DESCRIPCIÓN

Campo de la Invención

La presente invención se refiere a un aparato para calentar fluidos por inducción magnética, más específicamente corresponde a una unidad de generación de calor por inducción magnética bilateral para calentar fluidos que fluyen a través de al menos un intercambiador de calor múltiple.

Antecedentes de la Invención

Calor puede ser generado en un material eléctricamente conductivo sometiéndolo a un campo magnético sujeto a movimiento. El movimiento del campo magnético produce corrientes torbellinos, las cuales corresponden a corrientes circulares de Foucault, donde al colocar en contacto un material conductivo, próximo a dicho campo magnético, se produce una circulación de electrones sobre el material conductor inducido, el que se opone al efecto del campo magnético generando de este modo calor. Este calor puede ser aprovechado colocando en contacto un fluido con el material metálico calentado, transfiriendo la temperatura de este material metálico al fluido para así ir aumentando su temperatura hasta el rango deseado. Las variables que inciden en la cantidad de calor generado en dicho material conductivo, corresponden a la fuerza del campo magnético, el número de imanes, el espacio relativo entre los imanes, el material conductivo utilizado, y la velocidad de rotación de los imanes. Otros factores que afectan la cantidad de calor generado son la resistividad, permeabilidad, tamaño y forma del cuerpo a ser calentado, y el tamaño del imán y su forma.

Un aparato y método para calentamiento de fluido por calentamiento por inducción, es descrito en el documento US 5,914,065 (Kamal Alavi), donde dicho aparato comprende un elemento de calentamiento no magnético que tiene un primer lado, y un segundo lado opuesto, un primer miembro de rotación soportado en un eje y dispuesto adyacente al primer lado del elemento de calentamiento, donde el miembro rotatorio tiene al menos un par de imanes permanente que produce corrientes torbellinos en el elemento de calentamiento cuando un movimiento relativo es producido entre el primer miembro de rotación y el elemento de calentamiento por rotación de su eje, y un segundo miembro de rotación soportado en el eje dispuesto adyacente al segundo lado del elemento de calentamiento, donde el segundo miembro de rotación tiene al menos un par de imanes permanente para producir corrientes torbellinos en el elemento de calentamiento cuando un movimiento relativo es producido entre el segundo miembro rotatorio y el elemento de calentamiento por rotación del eje. Esta configuración de calentador de fluido, utilizando dos discos paralelos enfrentados entre sí, hacen que la operación pudiere ser riesgosa, ya que las fuerzas ejercidas en ambos discos se ven enfrentadas, lo cual puede conducir a un desprendimiento de los imanes, los que requieren de esta forma un fijación extra al disco, y donde además debido a la duplicidad de discos e imanes por aparato calentador, se produce un mayor costo de fabricación y consumo de energía en su operación, sin que necesariamente se aumente la capacidad de calentamiento del fluido respecto a un equipo de mayor simpleza en su diseño.

Un horno magnético para la generación de calor utilizado en sistema de calefacción central es divulgado en el documento WO 2014/137232 (Bil Robert), que comprende un estanque de agua, discos dispuestos en el eje del estanque, al menos un motor el cual rota el disco y un montaje sobre el cual es montado todo, donde en la circunferencia del disco de rotación una fuente de campo magnético es dispuesto, de forma que el disco es accionado para describir un movimiento rotatorio alrededor del eje propio de la pared de estanque, la fuente de campo magnético, tal como imanes, son dispuestos en la circunferencia del disco que es rotado por el motor, y donde el estanque es fabricado de material no magnético, tal como aluminio y sus aleaciones, cobre y sus aleaciones, con lo cual se logra calentar la pared del estanque por las corrientes torbellinos que se logran al rotal el disco que lleva los imanes. No obstante, al igual que la invención anterior, los diseños son complejos y por tanto deben incidir en su costo de fabricación y operación.

Los problemas que buscan solución los documentos del estado de la técnica dicen relación con la eficiencia, costos de fabricación, y resultado esperado en el calentamiento eficiente de un fluido, de forma que pueda ser una alternativa real respecto del sistema tradicional de calentamiento de éstos.

