ES2346232T3 - Intercambiador de calor y de masa por placas, con prolongacion de bordes. - Google Patents
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Abstract
Placa de intercambio calorífico (6) para su utilización en un sistema de refrigeración por evaporación de tipo indirecto, cuya placa comprende: un lado seco (9) que tiene baja permeabilidad a un líquido de evaporación (22) y formada para permitir que el fluido producto (1) pase por encima de una zona de transferencia térmica de su superficie; un lado húmedo (10) diseñado para tener su superficie húmeda por la acción de un líquido de evaporación y formada para permitir que un gas de trabajo (2) pase sobre su superficie para evaporar el líquido de evaporación; y caracterizándose por una extensión en los bordes (20) formada en el borde de la placa, más allá de la zona de transferencia de calor, para provocar que el exceso de líquido de evaporación escape de la placa por goteo.
Description
Intercambiador de calor y de masa por placas,
con prolongación de bordes.
La Patente USA nº 6.581.402 cedida el 24 de
Junio de 2003 y la patente USA nº 6.705.096 cedida el 16 de Marzo
de 2004 proporcionan antecedentes útiles para esta solicitud. La
patente US 2003/145609 da a conocer una placa de intercambio
calorífico tal como se define en el preámbulo de la reivindicación
1.
La presente invención se refiere a cambiadores
de calor y de masa en forma de placas para refrigeradores por
evaporación, de tipo indirecto. En particular, la presente invención
se refiere a las placas que tienen prolongaciones de bordes para
mejorar la eliminación de fluidos.
La refrigeración por evaporación de tipo
indirecto es un método para la refrigeración de una corriente de un
fluido; usualmente aire, por evaporación de un líquido de
refrigeración, usualmente agua, en una segunda corriente de aire
mientras se efectúa transferencia de calor desde la primera
corriente de aire a la segunda. El método tiene ciertas ventajas
intrínsecas en comparación con el acondicionamiento de aire
convencional: baja exigencia de corriente eléctrica, fiabilidad
relativamente elevada y capacidad de prescindir de los refrigerantes
tales como R-134 y todos los inconvenientes que
éstos comportan.
La patente USA 6.581.402 muestra una serie de
realizaciones para refrigeración evaporativa indirecta utilizando
un aparato en forma de placa. La figura 1 (técnica anterior) muestra
una representación en perspectiva y esquemática de dos placas
mostrando los canales del lado húmedo formados por los lados húmedos
de una primera y una segunda placas en oposición entre si, con sus
pasos orientados en la misma área general y mostrando el gas de
trabajo entrando en el lado seco, pasando por los mencionados pasos
hacia adentro de los canales laterales húmedos. El producto fluido
es separado del gas de trabajo al pasar a lo largo del lado seco de
la primera y segunda placas. Otras placas adicionales forman un
apilamiento y otras placas adyacentes tienen sus lados secos
dirigidos entre si. De esta manera, el apilamiento de placas
tendría cada una de las placas impares orientada con su lado seco
dirigido en la misma dirección y en oposición de todas las placas
pares.
La invención de la patente nº 6.581.402 da a
conocer un refrigerador por evaporación de tipo indirecto que tiene
canales cruzados de flujo húmedos y secos en lados opuestos de una
serie de placas de intercambio calorífico que permiten
transferencia de calor a través de las placas. Las placas comprenden
extensiones de los bordes para facilitar la eliminación de agua (u
otro fluido de evaporación similar) y minerales disueltos de las
placas.
Para los objetivos de la patente nº 6.581.402 y
de la presente solicitud de patente se desea definir ciertos
términos:
1. Superficie de transferencia de calor o
superficie de intercambio calorífico tiene múltiples
configuraciones. Todas ellas están comprendidas dentro de la
materia de la presente invención con ajuste apropiado de la
humectación y de los flujos, siendo bien conocidas en la industria.
A efectos ilustrativos se utiliza una configuración de placa.
2. Lado húmedo o parte húmeda de la superficie
de intercambio calorífico significa la parte que tiene el líquido
de evaporación sobre o en su superficie, posibilitando, por lo
tanto, la refrigeración por evaporación de la superficie y la
absorción del calor latente de la superficie.
