TRANSFERENCIA DE CALOR DE FLUJO TRANSVERSAL MEJORADA.

Aparato de perfilado de flujo de fluido para perfilar preferiblemente la trayectoria de fluido de un fluido (130) de proceso que fluye transversalmente a través de,

y en contacto con, una pluralidad de conductos (112) de transferencia de calor separados, comprendiendo dicho aparato una pluralidad de estructuras (120) de desviación con forma de manguito, longitudinalmente continuas, comprendiendo cada estructura de desviación al menos un conjunto apareado de aberturas (124, 126) de flujo de fluido que constituyen el único paso de fluido de aguas arriba a aguas abajo a través del aparato de perfilado de flujo de fluido, caracterizado porque cada una de dichas estructuras (120) de desviación rodea de manera sustancialmente simétrica un conducto (112) de transferencia de calor para definir una región de flujo de fluido con forma anular aislando así el flujo de fluido transversal alrededor de ese conducto de transferencia de calor asociado del flujo de fluido transversal alrededor de conductos de transferencia de calor adyacentes situados transversalmente a la dirección de flujo de fluido, y en el que las aberturas (124, 126) de flujo de fluido de una estructura de desviación están situadas simétricamente aguas arriba y aguas abajo, respectivamente, del conducto (112) de transferencia de calor asociado en alineación aguas arriba y aguas abajo al menos parcial entre sí y con el conducto de transferencia de calor asociado, mediante lo cual cada una de dichas estructuras (120) de desviación perfila la trayectoria de flujo de dicho fluido de proceso alrededor del perfil del conducto de transferencia de calor asociado

Transferencia de calor de flujo transversal mejorada.

La presente invención se refiere de manera general a métodos y aparatos relacionados para mejorar la transferencia de calor hacia o desde un fluido que fluye transversalmente en contacto con las envolventes exteriores térmicamente conductoras de una pluralidad de conductos de intercambio de calor orientados axialmente que pueden actuar como fuentes de calor o como sumideros de calor. Canalizando el flujo de fluido transversal, que fluye generalmente de manera ortogonal a los ejes de los conductos de intercambio de calor, y perfilándolo alrededor de los conductos de intercambio de calor usando elementos a modo de manguitos, se realiza una transferencia de calor sorprendentemente más efectiva y eficaz entre el fluido que fluye y la superficie térmicamente conductora.

Se conoce bien calentar y enfriar fluidos de proceso, que pueden ser líquidos o gases, haciéndolos fluir en contacto con una superficie de transferencia térmica que se mantiene a una temperatura que es diferente de la del fluido de proceso aguas arriba y dando así como resultado una transferencia de calor o bien hacia o bien desde el fluido de proceso (dependiendo de si la superficie de transferencia térmica se mantiene a una temperatura superior o inferior a la del fluid). En una versión familiar de esta tecnología, la superficie de transferencia térmica que actúa como fuente de calor o sumidero de calor es el exterior de una envolvente térmicamente conductora de un tubo o una tubería de transferencia térmica, por ejemplo, que se calienta o se enfría por medio de un líquido que fluye axialmente a través del interior del tubo o la tubería. En una variación de esta tecnología, puede suministrarse calor directamente al interior de un conducto de intercambio de calor por medio de combustión sin llama de gas combustible (tal como hidrógeno o un hidrocarburo) tal como se enseña, por ejemplo, por las patentes estadounidenses n.º 5.255.742 y 5.404.952.