Por lo tanto existe la necesidad de proporcionar un aparato para calentar fluidos cuya configuración sea más sencilla, su operación menos costosa y más eficiente, de forma de poder proporcionar un equipo calentador de fluidos por inducción magnética no contaminante y atractivo para ser utilizado en procesos domésticos e industriales para calentar fluidos.

Resumen de la Invención

El objeto primario de la invención, es proporcionar un aparato para calentar fluidos por inducción magnética cuya configuración permita lograr un resultado de transferencia calórica al fluido más eficiente para un mismo consumo energético.

Otro objeto de la invención es proporcionar un aparato para calentar fluidos por inducción magnética cuya configuración permita calentar fluidos a bajo costo, en forma sencilla, sin riesgos, eficiente y no contaminante, de forma que sea una alternativa para uso doméstico e industrial para calentar fluidos.

Un objetivo adicional de la invención es proporcionar un aparato para calentar fluidos por inducción magnética cuya configuración pueda disponerse de modo tal de ser utilizada tanto a escala domestica como a escala industrial. La presente invención logra proporcionar un aparato para calentar fluidos mediante inducción magnética rotatoria, el que posee al menos un disco central rotatorio de imanes y al menos un intercambiador de calor bilateral, donde el disco de imanes comprende al menos una pareja de imanes dispuesto en dicho disco y cuya configuración deja expuesto los imanes hacia ambos lados o costados del disco de imanes con polaridad alternada sobre cada costado para generar en ambos lados un campo magnético agitado, y donde el al menos un intercambiador de calor, que comprende al menos una superficie de metal de baja resistividad, es dispuesto adyacente a cada lado o costado del disco de imanes, para exponer dicha superficie de metal al campo magnético agitado, calentado dicha superficie para transmitir dicho calor a un fluido que circula dentro de al menos un conducto configurado ubicado dentro del intercambiador de calor.

Breve descripción de las Figuras

Con el objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de la realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de la descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado la invención.

La figura 1 .- corresponde a una vista lateral en perspectiva del aparato para calentar fluidos de la invención.

La figura 2.- corresponde a una vista lateral en perspectiva del dispositivo intercambiador de calor del aparato para calentar fluidos de la invención.

La figura 3.- corresponde a una vista lateral del aparato para calentar fluidos de la invención.

Las figura 4 corresponde a una vista lateral en perspectiva y despiece del disco generador del campo magnético del aparato para calentar fluidos de la invención. La figura 5 corresponde a una vista frontal del aparato para calentar fluidos de la invención.

La figura 6 corresponde a una vista en perspectiva lateral de un corte transversal del aparato para calentar fluidos de la invención.

La figura 7 corresponde a una vista ampliada de un corte transversal de una vista lateral en perspectiva de una sección que muestra en parte el intercambiador de calor y el disco de imanes del aparato para calentar fluidos de la invención.

La figura 8 corresponde a una vista ampliada de un corte transversal de una vista lateral en perspectiva de una sección que muestra el puerto de entrada y salida de fluidos desde el intercambiador de calor del aparato para calentar fluidos.

La figura 9 es una vista en perspectiva lateral de un equipo para calentar fluidos que comprende a lo menos una unidad de aparato para calentar fluidos de la invención.

