ES2440088A1

ES2440088A1 - Intercambiador de calor con dilatación libre, para fluidos a altas presiones

Info

Publication number: ES2440088A1
Application number: ES201331761A
Authority: ES
Inventors: Rubén Abbas Cámara; Alberto Abánades Velasco; Rafael Rubén Amengual Matas; Javier Muñoz Antón; Alberto Ramos Millán; Manuel Valdés Del Fresno; Mireia Piera Carreté; Mª José MONTES PITA; Antonio J. Rovira De Antonio; José María Martínez-Val Peñalosa
Original assignee: Universidad Nacional de Educacion a Distancia UNED; Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Universidad Nacional de Educacion a Distancia UNED; Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-01-27
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: ES2440088B2; ES2440088A9

Abstract

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

Description

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

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 muestra un esquema de la estructura tridimensional de las celdas que soportan a los elementos tubulares, siendo la cara próxima del dibujo la que contiene las conexiones con los colectores de admisión y evacuación de cada circuito, en el caso de elementos totalmente cerrados por el confín opuesto.

La figura 2 muestra el esquema longitudinal del intercambiador en la configuración primera o básica en la cual el circuito del fluido exterior tiene sus colectores uno en cada extremo, aunque no están representados en la figura por no ser parte propia de la invención.

La figura 3 muestra la sección recta de la figura anterior, representando las dos coronas de anillos que mantienen los tubos en sus posiciones.

La figura 4 muestra el esquema longitudinal del intercambiador en la variante de configuración en la que todos los colectores del conjunto están en el mismo lado, por lo que el circuito exterior también dispone de tubo guía, para la canalización del fluido, pudiendo acomodarse la sección recta de paso del fluido a sus variaciones de volumen específico según se calienta o enfría.

La figura 5 muestra el esquema en sección recta de la placa de cabecera, con el orificio central que conecta con el interior del tubo guía, y las sucesivas coronas circulares en las que hay practicadas unas penetraciones para conexión, mediante tubos, con el colector correspondiente; correspondiendo con la variante básica de la invención, mostrada en la figura 2.

La figura 6 muestra un intercambiador convencional tipo CFU con paso por carcasa a contracorriente, como muestra del estado del arte a efectos de la comparación entre este diseño y el presentado en la invención.

Descripción detallada de la invención

Para facilitar la comprensión de las figuras de la invención, y de sus modos de realización, a continuación se relacionan los elementos relevantes de la misma:

1.: Elemento tubular.

2.: Celda estructural de sujeción del elemento (1).

3.: Circuito de fluido interior.

4.: Circuito de fluido exterior.

5.: Pilar de la estructura de celdas (2).

6.: Travesaño de la estructura de celdas (2).

7.: Cara anterior de la estructura de celdas (2), en la cual al menos se ubican las conexiones con ambos colectores del circuito interior, y una con un colector del exterior, a través de la placa cabecera (31).

8.: Soportes deslizantes del elemento tubular, recibiendo al tubo exterior resistente, que se soportan en la celda (2) a través del apoyo (24).

9.: Aislante térmico.

10.: Tubo resistente exterior.

11.: Tubo resistente interior.

12.: Casquete de cierre del tubo resistente interior, por el confín del circuito.

13.: Tubo guía del circuito interior.

14.: Corona de anillos entre los dos tubos resistentes (10) y (11).

15.: Corona de anillos entre el tubo resistente interior (11) y el tubo guía interior (13).

16.: Tubo guía del circuito exterior.

17.: Cierre del tubo resistente exterior (10) en el confín del mismo, envolviendo sobradamente al cierre del circuito interior (12).

18.: Corona de anillos entre el tubo resistente exterior (10) y el tubo guía exterior (16).

19.: Corona de anillos entre el tubo resistente interior (11) y el tubo guía exterior (16).

20.: Conducto interior del tubo guía interior (13).

21.: Conducto anular entre el tubo guía interior (13) y el tubo resistente interior (11).

22.: Conducto anular entre el tubo resistente interior (11) y el tubo resistente exterior (10).

