ES2930858T3 - Tambor de vapor y líquido para un intercambiador de calor de carcasa y tubos - Google Patents

Abstract

Un intercambiador de calor de carcasa y tubos comprende una carcasa que encierra una pluralidad de tubos en forma de U. Cada tubo está provisto de una primera parte y de una segunda parte. Los extremos abiertos de cada tubo están conectados a una placa de tubos. Una cámara de presión está conectada a la placa de tubos. La cámara de presión contiene una camisa de guía que, en un primer extremo de la misma, está unida herméticamente a la placa de tubos o a las primeras porciones de tubo y, en un segundo extremo de la misma que es opuesto al primer extremo, está abierta. La camisa de guía se divide la cámara de presión en una primera sección y una segunda sección. La primera sección y la segunda sección están en comunicación entre sí por medio del extremo abierto de la camisa guía. El primer tramo está provisto de un nivel de líquido, situado por debajo del extremo abierto, y por tanto de una cámara de vapor, situada por encima del nivel de líquido. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Tambor de vapor y líquido para un 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 que tiene un tambor de vapor y líquido que funciona con circulación natural.

En la industria de transformación y energía suelen enfriarse fluidos calientes mediante intercambiadores de calor en los se produce que la vaporización de un fluido refrigerante por transferencia de calor indirecta entre los fluidos calientes y fríos. La vaporización permite altos coeficientes globales de transferencia de calor y, en consecuencia, reducir la superficie de transferencia de calor y las temperaturas operativas del metal. Los principales ejemplos de estos intercambiadores de calor son las calderas de calor residual o las calderas de gas de proceso, donde se enfría un gas a alta temperatura por vaporización de agua.

Cuando se utiliza un intercambiador de calor para enfriar indirectamente un fluido caliente mediante la vaporización de un fluido refrigerante, para obtener un funcionamiento seguro y estable suele ser necesario proporcionar:

- una circulación continua del fluido refrigerante a través del intercambiador de calor;

- una separación del vapor producido a partir del líquido;

- un volumen de retención del fluido refrigerante, en estado líquido, en caso de apagado de emergencia.

La circulación del fluido refrigerante a través del intercambiador de calor es necesaria para evitar la inertización del vapor, la reducción del rendimiento de la transferencia de calor y un posible sobrecalentamiento. La circulación del fluido refrigerante puede hacerse por tiro natural o forzado. La separación de vapor y líquido suele ser necesaria para operaciones posteriores. El vapor puede utilizarse para fines de proceso o de utilidad, mientras que el líquido suele reinyectarse en el intercambiador de calor. Por último, generalmente es necesario un volumen de retención del fluido refrigerante, en estado líquido, para asegurar una buena humectación de las superficies calientes de intercambio durante una parada de emergencia en la que se produzca una falta de refrigerante.

Con el fin de proporcionar la circulación del fluido refrigerante, para separar las fases de vapor y líquido, así como para lograr un volumen de retención, suele instalarse un tambor de vapor y líquido junto con el intercambiador de calor. Dicho tambor puede ser interno o externo al cuerpo del intercambiador de calor. En caso de que el tambor sea externo al cuerpo del intercambiador de calor, es una cámara de presión separada. Por lo tanto, el tambor se conecta al intercambiador de calor, ya sea por medio de tuberías procedentes de/que se dirigen al intercambiador de calor o por medio de aberturas a través de las paredes de presión comunes al intercambiador de calor y al tambor.

Un tambor de vapor y líquido separado del cuerpo del intercambiador de calor es esencialmente una cámara de presión caracterizada por un nivel de líquido, por al menos una entrada para la mezcla de vapor y líquido procedente del intercambiador de calor, por al menos una salida para el líquido y por al menos una salida para el vapor. Casi siempre, el tambor también está provisto de una entrada de fluido refrigerante fresco, que suele estar en fase líquida, que sustituye al menos una parte de la cantidad de fluido refrigerante que sale del tambor en estado de vapor.

De acuerdo con una configuración común, el tambor está provisto internamente de una o más paredes divisorias que forman al menos dos secciones en el mismo, la primera para la mezcla de vapor y líquido y la segunda para el líquido. La pared divisoria está abierta en el extremo superior. Por lo tanto, las dos secciones están en comunicación a través de la abertura superior de la pared divisoria. La abertura superior actúa como un vertedero y también puede estar provista de dispositivos de separación de vapor y líquido, tales como placas de impacto o ciclones.

La primera sección, o sección de mezcla de vapor y líquido, está en comunicación con los tubos o tuberías procedentes del intercambiador de calor y, por tanto, la primera sección recibe la mezcla de vapor y líquido. La segunda sección, o sección líquida, se caracteriza por un nivel de líquido localizado por debajo del extremo superior de la pared divisoria, o del vertedero, y que está en comunicación con los tubos o tuberías de salida que transportan el líquido hacia el intercambiador de calor o cualquier otro equipo. La mezcla de vapor y líquido descargada al interior de la primera sección del tambor se desplaza hacia el vertedero. En el vertedero, donde pueden instalarse dispositivos de separación para separar mejor el vapor y el líquido, se descargan el vapor y el líquido al interior de la segunda sección. El líquido cae hacia un nivel de líquido, mientras que el vapor se desplaza por encima del nivel de líquido y hacia la conexión de salida de vapor, instalada normalmente en la parte superior de la cámara del tambor. Pueden instalarse dispositivos de separación adicionales en la conexión de vapor de salida o cerca de la misma, para una separación fina de vapor y líquido.