Descripción Detallada de la Invención

Un aparato para calentar fluidos (1 ) por inducción magnética, ilustrado en la figura 1 , comprende al menos un intercambiador de calor (2), un disco porta imanes (3) dispuesto en posición central rodeado por dos intercambiadores de calor adyacentes conectados entre sí y separados a una distancia regulable desde el disco porta imanes a la superficie o cara lateral del intercambiador de calor (2). El disco porta imanes se encuentra montado en un eje central (4). Tal como se observa en detalle en la figura 4, el disco porta imanes (3) comprende un cuerpo principal (5) que posee un abertura central (6) por donde pasa el eje (4) y permite rotar o dar movimiento a dicho disco porta imanes (3), el cuerpo principal, posee una serie de aberturas (7) dispuestas en la porción periférica del disco, donde dichas aberturas (7) poseen la misma forma de un imán, de forma de alojar y retener un imán (8) en dicha abertura. Los imanes corresponden a imanes de neodimio de alta frecuencia los cuales son dispuestos en dichas aberturas (7) de forma de quedar en sentido radial perimetral en el disco porta imanes, posicionados y distribuidos de modo que quedan con sus polaridades alternadas una por medio. Los imanas quedan fijados en el disco, de forma tal que ambas caras principales del imán (8) quedan expuestas hacia ambos lados del disco de imanes, de modo tal de facilitar la libre exposición de dos campos magnéticos, es decir un campo magnético en cada cara principal o costado del disco porta imanes (3).

Al menos un intercambiador de calor (2) es dispuesto adyacente a cada una de las caras principales o costados del disco porta imanes (3), de forma que dicho intercambiador de calor (2) queda expuestos a los campos magnéticos, en cada lado del disco porta imanes (3).

Alterando las polaridades de los imanes (8) en el discos porta imanes (3) y haciendo rotar dicho disco, a altas revoluciones se genera un campo magnético agitado, produciendo un fenómeno eléctrico que se conoce como corrientes circulares de Foucault o corrientes torbellinos, que permiten desorganizar la estructura molecular de una superficie de material metálico conductivo que sea expuesta a dichas corrientes, produciendo como resultado el calentamiento de dicha superficie metálica conductiva.

En las figuras 2, 6 y 7 se aprecia en detalle la configuración de cada intercambiador de calor (2), el cual comprende un cuerpo principal (9) en forma de anillo cerrado en cuyo interior circula fluido, posee caras laterales planas (10), tanto exterior como interior, cara exterior convexa (1 1 ) y cara interior cóncava (12), formando así un conducto interior por donde circula un fluido. El conducto interior por donde fluye un fluido puede comprender una pluralidad de conductos interiores (13), tal como se puede apreciar en el detalle de la figura N° 7, donde cada conducto interior se encuentra formado por placas longitudinales (14, 15 y 16) y una placa transversal (17), configurando un reticulado de conductos interiores (13). El espesor de cada una de las placas que forman la pluralidad de conductos interiores es diferente. El espesor de las placas longitudinales (14,15 y 16), así como el de las caras planas laterales (10) va cambiando en la medida que se encuentra más cerca del campo magnético agitado. Es decir, mientras más cercano al disco porta imanes, donde la intensidad del campo magnético agitado es mayor, la cara lateral plana interior del intercambiador de calor (10) posee mayor espesor que aquellas placas dispuesta más alejadas del campo magnético, como lo son las placas longitudinales interiores y la cara lateral plana exterior (10). A modo de ejemplo, la placa lateral plana interior (10) del intercambiador que se encuentra más cercana al disco porta imanes (3), puede poseer un espesor de 5 mm y la cara plana exterior (10) puede tener un espesor de 1 mm y las placas longitudinales interiores (14,15 y 16) pueden tener 4,3 y 2 mm respectivamente. El espesor de la pared interior del intercambiador de calor que se encuentra adyacente al disco de imanes (10) es mayor, ya que dicha condición actúa exponencialmente sobre el resultado del calor transferido al fluido, maximizándose este efecto en la proximidad, donde la intensidad del campo magnético agitado es mayor.

El material del cual es construido cada intercambiador de calor (2) debe ser de un material de una baja resistividad eléctrica. A modo de ejemplo un material de baja resistividad eléctrica es el cobre, del cual preferentemente es fabricado el intercambiador de calor (2).

En un punto superior de la cara exterior convexa del cuerpo principal del intercambiador de calor (2), figuras 2, 3 y 5, es dispuesto un elemento de entrada de fluido (18) y un elemento de salida de fluido (20). Una tubería flexible (19) permite interconectar ambos intercambiadores de calor bilaterales. Los elementos de entrada y salida de fluidos, comprenden un puerto de entrada y salida de fluidos (21 ) desde el intercambiador de calor, configurada por una cavidad libre de celdillas o placas longitudinales (Ver figura N° 6).

