ES2938391T3 - Intercambiador de calor - Google Patents
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Abstract
La presente invención reivindicada se refiere a un intercambiador de calor ya un método de intercambio de calor. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Intercambiador de calor
Campo de la invención
La presente invención reivindicada se refiere a un dispositivo de intercambio de calor y a un método de intercambio de calor.
Antecedentes de la invención
La transferencia de calor es una parte importante de muchos procesos en diversas industrias. En general, la transferencia de calor involucra al menos una corriente que está a alta temperatura y al menos otra corriente que está a baja temperatura, que se ponen en contacto entre sí de manera directa o indirecta para calentar o enfriar, a través de la transferencia de calor.
Los intercambiadores de calor son equipos que normalmente se utilizan para el intercambio de calor indirecto entre al menos dos corrientes. La elección de un tipo particular de intercambiador de calor depende de la diferencia de temperatura entre las dos corrientes, la naturaleza química de las corrientes y el espacio de instalación disponible. Sin embargo, los intercambiadores de calor más utilizados se describen generalmente como intercambiadores de calor de doble tubo, intercambiadores de calor de tubo y carcasa y/o intercambiadores de calor de placas. De estos, los intercambiadores de calor de tubo y carcasa encuentran una amplia aplicación en casi todas las industrias. Un intercambiador de calor de tubo y carcasa comprende principalmente una carcasa que contiene una pluralidad de tubos dispuestos en el interior de la carcasa y en donde al menos una de las corrientes fluye alrededor de los tubos, mientras que la pluralidad de tubos está agrupada en forma de grupos de tubos y en donde al menos una de las otras corrientes fluye a través de los tubos. Las corrientes, tanto en el lado de la carcasa como en el lado del tubo, pueden fluir en una dirección paralela, en contracorriente o en flujo cruzado entre sí.
El documento JP 11013551 describe un enfriador EGR (recirculación de gases de escape) para enfriar los gases de escape usando un refrigerante de un motor. La Figura 10 describe el enfriador de EGR. La cámara 21 en el enfriador de EGR tiene una entrada 25 y una salida 26 para el flujo continuo de refrigerante con el fin de suprimir la ebullición del fluido de entrada. Por lo tanto, está involucrado un proceso de intercambio de calor continuo entre el flujo continuo de refrigerante en la cámara 21 y el fluido de entrada. El documento JP 11013551 describe además que la cámara 21 se puede utilizar para introducir un líquido de mayor punto de ebullición, como aceite lubricante o aceite ligero, etc., que tenga un punto de ebullición más alto para aumentar la eficacia de la refrigeración.
El documento US 2013/112381 A1 describe un dispositivo de intercambio de calor que comprende una pluralidad de tubos dispuestos paralelos entre sí para formar uno o más haces de tubos insertados axialmente en una carcasa cilíndrica. Un primer fluido suministrado a través de uno o más primeros orificios de entrada en un primer extremo de la carcasa cilíndrica y orientado axialmente fluye dentro de los tubos y un segundo fluido, suministrado a través de un segundo orificio de entrada, fluye dentro de la carcasa cilíndrica para efectuar la transferencia de calor con el primer fluido a través de las paredes del tubo. Un extremo de los tubos está conectado a una placa del tubo en el(los) primer(os) orificio(s) de entrada, que separa el segundo fluido del primer fluido. Al menos dos placas de choque, cada una provista de una pluralidad de orificios pasantes, se colocan en sucesión entre cada primer orificio de entrada y la placa tubular. Las placas de impacto son paralelas entre sí y ortogonales al eje central de la carcasa cilíndrica para distribuir el primer fluido dentro de los tubos.
El documento GB 2 126 116 A describe un evaporador que incluye una pluralidad de tubos verticales de transferencia de calor, una cámara impelente de entrada de líquido que encierra los extremos inferiores de los tubos, una placa de distribución ubicada dentro de la cámara impelente de entrada y que tiene una multiplicidad de orificios que la atraviesan, estando dicha placa de distribución separada de los extremos de entrada de los tubos para definir un colector, que interconecta dichas entradas para permitir el flujo cruzado.
El documento EP 1586370 A2 describe una disposición de reactor para llevar a cabo reacciones catalíticas en fase gaseosa, que comprende un reactor de tubo con camisa (2), un grupo de tubos y un refrigerador posterior separado (3) conectado directamente a la salida lateral, donde el área de la sección transversal en el refrigerador posterior es esencialmente congruente con el área de la sección transversal en la chaqueta y ambas áreas de la sección transversal están emparejadas de manera opuesta en grandes cantidades.
Si bien casi todos los tipos de corrientes, independientemente de su temperatura, se pueden enfriar o calentar en el intercambiador de calor de tubo y carcasa, existen algunas condiciones en las que estos intercambiadores de calor no dan como resultado un intercambio de calor eficiente entre las corrientes. Una de estas condiciones surge cuando la corriente en un lado del intercambiador, digamos en el lado del tubo, está cerca de su punto de ebullición. En tales condiciones, la corriente del otro lado del intercambiador, aquí la corriente del lado de la carcasa puede calentar excesivamente la corriente del lado del tubo hasta su punto de ebullición, provocando así una violenta ebullición disruptiva de la corriente del lado del tubo. Esto provoca una distribución no uniforme de la corriente del
lado del tubo dentro del tubo, lo que da como resultado un intercambio de calor ineficaz entre las corrientes del lado de la carcasa y del lado del tubo. Además, esto también da como resultado la pérdida de la corriente del lado del tubo debido a la formación de vapor, lo que aumenta el costo operativo del intercambiador.
