Disposiciones de haces de tubos helicoidales para intercambiadores de calor.

Un intercambiador de calor que comprende:

un primer haz de tubos que tiene un primer eje central,

en donde el primer haz de tubos comprende una primera pluralidad de tubos para transportar un primer fluido, y en donde el primer haz de tubos se enrolla helicoidalmente alrededor del primer eje central;

una primera placa tubular que comprende un primer material y una segunda placa tubular

en donde cada uno de la primera pluralidad de tubos tiene un primer extremo, un segundo extremo, y una pared del tubo, caracterizado porque el primer material comprende aluminio, la segunda placa tubular comprende el primer material y cada uno de la primera pluralidad de tubos comprende el primer material;

en donde la primera placa tubular y la pared del tubo en cada uno de los primeros extremos se unen con un sello sustancialmente hermético que comprende una junta soldada por fricción-rotación; y

en donde la segunda placa tubular y la pared del tubo en cada uno de los segundos extremos se unen con un sello sustancialmente hermético que comprende una junta soldada por fricción-rotación.

Disposiciones de haces de tubos helicoidales para intercambiadores de calor Referencia cruzada a solicitudes relacionadas Este caso reivindica la prioridad de la Solicitud Provisional de la patente de los Estados Unidos No. de Serie 61/225, 991, que fue presentada el 16 de julio 2009 (Expediente: 711-283US) , y que se incorpora en este documento como referencia.

Si existe cualquier contradicción o inconsistencia en el lenguaje entre esta aplicación y uno o más de los casos que han sido incorporados por referencia que puedan afectar a la interpretación de las reivindicaciones en este caso, las reivindicaciones en este caso se deben interpretar para que sean coherentes con el idioma en este caso.

Campo de la invención La presente invención se refiere a intercambiadores de calor en general, y, más particularmente, a intercambiadores de calor de carcasa y tubo, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, así como a un método de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 9. FR 1.374.955 revela dicho intercambiador de calor.

Antecedentes de la invención La conversión de energía térmica oceánica ("OTEC") es un método para generar electricidad basada en la diferencia de temperatura que existe entre aguas profundas y poco profundas de una gran masa de agua, tal como un océano, mar, golfo, o lago grande, profundo. Un sistema de OTEC utiliza un motor térmico (i.e., un dispositivo o sistema termodinámico que genera electricidad basado en un diferencial de temperatura) que está acoplado térmicamente entre aguas superficiales relativamente más cálidas y aguas profundas relativamente más frías.

Un motor térmico adecuado para OTEC se basa en el ciclo de Rankine, que utiliza una turbina de baja presión. Un conducto de circuito cerrado que contiene un fluido caracterizado por un punto de ebullición bajo, tal como amoníaco, está acoplado térmicamente con agua caliente a un primer intercambiador de calor, donde se vaporiza el fluido de bajo punto de ebullición. El vapor de expansión es forzado a través de la turbina, que acciona un generador turbo. Después de salir de la turbina, el fluido de trabajo vaporizado se condensa de nuevo en un estado líquido en un segundo intercambiador de calor, donde el conducto de circuito cerrado está acoplado térmicamente con agua fría. A continuación, el fluido de trabajo condensado se recicla a través del sistema.

Los sistemas OTEC han demostrado ser técnicamente viables, pero el alto coste de capital de estos sistemas ha frustrado su comercialización. Los intercambiadores de calor son el segundo mayor contribuyente al costo de capital de una planta OTEC (el costo más grande es el de una plataforma o buque amarrado en alta mar) . Por lo tanto, es de gran importancia la optimización de los enormes intercambiadores de calor que se requieren para una planta OTEC y puede tener un gran impacto en la viabilidad económica de la tecnología OTEC.

Muchos tipos de intercambiadores de calor se han empleado en los sistemas OTEC incluyendo; intercambiadores de calor de aletas de placa, de placa y marco, de carcasa y tubos. Intercambiadores de calor de carcasa y tubos son particularmente atractivos para su uso en aplicaciones de OTEC, debido a su potencial para grandes volúmenes de caudales de fluido y la baja contrapresión. Un intercambiador de calor de carcasa y tubo comprende múltiples tubos colocados entre dos placas tubulares y encapsuladas en una carcasa de recipiente a presión. Un primer fluido o gas se hace pasar a través de los tubos y un segundo fluido o gas se hace pasar a través de la carcasa de recipiente a presión de tal manera que fluye a lo largo de la superficie exterior de los tubos. La energía térmica se transfiere entre el primer y segundo fluido a través de las paredes de los tubos. Los extremos de los tubos por lo general son ajustados a presión o soldadas a las placas tubulares.

