PAQUETE DENSIFICADO DE TUBOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.

Un conjunto de serpentín (16) para un intercambiador de calor (10),

que comprende:

una formación de al menos dos circuitos de serpentino, cada circuito incluye secciones (66) de tubo longitudinal de un diámetro efectivo D, secciones (68) de curva de retorno de un diámetro efectivo D, y extremos de entrada y salida, donde

los por lo menos dos circuitos de serpentino se apilan en una disposición plana escalonada con curvas de retorno adyacentes (68) que están al menos parcialmente superpuestas;

caracterizado porque:

al menos uno de los dos circuitos de serpentino está provisto con al menos una zona de depresión (68B) que coincide con el punto de superposición con la curva de retorno (68) de un circuito de serpentino adyacente,

en el que los por lo menos dos circuitos de serpentino son agrupados de manera densa para que los circuitos de serpentino adyacentes se aniden en la al menos una zona de depresión (68B) para proporcionar una densidad de agrupamiento D/S entre circuitos mayor que 1,02, donde S es la separación entre cada uno de los circuitos adyacentes y D es el diámetro efectivo de las secciones de tubo (66)

Paquete densificado de tubos de transferencia de calor.

Esta invención se refiere a un paquete de tubos de intercambio de calor que tiene una estructura con densidad uniforme. Más concretamente, esta invención se refiere a dicho paquete y método de fabricación en el que se proporcionan concavidades por lo menos en zonas de superposición de curvas de retorno de manera que los tubos superpuestos resultantes pueden agruparse con un aumento de densidad en el que la separación entre circuitos entre tubos adyacentes es menor que el área proyectada de la sección transversal de los tubos individuales.

Se conocen varios sistemas de paquetes de tubos de transferencia de calor. Las torres de refrigeración de circuito cerrado y los condensadores incluyen típicamente un paquete de numerosas longitudes de tubos en una formación. El tubo puede ser en forma de serpentino o como una serie de tubos separados que discurren en una sección de colector. El tubo contiene un vapor de condensación o un medio para ser enfriado, tal como agua. En el producto acabado, el aire y/o el agua es obligado a fluir por las superficies externas de los tubos.

Intercambiadores de calor de contracorriente por evaporación se muestran y describen, por ejemplo, en las patentes de EE.UU. Nº 3.132.190 y 3.265.372. Esos intercambiadores de calor incluyen un conducto que se extiende hacia arriba que contiene una formación de tubos que forman un conjunto de serpentín. Se proporciona una sección de pulverización en el conducto por encima del conjunto de serpentín para pulverizar agua hacia abajo sobre los tubos; y hay dispuesto un ventilador para soplar aire en el conducto cerca de la parte inferior del mismo y arriba entre los tubos en relación a contracorriente al agua pulverizada que fluye hacia abajo. El calor del fluido que pasa a través de los tubos del conjunto de serpentín se transfiere a través de las paredes del tubo hacia el agua pulverizada sobre los tubos; y el aire que fluye hacia arriba provoca la evaporación parcial de una parte del agua y la transferencia de calor y masa del agua al aire. El aire así calentado y humidificado fluye entonces hacia arriba y afuera del sistema. El agua restante se acumula en la parte inferior del conducto y se bombea hacia arriba y hacia fuera a través de toberas de pulverización en forma de recirculación.

Hay otros intercambiadores de calor del tipo de evaporación en los que el líquido y el gas fluyen en la misma dirección sobre el conjunto de serpentín. Ejemplos de estos otros dispositivos, que generalmente se conocen como intercambiadores de calor de flujo de corriente en el mismo sentido, se muestran en las patentes de EE.UU. Nº 2.752.124, 2.890.864, 2.919.559, 3.148.516 y 3.800.553.

Los anteriores son tipos de intercambiadores de calor solo con serpentín. Hay otros tipos, como tipos de serpentín/relleno que están provistos tanto con una sección de intercambiador de calor por evaporación indirecto como de un sistema de intercambiador de calor por evaporación directo. La patente de EE.UU. nº 5.435.382 es un ejemplo de ese intercambiador de calor.

En los sistemas convencionales mencionados antes se han probado varias metodologías diferentes de diseños de paquetes de tubos de transferencia calor. En los primeros diseños; los conjuntos de serpentín de tubos redondos se agrupaban en formaciones apretadas para aumentar el área de la superficie. El número de circuitos que podían ser agrupados en un paquete de tubos de serpentino estaba limitado por el diámetro de los tubos. Esto se debía a que las curvas de retorno se superponían entre sí y por lo tanto se tocaban cuando estaban separadas muy próximas.