Así, es un objetivo de la presente invención reivindicada proporcionar un intercambiador de calor que no produzca una ebullición disruptiva violenta de la corriente del lado del tubo, dando así como resultado una distribución uniforme de la corriente del lado del tubo con una pérdida mínima o nula.
Resumen de la invención
Sorprendentemente, se ha descubierto que el objeto definido anteriormente se consigue insertando una placa del tubo de aislamiento entre el conjunto de distribución y la salida del lado de la carcasa de un intercambiador de calor. La inserción de la placa del tubo de aislamiento crea un espacio de aislamiento de entrada entre el conjunto del de distribución y la placa del tubo de aislamiento. La creación del espacio de aislamiento de entrada no solo resuelve los problemas asociados con el sobrecalentamiento de la corriente del lado del tubo en el conjunto de distribución, sino que también reduce la cantidad de corriente del lado de la carcasa necesaria para el intercambio de calor entre la corriente del lado del tubo y la corriente del lado de la carcasa, lo que da como resultado un ahorro de costes adicional y hace que el proceso de intercambio de calor sea económico.
En consecuencia, en un aspecto, la presente invención reivindicada se refiere a un intercambiador de calor (100) que comprende:
una carcasa (101);
una entrada del lado del tubo (106) y una salida del lado del tubo (107);
una entrada del lado de la carcasa (105) y una salida del lado de la carcasa (104);
una pluralidad de tubos (102);
un conjunto de distribución (108);
una placa del tubo de entrada (114) y una placa del tubo de salida (112); y
una placa del tubo de aislamiento (103);
en donde,
la placa del tubo de aislamiento (103) está dispuesta entre el conjunto de distribución (108) y la salida del lado de la carcasa (104) para crear un espacio de aislamiento (109) entre ellos; y
los tubos (102) se encajan dentro de la carcasa (101) entre el conjunto de distribución (108) y la placa del tubo de salida (112) y están en comunicación con la entrada del lado del tubo (106) a través del conjunto de distribución (108) y la salida del lado del tubo (107).
En otro aspecto, la presente invención reivindicada se dirige a un método de intercambio de calor usando el intercambiador de calor anterior, que comprende los pasos de:
i. alimentar una corriente del lado del tubo a través de dicha entrada del lado del tubo (106) a dicho conjunto de distribución (108),
ii. hacer pasar la corriente del lado del tubo a través de dicha pluralidad de tubos (102),
iii. alimentar una corriente del lado de la carcasa a través de dicha entrada del lado de la carcasa (105) y iv. intercambiar el calor entre la corriente del lado del tubo en la pluralidad de tubos (102) con la corriente del lado de la carcasa,
en donde la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que entra por la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) está cerca de su punto de ebullición; y la temperatura de la corriente del lado de la carcasa que entra por la entrada del lado de la carcasa (105) es más alta que la de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo en el conjunto de distribución (108).
En otro aspecto, la presente invención reivindicada se refiere a un método para concentrar un líquido usando un intercambiador de calor de película descendente como se describe en este documento que comprende los pasos de: i. alimentar una corriente del lado del tubo a través de dicha entrada del lado del tubo (106) a dicho conjunto de distribución (108),
ii. hacer pasar la corriente del lado del tubo a través de dicha pluralidad de tubos (102) que tienen una pared interior y formar una película de la corriente del lado del tubo a lo largo de la pared interior,
iii. alimentar una corriente del lado de la carcasa a través de dicha entrada del lado de la carcasa (105), iv. intercambiar el calor entre la corriente del lado del tubo en la pluralidad de tubos (102) con la corriente del lado de la carcasa, y
v. obtener una corriente concentrada a través de dicha salida del lado del tubo (107) de la carcasa;
en donde la temperatura de la corriente del lado del tubo que entra a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) está cerca de su punto de ebullición; y
la temperatura de la corriente del lado de la carcasa que entra a través de la entrada del lado de la carcasa (105) es más alta que la corriente del lado del tubo en el conjunto de distribución (108).
Breve descripción de los dibujos
La presente invención reivindicada se describe junto con las figuras adjuntas:
La Figura 1 es un diagrama esquemático que muestra un intercambiador de calor según la presente invención reivindicada.
La Figura 2 es una vista desde arriba ampliada de una placa de distribución que muestra una pluralidad de aberturas para tubos.
Descripción detallada de la invención
La siguiente descripción proporciona realizaciones ejemplares únicamente y no pretende limitar el alcance, la aplicabilidad o la configuración de la descripción. Más bien, la siguiente descripción de las realizaciones a modo de ejemplo proporcionará a los expertos en la técnica una descripción que permita implementar una o más realizaciones a modo de ejemplo. Queda entendido que se pueden realizar varios cambios en la función y disposición de los elementos sin apartarse del espíritu y alcance de la invención tal como se establece en las reivindicaciones adjuntas. También debe entenderse que la terminología utilizada en este documento y la Figura descrita en este documento no pretenden ser limitativas, ya que el alcance de la presente invención reivindicada estará limitado únicamente por las reivindicaciones adjuntas.
