INTERCAMBIADOR DE CALOR CON TUBOS CONCÉNTRICOS.

Intercambiador constituido por elementos tubulares independientes,

cada uno de los cuales consta de una serie de tubos concéntricos, que conforman al menos dos conductos concéntricos de circulación de los dos fluidos que intercambian calor a través de la pared tubular intermedia que impide la mezcla de ambos fluidos y soporta la diferencia de presiones entre ellos; además de haber otros conductos concéntricos delimitados por tubos de guiado, para canalizar apropiadamente el flujo de los fluidos y permitir la libre dilatación de todas las partes, existiendo entre tubos concéntricos al menos una corona de anillos, en la sección recta anular, teniendo cada anillo un diámetro igual al huelgo entre las circunferencias limitativas de dicha corona.

Intercambiador de calor con dilatación libre, para fluidos a altas presiones

Sector técnico La invención se encuadra en el campo de la ingeniería térmica, y en particular para los ámbitos en que se usan fluidos a alta presión y alta temperatura, que por tanto manifiestan efectos importantes de dilatación desde la situación de montaje a la de operación.

Antecedentes de la invención En este campo el estado del arte viene bien definido por las normas norteamericanas TEMA, correspondientes a “Tubular Exchanger Manufacturer Association”, que compendia todo lo disponible y verificado en cambiadores de tubos, que son necesarios cuando se han de soportar grandes diferencias de presión, e incluso abarca las tendencias técnicas novedosas y la problemática de materiales, componentes y equipos auxiliares. Para el caso objeto de esta invención, las normas TEMA toman como configuración de referencia la denominada CFU, que consiste en una carcasa cilíndrica alargada, pues un diámetro excesivo obliga a espesores muy anchos en la carcasa, con el consiguiente coste de fabricación, dentro de la cual se dispone un haz de tubos en U, estando las puntas de dicha U encajadas en sendas placas de las cajeras o colectores de entrada y salida, pudiendo dilatar libremente los tubos por el extremo curvo de la U.

El espesor de los tubos es proporcional a las tensiones que se generan, bien por sobrepresión, bien por diferencias de temperaturas en piezas que no pueden dilatar libremente.

Una variante al modelo CFU de las normas TEMA se describe en el documento ES0195672U, cuya prioridad es el documento FR 2134067 A1, en el cual los tubos van provistos de una serie de codos que hacen la función de liras de dilatación.

Como documento cercano al objeto de la invención, y no recogido en las TEMA, no se ha encontrado ningún ejemplo. Sí hay muchas descripciones análogas, o con reivindicación de mejoras, de otros modelos de las TEMA, como es el AKT, muy usado en generación de vapor.

En definitiva, el modelo CFU es el que mejor describe el estado del arte, pero hay que advertir de su coste elevado y los problemas de los tubos en U, particularmente en su entronque con las placas colectoras, por problemas de vibración y cizalla, y en el balso de la U, donde se produce un debilitamiento de la pared del tubo por su parte externa, y una sobrecompresión en la interna, que son proporcionales al cociente entre el radio del tubo y el radio de curvatura, que forzosamente es pequeño, por tener que caber la U en el interior de la carcasa.

Problema técnico a resolver

El problema a resolver es disponer los elementos físicos que constituyen el sustrato material de transmisión de calor desde un fluido caliente a otro menos caliente, denominado por eso frío, de modo que puedan dilatarse y contraerse libremente, y soportar las diferencias de presiones que comporte la aplicación en cuestión, que está pensada para que sea exigente en ambas variables intensivas, presión y temperatura.