También se conoce en la técnica hacer fluir un fluido de proceso axialmente a lo largo de una superficie de transferencia térmica, o bien concurrentemente o bien a contracorriente con respecto a la dirección de flujo líquido dentro del tubo de transferencia térmica, o hacer fluir de manera transversal el fluido de proceso con respecto al eje del tubo de transferencia térmica, o alguna combinación de los dos. Aplicaciones típicas de transferencia de calor entre fluido que fluye transversalmente y conductos de intercambio de calor se encuentran en enfriadores de aire, economizadores asociados con hornos o calentadores por combustión, y en intercambiadores multitubulares de envolvente. Se conocen diversos tipos de los denominados diseños de reactor de flujo radiales o axiales/radiales para diversas aplicaciones mediante los cuales al menos una parte de una corriente de proceso de fluido se mueve, en algún punto, a través del reactor en una dirección radial, transversal (es decir, desde dentro hacia fuera o desde fuera hacia dentro), al contrario que con los diseños de reactor de flujo axial más conocidos (es decir, de extremo a extremo). Ejemplos de diseños de reactor que realizan al menos en parte un flujo transversal, radial, de fluido de proceso con respecto a una pluralidad de tubos de transferencia de calor dispuestos axialmente se muestran en las patentes estadounidenses n.º 4.230.669; 4.321.234; 4.594.227; 4.714.592; 4.909.808; 5.250.270 y 5.585.074.

Aunque el contacto de flujo transversal de un fluido de proceso con una superficie de transferencia de calor puede ser una opción atractiva para muchas aplicaciones, la utilidad del contacto de flujo transversal para aplicaciones industriales ha estado limitada por ciertas ineficacias de transferencia térmica que se han experimentado en la práctica. Normalmente en diseños de flujo transversal, una parte dada del fluido de proceso está en contacto con la superficie de transferencia térmica durante un tiempo menor que con un diseño de flujo axial comparable. Además, el contacto entre el fluido de proceso que fluye transversalmente y la superficie de transferencia térmica es irregular debido a la separación del fluido de proceso y la recirculación. El corto tiempo de contacto con la superficie, el contacto irregular y el mezclado de fluido limitado pueden conducir a una transferencia de energía térmica ineficaz, insuficiente y/o no uniforme.

Por tanto, en un artículo titulado "Impingement heat transfer at a circular cylinder due to an offset of non-offset slot jet", que apareció en Int. J. Heat Mass Transfer, vol. 27, n.º 12, págs. 2297-2306 (1984), los autores Sparrow y Alhomoud notifican esfuerzos experimentales para variar los coeficientes de transferencia de calor asociados con flujo transversal de un gas de proceso con respecto a un tubo de transferencia de calor colocando una superficie ranurada cierta distancia aguas arriba del tubo de transferencia de calor para crear un chorro de gas. Sparrow y Alhomoud variaron la anchura de la ranura inductora de chorro, la distancia entre la ranura y el tubo, el número de Reynolds (grado de turbulencia del fluido) y si el chorro de ranura estaba alineado con el tubo, o desplazado de éste. Los autores concluyeron que el coeficiente de transferencia de calor aumentaba con la anchura de la ranura y el número de Reynolds, pero disminuía con el desplazamiento y la distancia de separación entre la ranura y el tubo.

Dado que el estudio de Sparrow y Alhomoud concluyó que el coeficiente de transferencia de calor aumentaba con la anchura de la ranura, la utilidad general de una ranura aguas arriba para aumentar la transferencia de calor es en el mejor de los casos ambigua basándose en esos resultados. Sólo pude concluirse que, en el diseño experimental usado por Sparrow y Alhomoud, una ranura relativamente más ancha condujo a un coeficiente de transferencia de calor superior al de una ranura relativamente más estrecha, y ninguna ranura aguas arriba podría proporcionar el mayor valor. No se realizó ninguna prueba usando una pluralidad de tubos de transferencia de calor, ni usando pares aguas arriba y aguas abajo, ni medios de estrechamiento de flujo alrededor o a lo largo para perfilar preferiblemente las trayectorias de fluido de flujo transversal en contacto con la superficie exterior de cada uno de una pluralidad de tubos de transferencia de calor, y no puede realizarse ninguna extrapolación razonable respecto a tales configuraciones y diseños alternativos muy diferentes basándose en los datos extremadamente limitados presentados.

Estos y otros inconvenientes y limitaciones de los diseños de intercambio de calor de flujo transversal de la técnica anterior se superan total o parcialmente con los métodos y diseños de transferencia de calor de flujo transversal mejorados de esta invención.