La circulación de la mezcla de vapor y líquido desde el intercambiador de calor hasta el tambor, y la circulación del líquido desde el tambor hasta el intercambiador de calor pueden producirse por tiro natural o forzado. En caso de circulación natural, el tambor se instala en una posición elevada con respecto al intercambiador de calor. La mezcla de vapor y líquido se mueve hacia arriba, desde el intercambiador de calor hasta el tambor, y el líquido se mueve hacia abajo, desde el tambor hasta el intercambiador de calor, debido a la diferencia de densidad de los circuitos ascendente y descendente. La elevación del tambor, con respecto al intercambiador de calor, representa la cabeza estática para la circulación natural.

En la literatura pública se describen muchos tambores de vapor y líquido. Por ejemplo, los documentos US 2372992, US 2402154, US 2420655, US 2550066, US 2806453, US 5061304, y US 4565554 divulgan respectivas realizaciones de los tambores instalados en unidades de generación de vapor donde unos tubos de agua, que reciben indirectamente el calor del fluido caliente y albergan la vaporización del agua, están conectados directamente al tambor. Los tubos de vaporización descargan la mezcla preferentemente en una sección de vapor y agua del tambor, que está separada de la sección de agua del tambor por una o más paredes. La mezcla se trata mediante dispositivos de separación. El agua separada se descarga desde la sección de vapor y agua al interior de la sección de agua del tambor, mientras que el vapor separado se desplaza hasta la parte superior del tambor, hacia la conexión de salida de vapor. La sección de agua del tambor, caracterizada por un nivel de agua, está conectada a grandes tuberías, también denominadas tuberías de flujo descendente, que a menudo se instalan fuera de la cámara de fluido caliente. Las tuberías de flujo descendente llevan el agua del tambor hacia el fondo de los tubos de vaporización o de la caldera.

En particular, el documento US 2372992 describe una caldera de calor residual caracterizada por un tambor superior y un tambor inferior conectados por tubos de vaporización de agua (tubos de flujo ascendente) y tubos de flujo descendente, ambos instalados en una carcasa por la que fluye un gas de combustión caliente. Las tuberías de flujo descendente, que llevan el agua desde el tambor superior al inferior, tienen una transferencia de calor limitada con respecto a los tubos de flujo ascendente.

El documento US 3114353 describe una unidad generadora de vapor que consiste en un generador de vapor vertical de tipo carcasa y tubos, con tubos rectos, con placas de tubos superior e inferior, con una cámara de presión superior conectada a la placa de tubos superior, que actúa como tambor de vapor y líquido, y con una cámara de presión inferior conectada a la placa de tubos inferior, que actúa como una cámara de líquido secundaria o tambor de líquido. La cámara superior, o el tambor de vapor y líquido, tiene una pared interna que forma dos secciones, una sección de vapor y líquido y una sección de líquido caracterizada por un nivel de líquido. La sección de vapor y líquido del tambor superior recoge la mezcla de vapor y líquido directamente desde los tubos de intercambio del generador. La sección de vapor y líquido del tambor superior suministra el líquido al tambor de líquido inferior del generador por medio de una gran tubería de flujo descendente, encerrada en el haz de tubos, provista de un manguito para limitar la ebullición del líquido que fluye hacia la tubería de flujo descendente.

En otra configuración, divulgada en el documento US 2016/0097375, el tambor es una cámara de presión conectada a la placa de tubos de un generador de vapor de carcasa y tubos con tubos de intercambio de tipo bayoneta. El tambor de vapor está dividido internamente en dos secciones por medio de una pared. La primera sección, en comunicación con un paso de tubos, recoge la mezcla de vapor y agua producida en el intercambiador de calor, mientras que la segunda sección, en comunicación con el otro paso de tubos, actúa como depósito de agua y suministra el agua a los tubos del generador de vapor. La mezcla de vapor y agua se transporta desde la primera sección del tambor hasta los dispositivos de separación, instalados dentro de la segunda sección del tambor, mediante una tubería externa a la cámara del tambor de vapor.

El documento US 2373564 describe una caldera vertical de calor residual acuotubular del tipo carcasa y tubos, con dos carcasas conectadas a una placa de tubos común en lados opuestos, y con tubos en U conectados a la placa de tubos. La carcasa inferior alberga los tubos y la superior sirve de depósito de agua y espacio de separación de vapor (tambor). La carcasa superior está provista de un deflector sumergido por el agua presente en la carcasa superior. La carcasa superior se divide en una porción inferior de vapor-agua y una porción superior de vapor, separadas por la interfaz vapor-líquido. El nivel de agua en la carcasa superior es común a los extremos de entrada y salida de los tubos en U.

Sumario de la invención

El objetivo principal de la presente invención es, por tanto, proporcionar una realización alternativa de un intercambiador de calor de carcasa y tubos que tiene un tambor de vapor y líquido, que sea capaz de:

- recoger la mezcla de vapor y líquido producida en los tubos del intercambiador de calor;

- separar el vapor y el líquido;

- proporcionar un volumen de retención de líquido;

- suministrar el líquido a los tubos del intercambiador de calor;

- funcionar por circulación natural.

