Un intercambiador de calor que comprende: un armazón (34) que tiene un eje longitudinal (A-A) y configurado para recibir un primer fluido;

y una pluralidad de deflectores en forma de cuadrante (32) cada uno montado en el armazón (34) en un ángulo (λ) con el eje longitudinal (A-A) para guiar un primer flujo de fluido en un patrón helicoidal a través del armazón (34) a una velocidad considerablemente uniforme, en el que los deflectores en forma de cuadrante (32) cada uno tiene un respectivo par de lados opuestos configurados para ser planos o curvados y una pluralidad de agujeros separados (50) configurados para ser atravesados por una pluralidad de conductos que se extienden axialmente (40) que transportan un segundo fluido en una posición deseada de los deflectores en forma de cuadrante (32), en el que el ángulo (λ) difiere de un ángulo recto, caracterizado porque los lados opuestos de cada deflector en forma de cuadrante (32) definen entre los dos un borde exterior elíptico (46) que enfrenta un interior del armazón (34) y separado de allí a una distancia radial uniforme, mientras que el primer fluido genera una presión considerablemente uniforme a lo largo de los lados opuestos de cada deflector en forma de cuadrante (32) según el primer fluido fluye entre el borde exterior elíptico de los deflectores en forma de cuadrante (32) y el interior del armazón (34) a una velocidad considerablemente uniforme, cada uno de los vértices de los deflectores en forma de cuadrante (32) tienen una respectiva muesca angulada (42) formada para adaptarse a una superficie exterior de un conducto central (38) centrado a lo largo del eje longitudinal del armazón (34)

Intercambiador de calor.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Campo de la invención Esta invención se refiere a un intercambiador de calor y más concretamente, pero no exclusivamente, a un intercambiador de calor de armazón y tubo configurado para proporcionar una velocidad uniforme de flujo de fluido a lo largo de un trayecto helicoidal y una transferencia de calor maximizada.

Sumario de la invención Una batalla constante para maximizar la producción mediante montajes de intercambio de calor y/o generación de calor se dirige en primer lugar a lograr lo siguiente:

Mayor eficiencia de transferencia de calor;

Menor caída de presión;

Aumento de rendimiento;

Protección eficaz contra la vibración; y Costes de instalación y mantenimiento reducidos.

Ya sea si es mar adentro, refinería, energía, petroquímica o industrias del papel y alimentación, los intercambiadores de calor son a menudo el centro de los objetivos enumerados anteriormente. Numerosas configuraciones del intercambiador de calor son conocidas y usadas para una variedad de aplicaciones. Una de las configuraciones ampliamente usadas del intercambiador de calor-un intercambiador de calor de armazón y tubo de la FIG. 1 comprende un armazón cilíndrico 10 que aloja un haz de conductos paralelo 12, los cuales se extienden entre dos placas extremas 14 de manera que un primer fluido 16 puede pasar a través de los conductos 12. Mientras tanto, un segundo fluido 18 fluye en y a través del espacio entre las dos placas extremas para entrar en contacto con los conductos. Para proporcionar un intercambio de calor mejorado entre los dos fluidos, el flujo del segundo fluido 18 está definido mediante deflectores intermedios 20 que forman los pasajes respectivos, los cuales se disponen de manera que el segundo flujo del fluido cambia su dirección al pasar de un pasaje al siguiente. Los deflectores 20, configurados como anillos y discos anulares, se instalan perpendiculares a un eje longitudinal 22 del armazón 10 para proporcionar un flujo en zigzag 24 del segundo fluido 18.

Desventajosamente, el segundo fluido tiene que cambiar bruscamente la dirección de su flujo varias veces a lo largo de la longitud del armazón. Esto provoca una reducción en la presión dinámica del segundo fluido y una velocidad de flujo no uniforme del mismo, las cuales, en combinación, afectan adversamente el rendimiento del intercambiador de calor.

