor montado mecánicamente, equipado con aletas planas; y

- la figura 3 ilustra en una vista en sección transversal una parte de una aleta según la invención, en un modo de realización preferente.

Un intercambiador de calor tiene por objetivo principal permitir un intercambio de calorías entre un primer fluido que circula por el interior de algunos de estos elementos y un segundo fluido que circula por el exterior de los indicados elementos. Para ello, el intercambiador de calor comprende generalmente tubos 1 cuyos extremos desembocan en unas cajas colectoras y por las cuales circula el primer fluido, por ejemplo un fluido frigorígeno, y que son lamidas por el segundo fluido, por ejemplo aire.

Con el fin de mejorar el intercambio de calorías (intercambio térmico), el experto en la materia aumenta la superficie de intercambio (aquí las paredes de los tubos) añadiéndole superficies de intercambio indirectas que se denominan aletas 2.

Estas aletas son metálicas, y preferentemente realizadas en aluminio o en aleación de aluminio. Las mismas pueden ser igualmente realizadas en cobre.

Como se ha ilustrado en las figuras 1 y 2, según el tipo de intercambiador de calor, las aletas tomarán formas sensiblemente diferentes.

En los intercambiadores de calor soldados (ver figura 1), las aletas se realizan a partir de una placa plegada sensiblemente en forma de acordeón. Se las denomina entonces de intercalación. Una intercalación comprende así una multiplicidad de aletas situadas sensiblemente de forma paralela las unas a las otras, en una posición perpendicular con relación al eje longitudinal de los tubos 1, y entre dos tubos próximos 1, o entre una cara de extremo 3 y un tubo 1.

En los intercambiadores montados mecánicamente (ver figura 2), las aletas son placas planas en las cuales están previstos unos orificios 4 que permiten el paso de tubos 1. Se habla entonces de placas-aletas. Estas se superponen las unas por encima de las otras, de forma sensiblemente paralela, en un plano perpendicular al eje longitudinal de los tubos 1.

Sea cual fuere el modo de realización del intercambiador de calor, la aleta que comprende está preferentemente realizada en forma de una o varias persianas. Cada persiana se realiza en una parte central 12 de la aleta 1, y está constituida por una serie 6 de laminillas 7 que presentan generalmente formas elegidas idénticas y están separadas las unas de las otras por aberturas 8, igualmente de formas elegidas idénticas.

Para realizar estas persianas en una aleta, se parte de una placa metálica en la cual se realizan recortes paralelos y espaciados de una longitud L. Luego, conformando de forma adecuada las zonas metálicas comprendidas entre dos cortes, de anchura L, se realizan las laminillas 7 formando las aberturas 8.

Las aletas de la técnica anterior son fijas, y presentan todas una misma inclinación con relación a un eje X-X contenido en el plano de la aleta y sensiblemente perpendicular al alineamiento de las laminillas 7 de una serie 6.

Como se ha explicado en la introducción, la firma solicitante se ha dado cuenta que la realización de persianas de laminillas de inclinación constante, presentaba un cierto número de inconvenientes, particularmente en lo que respecta a las pérdidas de cargas. Es por lo que, según la invención, las laminillas 7 de una serie 6 presentan al menos dos inclinaciones diferentes \theta_{1} y \theta_{2}.

Una serie 6 de laminillas comprende por consiguiente al menos dos grupos de laminillas fijas idénticas, teniendo cada grupo una inclinación adecuada. Así, en el ejemplo ilustrado en la figura 3, la serie 6-1 comprende un primer grupo de cuatro laminillas 7-1 de inclinación \theta_{1}, y un segundo grupo de tres laminillas 7-2 de inclinación \theta_{2}.

Bien entendido, se podrían prever tres grupos de inclinaciones diferentes, o más de tres grupos.

La laminilla de la primera fila de una serie (primera laminilla partiendo de la izquierda) así como la laminilla de la última fija (última laminilla de la serie partiendo de la izquierda o primera laminilla partiendo de la derecha), pertenecen al primer grupo.

En el ejemplo ilustrado en la figura 3, la serie comienza por dos laminillas 7-1 del primer grupo, luego la misma se continúa por tres laminillas 7-2 del segundo grupo, y por último la misma se termina por dos laminillas 7-1 del primer grupo. Bien entendido, no es obligatorio que la serie de laminillas tenga un plano de simetría, como es el caso en el ejemplo ilustrado en la figura 3 donde el indicado plano de simetría está situado sensiblemente en el centro de la segunda laminilla 7-2 del segundo grupo. De igual modo, se podría perfectamente considerar tener sólo en una serie 6 laminillas 7-1 de un primer grupo seguidas de laminillas 7-2 de un segundo grupo, y eventualmente laminillas (7-3) de un tercer grupo.

Realizando series 6-1, se subdivide el segundo fluido, que circula entre las aletas, en capas sucesivas cuyas direcciones respectivas difieren según los ángulos de inclinación de las laminillas entre las cuales circulan. En la medida en que las capas cuya dirección está débilmente inclinada preceden a las capas cuya dirección se encuentra más fuertemente inclinada, las primeras tendrán tendencia a aplicar las segundas (siguientes) contra las paredes, contribuyendo así a aumentar notablemente el intercambio térmico de las aletas (superficies de intercambio indirectas).