23.: Eje de revolución.

24.: Apoyo en la celda (2).

25.: Conducto anular entre el tubo resistente interior (11) y el tubo guía exterior (16).

26.: Conducto anular entre el tubo resistente exterior (10) y el tubo guía exterior (16).

27.: Penetración en la placa de cabecera (31) del elemento tubular (1), para conectar el conducto interior

(20) del tubo guía interior (13) con el colector de admisión del fluido interior.

28.: Penetración en la placa de cabecera (31) del elemento tubular (1), para conectar el conducto anular (21) entre el tubo guía interior (13) y el tubo resistente interior (11) con el colector de evacuación del fluido interior.

29.: Penetración en la placa de cabecera (31) del elemento tubular (1), para conectar el espacio anular entre el tubo guía exterior (16) y el tubo resistente interior (11) con el colector de admisión del fluido exterior.

30.: Penetración en la placa de cabecera (31) del elemento tubular (1), para conectar el espacio anular entre el tubo guía exterior (16) y el tubo resistente exterior (10) con el colector de evacuación del fluido exterior.

31.: Placa de cabecera, o cabezal, por donde atraviesan las conexiones con los colectores, que es además la base en los montajes en vertical.

32.: Huelgo entre los casquetes del confín de los circuitos de fluido interior y exterior.

33.: Tubos en U de un CFU.

34.: Dispositivo de separación del flujo en la carcasa (39).

35.: Entrada del fluido a los tubos en U (33).

36.: Salida del fluido de los tubos en U (33).

37.: Entrada del fluido en la carcasa (39).

38.: Salida del fluido de la carcasa (39).

39.: Carcasa de un intercambiador en U tipo CFU.

40.: Conexiones con la placa base, o de cabecera o cabezal (31).

La invención se materializa ensamblando un conjunto de tubos de manera concéntrica, para lo cual se procede de dentro a afuera, envainando cada tubo en el que lo envuelve, ajustándose y manteniéndose su posición relativa merced a las coronas de anillos (14, 15, 18, 19) que conforman los espacios anulares (21, 22, 25, 26) por los que circula el fluido correspondiente. Estas coronas están soldadas al tubo resistente más interior (11), y deslizan sobre el otro tubo con el que son vecinas; salvo para la variante de tener todos los colectores en el mismo lado, en el cual hace falta un conducto anular adicional, con otra corona de anillos (18) soldada por su cara interior al tubo resistente exterior (10), y a su vez separando al tubo guía exterior (16).

Una vez ensamblados los tubos de cada elemento tubular (1), bien en la variante básica que no necesita tubo guía exterior (figura 2), o en la ubicación conjunta de los cuatro colectores en el mismo lado (figura 4), que es donde se ubica la placa cabecera, los tubos se han de soldar a las penetraciones practicadas en dicha placa; que para los conductos anulares emplea un conjunto de penetraciones tubulares (28, 29) correspondientes a cada conducto anular, como se muestra en la figura 5 para la variante básica de la figura 2.

Los materiales a emplear son los convencionales, aunque su elección dependerá de la temperatura de funcionamiento y de las presiones; y siendo altas éstas, lo más común es el acero, que debe ser aleado si la temperatura pasa de 500 ºC.

Los diámetros de los diversos tubos concéntricos se seleccionan bajo el criterio fundamental de que todos los conductos tengan una sección recta de paso adecuada al fluido que circula y a sus condiciones termodinámicas, y la longitud de cada elemento y el número de éstos depende de la potencia térmica de la aplicación y de los criterios del proyectista. Como variante de dimensionamiento, los diámetros de los diversos tubos concéntricos se varían para acomodar la velocidad del fluido a sus cambios termodinámicos, y en particular su volumen específico.

El funcionamiento del intercambiador como tal se caracteriza por las ecuaciones clásicas de transferencia de calor por convección de fluidos, aplicadas lógicamente a una geometría contracorriente, con la especificidad fundamental de la dilatación libre de todas sus partes, lo cual es esencial si las temperaturas de operación son muy dispares de las ambientales; y lo es más aún si la operación es muy discontinua, como es el caso de las plantas solares térmicas, en las cuales cada día puede suponer un arranque y una parada del sistema, incluido el intercambiador.

