ES2842423T3 - Intercambiador de calor de carcasa y tubos - Google Patents

Abstract

Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) que tiene una geometría cilíndrica y que comprende una primera cámara de presión (12) y una segunda cámara de presión (14) conectadas a una placa de tubos común (16) en lados opuestos, en donde la primera cámara de presión (12) está provista de al menos una boquilla de entrada (28) para ingresar un primer fluido y de al menos una boquilla de salida (30) para sacar el primer fluido, en donde la segunda cámara de presión (14) está provista de al menos una primera boquilla (46) para la entrada o salida de un segundo fluido y de al menos una segunda boquilla (48) para la salida o entrada, respectivamente, del segundo fluido, en donde la placa de tubos (16) está conectada a un haz de tubos alojado en la primera cámara de presión (12) y que comprende una pluralidad de tubos de intercambio en forma de U (18) a través de los cuales fluye el segundo fluido para realizar indirectamente el intercambio de calor con el primer fluido, en donde cada tubo de intercambio en forma de U (18) está provisto de una primera porción (18A) y de una segunda porción (18B), en donde la primera porción (18A) y la segunda porción (18B) de cada tubo de intercambio en forma de U (18) están conectadas hidráulicamente mediante una curva en U (20), en donde la primera cámara de presión (12) contiene al menos una camisa de guiado interior (24) que tiene una geometría cilíndrica o pseudocilíndrica y que se extiende a lo largo del eje longitudinal principal de dicha primera cámara de presión (12), rodeando dicha al menos una camisa de guiado interior (24) dicha primera porción (18A) de cada tubo de intercambio en forma de U (18) por al menos parte de la longitud respectiva de dicha primera porción (18A), estando dicha al menos una camisa de guiado interior (24) conectada de forma estanca, en un primer extremo de la misma, a la placa de tubos (16) mediante unos primeros medios de conexión (38), estando el intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) caracterizado por que la al menos una camisa de guiado interior (24) está abierta en un segundo extremo (52), por lo que habrá una zona al menos parcialmente estancada dentro de la camisa de guiado interior (24), por lo que dicha al menos una camisa de guiado interior (24) está configurada para evitar el primer flujo de fluido a través de dicha primera porción (18A) de cada tubo de intercambio en forma de U (18), por lo tanto, previniendo o reduciendo, la transferencia de calor desde el primer fluido al segundo fluido en dicha primera porción (18A) de cada tubo de intercambio en forma de U (18).

Description

DESCRIPCIÓN

Intercambiador de calor de carcasa y tubos

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a un intercambiador de calor de carcasa y tubos y, más específicamente, a un intercambiador de calor de carcasa y tubos diseñado para funcionar con gases de proceso calientes. Un intercambiador de calor de este tipo está diseñado para enfriar un medio caliente, ya sea mediante un medio refrigerante vaporizante o bien mediante un medio refrigerante no vaporizante con una temperatura cruzada con respecto al medio caliente. Un intercambiador de calor de acuerdo con las características del preámbulo de la reivindicación 1 se describe en el documento EP 0130404.

En la industria de procesos y energía, medios de proceso y trabajo descargados a alta temperatura y presión de reactores químicos, hornos o intercambiadores de calor a menudo deben enfriarse por medio de intercambiadores de calor diseñados específicamente. Estos intercambiadores de calor se caracterizan por configuraciones especiales de intercambio de calor y diseño tecnológico.

El medio caliente descargado de reactores químicos que funcionan en procesos tales como reformado de metano con vapor, síntesis de amoniaco, gasificación de carbón/biomasa, quema de azufre y la oxidación del amoníaco es un ejemplo importante de un medio a alta temperatura y presión que debe enfriarse en un intercambiador de calor especial. La temperatura y la presión del medio caliente pueden oscilar aproximadamente entre 400 °C y 1000 °C y entre 0,3 MPa y 30 MPa, respectivamente. Además, el medio caliente puede dañar los materiales metálicos de construcción comunes debido a algunas especies químicas agresivas como el hidrógeno, nitrógeno, amoniaco, monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno.

Debido a las altas temperaturas y los grandes caudales del medio caliente, una amplia gama de eliminación de calor, de unos pocos a decenas de megavatios, suele ser necesario. Para realizar un enfriamiento tan fuerte, se utilizan intercambiadores de calor especiales para el intercambio de calor indirecto entre el medio caliente y el medio refrigerante.

Dichos intercambiadores de calor reciben varios nombres comunes según el proceso industrial y el medio de enfriamiento. Por ejemplo, una lista no exhaustiva de los intercambiadores de calor más comunes utilizados para enfriar un medio caliente comprende:

- calderas de proceso o calderas de calor residual en caso de que el medio de enfriamiento vaporice agua;

- precalentadores de agua de caldera en caso de que el medio refrigerante sea agua de caldera subenfriada; - sobrecalentadores de vapor en caso de que el medio refrigerante sea vapor;

- calderas de circuito de síntesis en caso de que el medio caliente se descargue de un reactor convertidor de amoniaco y se enfríe mediante vaporización de agua;

- generadores de vapor o evaporadores en caso de vaporización del líquido refrigerante;

- enfriadores de proceso en caso de un medio de enfriamiento genérico.

Los intercambiadores de calor para enfriar medios calientes son frecuentemente del tipo de carcasa y tubo, con el medio caliente fluyendo por el lado de la carcasa o por el lado del tubo, con instalación vertical u horizontal. Los tubos de intercambio pueden ser de diferentes tipos, como tubos rectos, tubos en forma de U o tubos en espiral. El medio caliente y el medio de enfriamiento pueden contactarse indirectamente de acuerdo con diferentes configuraciones, como flujos paralelos, flujos en contracorriente y flujo cruzado, y de acuerdo a un pasaje o a pasajes múltiples.

En el estado de la técnica se conocen muchos intercambiadores de calor del tipo de carcasa y tubos para enfriar un medio a alta temperatura y presión. Algunos ejemplos de estos intercambiadores de calor de tipo carcasa y tubo, con referencia específica a un gas de proceso, se enumeran a continuación.

El documento US 4287944 describe una caldera de gas de proceso vertical en la que un gas de proceso caliente que fluye en el lado de la carcasa intercambia indirectamente calor con agua de vaporización que fluye por el lado del tubo y circula bajo tiro natural. El intercambiador es de un pasaje en el lado de la carcasa y dos pasajes en el lado del tubo. La cubierta o carcasa del intercambiador está revestida internamente con un material aislante para proteger las paredes de la carcasa del sobrecalentamiento. El haz de tubos consta de tubos en U conectados a una placa de tubos común, que separa la carcasa del intercambiador de la cámara de agua. La cámara de agua se divide en dos cámaras, una recoge la mezcla de agua y vapor del haz de tubos y la otra libera agua fresca al haz de tubos. El tramo descendente de los tubos en U está provisto de un tubo interior que está en comunicación con la cámara de agua fresca. El tubo interior termina poco antes de la curva en U con un extremo abierto. Tal tubo interior alimenta el haz de tubos con agua fresca.

Se afirma que esta configuración es eficaz para prevenir alteraciones en la circulación natural, ya que la vaporización del agua en el tramo descendente se produce en el anillo entre el tubo en U y el tubo interior, y no en el tubo interior. Por tanto, se afirma que el vapor producido en el espacio anular se descarga en la cámara de agua y vapor en lugar de ser arrastrado a los tubos en U. Por otro lado, esta configuración se caracteriza por dos posibles inconvenientes. En primer lugar, el agua fresca del tubo interior se puede aspirar en el anillo en lugar de proceder en los tubos en U. En segundo lugar, los tubos en U tienen una soldadura intermedia.

El documento US 4010797 describe un intercambiador de calor en el que la carcasa encierra un haz de tubos, preferiblemente con tubos en forma de U, y un revestimiento que forma, junto con la carcasa, un espacio anular y que rodea la mayor porción del haz de tubos. Un gas de proceso caliente fluye por el lado de la carcasa y el medio de enfriamiento, preferiblemente vapor o agua, fluye en el lado del tubo. Una boquilla de entrada de gas caliente está instalada lejos de la placa de tubos y está en comunicación con el haz de tubos. El gas caliente fluye primero a través del haz de tubos en un solo pasaje y luego, después de la refrigeración, sale del haz de tubos y fluye hacia atrás en el espacio. Por consiguiente, la placa de tubos y la carcasa no están en contacto con el gas caliente de entrada. Sin embargo, el intercambiador no es capaz de manejar un cruce de temperatura entre los dos medios, o no es adecuado para vaporizar agua bajo circulación natural.

