DESCRIPCIÓN

OBJETO La presente invención se refiere a un tubo condensador en su cara interior y evaporador en su cara exterior, con una elevada capacidad de transmisión de energía calórica por unidad de superficie de tubo y por grado Celsius de diferencial de temperatura entre dichas caras, aplicable a dispositivos de carcasa y tubos o shell and tubes y a otros dispositivos de destilación.

ESTADO DE LA TÉCNICA

El problema técnico a resolver es que los tubos que actúan como condensador sobre su cara interior y como evaporador sobre su cara exterior, como los tubos horizontales de un dispositivo de carcasa y tubos, alcanzan bajos coeficientes de transferencia térmica por metro cuadrado de superficie de tubo y grado Celsius de diferencial de temperatura entre la temperatura del vapor que fluye por el interior del tubo y se condensa y la del fluido líquido que se evapora sobre el exterior del tubo.

En el caso específico de dispositivos de carcasa y tubos para desalinizar agua como los destiladores multiefecto, multieffect distillators MED, el coeficiente de transferencia térmica de los tubos horizontales de estos dispositivos se sitúa por debajo de los 3.500 vatios por metro cuadrado de tubo y grado Celsius de diferencial de temperatura entre las dos caras del tubo.

Esta limitación en la energía transmitida a través de las paredes de los actuales tubos condensadores-evaporadores limita el número de ciclos de condensación y evaporación que se pueden realizar a partir de una fuente de energía a una determinada temperatura como puede ser el vapor de una planta de cogeneración y un sumidero de calor a una temperatura inferior como puede ser el agua del mar, requiere una gran superficie de tubos condensadores en el interior de los dispositivos destiladores y limita la energía total que se puede gestionar en cada dispositivo destilador.

SUMARIO

La presente invención busca resolver uno o más de los inconvenientes expuestos anteriormente mediante un tubo condensador-evaporador como está definido en las reivindicaciones.

El tubo condensador-evaporador donde la fase gaseosa de una sustancia a condensar fluye por el interior del tubo condensador-evaporador y la fase líquida a evaporar fluye por el exterior del mismo tubo condensador-evaporador. La cara interior de este tubo está cubierta por una estructura capilar interior configurada para facilitar que la interfase líquido/vapor se curve por la formación de un menisco cóncavo, con un ángulo de contacto menor de 90°, lo cual permite una condensación capilar a una presión menor que la presión de vapor y el líquido condensado, producto de condensación capilar, es recogido por un canal de evacuación dispuesto en la parte interior inferior del tubo condensador- evaporador.

El tubo condensador-evaporador comprende un canal suministrador en la parte exterior superior del tubo condensador-evaporador adaptado para suministrar el fluido líquido a una estructura capilar que cubre el resto de la cara exterior del tubo, configurada para facilitar que la interfase líquido/vapor se curve por la formación de un menisco cóncavo, con un ángulo de contacto menor de 90°, de manera que, en los extremos de la interfase curva que conforma la superficie de un menisco de líquido, el líquido adopta su más fino grosor permitiendo la más eficiente evaporación con una resistencia térmica muy inferior a la que comporta una película de líquido más gruesa.

El tubo condensador-evaporador dispone de un canal de aporte del líquido a evaporar en la parte superior de la cara exterior y un canal de desagüe en el interior de la cara condensadora que pueden estar acoplados mecánicamente mediante una lámina o pared exterior adaptada para formar el tubo condensador- evaporador.

También el canal suministrador es acoplable mecánicamente al canal desaguador mediante unas estructuras de soporte adaptadas para sustentar mecánicamente el tubo condensador-evaporador. Esta estructura de sustento mecánico permite la utilización de paredes más finas que las de un tubo sin esta estructura de soporte. Estas finas paredes permiten un corto trayecto térmico entre los puntos de condensación capilar de la cara interior y los meniscos de agua del evaporador situado en la cara exterior.

La estructura capilar exterior del tubo condensador-evaporador adopta una forma del tipo microranuras, microsurcos o microndulaciones de una profundidad y anchura predeterminadas.

La estructura capilar exterior y la interior del tubo condensador-evaporador forman canales capilares de sección rectangular contrapuestos a modo de perfil almenado; de manera que un menisco del lado exterior evaporador está separado de un menisco contiguo del lado interior condensador por el espesor de la lámina exterior del tubo condensador-evaporador.

La estructura capilar exterior y la interior del tubo condensador-evaporador forman canales capilares en forma de dientes de sierra de sección triangular donde el menisco del lado condensador está separado del menisco contiguo en el lado evaporador por el espesor de la lámina exterior del tubo condensador- evaporador.

