ES2661721T3 - Intercambiador de calor y sistema de gestión de calor con un intercambiador de calor de este tipo - Google Patents

Intercambiador de calor y sistema de gestión de calor con un intercambiador de calor de este tipo Download PDF

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ES2661721T3 ES14000172.8T ES14000172T ES2661721T3 ES 2661721 T3 ES2661721 T3 ES 2661721T3 ES 14000172 T ES14000172 T ES 14000172T ES 2661721 T3 ES2661721 T3 ES 2661721T3
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Abstract

Intercambiador de calor (1) para la transmisión de calor entre un medio portador de calor y un líquido circundante (2), - con una primera línea principal (3), que presenta una sección transversal de caudal principal (D), - con una segunda línea principal (4), y - con una sección de intercambiador de calor (5), que puede atravesarse por el medio portador de calor, y que presenta una sección transversal de caudal del intercambiador de calor ampliada en comparación con la sección transversal de caudal principal (5), presentando la sección de intercambiador de calor (5) una geometría a modo de cilindro hueco, caracterizado por que la sección de intercambiador de calor (5) está unida en un primer extremo (6) con la primera línea principal (3) y en un segundo extremo (8) con la segunda línea principal (4) de tal modo que el medio portador de calor se distribuye de manera simétrica e hidráulica entre la primera línea principal (3) y la sección de intercambiador de calor (5) o la segunda línea principal (4) y la sección de intercambiador de calor (5), de modo que el medio portador de calor en cada sección transversal parcial de la sección transversal de caudal del intercambiador de calor (5) excepto efectos marginales fluye siempre con aproximadamente la misma velocidad de flujo, estando unida la sección de intercambiador de calor (5) en el primer y en el segundo extremo (6, 8) de manera central con la primera línea principal (3) o con la segunda línea principal (4).

Description

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DESCRIPCION
Intercambiador de calor y sistema de gestión de calor con un intercambiador de calor de este tipo
La invención se refiere a un intercambiador de calor para la transmisión de calor entre un medio portador de calor y un líquido circundante. Además, la invención se refiere a un sistema de gestión de calor con un intercambiador de calor de este tipo.
Para el abastecimiento de circuitos de refrigeración para máquinas se usan de manera convencional máquinas refrigeradoras que refrigeran el medio portador de calor que fluye en el circuito de refrigeración (generalmente agua) hasta una temperatura deseada. No obstante, una desventaja de las máquinas refrigeradoras es su alto consumo energético.
Como alternativa de ahorro de energía se refrigeran parcialmente estos circuitos de refrigeración también en torres de refrigeración a través de intercambiadores de calor de fluido-aire o en contacto directo del fluido con el aire. Un factor limitante parar la temperatura del circuito de refrigeración alcanzable es en este sentido la temperatura ambiente, que se somete a menudo a grandes oscilaciones anuales y/o diarias.
Como alternativa se refrigeran los circuitos de refrigeración también en líquidos fríos tales como por ejemplo agua subterránea o agua de río, que se almacenan por ejemplo en cuencas o tanques. Para ello se conocen intercambiadores de calor en distintas formas. Típicamente se usan a menudo intercambiadores de calor de haz de tubos, que conducen el medio portador de calor mediante haces de tubos curvados en forma de U y que se sumergen en el líquido de un tanque de este tipo.
Por el documento EP 0 056 797 A2 se conoce un intercambiador de calor para un acumulador geotérmico de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación de patente 1. El intercambiador de calor presenta un haz de tubos, cuyos tubos están dispuestos en la extensión de un cilindro. Los extremos inferiores de los tubos están unidos con un tubo colector central. En su extremo superior desembocan los tubos en una línea anular, que está unida en un lado con un tubo colector adicional. Entre los tubos colectores puede guiarse un líquido transmisor de calor en el circuito. El intercambiador de calor se introduce con haz de tubos alineado en vertical en una abertura de base llenada con una suspensión de arcilla. La abertura de base se rellena a continuación con material a granel desplazando parcialmente la suspensión de arcilla.
Otros intercambiadores de calor para el intercambio de calor con el sustrato se conocen por los documentos WO 96/14544 A1, WO 94/18510 a1 y US 5.339.890 A. También estos intercambiadores de calor comprenden respectivamente un haz de tubos, que se dispone en alineación en vertical en la tierra.
A su vez, otros intercambiadores de calor para el intercambio de calor entre dos líquidos o entre un líquido y un vidrio se conocen por los documentos CH 292 911 A, DE 7 930 501 U1, US 2011/0146338 A1 y FR 1 161 500 A.
La invención tiene por objetivo indicar un intercambiador de calor construido de manera sencilla, aunque no obstante eficiente. Además, la invención tiene por objetivo indicar un sistema de gestión de calor eficiente y construido de manera sencilla.
Este objetivo se soluciona de acuerdo con la invención por lo que respecta a un intercambiador de calor mediante las características de la reivindicación 1. Por lo que respecta a un sistema de gestión de calor se soluciona de acuerdo con la invención el objetivo mediante las características de la reivindicación 12. Las formas de realización ventajosas y parcialmente inventivas y los perfeccionamientos de la invención están establecidos en las reivindicaciones dependientes y la descripción siguiente.