Si en adelante se define un grupo para que comprenda al menos un cierto número de realizaciones, esto significa que también abarca un grupo que consiste preferentemente en estas realizaciones solamente. Además, los términos "primero", "segundo", "tercero" o "(a)", "(b)", "(c)", "(d)", etc., y similares en la descripción y en las reivindicaciones, se utilizan para distinguir entre elementos similares y no necesariamente para describir un orden secuencial o cronológico. Debe entenderse que los términos así usados son intercambiables bajo las circunstancias apropiadas y que las realizaciones de la invención actualmente reivindicada descritas en este documento son capaces de operar en secuencias distintas a las descritas o ilustradas en este documento. En caso de que los términos "primero", "segundo", "tercero" o "(A)", "(B)" y "(C)" o "(a)", "(b)", "(c) ", "(d)", "i", "ii", etc. se relacionan con los pasos de un método o uso o ensayo no hay coherencia de tiempo o intervalo de tiempo entre los pasos, es decir, los pasos pueden llevarse a cabo simultáneamente o puede haber intervalos de tiempo de segundos, minutos, horas, días, semanas, meses o incluso años entre dichos pasos, a menos que se indique lo contrario en la solicitud como se establece aquí arriba o abajo.
Además, los rangos definidos a lo largo de la especificación también incluyen los valores finales, es decir, un rango de 1 a 10 implica que tanto 1 como 10 están incluidos en el rango. Para evitar dudas, el solicitante tendrá derecho a los equivalentes según la ley aplicable.
La referencia a lo largo de esta especificación a "una realización" significa que una característica, estructura o elemento particular descrito en relación con la realización está incluido en al menos una realización de la presente invención reivindicada. Por lo tanto, las apariciones de las frases "en una realización" o "en una realización" en varios lugares a lo largo de esta especificación no se refieren necesariamente a la misma realización, pero pueden. Además, las características, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada, como será evidente para un experto en la materia a partir de esta divulgación, en una o más realizaciones. Además, aunque algunas realizaciones descritas en este documento incluyen algunas, pero no otras características incluidas en otras realizaciones, las combinaciones de características de diferentes realizaciones están destinadas a estar dentro del alcance de la presente invención reivindicada, y forman diferentes realizaciones, como entenderían aquellos en el arte. Por ejemplo, en las reivindicaciones adjuntas, cualquiera de las realizaciones reivindicadas puede usarse en cualquier combinación.
Los detalles específicos se dan en la siguiente descripción para proporcionar una comprensión completa de las realizaciones. Sin embargo, un experto normal en la técnica entenderá que las realizaciones pueden practicarse sin estos detalles específicos. Por ejemplo, los sistemas, procesos y otros elementos de la invención pueden mostrarse como componentes en forma de diagrama de bloques para no oscurecer las realizaciones con detalles innecesarios. En otros casos, se pueden mostrar procesos, estructuras y técnicas bien conocidos sin detalles innecesarios para evitar oscurecer las realizaciones.
Además, se observa que las realizaciones individuales pueden describirse como un proceso que se representa como un diagrama de flujo, un diagrama de flujo, un diagrama de flujo de datos, un diagrama de estructura o un diagrama de bloques. Aunque un diagrama de flujo puede describir las operaciones como un proceso secuencial, muchas de las operaciones se pueden realizar en paralelo o simultáneamente. Además, se puede reorganizar el orden de las operaciones. Un proceso puede terminar cuando se completan sus operaciones, pero podría tener pasos adicionales que no se discutan o incluyan en una figura. Además, no todas las operaciones en cualquier
proceso particularmente descrito pueden ocurrir en todas las realizaciones. Un proceso puede corresponder a un método, una función, un procedimiento, etc.
Además, las realizaciones de la invención pueden implementarse, al menos en parte, de forma manual o automática. Las implementaciones manuales o automáticas pueden ejecutarse, o al menos asistirse, mediante el uso de máquinas, hardware, software, firmware, middleware, microcódigo, lenguajes de descripción de hardware o cualquier combinación de los mismos.
A continuación, se describen varios números de referencia:
Un aspecto de la invención actualmente reivindicada proporciona un intercambiador de calor, como se muestra en la Figura 1. El intercambiador de calor (100) comprende:
una carcasa (101);
una entrada del lado del tubo (106) y una salida del lado del tubo (107);
una entrada del lado de la carcasa (105) y una salida del lado de la carcasa (104);
una pluralidad de tubos (102);
un conjunto de distribución (108);
una placa del tubo de entrada (114) y una placa del tubo de salida (112); y
una placa del tubo de aislamiento (103);
en donde,
la placa del tubo de aislamiento (103) está dispuesta entre el conjunto de distribución (108) y la salida del lado de la carcasa (104) para crear un espacio de aislamiento (109) entre ellos; y
los tubos (102) se encajan dentro de la carcasa (101) entre el conjunto de distribución (108) y la placa del tubo de salida (112) y están en comunicación con la entrada del lado del tubo (106) a través del conjunto de distribución (108) y la salida del lado del tubo (107).
