ES2275594T3

ES2275594T3 - Intercambiador de calor.

Info

Publication number: ES2275594T3
Application number: ES01121546T
Authority: ES
Inventors: Piero Pasqualini
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-19
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2007-06-16
Anticipated expiration: 2021-09-10
Also published as: ITMI20002039A0; DE60124191D1; EP1189007B1; EP1189007A2; IT1318877B1; EP1189007A3; DE60124191T2; ATE344430T1; ITMI20002039A1

Abstract

Condensador evaporativo que comprende un intercambiador de calor que comprende una pluralidad de pares de tubos (9, 10), consistiendo cada par en un tubo (9) interior dispuesto coaxialmente a un tubo (10) exterior de modo que dejan un espacio (18) en el que puede fluir un fluido, estando fijados los tubos (9) interiores en sus extremos a una primera placa (7) tubular terminal y a una segunda placa (7'') tubular terminal, estando fijados los tubos (10) exteriores en sus extremos a una primera placa (8) tubular intermedia y a una segunda placa (8'') tubular intermedia, estando dispuestas las placas tubulares sustancialmente en ángulos rectos a los tubos, estando rodeadas lateralmente las placas (7, 8, 7'', 8'') tubulares por carcasas (14, 15, 13) para crear una primera cámara (24) entre la primera placa (7) tubular terminal y la primera placa (8) tubular intermedia, una cámara (25) intermedia entre las dos placas (8, 8'') tubulares intermedias, y una segunda cámara (23) entre la segunda placa (8'')tubular intermedia y la segunda placa (7'') tubular terminal, caracterizado porque por encima de dicha primera placa (7) tubular terminal se prevén medios (52) de succión para aspirar aire desde dichos conductos (9) interiores y medios (55, 53) de entrada para enviar el fluido a dichos conductos (9) interiores.

Description

Intercambiador de calor.

La presente invención se refiere a un intercambiador de calor, es decir, a un aparato en el que se produce la transferencia o intercambio de calor entre fluidos a diferentes temperaturas, separados por paredes de conducción. La presente invención se refiere en particular a un intercambiador de calor de haz de tubos particularmente adecuado para emplearse como un dispositivo de evaporación, condensación o condensación evaporativa.

Actualmente hay disponibles en el mercado varios tipos de intercambiadores de calor. Los intercambiadores de calor de la técnica anterior presentan varios inconvenientes.

Se usan ampliamente los intercambiadores de calor con bobinas de tubo en las que circula el fluido que va a enfriarse o el refrigerante. Dichos intercambiadores de calor presentan el inconveniente de que los tubos, además de ser complejos en su fabricación, son difíciles de limpiar e inspeccionar.

Además, los intercambiadores de calor de la técnica anterior requieren generalmente un intercambiador separado para enfriar de manera secundaria el fluido refrigerante que debe recircularse desde el intercambiador de calor en el sistema de refrigeración para la alimentación de refrigerante. Dicho intercambiador de calor separado implica por consiguiente una mayor complejidad y costes adicionales.

Otro inconveniente de los intercambiadores de calor conocidos es que carecen de versatilidad. De hecho, los intercambiadores de calor estructuralmente diferentes se usan generalmente para actuar como condensadores, evaporadores y condensadores por evaporación.

El documento EP 031 919 da a conocer un intercambiador de calor de haz de tubos de espacio anular que presenta una superficie de transferencia de calor enormemente aumentada. Dicho intercambiador de calor comprende primeros tubos en los que fluye el medio principal y segundos tubos que actúan como flotadores de este medio y en los que fluye el medio secundario.

El documento WO 90/12992 da a conocer un intercambiador de calor de camisa y tubo recto en el que se ajustan dos conjuntos de tubos encajados unos en otros. En el espacio entre los tubos se alimenta una circulación de líquido, o alternativamente, una circulación de vapor-gas, que libera o recibe calor.

Un objeto de la presente invención es eliminar los inconvenientes de la técnica anterior, proporcionando un condensador evaporativo que comprende un intercambiador de calor que es versátil, práctico, económico y fácil de fabricar.

