ES2935509T3 - Tubo que comprende al menos un segmento torcido de sección elíptica o lobulada para horno de craqueo a vapor - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un tubo (100) para horno de craqueo a vapor que comprende:- al menos un segmento tubular aguas abajo (30) de sección circular y de diámetro principal,- al menos un segmento tubular torcido (20) de longitud inferior a un un cuarto de la longitud del tubo, y que comprende:- una parte central (22) de sección elíptica o lobulada, de paso helicoidal entre una y diez veces el diámetro principal, y una relación de aspecto de la sección elíptica o lobulada entre 0,5 y 0.8,- una parte de transición aguas arriba (21) que establece una transición geométrica entre la parte central (22) y un segmento tubular de sección circular,- una parte de transición aguas abajo (23) que establece una transición geométrica entre la parte central (22) y el segmento tubular aguas abajo (30),un fluido destinado a fluir desde la parte de transición aguas arriba (21) a la parte de transición aguas abajo (23). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Tubo que comprende al menos un segmento torcido de sección elíptica o lobulada para horno de craqueo a vapor Campo de la invención
La presente invención se refiere al campo de los tubos para hornos de craqueo a vapor. Se refiere en particular a un tubo que comprende un segmento torcido de sección transversal elíptica o lobulada.
Antecedentes técnicos de la invención
La mejora de los intercambios de calor en los tubos de los hornos de craqueo a vapor es una preocupación importante. Los hornos de craqueo a vapor generalmente consisten en un conjunto de tubos conectados entre sí por codos como se ilustra en la Figura 1. Por supuesto, el diseño de este conjunto de tubos puede variar de acuerdo con diferentes criterios, presentándose el de la Figura 1 sólo a modo de ejemplo. El fluido (etano, nafta, etc. por ejemplo) y el vapor de agua circulan en este conjunto de tubos y son llevados a altas temperaturas para desencadenar una reacción de craqueo a vapor. Para una temperatura dada de la pared interna de los tubos, cuanto mayor sea el intercambio de calor entre dicha pared y el fluido, mayor será la eficiencia de la reacción.
Sin embargo, las reacciones parásitas son la fuente de un depósito de una capa de coque en la pared interna del conjunto del tubo. El grosor de esta capa aumenta con el tiempo, lo que ensucia los tubos, reduce la transferencia de calor entre la pared del conjunto de tubos y el fluido que fluye y aumenta las pérdidas de carga.
La cinética de formación de coque depende en parte de la temperatura de la pared interna de los tubos. Por lo tanto, existe la ventaja de limitar la temperatura de operación (para limitar la coquización), pero al mismo tiempo aumentar el rendimiento térmico entre los tubos y el fluido para obtener una alta eficiencia de la reacción de craqueo a vapor. Por lo tanto, se han propuesto soluciones que implementan un flujo turbulento porque un flujo de este tipo tiene la ventaja de mejorar el intercambio de calor entre el fluido y las paredes internas del conjunto de tubos. De hecho, el flujo turbulento interrumpe la capa límite dinámica y térmica que se establece convencionalmente a lo largo de las paredes cilíndricas lisas y que afecta negativamente al intercambio de calor. Además, el aumento de la tensión de la pared ligado a un flujo turbulento puede ser favorable para la separación de la capa de coque. Tenga en cuenta, sin embargo, que un flujo en remolino es la fuente de un aumento en las pérdidas de carga en comparación con un flujo sin remolino (se requiere una mayor presión de entrada del fluido), lo que es desfavorable para la eficiencia de la reacción de craqueo a vapor. La mejora de la transferencia de calor entre la pared del tubo y el fluido, combinada con la agitación de este último por el flujo turbulento, permite también obtener una mayor homogeneización de las temperaturas dentro de una sección de paso del tubo. En otras palabras, con un flujo turbulento, no solo la temperatura promedio del fluido es más cercana a la de la pared del tubo, sino que la desviación estándar de la distribución de temperaturas en una sección transversal del pasaje también es menor. La mejora en la homogeneización de las temperaturas es favorable a la selectividad de ciertas especies químicas de alto valor añadido en la reacción de craqueo a vapor y por tanto es un parámetro importante.
El documento EP1561795 propone un conjunto de tubos cuya pared interior comprende unas aletas dispuestas discretamente en trayectoria helicoidal. El documento US2005/0131263 propone una tecnología de tubos que tienen aletas internas que siguen una trayectoria helicoidal. Estos dos enfoques logran un nivel de alto rendimiento de intercambio de calor entre el fluido y el conjunto del tubo, pero a costa de altas pérdidas de carga, intensificadas por el aumento de las superficies de contacto entre el tubo y el fluido.