El documento EP 2482020 describe un intercambiador de calor, especialmente diseñado para enfriar un gas de proceso, con el medio caliente en el lado del tubo y el medio de enfriamiento en el lado de la carcasa. El intercambiador tiene tubos en forma de U, con tubos internos instalados en los tramos del tubo en forma de U que ingresan el medio caliente por una longitud parcial del tramo. Se afirma que el diseño del intercambiador mantiene la placa de tubos a una temperatura de funcionamiento moderada.

El documento US 4561496 describe un intercambiador de calor de gas de proceso en el que un gas caliente que fluye por el lado del tubo se enfría a través del agua de vaporización que circula por el lado de la carcasa. La carcasa está dividida en dos cámaras por paredes internas. Una cámara contiene agua de vaporización y la otra cámara contiene agua subenfriada. Como consecuencia, en el lado de la carcasa, dos corrientes de enfriamiento diferentes cruzan el haz de tubos. Las paredes internas parten la carcasa para rodear un juego de tramos de los tubos en forma de U. El conjunto de tramos rodeado indirectamente intercambia calor de gas caliente a agua subenfriada, mientras que la porción restante de los tubos intercambia calor indirectamente del gas caliente al agua de vaporización.

El documento US 4907643 describe un supercalentador de vapor de gas de proceso con tubos en forma de U, en el que el gas de proceso caliente fluye por el lado de la carcasa y el vapor frío fluye por el lado del tubo. El lado de la carcasa está provisto de una cubierta de guiado (revestimiento) que se extiende la mayor parte del haz de tubos y forma un espacio entre la carcasa y el revestimiento, para mantener el proyectil barrido por el gas enfriado que sale del revestimiento. El intercambiador tiene un pasaje de intercambio de calor en el lado de la carcasa y dos pasajes de intercambio de calor en el lado del tubo. El intercambiador puede funcionar correctamente si no hay un cruce de temperatura entre el medio frío y el caliente.

El documento US 5915465 describe un supercalentador de vapor de gas de proceso en el que el gas de proceso caliente y el vapor frío fluyen por el lado de la carcasa y el lado del tubo, respectivamente. El haz de tubos consta de tubos en forma de U y el intercambio de calor se obtiene con dos pasajes tanto en el lado de la carcasa como en el lado del tubo. Por medio de camisas de guiado internas que transportan el gas caliente a lo largo de un camino tortuoso, los dos medios se contactan indirectamente en configuración de contracorriente pura o co-corriente pura. El gas enfriado barre la carcasa antes de salir del intercambiador; no obstante, una porción de la placa de tubos se expone al gas caliente de entrada.

El documento WO 2017/001147 describe un intercambiador de calor de gas de proceso en el que el gas de proceso caliente fluye por el lado de la carcasa y el medio de enfriamiento fluye por el lado de los tubos. La carcasa está equipada internamente con una camisa de guiado, rodeando la mayor parte del haz de tubos, que forma un espacio entre la carcasa y la camisa. En tal espacio, el gas enfriado se transporta después del enfriamiento. El haz de tubos consta de tubos de tipo bayoneta.

El documento EP 1610081 describe un intercambiador de calor, especialmente diseñado para enfriar un gas de proceso mediante el sobrecalentamiento del vapor, en el que el medio caliente fluye por el lado del tubo y el medio refrigerante fluye por el lado de la carcasa. El intercambiador tiene dos haces de tubos concéntricos, compuesto por tubos en forma de U, fabricados con diferentes materiales. En el lado de la carcasa, las camisas de guiado definen dos áreas parcialmente separadas, en el que un área trabaja a alta temperatura y es relevante para uno de los dos haces de tubos, y la otra área trabaja a baja temperatura y es relevante para el otro haz de tubos. El intercambiador es de dos pasajes en el lado de la carcasa y de cuatro pasajes en el lado del tubo. El intercambiador puede no ser adecuado en caso de que los dos medios tengan una temperatura cruzada y el medio caliente de entrada esté en contacto con la placa de tubos.

El documento US 3749160 describe un intercambiador de calor para el tratamiento térmico de gas, en el que el gas a tratar puede fluir por el lado del tubo o por el lado de la carcasa. El intercambiador tiene tubos en forma de U y un manto, instalado internamente en la carcasa, que rodea la mayor parte del haz de tubos y que forma un espacio anular con la carcasa. El manto tiene ambos extremos abiertos. El gas del lado de la carcasa entra en el manto aproximadamente a la mitad de la longitud del haz de tubos y se divide en dos porciones que cruzan el haz de tubos en direcciones opuestas. Las dos porciones salen de los dos extremos de la carcasa y fluyen en el espacio hacia la boquilla del lado de la carcasa de salida. Cuando el gas del lado de la carcasa es el más caliente y debe enfriarse, por lo tanto, la carcasa es barrida por el gas enfriado. El intercambiador tiene un pasaje de intercambio de calor en el lado de la carcasa y dos pasajes de intercambio de calor en el lado del tubo. Es posible que el intercambiador no funcione correctamente si los dos medios tienen una temperatura cruzada.

Otros intercambiadores de calor relevantes, particularmente adecuados para enfriar un metal líquido caliente o un fluido caliente proveniente de un reactor nuclear, se describen en la literatura abierta. Por ejemplo, el documento US 3187807 describe un intercambiador de calor vertical que comprende principalmente un recipiente a presión, un haz de tubos de dos pasajes, dos placas de tubo separadas para cada pasaje de tubo, instalado en la parte superior del recipiente, y dos deflectores, extendiéndose a lo largo de los tubos y dispuestos concéntricamente, formando una cámara interior y una exterior de modo que el primer y el segundo pasaje de tubo se coloquen en las cámaras interior y exterior respectivamente. El medio caliente fluye por el lado de la cámara exterior y el medio refrigerante fluye por el lado del tubo. Dado que la entrada de medio caliente se encuentra en la parte superior del recipiente, la transferencia de calor de medios calientes y fríos se produce a través de contraflujo o flujo cruzado. Con tal configuración, la placa de tubo del segundo pasaje de tubo y una parte superior del recipiente están en contacto con el medio caliente de entrada, lo que puede dar lugar a un diseño problemático en caso de altas temperaturas de entrada.

El documento US 3545536 describe un intercambiador de calor de carcasa y tubos con tubos en forma de U, en el que los medios calientes y refrigerantes fluyen por el lado de la carcasa y el lado del tubo, respectivamente. El intercambiador es de dos pasajes tanto en el lado del tubo como en el lado de la carcasa mediante un deflector instalado en la carcasa formando dos secciones, una para el primer pasaje de tubo y la otra para el segundo pasaje de tubo. La transferencia de calor desde el lado de la carcasa al lado del tubo se produce a través de un flujo en paralelo. El documento US 3545536 se centra en un dispositivo para proteger la porción de entrada del primer pasaje de tubo del sobrecalentamiento o del flujo de calor elevado debido al impacto perpendicular del medio de entrada del lado de la carcasa sobre los tubos. El dispositivo consiste principalmente en un collar o manguito, montado en cada tubo y de una placa en el que se conectan los manguitos. Por consiguiente, la porción de la placa de tubos y de los tubos de entrada del primer pasaje de tubo no están en contacto directo con el medio caliente del lado de la carcasa de entrada.

El documento US 3437077 describe un generador de vapor de un solo paso de tipo carcasa y tubo, con tubos en forma de U dispuestos concéntricamente, en el que los medios calientes y refrigerantes fluyen por el lado del tubo y por el lado de la carcasa respectivamente. La carcasa está provista de camisas de guiado internas y deflectores que forman dos pasajes en el lado de la carcasa para vaporizar y recalentar en secuencia el medio de enfriamiento. Como se muestra en los documentos anteriores, se puede adoptar un gran conjunto de posibles configuraciones de intercambiadores de calor de carcasa y tubos para enfriar un medio caliente, en particular un gas de proceso caliente. La selección de la configuración del intercambiador de calor, que incluye, entre otros, la selección del lado del medio caliente y el tipo de haz de tubos, depende de varios parámetros y limitaciones. En general, el diseñador suele estar interesado en aumentar el rendimiento de la transferencia de calor, en extender la vida del diseño y en reducir el coste de capital del intercambiador.

En caso de que el medio caliente esté instalado en el lado de la carcasa, un problema importante en el diseño de un intercambiador de calor de carcasa y tubos es evitar el sobrecalentamiento y la corrosión de las paredes de la carcasa. Los documentos de patente anteriores muestran que se pueden adoptar dos soluciones principales: la primera solución consiste en revestir las paredes internas de la carcasa con materiales resistentes al calor (por ejemplo, US 4561496), mientras que la segunda solución consiste en barrer la carcasa por el medio caliente que había sido previamente enfriado (por ejemplo, los documentos US 5915465, US 4907643, WO 2017/001147 y US3749160).