3. Lado seco o parte seca de los medios de
intercambio calorífico significa la parte de la superficie del
cambiador de calor en la que existe poca o ninguna evaporación hacia
el gas o fluido adyacente. Por lo tanto, no hay transferencia de
vapor y de calor latente hacia los gases adyacentes. En realidad, la
superficie puede encontrarse húmeda pero no con fluido de
evaporación o húmeda por condensación, pero no existe
evaporación.
4. Corriente de trabajo o corriente de gas de
trabajo significa el flujo de gas que pasa a lo largo de la
superficie de intercambio calorífico sobre el lado seco, que pasa a
través de los pasos de la superficie hacia el lado húmedo y que
recoge vapor y por evaporación, absorbiendo calor latente de la
superficie de intercambio calorífico y transportándolo hacia la
salida. En algunas realizaciones, la corriente de trabajo puede
quedar dispuesta en forma de desperdicio y en otras puede ser
utilizada para objetivos especiales tales como añadir humedad o
eliminar calor.
5. Corriente de producto o corriente de fluido
producto significa el flujo de fluido (gas, líquido o mezcla) que
pasa a lo largo de la superficie de intercambio calorífico sobre el
lado seco y que es refrigerado por la absorción de calor por la
corriente de gas de trabajo sobre el lado húmedo que absorbe calor
latente por la evaporación del área húmeda.
La placa tiene también pasos o perforaciones o
medios de transferencia similares entre el lado seco de la placa y
el lado húmedo en zonas determinadas proporcionando flujo desde los
canales de trabajo en seco a los canales de trabajo en húmedo en
los que tiene lugar la refrigeración por evaporación directa.
El método de la invención utiliza la separación
del flujo de gas de trabajo (utilizado para evaporar líquido en los
canales húmedos y, por lo tanto, refrigerar la superficie húmeda de
la placa de intercambio calorífico) con respecto al flujo de fluido
producto, que pasa a través de los canales de producto secos y
canales de trabajo húmedos respectivamente en el mismo lado de la
placa de intercambio calorífico. Ambos facilitan calor a la placa
de intercambio calorífico que en su superficie opuesta está siendo
refrigerada por la evaporación que se produce en los canales de
trabajo húmedos.
El flujo de gas de trabajo entra, en primer
lugar, en el canal de trabajo seco y a continuación a través de
perforaciones, poros u otros medios adecuados de transferencia, a
través de la barrera de la placa hacia el lado húmedo y, desde
allí, a los canales de trabajo húmedos en los que la evaporación de
líquido en la superficie de canal húmedo refrigera esta placa.
Los canales de producto secos se encuentran en
el lado seco de esta placa. La placa es de un material delgado para
permitir una transferencia fácil de calor a través de la placa y
permitir de este modo fácilmente la transferencia de calor desde el
canal seco de producto al canal de trabajo húmedo. Esta es una
unidad o elemento básico de la invención que muestra el método de
separación de flujos de gas de trabajo para refrigerar de manera
indirecta el flujo de producto separado por refrigeración por
evaporación.
Los canales de producto seco se encuentran en el
lado seco de esta placa. La placa es de un material delgado para
permitir una fácil transferencia de calor a través de la misma y,
por lo tanto, permitir una transferencia fácil de calor desde el
canal de producto seco al canal de trabajo húmedo. Ésta es una
unidad o elemento básico de la invención que muestra el método de
separación de los flujos de gas de trabajo para refrigerar
indirectamente el producto fluido separado por refrigeración por
evaporación.
Muchas realizaciones de refrigeración por
evaporación comprenden un material capilar para distribuir el agua
u otro líquido de evaporación sobre el lado húmedo de la placa. Ver,
por ejemplo, la figura 7 de la patente nº 6.581.402, en la que el
material capilar (7) distribuye el líquido de evaporación a lo largo
de los canales (5) del lado húmedo. Las placas (6) forman una
"forma de V" en la realización de la figura 7. El agua también
se evapora mejor desde una superficie capilar que desde una
superficie de agua, dado que el material capilar fracciona la
tensión superficial del agua.