Este objeto se consigue según la invención con las características enumeradas en la reivindicación 1 independiente adjunta.

Las realizaciones ventajosas de la invención son evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes.

El intercambiador de calor según la invención proporciona una pluralidad de pares de tubos, consistiendo cada par en un tubo interior dispuesto coaxialmente a un tubo exterior, de modo que deja un espacio o separación en el que puede fluir un fluido.

Los tubos interiores tienen sus extremos fijados a una primera placa tubular terminal y a una segunda placa tubular terminal. Los tubos exteriores tienen sus extremos fijados a una primera placa tubular intermedia y a una segunda placa tubular intermedia. Los pares de tubos se disponen sustancialmente en paralelo entre sí y las placas tubulares se disponen sustancialmente en ángulos rectos con respecto a los tubos y en paralelo entre sí.

Las placas tubulares están rodeadas lateralmente por carcasas para crear una primera cámara entre la primera placa tubular terminal y la primera placa tubular intermedia, una cámara intermedia entre las dos placas tubulares intermedias, y una segunda cámara entre la segunda tubular placa intermedia y la segunda placa tubular terminal.

De esta manera, cuando el intercambiador tiene que funcionar como un evaporador, el fluido que ha de enfriarse pasa por los tubos o conductos interiores y el refrigerante entra en la segunda cámara, pasa por los espacios entre los tubos o conductos exteriores y los conductos interiores en los que se evapora y abandona la primera cámara. La cámara intermedia, por otro lado, se usa para refrigerar de manera secundaria el fluido refrigerante que se enviará al sistema de refrigeración.

Cuando el intercambiador de calor tiene que funcionar como un condensador, un fluido refrigerante pasa a los tubos o conductos interiores, un gas caliente entra en la primera cámara y pasa a los espacios entre los tubos interiores y los tubos exteriores en los que se condensa, el líquido condensado se recoge en la segunda cámara y se envía para su uso. La cámara intermedia se usa para refrigerar el aceite del compresor de refrigeración.

Cuando el intercambiador de calor debe funcionar como un condensador evaporativo, los tubos se disponen ventajosamente en vertical y las placas tubulares, en horizontal. Así, mediante la gravedad o mediante boquillas de inyección, se envía un líquido a los conductos interiores y, mediante un ventilador dispuesto por encima de la primera placa tubular terminal, se succiona el aire de los tubos interiores. De esta manera, el agua fluye en la periferia de arriba hacia abajo en los tubos o conductos interiores y el aire fluye axialmente en los conductos interiores, a contracorriente de abajo hacia arriba.

De esta manera, se evapora parte del agua y el cambio de estado de líquido a vapor contribuye a disminuir la temperatura dentro del conducto interior. Un gas caliente entra en la primera cámara, pasa a los espacios entre los tubos interiores y los tubos exteriores en los que se condensa y el fluido de condensación se recoge en la segunda cámara y se envía para su uso. En este caso, también se usa la cámara intermedia como depósito de refrigerante para el aceite del compresor de refrigeración.

Las ventajas del intercambiador de calor según la invención resultan evidentes a partir de esta descripción.

En primer lugar, la disposición particular de los tubos interiores y los tubos exteriores permite la inspección completa de dichos tubos y hace que las operaciones de limpieza y desincrustación sean extremadamente sencillas.

Además, esta disposición de los tubos no implica excesivas dificultades de construcción, con el consiguiente ahorro en los costes de construcción, por lo que pueden usarse materiales más fuertes y más caros para los tubos, tales como acero inoxidable y titanio.

Además, en el intercambiador de calor según la invención, la provisión de la cámara intermedia que actúa como depósito refrigerante de fluido para el sistema de refrigeración ahorra el uso de un intercambiador de calor adicional para enfriar el fluido que debe enviarse al sistema de refrigeración.

Además, el intercambiador de calor según la invención es extremadamente versátil, puesto que puede aplicarse a un evaporador, a un condensador o a un condensador evaporativo.

