ES2288901T3 - Termocambiador para intercambio termico indirecto. - Google Patents

Termocambiador para intercambio termico indirecto. Download PDF

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Abstract

Termocambiador para el intercambio térmico de dos medios gaseosos, de los cuales al menos uno contiene componentes con un efecto agresivo sobre las superficies de intercambio térmico, por ejemplo, ácidos sulfurosos, con una cámara (2) apta para la circulación de uno de los medios, por la cual pasan tubos (1) aptos para la circulación del otro medio, los extremos (7) de dichos tubos están fijados en al menos un fondo de tubos (4) que separa los medios, impermeabilizados para gas o líquidos, caracterizado porque los tubos (1) se extienden en el sentido vertical longitudinal de la cámara (2) y son tubos de plástico aptos para al circulación de arriba hacia abajo, con paredes de tubo que en un corte longitudinal forman un diseño en zigzag (5), asimismo el diseño en zigzag en la pared interior del tubo y en la pared exterior del tubo discurren en sentidos correspondientes entre sí, y que los flancos (6) del diseño en zigzag en la pared interior del tubo apuntando oblicuamente en dirección haciaabajo, presentan un ángulo (a) menor respecto del eje central del tubo, que los flancos (7) apuntando oblicuamente en dirección hacia arriba, para lo cual los ángulos en la cara interna de los tubos son medidos en el diámetro mínimo interior del tubo (di).

Description

Termocambiador para intercambio térmico indirecto.
La presente invención consiste en un termocambiador para el intercambio térmico indirecto de dos medios gaseosos, de los cuales al menos uno contiene componentes con un efecto agresivo sobre las superficies de intercambio térmico, por ejemplo, ácidos sulfurosos, con una cámara apta para la circulación de uno de los medios, por la cual pasan tubos aptos para la circulación del otro medio, cuyos extremos están fijados en al menos un fondo de tubos que separa los medios, impermeabilizádolos para gas o líquidos.
Este tipo de termocambiadores se conocen en diversas formas de ejecución. Los tubos, que generalmente están formados por acero inoxidable u otro metal resistente a la corrosión, son pasados por fondos de tubos en sus extremos y unidos a los fondos de tubos mediante soldadura directa o indirecta. Aunque los caños de, por ej. acero inoxidable son resistentes a la corrosión según parámetros convencionales, esto no es válido para la utilización como transmisores térmicos entre gases o líquidos que poseen componentes con un efecto muy agresivo, como por ejemplo, ácidos sulfurosos. Pero precisamente en el ámbito de la desulfurización de gases de combustión y de la quema de combustibles, se requiere de transmisores térmicos que resistan también con el tiempo a gases ácidos, sobre todo al bajar por debajo del punto de rocío
ácido.
Se ha comprobado que excepto los plásticos, a lo sumo los aceros finos son adecuados como materia prima para resistir en el tiempo a los componentes con un efecto agresivo presentes en gases o líquidos. Este tipo de termocambiadores se conocen por ejemplo por las memorias DE 37 22 520 A1 y por DE 25 54 646 A1, sin embargo el plástico es por definición un mal transmisor de calor y por ello en principio no muy adecuado para la aplicación en superficies transmisoras de temperatura de termocambiadores. En realidad para alcanzar cifras de transición térmica aceptables en tubos termocambiadores de plástico, el espesor de las paredes de los tubos debe ser muy delgado. Sin embargo estos tubos de plástico de paredes tan delgadas poseen un límite por motivos de resistencia y de posibilidad de fabricación. Espesores de pared de tubos de plástico considerablemente inferiores a 1 mm, no son manufacturables para su aplicación en la práctica. Se pueden alcanzar mayores resistencias de los tubos de plástico mediante la implementación de caños ondulados, como es el caso de las memorias citadas anteriormente, DE 37 22 520 A1 y DE 25 54 646 A1
En WO 95/19873 se describe una unión de tubos para tubos de plástico para la aplicación en diferentes ámbitos de la técnica, como para la conducción de medios en general, por ejemplo para la aplicación en termocambiadores o para la aplicación en revestimientos de hogares. En este caso se dispone de un tubo de plástico que presenta una pared de tubos semejante a una rosca, helicoidal y flexible, asimismo el tubo mismo sirve directamente como elemento de atornilladura para establecer la conexión de los tubos.