La capilaridad sobre una superficie vertical
asegurará que no se forma un exceso de agua sobre la superficie de
la placa pero también limita la altura de la placa que se puede
utilizar. El agua que se desplaza por capilaridad de forma
descendente sobre una superficie, ayudada por la gravedad, puede ser
interesante desde una perspectiva de humectación si la cantidad de
agua no supera la que se puede transportar por capilaridad. La
capilaridad en una dirección más horizontal puede permitir un
sistema de humectación mediante un recipiente vertical, tal como el
que se muestra en la patente USA nº 6.705.096. Existen algunas
aplicaciones de placa de intercambio de calor y de masa que
requieren una geometría más innovativa que corresponde a un diseño
termodinámico más complicado, que a su vez requiere una aplicación
más horizontal, tal como en la patente USA nº 6.581.402. En todos
los casos, es deseable crear un medio para asegurar que la
capilaridad no será superada por el agua.
El refrigerador de evaporación indirecta de la
patente nº 6.581.402 funciona satisfactoriamente. Sin embargo, una
desventaja intrínseca del diseño se ha revelado en la utilización.
La inclinación de las placas para permitir que la gravedad ayude a
empujar el agua a través del material capilar ayuda a eliminar el
exceso de líquido y a eliminar por lavado minerales de las placas.
No obstante, las placas de intercambio calorífico con muy poca
separación, con superficies capilares dirigidas una hacia otra,
permiten la acumulación de agua en los canales. Esta acumulación es
provocada por la tensión superficial del agua que se adhiere al
borde de las placas. Por ejemplo, dadas dos placas horizontales en
paralelo, una gota procedente de la placa superior quedaría
suspendida y se adheriría a una gota inferior en los bordes de la
placa. El agua retrocedería desde los bordes de las placas sobre
las superficies de capilaridad proporcionando dos efectos
perjudiciales. En primer lugar, el agua de la superficie reduce
significativamente la tasa de transferencia térmica y, por lo tanto,
la refrigeración del fluido en la cara opuesta de la placa. En
segundo lugar, este exceso de humectación entre las placas provoca
una distribución irregular del flujo del aire en las placas húmedas
y, por lo tanto, una refrigeración irregular del fluido a
refrigerar en la cara opuesta de las placas.
Al evaporarse el agua en los canales húmedos,
cualesquiera minerales disueltos que se encontraran en el agua
quedan como remanente. Incluso en el caso de que no todo el agua se
evapore, cuando los minerales del agua se concentran en exceso, se
depositan sobre cualquier superficie con la que entran en contacto.
Estos minerales depositados presentan problemas a largo plazo, dado
que se acumulan y eventualmente dificultan el flujo del agua,
particularmente en el material capilar. Algunas partes de la placa
no quedan completamente humedecidas y el rendimiento del
intercambio calorífico disminuye.
Por lo tanto, sigue existiendo la necesidad en
la técnica anterior de aparatos y métodos para retirar el exceso de
líquidos y minerales de la parte de intercambio calorífico de la
placa, y eliminarlos de la placa.
Es un objetivo de la presente invención dar a
conocer un aparato y métodos para retirar el exceso de líquido y de
minerales de la parte de intercambio calorífico de la placa y
eliminarlos de la misma.
Se añaden prolongaciones de los bordes a las
placas de los refrigeradores de evaporación indirecta para permitir
que el líquido de evaporación en exceso emigre hacia los bordes de
las placas y escape por goteo, arrastrando los minerales disueltos.
De esta manera, se puede conseguir una mejor evaporación y
transferencia térmica.
La figura 2a es una vista en perspectiva y
representación esquemática de una primera realización de la presente
invención, que tiene extensiones de los bordes inclinadas. La
figura 2b es una vista lateral de la realización de la figura
2a.
La figura 3 es una vista lateral de una segunda
realización de la presente invención que tiene extensiones de los
bordes de forma recta.
La figura 4 es una vista en perspectiva y una
representación esquemática de una tercera realización de la
presente invención, que utiliza un diseño de contraflujo y que tiene
extensiones de bordes inclinadas.
La figura 5 es una vista en perspectiva y
representación esquemática de una cuarta realización de la presente
invención, con las placas en orientación vertical con extensiones
rectas en los bordes.
La figura 6 es una vista en perspectiva y una
representación esquemática de una quinta realización de la presente
invención, con un diseño integral y con extensiones de los bordes
inclinadas.