Otra ventaja a valorar es la modularidad del conjunto, pues una avería en un elemento puede aislarse y permitir la continuidad del funcionamiento del resto.

Esto no es posible en el modelo de intercambiador más convencional según el estado del arte, que es el de tubos en U, con carcasa, en el cual una rotura de uno de los tubos en U obliga a cancelar la operación y a taponar el tubo en cuestión por sus dos extremos, pues reemplazarlo es una operación en extremo costosa.

Más aún, esos intercambiadores, de tubos en U en carcasa, modelo CFU en la nomenclatura TEMA, tienen en su contra el espesor de la pared de la carcasa, y su coste, cuando el radio es grande, y lo es la presión a soportar. Aunque en las centrales nucleares tipo agua a presión existan generadores de vapor que son del modelo de tubos en U, son conocidos sus problemas de fatiga y de coste.

Procede, no obstante, comparar en lo posible ambos tipos de intercambiadores, no sin insistir en que en el caso modular de esta invención se usan tubos comerciales elementales, de precio notablemente bajo, si se compara con vasijas de presión que excedan los 5 cm de espesor, que requieren procesos de fabricación mucho más costosos que la fabricación de tubos con espesores menores de 1 cm. La comparación, no obstante, se limitará a aspectos físicos, y en concreto a comparar la cantidad de material necesario para tener una determinada superficie de transferencia de calor, con un mismo caudal de paso, que a su vez se hará igual para ambos fluidos, como hipótesis de trabajo muy razonable, que coincide con un intercambiador de tipo regenerativo, en el que es el mismo fluido, en dos etapas distintas del proceso, el que se calienta y enfría.

Para cuantificar las masas requeridas se tomará como guía el valor de la tensión circunferencial, y más exactamente su cociente, al dividirla por la presión en el interior, bien de los tubos, bien de la carcasa. Para ello, si la tensión circunferencial admisible es A y la sobrepresión interior a una pared cilíndrica es P, respecto de la presión que hay en el exterior de dicha pared, se define el cociente anterior como Z=A/P; y la razón X entre el radio exterior e interior del cilindro queda determinada por

X2 = (Z+1)/(Z-1)

Para caracterizar la invención se denominará a los diversos radios según sigue, teniendo en cuenta lo dicho de los caudales; que significa que las secciones rectas de los distintos conductos deben ser iguales, para que la velocidad sea la misma también. Por simplificar la comparación con un caso suficientemente ilustrativo, se supone la misma diferencia de presiones entre el fluido interior y el exterior, que entre el fluido exterior y la atmósfera, por lo que se aplica el mismo valor de X a ambos tubos resistentes.

R0 = radio del tubo guía (13)

R1 = R0·21/2 = radio interno del tubo resistente interior (11)

R1’ = X·R1 = radio externo del tubo resistente interior (11)

R2 = radio interno del tubo resistente exterior (10) que cumple:

R22 = R02 + R1’2 = R02·(1+2·X2)

R2’ = radio externo del tubo resistente exterior (10) = X·R2

Se va a restringir la comparación a la variante básica de la invención, en la cual, atendiendo a la relación de radios citada, la sección recta de material resistente, a la cual sería proporcional la masa por unidad de longitud, queda

Minvención = π·(R2’2 -R22) + π·(R1’2 -R12) = π·R02·(2·X4 + X2 -3)

Este valor se multiplicaría por la longitud de cada elemento tubular y por el número de tubos que hubiera, N.