En una realización, el intercambiador de calor de la presente invención reivindicada es un evaporador, y en otra realización más un evaporador de película descendente.
La carcasa (101) es un contenedor o recipiente para la corriente del lado de la carcasa en el intercambiador de calor, como se ha descrito anteriormente, que tiene cualquier forma y tamaño predefinidos. La carcasa (101) puede orientarse horizontal o verticalmente y tiene un material de construcción bien conocido por un experto en la materia. Por ejemplo, puede estar hecho de una hoja de metal. La presente invención no está limitada por la forma, tamaño, orientación y material de construcción de la carcasa (101). Sin embargo, en una realización, el intercambiador de calor está dispuesto verticalmente.
La carcasa (101) se puede diseñar a la medida para operar en cualquier capacidad y condición, como desde alto vacío hasta ultra alta presión (más de 10 MPa) y desde criogenia hasta altas temperaturas (1100° C), y cualquier diferencia de temperatura y presión entre las corrientes del lado de la carcasa y del lado del tubo. Por ejemplo, se puede emplear vapor a una presión de aproximadamente 1,3 MPa y aproximadamente 260 °C, una presión de aproximadamente 0,4 MPa y aproximadamente 150 °C y una presión de aproximadamente 0,6 MPa y aproximadamente 35 °C como corriente del lado de la carcasa.
En una realización, la forma de la carcasa (101) es cilíndrica o rectangular, y en otra realización, la forma de la carcasa (101) es cilíndrica. La carcasa (101) puede ser, entre otras, una carcasa de un paso, una carcasa de dos pasos con deflector longitudinal, flujo dividido, flujo dividido doble, flujo dividido, tipo caldera, flujo cruzado con las notaciones designadas E, F, G, H, J, K, X respectivamente, según lo prescrito por la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares (también conocida como TEMA).
Según lo prescrito por TEMA, el intercambiador de calor tiene un cabezal delantero y un cabezal trasero. Los tipos de cabezal frontal se seleccionan entre canal y tapa removible (A), bonete (B), canal integral con placa tubular y tapa removible (C y N), y cierre especial de alta presión (D). Los cabezales traseros se seleccionan de una placa tubular fija como un cabezal estacionario "A" (L), una placa tubular fija como un cabezal estacionario "B" (M), una placa tubular fija como un cabezal estacionario "C" (N), un cabezal estacionario exterior cabeza flotante empaquetada (P), una cabeza flotante con dispositivo de respaldo (S) y una cabeza flotante de tracción (T), un grupo de tubos en U (U) y una placa tubular empaquetada flotante con anillo linterna (W).
La entrada del lado del tubo (106) permite la entrada y la salida del lado del tubo (107) permite la salida de la corriente del lado del tubo. La entrada del lado del tubo (106) y la salida del lado del tubo (107) pueden estar en el lado opuesto o en el mismo lado, dependiendo del tipo de intercambiador de calor que se esté utilizando. Por ejemplo, en un intercambiador simple de tubo y carcasa, la entrada del lado del tubo (106) está en un lado de la carcasa y la salida del lado del tubo (107) está en el lado opuesto. Si el intercambiador de calor es un intercambiador de tubo y carcasa con un paso de carcasa y dos pasos de tubos, la entrada del lado del tubo (106) y la salida del lado del tubo (107) están en el mismo lado. En una realización, la entrada del lado del tubo (6) está en un lado y la salida del lado del tubo (107) está en el lado opuesto de la carcasa (101).
En otra realización, la pluralidad de tubos (102) se ajusta sobre la placa del tubo o la placa del tubo para obtener el grupo de tubos. El grupo de tubos se aloja en la carcasa (101) estableciendo un espacio entre su pared interior de la carcasa y el exterior de los tubos del grupo de tubos por donde circula la corriente del lado de la carcasa. Aunque en la Figura 1 sólo se ilustra un único tubo, debe entenderse que, en la práctica, el intercambiador de calor puede tener una pluralidad de tales tubos. Los tubos están todos dispuestos paralelos entre sí y están abiertos en ambos extremos. La pared interna de los tubos es lisa de manera que el flujo de la corriente del lado del tubo en forma de una película delgada a lo largo de la pared interna no se ve obstaculizado, desacelerado o encontrado con resistencia. La presente invención no está limitada por la elección del tubo, su material de construcción, el número de tubos y el propio grupo de tubos. Éstos son bien conocidos por los expertos en la técnica y pueden variar dependiendo de, entre otros, la corriente del lado del tubo y la carcasa y la diferencia de temperatura entre los dos. La pared exterior de los tubos (102) del intercambiador de calor, descrito anteriormente, es lisa o con aletas y, en algunas realizaciones, la pared de los tubos tiene aletas. Los tubos de la presente invención reivindicada están fabricados, entre otros, de acero al carbono, cobre, almirantazgo, latón, cobre-níquel, acero inoxidable, metal muntz, aluminio, aluminio bronce, aleación de aluminio, inconel y titanio. El grupo de tubos tiene cualquier forma, por ejemplo, recta o en forma de U, pero sin limitarse a ellas, y en algunas realizaciones es recta. La pluralidad de tubos se coloca sobre la placa del tubo para obtener el grupo de tubos. La placa del tubo puede ajustarse a cualquier lado de la carcasa (101) para soportar el grupo de tubos. Las placas de tubos cierran el espacio interior en los extremos del grupo de tubos de manera eficaz. El número de tubos dentro de la carcasa (101) puede estar en el rango de varias docenas a varios cientos a más de mil. Es habitual que el experto en la materia determine el número y la dimensión de los tubos en función de la capacidad deseada, las condiciones y otros parámetros del material y del aparato.