Este objetivo se consigue de acuerdo con la presente invención proporcionando un intercambiador de calor de carcasa y tubos que tiene un tambor de vapor y otro de líquido, así como mediante un método para operar un intercambiador de calor de carcasa y tubos, tal como se establece en las reivindicaciones adjuntas.

Específicamente, estos objetivos se consiguen mediante un intercambiador de calor de carcasa y tubos que comprende una carcasa que encierra una pluralidad de tubos en forma de U de un haz de tubos. Cada tubo está provisto de una primera porción de tubo y de una segunda porción de tubo, que están conectadas hidráulicamente por un codo en U. Los extremos abiertos de cada tubo están conectados a una placa de tubos, y los tubos están dispuestos verticalmente y hacia abajo con respecto a dicha placa de tubos. La carcasa 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. Una cámara de presión está conectada a la placa de tubos, en el lado opuesto de la carcasa y por encima de dicha carcasa. La cámara de presión está provista de una pluralidad de boquillas para la entrada y salida de al menos un segundo fluido. Dicho segundo fluido fluye por circulación natural dentro de los tubos, para llevar a cabo indirectamente un intercambio de calor con el primer fluido y lograr la vaporización durante el intercambio de calor. La cámara de presión contiene una camisa de guía que, en un primer extremo de la misma, está unida de forma estanca a la placa de tubos o a las primeras porciones de tubo y, en un segundo extremo opuesto al primero, está abierta. La camisa de guía divide la cámara de presión en una primera sección, que está encerrada por la camisa de guía y está en comunicación con las primeras porciones de tubo, y una segunda sección, que está en comunicación con las segundas porciones de tubo. La primera sección y la segunda sección están en comunicación entre sí por medio del extremo abierto de la camisa de guía. La primera sección tiene un nivel de líquido, situado debajo de dicho extremo abierto, y está provista de una cámara de vapor, situada por encima de dicho nivel de líquido. La primera sección alberga un depósito del segundo fluido que tiene el nivel de líquido.

Estos objetos también se logran mediante un método para operar un intercambiador de calor de carcasa y tubos que comprende una carcasa que encierra una pluralidad de tubos en forma de U de un haz de tubos, en donde cada tubo está provisto de una primera porción de tubo y de una segunda porción de tubo que están conectadas hidráulicamente por un codo en U, en donde los extremos abiertos de cada tubo están conectados a una placa de tubos, y los tubos están dispuestos verticalmente y hacia abajo con respecto a dicha placa de tubos, en donde la carcasa está provista de al menos una boquilla de entrada y de al menos una boquilla de salida, y en donde una cámara de presión está conectada a la placa de tubos en el lado opuesto de la carcasa y por encima de dicha carcasa, estando la cámara de presión provista de una boquilla de entrada de líquido y una boquilla de salida de vapor, en donde la cámara de presión contiene una camisa de guía que, en un primer extremo de la misma, está unida de forma estanca a la placa de tubos o a las primeras porciones de tubo y, en un segundo extremo opuesto al primero, está abierta, en donde la camisa de guía divide la cámara de presión en una primera sección, que está encerrada por la camisa de guía y está en comunicación con las primeras porciones de tubo, y una segunda sección, que está en comunicación con las segundas porciones de tubo, en donde la primera sección y la segunda sección están en comunicación entre sí por medio del extremo abierto de la camisa de guía, y en donde la primera sección está provista de una cámara de vapor. El método comprende:

- introducir un primer fluido a través de la boquilla de entrada de la carcasa,

- introducir un segundo fluido a través de la boquilla de entrada de líquido de la cámara de presión,

- obtener un depósito del segundo fluido que tiene un nivel de líquido en la primera sección,

- hacer fluir el segundo fluido por dentro de los tubos bajo circulación natural para llevar a cabo indirectamente un intercambio de calor con el primer fluido y vaporizar el segundo fluido durante el intercambio de calor,

- situar el nivel de líquido del segundo fluido por debajo de dicho extremo abierto en la primera sección, quedando situada la cámara de vapor por encima de dicho nivel de líquido,

- sacar el segundo fluido vaporizado a través de la boquilla de salida de vapor de la cámara de presión,

- sacar el primer fluido a través de la boquilla de salida de la carcasa.

En detalle, una realización preferida del tambor de vapor y líquido para un intercambiador de calor de carcasa y tubos de acuerdo con la presente invención se caracteriza por las siguientes características técnicas:

- el tambor es una cámara de presión conectada a la placa de tubos del intercambiador de calor de carcasa y tubos, en el lado opuesto de la carcasa del intercambiador;

- el intercambiador de calor tiene tubos en forma de U y, preferentemente, tiene dos pasos en el lado de tubos; - el intercambiador de calor tiene una disposición vertical, con un haz de tubos hacia abajo;

- el tambor está dividido en al menos dos secciones, en donde una sección está en comunicación con el primer paso de tubos, mientras que la otra sección está en comunicación con el segundo paso de tubos;

- el fluido caliente y el fluido refrigerante fluyen, respectivamente, por el lado de carcasa y por el lado de tubos del intercambiador de calor;

- el fluido refrigerante recibe indirectamente el calor del fluido caliente;

- el fluido refrigerante se vaporiza durante la transferencia de calor y fluye por circulación natural.