La comunidad científica ha sido consciente de que una posición perpendicular de los deflectores respecto al eje longitudinal del armazón es en gran parte responsable de una tasa de transferencia de calor relativamente ineficiente/relación de caída de presión. Los deflectores adyacentes que se extienden en paralelo entre sí y en un ángulo recto con respecto al eje longitudinal del armazón definen un trayecto de flujo transversal caracterizado por numerosos giros cerrados entre los canales adyacentes. La eficiencia de la transferencia de calor se puede mejorar reduciendo el espaciado o ventana entre los deflectores. No obstante, la disminución de la ventana provoca velocidad del flujo alta a lo largo de los bordes exteriores de los deflectores, que están yuxtapuestos con el armazón, y velocidad del flujo baja más cerca del centro del armazón. La no uniformidad de la distribución del flujo dentro de cada segmento definida entre los deflectores adyacentes causa numerosos remolinos, regiones de estancamiento también extracción/contracción de los tramos del conducto, los cuales disminuyen las tasas de transferencia de calor por convección. Un factor adicional que contribuye a una tasa de transferencia de calor disminuida se atribuye al hecho de que los conductos atravesados por el primer fluido tienen que ser situados a una cierta distancia radial del armazón. Por consiguiente, el flujo transversal alrededor de los conductos situados periféricamente es más rápido que alrededor de los conductos montados centralmente.

De esta manera, la adaptación del deflector convencional como se describió anteriormente provoca derivación de flujo a través de los espacios del deflector al armazón y del conducto a los deflectores. El flujo de derivación reduce la transferencia de calor de flujo transversal mientras que la mala distribución de flujo causada por las variaciones significativas de velocidad aumenta el flujo hacia atrás y los remolinos en las zonas muertas, y consecuentemente las tasas más altas de ensuciamiento en el lateral del armazón. Tal mala distribución del flujo conduce a las altas temperaturas y la corrosión de los conductos periféricos provocando su rápido deterioro y, como consecuencia, el papel reducido en el proceso de intercambio de calor. Dado que el diseño del intercambiador de calor se basa en la contribución uniforme de cada conducto del haz entero al proceso de intercambio de calor, aquellos conductos que se han dañado no pueden cumplir este requerimiento y se deberían sustituir. Los costes asociados con tal sustitución son elevados lo que hace el mantenimiento del intercambiador de calor prohibitivo en coste.

Adicionalmente, la adaptación convencional puede causar pérdidas por vibración de flujo inducido elevadas dado que los largos conductos que alcanzan a menudo 24 pies de longitud están soportados por una sucesión de deflectores los cuales, para resolver el problema asociado con la velocidad no uniforme, se separan en una distancia considerable. Como resultado del elevado gradiente térmico y del flujo transversal no uniforme los riesgos de vibración son significativos.

La US-A-1 525 094 revela un intercambiador de calor que tiene palas no perpendiculares.

De esta manera, es deseable configurar un conjunto deflector que pueda lograr los siguientes objetivos:

Uniformidad del flujo transversal a través de un armazón que conduzca a una tasa de intercambio de calor por convección mejorada;

Estabilidad y exactitud del posicionamiento real de múltiples deflectores respecto a múltiples conductos soportados por un conjunto deflector o jaula; y Facilidad de instalación de un conjunto deflector.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Estos objetivos han sido logrados sustituyendo los deflectores de placa de segmento convencionales con una sucesión de deflectores en forma de cuadrante espaciados cada uno situado en un ángulo a un eje longitudinal de un armazón para crear un trayecto de flujo pseudo helicoidal en el lateral del armazón. Una de las ventajas de la estructura inventiva es que los deflectores situados angularmente actúan como unas paletas guía para el flujo transversal, el cual tiene velocidad considerablemente uniforme a lo largo de los lados opuestos de cada deflector evitando de esta manera el flujo hacia atrás y los remolinos.

De esta manera, en lugar de comprimir el flujo transversal como se hace en el diseño convencional tratado anteriormente, una sucesión de deflectores inclinados dirige el segundo fluido a lo largo de un trayecto de flujo helicoidal, más natural que proporciona una tasa de flujo considerablemente uniforme y una minimización de fugas. Dado que la velocidad del flujo es considerablemente uniforme en ambos lados de cada deflector, un gradiente de presión a través de este último es insignificante. Por lo tanto, no hay fugas indeseadas a través de los deflectores, y el flujo, como se diseña teóricamente, ocurre principalmente a lo largo de la superficie de los deflectores, que enfrentan la pared interior del armazón y forman los picos del trayecto helicoidal. De esta manera, mientras que el segundo fluido puede atravesar la longitud entera del armazón más rápido o más lento dependiendo del ángulo de los deflectores respecto a la normal al eje longitudinal del armazón, la velocidad del flujo permanece constante.