El documento US7749462 describe un conjunto de tubos con una sección transversal circular, cuyo eje sigue una trayectoria helicoidal de pequeña amplitud. Esta solución, que es favorable al intercambio de calor, tiene el inconveniente de un mayor volumen que un tubo convencional y sigue siendo compleja en términos de fabricación. El documento US6530422 propone insertar una paleta torcida en el conjunto de tubos sobre una longitud determinada de dicho conjunto. Esto permite limitar las pérdidas de carga, pero las mejoras en el rendimiento del intercambio de calor siguen siendo limitadas; además, esta paleta provoca fuertes esfuerzos mecánicos en el tubo debido a la dilatación térmica y conduce a daños durante el funcionamiento.
El documento EP 1 146 105 describe un tubo para un sistema de horno de craqueo a vapor. El documento CN 102735089 describe, en la Figura 1, un tubo que comprende un segmento tubular aguas abajo de sección circular que tiene un diámetro principal, un segmento tubular torcido, y que incluye: una parte central de sección elíptica o lobulada, una parte de transición aguas arriba y un parte de transición aguas abajo.
Objeto de la invención
La presente invención propone una solución alternativa a las soluciones del estado de la técnica. La invención se refiere a un tubo de sección transversal circular, que comprende al menos un segmento tubular torcido de sección
transversal elíptica o lobulada, cuyo segmento tiene una relación de aspecto y un paso helicoidal definidos. Están presentes partes extremas de transición geométrica entre los segmentos de tubo circular y el segmento torcido, para favorecer el intercambio de calor mientras se limitan las pérdidas de carga.
Breve descripción de la invención
La invención se refiere a un tubo para horno de craqueo a vapor que comprende:
- al menos un segmento tubular aguas abajo con una sección transversal circular que tiene un diámetro principal, - al menos un segmento tubular torcido que tenga una longitud inferior a un cuarto de la longitud del tubo, y que incluya:
- una parte central de sección transversal elíptica o lobulada, con un paso helicoidal comprendido entre una y diez veces el diámetro principal, y una relación de aspecto de la sección transversal elíptica o lobulada comprendida entre 0,5 y 0,8,
- una parte de transición aguas arriba que establece una transición geométrica entre la parte central y un segmento tubular de sección transversal circular,
- una parte de transición aguas abajo que establece una transición geométrica entre la parte central y el segmento tubular aguas abajo.
Se pretende que un fluido fluya en el tubo, en la dirección que se extiende desde la parte de transición aguas arriba hasta la parte de transición aguas abajo.
De acuerdo con otras características ventajosas y no limitativas de la invención, tomadas solas o de acuerdo con cualquiera de las combinaciones técnicamente posibles:
• el paso helicoidal de la parte central del segmento tubular torcido está comprendido entre cinco y diez veces el diámetro principal;
• el paso helicoidal de la parte central del segmento tubular torcido es fijo;
• el paso helicoidal de la parte central del segmento tubular torcido es variable entre la parte de transición aguas arriba y la parte de transición aguas abajo;
• el paso helicoidal evoluciona lineal y continuamente entre la parte de transición aguas arriba y la parte de transición aguas abajo;
• la relación de aspecto de la sección transversal elíptica o lobulada está comprendida entre 0,6 y 0,7;
• las partes de transición aguas arriba y/o aguas abajo tienen una longitud comprendida entre el valor del paso helicoidal y la cuarta parte del valor de dicho paso;
• la parte de transición aguas arriba y/o la parte de transición aguas abajo establecen una transición en rotación respectivamente entre la parte central y un segmento tubular de sección circular, y entre la parte central y el segmento tubular aguas abajo;
• la parte de transición aguas arriba y/o la parte de transición aguas abajo establecen una transición lineal en rotación respectivamente entre la parte central y un segmento tubular de sección circular, y entre la parte central y el segmento tubular aguas abajo;
• el segmento tubular torcido tiene una longitud comprendida entre cinco veces el diámetro principal y veinte veces el diámetro principal;
• el tubo comprende al menos un segmento tubular aguas arriba, de sección transversal circular que tiene el diámetro principal, unido a la parte de transición aguas arriba del segmento tubular torcido;
• está presente un segmento tubular torcido para cada sección del tubo que tiene una longitud del orden de cien veces el diámetro principal;
• el tubo tiene un codo en el que está presente al menos un segmento tubular torcido;
• se dispone un segmento tubular torcido en cada extremo del codo;
• el área de la sección transversal del segmento tubular torcido es sustancialmente igual al área de la sección transversal circular del segmento tubular aguas abajo.