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

Breve descripción de los dibujos

Las características y ventajas de un tambor de vapor y líquido para un intercambiador de calor de carcasa y tubos de acuerdo con la presente invención serán más claras a partir de la siguiente descripción ilustrativa y no limitativa, con referencia al dibujo esquemático adjunto, en la que la figura 1 muestra esquemáticamente una realización preferida de un intercambiador de calor de carcasa y tubos provisto de un tambor de vapor y líquido de este tipo.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Con referencia a la figura, se muestra un intercambiador de calor de carcasa y tubos provisto de un tambor de vapor y líquido de acuerdo con la presente invención. El intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 está provisto de una carcasa 12 que encierra una pluralidad de tubos en forma de U 14 de un haz de tubos. Cada tubo 14 consta de una primera porción o tramo 16 y una segunda porción o tramo 18, ambas conectadas hidráulicamente por medio de un respectivo codo en U 20. Los dos extremos abiertos de cada tubo 14 están conectados a una placa de tubos 22. El haz 14 de tubos, y por tanto el intercambiador 10 de calor, tienen una disposición vertical, con los tubos del haz 14 de tubos dispuestos hacia abajo con respecto a la placa de tubos 22.

Un primer fluido 24, normalmente un fluido caliente, fluye por el lado de carcasa del intercambiador 10 de calor, entrando en la carcasa 12 y saliendo de la carcasa 12 por al menos una boquilla de entrada 26 y por al menos una boquilla de salida 28, respectivamente. Un segundo fluido, normalmente un fluido refrigerante, fluye por el lado de tubos del intercambiador 10 de calor, es decir, por dentro de los tubos 14 del haz de tubos. El intercambiador 10 de calor permite así un intercambio de calor indirecto entre el fluido caliente y el fluido refrigerante. El fluido refrigerante fluye por circulación natural y se vaporiza durante el intercambio de calor. En una realización preferida, el fluido refrigerante es agua y el intercambiador 10 de calor es un generador de vapor.

Una cámara de presión 30, que trabaja como un tambor de vapor y líquido, está conectada a la placa de tubos 22 del intercambiador 10 de calor en el lado opuesto de la carcasa 12, es decir, en el lado opuesto de la placa de tubos 22 al lado en donde los tubos 14 están conectados a la placa de tubos 22, y por encima de dicha carcasa 12. El tambor 30 está provisto de una pluralidad de boquillas 32, 34 y 36 para la entrada y salida del segundo fluido que circula hacia dentro de dicho tambor 30. El intercambiador 10 de calor tiene una configuración de dos pasos en el lado de tubos. El primer paso, es decir el primer tramo 16 de cada tubo 14, recibe el fluido refrigerante, sustancialmente en fase líquida, desde el tambor 30, mientras que el segundo paso, es decir el segundo tramo 18 de cada tubo 14, suministra el fluido refrigerante como una mezcla de vapor y líquido al tambor 30. El segundo fluido entra en la primera porción de tubo 16 en fase líquida y sale de la segunda porción de tubo 18 como una mezcla de vapor y líquido.

El tambor 30 contiene una camisa de guía 38 que, en un primer extremo 40 de la misma, está unida de forma estanca a la placa de tubos 22, o a los primeros tramos 16 de los tubos del haz 14 de tubos, y está conectada hidráulicamente a los primeros tramos 16 (primer paso de tubos) de los tubos del haz 14 de tubos. La camisa de guía 38, en un segundo extremo 42 de la misma que es opuesto al primer extremo 40, está abierta. La camisa de guía 38 divide el tambor 30 en dos secciones 44 y 46. Una primera sección 44, encerrada por la camisa de guía 38, está en comunicación con los primeros tramos 16 (primer paso de tubos) de los tubos del haz 14 de tubos, mientras que una segunda sección 46 está en comunicación con los segundos tramos 18 (segundo paso de tubos) de los tubos del haz 14 de tubos. La primera sección 44 y la segunda sección 46 están en comunicación entre sí por medio del extremo abierto 42 de la camisa de guía 38. La primera sección 44 y la segunda sección 46 comparten una cámara de vapor 50 común situada por encima de la primera sección 44 y la segunda sección 46. La primera sección 44 está provista de un nivel de líquido 48, situado por debajo del extremo abierto 42 de la camisa de guía 38, y por tanto con una cámara de vapor 50, situada por encima del nivel de líquido 48. El segundo fluido en fase líquida presente en la primera sección 44 forma un nivel de líquido 48. El segundo fluido en fase líquida presente en la primera sección 44 forma un depósito 60 de segundo fluido que tiene el nivel de líquido 48. Así, la primera sección 44 alberga un depósito 60 del segundo fluido que tiene el nivel de líquido 48. El depósito 60 es un depósito de líquido, lo que significa que el depósito está compuesto sustancialmente por un segundo fluido líquido, es decir el segundo fluido en fase líquida. El segundo fluido en fase líquida llena parcialmente la primera sección 44, formando un depósito de líquido que tiene el nivel de líquido 48 que, preferentemente, debe ser controlado para el correcto funcionamiento. Por encima del nivel de líquido 48 hay una cámara de vapor 50 formada en la primera sección 44. La cámara de vapor 50 contiene predominantemente un segundo fluido en fase de vapor, pero también gotas de segundo fluido líquido. El nivel de líquido 48 representa la interfaz vapor-líquido entre el depósito de líquido de la primera sección 44 y la cámara de vapor 50. La segunda sección 46 es una cámara de vapor-líquido no provista de un nivel de líquido específico, y por lo tanto no provista de un control de nivel. Como resultado, el depósito de líquido y el nivel de líquido asociado sólo están en comunicación directamente con los primeros tramos 16 y afectan a la circulación en los tubos 16. Una ventaja de esta configuración es que la lectura y el control del nivel de líquido 48 no se ven afectados por el vapor ascendente en los segundos tramos 18 y en la segunda sección 46. La camisa de guía 38 está configurada para separar el segundo fluido en una fase líquida y una fase de vapor en el extremo abierto 42. La primera sección 44 es una sección interior y la segunda sección 46 es una sección exterior. La segunda sección 46 se interpone entre la camisa de guía 38 y el tambor 30. Al estar el nivel de líquido 48 por debajo del extremo abierto 42 de la camisa de guía 38 y, a la inversa, el extremo abierto 42 por encima del nivel de líquido 48, se separa el segundo fluido eficazmente en una fase líquida y una fase de vapor en el extremo abierto 42. La diferencia de densidad entre el segundo fluido líquido presente en la primera sección 44 y el segundo fluido vapor-líquido presente en la segunda sección 46 proporciona una fuerza motriz para la circulación natural dentro de los tubos 14. Además, el segundo fluido líquido presente en la primera sección 44 proporciona una cabeza estática positiva para llevar a cabo la circulación natural del segundo fluido desde la primera sección 44 a la segunda sección 46 a través de los tubos 14. Esto se ve facilitado por la ausencia de una fase líquida pura que forma un depósito con un nivel de líquido en la segunda sección.