Sin embargo, la desventaja de este tipo de tubos acanalados es su alto grado de caída de presión sobre el interior del tubo, así como la tendencia a
\hbox{ensuciarse.}
La presente invención se origina con el objetivo de lograr un termocambiador compuesto por tubos y adecuado para medios agresivos, que se destaque por la baja pérdida de presión en sus tubos y por una baja tendencia a ensuciarse.
Para alcanzar este objetivo se propone para un termocambiador del tipo mencionado al comienzo, que los tubos sean tubos de plástico con paredes de tubos que en un corte longitudinal formen un diseño en zigzag, asimismo que el zigzag en la pared interior del tubo y en la pared exterior del tubo discurran en sentido correspondiente entre sí, y que los flancos del diseño en zigzag en la pared interior del tubo, apuntando oblicuamente hacia abajo, presenten un ángulo menor respecto del eje central del tubo, que los flancos apuntando oblicuamente hacia arriba.
Los tubos de plástico confeccionados de dicha manera se caracterizan por una resistencia relativamente alta, asimismo gracias al diseño en zigzag de las paredes exterior e interior que discurren correspondientes entre sí, y en caso de que la resistencia sea suficiente, los tubos se pueden realizar con un espesor de pared relativamente bajo. Este tipo de tubos, con un ancho nominal de hasta 120 mm y un espesor de pared de tan sólo 0,4 mm, pueden ser empleados para la utilización en un termocambiador en el ámbito de la desulfurización de gases de combustión de una usina eléctrica. Como consecuencia de la conformación en zigzag de las paredes de los tubos y pese al bajo espesor de las paredes se obtiene una resistencia suficiente ante las variaciones y las eventuales oscilaciones de presión reinantes en el termocambia-
dor.
Como consecuencia de la conformación de los flancos en zigzag, con pendientes de los flancos alternantes entre sí de diferentes valores, se logra que en la circulación por los caños la pérdida de presión sólo sea baja. También la tendencia a ensuciarse es baja, dado que se generan turbulencias de flujo que evitan un depósito de sedimentos indeseado en la cara interna de los tubos.
En relación con la baja pérdida de presión en el interior del tubo buscada, así como con la baja tendencia a ensuciarse, es ventajoso si el ángulo de los flancos apuntando oblicuamente hacia arriba de la cara interna de los tubos asciende a un valor de 1,5 hasta el 2,5 veces el ángulo de los flancos apuntando oblicuamente hacia abajo de la cara interna de los
tubos.
El diseño en zigzag puede estar configurado en forma anular, es decir, con flancos que se cierren sobre el perímetro del tubo. También es posible la configuración helicoidal de las formas de los tubos.
Acorde con uno de los acondicionamientos se propone que los tubos consistan en un fluoroplástico soldable por fusión, preferentemente PFA (perfluoro alcano alcoxilido) o MFA (polímero trifluor-metoxi-perfluoro-alcoxi)
Acorde con otro acondicionamiento se propone que los tubos se extiendan en sentido vertical longitudinal de la cámara, que se hallen elementos de apoyo horizontales con una distancia vertical al fondo de tubos, que dichos elementos de apoyo estén unidos en unión continua a las caras externas de los tubos, y estén provistos de muescas para cada tubo, que abracen la cara externa de cada tubo en unión continua sólo en una parte de su perímetro. De este modo se tiene en cuenta el factor de que los tubos plásticos con estructura ondulada en las caras interna y externa posean una resistencia alta en sentido radial, es decir, contra el impacto de la presión, pero se comportan más bien de modo flexible en sentido longitudinal.
