Intercambiador de calor con serpentines de tubo.

Un conjunto de entubado arrollado de forma helicoidal para uso en un intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal para la licuación de gas natural contra un refrigerante de vaporización,

cuyo conjunto de entubado comprende un primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal (5) y un segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal (9), en el que uno o más de los grupos de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal están conectados en comunicación de flujo de fluido directo con uno o más grupos de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal, caracterizado porque el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal está constituido por dos sub-haces de entubado arrollados de forma helicoidal (201, 203), que difieren en uno o más parámetros seleccionados a partir de un grupo que incluye diámetros exteriores del mandril, espesor del espaciador, número de espaciadores, número de tubos, diámetro interior de la tubería, diámetro exterior de la tubería, longitud del tubo, paso del tubo, y ángulo de arrollamiento del tubo, y donde un distribuidor de refrigerante (229) está dispuesto entre los sub-haces de tubería arrollada de forma helicoidal.

Intercambiador de Calor con serpentines de tubo

Antecedentes de la invención Los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal se utilizan en las industrias de procesos para el calentamiento o refrigeración de corrientes de fluidos a tasas de transferencia de calor altas, que requieren áreas de transferencia de calor grandes. Los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal son particularmente útiles para la refrigeración y condensación de corrientes de gas a alta presión. Por ejemplo, en la producción de gas natural licuado (LNG) , se requieren áreas superficiales grandes para la transferencia indirecta de calor entre refrigerantes y el gas de alimentación presurizado, que es refrigerado desde temperatura ambiente para producir LNG a temperaturas próximas a –162ºC (-260ºF) . Los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal están adaptados de una manera ideal para uso en ciclos de procesos de LNG en condiciones criogénicas.

Los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal utilizan haces de tubos construidos de grandes números de tubos largos, que están arrollados helicoidalmente alrededor de un núcleo central axial o mandril. Se forman numerosas capas de tubos en la dirección radial, estando separada cada capa de las capas adyacentes por espaciadores o alambres espaciadores axiales. Se pueden instalar uno o más haces en una caldera de presión con cabeceras adecuadas y entubado para introducir corrientes que deben refrigerarse en los tubos y para la extracción de corrientes licuadas refrigeradas desde los tubos. Se utiliza tubería adicional para la circulación de fluido entre los haces. La refrigeración es proporcionada típicamente en estos intercambiadores por vaporización de refrigerantes mixtos sobre el lado exterior, o lado de la cáscara, de los tubos.

En la industria de carga de base LNG, se licua gas natural en sitios remotos y se transporta como un líquido a centros de población, donde se vaporiza y se distribuye para el consumo local. Una tendencia actual en la industria de base de carga LNG consiste en incrementar los tamaños de los trenes de licuación individual para mejorar las economías de escala y esto requiere intercambiadores de calor principales mayores. Existe una necesidad continua en las industrias de procesos, por ejemplo en la industria de carga de base LNG, para mejorar el rendimiento del proceso y conseguir economías de escala, a pesar de las limitaciones en el tamaño de los haces arrollados de forma helicoidal. Se requerirán un uso más efectivo del área de transferencia de calor y coeficientes mejorados de transferencia de calor para un tamaño de intercambiador dado para realizar un rendimiento mejorado del proceso. La invención descrita a continuación y definida por las reivindicaciones que siguen ofrece una configuración mejorada de los intercambiadores de calor arrollados de forma helicoidal que produce un rendimiento de transferencia de calor más alto y una producción de licuación más alta a partir de un intercambiador de calor principal de un tamaño dado.

El documento US-B-6 347 532 describe un método de producción de gas natural licuado, en el que se mejoran la refrigeración por enfriamiento y licuación por un sistema de refrigerante mixto pre-enfriado por otro sistema de refrigeración. Al menos una corriente líquida se divide a partir de la condensación parcial y de la separación del refrigerante mixto a una temperatura más alta que la temperatura más baja proporcionada por el sistema de refrigeración cuando el refrigerante mixto es condensado a una presión máxima final, cuando el refrigerante mixto es condensado a una presión menor que la presión máxima final, se efectúa la condensación a una temperatura igual o mayor que la temperatura mínima proporcionada por el sistema de refrigeración previa. El líquido refrigerante mixto se utiliza para proporcionar refrigeración a una temperatura menor que la proporcionada por el sistema de refrigeración previa.

Breve resumen de la invención La invención se refiere también a un sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal según la reivindicación 1.

En este sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal, el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal puede incluir:

(b1) un primer mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (b2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (b3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial; (b4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de

espaciadores;

(b5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (b3) y (b4) , donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente; donde las entradas y salidas de los tubos de (b2) a (b5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.