La figura 7 es una sección extrema de una sexta
realización de la presente invención, en la que las placas tienen
inclinación descendente desde un eje central y tienen un sistema de
cubeta para humectar las placas.
Las figuras 2a-7 muestran varias
realizaciones de las extensiones de los bordes añadidas a las placas
de transferencia térmica en refrigeradores de evaporación
indirecta. Si bien se han mostrado varias realizaciones, quedará
evidente para los técnicos en la materia que las extensiones de los
bordes se pueden añadir a muchas otras placas de refrigeradores de
evaporación indirecta. Las patentes USA nº 6.581.402 y nº 6.705.096,
que se incorporan a esta descripción a título de referencia,
muestran una serie de configuraciones de placas y también se conocen
otros tipos. En todos los casos, las extensiones de bordes son
añadidas a los bordes de las placas más allá de la parte de
intercambio térmico de las placas y facilitan la eliminación de un
exceso de líquido de evaporación de los lados húmedos de las
placas. Si bien el término "más allá de las placas de intercambio
térmico" se utiliza para indicar que las extensiones de los
borde son añadidas a los lados o extremos de las placas, ello no
implica que no pueda tener intercambio calorífico en dichas zonas.
La siguiente tabla de numerales de referencia es la utilizada en
esta descripción:
\newpage
La figura 2a es una vista en perspectiva y una
representación esquemática de una primera realización de la
presente invención, que tiene extensiones de bordes (20) inclinadas.
La figura 2b es una vista lateral de la realización de la figura
2a. las placas (6) de las figuras 1a y 1b se han mostrado como
horizontales, pero también pueden ser inclinadas (ver, por ejemplo,
la figura 7 se la patente USA 6.581.402).
La realización de las figuras 1a y 1b es un
diseño de flujo transversal algo similar al de la figura 1 (técnica
anterior). Cada una de las placas tiene un lado seco (9), y los
lados secos están dirigidos uno hacia el otro. Los lados secos (9)
comprenden canales (4) del lado seco por los cuales pasa el fluido
producto (1). Los lados húmedos (10) tienen canales (5) del lado
húmedo por los que pasa el gas de trabajo (2). Los canales (5) del
lado húmedo son en general transversales a los canales (4) del lado
seco.
Los canales (5) del lado húmedo están
humedecidos por el líquido de evaporación (22) mediante capilaridad,
pulverización o métodos similares. La realización específica
mostrada en las figuras 2a y 2b no muestra canales de trabajo para
el paso del fluido de trabajo a través de las placas desde el lado
seco a los lados húmedos, tal como se ha mostrado en la figura 1
(técnica anterior), pero aquellos podrían ser incluidos en la
realización de la figura 2. La figura 2b muestra la salida del
fluido de evaporación en exceso (22) del canal del lado húmedo (5)
y la salida por goteo de las extensiones de los bordes (20) de las
placas (6). Las extensiones inclinadas de los bordes, que se
prolongan en una distancia (21) hacia fuera del extremo de las
placas (6), facilitan esta eliminación del fluido al abrir el
espacio más allá de la parte de transferencia térmica de los lados
húmedos (10).
En una realización especialmente preferente de
un sistema de refrigeración por evaporación indirecta (que se
describe a título de ejemplo), 80 placas son apiladas con un
apilamiento de 10 pulgadas de altura. Las dimensiones de las placas
son 20 pulgadas por 18 pulgadas. El material de la placa es un
recubrimiento de polietileno sobre papel de fibra de celulosa (el
papel actúa como material de capilaridad). La separación entre las
placas es de 0,125 pulgadas.
En la práctica, las longitudes (21) de la
extensión de los bordes de 1/2 pulgada y 1 pulgada funcionan muy
satisfactoriamente provocando el drenaje del exceso de líquido de
evaporación (22). Con una separación de placas de 0,125 pulgadas
aproximadamente, las extensiones de los bordes, sustancialmente
inferiores a 1/4 de pulgada, no funcionan tan satisfactoriamente
(1/16 de pulgada no funciona en absoluto con esta separación de
placas). No obstante, con separaciones más reducidas de las placas,
extensiones de los bordes reducidas del orden de 1/8 de pulgada se
espera que consigan el objetivo de eliminar de manera eficaz el
líquido de evaporación en exceso. Las extensiones de los bordes,
sustancialmente más largas que la separación de las placas, son los
que mejor funcionan.