Por ello, para evitar un "hundimiento" de cada uno de los tubos en la disposición vertical, en la cámara del termocambiador se colocan elementos de apoyo horizontales que están unidos en unión continua a las caras externas de los tubos Además, con este acondicionamiento se simplifica notoriamente el montaje del termocambiador y sobe todo la integración en la unión continua de los tubos con los elementos de apoyo. Asimismo es una contribución a ello si los elementos de apoyo son listones horizontales que a ambos lados están dotados de muescas para tubos.
Acorde con otro acondicionamiento se propone que los extremos de los tubos estén fijados en el fondo de tubos con una unión continua, asimismo la unión continua se alcanza mediante el diseño en zigzag de los tubos. Esto posibilita una técnica de conexión simple y económica, en la cual, en un acondicionamiento preferencial, en la abertura del fondo de tubos que recibe el extremo de tubo respectivo se halla un anillo de soporte que abraza el extremo del tubo, y que ese anillo de soporte en su cara interna está provisto de una estructura rotatoria que encaja en la estructura en zigzag de la cara externa de los tubos en una unión continua.
Además se propone que el fondo de tubos esté envuelto o recubierto con una capa de plástico, al menos en la cara dirigida a la cámara. Preferentemente el tubo está soldado con una capa de plástico.
Además se propone que el fondo de tubos esté conformado en segmentos, siendo divisible, y que dichos segmentos estén provistos de muescas que abracen la mitad del perímetro de la cara externa de cada tubo en unión continua. Esto posibilita una sujeción especialmente simple del extremo del tubo en el fondo de tubos correspondiente.
A continuación se describen otros detalles y ventajas a partir de un ejemplo de ejecución representado en los gráficos. En los gráficos se muestra:
Figura 1 una vista del termocambiador para gases de combustión sulfurosos de una planta de gases de combustión y de desulfurización,
Figura 2 un corte a través del termocambiador acorde con la figura 1,
Figura 3 en una representación en detalle, la sujeción de uno de los tubos del termocambiador en un fondo de tubos,
Figura 4 un corte parcial a través de varios de los tubos en otro nivel horizontal en relación con la figura 3, en la cual los tubos están sostenidos por elementos de apoyo,
Figura 5 una vista en planta de los tubos y los elementos de apoyo de la figura 4,
Figura 6 una sujeción de los extremos de los tubos en el fondo de tubos modificada en relación con las figuras 3 y 4.
Figura 7 una sujeción de los extremos de los tubos en el fondo de tubos nuevamente modificada en relación con las figuras anteriores.
Figura 8 una sujeción de los extremos de los tubos en el fondo de tubos nuevamente modificada en relación con las figuras anteriores y
Figura 9 una vista en planta del fondo de tubos del termocambiador.
El termocambiador representado en las figuras 1 en vista y en la figura 2 en corte transversal está conformado a modo de un termocambiador de haz de tubos, con una cámara 2 atravesada por cada uno de los tubos 1 y provisto de entradas y salidas para ambos medios implicados en el intercambio térmico. El primer medio ingresa al termocambiador por al entrada m1e y lo abandona por la salida m1a. La distribución de este primer medio se realiza a través de campanas 3 colocadas arriba y abajo y por la circulación en cada tubo 1 del termocambiador dispuesto verticalmente. El segundo medio implicado en el intercambio térmico ingresa al termocambiador por la entrada m2e, por desviación circula dos veces el interior de la cámara 2 y abandona nuevamente el termocambiador por la salida m2a Como podemos observar en las flechas de corriente, la conducción del segundo medio resulta en corriente cruzada inversa, pero también es posible una conducción de corriente cruzada o una conducción en corriente inversa.
La sujeción de los tubos 1 en el área de la entrada m1e ubicada en el lado superior, así como en la salida m1a ubicada en el lado inferior se efectúa en el piso de tubos 4 que se extiende allí horizontalmente, que por ello los dos medios implicados, del mismo modo que los tubos 1, se mantienen separados.