El tambor 30 también puede estar provisto de:

- uno o más dispositivos de separación de vapor y líquido 52, instalados en, o cerca de, el extremo abierto 42 de la camisa de guía 38;

- uno o más dispositivos de inyección de líquido 54, configurados para inyectar líquido preferentemente en la primera sección 44 a través de una o más boquillas 32 de entrada, que también pueden denominarse boquillas de entrada de líquido 32;

- uno o más dispositivos de extracción de líquido 56, configurados para extraer el líquido de la primera sección 44 a través de una o más boquillas 34 de salida, que también pueden denominarse boquillas de salida de líquido 34; - uno o más dispositivos de separación de vapor y líquido 58, instalados en la boquilla de salida de vapor 36; - uno o más dispositivos (48) (no mostrados) para medir y controlar el nivel de líquido.

Idealmente, la disposición de los tubos del haz 14 de tubos es de tipo concéntrico, es decir que los primeros tramos 16 (primer paso de tubos) de los tubos del haz 14 de tubos están dispuestos en una zona central circular de la placa de tubos 22, mientras que los segundos tramos 18 (segundo paso de tubos) de los tubos del haz 14 de tubos están dispuestos en una región anular que rodea a los primeros tramos 16. De acuerdo con esta disposición ideal del haz de tubos, la camisa de guía 38 está dispuesta concéntricamente en el tambor 30 y la segunda sección 46 rodea la primera sección 44.

Preferentemente se inyecta fluido refrigerante fresco en la primera sección 44 desde la boquilla de entrada 32, mediante los dispositivos de inyección de líquido 54. La inyección se produce en una ubicación situada debajo del extremo abierto 42 de la camisa de guía 38, preferentemente por debajo del nivel de líquido 48, para que el fluido refrigerante fresco se mezcle con el fluido refrigerante ya presente en la primera sección 44. El líquido de la primera sección 44 cae hacia los primeros tramos 16 (primer paso de tubos) de los tubos del haz 14 de tubos y se desplaza hacia abajo por circulación natural. A lo largo de los tubos en forma de U 14 se produce un intercambio de calor indirecto a partir del fluido caliente 24, que fluye por el lado de carcasa hacia el fluido refrigerante. El fluido refrigerante se vaporiza. La mezcla de vapor y líquido se mueve hacia arriba por los segundos tramos 18 (segundo paso de tubos) de los tubos del haz 14 de tubos, bajo circulación natural, y se descarga en la segunda sección 46. El segundo fluido fluye por circulación natural dentro de los tubos 14, entrando en la primera porción de tubo 16 en fase líquida y saliendo de la segunda porción de tubo 18 como una mezcla de vapor y líquido. La mezcla en la segunda sección 46 se mueve hacia arriba por circulación natural hasta el extremo abierto 42 de la camisa de guía 38. El extremo abierto 42, que puede estar provisto de dispositivos de separación de vapor y líquido 52 para mejorar la separación, actúa como un vertedero para la mezcla. El vapor y el líquido se descargan en la primera sección 44, y concretamente el líquido cae hacia el nivel de líquido 48, mientras que el vapor se mueve en la cámara de vapor 50 hacia la boquilla de salida de vapor 36. El vapor puede purificarse aún más a partir de las gotas de líquido mediante los dispositivos de separación de vapor y líquido 58 adicionales instalados en, o cerca de, la boquilla de salida de vapor 36.

La primera sección 44 del tambor 30 también está provista de dispositivos de extracción de líquido 56 para eliminar una porción de líquido (purga) de la respectiva boquilla 34. La purga suele ser necesaria para mantener un nivel adecuado de concentración de contaminantes, que tiende a aumentar debido a la circulación natural entre el tambor 30 y los tubos del haz 14 de tubos. En condiciones de funcionamiento estables, la cantidad de vapores y purga que salen corresponde a la cantidad total del fluido refrigerante fresco inyectado en el tambor 30.