Las tuberías flexibles (19) de salida de fluidos permiten además conectar un intercambiador de calor a la entrada de fluido de otro intercambiador de modo de dejar conectados en serie varios intercambiadores. Esta configuración permite formar un equipo para calentar fluidos que comprende una pluralidad o serie de intercambiadores de calor, que forman parte, a su vez, de una serie o pluralidad de aparatos para calentar fluidos (1 ) interconectados entre sí, para formar un equipo para calentar fluidos, tal como se muestra por ejemplo en la figura N° 9, donde a modo de ejemplo dicho equipo comprende dos aparatos o unidades para calentar fluidos. Esta configuración permite disminuir considerablemente el tiempo que se requiere para calentar un fluido haciéndolo más eficiente.

Otra alternativa, de la invención, es conectar el intercambiador a una fuente de abastecimiento de fluido, así como a una fuente de acopio del fluido calentado, tal como por ejemplo un termo doméstico o industrial. En la forma de realización preferida de la invención, ilustrado a través de las figuras 1 , 4, 5 y 6, el aparato para calentar fluidos se encuentra configurado por un disco porta imanes (3) que comprende una pluralidad de imanes (8) dispuestos en aberturas (7) configuradas de forma que las caras de los imanes (8) quedan expuestas en ambos lados del disco. Adyacente a cada lado del disco porta imanes (3) es dispuesto un intercambiador de calor (2), de forma que las caras planas interiores (10) de dichos intercambiadores queden expuestas y situadas adyacentes a una distancia predefinida muy próxima a los imanes del disco. Los intercambiadores de calor se encuentran en comunicación fluida a través de un conducto flexible (19), que permite que el fluido fluya desde un intercambiador al otro, manteniendo una continuidad de flujo. Un eje central (4) permite hacer rotar el disco porta imanes (3) de forma de generar las corrientes torbellinos, que al entrar en contacto con las superficies metálicas conductivas de los intercambiadores de calor, de preferencia sus caras interiores (10) y las placas longitudinales interiores (14,15 y 16) permiten desorganizar la estructura molecular del material metálico conductivo, calentando dicho metal y transmitiendo dicho calor al fluido que fluye dentro de los conductos (13) dentro del intercambiador. Con esta configuración se logra que por la rotación del disco de imanes las corrientes torbellino se propaguen hacia ambos lados o costados del dicho disco porta imanes, logrando calentar el metal, preferentemente la superficie o cara expuesta más cercana de los intercambiadores de calor colocados adyacentes a dicho disco, maximizándose así la captura de dicha energía convirtiéndola en calor.

La potencia calórica (P) que se puede traspasar a un fluido que fluye dentro de dichos intercambiadores de calor (2), por medio del calentamiento de las caras expuestas, depende de una serie de factores que inciden en la capacidad calórica del aparato calentador de fluidos para un adecuado calentamiento del fluido, tal como la resistividad del metal del cual es fabricado el intercambiador de calor, frecuencia medida en Hertz del rango de operación, densidad de flujo magnético medido en Gauss y espesor del metal de los intercambiadores de calor, lo que incide en el grado de penetración del campo magnético al metal, factores que se encuentran definidos por la fórmula de potencia calórica. Además de los factores que componen la fórmula a describir, inciden el diseño y disposición de los intercambiadores de calor.