En este sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal, el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal incluye:

(c1) un segundo mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (c2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (c3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial, (c4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de espaciadores; y (c5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (c3) y (c4) , donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente; donde las entradas y salidas de los tubos de (c2) a (c5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.

El sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal comprende, además:

(d) medios para agregar los extremos de salida de dos o más conjuntos de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de salidas de tubos;

(e) medios para agregar los extremos de entrada de dos o más conjuntos de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de entradas de tubos; y

(f) medios para colocar el primer grupo de salidas de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con el primer grupo de tubos de entrada en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal, y

(g) un tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal dispuesto axialmente en una segunda sección de la caldera del intercambiador de calor por encima del segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal, en el que la segunda sección tiene un diámetro que es diferente del primer diámetro, y en el que el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal incluye:

(g1) un primer mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (g2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (g3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial; (g4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de espaciadores; (g5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos...

1. Sistema de intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal para la licuación de gas natural contra un refrigerante de vaporización, que comprende:

(a) una caldera de intercambiador de calor cilíndrica vertical, que comprende una primera sección que tiene un primer diámetro y una segunda sección que tiene un segundo diámetro;

(b) un primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal dispuesto axialmente en la primera sección de la caldera del intercambiador de calor,

(c) un segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal dispuesto axialmente en la primera sección de la caldera del intercambiador de calor por encima del primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal, en el que uno o más grupos de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal están conectados en comunicación de flujo de fluido directo con uno o más grupos de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal,

(d) un tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal dispuesto axialmente en la segunda sección de la caldera del intercambiador de calor por encima del segundo haz de entubado arrollado,

(e) donde el primero y el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal difieren en uno o más parámetros seleccionados a partir de un grupo que incluye diámetros exteriores del mandril, espesor del espaciador, número de espaciadores, número de tubos, diámetro interior de la tubería, diámetro exterior de la tubería, longitud del tubo, paso del tubo, y ángulo de arrollamiento del tubo,

caracterizado porque

(f) cada grupo de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal está conectado en comunicación de flujo de fluido directo con un grupo de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal,

(g) un distribuidor de refrigerante (229) está dispuesto entre el primero y segundo haz de tubería arrollada de forma helicoidal

(h) y la segunda sección tiene un diámetro que es diferente del primer diámetro.

2. El sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal de la reivindicación 1, en el que:

- el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal incluye

(b1) un primer mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (b2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (b3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial; (b4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de espaciadores; y (b5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (b3) y (b4) , donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente;

donde las entradas y salidas de los tubos de (b2) a (b5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.

- el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal incluye:

(c1) un segundo mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (c2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (c3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial; (c4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de espaciadores; y (c5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (c3) y (c4) , donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente; donde las entradas y salidas de los tubos de (c2) a (c5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.

-y donde el sistema intercambiador de calor arrollado de forma helicoidal comprende, además:

(d) medios para agregar los extremos de salida de dos o más conjuntos de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de salidas de tubos;

(e) medios para agregar los extremos de entrada de dos o más conjuntos de tubos en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal para formar un primer grupo de entradas de tubos; y

(f) medios para colocar el primer grupo de salidas de tubos en el primer haz de entubado arrollado de forma helicoidal en comunicación de flujo de fluido con el primer grupo de tubos de entrada en el segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal, y

(g) un tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal dispuesto axialmente en una segunda sección de la caldera del intercambiador de calor por encima del segundo haz de entubado arrollado de forma helicoidal, en el que la segunda sección tiene un diámetro que es diferente del primer diámetro,

- en el que el tercer haz de entubado arrollado de forma helicoidal incluye:

(g1) un primer mandril que tiene un primer extremo y un segundo extremo; (g2) un primer conjunto de tubos, cada uno de cuyos tubos tiene un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor del mandril para formar una primera capa de tubos; (g3) una primera pluralidad de espaciadores dispuestos en contacto con la primera capa de tubos, teniendo cada espaciador un espesor definido en una dirección radial; (g4) un segundo conjunto de tubos, teniendo cada tubo un extremo de entrada y un extremo de salida, cuyos tubos están arrollados de forma helicoidal alrededor de la primera capa de tubos para formar una segunda capa de tubos, donde la segunda capa de tubos está en contacto con la primera pluralidad de espaciadores; (g5) una pluralidad de capas sucesivas adicionales de espaciadores y tubos similares a los espaciadores y tubos de (g3) y (g4) , donde la pluralidad de espaciadores y capas sucesivos adicionales están dispuestos radialmente;

donde las entradas y salidas de los tubos de (g2) a (g5) están próximas al primer extremo y al segundo extremo, respectivamente, del primer mandril.