Un calentador eléctrico de flujo axial de doble pared para aplicaciones sensibles a fugas.

Un intercambiador de calor de fluido calentado eléctricamente de flujo axial,

que comprende:

una carcasa de intercambiador de calor alargada (100), teniendo dicha carcasa una lámina tubular primaria (101) con uno o más calentadores eléctricos que se extienden a través de dicha lámina tubular (101) en un espacio interior en la carcasa (100), un primer puerto (131) en un lado de la carcasa (100) y uno o más puertos adicionales en el lado o en un extremo de la carcasa (100), proporcionando dichos puertos unas entradas a y unas salidas de la carcasa para la alimentación de fluido al espacio interior en la carcasa (100) por debajo de la lámina tubular primaria (101) pero exterior a los calentadores eléctricos situados dentro del espacio interior, una lámina tubular secundaria (102) separada y por encima de la lámina tubular primaria (101) con un espacio pleno (135) entre las mismas, formando la lámina tubular primaria (101), la lámina tubular secundaria (102) y el espacio pleno (135) un primer conjunto de láminas tubulares,

comprendiendo el uno o más calentadores eléctricos unos tubos de protección (108), al menos una varilla calentadora (109) en el interior de cada tubo de protección (108), teniendo dichos uno o más tubos de protección (108) sus superficies externas en un primer extremo sellado a la lámina tubular primaria (101) y un segundo extremo separado de la lámina tubular primaria (101) que tiene un extremo cerrado para formar un espacio libre de fluido (110) que encierra en su interior la una o más varillas calentadoras (109), estando dicho espacio libre de fluido (110) abierto al espacio (135) pleno, y

al menos un deflector giratorio de flujo (126) situado en el espacio interior por debajo del primer conjunto de láminas tubulares y entre uno de dichos puertos (131) que proporcionan una entrada de fluido al espacio interior de la carcasa (100) y uno de dichos puertos que proporcionan una salida de fluido desde el espacio interior de la carcasa.

Un calentador elïctrico de flujo axial de doble pared para aplicaciones sensibles a fugas La presente invenciïn se refiere, en general, al campo del calentamiento elïctrico de fluidos y, mïs concretamente, a un calentador elïctrico de flujo axial de doble pared para aplicaciones sensibles a fugas.

Definiciones A continuaciïn, se exponen las definiciones de ciertas expresiones para los fines de la presente divulgaciïn.

Una “varilla calentadora” es un calentador montado en una camisa de metal estampada que se inserta en un tubo de protecciïn. El calentador montado comprende tres zonas, a saber, la zona del cable conductor que se extiende hacia fuera desde la uniïn frïa, que tiene una salida baja de calor, una segunda zona que comprende el propulsor del calentador, que tiene una salida alta de calor y una tercera zona que comprende el dedo frïo, que tiene una salida baja de calor.

Las “varillas de conexiïn” comprenden mïltiples varillas metïlicas largas usadas para fijar el conjunto de deflectores entre sï. Un extremo de la varilla de conexiïn se enrosca en una lïmina tubular y el otro extremo se sujeta, por ejemplo, mediante tuercas. Los deflectores tienen unos agujeros en los mismos que coinciden con las posiciones de la varilla de conexiïn y se deslizan sobre las varillas de conexiïn y se colocan longitudinalmente usando espaciadores entre los deflectores.

Los “espaciadores” son dispositivos usados para separar los deflectores junto con las varillas de conexiïn. Un espaciador es, normalmente, un tubo con un diïmetro mayor que el agujero en el deflector, a travïs del que se ajustan las varillas de conexiïn. La varilla de conexiïn comprime el conjunto de deflectores y espaciadores para sujetar el conjunto en su lugar y evitar la vibraciïn. Puesto que los espaciadores se comprimen en ambos extremos o contra un deflector o contra una lïmina tubular hay muy poco flujo de fluido de bajada hacia el interior del espaciador. Por lo tanto, los espaciadores pueden usarse para eliminar el flujo de ciertas ïreas del intercambiador de calor. En las realizaciones descritas en el presente documento los espaciadores se usan para este fin, asï como para la separaciïn de los deflectores. Por lo tanto, la forma transversal de los espaciadores puede ser diferente de la del tubo usado habitualmente con el fin de proporcionar una forma deseada al flujo en el ïrea de flujo.