Diseños posteriores, tales como la patente de EE.UU. Nº 4.196.157, se orientaron a un paquete de tubos de transferencia de calor disperso en que se aumentó la separación para permitir más flujo de aire entre los tubos, un mayor coeficiente de película interior y una mejor humectación de los tubos en los intentos de aumentar las tasas de transferencia total de calor. Otros diseños como los de las Patentes de EE.UU. Nº 5.425.414 y 5.799.725 mantenían alta la densidad de agrupamiento y utilizaban sistemas circulares de curvas de retorno, pero proporcionaban secciones de tubo elípticas en los tramos rectos en un intento de aumentar el flujo de aire. El agrupamiento en tales ejemplos estaba limitado de nuevo por el diámetro de la curva de retorno circular. La publicación de patente alemana Nº DE3.413.999C2 se orienta a tubos ovalados y describe los problemas de conformación de tubos ovales en curvas con forma de U.

Algunos diseños de la técnica anterior intentaron aumentar la capacidad de "arrastrar hacia abajo" ligeramente el paquete de tubos, por ejemplo, sujetando comprimidos todo el paquete durante el montaje. Si bien se ha encontrado que esto permite apretar ligeramente la separación para un determinado tamaño de intercambiador de calor (normalmente 0,4 mm (1/64'') o algo así), dicha compresión no actúa de manera homogénea en el paquete de tubos, sino que concentra las fuerzas de compresión en los tubos que están más en los extremos. Si el arrastre hacia abajo es excesivo, se produce un paquete de tubos con propiedades de flujo inconsistente, ya que los tubos que están más en los extremos (el más alto y el más bajo) pueden resultar deformados desproporcionadamente para provocar un problema de flujo o presión en estos circuitos. Por estas razones, el "arrastre hacia abajo" ha sido limitado típicamente a no más del 2% de la anchura de la curva de retorno. Así, el agrupamiento se ha limitado a una densidad que era típicamente inferior a 1,0, y, posiblemente, ligeramente mayor a 1,0 (hasta 1,02) por medio del "arrastre hacia abajo". Sin embargo, este aumento de la densidad no se controlaba de manera uniforme y precisa.

Hay una necesidad de mejorar el diseño de un paquete de tubos de intercambiador de calor y un método de fabricación que pueda aumentar el área de la superficie de transferencia de calor para un tamaño de intercambiador de calor dado.

También hay una necesidad de un diseño de paquete de tubos de intercambiador de calor que puedan aumentar la densidad del paquete. Hay una necesidad particular de un diseño de paquete de tubos de intercambiador de calor que aumente la densidad del paquete de manera uniforme, de modo que todos los circuitos puedan mantener una funcionalidad consistente.

La invención permite agrupar una mayor área de superficie de transferencia de calor en las mismas limitaciones de espacio y de tamaño que los diseños anteriores o, por el contrario, permite que la misma área de superficie de transferencia de calor sea incluida en un recinto que ocupa menos espacio. Cualquiera de estas técnicas aumenta la ratio área de superficie de transferencia de calor/coste. La invención también reduce la caída de presión en el intercambiador de calor al proporcionar más circuitos sobre los diseños de la técnica anterior.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un conjunto de serpentín, como se define en la reivindicación 1. La invención se caracteriza por la descripción del documento de los EE.UU. 4.196.157 por la parte caracterizadora de la reivindicación 1. El número de tubos en el conjunto de serpentín de un intercambiador de calor de acuerdo con realizaciones preferidas es mayor de lo que previamente se hubiera considerado posible para proporcionar la máxima área de superficie de transferencia de calor para un tamaño de intercambiador de calor dado. El conjunto de serpentín se compone de formaciones de segmentos de tubo sustancialmente equidistantes situados en diferentes niveles en el conjunto de serpentín. De acuerdo con la invención, el conjunto de serpentín está dispuesto para tener circuitos individuales de un diámetro efectivo D y una separación S entre circuitos que es inferior a D. Cuando se utiliza una sección no circular, el perímetro exterior del tubo dividido por pi es considerado como el diámetro efectivo D.

La invención puede ser puesta en práctica en la mayoría de cualquier tipo de intercambiador de calor en los que se proporcionan circuitos de tubos superpuestos. Los tubos pueden ser continuos o discontinuos, tales como tubos rectos con curvas de retorno fabricadas por separado. Ejemplos no limitantes incluyen intercambiadores de calor refrigerados por evaporación, intercambiadores de calor refrigerados por aire e intercambiadores de calor de carcasa y tubos. El conjunto de serpentín inventivo es particularmente ventajoso para el uso con tubos de serpentino. Los intercambiadores de calor de tipo sólo de serpentín pueden mostrar...