El intercambiador de calor de acuerdo con la invención está previsto para la transmisión de calor entre un medio portador de calor y un líquido circundante. De acuerdo con la invención, el intercambiador de calor comprende para la conducción del medio portador de calor una primera línea principal y una segunda línea principal. La sección transversal de caudal de la primera línea principal se denomina en este sentido sección transversal de caudal principal. Además, el intercambiador de calor comprende una sección de intercambiador de calor, que puede atravesarse por el medio portador de calor. La sección de intercambiador de calor presenta a este respecto una sección transversal de caudal denominada sección transversal de caudal del intercambiador de calor, estando ampliada esta sección transversal de caudal del intercambiador de calor en comparación con la sección transversal de caudal principal. La sección de intercambiador de calor está unida además en un primer extremo con la primera línea principal y en un segundo extremo con la segunda línea principal de tal modo que el medio portador de calor se distribuye esencialmente, es decir, aproximadamente de manera simétrica e hidráulica entre la primera línea principal y la sección de intercambiador de calor o entre la segunda línea principal y la sección de intercambiador de calor.
Por "distribución simétrica e hidráulica" se entiende en este caso y a continuación que el medio portador de calor se transmite por la primera o la segunda línea principal a la sección de intercambiador de calor de tal modo que el
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medio portador de calor en cada sección transversal parcial de la sección transversal de caudal del intercambiador de calor - excepto efectos marginales - siempre fluye con aproximadamente la misma velocidad de flujo. Este flujo - casi - homogéneo de la sección transversal de caudal del intercambiador de calor conduce de manera ventajosa en la sección de intercambiador de calor a una transmisión uniforme de calor entre el medio portador de calor y el entorno o el líquido.
Mediante la sección transversal de caudal del intercambiador de calor ampliada en comparación con la sección transversal de caudal principal se consigue además de manera ventajosa que el medio portador de calor cuando atraviesa la sección de intercambiador de calor presente una velocidad de flujo ralentizada en comparación con cuando atraviesa la primera línea principal. Esto tiene la ventaja de que para el medio portador de calor está a disposición un tiempo de permanencia especialmente largo en la sección de intercambiador de calor, lo que tiene como consecuencia un intercambio de calor mejorado. Preferentemente es para ello la sección transversal de caudal del intercambiador de calor significativamente más grande que la sección transversal de caudal principal, por ejemplo al menos el doble de grande.
Preferentemente, la sección de intercambiador de calor está elaborada de acero inoxidable. En el marco de la invención, la sección de intercambiador de calor puede estar elaborada, no obstante, también de aluminio o plástico conductor término optimizado.
En una realización preferente, la sección transversal de caudal de la segunda línea principal se corresponde con la sección transversal de caudal principal, es decir, con la sección transversal de caudal de la primera línea principal. Esto tiene la ventaja de que la velocidad de flujo del medio portador de calor es igual en la primera y en la segunda línea principal.
En una realización especialmente preferente, la sección de intercambiador de calor presenta en dirección de flujo del medio portador de calor una forma alargada. Preferentemente la sección de intercambiador de calor está realizada en este sentido significativamente más larga que la extensión que se encuentra en perpendicular a la dirección de flujo de la superficie de corte transversal, atravesada por el medio portador de calor, de la sección de intercambiador de calor. Por ejemplo, la longitud asciende a al menos el triple de esta extensión. En particular, la sección de intercambiador de calor presenta una longitud de al menos 4 m. La extensión de transmisión de calor formada por la sección de intercambiador de calor para el medio portador de calor es, por tanto, especialmente grande, de modo que al medio portador de calor cuando atraviesa la sección de intercambiador de calor está a disposición un tiempo especialmente largo para la transmisión de calor con el entorno o el líquido circundante.
De acuerdo con la invención, la sección de intercambiador de calor presenta una geometría a modo de cilindro hueco. Por ello se entiende que el medio portador de calor está guiado dentro de la sección de intercambiador de calor con distancia con respecto a un eje central de la sección de intercambiador de calor a lo largo de una superficie lateral de cilindro. En otras palabras, la sección transversal de caudal del intercambiador de calor se sitúa por completo entre dos superficies laterales de cilindro concéntricas. En este sentido, la sección de intercambiador de calor presenta al menos una superficie de contacto (o una sección de superficie de contacto), que está dirigida con sus normales superficiales de la geometría a modo de cilindro hueco hacia fuera, y por lo menos una superficie de contacto adicional (o una sección de superficie de contacto adicional), que está dirigida con sus normales superficiales hacia el lado interior de la geometría a modo de cilindro hueco. El medio portador de calor que fluye en la sección de intercambiador de calor está circundado, por ello, tanto por el lado exterior como por el lado interior por el líquido circundante.
En una posible realización de la invención, la sección de intercambiador de calor presenta un único canal de flujo, que está formado, visto en el corte transversal, por una hendidura de cilindro hueco. En otras palabras, la sección de intercambiador de calor se corresponde en esta realización con un tubo de doble pared, cuyas paredes de tubo del lado interior y exterior forman un cilindro hueco. Cada una de las paredes de tubo forma, por tanto, también una superficie de contacto, dirigida hacia el exterior o hacia el interior, de la sección de intercambiador de calor. El medio portador de calor fluye en este caso en la hendidura de cilindro hueco, es decir, entre la pared de tubo de lado interior y la del lado exterior. Debido a la distribución simétrica del medio portador de calor sobre la sección de intercambiador de calor, el medio portador de calor fluye a través de toda la superficie de corte transversal anular de la hendidura de cilindro hueco - al menos a una distancia suficiente con respecto a los puntos de desembocadura en el extremo superior e inferior de la sección de intercambiador de calor - aproximadamente con una velocidad de flujo homogénea (es decir, en dirección periférica constante).