Un “tubo de protecciïn” es un tubo insertado en la carcasa del calentador para separar la varilla calentadora del fluido en la carcasa.

Un “aro de refuerzo” es un dispositivo situado alrededor de la varilla calentadora para enderezar el flujo haciendo que el fluido fluya hacia abajo de un hueco con una alta relaciïn entre longitud y hueco.

Un “cable conductor” es un cable que conduce la electricidad desde el exterior del calentador hacia el propulsor de calentador en el que se genera la mayor parte del calor.

Una “uniïn frïa” es la uniïn entre el cable conductor y las bobinas del calentador en el propulsor de calentador.

Un “propulsor de calentador” hace referencia a la secciïn del calentador que estï diseïada para ser la fuente primaria de calor y normalmente consiste en cables o bobinas de calentador de alta resistencia. Se localiza entre el dedo frïo y la uniïn frïa.

Un “dedo frïo” es la secciïn separada de los cables conductores del calentador en la que las bobinas generadoras de calor se conectan entre sï mediante una pieza en forma de U de cable de baja resistencia. Esta secciïn es mucho mïs frïa que el propulsor de calentador.

Un “hueco de expansiïn tïrmica” es un hueco proporcionado para permitir la expansiïn tïrmica diferencial de la varilla calentadora en el interior del tubo de protecciïn.

Antecedentes Tradicionalmente, los gases y los lïquidos se calientan mediante intercambiadores de calor de carcasa y tubos, en los que un lïquido caliente o un gas que pasa a travïs de los tubos proporciona el calor, que atraviesa las paredes de los tubos para calentar el material que pasa a travïs del intercambiador de calor en el exterior de los tubos. La carcasa contiene el lïquido o el gas que se calienta y es normalmente cilïndrica para proporcionar una buena barrera de presiïn. La barrera de presiïn en los extremos del cilindro estï provista de una lïmina tubular en la que se estampan los tubos huecos. Sin embargo, son factibles muchos diseïos diferentes. Cuando la aplicaciïn es sensible a las fugas, el intercambiador estï provisto a menudo de una doble lïmina tubular con un hueco entre las lïminas tubulares, de manera que pueden evitarse las fugas que van desde el tubo a la carcasa o viceversa, y observarse de manera que pueden emprenderse las reparaciones antes de que se produzca una fuga importante. Como

alternativa, el fluido de calentamiento puede introducirse en la carcasa y el fluido que debe calentarse puede hacerse pasar a travïs del interior de los tubos.

Cuando se requieren mayores temperaturas que las que pueden obtenerse a partir de vapores, tales como el vapor de agua, o lïquidos usados como fluidos de transferencia tïrmica que pasan a travïs de los tubos, entonces se usan los calentadores elïctricos en lugar de los tubos. Sin embargo, los calentadores elïctricos presentan ciertas limitaciones en comparaciïn con los intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Se usan al menos dos diseïos bïsicos: un diseïo de horno donde el fluido fluye a travïs de tubos situados en el interior de un horno calentado elïctricamente o un diseïo de inmersiïn directa donde el fluido fluye a lo largo de las varillas calentadoras que se insertan directamente en un conducto de algïn tipo.

Un ejemplo de un diseïo de horno se denomina horno de bobina radiante (vïase el diseïo Wellman) en el que un serpentïn que contiene un gas se calienta mediante elementos de calentador elïctrico, con las paredes del horno conteniendo el calor. Normalmente, el horno tiene una tapa o unas placas terminales a travïs de las que sobresalen los tubos para hacer la conexiïn con el resto del proceso. Los tubos se expanden y se mueven a medida que se calientan. Normalmente, el horno no estï homologado como estanco al gas o a la presiïn para permitir el movimiento de los tubos y reducir el coste.

