ES2961914T3 - Intercambiador de calor de doble tubo y método de fabricación del mismo - Google Patents
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Abstract
Se describe un intercambiador de calor de doble tubo, que comprende un tubo exterior y un tubo interior dispuestos concéntricamente para formar un primer espacio anular entre el tubo exterior y el tubo interior. El tubo exterior está provisto de al menos una conexión de entrada y de al menos una conexión de salida para la entrada y salida, respectivamente, de un primer fluido que fluye en el primer espacio anular. El tubo interior está provisto de al menos una primera conexión de entrada y de al menos una segunda conexión de salida para la entrada y salida, respectivamente, de un segundo fluido que fluye en el tubo interior para un intercambio de calor indirecto con el primer fluido. Las conexiones de entrada y salida del tubo interior se unen a equipos o conductos colocados aguas arriba y/o aguas abajo del intercambiador de calor. El tubo interior está formado por al menos dos tramos de tubo, unidos entre sí mediante una unión de tipo tope con tope. Una de las secciones de tubo está formada integralmente, como una sola pieza monolítica, con una pared de ensamblaje que une un primer extremo del tubo exterior al tubo interior, para sellar el primer espacio anular en el primer extremo del tubo exterior. Se forma un segundo espacio anular entre el tubo interior, o el equipo o conductos, o el tubo interior y el equipo o conductos, y la pared del conjunto. El segundo espacio anular está expuesto al aire y no está en comunicación fluida ni con el primer espacio anular ni con el tubo interior, y está al menos parcialmente rodeado por el primer espacio anular. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Intercambiador de calor de doble tubo y método de fabricación del mismo
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor de doble tubo para el enfriamiento rápido, o extinción, de un fluido a alta temperatura por medio de otro fluido a alta presión, en condiciones de ebullición o no, según un intercambio de calor indirecto. Específicamente, la presente invención se refiere a un denominado “dispositivo de enfriamiento rápido” (“quencher”) para gases calientes descargados de hornos de craqueo con vapor de hidrocarburos para la producción de olefinas.
En algunos procesos químicos, los fluidos descargados a alta temperatura de los reactores químicos deben enfriarse en poco tiempo (fracciones de segundo) para detener posibles reacciones químicas residuales. Un ejemplo importante son los gases calientes descargados de hornos de craqueo con vapor de hidrocarburos. Tales gases también se denominan “gases craqueados”. El gas craqueado se descarga del horno a una temperatura de 800-850°C y debe enfriarse rápidamente por debajo de 500°C. El gas craqueado está cargado de sustancias carbonosas y cerosas, que pueden provocar depósitos y erosión significativos de las piezas del intercambiador de calor. Los procesos industriales para la producción de negro de carbón y monómero de cloruro de vinilo (VCM) son otros procesos en los que se requiere un enfriamiento rápido de una temperatura alta y un gas muy contaminado. El gas de negro de carbón normalmente se descarga de la cámara de combustión de hidrocarburos a una temperatura superior a 1200°C y debe enfriarse rápidamente en 300-400°C como mínimo. El VCM se descarga del horno de craqueo de dicloroetano a una temperatura de 500-600°C aproximadamente, y debe enfriarse rápidamente hasta 300°C aproximadamente.
Para lograr un enfriamiento rápido e indirecto de un fluido de proceso en condiciones de funcionamiento severas, una solución preferida es un intercambiador de calor de doble tubo o un dispositivo de enfriamiento rápido de doble tubo. Un dispositivo de enfriamiento rápido de doble tubo consiste principalmente en dos tubos dispuestos concéntricamente. Normalmente, el fluido caliente y contaminado fluye en el tubo interior, mientras que el fluido de enfriamiento fluye en el espacio anular, o en el anillo, formado entre el tubo exterior y el interior. Cada tubo está provisto de sus conexiones de entrada y salida para la circulación continua de los fluidos. Los fluidos pueden intercambiar calor, sin contacto directo entre ellos, según una configuración en contra o cocorriente.
