ES2334285T3 - Cambiador termico de placas de cambio soldadas. - Google Patents
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Abstract
Cambiador de calor de placas de cambio soldadas, comprendiendo placas metálicas (6, 7) previamente embutidas, ensambladas dos a dos por soldadura sobre dos lados opuestos para formar elementos modulares (2) apilados definiendo dos circuitos independientes para un primer fluido y para un segundo fluido respectivamente, estando las extremidades de las placas de cambio (6, 7) soldadas por acercamiento sobre el borde de orificios (4) dispuestos en las paredes de unión (3) opuestas, perpendiculares a dichas placas, para formar un bloque de cambio globalmente paralelepipédico, que está ensamblado a cuatro postes o montantes de ángulo (5) pertenecientes al bastidor del cambiador de calor, caracterizado porque las placas metálicas embutidas (6, 7) constitutivas de cada elemento modular (2) están aplicadas de plano una contra otra sobre una anchura predefinida (L), están unidas una a otra por una primera soldadura (12) realizada en esta anchura (L) y asegurando la sujeción mecánica del ensamblaje, y están también unidas una a otra, a lo largo de sus bordes exteriores, por una segunda soldadura (13) asegurando la estanqueidad.
Description
Cambiador térmico de placas de cambio
soldadas.
La presente invención se refiere a un cambiador
térmico por placas de cambio soldadas, para la realización de un
cambio de calor entre un primer fluido y un segundo fluido.
Se conocen ya, especialmente por la patente
europea EP 0639 258 B1 del mismo inventor, un cambiador térmico de
placas de cambio soldadas, de estructura compacta, designado por la
denominación comercial "HEATEX" (marca registrada),
comprendiendo unas placas metálicas previamente embutidas,
ensambladas dos a dos por soldadura sobre los dos lados opuestos, y
formando así elementos modulares apilados definiendo dos circuitos
independientes para un primer fluido y para un segundo fluido
respectivamente. El conjunto de las placas así reunidas, forma un
bloque de cambio de sección horizontal rectangular, por consiguiente
globalmente paralelepipédico, que está ensamblado a cuatro postes o
montantes de ángulo perteneciendo al bastidor del cambiador de
calor. Las extremidades abiertas de los elementos modulares
apilados están soldadas por acercamiento sobre el borde de
orificios dispuestos en las paredes de unión verticales opuestas del
bloque de cambio. El cambiador térmico está cerrado por cuatro
puertas laterales atornilladas sobre los montantes del bastidor, y
fácilmente desmontables para el mantenimiento.
En particular, la patente europea EP 0639258 B1
ofrece una solución que suprime las tensiones de dilatación
diferencial, entre el bloque de cambio constituido por el conjunto
de las placas apiladas, por una parte, y el bastidor por otra
parte, esto gracias a "canales de ángulo" que son solidarios a
las paredes de unión precitadas, y que rodean parcialmente los
montantes del bastidor con la posibilidad de deslizamiento
relativo.
Gracias a estas disposiciones, el cambiador
térmico según la patente europea EP 0639258 B1 tiene características
ventajosas, en términos de comportamiento en temperatura, con
relación a realizaciones anteriores igualmente conocidas de
cambiadores de placas soldadas, tales como las descritas en las
solicitudes de patentes europeas EP 0165179A y EP 0186592A.
Sin embargo, el cambiador térmico de placas de
cambio soldadas según la patente europea EP 0639258 B1 plantea
todavía ciertos problemas, y queda pues perfectible, para
utilizaciones bajo tensiones termomecánicas importantes.
En particular, durante la puesta en temperatura
del bloque de cambio, teniendo en cuenta el gradiente de temperatura
existiendo en servicio, las placas de cambio tienden a dilatarse
sobre su longitud, según una dirección perpendicular a las paredes
de unión situadas en sus extremidades. La tensión de dilatación
correspondiente se calcula por la relación F/S, F siendo la fuerza
de dilatación y S la sección de la soldadura soportando esta
tensión.