Un segundo ejemplo usa un calentador de inmersiïn tal como se muestra en el documento US 7.318.735, que es un diseïo embridado en el que mïltiples elementos de calentamiento en forma de U se sueldan a una brida con cables conectados a los calentadores elïctricos que se extienden hacia fuera de los agujeros en la brida. El haz de elementos de calentador se coloca dentro de un tubo vacïo y el lïquido que se estï calentando entra y sale desde el lado del tubo.

Los dos tipos de diseïo liberarïn materiales a la atmïsfera en el caso de una fuga en los tubos y tendrïn que apagarse para su reparaciïn. Con materiales corrosivos aumenta la probabilidad de fugas: muchos materiales corrosivos tambiïn son tïxicos, suponiendo de este modo un grave riesgo para la salud. A pesar de esta posibilidad de fugas, no suelen proporcionarse sistemas de detecciïn de fugas para advertir al operario. La corrosiïn aumenta rïpidamente con la temperatura, de modo que cualquier punto caliente en el tubo se corroerï mucho mïs rïpido. Con el diseïo de horno tambiïn hay cierto sombreado de partes del tubo, de modo que algunas partes estïn mïs calientes que otras. Con el diseïo de inmersiïn algunas ïreas pueden tener poco flujo y, por lo tanto, son incapaces de eliminar el calor y se convierten en puntos calientes. Especialmente, este es el caso de los gases corrosivos que son mïs difïciles de calentar.

Puede observarse a partir de la figura 1 del documento US 7.318.735 que el fluido entra desde el lado y, por lo tanto, debe girar para ir hacia abajo y hacia fuera por la salida. Tales cambios en la direcciïn crean ïreas de flujo bajo en la transiciïn de flujo cruzado a flujo axial que pueden crear puntos calientes. En la patente US 7.318.735 no hay un mecanismo para ayudar en esta transiciïn. Ademïs, es una caracterïstica de los calentadores elïctricos que el calor emitido por unidad de longitud sea constante; por lo tanto, si este calor no se elimina de manera uniforme de toda el ïrea del calentador, pueden desarrollarse “puntos calientes”. Este no es el caso de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos, ya que las ïreas de baja transferencia de calor simplemente no transfieren calor, por lo que el problema de los puntos calientes es mucho menos grave. Por lo tanto, no es posible usar diseïos de carcasa y tubos convencionales con... [Seguir leyendo]

1. Un intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial, que comprende:

una carcasa de intercambiador de calor alargada (100) , teniendo dicha carcasa una lïmina tubular primaria (101) con uno o mïs calentadores elïctricos que se extienden a travïs de dicha lïmina tubular (101) en un espacio interior en la carcasa (100) , un primer puerto (131) en un lado de la carcasa (100) y uno o mïs puertos adicionales en el lado o en un extremo de la carcasa (100) , proporcionando dichos puertos unas entradas a y unas salidas de la carcasa para la alimentaciïn de fluido al espacio interior en la carcasa (100) por debajo de la lïmina tubular primaria (101) pero exterior a los calentadores elïctricos situados dentro del espacio interior, una lïmina tubular secundaria (102) separada y por encima de la lïmina tubular primaria (101) con un espacio pleno (135) entre las mismas, formando la lïmina tubular primaria (101) , la lïmina tubular secundaria (102) y el espacio pleno (135) un primer conjunto de lïminas tubulares, comprendiendo el uno o mïs calentadores elïctricos unos tubos de protecciïn (108) , al menos una varilla calentadora (109) en el interior de cada tubo de protecciïn (108) , teniendo dichos uno o mïs tubos de protecciïn (108) sus superficies externas en un primer extremo sellado a la lïmina tubular primaria (101) y un segundo extremo separado de la lïmina tubular primaria (101) que tiene un extremo cerrado para formar un espacio libre de fluido (110) que encierra en su interior la una o mïs varillas calentadoras (109) , estando dicho espacio libre de fluido (110) abierto al espacio (135) pleno, y al menos un deflector giratorio de flujo (126) situado en el espacio interior por debajo del primer conjunto de lïminas tubulares y entre uno de dichos puertos (131) que proporcionan una entrada de fluido al espacio interior de la carcasa (100) y uno de dichos puertos que proporcionan una salida de fluido desde el espacio interior de la carcasa.

2. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de la reivindicaciïn 1 que comprende ademïs:

al menos un segundo conjunto de lïminas tubulares primaria y secundaria separadas por un espacio pleno, estando dicho segundo conjunto espaciado axialmente a lo largo de la longitud de la carcasa (100) del primer conjunto de lïminas tubulares, un segundo conjunto de calentadores elïctricos que se extienden desde el segundo conjunto de lïminas tubulares primaria y secundaria, conectïndose los tubos de protecciïn del segundo conjunto de calentadores elïctricos a la lïmina tubular primaria del segundo conjunto, estando las lïminas tubulares secundarias del primer y del segundo conjuntos de lïminas tubulares espaciadas a una distancia mayor que la distancia entre las lïminas tubulares primarias del primer y del segundo conjuntos de lïminas tubulares, y al menos un deflector giratorio de flujo adicional situado dentro del espacio interior entre las lïminas tubulares primarias del primer y del segundo conjuntos de lïminas tubulares.

3. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de las reivindicaciones 1 o 2, en el que el fluido que sale del mismo se alimenta a uno o mïs intercambiadores de calor de fluido calentado elïctricamente adicionales conectados en serie con el mismo.

4. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende ademïs uno o mïs deflectores de flujo axiales situados por debajo de la lïmina (101) tubular primaria.

5. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende ademïs un sello de presiïn (114) en el que cada una de las varillas calentadoras (109) pasa a travïs de la lïmina tubular secundaria (102) .

6. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de la reivindicaciïn 5, en el que dicho sello de presiïn (114) lo proporcionan un accesorio de compresiïn, una brida o un dispositivo de estanqueidad de junta tïrica metïlica o elastomïrica.

7. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de las reivindicaciones 1 o 2, en el que mïltiples tubos de protecciïn (108) de diferentes diïmetros se sellan a la lïmina tubular primaria.

8. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende ademïs uno o mïs espaciadores o deflectores no calentados colocados para adsorber el calor irradiado desde los tubos de protecciïn (108) , siendo dichos espaciadores o deflectores enfriados por el fluido.

9. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de las reivindicaciones 1 o 2, en el que al menos un tubo de protecciïn (108) tiene al menos dos porciones del mismo con diferentes diïmetros.

10. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende ademïs un conducto (134) que se extiende desde el espacio pleno (135) entre las lïminas (101, 102) tubulares primaria y secundaria y un detector de fugas (106) situado en dicho conducto para detectar una fuga a travïs de uno o mïs tubos de protecciïn (108) en el espacio libre de fluido (110) en su interior, comprendiendo dicho

detector de fugas (106) uno o mïs sensores de presiïn, sensores de temperatura, sensores de densidad, sensores de conductividad tïrmica, detectores de lïquidos o un puerto de alimentaciïn de entrada de un cromatïgrafo de gases.

11. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de las reivindicaciones 1 o 2, que incluye ademïs un aislamiento tïrmico (112) en el espacio pleno (135) .

12. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende ademïs un pozo termomïtrico (1104) que se extiende axialmente a travïs del centro del uno o mïs calentadores elïctricos, teniendo cada pozo termomïtrico uno o mïs dispositivos de mediciïn de temperatura (1105) colocados en su interior.

13. El intercambiador de calor de fluido calentado elïctricamente de flujo axial de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende ademïs uno o mïs deflectores de araïa (127) colocados coaxialmente sobre el uno o mïs tubos de 15 protecciïn.