Un intercambiador de calor de doble tubo ofrece importantes ventajas tecnológicas para las operaciones de extinción. En primer lugar, la velocidad del fluido de enfriamiento que fluye en el espacio anular entre los dos tubos es alta y uniforme en la mayor parte del espacio, reduciendo por tanto las zonas muertas o de baja velocidad. Esto garantiza un alto coeficiente de transferencia de calor fuera del tubo interior. En consecuencia, pueden reducirse la temperatura de funcionamiento del metal y las tensiones termomecánicas del tubo interior. Normalmente, para el servicio de gas craqueado, se utiliza agua a alta presión (4000-13000 kPa) y en ebullición como fluido de enfriamiento, con una velocidad en el espacio anular superior a 1 m/s; la temperatura de funcionamiento más alta del metal del tubo interior, por donde fluye el gas craqueado caliente, es de alrededor de 390-420°C en promedio en todo el grosor.
Otra ventaja de un intercambiador de calor de doble tubo surge de las altas velocidades que pueden obtenerse en el tubo interior. Dado que el tubo interior no presenta discontinuidades ni obstrucciones significativas a lo largo de la longitud del tubo, el fluido no presenta puntos de impacto. En consecuencia, pueden reducirse o eliminarse la erosión y el depósito de suciedad. Además, las altas velocidades conducen a altos coeficientes de transferencia de calor, necesarios para un enfriamiento rápido. Finalmente, debido a la geometría tubular simple, el tubo interior puede limpiarse mediante un método mecánico sin dificultades. Por tanto, en el tubo interior puede alojarse un fluido de proceso con mucha suciedad.
Se han propuesto varias soluciones tecnológicas para intercambiadores de calor de doble tubo. A continuación se recuerdan algunos de ellas. El documento US 2005/155748 A1 describe un intercambiador de calor, para el intercambio de calor indirecto entre dos fluidos, en el que el espacio entre el tubo exterior e interior se cierra mediante un elemento de sellado instalado en los extremos del intercambiador y dentro del espacio. El elemento de sellado es un artículo distinto del tubo exterior e interior, y consiste esencialmente en dos paredes, que generalmente se extienden axialmente, unidas entre sí para formar preferentemente un perfil en “V” o “U” o “H”. Una de las paredes sella la superficie interior del tubo exterior, mientras que la otra pared sella la superficie exterior del tubo interior. El sellado se produce por fricción, contacto o, preferentemente, soldadura fuerte en ángulo o en rincón. Un intercambiador de calor de este tipo no es adecuado para el servicio de extinción de gas craqueado, donde fluye agua a alta presión y en ebullición en el espacio entre el tubo exterior e interior: el sellado entre las partes de presión es estructuralmente débil, la grieta entre el elemento de sellado y el tubo interior puede conducir a corrosión en la grieta y el tipo de junta de soldadura no puede garantizar una penetración completa ni un examen preciso y no destructivo.
El documento DE 3009532 A1 describe un dispositivo de transferencia de calor que comprende una carcasa tubular, dos paredes que cierran la carcasa en los extremos, en el que una pared está provista de una conexión para que fluya un primer fluido, una abertura central con un elemento tubular para cada pared para que fluya el primer fluido, y un tabique, interior a la carcasa, que se extiende a lo largo de la carcasa. El tabique interior no presenta configuración tubular y, por tanto, divide el volumen de la carcasa en dos compartimentos que no están dispuestos concéntricamente. Un primer compartimento de la carcasa está en comunicación con la conexión instalada en la pared de cierre y el segundo compartimento está en comunicación con las aberturas centrales. Los dos compartimentos están entre sí en comunicación fluídica por medio de ranuras instaladas en el tabique interior; en consecuencia, los dos compartimentos de la carcasa tubular no están configurados para una transferencia de calor indirecta entre dos fluidos.
Los siguientes documentos se refieren específicamente a dispositivos de transferencia de calor de doble tubo para un intercambio de calor indirecto entre gas craqueado y agua de enfriamiento. En el documento US 3583476 A, el tubo interior recibe el gas craqueado y el tubo exterior forma una cámara de enfriamiento entre el tubo interior y el exterior. El agua de enfriamiento, procedente de un tambor de vapor situado en una posición elevada, circula en la cámara de enfriamiento. Con el fin de atenuar los alargamientos térmicos diferenciales entre el tubo interior y el exterior, el dispositivo según el documento US 3583476 A se caracteriza por un tubo interior que consiste en dos secciones donde cada una está fijo en un extremo y puede deslizarse libremente en el otro extremo. La grieta formada entre las dos partes deslizantes se sella mediante una inyección de vapor. Por tanto, tal dispositivo está destinado principalmente a resolver el problema crítico de las tensiones termomecánicas debidas a los alargamientos térmicos diferenciales entre el tubo interior y el exterior.