El tubo condensador-evaporador puede comprender una capa de sinterizado, malla u otra estructura porosa que recubre la cara interior del tubo condensador- evaporador de manera que la condensación capilar se forma en los espacios confinados dentro de esta estructura porosa.

El tubo condensador-evaporador es acoplable mecánicamente a un mecanismo pulsador para suministrar pulsaciones al fluido líquido que se aporta en el canal suministrador sobre el tubo condensador-evaporador, creando desbordamientos periódicos de fluido líquido que fluye por la superficie exterior del tubo condensador.

Un haz de tubos condensadores-evaporadores se acoplan mecánicamente para formar un dispositivo de destilación.

El tubo condensador-evaporador presenta una elevada capacidad de transmisión de energía calórica por unidad de superficie de tubo y grado Celsius de diferencial de temperatura entre la cara interior del tubo y su cara exterior.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Una explicación más detallada de la invención se da en la descripción que sigue y que se basa en las figuras adjuntas:

Figura 1 muestra un corte transversal del tubo condensador-evaporador con una capa de sinterizado que cubre su cara interior que actúa como condensador y un canal de recogida del líquido condensado;

Figura 2 muestra un corte transversal del tubo condensador-evaporador con un canal suministrador de aporte de fluido líquido que fluye dentro de la estructura capilar de la cara exterior del tubo y un canal de recogida del líquido condensado en el interior del tubo condensador-evaporador. Así como una vista de la pared exterior del tubo condensador-evaporador con una secuencia de microsurcos, microondulaciones o microranuras que discurren perpendicularmente al eje del tubo condensador evaporador;

Figura 3 muestra un corte transversal de secciones alternativas del tubo condensador-evaporador, con paredes laterales circulares, ovaladas alargadas u ovaladas apaisadas;

Figura 4 muestra un corte transversal de un tubo condensador-evaporador alternativo; así como, una vista de la pared exterior del tubo condensador- evaporador con una secuencia de microsurcos, microondulaciones o microranuras que discurren con un trazado inclinado o helicoidal al eje del tubo; Figura 5 muestra un corte transversal de dos tubos condensadores-evaporadores superpuestos de modo que el líquido a evaporar fluye desde el canal suministrador a través de la estructura capilar que cubre la cara exterior del tubo condensador evaporador superior hasta verter el líquido sobrante dentro del canal suministrador del tubo condensador-evaporador inferior;

Figura 6 muestra un corte longitudinal de una pared de un tubo condensador- evaporador con microsurcos en ambas caras formando un perfil en dientes de sierra, de manera que se forman meniscos cóncavos en ambas caras de la pared del tubo condensador-evaporador, de modo que el menisco del líquido a evaporar en la cara exterior se encuentra a una corta distancia térmica del menisco que forma el líquido condensado en la cara interior del tubo condensador-evaporador;

Figura 7 muestra un corte longitudinal de una pared de un tubo condensador- evaporador con microsurcos en ambas caras en forma de U o de almenas, de modo que el menisco del fluido líquido a evaporar en la cara exterior se encuentra a una muy corta distancia térmica del menisco que forma el líquido condensado en la cara interior del tubo condensador-evaporador;

Figura 8 muestra un corte longitudinal de una pared de un tubo con microsurcos en ambas caras en forma de U o de almenas, de modo que el menisco del fluido líquido a evaporar en la cara exterior del tubo condensador-evaporador se encuentra a una muy corta distancia térmica del menisco de líquido condensado que se forma dentro de la capa de sinterizado o de otra estructura porosa en la cara interior del tubo condensador-evaporador;

Figura 9 muestra un corte transversal de un haz de tubos de un dispositivo destilador de carcasa y tubos, shell and tubes, pertenecientes al estado de la técnica, en el que el fluido líquido a evaporar fluye por el exterior de la gruesas paredes de los tubos condensadores evaporadores cayendo en película de líquido sobre un tubo condensador-evaporador inferior;

Figura 10 muestra un corte transversal de un haz de tubos condensadores- evaporadores incorporados dentro de un dispositivo carcasa y tubos, shell and tubes, en el que el fluido líquido a evaporar fluye por el exterior de las finas paredes del tubo condensador-evaporador hasta fluir por el exterior del canal de desagüe de un tubo condensador-evaporador y precipitarse ordenadamente dentro del canal suministrador de aporte del líquido a evaporar del siguiente tubo condensador-evaporador; Figura 11 muestra un corte transversal de dos tubos condensadores alternativos con una lamina interior de soporte ubicada entre el canal suministrador y el canal desaguador dentro del tubo condensador-evaporador y con unas láminas o paredes de cierre que unen el canal suministrador y el canal desaguador por fuera del tubo condensador-evaporador y que pueden tener un menor grosor que las paredes normales de un tubo, al no soportar las fuerzas estructurales del tubo;

