BR112020011313A2 - arranjo para uma câmara de trocador de calor latente - Google Patents

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Juan Eusebio Nomen Calvet
Dan Alexandru HANGANU
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Wga Water Global Access, S.L.
Juan Eusebio Nomen Calvet
Dan Alexandru Hanganu
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Abstract

A invenção refere-se a um arranjo para uma câmara de trocador de calor latente, utilizável em dispositivos de destilação, que compreende um evaporador em regime de evaporação capilar na sua face interna e um condensador em regime de condensação capilar na sua face externa, com um sistema para o suprimento dosado de líquido em microssulcos ou micro ranhuras da face interna do evaporador, impedindo a formação de filmes finos de água na face do evaporador, o arranjo atingindo altos coeficientes de transferência de calor latente.

Description

“ARRANJO PARA UMA CÂMARA DE TROCADOR DE CALOR LATENTE” OBJETO
[0001] A presente invenção refere-se a um arranjo para uma câmara de troca de calor latente, que compreende um evaporador em sua face interna e um condensador em sua face externa, aplicável a dispositivos de destilação.
ESTADO DA TÉCNICA
[0002] Os problemas técnicos a serem resolvidos são: - Os atuais trocadores de calor latente horizontais de tubos e cascos ou câmaras, com tubos ou câmaras lisos ou corrugados cuja face externa é evaporativa e na qual o fluido líquido a ser evaporado é fornecido, em um regime de filme fino descendente, têm seu coeficiente de transferência de calor latente limitado pela resistência térmica do filme líquido fino descendente na face de evaporação e pela resistência das camadas de água condensadas na face de condensação. O uso de tubos ou câmaras com superfícies corrugadas aumenta a superfície de troca e cria efeitos eficazes de turbulência de fluxo de líquido que melhoram o desempenho térmico, mas o coeficiente de transferência adicionado é ainda limitado pela resistência térmica das camadas líquidas. A resistência térmica de uma camada fina descendente de fluido líquido, especialmente quando é água ou soluções aquosas, reduz o coeficiente adicionado de transferência de calor latente dos tubos ou câmaras, que determina o gradiente térmico atualmente usado entre a temperatura do vapor evaporado na face de evaporação externa e a temperatura do vapor condensado na face de condensação interna. - Os atuais trocadores de calor de tubos e casco verticais com tubos lisos ou corrugados que operam em sua face externa como condensadores em sua face interna como evaporadores de filme de queda ou elevação têm seu coeficiente térmico de transferência de calor latente limitado pela resistência térmica das camadas líquidas em ambos os lados do tubo do trocador. O uso de canos corrugados estriados duplos em ambos os lados melhora o coeficiente de transferência de calor latente adicionado, devido às turbulências geradas nos fluxos de líquido e à superfície de troca aumentada, mas esse coeficiente ainda é limitado pela resistência térmica das camadas líquidas. O atual diferencial de temperatura entre ambos os lados dos tubos ou câmaras desses dispositivos também é condicionado pela resistência térmica dos filmes líquidos que cobrem, pelo menos em parte, ambos os lados da parede de tubo vertical, especialmente quando é água ou são soluções aquosas.
[0003] Os atuais trocadores de calor com tubos de condensador e evaporador em regime de condensação capilar em sua face interna e evaporação capilar em sua face externa apresentam os problemas práticos a seguir de suprir o fluido líquido para evaporar na face de evaporação externa. o É muito difícil alcançar um suprimento de líquido que não transborde os microssulcos ou microrranhuras, ao tentar fornecer fluido líquido dentro dos microssulcos ou microrranhuras localizados na face externa evaporativa de tubos dispostos em um feixe de tubos, como são normalmente dispostos em trocadores de calor latente. Essa dificuldade de fornecer o fluido, de modo que ele seja introduzido de maneira ordenada dentro das estruturas capilares da face externa de evaporação causam a aparência de camadas finas descendentes, devido ao suprimento excessivo de fluido líquido nos capilares de evaporação ou causa a aparência de áreas secas quando o suprimento é insuficiente. Ambos os fenômenos limitam o coeficiente agregado real do trocador de calor latente das paredes desses trocadores de calor latente. o É praticamente impossível suprir líquido para evaporar na face externa dos tubos horizontais localizados no centro de um feixe de tubos, sem ter transbordos de líquido acima dos microssulcos, devido ao fato de que a taxa de fluxo necessária para suprir todos os tubos no feixe é maior que a taxa de fluxo que pode ser canalizada dentro dos microssulcos de cada tubo. Portanto, o liquido a ser evaporado acaba formando filmes finos que cobrem os microssulcos na face externa, impedindo que eles atuem em um regime de evaporação capilar e criando camadas termicamente isolantes que reduzem o coeficiente de transferência de calor latente adicionado do tubo do trocador.