Otras características de la invención estarán más claras por a la descripción detallada que sigue, con referencia a realizaciones de la misma, meramente ejemplares y por tanto no limitativas, ilustradas en los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista longitudinal parcialmente seccionada que ilustra un intercambiador de calor en una configuración de evaporador y condensador;

la figura 2 es una vista, similar a la figura 1, que ilustra un intercambiador de calor en una configuración de condensador evaporativo según la invención.

El intercambiador de calor según la invención se describirá ahora con ayuda de las figuras.

Con referencia a la figura 1, se describirá un intercambiador de calor designado en conjunto con el número de referencia 100. El intercambiador 100 de calor comprende una pluralidad de tubos 9 interiores fijados en sus extremos por expansión o soldadura, respectivamente, a una primera placa 7 tubular terminal superior y a una segunda placa 7' tubular terminal inferior.

Externa y coaxialmente a los tubos 9 se disponen tubos 10 exteriores de diámetro interior mayor que el diámetro exterior de los tubos 9, de modo que dejan un espacio o separación 18 toroidal dentro de la que puede contenerse un aleteado 20 para aumentar la turbulencia del flujo de fluido que pasa a lo largo del espacio 18. Los tubos 10 exteriores están fijados en sus extremos, mediante soldadura, a una primera placa 8 tubular intermedia, dispuesta por debajo de la placa 7 tubular superior, y una segunda placa 8' tubular intermedia dispuesta por encima de la placa 7' tubular inferior y por debajo de la primera placa 8 tubular intermedia.

Dispuesta entre la placa 7 tubular superior y la primera placa 8 tubular intermedia hay una carcasa 14 superior cilíndrica que define una cámara 24 cilíndrica superior en la que se contienen las partes superiores de los tubos 9 interiores. En la carcasa 14 se prevé un orificio 33 de paso, que se comunica con un conducto 3 que sobresale externamente desde la carcasa 14 para la salida/entrada de un fluido desde/hacia la cámara 24.

Dispuesta entre la primera placa 8 tubular intermedia y la segunda placa 8' tubular intermedia hay una carcasa 15 intermedia cilíndrica que define una cámara 25 intermedia cilíndrica en la que se contienen los tubos 10 exteriores coaxialmente a los tubos 9 interiores. En la carcasa 15 intermedia se prevén dos orificios 34 y 35 de paso que se comunican con los respectivos conductos 4 y 5 que sobresalen hacia fuera desde la carcasa 15 intermedia para la salida/entrada de un líquido desde/hacia la cámara 25.

Dispuesta entre la segunda placa 8' tubular intermedia y la placa 7' tubular inferior hay una carcasa 13 inferior cilíndrica que define una cámara 23 inferior cilíndrica en la que se contienen las partes inferiores de los tubos 9 interiores. En la carcasa 13 inferior se prevé un orificio 36 de paso que se comunica con un conducto 6 que sobresale hacia fuera desde la carcasa 13 inferior para la salida/entrada de un fluido desde/hacia la cámara 23.

Por encima de la placa 7 tubular superior se prevé una pared 12 cilíndrica superior sobre la que se monta una placa 11 de techo, de modo que se delimita una cámara final superior. Mediante una partición 42, la cámara final superior está dividida en una primera cámara 40 final superior y una segunda cámara 41 final superior. La placa 11 de techo tiene dos orificios 31 y 32 de paso que respectivamente ponen dos conductos 1 y 2 exteriores en comunicación con la primera cámara 40 final superior y la segunda cámara 41 final superior. Los conductos 1 y 2 sobresalen hacia arriba desde la placa 11 superior para la entrada/salida de fluido hacia/desde las cámaras 40 y 41 finales superiores.

Por debajo de la placa 7' inferior se dispone una pared 12' inferior cilíndrica soportada por una placa 11' base de modo que se define una cámara 43 final inferior.

Ahora se describirá con referencia a la figura 1, el funcionamiento del intercambiador 100 de calor como evaporador.