Adicionalmente, dado que la energía de flujo consumida en la expansión y contracción de los elementos de transporte del flujo es mínima, las pérdidas de presión son meramente una fracción de las pérdidas observadas en los intercambiadores de calor con deflector convencional. De esta manera, la geometría del deflector helicoidal ofrece mucha mayor conversión de caída de presión disponible a transferencia de calor.

De acuerdo con un aspecto de la invención, los cuadrantes de deflector helicoidal reflejan los segmentos de las placas elípticas. La configuración de las superficies exteriores formadas elípticamente yuxtapuestas con la pared interior del armazón proporciona espacios ajustados entre las... [Seguir leyendo]

1. Un intercambiador de calor que comprende:

un armazón (34) que tiene un eje longitudinal (A-A) y configurado para recibir un primer fluido; y una pluralidad de deflectores en forma de cuadrante (32) cada uno montado en el armazón (34) en un ángulo (A) con el eje longitudinal (A-A) para guiar un primer flujo de fluido en un patrón helicoidal a través del armazón (34) a una velocidad considerablemente uniforme, en el que los deflectores en forma de cuadrante (32) cada uno tiene un respectivo par de lados opuestos configurados para ser planos o curvados y una pluralidad de agujeros separados (50) configurados para ser atravesados por una pluralidad de conductos que se extienden axialmente (40) que transportan un segundo fluido en una posición deseada de los deflectores en forma de cuadrante (32) , en el que el ángulo (A) difiere de un ángulo recto,

caracterizado porque los lados opuestos de cada deflector en forma de cuadrante (32) definen entre los dos un borde exterior elíptico (46) que enfrenta un interior del armazón (34) y separado de allí a una distancia radial uniforme, mientras que el primer fluido genera una presión considerablemente uniforme a lo largo de los lados opuestos de cada deflector en forma de cuadrante (32) según el primer fluido fluye entre el borde exterior elíptico de los deflectores en forma de cuadrante (32) y el interior del armazón (34) a una velocidad considerablemente uniforme, cada uno de los vértices de los deflectores en forma de cuadrante (32) tienen una respectiva muesca angulada (42) formada para adaptarse a una superficie exterior de un conducto central (38) centrado a lo largo del eje longitudinal del armazón (34) .

2. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, caracterizado porque la muesca (42) se forma así para situar los deflectores en forma de cuadrante (32) en el ángulo (A) adecuado, donde (A) no es igual a 90 grados.

3. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, caracterizado porque el intercambiador de calor además comprende otra pluralidad de deflectores en forma de cuadrante (32) montados en el armazón (34) en el ángulo (A) para guiar el primer flujo de fluido en el patrón helicoidal.

4. El intercambiador de calor de la reivindicación 3, caracterizado porque al menos una parte de la otra pluralidad de deflectores en forma de cuadrante (32) cada uno tiene un vértice respectivo dotado con un respectivo agujero atravesado por el conducto central (38) y configurado de manera que el deflector en forma de cuadrante (32) es giratorio alrededor de un conducto central (38) , centrado alrededor del eje longitudinal, a la posición deseada.

5. El intercambiador de calor de la reivindicación 3, en el que la pluralidad de deflectores en forma de cuadrante

(32) y la pluralidad de los otros deflectores en forma de cuadrantes (32) forman una adaptación de doble hélice, y en la que cada uno de los deflectores en forma de cuadrante (32) tiene un vértice dotado con una muesca angulada, en la que el ángulo no es igual a 90 grados, para permitir el posicionamiento angular de cada uno de los deflectores en forma de cuadrante (32) con respecto al eje longitudinal de una manera secuencial deseada anterior al aseguramiento de la pluralidad de deflectores en forma de cuadrante (32) y la pluralidad de los otros deflectores en forma de cuadrante (32) unos respecto a los otros.

6. El intercambiador de calor de la reivindicación 5 con una adaptación de doble hélice, en el que el vértice (42) de todos los cuadrantes de deflector (32) se dotan con agujeros perforados angularmente con ranuras para facilitar el posicionamiento de las dos cadenas de cuadrantes de deflector (32) para una adaptación de doble hélice.