La figura 3 es una vista lateral de una segunda
realización de la presente invención, muy similar a la de las
figuras 2a y 2b, pero con extensiones de bordes rectas. La mayor
parte de la explicación relativa a las figuras 2a y 2b es también
relevante para esta realización.
La extensión de borde (20) de la realización de
la figura 3 se prolonga de forma recta, en vez de curvarse
alejándose de los lados húmedos (10). Este diseño es más fácil de
construir que el diseño de las figuras 2a y 2b, y elimina mejor un
exceso de fluido de evaporación que las placas convencionales sin
extensiones de borde.
La figura 4 es una vista en perspectiva y una
representación esquemática de la tercera realización de la presente
invención, que utiliza un diseño de contraflujo y que tiene
extensiones de bordes inclinadas (20). En vez de tener canales (5)
del lado húmedo y canales (4) del lado seco transversales entre sí,
son paralelos de modo general, pero fluyen en direcciones opuestas.
La extensión de los bordes es en general transversal a las guías
del canal del lado húmedo, de manera que el gas de trabajo fluye en
una dirección distinta que hacia la extensión del borde
(perpendicular en la realización de la figura 4). El líquido de
evaporación (22) recubre todavía los canales (5) del lado húmedo
mediante el material capilar (8) y emigra por capilaridad por debajo
de las guías acanaladas (7), de manera que el exceso de líquido se
desplaza hacia las extensiones de los bordes (20) y se elimina por
goteo.
La emigración del líquido de evaporación (22)
por debajo de las guías canaladas (8) se consigue del modo
siguiente. Las placas (6) son formadas a base de un material
capilar (25) recubierto por un material (24) impermeable al líquido
de evaporación (22). Por ejemplo, las placas (6) pueden estar
formadas mediante un recubrimiento de polietileno (24) sobre papel
de fibra de celulosa (25). El papel (25) actúa como material
capilar, evacuando líquido (22) por capilaridad por debajo de las
guías canaladas (7) y saliendo de las extensiones de los bordes
(20), en los que el líquido (22) se elimina por goteo de las
placas.
La figura 5 es una vista en perspectiva y una
representación esquemática de una cuarta realización de la presente
invención, con las placas (6) en orientación vertical, y presentando
extensiones de los bordes (20) rectas. El flujo (2) del gas de
trabajo se desplaza hacia arriba en los canales (5) del lado húmedo
y el flujo de fluido de producto (1) tiene sentido lateral a lo
largo de los canales (4) del lado seco. El líquido de evaporación
fluye de forma descendente por los canales (5) desde la parte
superior y escapa por goteo de las extensiones de borde (20) en la
base o fondo.
La figura 6 es una vista en perspectiva y una
representación esquemática de una quinta realización de la presente
invención, con un diseño integral y teniendo forma integral de
extensiones de borde (20) inclinadas. La realización de la figura 6
está formada preferentemente por un bloque macizo de un material
único, tal como aluminio extrusionado. Este diseño es ventajoso
cuando las placas están sometidas a cierto esfuerzo, tal como el
caso en el que el refrigerador de evaporación indirecta está
sometido a presión.
En algunas aplicaciones de la invención, las
placas (6) y los separadores (7) pueden estar constituidos en
materiales rígidos, tal como aluminio. En estos casos, las placas
(6) y los separadores de las placas (7) pueden ser extrusionados en
una sola pieza, tal como se ha mostrado en la figura 6. Las
extensiones de los bordes (20) de las placas (6) tienen
preferentemente una inclinación para conseguir una abertura más
grande en los bordes para facilitar la eliminación por goteo del
exceso de líquido (22). El lado de evaporación (húmedo) de las
placas (10) requiere una estructura para hacer que el líquido de
evaporación (22) se distribuya sobre la superficie. La distribución
del evaporado se puede conseguir con un material esponjoso o por
ataque químico de la superficie del material, tal como aluminio,
creando una superficie capilar.
Las superficies hidrofílicas, tal como las que
se describen en la patente USA nº 6.568.465, de Meissner y otros,
pueden actuar como superficies capilares.