Breve descripción de las figuras
Otras características y ventajas de la invención serán reveladas por la descripción detallada de la invención que sigue, con referencia a las figuras adjuntas en las que:
[Figura 1] La Figura 1 muestra un ejemplo de un conjunto de tubos para un horno de craqueo a vapor de acuerdo con el estado de la técnica.
[Figura 2a]
[Figura 2b]
[Figura 2c]Las Figuras 2a, 2b y 2c muestran ejemplos de tubos conforme a la invención, en vista 3D (Figura 2a) o en vistas esquemáticas (Figuras 2b, 2c).
[Figura 3] La Figura 3 muestra una ilustración de la evolución en rotación de la sección transversal de un segmento tubular torcido, comprendido en un tubo conforme a la invención.
[Figura 4] La Figura 4 muestra diferentes ejemplos de secciones transversales elípticas y lobuladas para un segmento tubular torcido, comprendido en un tubo conforme a la invención.
[Figura 5] La Figura 5 muestra un ejemplo de tubo de sección trilobulada, cuya parte central es de paso helicoidal variable, con partes de transición aguas arriba y aguas abajo lineales en rotación.
[Tabla 1] La Tabla 1 muestra resultados de simulaciones para ejemplos de tubos conformes a la presente invención, relativos a la mejora de la transferencia de calor y de homogeneización de temperaturas, y al aumento de pérdidas de carga con respecto a un tubo de referencia, así como a la intensidad del flujo turbulento.
Descripción detallada de la invención
En la parte descriptiva se pueden utilizar las mismas etiquetas de las Figuras para elementos del mismo tipo. Las Figuras son representaciones esquemáticas que, en aras de la legibilidad, no están necesariamente a escala.
La presente invención se refiere a un tubo 100 para un horno de craqueo a vapor. Un tubo 100 de este tipo puede tener diferentes diseños, incluyendo particularmente secciones rectilíneas y secciones curvas, para conectar una entrada de fluido Ef a una salida de fluido Sf. El tubo 100 tiene una longitud total L, típicamente entre la entrada de fluido Ef y la salida de fluido Sf. Tenga en cuenta que se puede usar una pluralidad de tubos 100 para formar un conjunto de tubos 200, del cual se ilustra un ejemplo de diseño en la Figura 1. Ventajosamente, un tubo 100 de acuerdo con la invención está formado por un acero resistente a altas temperaturas y su espesor está comprendido entre 5 y 15 mm.
El tubo 100 de acuerdo con la invención comprende al menos un segmento tubular aguas abajo 30, con una sección transversal circular que tiene un diámetro interior principal D (Figuras 2a, 2b).
Ventajosamente, el tubo 100 también comprende al menos un segmento tubular aguas arriba 10, con una sección transversal circular que tiene el mismo diámetro interior principal D que el segmento tubular aguas abajo 30. Los términos "aguas arriba" y "aguas abajo" se utilizan aquí para expresar la dirección del flujo del fluido en el tubo 100: dicho fluido está destinado a fluir desde el (al menos uno) segmento aguas arriba 10 hacia el (al menos uno) aguas abajo segmento 30. A modo de ejemplo, el diámetro interior principal D puede estar comprendido entre 40 y 200 mm.
Tenga en cuenta que en la entrada de fluido Ef , el tubo 100 podría no comprender un segmento tubular aguas arriba 10 como se muestra en las Figuras 2a y 2b, sino tener el segmento tubular torcido 20 (más cercano a la entrada Ef) conectado directamente a un segmento tubular de sección circular, exterior al tubo 100, previsto en el horno de craqueo a vapor para la llegada del fluido.
El tubo 100 también comprende al menos un segmento tubular torcido 20, situado antes del segmento tubular aguas abajo 30 del tubo 100 y después del segmento tubular aguas arriba 10 cuando está presente (Figura 2a). Lo que aquí se entiende por segmento tubular torcido es un segmento que comparte el mismo eje central de los segmentos tubulares aguas arriba 10 y aguas abajo 30 del tubo 100, pero cuya sección transversal no circular evoluciona a lo largo del segmento en rotación. En el ejemplo de la Figura 3, el segmento tubular torcido 20 tiene una sección transversal elíptica.