Descripción de la invención La invención consiste en configurar el intercambiador como conjunto de elementos tubulares independientes entre sí por lo que respecta a los flujos internos de los fluidos, pero compartiendo los colectores de admisión y de salida, estando ubicados los colectores de salida de cada fluido en extremos opuestos, y los de admisión en un mismo extremo, en una configuración primera o básica; y disponiéndose dichos elementos tubulares en proximidad, para evitar dispersión de flujo y por ende incremento en las pérdidas térmicas y de carga manométrica, por lo que los elementos tubulares se ubican en el seno de una estructura tridimensional, alargada en una dirección espacial, y reticular en su sección recta, seleccionando la forma del retículo entre hexagonal o cuadrangular, y hecha dicha estructura de pilares y vigas a modo de andamiaje que soporta a cada elemento tubular en su celda alargada correspondiente, estando constituido cada uno de estos elementos tubulares por dos conductos concéntricos de circulación de los dos fluidos que intercambian calor a través de la pared tubular intermedia que impide la mezcla de ambos fluidos y soporta la diferencia de presiones entre ellos, por lo que se denomina tubo interior resistente, que a su vez contiene un tubo circular concéntrico en su interior, o tubo guía, de menor diámetro por tanto, que canaliza el fluido del circuito interior, o fluido interior, desde el cabezal fijo, al cual es solidario por un extremo, hasta el confín opuesto del circuito interior, donde simplemente queda abierto, quedando su apertura frente al casquete que cierra por ese confín el tubo interior resistente, cuyo otro extremo está unido al correspondiente espacio anular del cabezal fijo; quedando por fuera de dicho tubo interior resistente un conducto que se extiende anularmente a todo lo largo de su longitud, lo cual conforma el circuito exterior, el cual está cerrado exteriormente por el tubo exterior resistente, que soporta la diferencia de presiones entre el fluido del circuito exterior y el medio circundante, que por lo común es la atmósfera, si bien alrededor del tubo exterior resistente existe un grueso aislante térmico, que carece de resistencia a la presión; estando conectado cada extremo del circuito exterior con el colector correspondiente del fluido exterior.

En las disposiciones horizontales, cada elemento tubular se soporta en los largueros y travesaños de su celda, por apoyo deslizante, que actúa desde el tubo exterior resistente, el cual mantiene en su posición al tubo interior resistente mediante al menos una corona de anillos, siendo el diámetro exterior de cada anillo igual al huelgo entre ambos tubos resistentes, estando los anillos soldados a la cara exterior del tubo interior resistente y siendo deslizantes sobre la cara interior del tubo resistente exterior; existiendo a su vez al menos otra corona de anillos entre el tubo resistente interior y el tubo guía, con diámetro exterior de cada uno de estos anillos igual al huelgo entre el tubo guía y el tubo resistente interior, estando los anillos soldados a la cara interior del tubo interior resistente y siendo deslizantes sobre la cara exterior del tubo guía.

En las disposiciones verticales, los elementos tubulares se asientan sobre la placa cabecera, que actúa de placa base, y canaliza además la entrada de los fluidos en los correspondientes espacios anulares, que mantienen sus separaciones entre paredes sucesivas mediante los conjuntos de anillos descritos anteriormente.

Para mejorar las condiciones de transmisión del calor de un fluido a otro, se puede aumentar la superficie de termo-transferencia, para lo cual el tubo resistente interior puede estar parcial o totalmente aleteado, o ser de superficie corrugada, o polilobulada.

La invención presenta una variante de configuración cuando los cuatro colectores, dos a dos correspondiendo a la admisión y a la evacuación de cada fluido, se ubican todos en el mismo lado, que es donde se emplaza la placa cabecera (o cabezal) , a la que van soldados todos los tubos que configuran el elemento tubular, trasegándose cada corriente de fluido por las penetraciones practicadas en dicha placa; que para los conductos anulares dispone de un conjunto de penetraciones tubulares correspondientes a cada corona circular, con diámetro de dichas penetraciones inferior a la diferencia de radios de la corona circular; existiendo de dentro a afuera los tubos que se indican, que conforman los conductos que también se indican:

-tubo guía interior, por dentro del cual circula el fluido interior alejándose del cabezal, teniendo un primer extremo soldado al cabezal, estando su otro extremo abierto en el confín del elemento;

