Intercambiador de calor formado por dos láminas soldadas o adheridas entre sí,

al menos en una de las cuales se ha estampado un canal cuya topología permite que, al tiempo que se define un conducto por el que circulará el fluido de intercambio térmico en régimen laminar con una distribución de velocidades prácticamente homogénea, la superficie en la cual dicho fluido se encuentra en contacto directo con las láminas del intercambiador es prácticamente del 100%. Además de ser apto para el intercambio de calor de la radiación solar a un fluido caloportador en captadores solares, el diseño propuesto admite configuraciones que, con mínimas modificaciones en el procedimiento de fabricación, permite incorporar subvolúmenes estancos en el cuerpo del intercambiador en los que éste puede ser perforado para posibilitar la formación de celdas convectivas en el seno de otro fluido con el que se pretenda intercambiar calor por inmersión

Intercambiador de calor de láminas canalizado.

Descripción del invento

El problema del intercambio de calor en situaciones en las que uno de los cuerpos en contacto térmico es un líquido se presenta en infinidad de situaciones prácticas en los más variados campos de la ciencia y de la técnica. En particular, la transferencia de calor procedente de radiación solar a un fluido caloportador y de éste a un segundo fluido en un depósito colector ha cobrado un renovado interés en fechas recientes debido al auge extraordinario de las denominadas energías renovables, en particular de la denominada energía solar térmica. Ello se debe a que una de las formas más comunes de aprovechamiento de la energía solar es su conversión fototérmica, en la que se capta la energía de la radiación solar con colectores de placas planas, evacuados o no, (sistemas de baja temperatura, generalmente hasta unos 80ºC en sistemas no evacuados y unos 120ºC en sistemas evacuados), o mediante concentradores solares (sistemas de media temperatura). Esta energía es posteriormente comunicada a un fluido de transmisión térmica (caloportador o termoportador, en los sistemas de baja temperatura generalmente una disolución acuosa de etilenglicol o propilenglicol de concentración variable en sistemas no evacuados), que lo transporta -mediante conducción forzada o por sistema de termosifón- a un intercambiador en el que se comunica a un circuito cerrado de fluido, por ejemplo destinado a calefacción, o abierto, por ejemplo destinado a suministrar agua caliente sanitaria.

Por su parte, los colectores de placa plana no evacuados son esencialmente de dos tipos: i) colectores formados por un conjunto de tubos, normalmente de cobre, soldados por algún procedimiento a una chapa continua o partida (aletas) del mismo material ennegrecida por algún procedimiento para incrementar su absorbancia (e.g. colectores de las marcas comerciales Viesmann, Chromagen, Solahart, Reisol, etc.); y ii) aquellos cuyo funcionamiento se basa en la circulación del fluido caloportador directamente en contacto con dos láminas, generalmente metálicas, ennegrecida la expuesta a la radiación solar, sistema conocido comúnmente como tipo sándwich (e.g. panel solar tipo Nordsoll o Solahart sistema Multiflow, entre otros). Asimismo, existen en el mercado sistemas que podemos denominar mixtos, en los que un tubo, en forma de serpentín, va embutido entre las dos láminas del absorbedor (e.g. modelo de utilidad ES241433U). El rendimiento de los equipos tipo sándwich es, por lo general, notablemente superior a los de la primera categoría citada anteriormente, debido a que la superficie de contacto del fluido termoportador con la superficie sobre la que incide la radiación solar es mucho mayor que en los colectores de tubo. Sin embargo, las dificultades técnicas de fabricación de estos captadores (soldadura, tratamientos, diseño e implementación del circuito interno de conducción de fluido termoportador...) suele ser superior a la de los colectores de tubos lo que provoca que, en la actualidad, los sistemas de tubo sean ampliamente mayoritarios en el mercado.

Por otro lado, la elección de la topología adecuada para el recorrido interior del fluido termoportador entre las dos láminas en los sistemas tipo sándwich es generalmente un problema complejo, habiéndose ensayado esencialmente dos tipos de soluciones:

i) sistemas canalizados en los que el fluido circula en régimen laminar desde la boca de entrada a la de salida del captador a través de un conducto estampado en una o ambas de las láminas que forman el colector, generalmente con recorridos en parrilla conectando las bocas de entrada y salida de la placa colectora, con pequeñas longitudes de recorrido del fluido en el interior de la placa, cortos tiempos de residencia y bajas fracciones de superficie de contacto del fluido caloportador con la placa. Entre otros colectores que funcionan mediante este procedimiento podemos mencionar, a título de ejemplo, el comercializado por la compañía Brown Boveri Company (BBC) o el correspondiente a la solicitud de patente US2003/0121842 Al de Flynn Thiel Boutell & Tanis PC de fecha 17/07/2003.

ii) Sistemas de laberinto, en los que las láminas se sueldan entre sí mediante soldadura por puntos, en los que el fluido sigue un camino esencialmente aleatorio entre la entrada y la salida, obligado a sortear los resaltes definidos por puntos de soldadura, aumentando los tiempos de residencia del fluido entre las placas, pero generando campos de velocidades altamente inhomogéneos y turbulencias en el fluido termoportador, así como elevadas caídas de presión entre la entrada y la salida del fluido de la placa. En este tipo de colectores se encuadran los anteriormente citados Nordsoll o Solahart sistema Multiflow, además de los comercializados bajo la denominación Natural Energy Products (NEP), entre otros.