El segmento tubular torcido 20 comprende en particular una parte central 22 que tiene una sección transversal elíptica o lobulada, cuyos ejemplos se presentan en la Figura 4. Independientemente de la sección transversal elíptica o lobulada, el paso helicoidal P se define como la distancia necesaria para que una sección transversal inicial (en un extremo de la parte central 22) realice un giro de 360° (Figura 3). El paso helicoidal P de la parte central 22 expresa por tanto la torsión que se ha introducido en el segmento tubular torcido 20 en dicha parte central 22: una intensidad de torsión fuerte corresponde a un paso helicoidal pequeño, una intensidad de torsión débil corresponde a un paso helicoidal grande. De acuerdo con la presente invención, el paso helicoidal P de la parte central 22 del segmento tubular torcido 20 está comprendido entre una y diez veces el diámetro principal D de la sección transversal circular del tubo 100: 1D < P < 10D. Nótese que el paso helicoidal P puede ser fijo o variable sobre la extensión de la parte central 22 del segmento tubular torcido 20. Cuando es fijo, el paso helicoidal P está preferentemente comprendido entre cinco y diez veces el diámetro principal D de la sección transversal circular del tubo 100: 5D < P < 10D.
Alternativamente, el paso helicoidal P de la parte central 22 del segmento tubular torcido 20 puede ser variable desde aguas arriba hasta aguas abajo. En particular, el paso helicoidal P puede evolucionar de forma lineal y continua, preferiblemente decreciente, en la dirección de un aumento aguas abajo de la intensidad de torsión, como por ejemplo de aguas arriba a aguas abajo, como se ilustra por ejemplo en la Figura 5. Un paso helicoidal de este tipo es particularmente ventajoso en el caso de secciones transversales lobuladas, porque mejora el intercambio de calor y permite una gran homogeneización de la distribución de temperaturas dentro de la sección transversal de paso del fluido en la sección transversal tubular retorcida 20.
La parte central 22 también se caracteriza por la relación de aspecto, indicada como RA, de la sección transversal elíptica o lobulada. La relación de aspecto RA se define como la relación entre:
- el diámetro “a” del círculo A inscrito en la sección transversal elíptica o lobulada y que pasa por al menos dos puntos de dicha sección transversal; en particular, el círculo A pasa por dos puntos de la sección transversal elíptica (Figura 4 (a)), por tres puntos de la sección transversal de tres lóbulos (Figura 4 (b)), por cuatro puntos de la sección transversal de cuatro lóbulos (Figura 4 (c)), y más generalmente a través de n puntos de una sección transversal con n lóbulos;
- y el diámetro “b” del círculo B en el que se circunscribe la sección transversal elíptica o lobulada y que pasa por al menos dos puntos de dicha sección transversal.
El diámetro a se denomina “diámetro pequeño a” y el diámetro b se denomina “diámetro grande b”. La relación de aspecto RA es, por lo tanto, la relación entre el diámetro pequeño a y el diámetro grande b: RA = a/b, y está comprendido entre 0,5 y 0,8, preferentemente entre 0,6 y 0,7.
Ventajosamente, en el caso de una sección transversal lobulada, el número de lóbulos está comprendido entre 3 y 6, porque este número de lóbulos permite tener un buen compromiso entre mejorar la transferencia de calor y aumentar las pérdidas de carga. Preferentemente, el número de lóbulos será de 3 o 4. Además de la relación de aspecto RA, las secciones transversales lobuladas se caracterizan por una curvatura entre lóbulos, como se muestra en las Figuras 4b y 4c. Esta curvatura tiene dos parámetros, el primero de los cuales es el ángulo 0 entre los dos extremos de la curvatura que varía entre 0 y 20°; preferiblemente, el ángulo 0 es de 10°. El segundo parámetro es la profundidad de la curvatura y viene determinado por el círculo intermedio C que pasa por los puntos situados al final de la curvatura; el radio del círculo intermedio C es mayor que el radio del círculo inscrito A en un 5 a 10 %.
Ventajosamente, el área de la sección transversal elíptica o lobulada de la parte central 22 del segmento tubular torcido 20 es sustancialmente igual al área de la sección transversal circular del segmento tubular aguas abajo 30 y aguas arriba 10 (si está presente). Lo que se entiende por sustancialmente igual es igual dentro de más o menos el 15 %. La conservación de las áreas de los segmentos de tubo permite limitar el aumento de pérdidas de carga. El segmento tubular torcido 20 también comprende una parte de transición aguas arriba 21 y una parte de transición aguas abajo 23. La parte de transición aguas arriba 21 establece una transición geométrica entre la parte central 22 y un segmento tubular de sección circular (que puede ser un segmento tubular aguas arriba 10 cuando está presente, o por ejemplo un extremo tubular de conexión para la llegada de fluido, exterior al tubo 100). La parte de transición aguas abajo 23, por su parte, establece una transición geométrica entre la parte central 22 y el segmento tubular aguas abajo 30.
