Intercambiador de calor de placas que comprende varias placas (1) con conductos (2) para el fluido caloportador,

cuya forma sea tal que resulte un recorrido del fluido caloportador por la superficie de cada placa básicamente en forma de serpentín, caracterizado porque las paredes laterales (3) de los conductos (2) disponen de una pluralidad de aberturas (4) que producen un arremolinado del fluido caloportador

Intercambiador de calor de placas, procedimiento para su fabricación y utilización Campo de la presente invención La presente invención se refiere a un intercambiador de calor de placas que comprende una pluralidad de placas, preferentemente de material cerámico sinterizado, al procedimiento para la fabricación de tal intercambiador de calor, así como a su utilización como intercambiador de calor de alta temperatura o para el uso con medios corrosivos, también como reactor. El documento FR-A-2314461 describe un intercambiador de calor de placas según el preámbulo de la reivindicación de patente 1.

Antecedentes de la presente invención El objetivo de los intercambiadores de calor es una transmisión de calor especialmente eficaz entre dos medios que fluyen de forma separada, es decir que transmitan la máxima cantidad de calor con una superficie de intercambio lo más pequeña posible. Al mismo tiempo, deben presentar una resistencia muy baja a los flujos, para que las bombas utilizadas para la impulsión consuman la menor energía posible. En el caso de que circulen medios muy agresivos o corrosivos por el intercambiador de calor, incluso con temperaturas elevadas por encima de los 200°C, es preciso que todos los materiales dentro del intercambiador que estén en contacto con el medio ofrezcan suficiente resistencia a la corrosión. Esto incluye, amén de las superficies de intercambio, también todas las juntas y pasos. Asimismo, los intercambiadores deberían tener un diseño tal que se permita en caso necesario un vaciado sencillo del intercambiador sin dejar restos del fluido caloportador, por ejemplo para tareas de mantenimiento.

Los intercambiadores de calor de placas son una variante especial de los intercambiadores de calor. Se caracterizan por un diseño particularmente compacto. Las placas de un intercambiador de calor de placas poseen por lo general cerca de la superficie de intercambio una estructura gofrada o corrugada, que a menudo se denomina dibujo en espiga o chevron. El gofrado hace que el fluido caloportador, que circula entre el espacio de dos placas adyacentes, empieza a arremolinarse, contribuyendo de esta forma a una mejor transmisión del calor. Al mismo tiempo, presenta tal estructura una resistencia relativamente baja al flujo del fluido caloportador, consiguiendo así en gran parte una transmisión efectiva del calor con pocas pérdidas de presión.

Las placas casi siempre descansan de forma suelta en los bordes y están separadas por juntas. Dado que las juntas de plástico sólo se pueden utilizar para temperaturas máximas de hasta 300°C, en los intercambiadores de calor con placas metálicas, previstos para mayores temperaturas de servicio o presiones, se sueldan las placas en los bordes mediante soldadura directa o indirecta.

El espacio entre dos placas adyacentes forma una cámara sellada. Tanto el volumen de cada cámara, como el gofrado de las placas, determinan de forma significativa la pérdida de presión y la eficacia durante la transmisión del calor. Un gran volumen de la cámara ayuda en ambos casos y debe intentarse conseguir. Sin embargo, al mismo tiempo se acepta con ello un cierto riesgo de funcionamiento. A menos que se utilicen elementos de soporte en las cámaras, la generación de una alta presión diferencial inesperada entre cámaras adyacentes puede producir una fuerte deformación en las placas metálicas o, en caso de materiales frágiles, una rotura de las mismas. Las placas previstas para esta aplicación se fabrican de materiales metálicos, en particular de aceros anticorrosivos, titanio o tantalio. También el grafito se utiliza para aplicaciones industriales.

La cerámica SIC sinterizada SIC (SSiC) es un material universal anticorrosivo, pero frágil, que está exento de silicio metálico, al contrario del carburo de silicio infiltrado con silicio (SiSiC) . Debido a su altísima conductividad térmica, el SSiC es ideal como superficie de intercambio en intercambiadores de calor. Además se puede utilizar con temperaturas elevadas de hasta más de 1.000°C. Al contrario del SiSiC, el SSiC presenta una resistencia a la corrosión incluso en agua caliente o medios fuertemente básicos.