SUMÁRIO
[0004] A presente invenção busca aumentar o coeficiente agregado de transferência de calor latente e reduzir o diferencial ou gradiente de temperatura entre a face de condensação e a face de evaporação de um trocador de calor latente por meio de um arranjo de uma câmara de troca de calor latente, como definido nas reivindicações.
[0005] A câmara de troca de calor latente tem as seguintes características: - É uma câmara com um nível de rigidez suficiente para manter um diferencial ou gradiente entre a pressão dentro dela e a pressão no alojamento que contém a dita câmara. - Pode ser feita para uso em um trocador de calor latente horizontal ou vertical. - Sua face externa é um condensador onde a fase gasosa que condensa libera o calor de condensação. Sua face interna é um evaporador onde a fase líquida de evaporação absorve o calor latente de evaporação. - Sua face de evaporação interna é coberta com microssulcos ou microrranhuras dentro das quais o líquido a ser evaporado flui, formando meniscos com uma interface côncava de vapor líquido. - Sua face de condensação externa é coberta com microssulcos ou outra estrutura capilar, nos quais o vapor a ser condensado condensa em um regime de condensação capilar, formando meniscos com uma interface côncava de vapor líquido. - A parede da câmara pode ter uma seção em ziguezague, com ameias ou ondulada, de modo que o menisco condensador e menisco evaporativo sejam justapostos em ambos os lados da parede da câmara, ou separados por um caminho térmico curto entre ambos os meniscos.
- As camadas de líquido termicamente isolante são reduzidas ou eliminadas no caminho térmico a partir do calor latente de condensação liberado na face de condensação externa e do calor latente absorvido na face interna de evaporação, devido à combinação dos elementos a seguir: - Os microssulcos ou outra estrutura capilar da face de condensação têm a forma, inclinação e seção necessárias para evacuar o líquido condensado, de modo que entre o menisco condensador e a extremidade da estrutura capilar que o aloja, exista uma área livre de camadas líquidas. - Os microssulcos ou microrranhuras na face de evaporação têm a forma, inclinação e seção necessárias para canalizar o líquido a ser evaporado e para evacuar o restante do líquido não evaporado com a concentração de sal desejada e para garantir que entre o menisco evaporativo e a extremidade do microssulco ou micro-ondulação que o aloja, exista pelo menos uma zona livre de liquido ao longo do microssulco ou micro-ondulação. - O suprimento ordenado do líquido a ser evaporado dentro dos microssulcos ou microrranhuras na face de evaporação.
O arranjo da face do evaporador dentro da câmara permite o fácil acesso dentro de cada e de todas as câmaras e suprimento ordenado e uniforme de líquido dentro dos microssulcos ou microrranhuras da face do evaporador de cada câmara, minimizando o transbordo de líquido acima dos microssulcos e minimizando as áreas secas, de modo que o problema atual de tubos de trocadores configurados em um feixe de tubos horizontal seja superado, cuja superfície de evaporação esteja sobre a face externa de um tubo do estado da técnica, em que seja praticamente impossível suprir o líquido aos tubos localizados na parte central do feixe de tubos do trocador, sem a formação de filmes líquidos, visto que o suprimento de água em uma cascata de tubo a tubo implica uma taxa de fluxo maior do que os microssulcos da face de evaporação externa podem conter.