Cuando la dilatación es importante, la tensión
lo es también y puede resultar una ruptura de las soldaduras
uniendo las dos placas asociadas en un elemento modular, ruptura que
se produce en particular perpendicularmente de la zona de
acercamiento entre las placas de cambio y la pared de unión
adyacente.
Conviene pues reducir en este sitio el nivel de
las tensiones, para traerlo a un valor inferior al umbral de
ruptura, esto por una disminución de la fuerza de dilatación y/o por
un aumento de sección de soldadura.
La presente invención tiene pues por objetivo
aportar perfeccionamientos al cambiador de calor de placas soldadas,
tal como descrito en la patente europea EP 0639258 B1, con vistas a
mejorar su comportamiento en temperatura, y especialmente evitar el
riesgo de ruptura bajo el efecto de las tensiones de dilatación.
A tal efecto, la invención tiene esencialmente
por objeto un cambiador de calor de placas de cambio soldadas, del
tipo anteriormente citado, es decir comprendiendo placas metálicas
previamente embutidas, ensambladas dos a dos por soldadura sobre
dos lados opuesto para formar elementos modulares apilados
definiendo dos circuitos independientes respectivamente para un
primer fluido y para un segundo fluido, estando las extremidades de
las placas soldadas por acercamiento sobre el borde de orificios
dispuestos en las paredes de unión opuestas, perpendiculares a
dichas placas, para formar un bloque de cambio globalmente
paralelepipédico, que está ensamblado con cuatro postes o montantes
de ángulo pertenecientes al bastidor del cambiador de calor, siendo
caracterizado este cambiador porque, sobre sus lados a ensamblar,
las dos placas metálicas embutidas consecutivas de cada elemento
modular están de cada lado aplicadas de plano una contra otra sobre
una anchura predefinida, están unidas una con otra por una primera
soldadura realizada en esta anchura y asegurando la sujeción
mecánica del ensamblaje, y están unidas también una con otra, a lo
largo de sus bordes exteriores, por una segunda soldadura asegurando
la estanqueidad.
Así, la invención sustituye el ensamblaje
habitual de los bordes juntos de las dos placas embutidas por una
configuración particular que consiste en efectuar un soyage de una
de las placas incluso de las dos placas, a fin de que las dos
placas se yuxtapongan sobre una anchura predefinida, con preferencia
al menos igual a 15 milímetros, permitiendo la realización de una
doble soldadura.
La primera soldadura, que es una soldadura por
puntos o una soldadura láser o una soldadura a la moleta, asegura
la sujeción mecánica del ensamblaje, es decir su comportamiento a la
presión. La segunda soldadura, que es ventajosamente una soldadura
de tipo "TIG" o "plasma", asegura en cuanto a ella
simplemente la estanqueidad. La sección total de soldadura está así
fuertemente aumentada haciendo el ensamblaje de las placas mucho más
resistente.
Según otro aspecto de la presente invención,
cada poste o montante de ángulo del bastidor del cambiador de calor
de placas de cambio soldadas tiene una arista interior achaflanada,
empalmándose la pared de unión adyacente al poste o montante de
ángulo en la región de esta arista achaflanada.
Así cuando las placas de cambio tiendan a
dilatarse, pueden arrastrar con ellas las paredes de unión que
tienen entonces una posibilidad de deformación suplementaria,
doblándose en el espacio liberado por las aristas achaflanadas de
los postes o montantes de ángulo. La tensión de dilatación está por
consiguiente absorbida en gran parte por la flexión, ahora posible,
de la pared de unión.