El documento EP 0 130404 A2 describe un intercambiador de calor de múltiples etapas que comprende tubos en forma de U a través de los cuales fluye un medio a calentar o enfriar. Los tubos están conectados por medio de sus extremos abiertos a un disco de tubo y se proyectan en una cubierta cilíndrica, que está dividida en al menos dos espacios separados entre sí por una placa de mamparo respectiva a través de la cual se conducen los tubos de manera estanca. Los espacios se cargan con medios gaseosos y/o líquidos en diferentes estados. Un protector tubular está dispuesto en la cubierta entre los tramos de los tubos que se encuentran radialmente exterior y radialmente interior. Cada placa de mamparo es de construcción anular y está conectada a los tubos por expansión hidráulica.

En cuanto a la selección de los tubos intercambiables, a menudo se prefieren los tubos en forma de U o los tubos de bayoneta, ya que las limitaciones termomecánicas debidas al alargamiento de los tubos se absorben fácilmente. Sin embargo, los tubos en forma de U y los tubos de bayoneta se ven afectados por dos posibles inconvenientes: - implican una configuración de intercambio de calor de múltiples pasajes en el lado del tubo y, por lo tanto, en caso de cruce de temperatura entre medios calientes y fríos, el rendimiento de la transferencia de calor y la estabilidad operativa pueden estar en peligro;

- son sensibles en caso de que el medio refrigerante que fluye por el lado del tubo sea un medio vaporizador, ya que la vaporización puede ocurrir en todos los pasajes del tubo.

Particularmente, más allá de las configuraciones de intercambiadores de calor de carcasa y tubos descritas en los documentos anteriores, dos configuraciones específicas se dan cuenta de que son problemáticas desde el punto de vista del diseño:

A) un medio caliente fluye por el lado de la carcasa, un medio refrigerante vaporizador fluye por el lado del tubo especialmente bajo circulación natural, el haz de tubos es un pasaje por el lado de la carcasa y dos pasajes por el lado del tubo, los tubos de intercambio son de tipo U. Con tal configuración, puede ocurrir vaporización en ambos tramos de los tubos en forma de U. Esto es peligroso, ya que la vaporización en ambos tramos perturba la circulación natural o forzada y por lo tanto puede detener o retrasar el flujo del medio refrigerante con el consiguiente sobrecalentamiento o corrosión de los tubos. Esto es más crítico durante la puesta en marcha, paradas y cambio de cargas operativas;

B) un medio caliente fluye por el lado de la carcasa, un medio refrigerante no vaporizante fluye por el lado del tubo, el haz de tubos es un pasaje en el lado de la carcasa y dos pasajes en el lado del tubo, los tubos intercambiables son de tipo U, se produce un cruce de temperaturas de salida de los medios calientes y refrigerantes, Los medios calientes y fríos no entran en contacto en un flujo a contracorriente puro. Con tal configuración, el cruce de temperatura es difícil de prevenir. Como consecuencia, el rendimiento de transferencia de calor y la estabilidad operativa del intercambiador de calor pueden disminuir significativamente.

Por otro lado, las configuraciones A) y B) son potencialmente interesantes para aplicaciones de intercambio de calor en el que un medio a alta temperatura y presión debe enfriarse como:

- los tubos en forma de U absorben eficazmente el alargamiento térmico durante cualquier carga de estado estable o transitoria;

- la caída de presión de un medio caliente que fluye por el lado de la carcasa se puede ajustar y reducir fácilmente ajustando la geometría del haz de tubos;

- un haz de tubos con un pasaje en el lado de la carcasa implica una geometría simple y bajas caídas de presión; - cuando el medio refrigerante fluye por el lado del tubo, la temperatura de funcionamiento del metal de los tubos generalmente se puede mantener más cercana a la temperatura del medio de enfriamiento, dado que el coeficiente de transferencia de calor del lado del tubo suele ser mucho más alto que el coeficiente de transferencia de calor del lado de la carcasa;

- la vaporización de un medio suele ser más eficiente y estable en el lado del tubo que en el lado de la carcasa debido a un componente de flujo convectivo más grande y una ruta de flujo más simple;

- es competitivo instalar un cruce de temperatura en un solo intercambiador de calor si el cruce no pone en peligro el rendimiento térmico y la estabilidad operativa;

- la presión del medio caliente es a menudo más baja que la del medio refrigerante;

- el medio caliente que fluye por el lado de la carcasa puede confinarse y transportarse mediante una camisa de guiado interior de modo que la carcasa y la placa de tubos sean barridas por el medio caliente después de enfriarse, como se ha descrito en algunos documentos anteriores.

Sumario de la invención

Por lo tanto, un objetivo de la presente invención es proporcionar un intercambiador de calor para equipo de carcasa y tubos que sea capaz de resolver los inconvenientes mencionados anteriormente de la técnica anterior de una manera simple, económica y particularmente funcional.

En detalle, un objetivo de la presente invención es proporcionar un intercambiador de calor de carcasa y tubos para gas de proceso en el que la vaporización, en caso de que el medio de enfriamiento esté en condiciones de saturación o una temperatura cruzada, en caso de medio refrigerante no vaporizante, se evita o al menos se minimiza en al menos una porción de los tubos del haz de tubos.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un intercambiador de calor de carcasa y tubos para gas de proceso que sea capaz de funcionar siempre en condiciones estables y positivas desde un punto de vista termohidráulico.

Estos y otros objetivos se consiguen de acuerdo con la presente invención proporcionando un intercambiador de calor de carcasa y tubos para gas de proceso como se establece en las reivindicaciones adjuntas.

Específicamente, la presente invención se refiere a un intercambiador de calor de carcasa y tubos que tiene una geometría cilíndrica y que comprende una primera cámara de presión y una segunda cámara de presión conectadas a una placa de tubos común en lados opuestos. La primera cámara de presión está provista de al menos una boquilla de entrada para ingresar un primer fluido y de al menos una boquilla de salida para sacar el primer fluido. La segunda cámara de presión está provista de al menos una primera boquilla para la entrada o salida de un segundo fluido y con al menos una segunda boquilla para la salida o entrada, respectivamente, el segundo fluido. La placa de tubos está conectada a un haz de tubos alojado en la primera cámara de presión y que comprende una pluralidad de tubos de intercambio en forma de U a través de los cuales fluye el segundo fluido para realizar indirectamente el intercambio de calor con el primer fluido. Cada tubo de intercambio en forma de U está provisto de una primera porción y de una segunda porción. La primera porción y la segunda porción de cada tubo de intercambio en forma de U están conectadas hidráulicamente mediante una curva en U. La primera cámara de presión contiene al menos una camisa de guiado interior que tiene una geometría cilíndrica o pseudocilíndrica y se extiende a lo largo del eje longitudinal principal de dicha primera cámara de presión. Dicha camisa de guiado interior rodea dicha primera porción de cada tubo de intercambio en forma de U por al menos parte de la longitud respectiva de dicha primera porción. Dicha camisa de guiado interior está conectada de forma estanca, en un primer extremo de la misma, a la placa de tubos por los primeros medios de conexión. La camisa de guiado interior está abierta en un segundo extremo, por lo que habrá una zona al menos parcialmente estancada dentro de la camisa de guiado interior. Por lo tanto, dicha camisa de guiado interior está configurada para evitar el primer flujo de fluido a través de dicha primera porción de cada tubo de intercambio en forma de U, por lo tanto, previniendo o reduciendo, la transferencia de calor desde el primer fluido al segundo fluido en dicha primera porción de cada tubo de intercambio en forma de U.

Las características adicionales de la invención aparecen subrayadas en las reivindicaciones dependientes, que son una parte integral de la presente descripción.