Desafortunadamente, los intercambiadores de calor de carcasa y tubo tienen varios inconvenientes que hasta el momento han limitado su uso en aplicaciones marinas. En primer lugar, el coeficiente de transferencia de calor global, U, que está asociado con la caída de presión razonable para OTEC por lo general está por debajo de 2000 W/m2K. La eficiencia de transferencia de calor está limitada por, entre otras cosas (1) deflectores que normalmente se incluyen en el recipiente de presión para inducir turbulencia y flujo transversal del segundo fluido, y (2) una limitación de la velocidad de flujo del segundo fluido para evitar la inducción de vibración y de flujo de las fuerzas que inducen tensiones mecánicas y tensiones en los tubos.

Un segundo inconveniente de los intercambiadores convencionales de calor de carcasa y tubo es que son propensos a la "contaminación biológica". La contaminación biológica disminuye la eficiencia y conduce a un aumento de los costes de mantenimiento (en particular para los intercambiadores de calor situados en los niveles de aguas profundas) . La contaminación biológica surge, entre otras cosas, de la captura de la materia orgánica en los huecos y grietas, tales como los asociados con tubos que se ajustan a presión o soldadura de fusión en placas tubulares.

Un tercer inconveniente de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos convencionales es que no son muy adecuados para aplicaciones de agua de mar, tales como OTEC. Dado que los tubos son ajustados a presión o soldados por fusión en las placas tubulares, es difícil asegurar el aislamiento de fluido entre el fluido primario en el interior de los tubos y el agua de mar que fluye alrededor de los tubos a través de la carcasa. Además, la fiabilidad de los intercambiadores de calor convencionales de carcasa y tubo se ve comprometida por la corrosión galvánica que se produce en las uniones soldadas utilizadas para sellar los tubos a las placas tubulares. La corrosión galvánica se produce debido a la reactividad entre metales diferentes incluidos en las soldaduras de fusión. La corrosión galvánica se ve agravada por la exposición de las soldaduras al agua de mar. La fiabilidad se degrada aún más por el potencial de corrosión de la grieta en las regiones de flujo de estancamiento, incluso para los diseños de carcasa y tubo hechos a medida para aplicaciones OTEC.

Históricamente, estos inconvenientes han llevado a que el tamaño y el costo de intercambiadores de calor de carcasa y tubos sean demasiado altos para consideración práctica.

Con la creciente necesidad actual de energía, el uso de una fuente de energía de carga base renovable, constante, es una solución deseable. Como consecuencia, existe un interés renovado en las plantas de energía OTEC. Pero el desarrollo de un intercambiador de calor OTEC de bajo costo que tenga alta capacidad de intercambio de calor, altas tasas de flujo, baja pérdidas parásitas de bombeo, y larga vida en medio del océano sigue siendo difícil de alcanzar.

Resumen de la invención La presente invención proporciona un intercambiador de calor sin algunos de los costos y desventajas de la técnica anterior. Las realizaciones de la presente invención son particularmente muy adecuadas para su uso en sistemas de OTEC; Sin embargo, las realizaciones de acuerdo con la presente invención también son adecuadas para su uso en otras aplicaciones de intercambiadores de calor, tales como los reactores nucleares, plantas químicas, y similares.

La realización ilustrativa de la presente invención es un intercambiador de calor de carcasa y tubos, en donde los tubos están dispuestos como una pluralidad de haces de tubos, cada uno de los cuales incluye una pluralidad de tubos para el transporte de un fluido primario o secundario. Cada haz de tubos se caracteriza por un eje central que se extiende desde una primera placa tubular a una segunda placa tubular, y cada haz de tubos se enrolla helicoidalmente alrededor de su eje central.

En algunas realizaciones, las placas tubulares y los tubos están hechos del mismo material y se utiliza soldadura por fricción-rotación para unir las paredes del tubo a las placas tubulares. Como resultado, las paredes del tubo y placas tubulares forman juntas resistentes a la corrosión sustancialmente galvánica que sellan y aíslan el fluido en los tubos de un fluido que fluye alrededor de los tubos en la cáscara.

En algunas realizaciones, la pluralidad de haces de tubos está dispuesta en cada placa tubular en una disposición hexagonalmente compacta.

En algunas realizaciones, los tubos dentro de cada haz de tubos están acoplados mecánicamente para restringir el movimiento de cada tubo con respecto a los otros tubos dentro de su haz de tubos. En algunas realizaciones, los tubos dentro de cada haz de tubos están acoplados mecánicamente... [Seguir leyendo]

1. Un intercambiador de calor que comprende:

un primer haz de tubos que tiene un primer eje central, en donde el primer haz de tubos comprende una primera pluralidad de tubos para transportar un primer fluido, y en donde el primer haz de tubos se enrolla helicoidalmente alrededor del primer eje central;

una primera placa tubular que comprende un primer material y una segunda placa tubular en donde cada uno de la primera pluralidad de tubos tiene un primer extremo, un segundo extremo, y una pared del tubo, caracterizado porque el primer material comprende aluminio, la segunda placa tubular comprende el primer material y cada uno de la primera pluralidad de tubos comprende el primer material;

en donde la primera placa tubular y la pared del tubo en cada uno de los primeros extremos se unen con un sello sustancialmente hermético que comprende una junta soldada por fricción-rotación; y en donde la segunda placa tubular y la pared del tubo en cada uno de los segundos extremos se unen con un sello sustancialmente hermético que comprende una junta soldada por fricción-rotación.

2. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, que comprende además:

una carcasa, en donde la carcasa, la primera placa tubular, y la segunda placa tubular colectivamente definen una cámara que contiene el primer haz de tubos; una entrada para introducir un segundo fluido en la cámara; y una salida para permitir que el segundo fluido salga de la cámara; en donde el primer fluido en cada una de la primera pluralidad de tubos se aísla fluídicamente del segundo fluido.

3. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, en donde cada uno de la primera placa tubular, la segunda placa tubular, y la primera pluralidad de tubos consiste en el primer material.

4. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, en donde el primer material se selecciona entre el grupo que consiste en aluminio, aleación de aluminio, y aleación de aluminio de grado marino.

5. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, en donde el primer haz de tubos es uno de una pluralidad de haces de tubos, y en donde la pluralidad de haces de tubos están dispuestos en una disposición hexagonal compacta en una primera placa tubular.

6. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, que comprende además al menos una restricción, siendo la restricción dimensionada y dispuesta para inhibir el movimiento de cada tubo de la primera pluralidad de tubos en relación con los otros tubos de la primera pluralidad de tubos.

7. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, que comprende además:

un segundo haz de tubos que tiene un segundo eje central, en donde el segundo haz de tubos comprende una segunda pluralidad de tubos para transportar un segundo fluido; una primera cubierta para transportar un tercer fluido, en donde la primera cubierta encierra el primer haz de tubos, y en donde el tercer fluido y primer fluido están aislados fluídicamente;

una segunda cubierta para transportar un cuarto fluido, en donde la segunda cubierta encierra el segundo haz de tubos, y en donde el cuarto fluido y segundo fluido están aislados fluídicamente; en donde el tercer y el cuarto fluido están aislados fluídicamente.

8. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, en donde al menos un tubo del primer haz de tubos se somete a una fuerza de precarga.

9. Un método para formar un intercambiador de calor, en donde el método comprende:

proporcionar un primer haz de tubos que comprende una primera pluralidad de tubos, en donde cada uno de la primera pluralidad de tubos tiene un primer extremo, un segundo extremo, y una pared del tubo, y en donde el primer haz de tubos tiene un primer eje central, y en donde el primer haz de tubos se enrolla helicoidalmente alrededor del primer eje central; caracterizado porque cada uno de la primera pluralidad de tubos que comprende un primer material que incluye aluminio, el método comprende además sellar una primera placa tubular y la pared del tubo en el primer extremo de cada tubo del primer haz de tubos con una junta soldada por fricción-rotación, la primera placa tubular que comprende el primer material; y sellar una segunda placa tubular y la pared del tubo en el segundo extremo de cada tubo del primer haz de tubos con una junta soldada por fricción-rotación, la segunda placa tubular que comprende el primer material.

10. El método de la reivindicación 9, que comprende además encerrar el primer haz de tubos en una carcasa, en donde un primer fluido que fluye en cada tubo de un primer haz de tubos se aísla fluídicamente de un segundo fluido que fluye a través de la carcasa.

11. El método de la reivindicación 9, que comprende además seleccionar el primer material entre el grupo que consiste en aluminio, aleación de aluminio, y aleación de aluminio de grado marino.

12. El método de la reivindicación 9, que comprende además:

proporcionar la primera placa tubular, en donde la primera placa tubular consiste esencialmente en un primer material;

proporcionar la segunda placa tubular, en donde la segunda placa tubular consiste esencialmente en el primer material; y proporcionar la primera pluralidad de tubos, en donde cada uno de la primera pluralidad de tubos consiste esencialmente del primer material.

13. El método de la reivindicación 9 que comprende además:

proporcionar la primera placa tubular, en donde la primera placa tubular consiste en un primer material;

proporcionar la segunda placa tubular, en donde la segunda placa tubular consiste en el primer material; y proporcionar la primera pluralidad de tubos, en donde cada uno de la primera pluralidad de tubos consiste en el primer material.

14. El método de la reivindicación 9, que comprende además:

proporcionar una primera pluralidad de los primeros haces de tubos; y sellar la primera placa tubular y la pared del tubo en el primer extremo de cada tubo de cada uno de la primera pluralidad de los primeros haces de tubos con una junta soldada por fricción-rotación.

15. El método de la reivindicación 14, que comprende además disponer el primer haz de tubos y la primera pluralidad de los primeros haces de tubos en una disposición hexagonal compacta.