1. Un conjunto de serpentín (16) para un intercambiador de calor (10), que comprende:

una formación de al menos dos circuitos de serpentino, cada circuito incluye secciones (66) de tubo longitudinal de un diámetro efectivo D, secciones (68) de curva de retorno de un diámetro efectivo D, y extremos de entrada y salida, donde

los por lo menos dos circuitos de serpentino se apilan en una disposición plana escalonada con curvas de retorno adyacentes (68) que están al menos parcialmente superpuestas;

caracterizado porque:

al menos uno de los dos circuitos de serpentino está provisto con al menos una zona de depresión (68B) que coincide con el punto de superposición con la curva de retorno (68) de un circuito de serpentino adyacente,

en el que los por lo menos dos circuitos de serpentino son agrupados de manera densa para que los circuitos de serpentino adyacentes se aniden en la al menos una zona de depresión (68B) para proporcionar una densidad de agrupamiento D/S entre circuitos mayor que 1,02, donde S es la separación entre cada uno de los circuitos adyacentes y D es el diámetro efectivo de las secciones de tubo (66).

2. El conjunto de serpentín (16) acorde con la reivindicación 1, en el que la zona de depresión (68B) tiene una profundidad de entre 2,5-50% del diámetro D.

3. El conjunto de serpentín (16) acorde con la reivindicación 1 ó 2, en el que la zona de depresión (68B) tiene una profundidad de entre 0,8 mm-13 mm (1/32''-1/2'').

4. El conjunto de serpentín (16) acorde con la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que la zona de depresión (68B) tiene un perfil que coincide sustancialmente con la curva de retorno adyacente (68) en el punto de superposición.

5. El conjunto de serpentín (16) acorde con la reivindicación 4, en el que el perfil es semicilíndrico.

6. El conjunto de serpentín (16) acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que la zona de depresión (68B) se proporciona en al menos uno de los lados superior e inferior de al menos los circuitos de serpentino alternos.

7. El conjunto de serpentín (16) acorde con la reivindicación 6, en el que la zona de depresión (68B) se proporciona en ambos lados superior e inferior de los circuitos de serpentino alternos.

8. El conjunto de serpentín (16) acorde con la reivindicación 6, en el que la zona de depresión (68B), se dispone en los lados superior e inferior de todos los circuitos de serpentino intermedios de la formación y cada zona de depresión (68B) tiene una profundidad de entre el 1,25% y el 25% del diámetro D.

9. El conjunto de serpentín (16) acorde con la reivindicación 6, en el que la zona de depresión (68B) se dispone en ambos extremos izquierdo y derecho de la parte superior o inferior para dar cabida a la desviación y la superposición en cualquier dirección.

10. El conjunto de serpentín (16) acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que la zona de depresión (68B) se logra mediante la formación de al menos el punto de superposición de las curvas de retorno (68) en una forma aplastada en sección transversal.

11. El conjunto de serpentín (16) acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que la zona de depresión (68B) está formada por una concavidad.

12. El conjunto de serpentín (16) acorde con cualquier reivindicación anterior, en el que la formación de al menos dos circuitos de serpentino incluye tres o más circuitos y la separación S entre circuitos es uniforme entre todos los circuitos de serpentino del conjunto de serpentín.

13. Un intercambiador de calor (10), que comprende:

El conjunto de serpentín (16) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores;

un colector de admisión (56) conectado a las entradas de cada uno de los al menos dos circuitos de serpentino;

un colector de salida (56) conectado a las salidas de cada uno de los al menos dos circuitos de serpentino; y

un conducto de un tamaño predeterminado que aloja al conjunto de serpentín (16) e incluye una entrada y salida de gas.

14. El intercambiador de calor (10) acorde con la reivindicación 13, que comprende además un ventilador (32) dispuesto para mover un gas desde la entrada de gas del conducto, a través del conjunto de serpentín y afuera por la salida de gas del conducto.

15. El intercambiador de calor (10) acorde con la reivindicación 13 ó 14, que comprende además un sistema (52) de distribución del líquido dispuesto por encima del conjunto de serpentín (16) para distribuir el líquido hacia abajo sobre el conjunto de serpentín.

16. El intercambiador de calor (10) acorde con la reivindicación 13, 14 ó 15, en el que el intercambiador de calor es un intercambiador de calor por evaporación.

17. El intercambiador de calor (10) acorde con la reivindicación 16, en el que el intercambiador de calor por evaporación es un intercambiador de calor indirecto.

18. El intercambiador de calor (10) acorde con la reivindicación 16, en el que el intercambiador de calor por evaporación incluye un sistema de intercambiador de calor directo por evaporación y un sistema de intercambiador de calor indirecto por evaporación.

19. El intercambiador de calor (10) acorde con la reivindicación 18, en el que el intercambiador de calor es de tipo serpentín/relleno.