Según una disposición complementaria ventajosa,
cada pared de unión comprende, en sus dos zonas laterales, unas
conformaciones en fuelle para su empalme al poste o montante de
ángulo, en la región de la arista achaflanada. Las conformaciones
en fuelle, que pueden consistir cada una simplemente en dos pliegues
invertidos formando juntos una clase de onda sinusoidal, facilitan
eventualmente una dilatación según un eje perpendicular a la
dirección de la dilatación longitudinal de las placas de cambio.
Como se entiende fácilmente, las aristas achaflanadas de los postes
o montantes ofrecen un espacio libre explotado aquí no solamente
para la flexión de las paredes de unión, pero también para el
alojamiento y la deformación de las conformaciones en fuelle.
De todos modos la invención se entenderá mejor
mediante la descripción a continuación haciendo referencia al
dibujo esquemático anexo representando, a título de ejemplo una
forma de ejecución de este cambiador de calor de placas de cambio
soldadas.
- la figura 1 es una vista parcial y muy
esquemática, en perspectiva de despiece, mostrando el principio
general de ensamblaje de un cambiador de calor del tipo concernido
por la presente invención;
- la figura 2 es una vista en sección
transversal ilustrando el modo actual de ensamblaje de las placas de
tal cambiador, sobre uno de sus lados;
- la figura 3 es una vista en sección similar a
la figura 2, pero ilustrando el modo de ensamblaje según la
presente invención;
- la figura 4 es una vista en sección pasando
por una de las zonas de ángulo de tal cambiador, e ilustrando el
modo de empalme actual entre una pared de unión y un poste o
montante de ángulo;
- la figura 5 es una vista en sección similar a
la figura 4, pero ilustrando el modo de empalme según la presente
invención;
- la figura 6 es una vista en sección horizontal
de un cambiador de calor según la presente invención;
- la figura 7 es una vista en perspectiva
mostrando un detalle de la parte inferior del cambiador de la figura
6.
Refiriéndose a la figura 1, un cambiador de
calor de placas de cambio soldadas comprende una serie de elementos
modulares 2, de forma general cuadrada o rectangular, que están
apilados y todos ensamblados entre dos paredes de unión 3 opuestas,
de forma rectangular, perpendiculares a los elementos modulares
2.
Estos elementos modulares 2 tienen una sección
muy alargada, y sus extremidades están soldadas, por acercamiento,
sobre los bordes de orificios paralelos 4 dispuestos en las paredes
de unión 3.
Estas paredes de unión están ellas mismas
ensambladas, a lo largo de sus bordes longitudinales (aquí
verticales), a postes o montantes de ángulo 5, en total cuatro. Las
extremidades inferiores y superiores de los postes o montantes de
ángulo 5 están ensambladas, a un zócalo inferior y un zócalo
superior respectivamente, no representados en la figura 1, para
constituir un bastidor completo, de forma general
paralelepipédica.
En el interior de este bastidor, que está
cerrado sobre sus caras laterales por unas puertas no representadas,
el conjunto de los elementos modulares 2 forma un bloque de cambio,
de forma general paralelepipédica, que define dos circuitos de
fluido independientes, a saber un primer circuito de fluido
constituido por los elementos modulares 2, y un segundo circuito de
fluido resultando de los espacios libres situados entre estos
elementos modulares 2. Unas tubuladuras de entrada y de salida,
para los dos circuitos de fluido así constituidos están igualmente
previstas.
Para una descripción más detallada de este tipo
de cambiador de calor, se hace referencia a la patente europea
precitada EP 0 639 258 B1.
Haciendo referencia a las figuras 2 y 3, cada
elemento modular 2 resulta del ensamblaje, sobre dos lados opuestos,
de dos placas metálicas 6 y 7 previamente embutidas, para una de
ellas al menos.
Especialmente la figura 2 ilustra el modo actual
de ensamblaje de las dos placas 6 y 7, sobre uno de los lados
(estando el otro lado realizado de manera simétrica). Las dos placas
6 y 7 están aquí dobladas cada una a 45º, una en dirección a otra,
y una única soldadura longitudinal 8, de tipo "TIG", reúne
estas dos placas 6 y 7 a lo largo de sus bordes, llevados uno
contra otro.