Na configuração de um feixe de tubos horizontal do estado da técnica, filmes de água finos são necessariamente formados na face de evaporação externa, o que reduz o coeficiente adicionado de transferência de calor latente. Por outro lado, se a face do evaporador estiver localizada dentro do tubo, é possível acessar diretamente a parte interna de cada tubo e realizar um suprimento controlado, dosado, uniforme e preciso dentro dos microssulcos, sem a formação de camadas de água transbordantes.
[0006] A combinação de uma boa dosagem do líquido por meio do sistema de entrega na face interna de evaporação combinada com a evaporação dentro da estrutura capilar que a cobre, permite a redução ou eliminação de camadas líquidas na face de evaporação.
[0007] A ausência de camadas líquidas com resistência térmica no caminho entre o ponto de liberação de calor de condensação latente e o ponto de absorção de calor de evaporação latente permite coeficientes mais elevados de transferência de calor latente do trocador a ser alcançado, o que permite reduzir os diferenciais ou gradientes de temperatura entre o vapor no lado de condensação e o vapor no lado de evaporação.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[0008] Uma explicação mais detalhada da invenção é dada na descrição a seguir e que está baseada nas figuras anexas:
[0009] A Figura 1 mostra uma seção transversal da câmara de troca de calor latente e seu sistema de suprimento interno de líquido para evaporar, bem como uma vista da parede externa de condensação da câmara de troca de calor latente coberta, pelo menos em parte, com microssulcos ou outra estrutura capilar;
[0010] A Figura 2 mostra uma seção longitudinal de uma câmara de troca de calor latente em uma modalidade com os microssulcos perpendiculares ao eixo da câmara e um detalhe ampliado de sua seção em ziguezague;
[0011] A Figura 3 mostra uma seção transversal de um alojamento horizontal e dispositivo de câmara, em uma modalidade com as câmaras colocadas em fileiras sobrepostas;
[0012] A Figura 4 mostra uma seção transversal de uma câmara em uma modalidade com uma seção irregular ondulada e com uma vista de sua face externa com microssulcos ou microrranhuras; e
[0013] A Figura 5 mostra uma seção transversal de um dispositivo com câmaras verticalmente dispostas e um detalhe da câmara com sistema interno de entrega de solução salina.
DESCRIÇÃO
[0014] As Figuras 1 e 2 mostram um arranjo de uma câmara de troca de calor latente 1 que condensa em sua face externa e evapora em sua face interna.
[0015] A face externa da câmara de troca de calor é coberta 4, pelo menos em parte, com microssulcos ou outra estrutura capilar na qual o vapor condensa em um regime de condensação capilar. O líquido condensado na face externa forma meniscos 8 com uma interface côncava de vapor líquido. A condensação capilar ocorre nesse menisco e energia é liberada na forma de calor latente.
[0016] A face interna da câmara de troca de calor latente é coberta, pelo menos em parte, com microssulcos ou microrranhuras nos quais o líquido para evaporar flui ordenadamente, formando meniscos 7 com uma interface côncava de vapor líquido. A partir da extremidade superior desses meniscos 7 ocorre a evaporação mais eficaz e o calor latente é absorvido.
[0017] A câmara de troca de calor latente que condensa em sua face externa e evapora em sua face interna pode ser realizada em uma configuração horizontal como mostrado na Figura 1 ou em uma configuração vertical. Uma modalidade é com microssulcos ou microrranhuras paralelos ao eixo da câmara para instalação em uma configuração vertical. Outra modalidade é com os microssulcos ou microrranhuras perpendiculares ao eixo da câmara para instalação em uma configuração horizontal.
[0018] A câmara de troca de calor latente tem uma seção oval 1, como mostrado na Figura 1, ou também pode ter uma seção quadrada,
retangular, circular ou irregular, como mostrado na Figura 4. A seção é um parâmetro que irá depender das características do dispositivo no qual o trocador de calor está incorporado e da destilação a ser realizada.