La figura 7 es una vista en sección de un
extremo de una sexta realización de la presente invención, en la
que las placas (6) se inclinan hacia abajo desde un eje central. Una
cubeta (23) contiene el líquido de evaporación (22) para la
humectación de las placas. De manera general, un material capilar
(25) (ver figura 4, por ejemplo) atrae líquido (22) desde la cubeta
(23) a lo largo de los canales (5) del lado húmedo. Al alcanzar el
líquido (22) los extremos externos de las placas (6), éste es
extraído de las placas por las extensiones de los bordes (20), que
se han mostrado como extensiones inclinadas de los bordes similares
a las que se han mostrado en las figuras 2a y 2b.
Los técnicos en la materia de sistemas de
refrigeración por evaporación indirecta reconocerán que se pueden
introducir en las realizaciones mostradas y descritas a título de
ejemplo diferentes cambios y modificaciones que se pueden encontrar
todavía dentro del espíritu y alcance de la invención. En todos los
casos, las extensiones de los bordes de las placas de intercambio
calorífico se extienden más allá del área de transferencia térmica
de las placas y ayudan a que el líquido de evaporación escape por
drenaje de las placas.
Claims (15)
1. Placa de intercambio calorífico (6) para su
utilización en un sistema de refrigeración por evaporación de tipo
indirecto, cuya placa comprende:
un lado seco (9) que tiene baja permeabilidad a
un líquido de evaporación (22) y formada para permitir que el
fluido producto (1) pase por encima de una zona de transferencia
térmica de su superficie;
un lado húmedo (10) diseñado para tener su
superficie húmeda por la acción de un líquido de evaporación y
formada para permitir que un gas de trabajo (2) pase sobre su
superficie para evaporar el líquido de evaporación; y
caracterizándose por
una extensión en los bordes (20) formada en el
borde de la placa, más allá de la zona de transferencia de calor,
para provocar que el exceso de líquido de evaporación escape de la
placa por goteo.
2. Placa, según la reivindicación 1, en la que
la extensión del borde forma pendiente alejándose del lado
húmedo.
3. Placa, según la reivindicación 1, formada
como pieza integral de un material único.
4. Placa, según la reivindicación 3, en la que
el material es aluminio.
5. Placa, según la reivindicación 4, en la que
el lado húmedo está texturado para formar una superficie capilar
(8).
6. Placa, según la reivindicación 3, que
comprende además un material capilar (8) fijado en el lado húmedo
de la placa.
7. Placa, según la reivindicación 1, en la que
el lado húmedo comprende una superficie capilar (8).
8. Placa, según la reivindicación 1, en la que
el lado húmedo comprende canales de guía (7) para canalizar el gas
de trabajo.
9. Placa, según la reivindicación 8, en la que
el gas de trabajo discurre en una dirección distinta que la
dirección hacia la extensión del borde, y en el que el líquido de
evaporación discurre por debajo de las guías acanaladas para
alcanzar la extensión del borde.
10. Refrigerador de evaporación de tipo
indirecto que comprende:
una serie de placas de intercambio calorífico
(6), según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, dispuestas de
manera general paralelas y separadas entre sí,
en el que las extensiones de los bordes se
prolongan más allá del borde de las áreas de transferencia de calor
de las placas en una distancia que es, como mínimo, la distancia
entre las placas.
11. Refrigerador de evaporación de tipo
indirecto, según la reivindicación 10, en el que las placas están
orientadas de manera general verticalmente y las extensiones de los
bordes están situadas en las partes bajas de las placas.
12. Refrigerador de evaporación de tipo
indirecto, según la reivindicación 10, en el que las placas están
orientadas de manera general horizontalmente.
13. Refrigerador de evaporación de tipo
indirecto, según la reivindicación 10, en el que las placas forman
pendiente hacia abajo en cada dirección desde un eje central.
14. Refrigerador de evaporación de tipo
indirecto, según la reivindicación 13, que comprende además una
cubeta (23) situada en el eje central, cuya cubeta contiene el
fluido de evaporación.
15. Refrigerador de evaporación de tipo
indirecto, según la reivindicación 10 ó 14, en el que las placas
comprenden un material capilar (25) en sus lados húmedos.
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