Para calcular la masa requerida por un CFU, se parte de usar tubos en U de radio R0, pero se tiene en cuenta que suben y bajan intercambiando calor, por lo que cada uno se cuenta dos veces. Sin embargo, el radio de termotransferencia es R1’ en el caso de la invención, mientras que aquí es R0’

R0’ = X·R0

Así pues, para comparar superficies de transferencia iguales no sólo se ha de contar con que el tubo sube y baja en CFU, lo que implicaría la mitad de longitud que en la invención, sino que R1’ es

R1’ = X·R1 = X·R0·21/2 = R0’·21/2

Y por tanto, la longitud de CFU equivalente a la unidad en la invención, es 21/2/2 = 2-1/2.

La sección recta S de la carcasa ha de acoger a los N tubos en U alojados en ella, más el paso del fluido por la carcasa, que debe ser igual al paso (en una sola dirección) por el interior de los tubos en U.

S = N·(2·π·X2·R02 + π·R02) = N·π·R02·(2·X2 + 1) De lo cual se determinan los radios interior Ri y exterior de la carcasa, Re Ri2 = N·R02·(2·X2 + 1)

Re2 = X2·Ri2

Por lo que la sección recta de la pared de la carcasa Mc es Mc = N·π·R02·(2·X4 -X2 -1) Y la de las paredes de los tubos (despreciando la U propiamente dicha) Mt= 2·N·π·R02·(X2 -1) = N·π·R02·(2·X2 -2) Y sumando ambas, se obtiene para CFU

MCFU = N·π·R02·(2·X4 + X2 -3) La cual es exactamente igual a la obtenida para la invención. Ahora bien, hay que contar con la necesidad de una longitud menor por parte del CFU para conseguir la misma

superficie de intercambio de calor, por lo que esta última expresión habría que corregirla, para dar: MCFU = 2-1/2·N·π·R02·(2·X4 + X2 -3) Es decir MCFU es el 70% de la masa empleada en la invención, Minvención, o viceversa, esta última es 1,41 veces la

primera, pero esa diferencia resulta diminuta en comparación con los costes de fabricación de la carcasa, particularmente para presiones altas. Más aún, en la comparación se ha supuesto que el paso del fluido por la carcasa es de un solo paso, lo cual no

presenta buenas prestaciones de intercambio de calor, pues parte de éste se hace a contracorriente, que es lo adecuado, y parte es a igual corriente, lo que empeora la transferencia térmica, mientras que en la invención siempre es a contracorriente. Para que un CFU funcione a contracorriente todo el recorrido, el fluido exterior ha de hacer también una trayectoria en U, por lo que la carcasa necesita más sección recta de interior, siendo ahora

S = N·(2·π·X2·R02 + 2·π·R02) = N·π·R02·(2·X2 + 2) Por lo cual se modifican los valores del CFU para dar Ri2 = N·R02·(2·X2 + 2)

Re2 = X2·Ri2

Por lo que la sección recta de la pared de la carcasa Mc es

Mc = N·π·R02·(2·X4 -2)

Y sumando la que se tenía de las paredes de los tubos

MCFU = N·π·R02·(2·X4 + 2X2 -4)

A la cual hay que afectar con la corrección de la altura, dando

MCFU = N·π·R02·(2·X4 + 2X2 -4)/21/2

Aunque este valor es siempre más pequeño que Minvención, la relación entre ellos es más próxima, sobre todo para bajos valores de X (y solo tiende a 1,41 cuando la X tiende a infinito, lo cual carece de sentido físico, pues difícilmente, por no decir nunca, pasará X de un valor 2; para el cual la razón entre Minvención y MCFU vale 1,29. Para valores más propios de la ingeniería habitual, con X=1,1 la razón dicha vale 1,19; sube a 1,20 para X=1,2; y sube a 1,22 para X=1,3. Es decir, el montaje de la invención usa un 20% más material que la opción convencional, pero es enormemente más simple y barata, no exigiendo las grandes inversiones de la fabricación de piezas grandes de gran espesor y posibilitando mayor flexibilidad de operación.

Quedaría por comparar de manera más exacta las prestaciones térmicas de uno y otro montaje, así como sus estructuras soporte y cimentación, pero se escapan del marco de la invención.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1 – 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.

2 – 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).

3 – 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.

4 – 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.

5 – 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.

6 -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,

10 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