Considerando siempre un lado del elemento
modular 2, el ensamblaje soldado de la extremidad de éste a la pared
de unión se realiza, en el ejemplo ilustrado (para placas de un
espesor de 1,5 mm), sobre una sección de 2 x 2,8 mm x 1,5 mm, sea
8,4 mm^{2}, y este ensamblaje soldado presenta una concentración
de tensiones en punta, perpendicularmente a la soldadura
longitudinal 8.
La figura 3 ilustra la solución aquí propuesta
por la presente invención. Una de las placas 6 queda aquí plana en
la región del lado del elemento modular 2, mientras que la otra
placa 7 está realizada con un "soyage" es decir que presenta
un primer pliegue 9, por ejemplo a 45º, seguido de un segundo
pliegue 10 por ejemplo a 45º pero en sentido inverso al precedente,
conduciendo a la formación de una banda lateral 11 de anchura L,
paralela al plano principal de la placa 7 considerada.
Por esta banda lateral 11 de anchura L, la placa
7 está aplicada de plano contra la región lateral de la placa 6.
Las dos placas 6 y 7 están entonces reunidas una con otra, en la
anchura L, por una primera soldadura 12 que puede ser una soldadura
por puntos o una soldadura láser o una soldadura a la moleta,
asegurando la sujeción mecánica del ensamblaje.
Las dos placas 6 y 7 están también unidas una a
otra, a lo largo de sus bordes exteriores, por una segunda
soldadura 13 que es en particular una soldadura de tipo "TIG",
por la cual asegura aquí simplemente la estanqueidad.
Ventajosamente, las dos placas 6 y 7 están así
yuxtapuestas en la región lateral del elemento modular 2, sobre una
anchura L igual al menos a quince milímetros.
Suponiendo que esta anchura L sea estrictamente
igual a 15 mm, y todo quedando igual por otra parte, la realización
según la invención procura a nivel del ensamblaje de la extremidad
del elemento modular 2 a la pared de unión, una sección de
soldadura igual a:
[(2 x 15) + 5,6 + 4] x 1,5 sea 59,4 mm^{2}, en
vez de los 8,4 mm^{2} obtenidos con el modo actual de ensamblaje.
La sección de soldadura mecánicamente resistente se encuentra así
multiplicada por más de siete, con otras palabras aumentada de más
de 600%.
La figura 4 representa, en sección horizontal,
una de las zonas de ángulo de un cambiador de calor, haciendo
aparecer una porción de elemento modular 2 ensamblada a una pared de
unión 3, y un poste o montante de ángulo 5 perteneciente al
bastidor del cambiador. En particular esta figura 4 ilustra el modo
actual de empalme entre la pared de unión 3 y el poste o montante
de ángulo 5, teniendo este último una sección habitual cuadrada.
En este caso, el empalme presenta una rigidez en los dos puntos P1 y
P2, rigidez que se opone a la libre dilatación longitudinal de las
placas de cambio, según la flecha F.
La figura 5 ilustra la solución aquí propuesta
por la presente invención. Esta consiste a achaflanar la arista
interior del poste o montante de ángulo 5. En particular se realiza
una sección a 45º de las dos caras adyacentes 14 y 15 del poste o
montante 5, sobre una anchura de al menos diez milímetros, de manera
a formar un chaflán 16 que despeja un espacio libre 17 de sección
triangular.
Así, cuando el elemento modular 2 tiende a
dilatarse, según la flecha F, puede arrastrar con él la pared de
unión adyacente 3, la cual podrá doblarse en penetración en el
espacio libre 17, estando el primer punto de rigidez P1 suprimido.
La tensión de dilatación está así absorbida en gran parte por la
flexión de la pared de unión 3.