Preferentemente, se prevé río arriba y río abajo de una serie 6 de laminillas 7 respectivamente una laminilla auxiliar río arriba 9 y una laminilla auxiliar río abajo 10 de identica anchura L que las laminillas 7-1 de la serie. Estas laminillas auxiliares se realizan igualmente por recorte de la parte central 12 de la aleta y están espaciadas de la laminilla que las preceden o las siguen por una abertura 13 de dimensiones elegidas, que son de hecho sensiblemente iguales a las dimensiones de una laminilla auxiliar. El extremo libre 14 de las laminillas auxiliares se encuentra situado a un nivel más bajo que los niveles respectivos de las laminillas 7-1 de la serie que las mismas encuadran, lo cual permite redirigir eficazmente el segundo fluido a la entrada y a la salida de la serie, y por consiguiente conducir mejor la circulación de este segundo fluido. Los bordes de ataque de cada laminilla, y particularmente de la primera laminilla de la serie 7-1 son entonces mejor abordados, reduciendo otro tanto la probabilidad de desprendimiento de las capas límites que se forman sobre la pared que constituye una aleta.

Siempre preferentemente, las laminillas auxiliares río arriba 9 y río abajo 10 presentan una inclinación \theta_{0} de las laminillas inferior o igual a la inclinación \theta_{1} de las laminillas 7-1 del primer grupo. Más preferentemente aún, la inclinación \theta_{0} de las laminillas auxiliares es inferior en aproximadamente 1º a aproximadamente 20º con relación a la inclinación \theta_{1}.

Una persiana completa comprende entonces una serie 6 de laminillas 7 encuadrada entre dos laminillas auxiliares 9 y 10. El ángulo de inclinación \theta_{1} va preferentemente aumentando partiendo de la laminilla auxiliar río arriba 9, al menos hasta el centro de la serie de laminillas, luego siempre preferentemente disminuye de forma prácticamente simétrica hasta la laminilla auxiliar río abajo 10. Eso permite suavizar aún más los cambios de dirección impuestos al fluido, mejorando también el rendimiento del intercambiador de calor.

La firma solicitante ha observado así que se podía obtener, gracias a las aletas según la invención, una mejora de los rendimientos del intercambiador de calor.

Por otro lado, y como se ha ilustrado en la figura 3, una aleta puede comprender dos series 6-1 y 6-2 de laminillas 7, o más, como por ejemplo tres, o cuatro.

Con el fin de favorecer la circulación entre dos aletas superpuestas 1-1 y 1-2 se prevé preferentemente, en cada aleta dos series 6-1 y 6-2 de laminillas idénticas, pero orientadas de forma opuesta. Así, una capa de segundo fluido que penetra entre, por ejemplo, dos aletas 7-1 del primer grupo de la primera serie 6-1 tendrá naturalmente tendencia a salir de nuevo entre las dos laminillas 7-1 de la segunda serie 6-2, de inclinación \theta_{1} opuesta, y colocadas simétricamente con relación al eje Y-Y. De igual modo, una capa de segundo fluido que penetra entre dos laminillas 7-2 del segundo grupo de la primera serie 6-1 tendrá naturalmente tendencia a salir de nuevo entre dos laminillas 7-2 de la segunda serie 6-2, de inclinación \theta_{2} opuesta, y colocadas simétricamente con relación al eje Y-Y.

Esta circulación se materializa parcialmente en la figura 3 por las flechas F1 y F2.

La distancia que separa el final de la primera serie 6-1 del final de la segunda serie 6-2 se elige generalmente de forma que permita la circulación directa (flecha F3) del segundo fluido entre los pares constituidos, por una parte, por la primera laminilla 7-1 de la primera serie 6-1 y la laminilla auxiliar río abajo 10 de esta misma serie 6-1, y por otra parte, la laminilla auxiliar río arriba 9 de la segunda serie 6-2 y la primera laminilla 7-1 de esta segunda serie 6-2. Para ello, las dos laminillas auxiliares río abajo 10 de la primera serie 6-1 y río arriba 9 de la segunda serie 6-2 están unidas, bien sea directamente una a la otra, o por mediación de una superficie semiplana 11, como se ha ilustrado en la figura 3. Bien entendido, esta superficie semiplana no es indispensable. Depende particularmente de la amplitud de la inclinación de las laminillas auxiliares.

Según la firma solicitante, es preferible que la diferencia de inclinación entre dos laminillas próximas pertenecientes a dos grupos de números de orden sucesivos (por ejemplo entre un primer grupo y un segundo grupo) se encuentre comprendida entre aproximadamente 1º y 15º, de forma que los cambios de dirección de las capas próximas de segundo fluido sean progresivos.

En el ejemplo ilustrado en la figura 3, los tres ángulos de inclinación elegidos son así, respectivamente, iguales a 20º para \theta_{0}, 24º para \theta_{1}, y 28º para \theta_{2}. Pero bien entendido, otros valores de ángulo de inclinación pueden considerarse según las configuraciones elegidas.