En detalle, una realización preferida del intercambiador de calor de carcasa y tubos para gas de proceso según la presente invención se caracteriza por las siguientes características técnicas:

- proporciona un intercambio de calor indirecto entre un medio caliente y un medio refrigerante;

- es de tipo carcasa y tubo;

- el haz de tubos es un pasaje por el lado de la carcasa y dos pasajes por el lado del tubo;

- los tubos tienen una configuración en forma de U, con los tramos que pueden ser rectos o de cualquier otra forma (como hélice);

- el medio caliente fluye por el lado de la carcasa, mientras que el medio refrigerante fluye por el lado del tubo; - el medio refrigerante es un medio vaporizador que fluye bajo circulación natural o forzada, o un medio no vaporizador que tiene una temperatura de salida superior a la temperatura de salida del medio caliente (temperatura cruzada);

- los medios calientes y refrigerantes no se contactan en una configuración pura a contracorriente;

- en el lado de la carcasa hay dos camisas de guiado que transportan el medio caliente a lo largo de la carcasa; - la primera camisa de guiado del lado de la carcasa, en comunicación con la boquilla de entrada de medio caliente, rodea la mayor parte de la longitud del haz de tubos y la mayor parte de la segunda camisa de guiado del lado de la carcasa;

- la primera camisa de guiado del lado de la carcasa forma un espacio con la carcasa, dicho espacio está en comunicación con el haz de tubos y la boquilla de salida del medio caliente;

- la segunda camisa de guiado del lado de la carcasa, herméticamente conectada a la placa de tubo, rodea total o parcialmente un juego de tramos de los tubos en U y previene, o reduce, el intercambio de calor entre los dos medios para la porción de tramos rodeados;

- idealmente, la disposición del tubo es de tipo concéntrico, con un juego de tramos instalado en una región central circular de la placa de tubos y el otro juego de tramos instalado en una región exterior circular que rodea la región central.

El intercambiador de calor de carcasa y tubos para gas de proceso según la presente invención está concebido para que funcione de forma segura y eficaz cuando se adoptan las configuraciones A) y B) anteriores. De hecho, en la configuración A), cuando se utiliza un medio de vaporización como medio de enfriamiento, especialmente fluyendo bajo la circulación natural, los tramos de los tubos en U de entrada (primer pasaje del tubo) no participan, o participan en menor medida, en el intercambio de calor y, por lo tanto, hay una vaporización insignificante en los tramos de entrada. Como consecuencia, la circulación natural o forzada se instala siempre de forma positiva y constante en el intercambiador de calor. Además, la placa de tubos y la carcasa no están en contacto con el medio caliente de entrada.

En la configuración B), cuando se utiliza un medio no vaporizador como medio refrigerante, cuando los medios calientes y refrigerantes no entran en contacto en una configuración de flujos a contracorriente pura, y cuando la temperatura de salida del medio refrigerante es más alta que la temperatura de salida del medio caliente, que es un cruce de temperatura ocurre dentro del intercambiador, la porción de los tramos de los tubos en U en el que surge el cruce de temperatura no participa, o participa marginalmente, en el intercambio de calor y, por lo tanto, se evita el cruce de temperatura en el haz de tubos. Como consecuencia, la transferencia de calor se mantiene siempre estable y con un rendimiento positivo. Además, la placa de tubos y la carcasa no están en contacto con el medio caliente de entrada.

Breve descripción de los dibujos

Las características y ventajas de un intercambiador de calor de carcasa y tubos para procesar gas de acuerdo con la presente invención serán más claras a partir de la siguiente descripción ejemplificadora y no limitativa, con referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos, en los que:

las figuras 1 y 2 muestran esquemáticamente, en dos condiciones de funcionamiento respectivas, una primera realización del intercambiador de calor de carcasa y tubos según la presente invención;

las figuras 3 y 4 muestran esquemáticamente, en dos condiciones de funcionamiento respectivas, una segunda realización del intercambiador de calor de carcasa y tubos según la presente invención;

la figura 5 es una vista en sección transversal obtenida en una porción media del intercambiador de calor de carcasa y tubos de cualquier figura 1 a 4;

la figura 6 muestra esquemática y parcialmente una tercera realización del intercambiador de calor de carcasa y tubos según la presente invención;

la figura 7 muestra esquemática y parcialmente una cuarta realización del intercambiador de calor de carcasa y tubos según la presente invención;

las figuras 8A-8^c muestran esquemáticamente tres realizaciones respectivas de una de las camisas de guiado del intercambiador de calor de carcasa y tubos de acuerdo con la presente invención;

la figura 9 muestra esquemáticamente el intercambiador de calor de carcasa y tubos de las figuras 1 y 2, provisto de un diseño diferente de sus componentes internos; y

la figura 10 muestra esquemáticamente el intercambiador de calor de carcasa y tubos de las figuras 3 y 4, provisto de un diseño diferente de sus componentes internos.

Descripción detallada de la realización preferida

Con referencia a las figuras, se muestran algunas realizaciones del intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 según la presente invención. El intercambiador de calor 10 tiene una geometría cilindrica y comprende una primera cámara de presión 12 y una segunda cámara de presión 14 conectadas a una placa de tubos común 16 en lados opuestos. La placa de tubos 16 está conectada a un haz de tubos que comprende una pluralidad de tubos de intercambio 18 en forma de U alojados en la primera cámara de presión 12. Cada tubo 18 en forma de U está provisto de una primera porción o tramo 18A y de una segunda porción o tramo 18B. El primer tramo 18A y el segundo tramo 18B de cada tubo 18 en forma de U están conectados hidráulicamente mediante una curva en U 20. El primer tramo 18A y el segundo tramo 18B de cada tubo 18 en forma de U pueden ser rectos o de otra forma (como una hélice). Ambos extremos de cada tubo 18 en forma de U están conectados a la placa de tubos 16.

Un primer fluido, es decir, un medio caliente, desciende hacia la primera cámara de presión 12, también llamado "carcasa", y un segundo fluido, es decir, el medio de enfriamiento, fluye hacia la segunda cámara de presión 14, que también se llama "canal". La segunda cámara de presión 14 está en comunicación con el tubo en forma de U 18. En otras palabras, el medio caliente fluye por el lado de la carcasa y el medio refrigerante fluye por el lado del tubo. El intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 está configurado para guiar el primer fluido a través de una porción del haz de tubos antes de entrar en contacto con la placa de tubos 16. El intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 está configurado para guiar el primer fluido a través de al menos una porción de los segundos tramos 18B del haz de tubos antes de entrar en contacto con la placa de tubos 16. De este modo, el intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 está configurado para guiar el primer fluido de modo que una porción de calor se intercambie entre el primer fluido y el segundo fluido antes de que el primer fluido entre en contacto con la placa de tubos 16. El primer fluido se admite en la primera cámara de presión 12 en un punto de modo que el primer fluido fluye hacia la placa de tubos 16 intercambiando al menos una porción de calor con el segundo fluido.

La primera cámara de presión 12 está provista de una o más boquillas de entrada de medio caliente 28 y de una o más boquillas de salida de medio caliente 30. Las boquillas de entrada 28 y salida 30 están situadas lejos de la placa de tubos 16, preferiblemente cerca o después de las curvas en U 20. Que el primer fluido sea un medio caliente o un medio más cálido significa que el primer fluido está más caliente que el segundo fluido cuando se alimenta al intercambiador de calor, es decir, el primer fluido está más caliente cuando se alimenta al intercambiador de calor que el segundo fluido cuando se alimenta al intercambiador de calor. En otras palabras, el primer fluido está más caliente cuando ingresa al intercambiador de calor a través de la boquilla de entrada 28 que el segundo fluido cuando ingresa al intercambiador de calor a través de la primera boquilla 46 o la segunda boquilla 48. El segundo fluido es un medio refrigerante y también se puede denominar medio frío. Que el segundo fluido sea un medio frío o un medio más frío significa que el segundo fluido es más frío que el primer fluido cuando se alimenta al intercambiador de calor. El segundo fluido es más frío cuando se alimenta al intercambiador de calor que el primer fluido cuando se alimenta al intercambiador de calor. En otras palabras, el segundo fluido es más frío cuando entra al intercambiador de calor a través de la primera boquilla 46 o la segunda boquilla 48 que el primer fluido cuando entra al intercambiador de calor a través de la boquilla de entrada 28.

La primera cámara de presión 12 contiene al menos una camisa de guiado exterior 22 y al menos una camisa de guiado interior 24. Cada camisa de guiado exterior 22 e interior 24 tiene una geometría cilíndrica o pseudocilíndrica y se extiende a lo largo del eje longitudinal principal de la primera cámara de presión 12. La camisa de guiado exterior 22 se extiende hasta o después de las curvas en U 20. La primera cámara de presión 12 también contiene una pluralidad de deflectores o rejillas 26 que, junto con los tubos del intercambiador 18, forma el haz de tubos.