En una realización preferente, la sección de intercambiador de calor presenta, no obstante, varios canales de flujo, que están dispuestos distribuidos simétricamente unos con respecto a otros alrededor del lateral del cilindro de la geometría a modo de cilindro hueco. Los canales de flujo están extendidos a este respecto en particular entre el primer y el segundo extremo de la sección de intercambiador de calor, es decir, están configurados en línea recta y discurren en paralelo al eje. En principio pueden estar colocados los canales de flujo en el marco de la invención, no obstante, también con respecto al eje de la sección de intercambiador de calor a modo de cilindro hueco, en particular pueden discurrir en forma helicoidal. Cada uno de estos canales de flujo forma, a este respecto, con su sección transversal de caudal respectivamente una de las secciones transversales parciales de la sección
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transversal de caudal del intercambiador de calor, en las que el medio portador de calor fluye con la misma velocidad de flujo.
En el marco de la invención es concebible, a este respecto, formar a partir de chapa ondulada la sección de intercambiador de calor de dos tubos dispuestos de manera coaxial el uno con respecto al otro, donde los dorsos de onda o valles de onda de los dos tubos discurren en dirección longitudinal de la sección de intercambiador de calor. Estos dos "tubos de chapa ondulada" están dimensionados, a este respecto, de tal modo que respectivamente un dorso de onda del tubo situado en el interior está en contacto con un valle de onda del situado en el exterior y en este punto está unido preferentemente con el último. De esta manera, cada valle de onda del tubo situado en el interior con un dorso de onda del tubo situado en el exterior forma uno de los canales de flujo.
Preferentemente y en una realización conveniente desde el punto de vista de la técnica de fabricación, los canales de flujo están formados no obstante respectivamente por un único tubo, que discurre en dirección longitudinal de la sección de intercambiador de calor. De manera conveniente, los tubos están fijados en paralelo unos con respecto a otros, a este respecto, por la longitud de la sección de intercambiador de calor por lo menos por un distanciador. El distanciador está formado, por ejemplo, por una placa o un anillo, en el que están sujetos los tubos o guiados a través del o de los tubos.
Debido a la forma alargada, en línea recta, de la sección de intercambiador de calor o en particular de sus canales de flujo se posibilita de manera sencilla aprovechar de manera ventajosa un gradiente de temperatura del líquido circundante. Preferentemente el medio portador de calor a este respecto - de manera análoga al principio de una refrigeración de contracorriente - se conduce por la sección de intercambiador de calor de tal modo que el gradiente de temperatura que se configura del medio portador de calor está rectificado con respecto al gradiente de temperatura del líquido circundante.
De acuerdo con la invención, la sección de intercambiador de calor, y en particular sus canales de flujo, están unidos en el primer y segundo extremo de manera central con la primera línea principal o con la segunda línea principal. La primera y la segunda línea principal están dispuestas en este sentido en particular sobre un eje central o eje de simetría de la geometría a modo de cilindro hueco de la sección de intercambiador de calor y desde ahí unidas a través de canales de unión de la misma longitud, denominados respectivamente canales de distribución, que presentan respectivamente la misma sección transversal de caudal, con la sección de intercambiador de calor.
En una realización preferente, la primera y la segunda línea principal están acopladas respectivamente a través de un distribuidor en forma de estrella con la sección de intercambiador de calor. En otras palabras, los canales distribuidores se extienden en forma de radiación radial desde la respectiva línea principal - central - en dirección del o de cada canal de flujo. En una realización sencilla se trata en el caso del distribuidor de una placa, cuya superficie base se corresponde con la superficie de corte transversal de la sección de intercambiador de calor. A esta placa están asignadas la primera y la segunda línea principal en perpendicular, es decir, en dirección de normales de la placa de (distribuidor), y unidas con los canales distribuidores. Los canales distribuidores están introducidos en este sentido en particular en perpendicular a la respectiva línea principal, es decir, en el plano de placa, por ejemplo como orificios en la placa y desembocan a su vez en perpendicular al plano de placa en el respectivo canal de flujo.
Como alternativa, la placa (de distribuidor) está disminuida con respecto a la superficie de corte transversal de la sección de intercambiador de calor. En este sentido, los respectivos canales distribuidores están alargados por tubos distribuidores y guiados hacia fuera de la placa. Los canales de flujo están atados, a este respecto, respectivamente a través de una pieza acodada a los tubos distribuidores. La placa distribuidora está elaborada, por ejemplo, de aluminio.
En una realización adicional alternativa está configurado el distribuidor como rueda de radios. En este sentido, los canales distribuidores están guiados por la respectiva línea principal en forma de tubos radialmente hacia fuera hacia un disco anular, dentro del que el respectivo canal distribuidor se desvía en la dirección de flujo de los canales de flujo. Este disco anular sirve en este sentido de manera conveniente adicionalmente como pieza de distancia entre los canales distribuidores así como dado el caso entre los tubos que forman los canales de flujo.
En una realización preferente y que ahorra espacio, la segunda línea principal está guiada dentro de la superficie encerrada por la sección de intercambiador de calor en dirección del primer extremo de la sección de intercambiador de calor. En particular, en este sentido la segunda línea principal en la zona del primer extremo de la sección de intercambiador de calor entre los canales distribuidores del distribuidor está guiada hacia fuera de la sección de intercambiador de calor.