Figura 12 muestra un corte transversal de un tubo condensador-evaporador con una estructura de soporte formada por el canal suministrador y el canal desaguador unidos mecánicamente por láminas exteriores al tubo condensador- evaporador y con unas láminas o paredes de cierre que no requieren soportar las fuerzas estructurales del tubo;

Figura 13 muestra un corte transversal de la pared de un tubo de intercambio de calor con aletas que, al ser utilizado como tubo evaporador-condensador, el menisco que se forma en su cara exterior evaporadora se encuentra a una gran distancia térmica del menisco de su cara interior condensadora; Figura 14 muestra un corte transversal del interior de un microsurco en el que se encuentra un menisco cóncavo de fluido líquido con un ángulo de contacto inferior a 90°, y la zona del extremo del mismo menisco donde el grosor de líquido está dentro del intervalo 50 nm y 10 mieras, que es la zona donde se produce la evaporación del modo que es térmicamente más eficiente; y Figura 15 muestra un corte transversal de un haz de tubos condensadores del dispositivo destilador de carcasa y tubos correspondiente a tubos condensadores según la figura 10 con una estructura que soporta el haz de tubos. DESCRIPCIÓN DE UN MODO DE REALIZACIÓN

Las figuras 1 a 4 muestran un tubo condensador-evaporador para evaporar y condensar soluciones acuosas u otros líquidos en los que el ángulo de contacto de su menisco de líquido es inferior a 90°, que funciona como condensador en su cara interior y como evaporador en su cara exterior; donde la cara interior está recubierta de una estructura capilar en cuyos capilares se forman meniscos de fluido líquido con una interfase líquido vapor curva y el vapor de fluido se puede condensar a presión menor que su presión de vapor y el líquido condensado se evacúa mediante un canal desaguador 2; y donde la cara exterior está recubierta de una estructura capilar en la que el líquido a evaporar forma meniscos con una interfase líquido-vapor curva y la evaporación se produce desde el extremo superior 25, ver figura 14, de los meniscos de líquido en los que se produce la más fina capa de líquido y la más eficiente evaporación.

De acuerdo a la figura 11, el tubo puede tener una lámina interna 14 y externa 23 de soporte estructural de modo que las paredes 22 activas térmicamente del tubo condensador-evaporador pueden ser más finas que las de un tubo cuyas paredes deben soportar las cargas estructurales y estas paredes 22 pueden adoptar diseños que reducen el trayecto térmico entre un menisco de líquido de un microsurco del lado evaporador y la zona de condensación capilar del lado condensador. El tubo condensador-evaporador objeto de esta patente es utilizable en dispositivos destiladores de nueva construcción y puede ser utilizado para reemplazar los tubos de dispositivos destiladores existentes como los tubos horizontales de un sistema de destilación de carcasa y tubos, shell and tubes, que actualmente funcionan siguiendo el paradigma del aporte del agua sobre la cara evaporadora por precipitación de una fina capa de agua, y esta substitución permite conservar los grandes recipientes de presión y toda la infraestructura que rodea estas instalaciones a la vez que se multiplica la eficiencia térmica de estos dispositivos modificados.

El tubo condensador-evaporador, comprende una estructura capilar que recubre su cara interior condensadora, en la que se forman meniscos de líquido con un ángulo de contacto 24 inferior a 90° confinados en dicha estructura capilar y la interfase líquido-vapor es curva.

La curvatura de la interfase líquido/vapor en el lado condensador comporta que el vapor de agua, o de otro líquido, condensa sobre un capilar a presión menor que su presión de vapor, conocido fenómeno expresado por la ecuación de Kelvin, siendo un fenómeno que facilita la condensación del fluido vapor.

Para evitar que el líquido condensado se acumule dentro del tubo condensador- evaporador y pueda cubrir la estructura capilar y bloquear la capacidad de condensación capilar; el tubo condensador-evaporador comprende también un canal desagüador 2 situado en el fondo del tubo condensador-evaporador para evacuar el líquido de la zona de condensación capilar y evitar la formación de acumulaciones de agua que bloquean los capilares interrumpiendo la condensación capilar.