La presente invención proporciona aparatos de perfilado de flujo de fluido que tienen las características expuestas en la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas. Un aparato de perfilado de flujo de fluido que tiene las características definidas en el preámbulo de la reivindicación 1 se da a conocer por ejemplo en el documento US3616849.

La invención también proporciona un método para mejorar la transferencia de calor hacia o desde un fluido que fluye transversalmente en contacto con las superficies exteriores de una pluralidad de conductos de intercambio de calor, teniendo dicho método las características expuestas en la reivindicación 13 de las reivindicaciones adjuntas.

Otras características preferidas a las que se atrae la atención se exponen en las reivindicaciones adjuntas.

En el método y el aparato definidos anteriormente, la estructura de estrechamiento de flujo de fluido es una estructura mayor con forma de manguito, generalmente concéntrica, que rodea al menos parcialmente cada conducto en un arreglo de conductos de intercambio de calor tubulares, teniendo cada una de tales estructuras de manguito aberturas aguas arriba y aguas abajo del tubo de intercambio de calor situado en el centro. Se ha encontrado que los manguitos con aberturas de este tipo que rodean al menos parcialmente conductos de intercambio de calor individuales en un arreglo de tales conductos mejoran la transferencia de calor en un factor de aproximadamente cinco veces o más.

Realizaciones de la invención pueden proporcionar arreglos de conductos de transferencia de calor de configuraciones y tamaños variables en los que cada conducto del arreglo está asociado con sus propios medios de estrechamiento de flujo de fluido aguas arriba, aguas abajo y/o alrededor o a lo largo del conducto de manera que se...

1. Aparato de perfilado de flujo de fluido para perfilar preferiblemente la trayectoria de fluido de un fluido (130) de proceso que fluye transversalmente a través de, y en contacto con, una pluralidad de conductos (112) de transferencia de calor separados, comprendiendo dicho aparato una pluralidad de estructuras (120) de desviación con forma de manguito, longitudinalmente continuas, comprendiendo cada estructura de desviación al menos un conjunto apareado de aberturas (124, 126) de flujo de fluido que constituyen el único paso de fluido de aguas arriba a aguas abajo a través del aparato de perfilado de flujo de fluido, caracterizado porque cada una de dichas estructuras (120) de desviación rodea de manera sustancialmente simétrica un conducto (112) de transferencia de calor para definir una región de flujo de fluido con forma anular aislando así el flujo de fluido transversal alrededor de ese conducto de transferencia de calor asociado del flujo de fluido transversal alrededor de conductos de transferencia de calor adyacentes situados transversalmente a la dirección de flujo de fluido, y en el que las aberturas (124, 126) de flujo de fluido de una estructura de desviación están situadas simétricamente aguas arriba y aguas abajo, respectivamente, del conducto (112) de transferencia de calor asociado en alineación aguas arriba y aguas abajo al menos parcial entre sí y con el conducto de transferencia de calor asociado, mediante lo cual cada una de dichas estructuras (120) de desviación perfila la trayectoria de flujo de dicho fluido de proceso alrededor del perfil del conducto de transferencia de calor asociado.

2. Aparato según la reivindicación 1, en el que al menos dos de dichas estructuras (120) de desviación están interconectadas (122) en un aparato de perfilado de fluido mayor para perfilar flujo de fluido alrededor de una pluralidad de conductos (112) de transferencia de calor.

3. Aparato según la reivindicación 2, en el que dichos conductos (112) de transferencia de calor están dispuestos en un arreglo generalmente circular y en el que además las estructuras (120) de desviación individuales asociadas con los conductos de transferencia de calor están interconectadas para formar un aparato (110) de perfilado de fluido con forma cilíndrica mayor.

4. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que pares de aberturas (124, 126) de flujo de fluido comprenden aberturas aguas arriba y aguas abajo alineadas radialmente en las estructuras de desviación individuales.

5. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que pares de aberturas de flujo de fluido comprenden aberturas (176, 186) aguas arriba y aguas abajo en las estructuras de desviación individuales que están desplazadas de la línea radial.