En la figura 3 se representa la sujeción de uno de los tubos en el fondo de tubos 4, en este caso, en el fondo superior. En el caso del tubo 1 se trata de un tubo de en un fluoroplástico soldable por fusión, por ejemplo de PFA (perfluoro alcano alcoxilido) o MFA (polímero trifluor-metoxi-perfluoro-alcoxi). Como se puede observar en la vista de un gráfico de una sección parcial en la figura 3, el tubo de plástico está formado a modo de un tubo ondulado, en el cual las ondas en zigzag 5 en la cara interna y en la cara externa del tubo discurren en sentido correspondiente entre sí, con el mismo espesor de pared. Este espesor de pared asciende a entre 0,25 y 0,75 mm, por ejemplo aproximadamente 0,4 mm en un tubo con un diámetro nominal de hasta 120 mm. La relación entre el diámetro máximo exterior del tubo da y el diámetro mínimo interior del tubo di asciende a un valor de 1,2:1
y 1,5:1.
Las ondas 5 configuradas en zigzag están compuestas respectivamente de un flanco 6 más largo y un flanco 7 más corto, que forman un ángulo entre sí de aproximadamente 90º. El ángulo \beta medido en relación con el eje central del tubo 1a del flanco 7 más corto, en la cara interior del tubo, apuntando oblicuamente hacia arriba asciende a 1,3 hasta 2 veces el ángulo \alpha del flanco 6 más largo en la cara interior del tubo, apuntando oblicuamente hacia abajo. En particular la relación de la altura H del flanco 6 más largo respecto de la altura h del flanco 7 más corto asciende a 2:1 y 4:1, preferentemente 3:1.
El ángulo menor \alpha tiene la ventaja de que la corriente que recorre los tubos 1 desde arriba hacia abajo se pueden ceñir bien al flanco 6. A su vez el flanco 7 más corto lleva a la formación de turbulencias en este ámbito y evitan que en el ámbito del flanco 7 se puedan depositar sedimentos en la cara interna de los tubos.
En la figura 3 se representa la fijación de un tubo de superficie lisa en el fondo de tubos 4 superior. Una fijación correspondiente también puede ser prevista en el fondo de tubos inferior. Tanto en su cara superior como en su cara inferior el fondo de tubos 4 está provisto de una capa de plástico 9a, 9b respectivamente. En el área de cada perforación pasante para el pasaje de los tubos ambas capas de plástico, 9a, 9b, están configuradas de manera solapada. En el borde superior que rodea la perforación pasante se extiende una soldadura 10 para una conexión del extremo del tubo 8 impermeabilizada para gas o líquidos con una capa de plástico 9a.
Un modo de ejecución diferente de la conexión entre tubo 1 y fondo de tubos 4 está representado en la figura 6. En este caso la abertura de paso 11 está configurada algo más grande en su diámetro y brinda espacio para un anillo de soporte 12, que está soldado tanto con la capa de plástico superior 9a como con la capa de plástico inferior 9b. El anillo de soporte 21 que consiste preferentemente en un fluoroplástico como PFA o MFA, está provisto en su borde interno de una estructura rotatoria 13 que encaja en la cara externa ondulada de los tubos en una unión continua. Asimismo la estructura 13 del anillo de soporte 12 presenta valles y crestas de las ondas en forma de zigzag conforme al correspondiente contorno del tubo 1.
En el caso del modo de ejecución acorde a la figura 7 la capa de plástico ubicada arriba sobre en el fondo de tubos 4 ha sido ampliada a una placa de plástico 14. Esta placa está provista de un borde interior 15 que encaja en la estructura de la cara externa del tubo 1 en una unión continua.
En la figura 2 podemos reconocer que el haz de tubos está asegurado a determinadas distancias verticales, con elementos de apoyo 17 que se extienden horizontalmente. Los elementos de apoyo 17 están adecuadamente sujetos a la cámara 2. Los detalles de los elementos de apoyo 17 se pueden explicar a partir de las figuras 4 y 5. Cada elemento consiste en un listón que se extiende horizontalmente, provisto a ambos lados de muescas 18 para los tubos. Dado que en el ejemplo de ejecución los tubos presentan un corte transversal circular, las muescas poseen a su vez el contorno de un segmento circular. De este modo cada muesca 18 abraza la cara externa del tubo 1 correspondiente, en una parte de su perímetro.