En una realización conveniente, la segunda línea principal está térmicamente aislada con respecto al entorno o al líquido que circunda el intercambiador de calor. De esta manera se impide de manera efectiva que tenga lugar una interacción del medio portador de calor, que fluye en la segunda línea principal, con el entorno o el líquido circundante. De esta manera puede guiarse de vuelta, por ejemplo, el medio portador de calor refrigerado en el líquido sin que se caliente de nuevo el medio portador de calor en la zona de temperaturas de líquido mayores.
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En el marco de la invención es concebible en principio que la dirección de flujo del medio portador de calor y, con ello, la propia sección de intercambiador de calor estén alineadas en el estado de operación esencialmente en horizontal. En esta realización, el intercambiador de calor puede estar dispuesto, por ejemplo, para la refrigeración del medio portador de calor en un flujo o en un disipador de calor comparable (alineado de manera plana y horizontal). Preferentemente, el intercambiador de calor está usado no obstante de tal modo que la dirección de flujo y por tanto la sección de intercambiador de calor está alineada esencialmente, es decir, exacta o aproximadamente, en vertical. En esta realización, el intercambiador de calor está previsto en particular para el uso en un agujero taladrado llenado con líquido, por ejemplo un pozo, una cisterna o preferentemente en un pilote energético introducido en el suelo. Por "pilote energético" se entiende un pilote macizo o un pilote hueco llenado con líquido que está equipado con un intercambiador de calor.
El sistema de gestión de calor de acuerdo con la invención comprende un circuito de calor para un medio portador de calor y al menos un pilote hueco llenado con líquido. El pilote hueco está empotrado a este respecto en el suelo y presenta una longitud considerablemente mayor en comparación con su ancho. Además, el pilote hueco está alineado con su dirección longitudinal esencialmente, es decir, exacta o aproximadamente, en perpendicular a la superficie de la tierra. Además, el sistema de gestión de calor comprende un intercambiador de calor del tipo descrito anteriormente que está dispuesto con el primer extremo de su sección de intercambiador de calor de manera próxima a la superficie de la tierra en el pilote hueco. Esto significa que la sección de intercambiador de calor con su primer extremo está dispuesta en la zona de un extremo superior del pilote hueco, estando dispuesto el segundo extremo de la sección de intercambiador de calor preferentemente alejado de la superficie de la tierra - es decir, a más profundidad que el primer extremo - en el pilote hueco. Preferentemente, la sección de intercambiador de calor, a este respecto, con su segundo extremo llega hasta o por lo menos aproximadamente hasta el extremo inferior del pilote hueco. El intercambiador de calor está conectado por medio de su primera y segunda línea principal al circuito de calor y puede atravesarse por el medio portador de calor para la transmisión de calor entre el líquido y el circuito de calor.
El líquido, con el que está lleno el pilote hueco, posibilita de manera ventajosa mediante una circulación inducida por calor de la sección de intercambiador de calor una transmisión de calor especialmente eficaz entre el medio portador de calor y el líquido. Además, el líquido posibilita también una transmisión de calor eficaz entre el suelo que circunda el pilote hueco y el propio líquido. Debido al alargamiento pronunciado y a la ubicación de instalación perpendicular del pilote hueco se ajusta además durante el funcionamiento del sistema de gestión de calor dentro del líquido en el pilote hueco una estratificación térmica ventajosa. Debido a esta estratificación térmica se configuran en ambos extremos longitudinales del pilote hueco, es decir, en la zona del extremo superior y del extremo inferior, niveles de temperatura muy diferentes dentro del líquido. Un ejemplo ventajoso de esta estratificación térmica consiste, a este respecto, en que los niveles de temperatura altos y bajos en el extremo inferior o superior del pilote hueco permanecen en gran medida constantes incluso en caso de un aporte de calor en el pilote hueco a través del intercambiador de calor, dado que dentro del pilote hueco tiene lugar un intercambio casi libre de mezcla de volúmenes de líquido calentados con líquido frío. Lo mismo se cumple para una extracción de calor del pilote hueco.
En una realización preferente, el pilote hueco presenta una longitud de al menos 5 m, en particular una longitud entre 20 m y 40 m. Una longitud de este tipo favorece la configuración de la estratificación térmica y la constancia de temperatura que la acompaña. En particular debido a la gran longitud del pilote hueco y a la correspondiente profundidad de instalación en el suelo, la estratificación térmica ya se produce de forma natural mediante el intercambio de calor del líquido en el pilote hueco con el suelo circundante, lo que conduce a una adaptación de la temperatura del líquido local al perfil de temperatura natural del suelo. Para fines de refrigeración se aprovecha en este sentido que a partir de una profundidad de unos 10 m, el suelo tiene regularmente una temperatura que es al menos aproximadamente constante y, por tanto, independiente de la estación del año. Esta temperatura asciende en zonas climáticas templadas típicamente a unos 8 °C. El intercambio de calor con el suelo circundante amplía en este sentido la capacidad de almacenamiento de calor, desprendida por el líquido, del pilote hueco y posibilita tras un aporte de calor o extracción de calor extensiva una rápida regeneración energética del pilote hueco.
En una realización preferente, el pilote hueco está formado en particular por un tubo de hormigón tensado, que está cerrado de manera estanca a líquido en el extremo inferior de acuerdo con lo determinado y que está cerrado en su extremo superior en el estado montado por una tapa.
En una realización conveniente, la longitud de la sección de intercambiador de calor se corresponde aproximadamente con la longitud del pilote hueco o sobrepasa está ligeramente, de modo que la sección de intercambiador de calor puede disponerse completamente dentro del pilote hueco.