[0019] Para as câmaras que operam em uma configuração horizontal, pelo menos um mecanismo 2 para suprir o líquido a ser evaporado é incorporado à câmara, o excesso 3 do mesmo é evacuado a partir da área inferior da câmara de troca. Esse mecanismo 2 para suprir o líquido a ser evaporado pode ser de um tipo para regar, borrifar, pulverizar ou nebulizar a fim de criar um pulverizador ou névoa que umedece os microssulcos ou microrranhuras, formando meniscos e sem criar transbordos acima dos microssulcos. A evacuação do líquido em excesso 3 e do vapor liberado no processo de evaporação é feita a partir de uma das extremidades da câmara ou de aberturas específicas criadas na câmara para esse fim.
[0020] Como mostrado na Figura 5, para as câmaras que operam verticalmente, o líquido a ser evaporado pode ser suprido na face interna de evaporação da câmara por meio de um sistema para suprimento 19 do líquido sob pressão, pelo menos na parte superior de cada câmara, e mecanismos ou designs de suprimento gravitacional podem ser usados dentro da câmara no que diz respeito ao líquido a ser evaporado.
[0021] A Figura 2 mostra uma seção longitudinal 5 da parede da câmara de troca de calor latente, em uma modalidade com os microssulcos perpendiculares ao eixo da câmara, e uma ampliação de sua seção 6 em ziguezague para justapor ou aproximar o menisco evaporativo 8 do menisco evaporativo 7 e para alcançar um caminho térmico 9 livre de camadas líquidas. Essa aproximação dos meniscos e o caminho térmico livre de camadas de água também pode ser alcançada com uma seção com ameias ou ondulada.
[0022] A face interna da câmara de troca de calor latente é coberta com microssulcos ou microrranhuras nos quais o líquido para evaporar forma um menisco 7 com uma interface côncava de vapor líquido. A evaporação mais eficaz do líquido ocorre a partir da extremidade superior desse menisco 7. A seção dos microssulcos ou microrranhuras e sua inclinação são suficientes, de modo que entre a extremidade desse menisco 7 e a extremidade dos microssulcos ou microrranhuras que o alojam exista uma área livre de camadas ou filmes líquidos.
[0023] A face externa da câmara de troca de calor latente é coberta com microssulcos ou outras estruturas capilares nos quais o vapor condensa em um regime de condensação capilar e forma meniscos 8 com uma interface côncava de vapor líquido. A seção do microssulco ou outra capilar e sua inclinação são suficientes, de modo que exista uma área livre de camadas ou filmes líquidos entre a extremidade do menisco de líquido condensado 8 e a extremidade da estrutura capilar que o aloja.
[0024] A câmara de troca de calor latente 1, 5, 20 com evaporação capilar interna e condensação capilar externa minimiza a formação de filmes líquidos termicamente isolantes ao combinar os seguintes fatores: 1- Entre a extremidade do condensador de menisco 8 e a extremidade da estrutura capilar na face externa da parede da câmara, existe uma área livre de camadas de líquido condensado através da qual a energia liberada é transferida de maneira eficaz como calor latente de condensação. Na face interna de evaporação também existe uma zona livre de camadas líquidas entre a extremidade do menisco 7 e a extremidade da estrutura capilar que o aloja. Então, há um caminho térmico eficaz 9, livre de camadas líquidas, entre a parte superior do condensador do menisco 8, onde o calor latente de condensação é liberado na face externa e a extremidade superior do menisco 7 do líquido a ser evaporado na face interna, onde o calor latente é absorvido. 2- O suprimento do líquido na face de evaporação interna não é realizado em um regime de filme descendente. O líquido a ser evaporado é suprido dentro dos microssulcos ou microrranhuras através dos quais ele flui formando meniscos. Em uma configuração horizontal da câmara de troca de calor latente, pelo menos um duto 2 é incorporado dentro da câmara com dispositivos para distribuir o líquido a ser evaporado localizados ao longo do tubo. Algumas formas dessa distribuição do líquido podem ser do tipo para regar; borrifar, pulverizar ou nebulizar, criando microgotículas ou névoa dentro da câmara que umedece todos os microssulcos ou microrranhuras.