Especialmente en la figura 4 podemos reconocer que los elementos de apoyo 17 en forma de listón presentan en las muescas 18 un contorno de corte transversal que corresponde a su vez al contorno exterior del tubo 1, compuesto por valles y crestas de ondas. De este modo cada tubo 1 está acoplado en unión continua en sentido vertical con un total de 2 elementos de apoyo 17, de modo que los tubos no puedan realizar ni movimientos verticales ni horizontales en el área de los elementos de apoyo.
En comparación con los tubos convencionales lisos, los tubos de plástico descritos permiten un ahorro de material gracias al bajo espesor de pared y por el mejor valor de transmisión térmica, que entre otros resulta por las mayores turbulencias de los gases en los flancos 7 de los tubos de plástico. Asimismo aumenta considerablemente la superficie de los tubos de plástico como consecuencia de la ondulación, dependiendo de la relación da/di. Por ello, para el mismo rendimiento se puede confeccionar un termocambiador más pequeño y compacto.
Además surgen menos problemas relativos a la dilatación térmica que los que se presentan en un termocambiador convencional, provisto de tubos lisos. Por principio surgen fuertes tensiones entre los tubos y la carcasa a causa de los coeficientes de dilatación muy diferentes entre la carcasa de acero de la cámara por un lado y los tubos de plástico por el otro. Esta tensión puede ser compensada con, por ejemplo, un apoyo flotante de los fondos de tubos, pero esta solución es costosa, genera gastos de fabricación considerables y asimismo presenta problemas de hermetización. En el uso de un tubo de plástico conformado en zigzag no surgen esto problemas, dado que, debido a su diseño, el tubo se puede adaptar a las dilataciones de la carcasa de acero de la cámara.
En la figura 9 está representada una variante del fondo de tubos 4. Este consiste en segmentos 19 individuales paralelos ordenados en el mismo nivel. De modo semejante a los elementos de apoyo ya descritos también se trata, en el caso de estos segmentos, de listones horizontales provistos en ambos lados de muescas para los tubos. Los segmentos colindantes se tocan entre sí, de modo que en caso de tubos con un corte transversal circular las muescas 20 poseen el contorno de un segmento circular. De este modo cada muesca 20 abraza la cara externa del tubo 1 correspondiente en la mitad de su perímetro. En los rebordes 21 los segmentos 19 están adecuadamente sellados entre sí. Los segmentos 19 son arriostrados entre sí mediante pernos largos 22, que atraviesan horizontalmente todos los segmentos.
Lista de referencias
\global\parskip0.500000\baselineskip
1
\tabul
Tubo
1a
\tabul
eje central del tubo
2
\tabul
cámara
3
\tabul
campana
4
\tabul
fondo de tubos
5
\tabul
onda
6
\tabul
flanco largo
7
\tabul
flanco corto
8
\tabul
extremo del tubo
9a
\tabul
capa de plástico
9b
\tabul
capa de plástico
10
\tabul
soldadura
11
\tabul
abertura de paso
12
\tabul
anillo de soporte
13
\tabul
estructura
14
\tabul
placa de plástico
15
\tabul
aro de seguridad
17
\tabul
elemento de apoyo
18
\tabul
muesca
19
\tabul
segmento
20
\tabul
muesca
21
\tabul
reborde
22
\tabul
perno
d
\tabul
espesor del tubo
da
\tabul
diámetro exterior del tubo
di
\tabul
diámetro interior del tubo
H
\tabul
altura
h
\tabul
altura
m1e
\tabul
Entrada
m1a
\tabul
salida
m2e
\tabul
entrada
m2a
\tabul
salida.