En el ejemplo ilustrado en la figura 3, se ha representado una aleta provista de dos series de persianas idénticas, pero de orientación opuesta con relación al eje Y-Y. Además, las diferentes aletas están en ellas superpuestas las unas por encima de las otras, sensiblemente paralelas entre sí, e idénticas. Se puede sin embargo considerar realizar aletas disimétricas, es decir que presenten series de laminillas no idénticas. De igual modo, las aletas superpuestas las unas por encima de las otras podrán ser diferentes entre sí, es decir presentar una o varias series incluyendo grupos de aletas cuyos números respectivos de laminillas y las inclinaciones no sean idénticas de una aleta a la otra.

La invención se aplica tanto a las aletas de intercalación del tipo de las ilustradas en la figura 1, como a las placas-aletas del tipo ilustrado en la figura 2.

Claims (14)

1. Aleta metálica (1) para un intercambiador de calor que comprende una parte central (12) provista de al menos una serie (6) de laminillas fijas (7) de forma elegida, todas inclinadas según un ángulo comprendido entre 15º y 35º contado en el mismo sentido con relación al plano de la aleta y espaciadas las unas de las otras por unas aberturas (8) de dimensiones elegidas adecuadas para permitir el paso de un fluido entre las indicadas laminillas, estando las laminillas (7) de una misma serie (6) repartidas en al menos dos grupos de al menos una unidad, cuyos ángulos de inclinación respectivos varían de un grupo a otro, presentando los grupos un número de orden creciente con el ángulo de inclinación de sus laminillas respectivas,

caracterizada por el hecho de que,

las laminillas colocadas respectivamente al comienzo de la serie y/o al final de la serie pertenecen al grupo de laminillas con número de orden más bajo, de dicho primer grupo.

2. Aleta según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que dos laminillas próximas (7-1, 7-2) de inclinaciones diferentes pertenecen a dos grupos de laminillas cuyos números de orden se siguen o se preceden.

3. Aleta según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizada por el hecho de que comprende río arriba de la laminilla río arriba (7-1) de una serie (6) una laminilla auxiliar río arriba (9) fija de dimensiones sensiblemente iguales o superiores a las de las laminillas (7-1) de la serie (6), espaciada de la indicada laminilla río arriba (7-1) por una abertura (13) de forma elegida y uniéndose río arriba con la parte de la aleta situada río arriba de la laminilla auxiliar río arriba.

4. Aleta según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que comprende río abajo de la laminilla río abajo )(7-1) de una serie (6) una laminilla auxiliar río abajo (10) fija de dimensiones sensiblemente iguales o superiores a las de las laminillas (7-1) de la serie (6), espaciada de la indicada laminilla río abajo (7-1) por una abertura (13) de forma elegida y uniéndose río abajo con la parte de la aleta situada río abajo de la laminilla auxiliar río abajo.

5. Aleta según una de las reivindicaciones 3 y 4, caracterizada por el hecho de que las laminillas auxiliares (9, 10) presentan una inclinación inferior o igual a la de las laminillas (7-1) del primer grupo de la serie (6).

6. Aleta según la reivindicación 5, caracterizada por el hecho de que la inclinación de las laminillas auxiliares (9,10) es inferior a la de las laminillas (7-1) del primer grupo en un valor comprendido entre aproximadamente 1º y aproximadamente 20º.

7. Aleta según una de las reivindicaciones 4 a 6, relacionada con la reivindicación 3, caracterizada por el hecho de que el ángulo de inclinación (\theta_{1}) de las laminillas va aumentando partiendo de la laminilla auxiliar río arriba (9), al menos hasta el centro de la serie de laminillas, luego disminuyendo de modo sensiblemente simétrico hasta la laminilla auxiliar río abajo (10).

8. Aleta según una de las reivindicaciones 4 a 7, relacionada con la reivindicación 3, caracterizada por el hecho de que comprende al menos una serie río arriba (6-1) y una serie río bajo (6-2) de laminillas (7), conectadas entre sí por mediación de la laminilla auxiliar río abajo (10) de una y de la laminilla auxiliar río arriba (9) de la otra.

9. Aleta según la reivindicación 8, caracterizada por el hecho de que las series de laminillas próximas tienen los mismos grupos de laminillas (7-1).

10. Aleta según la reivindicación 8, caracterizada por el hecho de que las series de laminillas próximas presentan grupos de laminillas diferentes.

11. Aleta según una de las reivindicaciones 9 y 10, caracterizada por el hecho de que los ángulos de inclinación de las laminillas de dos series próximas
(6-1, 6-2) están orientados en sentidos opuestos con relación al plano de la aleta.

12. Aleta según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que el ángulo de inclinación (\theta1) de las laminillas (7-1) del primer grupo es inferior al de las laminillas del grupo (7-2) que presenta el ángulo de inclinación más elevado (\theta_{2}) en un valor comprendido entre aproximadamente 1º y aproximadamente 20º.

13. Aleta según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada por el hecho de que está realizada en aluminio o en una aleación de aluminio.

14. Aleta según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizada por el hecho de que la misma está realizada en cobre.