La camisa de guiado exterior 22 y la primera cámara de presión 12 forman un espacio 32 entre ellos. El espacio 32 está en comunicación con la boquilla de salida del medio caliente 30. La camisa de guiado exterior 22 rodea tanto una porción de longitud, preferiblemente más largo, es decir, una porción de longitud mayor, del haz de tubos y una porción de longitud, preferiblemente más largo, es decir, una porción de longitud mayor, de la camisa de guiado interior 24. La porción de longitud del haz de tubos rodeada por la camisa de guiado exterior 22 comprende preferiblemente las curvas en U 20. La camisa de guiado exterior 22 rodea preferiblemente una porción longitudinal del haz de tubos que incluye las curvas en U 20. La camisa de guiado exterior 22, en un primer extremo del mismo que está de espaldas y lejos de la placa de tubos 16, está en comunicación con la boquilla de entrada de medio caliente 28 por medio de un conducto de conexión 34 y recibe el medio caliente de la boquilla de entrada 28 en un lado opuesto de las curvas en U 20 al lado en el que el haz de tubos está conectado a la placa de tubos 16 o cerca de las curvas en U 20. En este contexto, la introducción del medio caliente en la camisa de guiado exterior 22 en un lado opuesto de las curvas en U 20 al lado en el que el haz de tubos está conectado a la placa de tubos 16 implica que la entrada del medio caliente en el haz de tubos no ocurre entre las curvas en U 20 y la placa de tubos 16. La camisa de guiado exterior 22, en un segundo extremo de la misma que está enfrente y cerca de la placa de tubos 16, tiene una abertura 36 que está en comunicación con el espacio 32. La camisa de guiado exterior 22 puede configurarse para guiar el primer fluido a través de una porción del haz de tubos antes de entrar en contacto con la placa de tubos 16. El conducto de conexión 34, que conecta la boquilla de entrada 28 con la camisa de guiado exterior 22, puede configurarse para guiar el primer fluido a través de una porción del haz de tubos antes de entrar en contacto con la placa de tubos 16.

La porción de unión entre la boquilla de entrada 28 y el conducto de conexión 34 de la camisa de guiado exterior 22 está preferiblemente sellada. Por el contrario, si no se proporciona sellado, se puede proporcionar la camisa de guiado exterior 22, cerca del conducto de conexión 34, con un dispositivo regulador (no mostrado) para desviar intencionalmente una cantidad específica del medio caliente desde la boquilla de entrada 28 al espacio 32. Tal derivación es útil para controlar la temperatura del medio caliente en la boquilla de salida 30.

La camisa de guiado interior 24 rodea totalmente el conjunto de los primeros tramos de los tubos en U 18A en dirección azimutal (circular) y rodea en la dirección longitudinal dicho conjunto de los primeros tramos de los tubos en U 18A en al menos parte de su longitud respectiva. Más específicamente:

- en caso de que el medio refrigerante sea un fluido de vaporización que fluye por circulación natural, la camisa de guiado interior 24 total o casi totalmente, rodea el juego de primeros tramos 18A, es decir, los tramos 18A de los tubos 18 por en el que entra el medio refrigerante (primer pasaje del tubo);

- en caso de que el medio refrigerante sea un fluido vaporizador que fluye bajo circulación forzada, la camisa de guiado interior 24 rodea total o parcialmente el conjunto de primeras tramos 18A, es decir, los tramos 18A de los tubos 18 por en el que entra el medio refrigerante (primer pasaje del tubo);

- en caso de que el medio refrigerante sea un fluido no vaporizante, la camisa de guiado interior 24 rodea parcialmente el conjunto de primeros tramos 18A, es decir, los tramos 18A de los tubos 18 por en el que sale el medio refrigerante (segundo pasaje de tubo).

La camisa de guiado interior 24, en un primer extremo del mismo que está enfrente y cerca de la placa de tubos 16, está conectado de forma estanca a dicha placa de tubo 16 mediante primeros medios de conexión 38. La camisa de guiado interior 24 tiene un segundo extremo 52 que está de espaldas y lejos de la placa de tubos 16.

La camisa de guiado interior 24 está abierta en el segundo extremo 52, en cuyo caso habrá una zona al menos parcialmente estancada dentro de la camisa de guiado interior 24, lo que reduce el intercambio de calor entre el segundo fluido en los primeros tramos 18A y el primer fluido.

La segunda cámara de presión 14 contiene una segunda camisa de guiado de la cámara de presión 40 que separa la segunda cámara de presión 14 en una primera sección 42 y una segunda sección 44 que no se comunican directamente entre sí. La segunda cámara de presión 14 también está provista de al menos una primera boquilla 46 para la entrada o salida del medio refrigerante y de al menos una segunda boquilla 48 para la salida o entrada del medio refrigerante. La segunda camisa de guiado de la cámara de presión 40 está conectada a la placa de tubos 16 o a un conjunto de tramos de tubos en U 18A y 18B mediante segundos medios de conexión 50. Como resultado, cada sección 42 y 44 de la segunda cámara de presión 14 está en comunicación con un conjunto de tramos de tubos en U 18A o 18B.

Preferentemente, el diseño del tubo 18 es de tipo concéntrico como se muestra en la figura 5, con los primeros tramos 18A dispuestos en una porción central circular de la placa de tubos 16 ("centro" 64, ver figura 5) y con los segundos tramos 18B dispuestos en una porción circular que rodea la porción central de dicha placa de tubos 16 ("corona" 66, véase la figura 5). Según tal disposición de tubo preferida, Se puede adoptar preferiblemente la siguiente configuración del intercambiador de calor 10:

- la camisa de guiado interior 24 está instalada concéntricamente dentro de la primera cámara de presión 12 y rodea los primeros tramos 18A conectadas al "centro" de la placa de tubos 16 independientemente del medio de enfriamiento. En consecuencia, los primeros tramos 18A representan el primer pasaje de tubo en caso de medio refrigerante vaporizante y el segundo pasaje de tubo en caso de medio refrigerante no vaporizante;

- la camisa de guiado exterior 22 está instalada concéntricamente dentro de la primera cámara de presión 12 y rodea la mayor parte del haz de tubos y la mayor parte de la camisa de guiado interior 24;

- las dos secciones 42 y 44 de la segunda cámara de presión 14 están dispuestas concéntricamente en dicha segunda cámara de presión 14, en el que una primera sección interior 42 está en comunicación fluida con los primeros tramos 18A y una segunda sección exterior 44 está en comunicación fluida con los segundos tramos 18B;

- en caso de vaporización del medio refrigerante, el medio refrigerante entra en la sección interior 42 desde una primera boquilla 46 de la segunda cámara de presión 14, luego dicho medio de enfriamiento entra en los primeros tramos 18A (primer pasaje de tubo), fluye a lo largo de los tubos 18, salidas de los segundos tramos 18B (segundo pasaje de tubo), entra en la sección exterior 44 y luego sale de la segunda boquilla 48 de la segunda cámara de presión 14;

- en el caso de un medio refrigerante no vaporizante, el medio refrigerante entra en la sección exterior 44 desde la segunda boquilla 48 de la segunda cámara de presión 14, luego dicho medio refrigerante entra en los segundos tramos 18B (primer pasaje de tubo), fluye a lo largo de los tubos 18, sale de los primeros tramos 18A (segundo pasaje de tubo), entra en la sección interior 42 y luego sale de la primera boquilla 46 de la segunda cámara de presión 14.

En caso de que el medio de enfriamiento sea un medio de vaporización que fluya en circulación natural, el intercambiador de calor 10 está dispuesto preferiblemente en una posición vertical (refiriéndose al eje longitudinal principal de su carcasa), con el haz de tubos orientado hacia abajo. De lo contrario, el intercambiador de calor 10 puede ser vertical u horizontal independientemente de la orientación del haz de tubos.

En el lado de la carcasa (es decir, el lado medio caliente), el intercambiador de calor 10 mostrado la figura 1 funciona en la siguiente manera. El medio caliente entra en la camisa de guiado exterior 22 desde la boquilla de entrada 28, luego fluye a lo largo de la camisa de guiado exterior 22 hacia la placa de tubos 16 cruzando los tubos en U 18, excepto por la porción de dichos tubos en U 18 rodeados por la camisa de guiado interior 24, según la trayectoria del flujo definida por los deflectores o rejillas 26. A lo largo del haz de tubos, el medio caliente libera calor indirectamente al medio refrigerante que fluye por los tubos en U 18, excepto por la porción de dichos tubos en U 18 rodeados por la camisa de guiado interior 24. Por tanto, se contacta con los dos medios según:

- una configuración en corriente paralela pura, o casi pura, en caso de vaporización del medio refrigerante en circulación natural;

- una configuración en corriente paralela pura, o casi pura, o ambas configuraciones en corriente paralela o contracorriente en caso de vaporización del medio refrigerante en circulación forzada;

- configuraciones tanto en corriente paralela como en contracorriente paralela en el caso de un medio refrigerante no vaporizante cuya temperatura de salida sea superior a la temperatura de salida del medio caliente.