El fluido que debe enfriarse, que por ejemplo puede ser un líquido, se introduce a través de conducto 1 de entrada en la primera cámara 40 final superior, desde la que entra en los tubos 9 interiores, en los que se somete a un primer enfriamiento. El fluido que debe enfriarse sale entonces de los tubos 9 interiores hacia la cámara 43 final inferior y, a través de presión, entra en otros tubos 9 interiores, cuyo extremo superior se abre hacia la segunda cámara 41 final superior. De esta manera, el fluido que debe enfriarse se somete a un segundo enfriamiento y sale a la segunda cámara 41 superior. El fluido enfriado abandona la segunda cámara 41 final superior a través del conducto 2 de salida y pasa a su utilización.

El fluido refrigerante, que procede de un sistema de refrigeración, pasa a través del conducto 6 de entrada y se deja pasar hacia la cámara 23 inferior. El fluido refrigerante pasa desde la cámara 23 inferior hacia los espacios 18 entre los tubos 9 interiores y los tubos 10 exteriores. Mediante aleteados 20, el flujo del fluido refrigerante se hace turbulento y hay un mayor intercambio de calor entre el fluido refrigerante y las paredes de los tubos interiores que se han calentado por el fluido que ha de enfriarse que circula dentro de los tubos 9 interiores. De esta manera, el fluido refrigerante empieza a evaporarse, eliminando el calor de las paredes de los tubos 9 interiores y ayudando así al enfriamiento del fluido que ha de enfriarse mediante intercambio térmico con las paredes de los tubos 9 interiores.

El fluido refrigerante evaporado que abandona los espacios 18 va a la cámara 24 superior que también sirve para retener las gotas de líquido del fluido refrigerante que no se ha evaporado. El vapor abandona la cámara 24 a través del conducto 3 de salida y vuelve al compresor de refrigeración.

La cámara 25 intermedia puede usarse como depósito para el líquido refrigerante procedente del condensador del sistema de refrigeración. El líquido refrigerante procedente del sistema de refrigeración se introduce, mediante el conducto 4, en la cámara 25 intermedia en la que está en contacto con la superficie exterior de los tubos 10 exteriores que tienen una temperatura igual a la temperatura de evaporación inferior del fluido refrigerante que entra en el espacio 18, por tanto se enfría el líquido dentro de la cámara 25 intermedia.

El líquido enfriado se hace salir de la cámara 25 intermedia a través del conducto 5 de salida y se envía al sistema de refrigeración.

Este enfriamiento del líquido de refrigeración en la cámara 25 intermedia es muy importante porque aumenta la variación de entalpía del líquido refrigerante y, por consiguiente, la eficacia del compresor de refrigeración.

Para lograr esto, los intercambiadores de calor de la técnica anterior se conectan a sistemas de refrigeración de condensación de aire o de condensación por evaporación en los que se instala un depósito de contención para el líquido refrigerante. Dicho depósito se conecta a un intercambiador de calor adicional en el que se instala también un control termostático para hacer que se expanda parte del refrigerante. Esto da como resultado complicaciones estructurales adicionales y costes adicionales para el intercambiador separado y el depósito de contención para el líquido refrigerante.

Ahora se describirá el funcionamiento del intercambiador 100 de calor como condensador. En este caso se introduce un gas caliente en el conducto 3, que entra en la cámara 24 superior y en los espacios 18, en los que se condensa por el contacto con los tubos 9 de refrigeración. El líquido condensado se recoge entonces en la cámara 23 inferior desde la que sale a través del conducto 6 para su uso.

En este caso, un fluido refrigerante entra en el conducto 1, por ejemplo agua fría procedente del sistema de refrigeración, que circula por el interior de los tubos 9 interiores, de modo que enfría la pared de los tubos interiores. De esta manera, se produce un intercambio de calor entre el gas caliente que circula en los espacios o separaciones 18 y las paredes de los tubos 9 interiores, lo que provoca la condensación del gas caliente que circula en los espacios 18.

En aquellos sistemas en los que se usa un compresor de refrigeración helicoidal es necesario enfriar el aceite usado en el mismo. En este caso puede enfriarse el aceite en la cámara 25 intermedia. De hecho, las paredes de los conductos 10 exteriores se enfrían gradualmente cada vez más hacia la parte inferior, puesto que el gas caliente en los espacios 18 se condensa a medida que fluye hacia abajo.