6. Aparato según la reivindicación 1, en el que dichos conductos (112) de transferencia de calor comprenden al menos un arreglo generalmente circular de conductos de transferencia de calor cilíndricos alineados axialmente, al menos algunos de los cuales están sustancialmente rodeados por una estructura con forma de manguito, con aberturas, sustancialmente concéntrica que tiene pares (184, 176; 174, 186) de aberturas aguas arriba y aguas abajo en columnas paralelas al eje del conducto asociado, en el que además una estructura (120) con forma de manguito está fijada por un elemento (122) de placa a una estructura con forma de manguito adyacente para formar una estructura cilíndrica mayor.

7. Aparato según la reivindicación 6, en el que los pares de aberturas comprenden ranuras (184, 176; 174, 186) alargadas, teniendo cada ranura un eje largo generalmente paralelo a los ejes de los conductos de transferencia de calor.

8. Aparato según la reivindicación 7, en el que un conducto de transferencia de calor está asociado con dos pares de ranuras (184, 176; 174, 186) alargadas, estando cada par de ranuras desplazado (?) de la alineación radial con el eje (114) de la estructura cilíndrica mayor.

9. Aparato según la reivindicación 6 ó 7, en el que dichos conductos de transferencia de calor comprenden al menos dos arreglos generalmente circulares de conductos (112, 142) de transferencia de calor orientados para tener ejes paralelos, siendo un arreglo concéntrico con respecto al otro.

10. Aparato según la reivindicación 9, en el que las estructuras (120, 150) de desviación de pares adyacentes de conductos (112, 142) de transferencia de calor alineados radialmente están interconectadas de tal manera que una abertura (164) entre las estructuras de desviación sirve como la abertura de flujo de fluido aguas abajo para uno de los conductos y la abertura de flujo de fluido aguas arriba para el otro.

11. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que la estructura de desviación asociada con un conducto (216) de transferencia de calor comprende un conjunto de elementos (220, 222, 224) de placa sustancialmente planos colocados de dos en dos en el borde a lo largo de dos lados de una superficie de transferencia de calor en proximidad a, pero sin tocar, la superficie, estando orientados los planos de dichos elementos de placa de manera generalmente ortogonal a la trayectoria de fluido del fluido (232, 234, 236) de proceso, de manera que se definen regiones de flujo de fluido con forma generalmente anular que tienen pares de aberturas aguas arriba y aguas abajo alrededor de dichos conductos de transferencia de calor.

12. Aparato según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que la estructura de desviación asociada con un conducto de transferencia de calor comprende elementos (620) de placa perfilados colocados de dos en dos a lo largo de dos lados del conducto (612) de transferencia de calor en proximidad a, pero sin tocar, la superficie del conducto, teniendo dichos elementos de placa un perfil que corresponde respectivamente a los dos lados del conducto de transferencia de calor de manera que se definen regiones de flujo de fluido con forma generalmente anular que tienen aberturas aguas arriba y aguas abajo alrededor de dichos conductos de transferencia de calor, estando unidos (622) dichos elementos de placa a otros elementos de placa asociados con conductos de transferencia de calor adyacentes.

13. Método para mejorar la transferencia de calor hacia o desde un fluido (130) que fluye transversalmente en contacto con superficies exteriores de una pluralidad de conductos (112) de intercambio de calor que comprende la etapa de perfilar preferiblemente flujo de fluido transversal a través de los conductos de intercambio de calor haciendo fluir el fluido a través de al menos un conjunto apareado de elementos (124, 126) de estrechamiento de flujo de fluido en una estructura (120) de desviación con forma de manguito, longitudinalmente continua, asociada con un conducto de intercambio de calor, siendo dicha estructura de desviación parte de un arreglo de tales estructuras de desviación, caracterizado porque cada estructura de desviación rodea de manera sustancialmente simétrica a su conducto de intercambio de calor asociado para aislar flujo de fluido transversal alrededor de ese conducto de intercambio de calor asociado de flujo de fluido transversal alrededor de conductos de intercambio de calor adyacentes situados transversalmente a la dirección de flujo de fluido, en el que los elementos (124, 126) de estrechamiento de flujo de fluido de cada estructura de desviación constituyen el único paso de fluido de aguas arriba a aguas abajo a través del arreglo de estructuras de desviación y están situados simétricamente aguas arriba y aguas abajo, respectivamente, de la superficie de intercambio de calor asociada, en alineación aguas arriba y aguas abajo al menos parcial entre sí y con el conducto (112) de intercambio de calor asociado, y mediante lo cual cada estructura de desviación perfila la trayectoria de flujo de dicho fluido alrededor del perfil del conducto de intercambio de calor asociado.