El canal desaguador 2 se puede omitir sacrificando la parte inferior del tubo para acumular el líquido condensado y evacuarlo, pero la incorporación del canal desaguador 2 evita que en el interior del tubo se produzca un flujo anular u otros flujos del fluido líquido condensado que cubran la estructura capilar de la pared interior, por lo que el canal desaguador 2 facilita que la cara interior del tubo actúe como condensador y aumenta las propiedades térmicas del dispositivo. El tubo condensador-evaporador comprende también una estructura capilar que cubre la cara exterior del tubo condensador-evaporador, en la que se forman meniscos de agua salada o de otro líquido a evaporar con la característica de formar un ángulo de contacto 24 también inferior a 90°, y la interfase líquido- vapor es curva. En la parte superior del menisco de líquido existe una estrecha franja 25, ver figura 14, en la que el agua presenta los menores espesores de película y dónde el líquido se evapora con una gran facilidad debido a, entre otros factores, que sólo existe una finísima película de líquido entre la pared metálica de la estructura capilar del tubo condensador-evaporador por donde se recibe la energía térmica y la interfase líquido- vapor curva que cubre la parte exterior del menisco. Para distribuir el líquido dentro de la estructura capilar que cubre la pared exterior, el tubo condensador-evaporador comprende un canal suministrador 4, figuras 1 a 5.

En el caso que el líquido a evaporar contenga materia orgánica que pueda formar residuos, o sea una disolución que pueda acarrear la formación de residuos sólidos, como por ejemplo el agua de mar, para evitar la formación de residuos sólidos y orgánicos dentro de estructuras capilares cubiertas como seria el caso de un sinterizado que se obturarían, siendo muy difícil su limpieza, la estructura capilar sobre la cara exterior del tubo condensador-evaporador está formada por unos microsurcos capilares con una anchura en boca y una profundidad inferiores a 0,8 mm, con un trazado perpendicular 3, oblicuo o helicoidal 8 al eje del tubo condensador-evaporador y dichos trazados se extienden en el fondo del canal 4 suministrador de modo que por tensión capilar el agua se introduce y fluye dentro de los microsurcos, ver figura 2 y 4. El líquido dentro del canal 4 suministrador se puede aportar mediante unas pulsaciones periódicas creadas por un mecanismo pulsador acoplado mecánicamente al tubo condensador- evaporador, de manera que el líquido dentro del canal 4 suministrador se desborda periódicamente formando una película de líquido sobre la superficie exterior del tubo condensador-evaporador para logra dos objetivos: arrastrar las acumulaciones de residuos que se puedan acumular sobre la superficie exterior del tubo, y mojar toda la superficie exterior del tubo, impidiendo la aparición de zonas secas dentro de las estructuras capilares del evaporador.

La frecuencia de estas inundaciones viene fijada por la frecuencia de aparición de zonas secas y la consecuente aparición de residuos sólidos, donde la frecuencia de las pulsaciones depende principalmente del diseño de la estructura capilar que determina el caudal de líquido que puede fluir dentro del microsurco y del caudal de energía del dispositivo. Por lo que el ritmo de inundaciones vendrá fijado por el diseño del dispositivo destilador. De acuerdo a las figuras 6 a 8, la pared del tubo condensador-evaporador puede adoptar diferentes perfiles tal como almenado, diente de sierra, etc. para formar valles alternativos a ambos lados de la pared del tubo condensador-evaporador donde se curva la interfase líquido- vapor que cubre la parte superior de un menisco de líquido 9, 10, 16, 17, de tal manera que los trayectos térmicos 11, 15 entre el punto de evaporación y el de condensación son cortos y corresponden al grosor de la pared del tubo condensador-evaporador. Los trayectos térmicos 11, 15 son más cortos que el trayecto térmico 21 que se produce en un tubo de intercambio de calor con microaletas u otras extensiones de superficie, que se utilice como tubo condensador-evaporador, como se muestra en la figura 13.

Un intercambio de calor para el cual se requiere maximizar la superficie de contacto, en lugar de la importancia de curvar la interfase líquido vapor mediante una estructura capilar en la que se formen meniscos de líquido, como se requiere cuando la función del tubo es la de ser un eficiente condensador y evaporador.

En relación con las figuras 10 a 12, el tubo condensador-evaporador comprende una lámina interior 14 o una lámina exterior 23 que conectan mecánicamente el canal suministrador 12 y el canal desaguador 13 y una lámina o pared exterior 22. La lámina interior 14 o la lámina exterior 23 son una estructura interior o exterior que soporta las fuerzas estructurales del tubo condensador-evaporador así formado, de modo que la pared exterior del tubo 22 tiene un grosor reducido al no trabajar como estructura de soporte. De modo que la pared del tubo que es térmicamente activa 22 tiene un grosor inferior, y una menor resistencia térmica, al grosor actual, y la actual resistencia térmica, de los tubos horizontales de aleaciones de aluminio que actualmente oscila entre 1 mm y 0,7 mm.