Debido a la estratificación térmica estable en el pilote hueco es además posible usar el pilote hueco tanto como disipador de calor para fines de refrigeración así como fuente de calor para la calefacción. Para este fin, la primera línea principal del intercambiador de calor puede usarse como avance o retorno. El intercambiador de calor se opera en este sentido para la refrigeración del medio portador de calor de tal modo que a través de la primera línea principal el medio portador de calor se conduce al interior de la sección de intercambiador de calor y en el segundo extremo de la sección de intercambiador de calor se conduce de vuelta a través de la segunda línea principal. El medio portador de calor fluye por tanto de arriba a abajo mediante la columna de líquido del pilote hueco y se
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refrigera más a este respecto debido a la estratificación térmica descrita anteriormente en el pilote hueco mediante la temperatura decreciente del líquido en el pilote hueco. Debido al dimensionamiento adecuado de la sección transversal de caudal del intercambiador de calor y de la velocidad de flujo especialmente lenta alcanzada de este modo del medio portador de calor se consigue en este sentido una adaptación lo más alta posible de la temperatura del medio portador de calor al respectivo nivel de temperatura del líquido en el pilote hueco. Al alcanzarse el segundo extremo de la sección de intercambiador de calor se suministra el medio portador de calor a través del distribuidor a la segunda línea principal y se conduce de vuelta al circuito de calor. Debido al aislamiento térmico existente dado el caso de la segunda línea principal, no puede recalentarse el medio portador de calor cuando atraviesa el pilote hueco de abajo a arriba en la zona de las capas térmicas más calientes.
Para el caso contrario, en concreto que el medio portador de calor deba calentarse con respecto a la temperatura existente en el circuito de calor, en una realización conveniente, el medio portador de calor comparativamente frío se conduce a través de la segunda línea principal - dado el caso aislada térmicamente - al interior del extremo inferior del pilote hueco y ahí al interior del segundo extremo de la sección de intercambiador de calor. Desde ahí, el medio portador de calor aumenta en el o los canales de flujo en dirección del primer extremo de la sección de intercambiador de calor y se calienta, a este respecto, en el pilote hueco mediante transmisión de calor de las capas de líquido cada vez más calientes. Al alcanzarse el primer extremo de la sección de intercambiador de calor, el medio portador de calor calentado ahora se guía a través de la primera línea principal de vuelta al circuito de calor. En el marco de la invención, la primera línea principal adicionalmente puede estar también aislada térmicamente.
Preferentemente, el primer circuito de calor y el intercambiador de calor conectado al mismo forman un sistema cerrado. A este sistema cerrado puede conectarse, por ejemplo, una fuente de calor o disipador de calor asociado al consumidor, en particular una máquina que va a refrigerarse o temperarse o como alternativa una calefacción o refrigeración de edificio.
En una realización adicional del sistema de gestión de calor están dispuestos unos al lado de otros en el pilote hueco varios de los intercambiadores de calor descritos anteriormente. En función del perfil de sección transversal del pilote hueco - poligonal o circular - los intercambiadores de calor están dispuestos en este sentido en una estructura en forma de rejilla o en una estructura circular en el pilote hueco. En una realización conveniente desde el punto de vista de la técnica de fabricación, el pilote hueco presenta en particular un perfil de sección transversal circular. En este caso, los intercambiadores de calor están dispuestos preferentemente de manera comparativa a patrones en un tambor de un revólver en el pilote hueco. En este sentido puede estar dispuesto en el marco de la invención uno de los intercambiadores de calor también sobre el "eje de giro del tambor", es decir, del eje central del pilote hueco.
A continuación, se explican con más detalle ejemplos de realización de la invención mediante un dibujo. Aquí muestran:
la Figura 1, en vista lateral esquemática un intercambiador de calor,
la Figura 2, en representación ampliada con interrupciones el intercambiador de calor de acuerdo con la Figura 1, la Figura 3, en un corte MI-MI de acuerdo con la Figura 2 el intercambiador de calor de acuerdo con la Figura 1, la Figura 4, en un corte IV-IV de acuerdo con la Figura 2 el intercambiador de calor de acuerdo con la Figura 1, la Figura 5, en vista lateral esquemática un sistema de gestión de calor con un pilote hueco dispuesta en el suelo y un intercambiador de calor dispuesto dentro de acuerdo con la Figura 1,
la Figura 6, en vista de acuerdo con la Figura 2 un ejemplo de realización alternativo del intercambiador de calor, la Figura 7, en un corte VII-VI el intercambiador de calor de acuerdo con la Figura 6,
las Figuras 8 y 9, en representación de acuerdo con la Figura 7 dos ejemplos de realización alternativos adicionales del intercambiador de calor y
la Figura 10, en vista de acuerdo con la Figura 2 el intercambiador de calor de acuerdo con la Figura 9.
Las partes que se corresponden entre sí están dotadas en todas las figuras siempre de las mismas referencias.
En la Figura 1 y en la Figura 2 se representa un intercambiador de calor 1, que está previsto para la transmisión de calor entre un medio portador de calor y un líquido 2 que circunda el intercambiador de calor. El intercambiador de calor 1 comprende una primera línea principal 3 y una segunda línea principal 4. Además, el intercambiador de calor 1 comprende una sección de intercambiador de calor 5, que puede atravesarse por el medio portador de calor. La sección de intercambiador de calor 5 está unida en un primer extremo 6 con la primera línea principal 3 y en un segundo extremo 8 opuesto al primer extremo 6 en una dirección longitudinal 7 con la segunda línea principal 4.