Fórmula de potencia calórica

P=K ^* f ^2* B ^2* s ²

Dónde:

P= Potencia calórica

K= Constante inversamente proporcional a la resistividad eléctrica especifica del metal utilizado

F: Frecuencia medida en Hertz, que equivale a los ciclos por segundo de rotación multiplicado por un determinado número de parejas de imanes de distinta polaridad

B= La densidad de flujo magnético medida en Gauss

S= Espesor de la superficie de contacto del metal inducido por el campo magnético. La unidad metálica o intercambiador de calor que es impactado por el campo magnético debe tener una baja resistividad, siendo (de menor a mayor resistividad respectivamente), la plata, cobre, oro y aluminio los metales con más baja resistividad, por lo cual el intercambiador de calor puede ser fabricado utilizando cualquiera de dicho materiales, así como una combinación de los mismos, siendo el cobre, debido a su menor costo y baja resistividad, el material utilizado en forma preferente para fabricar los intercambiadores de calor.

La frecuencia, medida en ciclos por segundo, de un determinado número de parejas de imanes de distinta polaridad, incide exponencialmente en el calentamiento del metal, por lo cual a mayor frecuencia, mayor calentamiento, así como la potencia de cada imán incide también exponencialmente en el calentamiento del metal. Además, la distancia entre superficie metálica y los imanes incide directamente en el levantamiento de la temperatura en el fluido a calentar que fluye dentro del intercambiador, siendo el óptimo un punto muy cercano al campo de fuerza donde se produce la mayor agitación de electrones o corrientes torbellino.

El espesor del metal impactado por el campo magnético actúa exponencialmente sobre el resultado de calor transferido al fluido que fluye dentro del intercambiador de calor, por lo cual se considera que las caras o paredes del intercambiador de calor que se encuentran expuesta a dicho campo magnético, sean de mayor espesor, y donde además se contempla la formación de una serie de cavidades interiores dentro del intercambiador de calor, formadas por una serie de platinas o placas transversales y longitudinales , que permiten aumentar el volumen de metal a inducir, y retardar a la vez la circulación del fluido, logrando así mayor tiempo de contacto con una superficie mayor de transferencia de calor del fluido que fluye dentro del intercambiador de calor (ver figuras N° 6 y N°7). Un ejemplo de aplicación de la invención, tal como se ilustra en la figura N° 9, comprende un equipo para calentar fluidos, que comprende como unidad básica al menos un aparato para calentar un fluido por inducción magnética (1 ), un chasis (24), patas de soporte y posicionamiento (25) del chasis, una estructura de soporte y montaje (23) para a lo menos un aparato para calentar fluido (1 ), y un motor (22). En la disposición del equipo para calentar fluido, de acuerdo a la realización ilustrada en dicha figura N° 9 se han dispuesto dos aparatos para calentar un fluido por inducción magnética (1 ) en forma adyacente e interconectada entre sí mediante un conducto flexible adicional que une a ambos dispositivos. No obstante lo anterior, una pluralidad de aparatos para calentar fluidos pueden ser dispuestos y conectados entre sí para formar un equipo para calentar fluidos, de acuerdo al requerimiento de la cantidad de fluido que se requiera calentar y la temperatura que se requiera alcanzar.

En funcionamiento, el motor o equipo de fuerza motriz (22) conectado al eje (4), del equipo para calentar fluido, es operado para hacer rotar los discos porta imanes (3) de cada uno de los aparatos para calentar fluidos (1 ) dispuestos en dicho equipo, y los cuales se encuentran soportados y retenidos a través de una estructura de soporte y montaje (23). Tanto el motor (22), eje (4) y montaje de los aparatos para calentar fluidos, se encuentran soportados en un chasis (24) que comprende patas de soporte y posicionamiento (25) que permiten ajustar y nivelar el equipo. Los intercambiadores de calor (2) de cada uno de los aparatos para calentar fluido (1 ), se encuentran conectados a una fuente de abastecimiento de fluido a través de puertos de entrada (18) y salida de fluido (20), así como dichos intercambiadores de calor (2), se encuentran interconectados entre sí a través de un conducto flexible (19). El hecho que los intercambiadores de calor (2) se encuentren interconectados a través de conductos flexibles, permite variar en forma sencilla la distancia entre los discos por imanes (3) y los intercambiadores de calor (2) de acuerdo a la necesidad requerida. Los intercambiadores de calor pueden ser aproximados a los discos porta imanes por medio de una regulación específica de distanciamiento, la cual puede ser realizada a través de pernos sin fin o bien otros medios de desplazamiento que además cumplen la función de sujeción de los intercambiadores, pero permiten ajustar el distanciamiento entre la superficie del intercambiador de calor, es decir entre la superficie metálica plana interior de éste y el campo magnético que ejerce la zona imantada proveniente del disco en rotación. El mecanismo rotatorio, de los discos de imanes, los hacen girar a altas revoluciones por minutos, las que generan frecuencias que se miden en Hertz, donde dicho movimiento rotatorio puede ser ajustado desde unas cuantas revoluciones por minutos, para un dispositivo de uso doméstico, así como un equipo con gran capacidad de girar a altas revoluciones por minutos, para equipos destinados a ser utilizados industrialmente. Es decir, se trata de un equipo que puede trabajar a frecuencias variables, más aún si existe libertad de variar el número de parejas de imanes de distinta polaridad en cada disco (3) lo cual altera exponencialmente la potencia calórica del aparato para calentar fluidos.