En este caso, el intercambiador de calor según la invención también evita el uso de un intercambiador de calor adicional para enfriar el aceite en el compresor de refrigeración helicoidal, requerido en los intercambiadores de la técnica anterior.

Con referencia a la figura 1 se ha ilustrado a modo de ejemplo un intercambiador 100 de calor en el que el haz 9 y 10 de tubos se dispone verticalmente y las placas 7, 8, 7' y 8' tubulares se disponen horizontalmente, sin embargo, puede preverse un intercambiador de calor en el que el haz 9 y 10 de tubos se disponga horizontalmente o inclinado y las placas 7, 8, 7' y 8' tubulares se dispongan verticalmente o inclinadas, sin por ello alejarse del alcance de la invención.

Con referencia a la figura 2, se describirá ahora un intercambiador de calor según la invención. Dicho intercambiador de calor se designa en conjunto por el número de referencia 300 y se aplica a un condensador evaporativo, designado en conjunto por el número de referencia 200.

En esta realización del intercambiador de calor, se usan los mismos números de referencia para referirse a partes iguales o similares a las descritas ya en la primera realización. El intercambiador 300 de calor es esencialmente similar al intercambiador 100 de calor descrito en la primera realización. En el intercambiador 300 de calor, se eliminan la pared 12 superior, la pared 42 de partición o división, la placa 11 de techo, la pared 12' inferior y la placa 11' base.

En el condensador 200 evaporativo, se monta una carcasa 50 cilíndrica que define una cámara 51 cilíndrica sobre la placa 7 superior del intercambiador 300 de calor. Un ventilador 52 centrífugo o helicoidal que puede generar un flujo de aire desde abajo hacia arriba en la cámara 51 se monta dentro de la cámara 51 cilíndrica. La carcasa 50 cilíndrica tiene un orificio 54 de paso que se comunica con un conducto 53 para la entrada de un fluido hacia la cámara 51.

De nuevo, en la cámara 51 cilíndrica se prevén boquillas 55 de suministro cerca de las bocas de entrada de los tubos 9 interiores, de modo que pueda introducirse un fluido de manera uniforme en los tubos 9.

Por debajo de la placa 7' inferior del intercambiador 300 de calor se prevé un depósito 60 de contención para un fluido, preferiblemente en forma líquida y en particular agua. El depósito 60 está conectado mediante un conducto 62 hidráulico al conducto 53 de entrada de la cámara 51. Se prevé una bomba 63 para permitir el flujo de agua en el conducto 62 hidráulico desde abajo hacia arriba, es decir, desde el depósito 60 hacia el conducto 53 de entrada de la cámara 51. El conducto 62 hidráulico puede conectarse también con las boquillas 55 de suministro.

Ahora se describirá el funcionamiento del condensador 200 evaporativo. El agua procedente del depósito 60 a través del conducto 62 se deja entrar en el conducto 53 de entrada y/o las boquillas 55 de suministro. El agua del conducto 53 de entrada entra en la cámara 51 y cae por la gravedad al interior de los tubos 9 interiores, o bien el agua de las boquillas 55 de suministro se introduce y se distribuye de manera uniforme en los tubos 9. El agua de los tubos 9 cae hacia el depósito 60 donde se recoge y se hace circular de nuevo.

El ventilador 52 aspira el aire de abajo hacia arriba en la cámara 51, por tanto el aire se aspira también dentro del tubo 9. En consecuencia, se produce un flujo de agua que fluye periféricamente, de arriba hacia abajo, dentro de cada tubo 9 interior, y se produce un flujo de aire que fluye axialmente, a contracorriente, de abajo hacia arriba dentro de cada tubo 9 interior. El aire entra por tanto en el tubo 9 desde debajo de la placa 7' tubular inferior y sale de los tubos 9 en la cámara 51, en la que se aspira por el ventilador 52.