Cerca de la placa de tubos 16, el medio caliente sale de la camisa de guiado exterior 22 por la abertura 36, hace un giro en U, entra en el espacio 32 y luego fluye hacia la boquilla de salida 30, desde el que sale dicho medio caliente del intercambiador de calor 10. El medio caliente que sale de la abertura 36 se ha enfriado. Por tanto, las porciones de la placa de tubos 16 y la primera cámara de presión 12, que están en contacto con el medio caliente, son barridos por el medio caliente enfriado. En caso de que se omita una cantidad de medio caliente de entrada antes de cruzar el haz de tubos, esta cantidad de medio caliente de entrada se mezcla con el medio caliente enfriado que fluye en el espacio 32 antes de salir por la boquilla de salida 30.

En el lado del tubo (es decir, el lado del medio refrigerante), el intercambiador de calor 10 funciona de la siguiente manera. En una primera condición de funcionamiento (figura 1), el medio de enfriamiento es un medio de vaporización que fluye bajo circulación natural. El intercambiador de calor 10, a veces llamado evaporador de proceso, generador de vapor, caldera de gas de proceso o caldera de calor residual dependiendo del medio caliente y refrigerante, está preferentemente, en una posición vertical, con el haz de tubos dirigido hacia abajo. En el caso de la disposición concéntrica preferida de los tubos en U 18, como se muestra en la figura 5, el medio de enfriamiento vaporizador en condiciones de saturación, o casi en condiciones de saturación, está en fase líquida y entra en la sección interior 42 de la segunda cámara de presión 14 desde la primera boquilla 46. Los primeros tramos 18A de los tubos en U de la porción central 64 de la placa de tubos 16 están en comunicación con la sección interior 42, mientras que los segundos tramos 18B de los tubos en U de la "corona" o porción periférica 66 de la placa de tubos 16 están en comunicación con la sección exterior 44 de la segunda cámara de presión 14.

El medio de enfriamiento vaporizante en la sección interior 42 entra en los primeros tramos 18A de los tubos en U (primer pasaje del tubo) y fluye hacia abajo bajo circulación natural. La camisa de guiado interior 24 total, o casi totalmente, rodea los primeros tramos 18A de los tubos en U para evitar o reducir, la transferencia de calor del medio caliente al medio refrigerante y, por lo tanto, para evitar la vaporización en los primeros tramos 18A de los tubos en U. En un segundo extremo 52 de la camisa de guiado interior 24, el medio de enfriamiento vaporizador abandona la porción rodeada de los primeros tramos 18A de los tubos en U y comienza a intercambiar calor con el medio caliente. Pronto, el medio de enfriamiento vaporizador tiene un giro en U en las curvas en U 20, luego se mueve naturalmente hacia arriba en los segundos tramos 18B (segundo pasaje de tubo) en el que ocurre el enfriamiento del medio caliente por vaporización.

Como es conocido, un fluido líquido y su mezcla de líquido y vapor a la misma temperatura de saturación tienen diferentes densidades. Esta diferencia es la fuerza impulsora de la circulación natural. La mezcla de dos fases que sale de los segundos tramos 18B se descarga en la sección exterior 44 de la segunda cámara de presión 14 y luego sale del intercambiador de calor 10 desde la segunda boquilla 48. La primera 46 y la segunda 48 boquillas de la segunda cámara de presión 14 se pueden conectar a un equipo separado y elevado (no mostrado), comúnmente llamado tambor de líquido y vapor, que proporciona la carga estática necesaria para la circulación natural, para la separación de líquido y vapor y para el depósito de líquido en caso de parada.

Dado que los primeros tramos de los tubos en U 18A son adiabáticos, o casi adiabáticos, no se produce una vaporización significativa en el primer pasaje del tubo y, por lo tanto, no se altera la circulación natural. El intercambiador de calor 10 trabaja siempre en condiciones estables y positivas desde el punto de vista termohidráulico.

En una segunda condición de funcionamiento (figura 1), el medio de enfriamiento es un medio de vaporización que fluye bajo circulación forzada. Una vez más, el intercambiador de calor 10 está preferiblemente en posición vertical, con el haz de tubos dirigido hacia abajo. En el caso de la disposición concéntrica preferida de los tubos en U 18, como se muestra en la figura 5, el medio de enfriamiento vaporizador en condiciones de saturación, o casi en condiciones de saturación, entra en la sección interior 42 desde la primera boquilla 46 en fase líquida. Los primeros tramos 18A de los tubos en U de la porción central 64 de la placa de tubos 16 están en comunicación con la sección interior 42, mientras que los segundos tramos 18B de los tubos en U de la "corona" o porción periférica 66 de la placa de tubos 16 están en comunicación con la sección exterior 44 de la segunda cámara de presión 14.

El medio refrigerante vaporizador en la sección interior 42 entra en los primeros tramos 18A de los tubos en U (primer pasaje del tubo) y fluye hacia abajo bajo circulación forzada. La camisa de guiado interior 24 total o parcialmente, rodea los primeros tramos de los tubos en U 18A para prevenir o reducir, la transferencia de calor del medio caliente al medio refrigerante y, por lo tanto, para evitar la vaporización en la porción rodeada de los primeros tramos de los tubos en U 18A. En un segundo extremo 52 de la camisa de guiado interior 24, el medio de enfriamiento vaporizador abandona la porción rodeada de los primeros tramos 18A de los tubos en U y comienza a intercambiar calor con el medio caliente. Cuando el medio refrigerante vaporizador llega a las curvas en U 20, tiene un giro en U y se mueve hacia arriba en los segundos tramos de los tubos en U 18B (segundo pasaje del tubo). La mezcla de líquido y vapor que sale de los segundos tramos de los tubos en U 18B se descarga en la sección exterior 44 de la segunda cámara de presión 14 y luego sale del intercambiador de calor 10 desde la segunda boquilla 48. También en esta segunda condición de funcionamiento, la primera 46 y la segunda 48 boquillas de la segunda cámara de presión 14 pueden conectarse a un equipo separado, comúnmente llamado tambor de líquido y vapor, que permite la separación de líquido y vapor y un depósito de líquido en caso de parada.

Dado que los primeros tramos de los tubos en U 18A son adiabáticos o parcialmente adiabáticos, la vaporización en el primer pasaje del tubo se elimina o se reduce. Esto tiene un efecto positivo sobre la circulación forzada ya que el líquido en el primer pasaje del tubo contribuye a la corriente de aire natural. Tal contribución es más importante, o incluso esencial, en caso de fallo del dispositivo de bombeo o durante transitorios.

En una tercera condición de funcionamiento (figura 2), el medio refrigerante es un medio no vaporizador que, en la salida del intercambiador de calor (primera boquilla 46), tiene una temperatura superior a la temperatura del medio caliente de salida (es decir, se produce un cruce de temperatura). El medio refrigerante puede ser agua subenfriada, vapor o cualquier otro fluido en fase vapor o líquida. En esta condición de funcionamiento, el intercambiador de calor 10 puede denominarse comúnmente precalentador de agua, sobrecalentador o enfriador de vapor, respectivamente. En el caso de la disposición concéntrica preferida de los tubos en U 18, como se muestra en la figura 5, el medio de enfriamiento entra en la sección exterior 44 desde la segunda boquilla 48, y luego entra en los segundos tramos de los tubos en U 18B (primer pasaje de tubo). El medio refrigerante fluye a lo largo de los segundos tramos de los tubos en U 18B, tiene un giro en U en las curvas en U 20 y luego fluye en los primeros tramos de los tubos en U 18A (segundo pasaje del tubo). El medio refrigerante intercambia calor indirectamente con el medio caliente a lo largo de los segundos tramos de los tubos en U 18B y, en el caso de una camisa de guiado interior 24 que se extiende a lo largo de una parte de la longitud de los primeros tramos 18A, también una porción de los primeros tramos 18A hasta la camisa de guiado interior 24. Posteriormente, en la porción de tubo 18 entre el segundo extremo 52 de la camisa de guiado interior 24 y la placa de tubo 16, los primeros tramos de los tubos en U 18A no contribuyen al intercambio de calor entre los dos medios. La temperatura del medio refrigerante en el segundo extremo 52 de la camisa de guiado interior 24 es igual o inferior a la temperatura del medio caliente en este punto del haz de tubos. Por tanto, se evita el cruce de temperatura. Como resultado, incluso si la temperatura del medio refrigerante es superior a la temperatura del medio caliente en la salida del intercambiador de calor y el intercambiador de calor no tiene una configuración pura en contracorriente, se evita el cruce de temperatura a lo largo del haz de tubos y, por lo tanto, el intercambiador de calor funciona siempre con un rendimiento estable y positivo desde el punto de vista térmico.