El documento US 4457364 A describe un dispositivo que comprende un haz de intercambio de calor de elementos de doble tubo. Cada elemento consiste en un tubo exterior y un tubo interior, dispuestos concéntricamente, en el que el gas craqueado y el agua de enfriamiento, respectivamente, fluyen en el tubo interior y en el espacio anular. La parte terminal de cada elemento de doble tubo está provista de un colector de agua ovalado o pseudoovalado, en comunicación fluídica con el espacio anular.
El documento US 5690168 A describe la porción de transición terminal de un intercambiador de calor de doble tubo. La porción terminal se caracteriza por un espacio anular formado entre un manguito interior y una pared exterior. El espacio anular se rellena con un material refractario para proteger la pared exterior de las altas temperaturas. El espacio anular está provisto, en un extremo, de un cono de transición unido a la porción de entrada del gas craqueado y, en el otro extremo, de un anillo de cierre unido al tubo exterior.
El documento US 2007/193729 A1 describe la porción de transición del extremo de salida de un intercambiador de calor de doble tubo. Una transición de salida de este tipo, de forma cónica, está provista de elementos de ensamblaje interiores y exteriores que forman un espacio anular entre ellos. El espacio anular se rellena con material aislante (refractario) para reducir la temperatura de funcionamiento del metal del elemento de ensamblaje exterior.
Otra porción de transición terminal de un intercambiador de calor de doble tubo para extinguir un gas craqueado se describe en el documento US 7287578 B2. El agua de enfriamiento fluye por el tubo exterior y el gas craqueado fluye por el tubo interior. Los tubos interior y exterior están conectados entre sí, en sus respectivos extremos, por medio de un elemento de conexión que presenta forma de horquilla. Un elemento de conexión de este tipo cierra la porción terminal del espacio anular formado entre el tubo interior y el exterior. La conexión de entrada, o la conexión de salida, del tubo exterior está unida directamente al elemento de conexión, para enfriar eficazmente tal elemento.
El documento US 2005/155748 A1 representa las características del preámbulo de la reivindicación 1.
En todos los documentos citados, los parámetros más críticos de un dispositivo de enfriamiento rápido de gas craqueado de tipo de doble tubo son: (a) las temperaturas de funcionamiento del metal de los elementos que unen el tubo exterior e interior, y (b) las tensiones termomecánicas que surgen de los gradientes térmicos en las partes de presión y los alargamientos térmicos diferenciales entre el tubo exterior e interior. Las soluciones tecnológicas citadas presentan tanto ventajas como posibles desventajas. La inyección de vapor en el tubo interior complica el diseño debido a las cámaras de vapor de entrada y salida relevantes y a la necesidad de un flujo de vapor continuo. El revestimiento refractario puede experimentar una degradación de las propiedades químicas y mecánicas a lo largo del servicio y, en el peor de los casos, pueden depositarse sales en las paredes calientes con la consiguiente corrosión. Los manguitos instalados en el lado del tubo interior pueden presentar un riesgo de deformación debido a mucha suciedad y condiciones de funcionamiento severas y cíclicas.
Desde un punto de vista general, los fluidos de procesamiento mencionados anteriormente, por ejemplo el gas craqueado y el gas de negro de carbón, están a una temperatura tan alta que la temperatura de funcionamiento del metal del tubo interior puede conducir a corrosión y sobrecalentamiento, con el consecuente riesgo de daños localizados. Además, en el caso de que el fluido de enfriamiento sea agua en ebullición a alta presión, surgen dos problemas críticos adicionales. En primer lugar, las sales y los óxidos metálicos dispersos en el agua pueden depositarse sobre las partes de presión, en la entrada del fluido caliente, conduciendo a daños rápidos debido a la corrosión y el sobrecalentamiento. Entonces, los altos flujos térmicos típicos del agua en ebullición pueden inducir una condición de formación de una capa de vapor aislante con el consecuente sobrecalentamiento.