La primera sección 44 del tambor 30 también está provista de la instrumentación necesaria para supervisar y controlar el nivel de líquido 48. La circulación natural entre el tambor 30 y los tubos del haz 14 de tubos depende de la cabeza estática presentada por el nivel de líquido 48, de la diferencia de densidad entre el líquido que fluye hacia abajo y la mezcla de vapor y líquido que fluye hacia arriba, y de las caídas de presión globales del circuito. El depósito de líquido de la primera sección 44 es también un depósito de líquido para el intercambiador 10 de calor, que proporciona el volumen de retención de líquido necesario en caso de paradas o perturbaciones en las condiciones de funcionamiento.

De acuerdo con un aspecto, la presente invención se refiere a un método para operar un intercambiador de calor de carcasa y tubos 10 que comprende una carcasa 12, que encierra una pluralidad de tubos en forma de U 14 de un haz de tubos, en donde cada tubo 14 está provisto de una primera porción de tubo 16 y de una segunda porción de tubo 18 que están conectadas hidráulicamente por un codo en U 20, en donde los extremos abiertos de cada tubo 14 están conectados a una placa de tubos 22 y los tubos 14 están dispuestos verticalmente y hacia abajo con respecto a dicha placa de tubos 22, en donde la carcasa 12 está provista de al menos una boquilla de entrada 26 y de al menos una boquilla de salida 28, y en donde una cámara de presión 30 está conectada a la placa de tubos 22 en el lado opuesto de la carcasa 12 y por encima de dicha carcasa 12, estando la cámara de presión 30 provista de una boquilla de entrada de líquido 32 y de una boquilla de salida de vapor 36, en donde la cámara de presión 30 contiene una camisa de guía 38 que, en un primer extremo 40 de la misma, está unida de forma estanca a la placa de tubos 22 o a las primeras porciones de tubo 16 y, en un segundo extremo 42 de la misma que es opuesto al primer extremo 40, está abierta, en donde la camisa de guía 38 divide la cámara de presión 30 en una primera sección 44, que está encerrada por la camisa de guía 38 y está en comunicación con las primeras porciones de tubo 16, y una segunda sección 46, que está en comunicación con las segundas porciones de tubo 18, en donde la primera sección 44 y la segunda sección 46 están en comunicación entre sí por medio del extremo abierto 42 de la camisa de guía 38, y en donde la primera sección 44 está provista de una cámara de vapor 50, comprendiendo el método:

- introducir un primer fluido 24 a través de la boquilla de entrada 26 de la carcasa 12,

- introducir un segundo fluido a través de la boquilla de entrada de líquido 32 de la cámara de presión 30, - hacer fluir el segundo fluido por dentro de los tubos 14 bajo circulación natural para llevar a cabo indirectamente un intercambio de calor con el primer fluido 24 y vaporizar el segundo fluido durante el intercambio de calor, - situar un nivel de líquido 48 del segundo fluido por debajo de dicho extremo abierto 42 en la primera sección 44, quedando situada la cámara de vapor 50 por encima de dicho nivel de líquido 48,

- sacar el segundo fluido vaporizado a través de la boquilla de salida de vapor 36 de la cámara de presión 30, - sacar el primer fluido 24 a través de la boquilla de salida 28 de la carcasa 12.

Situar un nivel de líquido 48 del segundo fluido por debajo de dicho extremo abierto 42 de la primera sección 44 puede formularse alternativamente como mantener el nivel de líquido 48 del segundo fluido por debajo de dicho extremo abierto 42 de la primera sección 44. Situar o mantener un nivel de líquido 48 del segundo fluido por debajo de dicho extremo abierto 42 de la primera sección 44 puede llevarse a cabo sacando el segundo fluido a través de una boquilla de salida de líquido 34 de la cámara de presión 30. Situar o mantener un nivel de líquido 48 del segundo fluido por debajo de dicho extremo abierto 42 de la primera sección 44 puede llevarse a cabo introduciendo el segundo fluido a través de una boquilla de entrada de líquido 32 de la cámara de presión 30. Situar o mantener un nivel de líquido 48 del segundo fluido por debajo de dicho extremo abierto 42 de la primera sección 44 puede llevarse a cabo controlando el nivel de líquido 48 mediante instrumentos de nivel adecuados (no mostrados), sacando el segundo fluido a través de la boquilla de salida de líquido 34 y/o introduciendo el segundo fluido a través de la boquilla de entrada de líquido 32. El segundo fluido está sustancialmente líquido cuando se tiene o se mantiene a un nivel de líquido por debajo del extremo abierto, así como cuando sale por la boquilla de salida de líquido 34.

El método puede comprender una de las etapas siguientes o todas ellas, que desde el punto de vista pedagógico deben llevarse a cabo en el orden presentado, pero en la práctica el método es un proceso continuo:

- Introducir (o descargar) del segundo fluido en la primera sección 44 a través de la boquilla de entrada de líquido 32. El segundo fluido está sustancialmente líquido, es decir sustancialmente en fase líquida, al entrar (o ser descargado) en la primera sección 44.