Dentro de los tubos 9, el agua, en contacto directo con el aire, se evapora parcialmente, eliminando calor y enfriando las paredes de los tubos 9. En consecuencia, se enfría el gas caliente que se introduce desde el conducto 3 a la cámara 24 superior, y que pasa por los espacios 18, por el intercambio térmico con los tubos 9 interiores. Así, se condensa el gas caliente en el espacio 18 y se recoge el líquido condensado en la cámara 23 inferior, desde la que sale a través del conducto 6 y se envía para su uso.

La cámara 25 intermedia del condensador 200 evaporativo, al igual que en la realización anterior del condensador, puede usarse como depósito de aceite y refrigerador para el sistema de refrigeración de compresor helicoidal.

Pueden realizarse numerosas variaciones y modificaciones de los detalles dentro del alcance de un experto en la técnica de las presentes realizaciones de la invención sin por ello alejarse del alcance de la invención, que se exponen en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. Condensador evaporativo que comprende un intercambiador de calor que comprende una pluralidad de pares de tubos (9, 10), consistiendo cada par en un tubo (9) interior dispuesto coaxialmente a un tubo (10) exterior de modo que dejan un espacio (18) en el que puede fluir un fluido, estando fijados los tubos (9) interiores en sus extremos a una primera placa (7) tubular terminal y a una segunda placa (7') tubular terminal, estando fijados los tubos (10) exteriores en sus extremos a una primera placa (8) tubular intermedia y a una segunda placa (8') tubular intermedia, estando dispuestas las placas tubulares sustancialmente en ángulos rectos a los tubos, estando rodeadas lateralmente las placas (7, 8, 7', 8') tubulares por carcasas (14, 15, 13) para crear una primera cámara (24) entre la primera placa (7) tubular terminal y la primera placa (8) tubular intermedia, una cámara (25) intermedia entre las dos placas (8, 8') tubulares intermedias, y una segunda cámara (23) entre la segunda placa (8') tubular intermedia y la segunda placa (7') tubular terminal, caracterizado porque por encima de dicha primera placa (7) tubular terminal se prevén medios (52) de succión para aspirar aire desde dichos conductos (9) interiores y medios (55, 53) de entrada para enviar el fluido a dichos conductos (9) interiores.

2. Condensador evaporativo según la reivindicación 1, caracterizado porque en dichas carcasas (14, 15, 13) se prevé un conducto (2) para la entrada/salida de fluido hacia/desde dicha primera cámara (24), un conducto (4) para la entrada de fluido a dicha cámara (25) intermedia, un conducto (5) para la salida de fluido desde dicha cámara (25) intermedia, y un conducto (6) para la entrada/salida de fluido hacia/desde dicha segunda cámara (23).

3. Condensador evaporativo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque en dichos espacios (18) se disponen disposiciones (20) de aletas para aumentar la turbulencia del flujo que fluye
en su interior.

4. Condensador evaporativo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos medios de succión son un ventilador (52) centrífugo o helicoidal.

5. Condensador evaporativo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos medios de entrada son un conducto (53) para introducir un fluido líquido que cae por la gravedad en los tubos (9) interiores.

6. Condensador evaporativo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos medios de entrada son boquillas (55) de suministro que pueden suministrar un fluido líquido de una manera uniforme en dichos tubos (9) interiores.

7. Condensador evaporativo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque situado por debajo de dicha segunda placa (7') tubular terminal hay un depósito (60) para la recogida del fluido líquido que abandona dichos tubos (9) interiores.

8. Condensador evaporativo según la reivindicación 7, caracterizado porque dicho depósito (60) de recogida está conectado mediante un sistema (62) hidráulico a dichos medios (53, 55) de entrada.

9. Condensador evaporativo según la reivindicación 8, caracterizado porque dicho sistema (62) hidráulico comprende una bomba (63) para enviar el fluido desde dicho depósito (60) a dichos medios (53, 55) de entrada.

10. Condensador evaporativo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en dichos tubos (9) interiores fluye un fluido líquido periféricamente de arriba hacia abajo y fluye aire axialmente, a contracorriente, de abajo hacia arriba, un gas caliente que se condensa fluye en dichos espacios (18) y un fluido refrigerante que se enfría para su envío a un sistema de refrigeración se contiene en dicha cámara (25) intermedia.