La primera línea principal 3 presenta, a este respecto, una sección transversal de caudal principal D. La sección transversal de caudal de la segunda línea principal 4 se corresponde en este sentido con la sección transversal de caudal principal D. La sección de intercambiador de calor 5 está formada por ocho tubos 9 que forman respectivamente un canal de flujo para el medio portador de calor, que discurren en dirección longitudinal 7 en línea recta entre el primer extremo 6 y el segundo extremo 8 de la sección de intercambiador de calor 5. La dirección de flujo de los tubos 9 se corresponde en este sentido con la dirección longitudinal 7. Las secciones transversales de tubo Dr individuales están dimensionadas además de tal modo que la suma de todas las secciones transversales de tubo Dr exceden la sección transversal de caudal principal D de la primera o segunda línea principal 3, 4
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significativamente, por ejemplo el doble. De esta manera se disminuye la velocidad de flujo del medio portador de calor en la sección de intercambiador de calor 5 con respecto a las líneas principales 3, 4.
En el primer extremo 6 de la sección de intercambiador de calor 5, sus tubos 9 están unidos a través de un distribuidor, a continuación denominado primera placa distribuidora 10, con la primera línea principal 3. En el segundo extremo 8, los tubos 9 están unidos a través de una segunda placa distribuidora 11 con la segunda línea principal 4. Como puede verse a partir de las Figuras 3 y 4, los ocho tubos 9 están dispuestos en este caso en forma de anillo circular en las placas distribuidoras 10 o 11, de modo que la sección de intercambiador de calor 5 presenta una geometría a modo de cilindro hueco. Esto significa que la sección de intercambiador de calor 5 con sus tubos 9 rodea una sección superficial casi circular.
La primera línea principal 3 está colocada de manera central con respecto a los tubos 9, es decir, sobre un eje central de la placa distribuidora 10 (circular) sobre la misma. Los tubos 9 están unidos respectivamente a través de canales distribuidores 12 igual de largos, que presentan la misma sección transversal y respectivamente están introducidos como taladro radialmente en la placa distribuidora 10, con la primera línea principal 3. Además, los tubos 9 sobresalen en perpendicular desde el lado de la placa distribuidora 10 opuesto a la primera línea principal 3 en dirección longitudinal 7. La segunda línea principal 4 está unida de manera correspondiente a través de la placa de unión 11 con los tubos 9 (véase la Figura 4). A diferencia de la primera placa de unión 10, la segunda línea principal 4 está guiada no obstante sobre el mismo lado que los tubos 9 hacia fuera de la placa de unión 11. La segunda línea principal 4, como puede reconocerse a partir de las Figuras 1 y 2, en la sección superficial rodeada por los tubos 9, es decir, dentro de la sección de intercambiador de calor 5, está guiada por el segundo extremo 8 en dirección del primer extremo 6. En este sentido, la segunda línea principal está guiada en la zona del primer extremo 6 entre los canales distribuidores 12 a través de la primera placa distribuidora 10 (véanse las Figuras 1 a 3).
A través de las placas distribuidoras 10 o 11 se efectúa la distribución del medio portador de calor entre la primera o la segunda línea principal 3 o 4 y los tubos 9 de manera simétrica e hidráulica en la medida en que, debido a los canales distribuidores 12 respectivamente iguales, el medio portador de calor fluye en cada uno de los tubos 9 en iguales comportamientos de flujo, es decir, con la misma velocidad de flujo.
Como puede verse a partir de las Figuras 1 a 4, la segunda línea principal 4 está aislada térmicamente por un revestimiento aislante 14 con respecto al líquido 2.
La sección de intercambiador de calor 5 presenta una longitud L, que es significativamente mayor que el ancho de la sección transversal de caudal de la sección de intercambiador de calor 5, es decir, es mayor que la suma de las secciones transversales de tubo DR. La longitud L de la sección de intercambiador de calor 5 es además también significativamente mayor que el diámetro (total) de la sección de intercambiador de calor 5 a modo de cilindro hueco. La longitud L de la sección de intercambiador de calor 5 asciende en este sentido a al menos 4 m, en un dimensionamiento conveniente a entre 20 m y 40 m. Para la estabilización de los tubos 9 y su disposición paralela a través de la longitud L, la sección de intercambiador de calor 5 presenta entre el primer extremo 6 y el segundo extremo 8 dos distanciadores 16. Los distanciadores 16 están realizados como placas, a través de las que están guiados los tubos 9 y la segunda línea principal 4 (representado mediante líneas discontinuas, véase la Figura 2).
En la Figura 5 se representa el intercambiador de calor 1 durante el uso en un sistema de gestión de calor 18. El sistema de gestión de calor 18 comprende, a este respecto, un circuito de calor no representado en más detalle, que alimenta el medio portador de calor a través de la primera línea principal 3 o la segunda línea principal 4 al interior del intercambiador de calor 1 o la sección de intercambiador de calor 5 o lo extrae de la sección de intercambiador de calor 5. Además, el sistema de gestión de calor 18 comprende un pilote hueco 22 empotrado en perpendicular en el suelo 20, que está llena con el líquido 2. Dentro del pilote hueco 22 está dispuesto el intercambiador de calor 1 de tal modo que la sección de intercambiador de calor 5 está rodeada completamente por el líquido 2. La sección de intercambiador de calor 5 se corresponde en su longitud L aproximadamente con la longitud del pilote hueco 22, de modo que el primer extremo 6 de la sección de intercambiador de calor 5 está dispuesto en la zona del extremo superior 24 del pilote hueco 22 y el segundo extremo 8 de la sección de intercambiador de calor 5 llega hasta el extremo inferior 26 del pilote hueco 22.