- Obtener un depósito 60 del segundo fluido con el nivel de líquido 48 en la primera sección 44. El depósito 60 está alojado en la primera sección 44.

- Hacer fluir el segundo fluido por dentro de los tubos 14 bajo circulación natural. Esto puede llevarse a cabo descargando el segundo fluido desde la primera sección 44 hacia la primera porción de tubo 16s. El segundo fluido está sustancialmente líquido, es decir sustancialmente en fase líquida, cuando se introduce en la primera porción de tubo 16.

- Someter el segundo fluido a un intercambio de calor indirecto con el primer fluido a lo largo de los tubos 14. Por consiguiente, el segundo fluido se vaporiza y forma una mezcla de vapor y líquido del segundo fluido.

- Descargar la mezcla de vapor y líquido del segundo fluido desde los tubos 14, más concretamente desde la segunda porción de tubo 16, en la segunda sección 46.

- Descargar la mezcla de vapor y líquido del segundo fluido en la primera sección 44. De este modo, una porción líquida del segundo fluido, más concretamente de la mezcla de vapor y líquido del segundo fluido, desciende hacia el nivel de líquido 48 y una porción de vapor del segundo fluido se desplaza hacia la cámara de vapor 50. La mezcla de vapor y líquido del segundo fluido se descarga desde la segunda sección 46 hacia la primera sección 44. La mezcla de vapor y líquido del segundo fluido se descarga en la primera sección 44 por el extremo abierto 42 de la camisa de guía 38. La parte líquida cae al interior del depósito 60 del segundo fluido.

- Sacar el segundo fluido vaporizado a través de la boquilla de salida de vapor 36 de la cámara de presión 30. En particular, la porción de vapor del segundo fluido sale a través de la boquilla de salida de vapor 36. La porción de vapor contiene predominantemente el segundo fluido en fase de vapor, pero también puede contener gotas de un segundo fluido líquido.

El intercambiador de calor de carcasa y tubos del método puede ser un intercambiador de calor de carcasa y tubos como el definido anteriormente y puede incluir cualquiera de las características, versiones y realizaciones descritas anteriormente. Por ejemplo, la camisa de guía 38 puede estar dispuesta concéntricamente en la cámara de presión 30 y la segunda sección 46 puede rodear la primera sección 44. Además, la disposición de los tubos del haz 14 de tubos puede ser de tipo concéntrico, es decir las primeras porciones de tubo 16 pueden estar dispuestas en una zona central circular de la placa de tubos 22, mientras que las segundas porciones de tubo 18 pueden estar dispuestas en una región anular que rodea dichas primeras porciones de tubo 16.

Por lo tanto, se demuestra que el intercambiador de calor de carcasa y tubos que tiene un tambor de vapor y de líquido, así como el método para operar un intercambiador de calor de carcasa y tubos de acuerdo con la presente invención, logran el objeto anteriormente descrito.

El intercambiador de calor de carcasa y tubos que tiene un tambor de vapor y líquido, así como el método de la presente invención así concebido, son susceptibles en cualquier caso de numerosas modificaciones y variantes, encontrándose todas dentro del mismo concepto inventivo; además, todos los detalles pueden sustituirse por elementos técnicamente equivalentes. En la práctica, los materiales usados, así como las formas y tamaños, pueden ser de cualquier tipo en función de los requisitos técnicos.

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

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) que comprende una carcasa (12) que encierra una pluralidad de tubos en forma de U (14) de un haz de tubos, en donde cada tubo (14) está provisto de una primera porción de tubo (16) y de una segunda porción de tubo (18) que están conectadas hidráulicamente por un codo en U (20), en donde los extremos abiertos de cada tubo (14) están conectados a una placa de tubos (22) y los tubos (14) están dispuestos verticalmente y hacia abajo con respecto a dicha placa de tubos (22), en donde la carcasa (12) está provista de al menos una boquilla de entrada (26) para introducir un primer fluido (24) y provista de al menos una boquilla de salida (28) para sacar el primer fluido (24), y en donde una cámara de presión (30) está conectada a la placa de tubos (22) en el lado opuesto de la carcasa (12) y por encima de dicha carcasa (12), estando la cámara de presión (30) provista de una pluralidad de boquillas (32, 34, 36) para introducir y extraer al menos un segundo fluido, fluyendo dicho segundo fluido dentro de los tubos (14) por circulación natural, para llevar a cabo indirectamente un intercambio de calor con el primer fluido (24) y lograr la vaporización durante el intercambio de calor, en donde la cámara de presión (30) contiene una camisa de guía (38) que, en un primer extremo (40) de la misma, está unida de forma estanca a la placa de tubos (22) o a las primeras porciones de tubo (16) y, en un segundo extremo (42) de la misma que es opuesto al primer extremo (40), está abierta, en donde la camisa de guía (38) divide la cámara de presión (30) en una primera sección (44), que está en comunicación con las primeras porciones de tubo (16), y una segunda sección (46), que está en comunicación con las segundas porciones de tubo (18), en donde la primera sección (44) y la segunda sección (46) están en comunicación entre sí por medio del extremo abierto (42) de la camisa de guía (38), y en donde la primera sección (44) está configurada para tener un nivel de líquido (48) y está provista de una cámara de vapor (50), situada por encima de dicho nivel de líquido (48), en donde la primera sección (44) está configurada para albergar un depósito (60) del segundo fluido que tiene el nivel de líquido (48), el intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) se caracteriza por que la primera sección (44) está encerrada por la camisa de guía (38) y está configurada de manera que el nivel de líquido (48) se encuentra por debajo de dicho extremo abierto.