Ventajosamente, la parte de transición aguas arriba 21 y/o la parte de transición aguas abajo 23 establecen una transición en rotación entre la parte central 22 y respectivamente los segmentos de sección circular aguas arriba y aguas abajo del segmento torcido 20.
Se entiende por transición en rotación una transición geométrica que conecta la sección transversal elíptica o lobulada de la parte central 22 con la sección transversal circular de los segmentos aguas arriba o aguas abajo, combinada con una intensidad de torsión similar a la de la parte central 22 o con una intensidad que decrece desde la parte central 22 hasta los segmentos con secciones transversales circulares. En otras palabras, las partes de transición 21, 23 ven evolucionar progresivamente la sección transversal elíptica o lobulada (de la parte central 22) hacia una sección transversal circular con el diámetro principal D, mientras experimenta rotación. Esta evolución de la sección transversal elíptica o lobulada hacia una sección transversal circular puede ser lineal o no.
El segmento tubular torcido 20 del tubo 100 de acuerdo con la invención permite desarrollar un flujo turbulento del fluido localmente en el tubo 100, favoreciendo así el intercambio de calor y limitando la coquización. La intensidad de rotación del flujo giratorio generado en el segmento tubular torcido 20 luego disminuye en el segmento tubular aguas abajo 30. En un conjunto de tubos muy largos 200, se pueden disponer varios segmentos tubulares torcidos 20 a lo largo de dicho conjunto para mantener un flujo turbulento, con una intensidad fuerte y luego decreciente, en toda su longitud, como se ilustra por ejemplo en la Figura 2b.
La generación local de un flujo turbulento fuerte y luego decreciente también tiene la ventaja de limitar significativamente las pérdidas de carga.
Además, cuando se implementa una parte de transición aguas arriba 21 con rotación, esto permite establecer progresivamente la rotación del fluido, haciendo que éste pase de un flujo principalmente axial aguas arriba a un flujo principalmente turbulento en la parte central 22 del segmento tubular torcido 20.
Cuando se implementa una parte de transición aguas abajo 23 con rotación, permite soportar la rotación del fluido y hacer que el flujo turbulento dure más en el segmento tubular aguas abajo 30.
Estas transiciones particulares evitan cambios repentinos en las secciones transversales del tubo 100 y participan efectivamente en la reducción de pérdidas de carga.
Preferiblemente, el segmento tubular torcido 20 tiene una longitud limitada en comparación con la longitud total del tubo 100. Típicamente, puede tener una longitud comprendida entre cinco y veinte veces el diámetro principal D. El segmento tubular torcido 20 generalmente tiene una longitud inferior a un cuarto de la longitud del tubo 100. Ventajosamente, su longitud es inferior a la cuarta parte de la suma de las longitudes del segmento tubular aguas arriba 10 y del segmento tubular aguas abajo 30.
Por ejemplo, se puede insertar un segmento tubular torcido 20 para cada sección de tubo 100 que tenga una longitud del orden de cien veces el diámetro principal D, y puede tener aproximadamente una quinta parte de dicha longitud.
De acuerdo con otro ejemplo, para un tubo 100 o un conjunto de tubos 200 que tenga una longitud total de quinientas veces el diámetro principal D, se recomienda la inserción de cinco segmentos tubulares torcidos 20, distribuidos en la longitud total.
Como el segmento tubular torcido 20 tiene una longitud limitada en comparación con la longitud total del tubo 100 o del conjunto de tubos 200, puede ser ventajoso realizar su fabricación, luego ensamblarlo mediante soldadura a diferentes elementos tubulares con una sección transversal circular constituyendo el tubo 100. Alternativamente, un tubo recto podría ser deformado localmente para obtener una sección transversal elíptica o lobulada en rotación formando el segmento tubular torcido 20, entre los segmentos tubulares aguas arriba 10 (si está presente) y aguas abajo 30 con secciones transversales circulares.
Ventajosamente, los segmentos de transición aguas arriba 21 y aguas abajo 23 tienen una longitud Ltr comprendida entre el valor del paso helicoidal P y la cuarta parte del valor de dicho paso P. Preferiblemente, la longitud de las partes de transición aguas arriba 21 y aguas abajo 23 se define como el valor de la mitad de un paso helicoidal P. En el caso de paso helicoidal variable, la longitud Ltr está comprendido ventajosamente entre el valor máximo del paso de hélice y la cuarta parte de dicho valor máximo.