El pilote hueco 22 está cerrado de manera estanca a líquido en su extremo inferior 26 con una placa de cierre 28. El extremo superior 24 del pilote hueco 22 está cerrado en el estado montado de acuerdo con lo determinado, representado en la Figura 5, por una tapa 30, estando guiadas la primera y segunda línea principal 3, 4 del intercambiador de calor 1 a través de la tapa 30. Para posibilitar una transmisión de calor especialmente buena con el terreno 32, el pilote hueco 22 está prensado con una masa de rejuntado 34 en el terreno 32.
En función de si el medio portador de calor puede enfriarse o calentarse a través del intercambiador de calor 1, pueden usarse la primera y la segunda línea principal 3, 4 como avance y como retroceso. Para el caso en el que el medio portador de calor puede refrigerarse, este se conduce a través de la primera línea principal 3 al interior del primer extremo 6 de la sección de intercambiador de calor 5 y fluye, por tanto, en dirección del extremo inferior 26 del pilote hueco 22. Debido al montaje en perpendicular del pilote hueco 22 se da como resultado una estratificación térmica en el líquido 2 que se refrigera de arriba a abajo. Esta conduce a que el medio portador de calor cuando
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atraviesa la sección de intercambiador de calor 5 se refrigere de manera creciente de arriba a abajo. Tras la agrupación del medio portador de calor a través de la placa distribuidora 11 en la segunda línea principal 4, el revestimiento aislante 14 impide que se caliente el medio portador de calor que asciende en dirección del extremo superior 24 en la segunda línea principal 4 mediante la interacción con el líquido 2. Para el caso en el que un medio portador de calor frío debe calentarse a través del sistema de gestión de calor 18, el medio portador de calor se conduce a través de la segunda línea principal 4 en el extremo inferior (frío) 26 del pilote hueco 22 al interior de la sección de intercambiador de calor 5. Al ascender mediante los tubos 9 en dirección del extremo superior (caliente) 24 del pilote hueco 22, el medio portador de calor se calienta y se extrae a través de la placa distribuidora 10 y de la primera línea principal 3. Las flechas de dirección de flujo 36 indican la idoneidad de la primera y segunda línea principal 3 y 4 como avance y retroceso.
En la Figura 6 y la Figura 7 se representa un ejemplo de realización alternativo del intercambiador de calor 1. A diferencia del intercambiador de calor 1 representado en las Figuras 1 a 5, en este sentido presentan las placas distribuidoras 10 y 11 respectivamente un diámetro menor en comparación con la sección superficial rodeada por los tubos 9. Los tubos 9 están unidos respectivamente a través de una pieza acodada 38 con los canales distribuidores 12 de las placas distribuidoras 10 y 11. Las piezas acodadas 38 están guiadas, a este respecto, en perpendicular a la dirección longitudinal 7 y en un alargamiento del respectivo canal distribuidor 12 hacia fuera de las placas distribuidoras 10 o 11. La segunda línea principal 4 puede estar fijada, de una manera no representada en más detalle, en la primera placa distribuidora 10, por ejemplo mediante una abrazadera de tubo.
En un ejemplo de realización alternativo del intercambiador de calor 1 de acuerdo con la Figura 8 la sección de intercambiador de calor 5 está formada por un tubo de doble pared 40 individual. El medio portador de calor fluye en este sentido en un espacio intermedio denominado hendidura de cilindro hueco entre la pared de tubo exterior 41 y la pared de tubo interior 42 del tubo de doble pared 40. La superficie de corte transversal de la hendidura de cilindro hueco es en este sentido mayor que la superficie de corte transversal o la sección transversal de caudal principal D de la primera o segunda línea principal 3, 4. Por tanto, en la sección de intercambiador de calor 5 se da como resultado asimismo la velocidad del medio portador de calor de flujo ralentizada en comparación con la primera y segunda línea principal 3, 4.
Para la distribución del medio portador de calor de la primera línea principal 3 al tubo de doble pared 40, la primera línea principal 3 está unida en forma de estrella a través de ocho tubos distribuidores 44 con el tubo de doble pared 40. La conexión de la segunda línea principal 4 en el segundo extremo 8 de la sección de intercambiador de calor 5 o del tubo de doble pared 40 se efectúa de manera análoga. La distribución del medio portador de calor hacia la sección de intercambiador de calor 5 se efectúa también en este ejemplo de realización de manera simétrica e hidráulica en la medida en que con una distancia suficiente con respecto a los puntos de desembocadura de los tubos distribuidores 44 el medio portador de calor fluye dentro de la hendidura de cilindro hueco con velocidad de flujo en dirección periférica.
En otro ejemplo de realización alternativo de acuerdo con la Figura 9, la sección de intercambiador de calor 5 está formada por un tubo de doble pared, a continuación denominado tubo de chapa ondulada 46. La pared de tubo interior 42 está unida en este sentido en ocho puntos de unión 48 con la pared de tubo exterior 41. De esta manera resultan respectivamente entre dos puntos de unión 48 en total ocho canales de flujo 50 que discurren en dirección longitudinal 7, en los que las líneas principales 3 y 4 están acopladas simétricamente desde el punto de vista hidráulico por medio de los tubos distribuidores 44. La suma de las secciones transversales de caudal individuales de los canales de flujo 50 excede a su vez la sección transversal de caudal principal D de la primera o segunda línea principal 3, 4.