En otra realización, la entrada del lado de la carcasa (105) permite la entrada y la salida del lado de la carcasa (104) permite la salida de la corriente del lado de la carcasa.
En otra realización, la corriente del lado del tubo es un líquido que tiene una temperatura cercana a su punto de ebullición. La corriente del lado del tubo puede ser una mezcla de componentes líquidos que tienen al menos uno de los componentes cerca de su punto de ebullición. Además, la mezcla de componentes líquidos puede formar una mezcla azeotrópica, en tal caso la temperatura de la corriente del lado del tubo está cerca del punto de ebullición de la mezcla azeotrópica, mientras que la corriente del lado de la carcasa puede ser un solo fluido o una mezcla de fluidos tales como, entre otros, vapor, agua caliente, aceite y aire.
En otra realización, el intercambiador de calor de la invención actualmente reivindicada contiene un conjunto de distribución (108) debajo de la entrada del lado del tubo, como se muestra en la Figura 2, que ayuda en la distribución de la corriente del lado del tubo antes de entrar en la pluralidad de tubos (102) y facilita la formación de
una fina película a lo largo de la pared interior de los tubos (102). En el conjunto de distribución, se pueden usar una o más bandejas de distribución. La bandeja de distribución puede tener cualquier forma, sin embargo, en algunas realizaciones la bandeja de distribución comprende un disco redondo. La bandeja de distribución del conjunto de distribución (108) tiene múltiples orificios (1081) a través de los cuales fluye y se distribuye la corriente del lado del tubo. El diámetro de los orificios (1081) en la bandeja de distribución está en el rango de aproximadamente 1 a 100 mm, y en algunas realizaciones de 5 a 50 mm, y en otras realizaciones de 8 a 25 mm. El diámetro de todos y cada uno de los tubos del grupo de tubos puede tener el mismo diámetro o puede variar. Los orificios múltiples (1081) en el conjunto de distribución (108) están dispuestos en un paso cuadrado, un paso triangular y un paso hexagonal. En otra realización, el intercambiador de calor, como se describe anteriormente, comprende una placa del tubo aislantes (103), que está dispuesta entre el conjunto de distribución (108) y la salida del lado de la carcasa (104) para crear un espacio de aislamiento (109) entre el conjunto de distribución (108) y la placa tubular aislante (103). El espacio de aislamiento (109) creado entre el conjunto de distribución (108) y la placa del tubo aislante (103) protege la corriente del lado del tubo en el conjunto de distribución que entra en contacto con la corriente del lado de la carcasa. El espacio de aislamiento creado, por lo tanto, protege la corriente del lado del tubo de la violenta ebullición disruptiva en el ensamblaje de distribución y conduce a la distribución uniforme de la corriente del lado del tubo a lo largo de las paredes internas de los tubos y un intercambio de calor eficiente entre las corrientes del lado del tubo y del lado de la carcasa. Además, también protege la corriente del lado del tubo de la pérdida debida a la formación de vapor.
La posición de la placa del tubo aislantes (103) con respecto al conjunto de distribución (108) se basa en la temperatura y el punto de ebullición de la corriente del lado del tubo y la temperatura de la corriente del lado de la carcasa. Por ejemplo, la placa del tubo aislante (103) se coloca cerca de la salida del lado de la carcasa si la diferencia entre el punto de ebullición y la temperatura de la corriente del lado del tubo es inferior a 15 °C o 10 °C. Cuando la diferencia de temperatura es mayor, la placa del tubo aislantes (103) puede colocarse más lejos de la salida del lado de la carcasa.
En otra realización, el espacio de aislamiento (109) está equipado con una boquilla de ventilación (110) para garantizar que no haya líquido presente en el espacio. El grosor de la placa de tubo de aislamiento de entrada está en el rango de 5 mm a 100 mm, y en algunas realizaciones de 10 mm a 50 mm. La forma de la placa del tubo aislantes (103) depende de la forma de la carcasa, sin embargo, en algunas realizaciones tiene la forma de un disco circular.
En otra realización, el espacio de aislamiento (109) está lleno de aire.
En otra realización, la placa del tubo aislantes (103) está hecha de un material o metal resistente al calor. En algunas realizaciones, el material resistente al calor es teflón. En un intercambiador de calor normal, la placa del tubo de entrada (114) está en contacto tanto con la corriente del lado del tubo como con la corriente del lado de la carcasa, mientras que, en el intercambiador de calor actualmente reivindicado, la placa del tubo de entrada (114) solo está en contacto con la corriente del lado del tubo como la placa tubular de aislamiento (103) protegerá la placa tubular de entrada (114) para que no entre en contacto con la corriente del lado de la carcasa.