-tubo resistente interior, cerrado por su confín, y que delimita con el exterior del tubo guía interior un conducto anular por el cual el fluido interior vuelve hacia el cabezal, existiendo, al menos en una sección de ese conducto, una corona de anillos que está soldada al tubo resistente interior, y sobre la que desliza el tubo guía en las dilataciones o contracciones del elemento tubular;

-tubo guía exterior, que forma con el tubo resistente interior un conducto anular, por dentro del cual circula el fluido exterior alejándose del cabezal, al cual está soldado el tubo guía exterior, teniendo abierto su otro extremo frente a la pieza o casquete que cierra por el confín el tubo resistente exterior, existiendo, al menos en una sección de ese conducto, una corona de anillos que está soldada al tubo resistente interior, y sobre la que desliza el tubo guía exterior en las dilataciones o contracciones;

-tubo resistente exterior, cerrado por su confín, y que delimita con el exterior del tubo guía exterior...

– Intercambiador de calor con dilatación libre, para fluidos a altas presiones, constituido por una pluralidad de elementos tubulares (1) , independientes entre sí por lo que respecta a los flujos internos de los fluidos, dispuestos dichos elementos en paralelo en las celdas alargadas de una estructura de andamiaje tridimensional que los soporta, y compartiendo dichos elementos los colectores de admisión y de salida de cada fluido, estando ubicados los colectores de salida de cada fluido en extremos opuestos, y los de admisión en un mismo extremo, caracterizado por que cada uno de estos elementos tubulares (1) comprende dos conductos concéntricos de circulación (21, 22) de los dos fluidos que intercambian calor a través de la pared tubular intermedia (11) que impide la mezcla de ambos fluidos y soporta la diferencia de presiones entre ellos, por lo que se denomina tubo interior resistente (11) , que a su vez contiene un tubo circular concéntrico en su interior, o tubo guía (13) , de menor diámetro, que canaliza el fluido del circuito interior, o fluido interior, desde el cabezal fijo (31) , al cual es solidario por un extremo, hasta el confín opuesto del circuito interior, donde simplemente queda abierto, quedando su apertura frente al casquete (12) que cierra por ese confín el tubo interior resistente, cuyo otro extremo está unido al correspondiente espacio anular del cabezal (31) ; quedando por fuera de dicho tubo interior resistente (11) un conducto (22) que se extiende anularmente a todo lo largo de su longitud, lo cual conforma el circuito exterior, el cual está cerrado exteriormente por un tubo exterior resistente (10) , que soporta la diferencia de presiones entre el fluido del circuito exterior y el medio circundante, que por lo común es la atmósfera, si bien alrededor del tubo exterior resistente (10) existe un espeso aislante térmico (9) , que carece de resistencia a la presión; estando conectado cada extremo del circuito exterior (22) con su colector correspondiente, de admisión

o de salida, del fluido exterior.

– Intercambiador de calor con dilatación libre, para fluidos a altas presiones, según reivindicación primera, caracterizado por que en la disposición horizontal, cada elemento tubular (1) se soporta en los largueros y travesaños de su celda (2) , por apoyo deslizante (8) , que actúa desde el tubo exterior resistente (10) , el cual mantiene en su posición al tubo interior resistente (11) mediante al menos una corona de anillos (14) , siendo el diámetro exterior de cada uno de estos anillos igual al huelgo entre ambos tubos resistentes, estando los anillos soldados a la cara exterior del tubo interior resistente y siendo deslizantes sobre la cara interior del tubo resistente exterior; existiendo a su vez al menos otra corona de anillos (15) entre el tubo resistente interior (11) y el tubo guía (13) , con diámetro exterior de cada uno de estos anillos (15) igual al huelgo entre el tubo guía (13) y el tubo resistente interior (11) , estando estos anillos (15) soldados a la cara interior del tubo interior resistente

(11) y siendo deslizantes sobre la cara exterior del tubo guía (13) ; y en las disposiciones verticales se usan las mismas coronas de anillos para mantener las separaciones entre paredes sucesivas, y los elementos tubulares se asientan sobre la placa cabecera o base (31) dispuesta horizontalmente, que canaliza además la entrada de los fluidos en los correspondientes conductos, central (20) y anulares (21, 22) .