El aumento de requerimiento de temperatura de un fluido por la vía de la operación de una sola unidad de generación de calor por inducción magnética bilateral, se puede satisfacer modificando los componentes de la propia unidad, es decir número de pares de imanes en el disco porta imanes, potencia de los imanes, espesor de intercambiadores y resistividad de los metales, así como aumentando la frecuencia de rotación del disco.

Al estar conectados los intercambiadores de calor a través de conductos flexibles permiten la libre circulación del fluido entre estos, generando un circuito continuo, lo que permite que el fluido adquiera mayor temperatura progresivamente a medida que circula por las cavidades dentro del conducto interno del intercambiador de calor, al estar en constante contacto con las superficies de las placas transversales, longitudinales y superficiales del intercambiador de calor. Un serie de mecanismos de control de temperatura del fluido circulante, termómetros de lectura directa, termostatos, entre otros, son dispuestos en el equipo para calentar fluido de forma de poder controlar la temperatura predefinida que se requiere del fluido que fluye dentro de dichos intercambiadores de calor. La configuración del aparato para calentar fluidos por inducción magnética (1 ) de la presente invención, permite calentar fluidos con un bajo costo de producción, sencillo y eficiente, ya que por la configuración del disco porta imanes, en donde el imán queda expuesto hacia ambos lados del disco, permite generar dos zonas adyacentes de campo magnéticos, logrando así ahorros al aprovechar en su totalidad la capacidad de los imanes, y requiriendo un equipo más simple y de menos peso, donde la configuración de cada intercambiador, se maximiza la cantidad de superficie conductora de calor al fluido, así como el hecho que se pueda regular en operación la aproximación del campo magnético al metal a inducir, logrando una gran eficiencia en el calentamiento del fluido que circula en el aparato calentador de fluidos, lo cual marca una gran diferencia con los calentadores magnéticos de fluidos del arte previo, en donde un disco de imanes expone su capacidad de imán en un solo sentido, requiriendo una configuración de dos discos imantados enfrentados a cada lado de un intercambiador de calor, y donde además los intercambiadores de calores poseen una sola cavidad por donde circula el fluido que está siendo calentado. La configuración del aparato para calentar fluidos por inducción magnética de la invención logra un resultado en transferencia calórica al fluido más eficiente para un mismo consumo energético que los aparatos o dispositivos del arte previo, por lo tanto la invención logra proporcionar un aparato que permite calentar fluidos a bajo costo, siendo así una gran alternativa para calentar fluidos para usos doméstico como calefacción y agua sanitaria, así como para usos industriales, siendo a la vez una fuente no contaminante para calentar fluidos.

Si bien la forma del aparato para calentar fluidos aquí descritos constituyen una inclusión preferida de esta invención, se debe entender que la invención no se limita a esta forma precisa del aparato para calentar fluidos, y que se pueden hacer cambios en este sin apartarse del alcance de la invención, que se definen en las reivindicaciones adjuntas.