\global\parskip0.000000\baselineskip

Claims (13)

1. Termocambiador para el intercambio térmico de dos medios gaseosos, de los cuales al menos uno contiene componentes con un efecto agresivo sobre las superficies de intercambio térmico, por ejemplo, ácidos sulfurosos, con una cámara (2) apta para la circulación de uno de los medios, por la cual pasan tubos (1) aptos para la circulación del otro medio, los extremos (7) de dichos tubos están fijados en al menos un fondo de tubos (4) que separa los medios, impermeabilizados para gas o líquidos, caracterizado porque los tubos (1) se extienden en el sentido vertical longitudinal de la cámara (2) y son tubos de plástico aptos para al circulación de arriba hacia abajo, con paredes de tubo que en un corte longitudinal forman un diseño en zigzag (5), asimismo el diseño en zigzag en la pared interior del tubo y en la pared exterior del tubo discurren en sentidos correspondientes entre sí, y que los flancos (6) del diseño en zigzag en la pared interior del tubo apuntando oblicuamente en dirección hacia abajo, presentan un ángulo (\alpha) menor respecto del eje central del tubo, que los flancos (7) apuntando oblicuamente en dirección hacia arriba, para lo cual los ángulos en la cara interna de los tubos son medidos en el diámetro mínimo interior del tubo
(di).
2. Termocambiador acorde a la reivindicación 1 caracterizado porque el ángulo (\beta) de los flancos (7) apuntando oblicuamente hacia arriba de la cara interna de los tubos asciende a un valor de 1,3 a 2 veces el ángulo (\alpha) de los flancos (6) apuntando oblicuamente hacia abajo, de la cara interna de los tubos.
3. Termocambiador acorde a la reivindicación 1, caracterizado porque el diseño en zigzag (5) se extiende en espiral o en forma helicoidal por sobre todo el perímetro del tubo (1).
4. Termocambiador acorde con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los tubos consisten en un fluoroplástico soldable por fusión preferentemente PFA (perfluoro alcano alcoxilido) o MFA (polímero trifluor-metoxi-perfluoro-alcoxi).
5. Termocambiador acorde a las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque el espesor (d) de las paredes de los tubos asciende a un valor de entre 0,25 a 0,75 mm, preferentemente a 0,4 mm.
6. Termocambiador acorde con las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en la cámara (2) se hallan elementos de apoyo horizontales (17) a una distancia vertical al fondo de tubos (4), dichos elementos de apoyo (17) están unidos en unión continua a las caras externas de los tubos (1), y están provistos de muescas (18) para cada tubo (1), que sólo en una parte de su perímetro abrazan la cara externa del tubo (1) correspondiente en unión continua.
7. Termocambiador acorde a la reivindicación 6, caracterizado porque los elementos de apoyo (17) son listones horizontales que a ambos lados están dotados de muescas (18) para tubos (1).
8. Termocambiador acorde con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los extremos de los tubos (7) están fijados en el fondo de tubos (4) con una unión continua, asimismo la unión continua se alcanza mediante el diseño en zigzag de los tubos (1).
9. Termocambiador acorde a la reivindicación 8, caracterizado porque en cada abertura (11) del fondo de tubos (4) que recibe un extremo de tubo (7) se halla un anillo de soporte (12) que abraza el extremo del tubo, y que ese anillo de soporte (12) en su cara interna está provisto de una estructura rotatoria (13) que encaja en una unión continua en la cara externa de los tubos con un diseño en zigzag.
10. Termocambiador acorde con una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el fondo de tubos (4) está provisto de una capa de plástico (9a, 9b), al menos en la cara dirigida a la cámara.
11. Termocambiador acorde a la reivindicación 10, caracterizado porque el tubo (1) está soldado con una capa de plástico (9a, 9b).
12. Termocambiador acorde con una de las reivindicaciones 1 a 8 o 10, caracterizado porque el fondo de tubos (4) está conformado por segmentos (19) siendo divisible, y que dichos segmentos (19) están provistos de muescas (20) que abrazan en unión continua la mitad del perímetro de la cara externa de cada tubo (1).
13. Termocambiador acorde con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación entre el diámetro máximo exterior del tubo (da) y el diámetro mínimo interior del tubo (di) asciende a un valor de 1,2:1 y 1,5:1.
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