En complemento, como lo muestra también la
figura 5, la pared de unión 3 está empalmada al poste o montante de
ángulo 5, en cada zona lateral, por una conformación en fuelle,
resultando de dos pliegues invertidos 18,19, dando localmente a
esta pared 3 (vista en sección horizontal) un aire de onda
sinusoidal. Esta conformación en fuelle introduce una zona de
flexibilidad suplementaria, facilitando eventualmente una dilatación
del bloque de cambio según un eje perpendicular a la dirección de la
flecha F.
Las figuras 6 y 7 que representan un detalle
ilustran además unas disposiciones complementarias previstas a la
base y en la parte superior del cambiador de calor, para permitir
sobre dos lados opuestos la dilatación del bloque de cambio. Siendo
el zócalo inferior del bastidor anotado 20, cada pared de unión 3
presenta, en su base, una parte 21 desprovista de orificios 4 y
doblada horizontalmente encima del zócalo inferior 20, sobre el
cual está fijada. Sobre la parte 21 está formado un pliegue
longitudinal 22 que permite absorber la dilatación en este sitio.
Evidentemente, disposiciones similares están previstas en la parte
superior del cambiador de calor.
Hay que mencionar que el cambiador de calor,
anteriormente descrito, puede realizarse indiferentemente con
placas embutidas provistas de una red de resaltes, o cubetas, o
placas embutidas presentando nervuras o ranuras paralelas, o
también con placas lisas provistas de salientes añadidos, según
todas las configuraciones conocidas. Estas placas de cambio pueden
constituirse por simples chapas, por ejemplo de acero inoxidable. En
aplicaciones particulares puede tratarse también de chapas llamadas
"sándwich", realizadas sobre una cara por una capa de soporte
de acero inoxidable, de espesor suficiente para asegurar el término
en presión, y sobre la otra cara por una capa de metal o aleación
noble, de poco espesor, especialmente a base de níquel, tántalo o
zirconio. Mencionaremos que las disposiciones de la presente
invención están particularmente adaptadas para el ensamblaje de
tales chapas "sándwich" entre ellas. En efecto, con la técnica
usual, durante la soldadura de los bordes juntos de tales chapas,
existe un cierto riesgo de subida de ferrita en el núcleo metálico
fundido, por efecto de migración. El riesgo de corrosión es
entonces importante, no teniendo la soldadura realizada las
características del metal noble. Al contrario, aplicando aquí la
técnica de la presente invención, tal como ilustrada por la figura
3, con utilización de chapas 6 y 7 tipo "sándwich" la capa de
metal noble desborda de la capa de soporte de acero inoxidable, y
es posible realizar por una parte la soldadura por puntos 12
asegurando la sujeción del conjunto, y por otra parte la soldadura
de estanqueidad 13 de tipo "TIG" solamente por recubrimiento
entre las dos capas de metal o aleación noble que desbordan de las
capas de soporte respectivas de acero inoxidable.
Cambiadores térmicos de placas de cambio
soldadas, realizados según la invención pueden encontrar
aplicaciones industriales en campos variados: industria química y
farmacéutica, industria agroalimenticia, instalaciones de
calefacción, etc.
Como se entiende y como resulta de lo que
antecede, la invención no se limita a la sola forma de ejecución de
cambiador de calor que se ha descrito arriba, a título de ejemplo;
abarca, al contrario, cualquier variante de realización y de
aplicación respectando los mismos principios. Es así como no se
alejaría del marco de la invención:
- realizando las placas de cambio en cualquier
forma y dimensión, en particular con formas generales cuadradas o
rectangulares, y en cualquier metal soldable;
- realizando las soldaduras de estas placas por
puesta en práctica de cualquier procedimiento apropiado, que se
trate de la primera soldadura o de la segunda soldadura, por ejemplo
realizando la segunda soldadura por un procedimiento
"plasma";
- modificando el empalme de las paredes de unión
con los montantes o postes del bastidor, no estando las paredes de
unión necesariamente soldadas sobre el bastidor, pero pudiendo
estarlo sobre piezas intermediarias, ellas mismas aplicadas
alrededor de un poste, que pasan sobre la arista achaflanada y las
caras adyacentes al chaflán y que pueden desbordar sobre las caras
siguientes;
- no utilizando el cambiador de calor en
posición vertical sino en posición horizontal, según la aplicación
considerada, teniendo aquí los términos "montante" y
"poste" puramente estructural que no implica una orientación
vertical.