En las figuras 3 y 4 se muestra esquemáticamente una segunda realización del intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 para gas de proceso según la presente invención. Esta segunda realización del intercambiador de calor 10 es casi idéntica a la primera descrita anteriormente, excepto por:

- la camisa de guiado exterior 22 tiene los dos extremos abiertos;

- el medio caliente de entrada se admite en la camisa de guiado exterior 22 en un punto entre la placa de tubos 16 y las curvas en U 20, por ejemplo, en un punto dentro de una región a medio camino entre la placa de tubos 16 y las curvas en U 20;

- el medio caliente se divide en dos partes a través del haz de tubos.

Las boquillas de entrada 28 y salida 30 de la primera cámara de presión 12 están situadas en dicha primera cámara de presión 12, preferiblemente entre la placa de tubos 16 y las curvas en U 20, por ejemplo, en una región a medio camino entre la placa de tubos 16 y las curvas en U 20. El primer extremo 54 de la camisa de guiado exterior 22, es decir, el extremo de la camisa de guiado exterior 22 que mira hacia afuera y lejos de la placa de tubos 16, está así provisto de una abertura 54 que está en comunicación con el espacio 32.

En el lado de la carcasa (es decir, el lado medio caliente), el intercambiador de calor 10 mostrado la figura 3 funciona en la siguiente manera. El medio caliente de entrada entra en la camisa de guiado exterior 22, desde la boquilla de entrada 28 y por medio del conducto de conexión 34, en un punto que se encuentra entre la placa de tubos 16 y las curvas en U 20. Dado que la camisa de guiado exterior 22 está provista de dos aberturas 36 y 54, la entrada del medio caliente se divide en dos porciones, fluyendo respectivamente hacia la primera abertura (superior) 36 y la segunda abertura (inferior) 54 de la camisa de guiado exterior 22. Ambas porciones de fluido cruzan el haz de tubos, en direcciones opuestas, e intercambian calor con el medio refrigerante que fluye en el lado del tubo, excepto por la porción de tubos 18 rodeada por la camisa de guiado interior 24. Las dos porciones de fluido que salen de la primera abertura (superior) 36 y la segunda abertura (inferior) 54 se enfrían, luego hacen un giro en U y entran en el espacio 32 y ambas porciones se mueven hacia la boquilla de salida 30. Por lo tanto, se contacta con dos medios según: - configuraciones tanto en corriente en paralelo como en contracorriente en caso de que el medio de enfriamiento vaporizante fluya bajo circulación natural o forzada;

- configuraciones tanto en corriente paralela como en contracorriente paralela en el caso de un medio refrigerante no vaporizante cuya temperatura de salida sea superior a la temperatura de salida del medio caliente.

La camisa de guiado exterior 22, cerca del conducto de conexión 34 con la boquilla de entrada 28, se puede sellar o no. Si no está sellado, se puede proporcionar la camisa de guiado exterior 22, cerca del conducto de conexión 34, con un dispositivo regulador (no mostrado) para desviar intencionalmente una cantidad específica del medio caliente desde la boquilla de entrada 28 al espacio 32. Un dispositivo de derivación de este tipo es útil para controlar la temperatura del medio caliente en la boquilla de salida 30.

En el lado del tubo (es decir, el lado del medio refrigerante), el intercambiador de calor 10 mostrado en las figuras 3 y 4 funciona de la misma manera que la primera realización del intercambiador de calor 10 mostrado en las figuras 1 y 2, respectivamente.

En un aspecto, el intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 tiene una configuración de un pasaje en el haz de tubos. En un aspecto, el intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 tiene una configuración de dos pasajes en el lado del tubo. El haz de tubos puede ser de un pasaje en el lado de la carcasa. El primer fluido puede fluir a través del haz de tubos mediante un pasaje. El haz de tubos puede ser de dos pasajes por el lado del tubo. El segundo fluido puede fluir a través del haz de tubos en dos pasajes.

En un aspecto, dicho primer fluido y dicho segundo fluido no están en contacto de acuerdo con una configuración pura de flujos en contracorriente.

En un aspecto, el medio de enfriamiento es un medio de vaporización introducido en el intercambiador de calor 10 en, o cerca de, condiciones de saturación y fluyendo bajo circulación natural o forzada.

En un aspecto, el medio de enfriamiento es un medio no vaporizador y la temperatura en la salida del intercambiador de calor 10 está por encima de la temperatura del medio caliente en la salida del intercambiador de calor 10.

En la figura 6, se muestra esquemática y parcialmente una tercera realización del intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 para gas de proceso según la presente invención. En esta realización, las curvas en U 20 de los tubos en forma de U 18, conectado a los primeros tramos 18A y los segundos tramos 18B de dichos tubos 18, están rodeados por una camisa de guiado terminal 56 alojada en la primera cámara de presión 12. La camisa de guiado terminal 56 evita, o reduce, el medio caliente fluye a través de las curvas en U 20. La camisa de guiado terminal 56 tiene preferiblemente la forma de una cubierta parcialmente esférica o parcialmente pseudoesférica, como una carcasa semiesférica. La camisa de guiado terminal 56 puede estar provista de una o más capas aislantes adicionales, también de un tipo "intercalada". La camisa de guiado terminal 56 se puede adoptar tanto en caso de que deba evitarse la vaporización del medio de enfriamiento en las curvas en U 20, como en caso de que exista riesgo de vibraciones de dichas curvas en U 20 debido al flujo del medio caliente.

En la figura 7 se muestra esquemática y parcialmente una cuarta realización del intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 para gas de proceso según la presente invención. En esta realización, se instala una válvula de derivación 68 en un conducto de derivación 70 obtenido en el conducto de conexión 34 entre la boquilla de entrada 28 y la camisa de guiado exterior 22. La válvula de derivación 68 está configurada para suministrar directamente al espacio 32 al menos una parte 72 del fluido que entra por la boquilla de entrada 28. En otras palabras, dicha parte 72 del fluido no entra en la camisa de guiado exterior 22, mientras que es mezclado, en la válvula de derivación 68, con otra parte 74 de fluido saliendo de dicha camisa de guiado exterior 22 y fluyendo a través del espacio 32.

En las figuras 8A-8C se muestran esquemáticamente tres realizaciones respectivas de la camisa de guiado interior 24. Más específicamente, en la figura 8A, la camisa de guiado interior 24 está provista de una capa aislante 58 en al menos parte de su superficie, preferiblemente la superficie interna del mismo, es decir, la superficie que mira hacia los primeros tramos 18A de los tubos en U rodeada por dicha camisa de guiado interior 24. De este modo, la superficie interna de la camisa de guiado interior 24 es la superficie que mira hacia la primera porción 18A de cada tubo de intercambio 18 en forma de U rodeada por dicha camisa de guiado interior 24. En la figura 8B, la camisa de guiado interior 24 está provista de una pared doble, es decir, con su propia primera pared y una segunda pared 60. La primera pared y la segunda pared 60 están dispuestas a una distancia entre sí. La camisa de guiado interior está dispuesta con su propia primera pared mirando hacia fuera y con la segunda pared 60 interna mirando hacia los primeros tramos 18A de los tubos en U rodeadas por dicha camisa de guiado interior 24, formando un espacio entre las dos paredes en el que se evita el flujo del medio caliente. De este modo, la camisa de guiado interior 24 puede estar provista de una primera pared orientada hacia afuera y con una segunda pared interna 60 enfrentada a la primera porción 18A de cada tubo de intercambio en forma de U 18 rodeada por la camisa de guiado interior 24. En la figura 8C, la camisa de guiado interior 24 está provista tanto de la capa aislante 58 como de la segunda pared 60 en una configuración "intercalada", es decir, con la capa aislante 58 interpuesta entre la primera pared de la camisa de guiado interior 24 y la segunda pared 60 de la misma. De este modo, la camisa de guiado interior 24 puede estar provista tanto de una capa aislante 58 en al menos parte de su superficie como de una primera pared y una segunda pared 60, en el que dicha capa aislante 58 está interpuesta entre dicha primera pared y dicha segunda pared 60, es decir, en una configuración "intercalada". Así mismo, la camisa de guiado interior 24 puede estar provista de una capa aislante 58 en al menos parte de su superficie interna, y con una primera pared mirando hacia afuera y una segunda pared interna 60 enfrentada a dicha primera porción 18A de cada tubo de intercambio en forma de U 18 rodeado por dicha camisa de guiado interior 24, en el que dicha capa aislante 58 está interpuesta entre dicha primera pared exterior y dicha segunda pared interior 60, es decir, en una configuración "intercalada". Estas tres formas de realización básicas alternativas de la camisa de guiado interior 24 pueden reducir o eliminar la transferencia de calor del medio caliente al medio refrigerante debido a una posible conducción o radiación.