Según una configuración preferida del dispositivo de enfriamiento rápido de doble tubo, el fluido caliente fluye por el tubo interior. Por tanto, el tubo interior está en contacto con tanto el fluido caliente como el fluido frío, mientras que el tubo exterior está en contacto con el fluido frío solo. Por tanto, los dos tubos funcionan a diferentes temperaturas del metal, lo que significa que los tubos experimentan diferentes alargamientos térmicos, tanto en dirección radial como longitudinal. Por tanto, el diseño de un dispositivo de enfriamiento rápido de doble tubo debe estar dirigido a absorber los alargamientos térmicos diferenciales de los dos tubos. Para fluidos muy contaminados, como gas craqueado y de negro de carbón, el funcionamiento se detiene a menudo para la limpieza. Por tanto, el dispositivo de enfriamiento rápido de doble tubo también experimenta varios ciclos de temperatura y presión. Como anteriormente, las partes más críticas de un intercambiador de calor de doble tubo para extinguir un fluido de proceso a alta temperatura son las porciones terminales y, más específicamente, los elementos de conexión entre el tubo interior y exterior. La porción terminal caliente, por donde entra el fluido caliente, se caracteriza por las temperaturas y velocidades más altas, así como por los flujos y gradientes térmicos más altos. En resumen entonces, los elementos críticos de un dispositivo de enfriamiento rápido de doble tubo pueden experimentar: a) sobrecalentamiento,
b) corrosión,
c) erosión,
d) altas tensiones termomecánicas,
e) choques térmicos,
f) ciclos de servicio.
Una configuración inteligente de las porciones terminales, específicamente de los elementos que unen el tubo interior y exterior, puede prolongar la vida de funcionamiento y mejorar la fiabilidad de un dispositivo de enfriamiento rápido de doble tubo. En particular, el diseño de un dispositivo de enfriamiento rápido de horno de craqueo con vapor debe dirigirse a:
- eliminar o reducir los puntos calientes en las paredes del tubo interior y en los elementos que unen los tubos interior y exterior;
- eliminar o reducir los depósitos de impurezas en las superficies de transferencia de calor del lado del agua; - eliminar o reducir las zonas de velocidades bajas, las zonas de recirculación y el atrapamiento de vapor en las superficies de transferencia de calor del lado del agua;
- eliminar o reducir los impactos localizados y los choques térmicos;
- atenuar los gradientes términos en las partes de presión;
- absorber los alargamientos térmicos diferenciales.
Un objetivo de la presente invención es, por tanto, proporcionar un intercambiador de calor de doble tubo que solucione los posibles problemas de la técnica anterior mencionada anteriormente de una manera sencilla, económica y particularmente funcional.
En detalle, un objetivo de la presente invención es proporcionar un intercambiador de calor de doble tubo con vida de funcionamiento prolongada y fiabilidad mejorada por medio de un diseño alternativo con respecto a las soluciones tecnológicas conocidas. Más específicamente, la presente invención se refiere a, pero no se limita a, un dispositivo de enfriamiento rápido innovador para hornos de craqueo con vapor de hidrocarburos para la producción de olefinas. Un objetivo de este tipo se logra por medio de una configuración innovadora de un intercambiador de calor de doble tubo que puede lograr, por lo menos parcialmente, los objetivos anteriormente mencionados.
Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un método de fabricación de un intercambiador de calor de doble tubo.
Tales objetivos según la presente invención se logran proporcionando un intercambiador de calor de doble tubo y un método de fabricación del mismo tal como se da a conocer en las reivindicaciones independientes.