14. Método según la reivindicación 13, en el que al menos dos de dichas estructuras (120) de desviación están interconectadas en un aparato (122) de perfilado de flujo mayor para perfilar flujo de fluido alrededor de una pluralidad de conductos (112) de intercambio de calor.

15. Método según la reivindicación 13, en el que dichos conductos (112) de intercambio de calor comprenden al menos un arreglo generalmente circular de conductos de intercambio de calor cilíndricos alineados axialmente, al menos algunos de los cuales están sustancialmente rodeados por una estructura con forma de manguito con aberturas sustancialmente concéntrica que tiene pares (184, 176; 174, 186) de aberturas aguas arriba y aguas abajo en columnas paralelas al eje del conducto asociado, en el que además la estructura (120) con forma de manguito está fijada por un ele- mento (122) de placa a una estructura con forma de manguito adyacente para formar una estructura cilíndrica mayor.

16. Método según la reivindicación 15, en el que los pares (184, 176; 174, 186) de aberturas comprenden ranuras alargadas, teniendo cada ranura un eje largo generalmente paralelo a los ejes de los conductos de intercambio de calor.

17. Método según la reivindicación 16, en el que un conducto de intercambio de calor está asociado con dos pares de ranuras (184, 176; 174, 186) alargadas, estando cada par desplazado (?) de la alineación radial con el eje de la estructura cilíndrica mayor.

18. Método según la reivindicación 15 ó 16, en el que dichos conductos de intercambio de calor comprenden al menos dos arreglos generalmente circulares de conductos (112, 142) de intercambio de calor cilíndricos orientados para tener ejes paralelos, siendo un arreglo concéntrico con respecto al otro.

19. Método según la reivindicación 18, en el que las estructuras (120, 150) de desviación de pares adyacentes de conductos (112, 142) de intercambio de calor alineados radialmente están interconectadas de tal manera que una abertura (164) entre las estructuras de desviación sirve como el elemento de estrechamiento de flujo de fluido aguas abajo para uno de los conductos y el elemento de estrechamiento de flujo de fluido aguas arriba para el otro.

20. Método según la reivindicación 13 ó 14, en el que la estructura de desviación asociada con un conducto (216) de intercambio de calor comprende un conjunto de elementos (220, 224, 226) de placa sustancialmente planos colocados de dos en dos en el borde a lo largo de dos lados de un conducto de intercambio de calor en proximidad a, pero sin tocar, la superficie, estando orientados los planos de dichos elementos de placa de manera generalmente ortogonal a la trayectoria de fluido del fluido (232, 234, 236) de proceso, de manera que se definen regiones de flujo de fluido con forma generalmente anular que tienen pares de aberturas aguas arriba y aguas abajo alrededor de dichos conductos de intercambio de calor.

21. Método según la reivindicación 13 ó 14, en el que la estructura de desviación asociada con un conducto de intercambio de calor comprende elementos (620) de placa perfilados colocados de dos en dos a lo largo de dos lados del conducto (612) de intercambio de calor en proximidad a, pero sin tocar, la superficie, teniendo dichos elementos de placa un perfil correspondiente respectivamente a los dos lados del conducto de intercambio de calor de manera que se definen regiones de flujo de fluido con forma generalmente anular que tienen aberturas aguas arriba y aguas abajo alrededor de dichos conductos de intercambio de calor, estando unidos (622) dichos elementos de placa a otros elementos de placa asociados con conductos de intercambio de calor adyacentes.

22. Intercambiador de calor que comprende el aparato de perfilado de flujo de fluido según cualquiera de las reivindicaciones 1-12.