Claims (9)
1. Cambiador de calor de placas de cambio
soldadas, comprendiendo placas metálicas (6, 7) previamente
embutidas, ensambladas dos a dos por soldadura sobre dos lados
opuestos para formar elementos modulares (2) apilados definiendo
dos circuitos independientes para un primer fluido y para un segundo
fluido respectivamente, estando las extremidades de las placas de
cambio (6, 7) soldadas por acercamiento sobre el borde de orificios
(4) dispuestos en las paredes de unión (3) opuestas,
perpendiculares a dichas placas, para formar un bloque de cambio
globalmente paralelepipédico, que está ensamblado a cuatro postes o
montantes de ángulo (5) pertenecientes al bastidor del cambiador de
calor, caracterizado porque las placas metálicas embutidas
(6, 7) constitutivas de cada elemento modular (2) están aplicadas
de plano una contra otra sobre una anchura predefinida (L), están
unidas una a otra por una primera soldadura (12) realizada en esta
anchura (L) y asegurando la sujeción mecánica del ensamblaje, y
están también unidas una a otra, a lo largo de sus bordes
exteriores, por una segunda soldadura (13) asegurando la
estanqueidad.
2. Cambiador de calor de placas de cambio
soldadas según la reivindicación 1, caracterizado porque las
dos placas (6, 7) están yuxtapuestas sobre una anchura predefinidas
(L) al menos igual a 15 milímetros.
3. Cambiador de calor de placas de cambio
soldadas según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque
la primera soldadura (12) es una soldadura por puntos o una
soldadura láser o una soldadura a la moleta.
4. Cambiador de calor de placas de cambio
soldadas según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque la segunda soldadura (13) es una
soldadura de tipo "TIG" o "plasma".
5. Cambiador de calor de placas de cambio
soldadas según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque cada poste o montante de ángulo (5) de
su bastidor tiene una arista interior achaflanada (16), empalmándose
la pared de unión (3) adyacente al poste o montante de ángulo (5)
en la región de esta arista achaflanada (16).
6. Cambiador de calor de placas de cambio
soldadas según la reivindicación 5, caracterizado porque el
chaflán (16) de cada poste o montante de ángulo (5) está realizado
por un corte a 45º de las dos caras adyacentes (14, 15) sobre una
anchura de al menos 10 milímetros.
7. Cambiador de calor de placas de cambio
soldadas según la reivindicación 5 o 6, caracterizado porque
cada pared de unión (3) comprende, en sus dos zonas laterales,
conformaciones en fuelle (18, 19) para su empalme con el poste o
montante de ángulo (5), en la región de la arista achaflanada
(16).
8. Cambiador de calor de placas de cambio
soldadas según la reivindicación 7, caracterizado porque las
conformaciones en fuelle de las paredes de unión (3) consisten cada
una en dos pliegues invertidos (18, 19) formando juntos una clase de
onda sinusoidal.
9. Cambiador de calor de placas de cambio
soldadas según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado porque las placas de cambio (6, 7) están
constituidas por chapas "sándwich", realizadas sobre una cara
por una capa de soporte de acero inoxidable y sobre la otra cara
por una capa de metal o aleación noble, de poco espesor, estando la
soldadura de estanqueidad realizada únicamente por recubrimiento
entre las dos capas de metal o aleación noble que desbordan de las
capas de soporte respectivas de acero inoxidable.
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