De acuerdo con una primera realización, el tubo 100 comprende una pluralidad de secciones rectilíneas conectadas por uno o más codos (dos secciones conectadas por un codo en el ejemplo ilustrado en la Figura 2b): un segmento tubular torcido 20 se inserta en al menos uno de los segmentos rectilíneos, más ventajosamente en cada uno de los segmentos.
De acuerdo con una segunda realización, el tubo 100 también comprende una pluralidad de secciones rectilíneas conectadas por al menos un codo y al menos un segmento tubular torcido 20 se inserta en el codo. En el ejemplo de la Figura 2c, se dispone un segmento tubular torcido 20 en cada extremo del codo. Un primer segmento aguas abajo 30 (a la izquierda con respecto al eje de simetría del codo) y un segundo segmento aguas arriba 10 (a la derecha con respecto al eje de simetría del codo) forman una parte de codo. Dos segmentos tubulares torcidos 20, uno dispuesto entre el primer segmento aguas arriba 10 y el primer segmento aguas abajo 30 (a la izquierda con respecto al eje de simetría del codo) y el otro dispuesto entre el segundo segmento aguas arriba 10 y el segundo segmento aguas abajo 30 (a la derecha con respecto al eje de simetría del codo), forman una parte de codo complementaria.
Alternativamente, podría implementarse un solo segmento tubular torcido 20, centrado en el eje de simetría del codo y que se extiende sobre todo o parte del codo.
Esta realización es ventajosa porque permite, como mínimo, agrupar las contribuciones del codo y del segmento torcido 20 a las pérdidas de carga. También es probable que reduzca las pérdidas de carga causadas por el propio codo.
Por supuesto, la primera y la segunda realización pueden combinarse insertando segmentos tubulares torcidos 20 en las secciones rectilíneas y/o los codos de un tubo 100 o de un conjunto de tubos 200.
Ejemplos de resultados de simulación:
Se han obtenido simulaciones numéricas de flujos basadas en el software de código abierto OpenFOAM. Las geometrías numéricas de los tubos 100 se han obtenido en base al software CAD (Computer Assisted Design) de código abierto FreeCAD.
Las propiedades termodinámicas del fluido son las del aire en condiciones normales de temperatura y presión. Los parámetros de flujo así como las condiciones límite adoptadas son las mismas que las descritas en el trabajo de Tang y otros ("Experimental and numerical investigation of convective heat transfer and fluid flow in twisted spiral tube", International Journal of Heat and Mass Transfer, 90 (2015), 523-541). Por su parte, el modelado de la turbulencia es ligeramente diferente porque se ha favorecido un enfoque de Bas-Reynolds con un modelo de turbulencia k-w SST (Shear Stress Transport) para resolver las diferentes ecuaciones de flujo y las de la capa límite.
Cabe señalar que el estudio del flujo turbulento no se limita a la zona interior del segmento tubular torcido 20, sino que también se extiende al segmento tubular aguas abajo 30 de sección circular para tener en cuenta la disminución de la intensidad de rotación del flujo.
Se han evaluado diferentes tubos 100, que comprenden un segmento tubular torcido 20 entre los segmentos aguas arriba 10 y aguas abajo 30 con secciones transversales circulares, con respecto a un tubo de referencia ("Ref' en la tabla 1) con una sección transversal totalmente circular: la evaluación se refiere a la mejora de la transferencia de calor, la mejora de la homogeneización de temperaturas y el aumento de las pérdidas de carga respecto al tubo de referencia, así como la intensidad de giro del flujo turbulento. Tenga en cuenta que los resultados que siguen se dan para un número de Reynolds de 10,000.
La Tabla 1 recapitula los diferentes tubos ensayados con una longitud total de 100D (siendo D el diámetro interior de la sección transversal circular de los segmentos aguas arriba 10 y aguas abajo 30, denominado diámetro principal) y el rendimiento esperado para cada uno de ellos.
[Tabla 1]
Recuérdese que el objetivo buscado es mejorar tanto la transferencia de calor como la homogeneización de las temperaturas, limitar al máximo el aumento de las pérdidas de carga con respecto al tubo de referencia y obtener una intensidad de rotación del flujo turbulento tan grande como posible, y en particular lo más cerca posible del 10 %, o incluso más.