[0025] Em uma configuração vertical da câmara de troca de calor, o líquido a ser evaporado é suprido por pelo menos um duto 19 com pelo menos um mecanismo de distribuição de líquido na parte superior da câmara. Algumas formas de distribuição do líquido a ser evaporado podem ser do tipo para regar, vaporizar, pulverizar ou nebulizar. Também é possível usar pelo menos um sistema de suprimento de transbordo gravitacional para o líquido a ser evaporado, colocado na parte superior da câmara para suprir o líquido a ser evaporado em uma maneira ordenada dentro dos microssulcos ou microrranhuras na face interna da câmara. 3- O arranjo da face de evaporação dentro da câmara permite suprir a quantidade de líquido para evaporar de um modo uniforme e dosado, dentro dos microssulcos ou microrranhuras na face de evaporação de cada câmara, sem a formação de transbordos líquidos acima dos microssulcos que daria origem a camadas líquidas termicamente isolantes. Nesse modo, o problema atual dos feixes de tubos em uma posição horizontal com a face de evaporação externa é superado, no qual é impossível fornecer líquido na face externa dos tubos localizados no centro do feixe sem criar filmes líquidos com uma espessura maior que os microssulcos de evaporação, devido ao fato de que a taxa de fluxo necessária para suprir todos os tubos exige espessura maior que o volume de líquido que pode fluir dentro dos microssulcos. Em configurações verticais, a colocação de um dispositivo, dispensador ou pulverizador de dosagem dentro de cada câmara permite um suprimento uniforme e preciso dentro de todos os microssulcos ou microrranhuras da face de evaporação dentro da câmara. Em configurações verticais, também é possível ter pelo menos um sistema de transbordo gravitacional de medição uniforme e precisa para fornecer o líquido a ser evaporado dentro dos microssulcos ou microrranhuras de cada câmara.
[0026] Portanto, entre o ponto onde o calor latente de condensação é liberado no menisco 8 na face de condensação externa e o ponto de absorção do calor latente de evaporação na extremidade do menisco 7 na face de evaporação interna, a energia é transferida através de um caminho térmico 9 livre de camadas líquidas, reduzindo ou eliminando a resistência térmica imposta pelas camadas líquidas.
[0027] Esse caminho 9 livre de camadas ou filmes líquidos também ocorre teoricamente nos tubos de evaporador e condensador com estruturas capilares em sua face de condensação interna e em sua face de evaporação externa. Mas, na prática, quando esses tubos são colocados de tal modo a formar um feixe de tubos, em um trocador de calor latente, é difícil acessa a face externa dos tubos dentro do feixe, especialmente em configurações horizontais, e o suprimento do líquido na face de evaporação externa desses acaba transbordando os microssulcos e formando filmes descendentes que cobrem os microssulcos e formando áreas secas. Ambos os fenômenos, reduzem o coeficiente agregado de transferência de calor latente. Para impedir esses problemas de suprimento de fluido dentro dos microssulcos na face de evaporação, é essencial reverter a posição da face de evaporação e colocá-la dentro da câmara de troca de calor latente, onde a quantidade precisa do líquido a ser evaporado pode ser suprida dentro dos microssulcos ou microrranhuras.
[0028] O arranjo da zona de evaporação na face interna da câmara também facilita processos de limpeza química periódicos, garantindo que toda a superfície de evaporação seja imersa no líquido de limpeza durante o período de tempo programado. O sistema de suprimento 2 também permite aplicações periódicas de limpeza por pressão dentro da câmara.
[0029] As câmaras de troca de calor latente podem ter uma altura igual ao diâmetro do alojamento que aloja as mesmas ou podem ter uma altura inferior. A Figura 3 mostra uma seção transversal de uma modalidade com um dispositivo de alojamento com câmaras horizontais agrupadas em fileiras em vários níveis. A altura da câmara pode ser adaptada às condições da destilação a ser realizada. Entre outros fatores, sua altura pode ser uma função da combinação da taxa de fluxo que pode passar através dos microssulcos ou microrranhuras, da taxa de evaporação e da concentração desejada da salmoura não evaporada.