– Intercambiador de calor con dilatación libre, para fluidos a altas presiones, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que en otra configuración de la red externa de los fluidos del intercambio térmico, los cuatro colectores, dos a dos correspondiendo a la admisión y a la evacuación de cada fluido, se ubican todos en el mismo lado, que es donde se emplaza la placa cabecera (31) , a la que van soldados todos los tubos (10, 11, 13, 16) que configuran el elemento tubular, trasegándose cada corriente de fluido por las penetraciones (27, 28, 29, 30) practicadas en dicha placa; que para los conductos anulares dispone de un conjunto de penetraciones tubulares (28, 29, 30) correspondientes a cada corona circular, con diámetro de dichas penetraciones inferior a la diferencia de radios de la corona circular; existiendo, de dentro a afuera, los tubos, y los conductos delimitados por tubos, que se describen como:

-tubo guía interior (13) , por dentro del cual circula el fluido interior alejándose del cabezal (31) ,

teniendo un primer extremo soldado al cabezal, estando su otro extremo abierto en el confín (12)

del elemento;

-tubo resistente interior (11) , cerrado por su confín (12) , y que delimita con el exterior del tubo guía

interior (13) un conducto anular (21) por el cual el fluido interior vuelve hacia el cabezal, existiendo,

al menos en una sección de ese conducto, una corona de anillos (15) que está soldada al tubo resistente interior (11) , y sobre la que desliza el tubo guía (13) en las dilataciones o contracciones del elemento tubular;

-tubo guía exterior (16) , que forma con el tubo resistente interior (11) un conducto anular (25) , por

dentro del cual circula el fluido exterior alejándose del cabezal (31) , al cual está soldado el tubo guía exterior (16) , teniendo abierto su otro extremo frente a la pieza o casquete (17) que cierra por

el confín el tubo resistente exterior (10) , existiendo, al menos en una sección de ese conducto (25) ,

una corona de anillos (19) que está soldada al tubo resistente interior (11) , y sobre la que desliza el

tubo guía exterior (16) en las dilataciones o contracciones;

y un tubo resistente exterior (10) , cerrado por su confín (17) , y que delimita con el exterior del tubo guía exterior

(16) un conducto anular (26) por el cual el fluido exterior se acerca al cabezal (31) , existiendo, al menos en una sección de ese conducto (26) , una corona de anillos (18) que está soldada al tubo resistente exterior (10) , y sobre la que desliza el tubo guía exterior (16) en las dilataciones o contracciones del elemento tubular.

– Intercambiador de calor con dilatación libre, para fluidos a altas presiones, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el tubo resistente interior (11) puede estar parcial o totalmente aleteado, o ser de superficie corrugada, o polilobulada.

– Intercambiador de calor con dilatación libre, para fluidos a altas presiones, según cualquiera de las 5 reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los diámetros de los diversos tubos concéntricos (15, 11, 16, 10) son variables a lo largo de su longitud.

-Intercambiador de calor con dilatación libre, para fluidos a altas presiones, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el espesor de un tubo resistente (10, 11) se fija en función de la tensión circunferencial admisible, representada por A, y de la sobrepresión interior que soporte el tubo,

representada por P, y más precisamente se fija en función del cociente de la tensión A dividida por la sobrepresión P, representado por Z dicho cociente; lo cual fija el valor del diámetro exterior como el producto del diámetro interior de dicho tubo multiplicado por un parámetro X, cuyo valor corresponde a la raíz cuadrada de una fracción, cuyo numerador es el valor del cociente Z más la unidad, o Z+1, y el denominador es el valor del cociente Z menos la unidad, o Z-1.

Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4

Figura 5 Figura 6