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 dos pasos en el lado de tubos, en donde las primeras porciones de tubo (16) están configuradas para recibir el segundo fluido en fase líquida desde la cámara de presión (30) mientras que las segundas porciones de tubo (18) están configuradas para suministrar el segundo fluido, como una mezcla de vapor y líquido, a la cámara de presión (30).

3. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque la cámara de presión (30) está provista de uno o más dispositivos de separación de vapor y líquido (52) instalados en, o cerca del extremo abierto (42) de la camisa de guía (38).

4. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la cámara de presión (30) está provista de uno o más dispositivos de inyección de líquido (54), configurados para inyectar líquido en la cámara de presión (30) a través de una o más boquillas de entrada de líquido (32).

5. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la cámara de presión (30) está provista de uno o más dispositivos de extracción de líquido (56), configurados para extraer líquido de la primera sección (44) a través de una o más boquillas de salida de líquido (34).

6. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la cámara de presión (30) está provista de uno o más dispositivos de separación de vapor y líquido (58) instalados en una boquilla de salida de vapor (36) de la cámara de presión (30).

7. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la cámara de presión (30) está provista de uno o más dispositivos para medir y controlar el nivel de líquido (48).

8. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la disposición de los tubos del haz (14) de tubos es de tipo concéntrico, es decir las primeras porciones de tubo (16) están dispuestas en una zona central circular de la placa de tubos (22), mientras que las segundas porciones de tubo (18) están dispuestas en una región anular que rodea dichas primeras porciones de tubo (16).

9. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la camisa de guía (38) está dispuesta concéntricamente en la cámara de presión (30) y la segunda sección (46) rodea la primera sección (44).

10. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque dicho intercambiador de calor de carcasa y tubos está configurado para que dicho primer fluido (24) que fluye hacia la carcasa (12) sea un fluido caliente y dicho segundo fluido, que fluye hacia dicha cámara de presión (30) y dichos tubos del haz (14) de tubos en forma de U, sea un fluido refrigerante.

11. Intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque dicho intercambiador de calor de carcasa y tubos está configurado para que el segundo fluido sea agua y el intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) es un generador de vapor.

12. Método para operar un intercambiador de calor de carcasa y tubos (10) que comprende una carcasa (12) que encierra una pluralidad de tubos en forma de U (14) de un haz de tubos, en donde cada tubo (14) está provisto de una primera porción de tubo (16) y de una segunda porción de tubo (18) que están conectadas hidráulicamente por un codo en U (20), en donde los extremos abiertos de cada tubo (14) están conectados a una placa de tubos (22) y los tubos (14) están dispuestos verticalmente y hacia abajo con respecto a dicha placa de tubos (22), en donde la carcasa (12) está provista de al menos una boquilla de entrada (26) y de al menos una boquilla de salida (28), y en donde una cámara de presión (30) está conectada a la placa de tubos (22) en el lado opuesto de la carcasa (12) y por encima de dicha carcasa (12), estando la cámara de presión (30) provista de una boquilla de entrada de líquido (32) y una boquilla de salida de vapor (36), en donde la cámara de presión (30) contiene una camisa de guía (38) que, en un primer extremo (40) de la misma, está unida de forma estanca a la placa de tubos (22) o a las primeras porciones de tubo (16) y, en un segundo extremo (42) de la misma que es opuesto al primer extremo (40), está abierta, en donde la camisa de guía (38) divide la cámara de presión (30) en una primera sección (44), que está encerrada por la camisa de guía (38) y está en comunicación con las primeras porciones de tubo (16), y una segunda sección (46), que está en comunicación con las segundas porciones de tubo (18), en donde la primera sección (44) y la segunda sección (46) están en comunicación entre sí por medio del extremo abierto (42) de la camisa de guía (38), y en donde la primera sección (44) está provista de una cámara de vapor (50), comprendiendo el método

- introducir un primer fluido (24) a través de la boquilla de entrada (26) de la carcasa (12),

- introducir un segundo fluido a través de la boquilla de entrada de líquido (32) de la cámara de presión (30), - obtener un depósito (60) del segundo fluido con un nivel de líquido (48) en la primera sección (44),

- hacer fluir el segundo fluido por dentro de los tubos (14) bajo circulación natural para llevar a cabo indirectamente un intercambio de calor con el primer fluido (24) y vaporizar el segundo fluido durante el intercambio de calor, - situar el nivel de líquido (48) del segundo fluido por debajo de dicho extremo abierto (42) en la primera sección (44), quedando situada la cámara de vapor (50) por encima de dicho nivel de líquido (48),

- sacar el segundo fluido vaporizado a través de la boquilla de salida de vapor (36) de la cámara de presión (30), - sacar el primer fluido (24) a través de la boquilla de salida (28) de la carcasa (12).

13. Método de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende descargar el segundo fluido en la primera sección (44), de modo que una porción líquida del segundo fluido descienda hacia el nivel de líquido y una porción de vapor del segundo fluido se desplace hacia dentro de la cámara de vapor (50).

14. Método de acuerdo con las reivindicaciones 12 o 13, en donde el segundo fluido es introducido en la primera sección (44).