A pesar de su buena aptitud, en general, para intercambiadores de calor, la cerámica SIC sinterizada (SSiC) aún no se aplica a nivel industrial en intercambiadores de calor de placas, sino a lo sumo en intercambiadores de calor tubulares. La razón para ello radica en que hasta la fecha no existe ningún diseño ni procedimiento adecuado que permita la fabricación de componentes de SSiC para intercambiadores de calor de placas con suficiente transmisión de calor y al mismo tiempo con poca pérdida de presión.

Estado de la técnica

El documento DE 28 41 571 C2 describe un transmisor de calor de un material cerámico con un flujo del fluido caloportador en forma de L, utilizando preferentemente como material una cerámica SIC infiltrada de silicio (SiSiC) o nitruro de silicio. Estos materiales adolecen la desventaja de que no tienen una resistencia universal a la corrosión. En agua caliente o medios fuertemente básicos se desprende el silicio metálico, utilizado como fase ligante en el SiSiC para la infiltración y el sellado. La consecuencia son fugas y una pérdida de resistencia. En el nitruro de silicio se comienzan a disolverse relativamente rápido los límites de grano y se descompone poco a poco la superficie.

La construcción propuesta en el documento DE 28 41 571 C2 adolece la desventaja de que el intercambiador de calor se compone de un gran número de elementos de diferente geometría, por lo que no se cumple la especificación de una construcción modular de fácil ampliación. Además, este tipo de construcción requiere una gran cantidad de soldaduras, lo que, condicionado por el proceso de sinterización sin presión para los materiales utilizados, aumenta el riesgo de fugas en el intercambiador de calor. El sistema de conductos seleccionado conlleva además una alta pérdida de presión así como un bajo rendimiento de transmisión de calor en el intercambiador.

El documento DE 197 17 931 C1 describe como alternativa de material una cerámica reforzada con fibras (C/SiC o SiC/SiC) para el uso en intercambiadores de calor que trabajan a altas temperaturas comprendidas entre 200 y 1.600°C y/o medios corrosivos. Comparados con los SSiC, estos materiales requieren un proceso de fabricación bastante más complejo y costoso. Aparte de esto, los materiales cerámicos compuestos de fibras S/SiC y SiC/SiC presentan por lo general una porosidad uniforme, impidiendo por tanto una estanqueidad hermética. Ni siquiera una impregnación adicional de la superficie, aunque sea compleja y muy costosa, no puede compensar estas desventajas.

Como variante, el documento EP 1 544 565 A2 describe la utilización de cerámica reforzada con fibras o de SiC, especialmente para las placas de un transmisor de calor de placas de alta temperatura. La estructura de los conductos, descrita en la presente invención, posee aletas o nervios y está diseñada especialmente para la circulación de gases calientes, en particular para turbinas de gas. Un empleo de esta construcción con medios líquidos reduciría el rendimiento y aumentaría la pérdida de presión. El intercambiador de calor de placas se fabrica mediante el proceso de colado en cinta y se junta mediante soldadura fuerte. Sin embargo, los puntos de soldadura son, en caso de utilizar medios corrosivos, siempre puntos débiles, de modo que semejante intercambiador de calor no es apto para el uso con medios muy corrosivos, por ejemplo lejía.

El documento EP 0 074 471 B1 describe un procedimiento de fabricación para un intercambiador de calor de placas cerámicas mediante un proceso de colado en cinta y un laminado. El proceso de laminado está orientado especialmente al SiSiC como material y a la silicificación líquida como método de fabricación. La figura 2 de esta descripción de la patente muestra una forma de realización de un intercambiador de gas que dispone de desviadores situados verticalmente al sentido de flujo, para asegurar una distribución uniforme de la temperatura en los conductos. No obstante, el rendimiento de transmisión de calor y la pérdida de presión de este tipo de intercambiador de calor todavía no son satisfactorios.

Objetivo de la presente invención Por lo tanto, el objetivo de la presente invención es proporcionar un intercambiador de calor de placas de mejor rendimiento en la transmisión del calor y con una pérdida de presión reducida, que en caso necesario puede funcionar también a temperaturas elevadas... [Seguir leyendo]

1. Intercambiador de calor de placas que comprende varias placas (1) con conductos (2) para el fluido caloportador, cuya forma sea tal que resulte un recorrido del fluido caloportador por la superficie de cada placa básicamente en forma de serpentín, caracterizado porque las paredes laterales (3) de los conductos (2) disponen de una pluralidad de aberturas (4) que producen un arremolinado del fluido caloportador.

2. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 1, provisto de unas placas (1) de material cerámico, preferentemente de carburo de silicio sinterizado (SSiC) , carburo de silicio reforzado con fibras, nitruro de silicio o combinaciones de ellos.

3. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 2, siendo el material cerámico sinterizado de carburo de silicio sinterizado con una distribución granulométrica bimodal y opcionalmente hasta un 35 % vol. de otros componentes como grafito, carburo de boro u otras partículas cerámicas.

4. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 3, en el que el carburo de silicio sinterizado tiene una distribución granulométrica bimodal de entre un 50 y 90 % vol. de cristalitas de SiC prismáticas en forma de laminillas con una longitud de entre 100 y 1.500 μm, así como entre un 10 y 50 % vol. de cristalitas de SiC prismáticas en forma de laminillas con una longitud de entre 5 y menos de 100 μm.

5. Intercambiador de calor de placas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que los conductos (2) en las placas están unidos con una primera abertura de entrada (5) y una primera abertura de salida (6) para un primer fluido caloportador.

6. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 5, en el que la placa está provista de una segunda abertura de entrada (7) y una segunda abertura de salida (8) para un segundo fluido caloportador que alimente una placa adyacente.

7. Intercambiador de calor de placas según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que una placa de un primer tipo de placa contiene un sistema de conductos para un primer fluido caloportador y una placa adyacente de un segundo tipo de placa contiene un sistema de conductos para un segundo fluido caloportador.

8. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 7, en el que unas placas del primer tipo de placa y unas placas del segundo tipo de placa están apiladas en cualquier orden.

9. Intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el sistema de conductos presenta simetría especular.

10. Intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que dentro de una placa están previstos al menos dos sistemas de conductos por separado para diferentes fluidos caloportadores, entre los cuales se pretende que tenga lugar una transmisión de calor.

11. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 10, en el que los distintos fluidos caloportadores tienen flujos contracorrientes en sistemas de conductos separados.

12. Intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que las placas (1) presentan un espesor de fondo comprendido entre 0, 2 y 20 mm, preferentemente unos 3 mm.

13. Intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que las paredes laterales (3) de los conductos (2) presentan una altura de entre 0, 2 y 30 mm, preferentemente comprendida entre 0, 2 y 10 mm, y en particular de entre 0, 2 y 5 mm.

14. Intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que las aberturas (4) de las paredes laterales (3) tienen un ancho de entre 0, 2 y 20 mm, preferentemente de entre 2 y 5 mm.

15. Intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que las placas (1) están apiladas y unidas mediante unas juntas perimetrales.

16. Intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que las placas (1) están apiladas y unidas por adherencia de materiales a un bloque monolítico sin soldaduras.

17. Intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16, en el que por lo menos dos de las placas (1) están apiladas y unidas por adherencia de materiales a un bloque monolítico sin soldaduras y por lo menos dos de tales bloques monolíticos están unidos mediante juntas perimetrales.

18. Intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, que incluye un sistema cerámico o metálico de bridas para la entrada y salida de fluidos caloportadores en la parte superior y/o inferior del intercambiador de calor de placas.

19. Procedimiento para la fabricación de un intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 y 17, según el que las distintas placas o bloques monolíticos se apilan y se unen entre sí mediante juntas perimetrales.

20. Procedimiento para la fabricación de un intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las

reivindicaciones 1 a 14 y 16, según el que se apilan las distintas placas y se unen a un bloque monolítico sin soldaduras mediante un proceso de soldadura por difusión en atmósfera de gas inerte o en vacío y una temperatura de por lo menos 1.600°C y en caso necesario con la aplicación de una carga.

21. Utilización de un intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18 como intercambiador de calor de alta temperatura y/o para el uso con medios corrosivos.

22. Utilización de un intercambiador de calor de placas según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18 como reactor con al menos dos circuitos hidráulicos separados.

23. Utilización de un intercambiador de calor de placas según lo menos cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18 como reactor, de modo que se prevean entre las placas (1) una o varias placas mezcladoras (9) adicionales que tienen un sistema de conductos distinto al de las otras placas (1) .

24. Utilización según la reivindicación 23, de modo que las placas mezcladoras (9) contengan conductos paralelos cuyas paredes laterales no tengan aberturas.

25. Utilización según la reivindicación 23, de modo que el sistema de conductos de las propias placas mezcladoras (9) permita la mezcla de por lo menos dos caudales previamente separados.

26. Utilización según por lo menos cualquiera de las reivindicaciones 23 a 25, en la que las placas mezcladoras (9) 20 disponen de un recubrimiento catalítico.

Figura 1 Figura 2 Figura 3a Figura 3b