En una realización, el intercambiador de calor, como se ha descrito anteriormente, comprende un segundo espacio de aislamiento en la salida del lado del tubo. Sin embargo, en otra realización, el intercambiador de calor, como se ha descrito anteriormente, no comprende un espacio de aislamiento en la salida del lado del tubo y solo contiene un espacio de aislamiento en la entrada del lado del tubo.
En otra realización, el intercambiador de calor es un intercambiador de calor de una etapa o de múltiples etapas que tiene cada etapa de los intercambiadores de calor conectada en serie. Si el intercambiador de calor es un intercambiador de calor de varias etapas, la placa del tubo aislante (103) se dispone entre el conjunto de distribución (108) y la salida del lado de la carcasa (104) para cada intercambiador de calor.
En otra realización, el intercambiador de calor comprende al menos un deflector (113). Los deflectores cumplen dos funciones importantes. En primer lugar, soportan los tubos (102) durante el montaje y funcionamiento y ayudan a evitar la vibración de los remolinos inducidos por el flujo. En segundo lugar, dirigen la corriente del lado de la carcasa de un lado a otro a través del grupo de tubos para proporcionar velocidades efectivas y tasas de transferencia de calor. Los deflectores en el aparato actualmente reivindicado pueden ser deflectores longitudinales o deflectores transversales para dirigir el fluido del lado de la coraza hacia adelante y hacia atrás a través de la coraza. Los deflectores pueden ser de un solo segmento, un doble segmento, un orificio, un disco y un tipo de rosquilla, etc. La presente invención no está limitada por la elección de dichos deflectores.
Opcionalmente, se instalan en el intercambiador de calor una o más entradas auxiliares de flujo (111), por ejemplo, entradas de vapor. En algunas realizaciones, se instalan de cuatro a seis entradas auxiliares de flujo (111), que pueden ser entradas de vapor. En el intercambiador de calor, un auxiliar de flujo, por ejemplo, vapor, ingresa a los tubos (102) a través de las entradas auxiliares de flujo (111), mientras que la corriente del lado del tubo que se va a intercambiar calor ingresa al tubo (102) desde la entrada (106). El auxiliar de flujo en movimiento se mueve a la par
de la corriente del lado del tubo, ayudando así a la corriente del lado del tubo a fluir a lo largo de la pared interior del tubo a una velocidad acelerada.
En otro aspecto, la presente invención reivindicada se dirige a un método de intercambio de calor usando un intercambiador de calor como se describe anteriormente, que comprende los pasos de:
i. alimentar una corriente del lado del tubo a través de dicha entrada del lado del tubo (106) a dicho conjunto de distribución (108),
ii. hacer pasar la corriente del lado del tubo a través de dicha pluralidad de tubos (102),
iii. alimentar una corriente del lado de la carcasa a través de dicha entrada del lado de la carcasa (105) y IV. intercambiar el calor entre la corriente del lado del tubo en la pluralidad de tubos (102) con la corriente del lado de la carcasa,
v. en donde la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que entra por la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) está cerca de su punto de ebullición; y
vi. la temperatura de la corriente del lado de la carcasa que entra por la entrada del lado de la carcasa (105) es más alta que la de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo en el conjunto de distribución (108).
La corriente del lado del tubo se introduce en el intercambiador de calor a través de la entrada del lado del tubo (106) en el conjunto de distribución (108). La corriente del lado del tubo se distribuye en cantidades iguales en cada tubo, formando así flujos de contracorriente que intercambian calor con la corriente del lado de la carcasa a través de la superficie de los propios tubos. Por lo tanto, la corriente del lado de la carcasa converge en la salida de los tubos. La salida del lado del tubo (107) recoge la corriente del lado del tubo intercambiada con calor y la salida del lado de la carcasa (104) permite la salida de la corriente del lado de la carcasa del intercambiador de calor.
En otra realización, la corriente del lado del tubo comprende uno o más componentes líquidos, donde la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que entra a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) es inferior a Tb -15 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que está cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición de dicha mezcla azeotrópica. En algunas realizaciones, la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que ingresa a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) es menor que Tb -10 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que está cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición de dicha mezcla azeotrópica. En otras realizaciones, la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que ingresa a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) es menor que Tb -5 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que está cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición de dicha mezcla azeotrópica.
Por ejemplo, la corriente del lado del tubo es una mezcla de dos o más líquidos y cada componente hierve independientemente, entonces Tb es el punto de ebullición del componente que hierve primero. Otro ejemplo es cuando la corriente del tubo es una mezcla de dos o más líquidos que forman una mezcla azeotrópica, entonces la Tb es el punto de ebullición de la mezcla azeotrópica.