En las figuras 9 y 10 se muestran dos versiones alternativas respectivas de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos de las figuras 1 a 4. La diferencia consiste en el hecho de que la camisa de guiado exterior 22 y el espacio 32 se sustituyen por al menos una capa 76 de un material aislante (refractario) que se extiende a lo largo del eje longitudinal mayor de la primera cámara de presión 12. La capa 76 de un material aislante rodea tanto una porción de longitud, preferiblemente más largo, del haz de tubos y una porción de longitud, preferiblemente más largo, de la camisa de guiado interior 24. La capa 76 de un material aislante puede rodear una porción de longitud mayor del haz de tubos. La capa 76 de un material aislante puede rodear una porción de longitud mayor, de la camisa de guiado interior 24. La capa 76 de un material aislante protege así la primera cámara de presión 12 del medio caliente.

Por último, todas las realizaciones del intercambiador de calor 10 pueden estar provistas de soportes estructurales 62 y otros equipos, como bocas de inspección y boquillas de instrumentos, que no se incluyen en el ámbito de protección de la presente invención.

Por lo tanto, se ve que el intercambiador de calor de carcasa y tubos de acuerdo con la presente invención logra los objetos descritos anteriormente.

El intercambiador de calor de carcasa y tubos de la presente invención concebido de este modo es susceptible en cualquier caso de numerosas modificaciones y variantes, encontrándose todas dentro del mismo concepto inventivo; adicionalmente, todos los detalles pueden sustituirse por elementos técnicamente equivalentes. En la práctica, los materiales usados, así como las formas y dimensiones, pueden ser de cualquier tipo de acuerdo con los requisitos técnicos.

El ámbito de protección de la invención está por lo tanto definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) que tiene una geometría cilindrica y que comprende una primera cámara de presión (12) y una segunda cámara de presión (14) conectadas a una placa de tubos común (16) en lados opuestos, en donde la primera cámara de presión (12) está provista de al menos una boquilla de entrada (28) para ingresar un primer fluido y de al menos una boquilla de salida (30) para sacar el primer fluido, en donde la segunda cámara de presión (14) está provista de al menos una primera boquilla (46) para la entrada o salida de un segundo fluido y de al menos una segunda boquilla (48) para la salida o entrada, respectivamente, del segundo fluido, en donde la placa de tubos (16) está conectada a un haz de tubos alojado en la primera cámara de presión (12) y que comprende una pluralidad de tubos de intercambio en forma de U (18) a través de los cuales fluye el segundo fluido para realizar indirectamente el intercambio de calor con el primer fluido, en donde cada tubo de intercambio en forma de U (18) está provisto de una primera porción (18A) y de una segunda porción (18B), en donde la primera porción (18A) y la segunda porción (18B) de cada tubo de intercambio en forma de U (18) están conectadas hidráulicamente mediante una curva en U (20), en donde la primera cámara de presión (12) contiene al menos una camisa de guiado interior (24) que tiene una geometría cilíndrica o pseudocilíndrica y que se extiende a lo largo del eje longitudinal principal de dicha primera cámara de presión (12), rodeando dicha al menos una camisa de guiado interior (24) dicha primera porción (18A) de cada tubo de intercambio en forma de U (18) por al menos parte de la longitud respectiva de dicha primera porción (18A), estando dicha al menos una camisa de guiado interior (24) conectada de forma estanca, en un primer extremo de la misma, a la placa de tubos (16) mediante unos primeros medios de conexión (38), estando el intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) caracterizado por que la al menos una camisa de guiado interior (24) está abierta en un segundo extremo (52), por lo que habrá una zona al menos parcialmente estancada dentro de la camisa de guiado interior (24), por lo que dicha al menos una camisa de guiado interior (24) está configurada para evitar el primer flujo de fluido a través de dicha primera porción (18A) de cada tubo de intercambio en forma de U (18), por lo tanto, previniendo o reduciendo, la transferencia de calor desde el primer fluido al segundo fluido en dicha primera porción (18A) de cada tubo de intercambio en forma de U (18).

2. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) tiene una configuración de un pasaje sobre el haz de tubos en el lado de la carcasa, preferiblemente, el intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) tiene una configuración de dos pasajes en el lado del tubo.

3. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que la primera boquilla de entrada de fluido (28) y la primera boquilla de salida de fluido (30) están situadas lejos de la placa de tubos (16), preferiblemente cerca o después de las curvas en U (20), o situado en dicha primera cámara de presión (12) entre la placa de tubos (16) y las curvas en U (20), preferiblemente en una región a medio camino entre la placa de tubos (16) y las curvas en U (20), por lo que el intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) está configurado para guiar el primer fluido a través de una porción del haz de tubos antes de entrar en contacto con la placa de tubos (16).

4. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la primera cámara de presión (12) también contiene al menos una camisa de guiado exterior (22) que tiene una geometría cilíndrica o pseudocilíndrica y que se extiende a lo largo del eje longitudinal principal de dicha primera cámara de presión (12), rodeando dicha al menos una camisa de guiado exterior (22) tanto una porción longitudinal del haz de tubos como una porción longitudinal de la al menos una camisa de guiado interior (24).

5. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que dicha al menos una camisa de guiado exterior (22) y la primera cámara de presión (12) forman un espacio (32) en el medio, estando dicho espacio (32) en comunicación con la primera boquilla de salida de fluido (30).

6. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado por que dicho al menos una primera camisa de guiado exterior (22), en un primer extremo de la misma que está de espaldas a la placa de tubos (16), está en comunicación con la primera boquilla de entrada de fluido (28) por medio de un conducto de conexión (34), mientras que dicha al menos una camisa de guiado exterior (22), en un segundo extremo del mismo que se enfrenta a la placa de tubos (16), tiene una abertura (36) que está en comunicación con dicho espacio (32).

7. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado por que dicho al menos una primera camisa de guiado exterior (22), en un primer extremo de la misma que está de espaldas a la placa de tubos (16), está provisto de una primera abertura (54) que está en comunicación con dicho espacio (32), mientras que dicha al menos una camisa de guiado exterior (22), en un segundo extremo del mismo que se enfrenta a la placa de tubos (16), tiene una segunda abertura (36) que está en comunicación con dicho espacio (32), en donde dicha al menos una camisa de guiado exterior (22) está en comunicación con la primera boquilla de entrada de fluido (28) por medio de un conducto de conexión (34) en un punto situado entre dicha primera abertura (54) y dicha segunda abertura (36).

8. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la primera cámara de presión (12) también contiene al menos una capa (76) de un material aislante que se extiende a lo largo del eje longitudinal principal de dicha primera cámara de presión (12), rodeando dicha al menos una capa (76) de un material aislante tanto una porción longitudinal del haz de tubos como una porción longitudinal de la al menos una camisa de guiado interior (24).

9. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que las curvas en U (20) de los tubos de intercambio en forma de U (18) están rodeadas por una camisa de guiado terminal (56) alojada en la primera cámara de presión (12), estando configurada dicha camisa de guiado terminal (56) para evitar el flujo del primer fluido a través de dichas curvas en U (20).

10. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que la al menos una camisa de guiado interior (24) está provista de una capa aislante (58) en al menos parte de su superficie.

11. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que la al menos una camisa de guiado interior (24) está provista de una primera pared y una segunda pared interna (60) dispuestas a una distancia entre sí.

12. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que la segunda cámara de presión (14) está provista de una segunda camisa de guiado de la cámara de presión (40) que separa dicha segunda cámara de presión (14) en una primera sección (42) y una segunda sección (44) que se comunican no directamente entre sí, en donde dicha segunda camisa de guiado de la cámara de presión (40) está conectada a la placa de tubos (16) o a una de dicha primera porción (18A) o dicha segunda porción (18B) de cada tubo de intercambio en forma de U (18) mediante un segundo medio de conexión (50).

13. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado por que dicha primera sección (42) y dicha segunda sección (44) están dispuestas concéntricamente en dicha segunda cámara de presión (14), en donde dicha primera sección (42) está en comunicación fluida con dicha primera porción (18A) de cada tubo de intercambio en forma de U (18) y dicha segunda sección (44) está en comunicación con dicha segunda porción (18B) de cada tubo de intercambio en forma de U tubo de intercambio (18).

14. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que los tubos de intercambio en forma de U (18) tienen una disposición de tipo concéntrico, en donde las primeras porciones (18A) de dichos tubos de intercambio en forma de U (18) están dispuestas en una porción central circular (64) de la placa de tubos (16) y en donde las segundas porciones (18B) de dichos tubos de intercambio en forma de U (18) están dispuestos en una porción periférica circular (66) de dicha placa de tubos (16) rodeando dicha porción central circular (64).

15. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado por que dicho primer fluido y dicho segundo fluido no están en contacto de acuerdo con una configuración pura de flujos en contracorriente.