Debido a estos inconvenientes, los colectores de láminas canalizados son generalmente más eficaces en su funcionamiento práctico que los del sistema laberíntico. Los circuitos habitualmente utilizados en los primeros suelen ofrecer una serie de canales alternativos al fluido caloportador, de tal manera que los distintos elementos de volumen del fluido no siguen idénticas trayectorias en el interior del captador y a menudo presentan escasas o nulas caídas de presión entre la entrada y la salida del intercambiador. Sin embargo, la fracción de superficie ocupada por los canales por los que circula el líquido caloportador sobre el total de la superficie de la lámina absorbente suele ser baja, lo que provoca disminuciones muy importantes del rendimiento de estos captadores, dado que la superficie de lámina en contacto directo con el fluido es la principal variable que condiciona la eficiencia de estos colectores, según han resaltado diversos autores (e.g. S. A Kalogioru, Prog. Energy and Combustión Sci. 30, 231 (2004)).

Por su parte, como se ha dicho, los colectores de tipo laberíntico combinan bajos costes de producción con elevadas fracciones de superficie en contacto directo con el fluido caloportador. No obstante, la inexistencia de un canal que conduzca el flujo provoca la aparición de fuertes inhomogeneidades y turbulencias en el campo de velocidades del fluido caloportador en el interior de los colectores. Además, la normalmente muy pequeña distancia de separación entre las láminas produce elevadas caídas de presión entre la entrada y la salida del absorbedor, obligando a usar bombas de elevada potencia para mantener el flujo de fluido en el interior del colector, con el consiguiente incremento de costes de funcionamiento.

La presente invención consiste en un intercambiador de calor de láminas que combina las ventajas de ambos sistemas, canalizado y laberíntico, a saber: flujo canalizado laminar homogéneo, elevadas fracciones de superficie en contacto con los fluidos caloportadores, pequeñas caídas de presión en el circuito y bajos costes de producción. El intercambiador de calor propuesto presenta un elevado alto rendimiento derivado de que la topología propuesta para su canal interior permite aproximar la fracción de superficie absorbente de radiación solar en contacto directo con el fluido caloportador a su valor máximo unidad. Además, las peculiaridades de la topología elegida hacen que los costes de producción de intercambiador sean notablemente más bajos que los de otros sistemas de láminas canalizados actualmente existentes.

Se trata, en síntesis, de utilizar en el intercambiador un circuito que permite maximizar la superficie de contacto entre placa absorbente de radiación solar y fluido caloportador. Para ello se propone un intercambiador formado por dos láminas, al menos la anterior expuesta a la radiación solar incidente, de metal de alta conductividad térmica. En la lámina posterior, la no mostrada a la radiación solar, se estampa un canal de las características mostradas en la Fig. 1. La lámina expuesta a la radiación solar se mantiene sin plegar para uniformizar el ángulo de incidencia de la radiación solar sobre todos los puntos de su superficie al tiempo que se abaratan los costes de producción. Las dos láminas se unirán a lo largo de las zonas de separación estampadas en la lámina trasera mediante algún procedimiento de soldadura idóneo o con algún sellador interior, como se puede observar en las Figs. 2.a) y 2.b), dando lugar a un circuito formado por una sucesión de canales paralelos, estancos en toda su longitud con la excepción de uno de sus extremos, tal y como indican las flechas de dirección del flujo en la Fig. 1. La longitud de estas zonas de paso del...

1. Intercambiador térmico de láminas de alto rendimiento, constituido por dos láminas, al menos una metálica de alta conductividad térmica, soldadas o adheridas entre si en todo su perímetro, caracterizado porque en al menos una de las láminas se ha estampado un canal que se extiende entre una boca de entrada y otra de salida y que está constituido por una sucesión de tramos en forma de paralelepípedos de sección aproximadamente rectangular y longitud igual a la de una de las dimensiones de la lámina menos la suma de las longitudes de las soldaduras de las bases; los tramos se encuentran adosados entre si compartiendo una de sus paredes laterales y son estancos en toda su longitud debido a las uniones de las crestas de las separaciones con la otra lámina salvo en uno de sus extremos, a través del cual se comunica con el contiguo por uno de sus laterales permitiendo el flujo continuo de un fluido caloportador en sentidos alternativos en tramos contiguos a lo largo de toda la longitud del canal.

2. Intercambiador térmico de láminas según reivindicación primera, caracterizado porque las divisiones entre tramos contiguos forman un ángulo entre si de forma tal que definen subvolúmenes estancos en la superficie del intercambiador, permitiendo practicar perforaciones en la dirección perpendicular a las láminas del cuerpo intercambiador, y que puede adoptar una forma plana o cilíndrica.

3. Intercambiador térmico de láminas según reivindicación segunda, caracterizado por incorporar rejillas difusoras en las bocas de entrada del intercambiador.