Como puede desprenderse de la Figura 10, dentro de los puntos de unión 48 (alargados) están introducidas brechas 52 en el tubo de chapa ondulada 46. Las brechas 52 sirven, por ejemplo, para fijar la sección de intercambiador de calor 5 en el pilote hueco 22 representado en la Figura 5 y/o posibilitar un intercambio del líquido 2 entre el lado interior y el lado exterior de la geometría a modo de cilindro hueco de la sección de intercambiador de calor 5.
La sección de intercambiador de calor 5, en particular los tubos 9, el tubo de doble pared 40 así como el tubo de chapa ondulada 46 están elaborados, por ejemplo, de acero inoxidable y resistente al agua salada. Como alternativa, la sección de intercambiador de calor 5 puede estar elaborada, por ejemplo, no obstante, también de plástico comparativamente resistente con una alta conductividad de calor. Las placas distribuidoras 10 y 11 así como los distanciadores 16 están elaborados, por ejemplo, de aluminio resistente al agua salada.
El objeto de la invención no está limitado a los ejemplos de realización descritos anteriormente. Más bien pueden derivarse otras formas de realización de la invención por el experto en la materia a partir de la descripción anterior. En particular, las características individuales de la invención y sus variantes de diseño descritas mediante los diversos ejemplos de realización también pueden combinarse entre sí de otra manera.

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    REIVINDICACIONES
    1. Intercambiador de calor (1) para la transmisión de calor entre un medio portador de calor y un líquido circundante
    (2),
    - con una primera línea principal (3), que presenta una sección transversal de caudal principal (D),
    - con una segunda línea principal (4), y
    - con una sección de intercambiador de calor (5), que puede atravesarse por el medio portador de calor, y que presenta una sección transversal de caudal del intercambiador de calor ampliada en comparación con la sección transversal de caudal principal (5), presentando la sección de intercambiador de calor (5) una geometría a modo de cilindro hueco,
    caracterizado por que
    la sección de intercambiador de calor (5) está unida en un primer extremo (6) con la primera línea principal (3) y en un segundo extremo (8) con la segunda línea principal (4) de tal modo que el medio portador de calor se distribuye de manera simétrica e hidráulica entre la primera línea principal (3) y la sección de intercambiador de calor (5) o la segunda línea principal (4) y la sección de intercambiador de calor (5), de modo que el medio portador de calor en cada sección transversal parcial de la sección transversal de caudal del intercambiador de calor (5) excepto efectos marginales fluye siempre con aproximadamente la misma velocidad de flujo, estando unida la sección de intercambiador de calor (5) en el primer y en el segundo extremo (6, 8) de manera central con la primera línea principal (3) o con la segunda línea principal (4).
  2. 2. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1,
    correspondiéndose la sección transversal de caudal de la segunda línea principal (4) con la sección transversal de caudal principal (D).
  3. 3. Intercambiador de calor (1) según la reivindicación 1 o 2,
    presentando la sección de intercambiador de calor (5) una forma alargada en dirección de flujo (7) del medio portador de calor.
  4. 4. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3,
    comprendiendo la sección de intercambiador de calor (5) un tubo de doble pared (40) con un canal de flujo, estando formado el canal de flujo por una hendidura de cilindro hueco entre las paredes de tubo del tubo de doble pared (40).
  5. 5. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3,
    presentando la sección de intercambiador de calor (5) varios canales de flujo (9, 50) alargados, que están dispuestos simétricamente unos con respecto a otros a lo largo de una superficie lateral de cilindro.
  6. 6. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5,
    estando acoplada la primera línea principal (3) y la segunda línea principal (4) respectivamente a través de un distribuidor (10, 11) en forma de estrella con la sección de intercambiador de calor (5).
  7. 7. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 6,
    estando guiada la segunda línea principal (4) dentro de la superficie encerrada por la sección de intercambiador de calor (5) en dirección del primer extremo (6).
  8. 8. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 7,
    estando aislada térmicamente la segunda línea principal (4) con respecto al entorno (2).
  9. 9. Intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 8,
    estando alineada la dirección de flujo (7) del medio portador de calor en la sección de intercambiador de calor (5) esencialmente en vertical.
  10. 10. Sistema de gestión de calor (18),
    - con un circuito de calor para un medio portador de calor,
    - con al menos un pilote hueco (22) llenado con líquido (2), que está empotrada en el suelo (20), presentando el pilote hueco (22) una longitud esencialmente mayor en comparación con su ancho, y estando alineado el pilote hueco (22) con su dirección longitudinal esencialmente en perpendicular a la superficie de la tierra, y
    - con al menos un intercambiador de calor (1) según una de las reivindicaciones 1 a 9, que está dispuesto con el primer extremo (6) de su sección de intercambiador de calor (5) de manera próxima a la superficie de la tierra en el pilote hueco (22), que por medio de la primera y segunda línea principal (3, 4) está conectado al circuito de calor y que para la transmisión de calor entre el líquido (2) y el circuito de calor puede atravesarse por el medio portador de calor.
  11. 11. Sistema de gestión de calor (18) según la reivindicación 10, pudiendo usarse la primera línea principal (3) como avance o retorno.
  12. 12. Sistema de gestión de calor (18) según la reivindicación 11,
    5 estando dispuesto un número de intercambiadores de calor (1) unos al lado de otros en el pilote hueco (22).
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