En otra realización, la temperatura de la corriente del lado de la carcasa es superior a Tb 5 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que está cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición de dicha mezcla azeotrópica formada por la mezcla de los componentes en la corriente del lado del tubo. En algunas realizaciones, la temperatura de la corriente del lado de la carcasa es superior a Tb 10 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que está cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición de dicha mezcla azeotrópica formada por la mezcla de los componentes en la corriente del lado del tubo. En otras realizaciones, la temperatura de la corriente del lado de la carcasa es superior a Tb 15 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que está cerca de su punto de ebullición o del punto de ebullición de dicha mezcla azeotrópica formada por la mezcla de los componentes en la corriente del lado del tubo. En otra realización, el método de intercambio de calor comprende alimentar un gas a través de la entrada auxiliar de flujo (111) y hacer fluir el gas en la misma dirección que la corriente del lado del tubo, donde la velocidad de la corriente del lado del tubo es acelerada por el gas auxiliar de flujo a lo largo de la pared interior de la pluralidad de tubos (102).
En otro aspecto, la invención se dirige a un método para concentrar un líquido usando un intercambiador de calor de película descendente como se describe anteriormente que comprende los pasos de:
i. alimentar una corriente del lado del tubo a través de dicha entrada del lado del tubo (106) a dicho conjunto de distribución (108),
ii. hacer pasar la corriente del lado del tubo a través de dicha pluralidad de tubos (102) formando una película de la corriente del lado del tubo a lo largo de la pared interior de dicha pluralidad de tubos,
iii. alimentar una corriente del lado de la carcasa a través de dicha entrada del lado de la carcasa (105), IV. intercambiar el calor entre la corriente del lado del tubo en la pluralidad de tubos (102) con la corriente del lado de la carcasa, y
v. obtener una corriente concentrada a través de dicha salida del lado del tubo (107) de la carcasa;
en donde la temperatura de la corriente del lado del tubo que entra a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) está cerca de su punto de ebullición; y
la temperatura de la corriente del lado de la carcasa que entra a través de la entrada del lado de la carcasa (105) es más alta que la corriente del lado del tubo en el conjunto de distribución (108).
En otra realización, la corriente del lado de la coraza se selecciona de vapor, agua, aceite, aire, el vapor secundario de un intercambiador de calor de etapa anterior, o una combinación de los mismos.
En otra realización, la corriente del lado del tubo comprende uno o más componentes líquidos, donde la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que entra a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) es inferior a Tb -15 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición de la mezcla azeotrópica formada por la mezcla de componentes en la corriente del lado del tubo. En algunas realizaciones, la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que ingresa a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) es menor que Tb -10 °C, donde Tb es la temperatura de punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición de la mezcla azeotrópica formada por la mezcla de componentes en la corriente del lado del tubo. En aún otras realizaciones, la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que ingresa a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) es menor que Tb -5 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición de la mezcla azeotrópica formada por la mezcla de componentes en la corriente del lado del tubo.
En otra realización, la temperatura de la corriente del lado de la carcasa es superior a Tb 5 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición del mezcla azeotrópica formada por la mezcla de componentes en la corriente del lado del tubo. En algunas realizaciones, la temperatura de la corriente del lado de la carcasa es superior a Tb 10 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición del mezcla azeotrópica formada por la mezcla de componentes en la corriente del lado del tubo. En otras realizaciones, la temperatura de la corriente del lado de la carcasa es superior a Tb 15 °C, donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo cerca de su punto de ebullición o punto de ebullición del mezcla azeotrópica formada por la mezcla de componentes en la corriente del lado del tubo.
La presente invención reivindicada muestra al menos una de las siguientes ventajas y mejoras:
El espacio de aislamiento (109) creado entre el conjunto de distribución (108) y la placa del tubo aislante (103) protege la corriente del lado del tubo en el conjunto de distribución para que no entre en contacto con las temperaturas más altas de la corriente del lado de la carcasa antes de que la corriente del lado del tubo ha pasado a través del conjunto de distribución y dentro de los tubos. El espacio de aislamiento creado, por lo tanto, protege la corriente del lado del tubo de la ebullición disruptiva violenta en el conjunto de distribución que puede conducir a una distribución menos uniforme de la corriente del lado del tubo a lo largo de las paredes internas de los tubos y, por lo tanto, a un intercambio de calor menos eficiente entre el lado de la carcasa y las corrientes del lado del tubo. Además, también protege la corriente del lado del tubo de pérdidas debidas a la formación de vapor. También es evidente a partir de los ejemplos que el requisito de la corriente del lado de la carcasa se reduce considerablemente debido a la introducción de la placa de aislamiento de entrada, lo que conduce a un ahorro adicional de costos y energía.
La presente invención reivindicada se ilustra mediante ejemplos; sin embargo, el objeto de la presente invención reivindicada no se limita a los ejemplos dados.
Ejemplo
La tabla 1 y la tabla 2 muestran dos conjuntos de ejemplos inventivos y comparativos en los que se hace funcionar un intercambiador de calor a gran escala con y sin una placa de aislamiento instalada. Es evidente a partir de las tablas que la incorporación de una placa del tubo aislante proporcionó mejores beneficios de intercambio de calor entre la corriente del lado del tubo y la corriente del lado de la carcasa. La placa del tubo de aislamiento aseguró el flujo libre del fluido del lado del tubo a través de una pluralidad de tubos sin formación de burbujas y rompiendo el flujo uniforme.