[0030] A Figura 4 mostra uma seção transversal e uma vista da face externa de uma modalidade com uma câmara coberta com microssulcos com uma seção ondulada irregular 10. Essa seção 10 permite que a câmara ocupe um volume parecido com aquele ocupado por um feixe de tubos em uma configuração atual de um trocador de calor latente de cascos e tubos do estado da técnica.
[0031] O arranjo de câmaras de troca de calor latente com condensação capilar em sua face externa e evaporação a partir da extremidade do menisco nos capilares em sua face interna e a distribuição de fluido eficaz dentro dos microssulcos ou microrranhuras alcançada com um suprimento preciso do líquido a ser evaporado dentro da câmara permitem: 1- Alcançar, na prática, coeficientes de transferência de calor latente maiores que aqueles obtidos nos trocadores de calor latente atuais; 2- Trabalhar com diferenciais de temperatura entre a temperatura do vapor condensado na face externa e a temperatura do vapor evaporado na face interna atingindo gradientes de apenas 0,2 ºC, e menores, mais o salto da temperatura exigido pela elevação do ponto de ebulição da solução salina para evaporar; 3- Alcançar esses coeficientes de transferência e gradientes de temperatura trabalhando a baixas temperaturas. Especificamente, no caso de dispositivos de dessalinização, trabalhar sob temperaturas que são semelhantes ou próximas à temperatura ambiente do líquido a ser dessalinizado.

Claims (9)

REIVINDICAÇÕES
1. Arranjo para uma câmara de troca de calor latente, condensando na sua face externa e evaporando na sua face interna, caracterizado por a face externa desta câmara ser coberta, pelo menos em parte, por microssulcos ou outra estrutura capilar na qual a condensação é realizada em regime capilar e meniscos de líquido condensado são formados com uma interface côncava de vapor líquido; a face interna da câmara é coberta, pelo menos em parte, por microssulcos ou micro ranhuras nas quais o líquido a ser evaporado flui e forma meniscos com uma interface côncava de vapor líquido e a evaporação ocorre a partir da extremidade superior do menisco, onde a evaporação é mais eficiente; o líquido a ser evaporado é fornecido sem obstruções, de maneira direta e controlada, na face interna de evaporação de cada câmara, sem transbordos indesejados de líquidos nos microssulcos ou micro ranhuras e reduzindo ou eliminando áreas secas; e possui caminhos térmicos livres de camadas líquidas entre a superfície do menisco condensador, em que a fase gasosa condensa e libera o calor latente da condensação, e a extremidade do menisco evaporativo, em que a fase líquida evapora e absorve o calor latente da evaporação.
2. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma seção da parede da câmara na direção dos microssulcos ou micro ranhuras estão dispostos em forma de zigue-zague, com ameias ou ondulado.
3. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a câmara de troca de calor latente ter uma seção transversal oval (1).
4. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a câmara de troca de calor latente ter uma seção transversal circular (1).
5. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a câmara de troca de calor latente ter uma seção retangular ou quadrada (1).
6. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os microssulcos ou micro ranhuras serem perpendiculares ao eixo central da câmara, para o uso de trocadores de calor latentes em configurações horizontais.
7. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os microssulcos ou micro ranhuras serem paralelos ao eixo central da câmara, para o uso de trocadores de calor latentes em configurações verticais.
8. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a câmara de troca de calor latente compreender dentro de pelo menos um duto para fornecer o líquido a ser evaporado, com pelo menos um dispositivo de dosagem para regar, borrifar, pulverizar ou nebulizar o líquido.
9. Arranjo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a câmara de troca de calor latente tem uma configuração vertical e tem na extremidade superior de cada câmara pelo menos um mecanismo ou design para dosagem gravitacional do líquido a ser evaporado na face interna da câmara.
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