En consecuencia, obtenemos un tubo condensador-evaporador con una estructura capilar que cubre su pared interior que permite la curvatura de la interfase líquido vapor y la condensación es una condensación capilar debidamente evacuada mediante un canal 2 desaguador y con una estructura capilar en su cara exterior en la que el líquido forma capilares con un ángulo de contacto inferior a 90° cubiertos por una interfase líquido-vapor curva y la evaporación se produce desde la franja 25 donde la película de líquido adopta su grosor más fino, la pared del tubo condensador-evaporador tiene un diseño que posiciona la parte superior de un menisco de líquido 16 de la cara evaporadora confrontada con la parte superior de un menisco de líquido condensado 17 de la cara condensadora donde se produce la condensación capilar, de modo que el trayecto térmico 15 entre el punto de evaporación y el de condensación se reduce también por el fino grosor de la pared térmicamente activa 22 que descansa sobre una estructura de soporte interna 14 o externa 23 que soporta la fuerzas estructurales del tubo condensador-evaporador.

El tubo condensador-evaporador fabricado con aleaciones de aluminio, cobre y otros metales de baja resistencia térmica supera de media los 20.000 vatios por metro cuadrado de tubo y grado Celsius de diferencial de temperatura entre las dos caras del tubo condensador-evaporador y puede llegar a coeficientes de transferencia térmica puntuales superiores a los 60.000 vatios por metro cuadrado y grado Celsius de diferencial de temperatura e incluso superiores.

Dado que las capas de agua, o de otros líquidos, de grosores superiores a las finas capas que se forman en los extremos 25 de los meniscos de agua, o de otros líquidos, son capas que reducen la transferencia de energía y que dificultan el cambio de fase del fluido, el aporte de líquido sobre la cara externa del tubo condensador-evaporador se debe realizar de forma ordenada, sin salpicaduras ni desbordamientos incontrolados. Para cumplir con este requisito, los tubos condensadores-evaporadores se pueden colocar formado hileras, como se representa en la figura 5, de modo que el líquido que fluye por la cara exterior del canal desaguador 2, 13 de un tubo condensador-evaporador, caiga dentro del canal suministrador 4, 12 del tubo condensador-evaporador que está por debajo. Como muestra la figura 1 y con mayor detalle en la figura 8, la cara interior del tubo condensador-evaporador puede estar recubierta por una capa de sinterizado, malla o mecha 18 de modo que la condensación capilar se forma en los espacios confinados dentro de esta estructura que siguen manteniendo una corta distancia térmica 15 con los meniscos de líquido del lado evaporador 16. La mejor relación entre volumen y superficie de intercambio se logra con estructuras redondeadas por lo que la sección del tubo puede ser redonda 5 u ovalada, ya sea alargada 6 o aplanada 7.

La substitución del haz de tubos de los dispositivos de destilación multiefecto MED por un haz de tubos descritos en esta patente, permite multiplicar los coeficientes de transferencia térmica de estas plantas desalinizadoras multiefecto obteniendo prestaciones superiores a las actuales.

La sustitución de los actuales tubos horizontales de estas instalaciones de desalinización por los tubos condensadores-evaporadores descritos en esta patente permite utilizar una gran parte del resto de componentes de una planta desalinizadora multiefecto actual a la vez que se logra multiplicar la cantidad de vatios transferidos por unidad de superficie de tubo y grado Celsius de diferencial de temperatura, lo cual permite multiplicar la capacidad de desalinización del dispositivo, reducir el diferencial de temperatura necesario en cada efecto y con ello incrementar el número de efectos reduciendo el coste energético por unidad de agua destilada o multiplicar la cantidad de agua desalinazada en cada efecto, o cualquier combinación de estos posibles resultados.

Como representado esquemáticamente en la figura 9 en los actuales haces de tubos horizontales de los dispositivos MED se vierte una película de agua 19 sobre los tubos que en su exterior actúan como evaporador y en su interior como condensador. Como representado esquemáticamente en la figura 10 un conjunto de tubos condensadores-evaporadores como los descritos en esta patente pueden substituir los actuales haces tubos de un dispositivo MED y en dicha figura 10 se muestra gráficamente como el excedente de agua salada de un tubo condensador- evaporador se vierte 20 sobre el canal suministrador 4 del siguiente tubo condensador-evaporador que aporta el agua salada dentro de los microsurcos capilares que recubren la pared exterior de este siguiente tubo condensador- evaporador. Este haz de tubos condensadores-evaporadores se soporta mediante estructuras 23 que sostienen los tubos condensadores-evaporadores.