Tabla 1
Tabla 2
Claims (15)
1. Un intercambiador de calor (100) que comprende:
una carcasa (101);
una entrada del lado del tubo (106) y una salida del lado del tubo (107);
una entrada del lado de la carcasa (105) y una salida del lado de la carcasa (104);
una pluralidad de tubos (102);
un conjunto de distribución (108);
una placa del tubo de entrada (114) y una placa del tubo de salida (112); y
una placa del tubo de aislamiento (103);
en donde
la placa del tubo de aislamiento (103) está dispuesta entre el conjunto de distribución (108) y la salida del lado de la carcasa (104) para crear un espacio de aislamiento (109) entre ellos; y
los tubos (102) se encajan dentro de la carcasa (101) entre el conjunto de distribución (108) y la placa del tubo de salida (112) y están en comunicación con la entrada del lado del tubo (106) a través del conjunto de distribución (108) y la salida del lado del tubo (107).
2. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el espacio de aislamiento (109) aísla dicha entrada del lado del tubo (106) y dicho conjunto de distribución (108) de dicha carcasa (101).
3. El intercambiador de calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la posición de la placa del tubo de aislamiento (103) con respecto al conjunto de distribución (108) se basa en la temperatura y el punto de ebullición de al menos un componente de la corriente del lado del tubo cerca de su punto de ebullición, y la temperatura de dicha corriente del lado de la carcasa.
4. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 3, en donde la corriente del lado del tubo es una corriente de líquido en la entrada del lado del tubo (106).
5. El intercambiador de calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la entrada del lado del tubo (106) de la carcasa está equipada con una o más entradas auxiliares de flujo (111).
6. El intercambiador de calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el intercambiador de calor es un intercambiador de calor de una etapa o de múltiples etapas que tiene cada etapa de los intercambiadores de calor conectada en serie.
7. El intercambiador de calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el intercambiador de calor no comprende un espacio de aislamiento en la salida del lado del tubo (107) de la carcasa.
8. El intercambiador de calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el intercambiador de calor es un evaporador.
9. El intercambiador de calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el evaporador es un evaporador de película descendente.
10. Un método de intercambio de calor utilizando un intercambiador de calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende los pasos de:
i. alimentar una corriente del lado del tubo a través de dicha entrada del lado del tubo (106) a dicho conjunto de distribución (108),
ii. hacer pasar la corriente del lado del tubo a través de dicha pluralidad de tubos (102), iii. alimentar una corriente del lado de la carcasa a través de dicha entrada del lado de la carcasa (105) y
iv. intercambiar el calor entre la corriente del lado del tubo en la pluralidad de tubos (102) con la corriente del lado de la carcasa,
en donde la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que entra por la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) está cerca de su punto de ebullición; y
la temperatura de la corriente del lado de la carcasa que entra por la entrada del lado de la carcasa (105) es más alta que la de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo en el conjunto de distribución (108).
11. El método de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la corriente del lado del tubo comprende uno o más componentes líquidos, en donde la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que entra a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) es
menor que Tb -15 °C, en donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo cerca de su punto de ebullición.
12. El método de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende
v. alimentar un gas a través de una entrada auxiliar de flujo (111) y hacer fluir el gas en la misma dirección que la corriente del lado del tubo, en donde la velocidad de la corriente del lado del tubo es acelerada por el gas auxiliar de flujo a lo largo de la pared interior de la pluralidad de tubos (102).
13. Un método para concentrar un líquido utilizando un intercambiador de calor de película descendente de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 9 que comprende los pasos de:
i. alimentar una corriente del lado del tubo a través de dicha entrada del lado del tubo (106) a dicho conjunto de distribución (108),
ii. hacer pasar la corriente del lado del tubo a través de dicha pluralidad de tubos (102) que tienen una pared interior y formar una película de la corriente del lado del tubo a lo largo de la pared interior, iii. alimentar una corriente del lado de la carcasa a través de dicha entrada del lado de la carcasa (105),
iv. intercambiar el calor entre la corriente del lado del tubo en la pluralidad de tubos (102) con la corriente del lado de la carcasa, y
v. obtener una corriente concentrada a través de dicha salida del lado del tubo (107) de la carcasa; en donde la temperatura de la corriente del lado del tubo que entra a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) está cerca de su punto de ebullición; y
la temperatura de la corriente del lado de la carcasa que entra a través de la entrada del lado de la carcasa (105) es más alta que la corriente del lado del tubo en el conjunto de distribución (108).
14. El método de acuerdo con la reivindicación 13, que comprende, además
vi. alimentar un gas a través de una entrada auxiliar de flujo (111) y hacer fluir el gas en la misma dirección que el líquido, en donde la velocidad del líquido es acelerada por el gas auxiliar de flujo a lo largo de la pared interna de la pluralidad de tubos (102).
15. El método de acuerdo con la reivindicación 13, en donde la corriente del lado del tubo comprende uno o más componentes líquidos, en donde la temperatura de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo que entra a través de la entrada del lado del tubo (106) al conjunto de distribución (108) es menor que Tb -15 °C, en donde Tb es el punto de ebullición de al menos uno de los componentes líquidos de la corriente del lado del tubo cerca de su punto de ebullición.
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