Los tubos rotulados #1, #2 y #3 de acuerdo con la invención comprenden un segmento torcido 20 de longitud 20D, con una parte central 22 de sección transversal elíptica y partes de transición aguas arriba 21 y aguas abajo 23 que establecen una transición geométrica respectivamente con las aguas arriba 10 y aguas abajo 30 segmentos tubulares. El paso helicoidal y las relaciones de aspecto de los tubos #1, #2 y #3 se indican en la Tabla 1.
Estos tres ejemplos de tubos permiten mejorar la transferencia de calor entre un 13 % y un 22 % y la homogeneización de temperaturas en las secciones de paso del tubo entre un 4,1 % y un 12,1 % respecto al tubo convencional de sección totalmente circular. Un menor paso helicoidal P (para la misma relación de aspecto RA) favorece un aumento en la transferencia de calor, la homogeneización de temperaturas y la intensidad del flujo turbulento (tubo #2 versus tubo #1); en paralelo, también aumenta significativamente las pérdidas de carga. Al aumentar la relación de aspecto RA, es posible limitar el aumento de las pérdidas de carga, manteniendo un nivel correcto de mejora en la transferencia de calor y en la homogeneización de las temperaturas, y una intensidad del flujo turbulento cercana al 10 % (tubo #3 versus tubo #2).
Los tubos #4, #5, #6, de acuerdo con las realizaciones preferidas de la invención, comprenden un segmento torcido 20 de longitud 20D, con una parte central 22 de sección transversal elíptica y partes de transición aguas arriba 21 y aguas abajo 23 que establecen una transición lineal en rotación respectivamente con los segmentos tubulares aguas arriba 10 y aguas abajo 30. Los pasos helicoidales, las relaciones de aspecto y las longitudes de las partes de transición (aguas arriba 21 y aguas abajo 23 son idénticas) de los tubos #4, #5 y #6 se indican en la Tabla 1.
El uso de las partes de transición aguas arriba 21 y aguas abajo 23 en rotación tiene un efecto muy beneficioso tanto en la transferencia de calor, que presenta un mayor aumento, como en las pérdidas de carga cuyo aumento es más limitado que en el caso de una transición únicamente geométrica (tubos #4,5,6 vs tubo #2). También se mejora la intensidad del flujo turbulento, entre un 11 % y un 12 %.
El segmento torcido 20 provisto de partes de transición aguas arriba 21 y aguas abajo 23 es por lo tanto particularmente favorable para obtener un buen rendimiento energético.
El tubo #7 de acuerdo con la invención comprende un segmento torcido 20 de longitud 20D, con una parte central 22 de sección transversal trilobular y partes de transición aguas arriba 21 y aguas abajo 23 que establecen una transición lineal en rotación respectivamente con las aguas arriba 10 y aguas abajo 30 segmentos tubulares. El paso helicoidal, la relación de aspecto y las longitudes de las partes de transición (aguas arriba 21 y aguas abajo 23 son idénticas) del tubo #7 se indican en la Tabla 1.
La adopción de una sección transversal de paso con tres lóbulos permite un aumento neto de la intensidad del flujo turbulento y se acompaña de una mayor homogeneización de las temperaturas en el tubo (tubo #5 vs tubo #7). Sin embargo, estas mejoras se producen a costa de un aumento considerable de las pérdidas de carga.
Los tubos #8, #9, #10, de acuerdo con las realizaciones preferidas de la invención, comprenden un segmento torcido 20 de longitud 10D, con una parte central 22 de sección trilobular y partes de transición aguas arriba 21 y aguas abajo 23 que establecen una transición lineal en rotación respectivamente con los segmentos tubulares aguas arriba 10 y aguas abajo 30. Los pasos helicoidales, las relaciones de aspecto y las longitudes de las partes de transición (aguas arriba 21 y aguas abajo 23 son idénticas) de los tubos #8, #9 y #10 se indican en la Tabla 1.
La reducción de la longitud del segmento torcido que tiene una sección transversal de tres lóbulos permite reducir significativamente las pérdidas de carga, pasando de un aumento del 123 % al 41 % (tubo #7 vs tubo #8), esto sin impactar significativamente en la mejora de la transferencia de calor. Además, la reducción de la longitud del dispositivo también permite conseguir una economía de material.
La reducción de la relación de aspecto permite un aumento neto de la intensidad del flujo turbulento que provoca una gran mejora en la homogeneización de temperaturas, para un aumento de las pérdidas de carga que sigue siendo moderado (tubo #8 vs tubo #9).
Aumentar la torsión del paso helicoidal de P=5D a P=2D (tubo #8 vs tubo #10) permite obtener tanto una mayor mejora en la transferencia de calor como una mejor homogeneización de temperaturas. Sin embargo, esto se logra a costa de un aumento relativamente alto en las pérdidas de carga.
El tubo #11, de acuerdo con una realización preferida de la invención, comprende un segmento torcido 20 de longitud 10D, con una parte central 22 de sección trilobulada, cuyo recorrido helicoidal varía lineal y continuamente de 5D a 1D. Este tubo también tiene partes de transición aguas arriba 21 y aguas abajo 23 que establecen una transición lineal en rotación respectivamente con los segmentos tubulares aguas arriba 10 y aguas abajo 30. La
relación de aspecto y la longitud de las partes de transición (aguas arriba 21 y aguas abajo 23 son idénticas) del tubo #11 se indican en la Tabla 1.
La adopción de paso helicoidal variable permite un gran aumento en la mejora de la transferencia de calor así como la homogeneización de las temperaturas (tubo #11 vs tubos #8) sin sufrir el mismo costo adverso en las pérdidas de carga que con una hélice estrecha y constante. tono (tubo #11 vs tubo #10).
Por supuesto, la invención no se limita a los modos de implementación y ejemplos descritos, y se le pueden aplicar variantes de realización sin apartarse del alcance de la invención tal como se describe en las reivindicaciones.
Claims (14)
1. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor que comprende:
- al menos un segmento tubular aguas abajo (30) que tiene una sección transversal circular que tiene un diámetro principal (D),
- al menos un segmento tubular torcido (20) que tiene una longitud inferior a la cuarta parte de la longitud del tubo (100), y que comprende:
- una parte central (22) que tiene una sección transversal elíptica o lobulada y un paso helicoidal (P) entre uno y diez veces el diámetro principal (D), y una relación de aspecto (AR) de la sección transversal elíptica o lobulada entre 0,5 y 0,8,
- una parte de transición aguas arriba (21) que establece una transición geométrica entre la parte central (22) y un segmento tubular que tiene una sección transversal circular,
- una parte de transición aguas abajo (23) que establece una transición geométrica entre la parte central (22) y el segmento tubular aguas abajo (30),
un fluido destinado a fluir desde la parte de transición aguas arriba (21) hacia la parte de transición aguas abajo (23).
2. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con la reivindicación anterior, en donde el paso helicoidal (P) de la parte central (22) del segmento tubular torcido (20) es fijo y tiene entre cinco y diez veces el diámetro principal (D).
3. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el paso helicoidal (P) de la parte central (22) del segmento tubular torcido (20) es variable entre la parte de transición aguas arriba (21) y la parte de transición aguas abajo (23).
4. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con la reivindicación anterior, en donde el paso helicoidal (P) se mueve lineal y continuamente entre la parte de transición aguas arriba (21) y la parte de transición aguas abajo (23).
5. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la relación de aspecto (AR) de la sección transversal elíptica o lobulada está entre 0,6 y 0,7.
6. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la longitud de las partes de transición aguas arriba (21) y/o aguas abajo (23) está entre el valor del paso helicoidal (P) y un cuarto del valor de dicho paso (P).
7. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la parte de transición aguas arriba (21) y/o la parte de transición aguas abajo (23) establece una transición rotacional respectivamente entre la parte central (22) y un segmento tubular que tiene una sección transversal circular, y entre la parte central (22) y el segmento tubular aguas abajo (30).
8. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la parte de transición aguas arriba (21) y/o la parte de transición aguas abajo (23) establece una transición rotacional lineal respectivamente entre la parte central (22) y un segmento tubular de sección circular, y entre la parte central (22) y el segmento tubular aguas abajo (30).
9. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la longitud del segmento tubular torcido (20) es entre cinco veces el diámetro principal (D) y veinte veces el diámetro principal (D).
10. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende al menos un segmento tubular aguas arriba (10) de sección circular que tiene el diámetro principal (D) y está conectado a la parte de transición aguas arriba (21) del segmento tubular torcido (20).
11. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde se presenta un segmento tubular torcido (20) para cada sección del tubo que tiene una longitud de alrededor de cien veces el diámetro principal (D).
12. Tubo (100) para un horno de craqueo a vapor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene un codo en el que está presente al menos un segmento tubular torcido (20).
13. Tubo (100) para horno de craqueo a vapor de acuerdo con la reivindicación anterior, en donde en cada extremo del codo está dispuesto un segmento tubular torcido (20).
14. Tubo (100) para un horno de craqueo a vapor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el área superficial de la sección transversal del segmento tubular torcido (20) es sustancialmente igual al área superficial de la sección transversal circular del segmento tubular aguas abajo (30).
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