Se pondrán más claramente de manifiesto las características y ventajas adicionales de un intercambiador de calor de doble tubo según la presente invención a partir de la siguiente descripción a título de ejemplo y no limitativa, haciendo referencia a los dibujos ilustrativos adjuntos, en los que:
la figura 1 es una vista en sección longitudinal de un intercambiador de calor de doble tubo según la técnica anterior;
las figuras 2A, 3A y 4A son una vista parcial y en sección longitudinal de un intercambiador de calor de doble tubo según la técnica anterior;
la figura 2B es una vista parcial y en sección longitudinal de una primera forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo según la invención;
la figura 2C es una vista parcial y en sección longitudinal de una segunda forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo según la invención;
la figura 3B es una vista parcial y en sección longitudinal de una tercera forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo según la invención;
la figura 3C es una vista parcial y en sección longitudinal de una cuarta forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo según la invención;
la figura 4B es una vista parcial y en sección longitudinal de una quinta forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo según la invención;
la figura 4C es una vista parcial y en sección longitudinal de una sexta forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo según la invención;
la figura 5 es una vista parcial y en sección longitudinal de una séptima forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo según la invención;
la figura 6 es una vista parcial y en sección longitudinal de una octava forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo según la invención;
las figuras 7A, 7B y 7C son una vista parcial, según las líneas X-X' y Y-Y' de la figura 4C, de una novena forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo según la invención;
las figuras 8A a 8F son vistas parciales y en sección que representan en secuencia un primer método de fabricación del intercambiador de calor de doble tubo según la invención;
las figuras 9A a 9E son vistas parciales y en sección que representan en secuencia un segundo método de fabricación del intercambiador de calor de doble tubo según la invención.
Se subraya que, en todos los dibujos ilustrativos adjuntos, números de referencia idénticos corresponden a elementos idénticos o a elementos que son equivalentes entre sí.
Haciendo referencia a la figura 1, se representa un intercambiador de calor de doble tubo según la técnica anterior, indicado en su totalidad con el número de referencia 1. La disposición del intercambiador de calor 1 puede ser vertical, horizontal o cualquier otra. El intercambiador de calor 1 comprende un tubo exterior 2 y un tubo interior 3, dispuestos concéntricamente para formar un primer espacio anular 14, o un primer anillo, entre tal tubo exterior 2 y tal tubo interior 3. El tubo exterior 2 está provisto de por lo menos una primera conexión 4 y por lo menos una segunda conexión 5 para la entrada y salida, respectivamente, de un primer fluido F1. Cada conexión 4 y 5 del tubo exterior 2 está ubicada preferentemente próxima a un respectivo extremo 8 y 9 de tal tubo exterior 2. El tubo interior 3, a su vez, está provisto de por lo menos una primera conexión 6 y por lo menos una segunda conexión 7 para la entrada y salida, respectivamente, de un segundo fluido F2. Cada conexión 6 y 7 del tubo interior 3 está ubicada preferentemente próxima a un respectivo extremo 10 y 11 del tubo interior 3 y está unida a equipos o conductos instalados en el lado aguas arriba 100 y/o en el lado aguas abajo 200 del intercambiador de calor 1. Los dos fluidos F1 y F2 están en contacto indirecto para la transferencia de calor, por medio de una configuración en cocorriente o en contracorriente. En consecuencia, la dirección de los flujos del primer fluido F1 y del segundo fluido F2 puede ser diferente con respecto a lo que se representa en la figura 1. El tubo interior 3 y el tubo exterior 2 están unidos por medio de una primera pared de ensamblaje 12 y una segunda pared de ensamblaje 13. La primera pared de ensamblaje 12 une el primer extremo 8 del tubo exterior 2 al tubo interior 3 en un primer punto 21 ubicado entre las dos conexiones 6 y 7 del tubo interior 3. La segunda pared de ensamblaje 13 une el segundo extremo 9 del tubo exterior 2 al tubo interior 3 en un segundo punto 38 ubicado también entre las dos conexiones 6 y 7 del tubo interior 3. Las dos paredes de ensamblaje 12 y 13 sellan el primer anillo 14 en los dos extremos.
Tal como se representa en la figura 1, que ilustra uno de los posibles modos de funcionamiento del intercambiador de calor 1, el primer fluido F1 entra en el primer anillo 14 a través de la primera conexión 4, fluye a lo largo del primer anillo 14 y a continuación sale del primer anillo 14 a través de las segundas conexiones 5. El segundo fluido F2 entra en el tubo interior 3 a través de la primera conexión 6, fluye a lo largo del tubo interior 3 y a continuación sale del tubo interior 3 a través de la segunda conexión 7. Los dos fluidos F1 y F2 intercambian indirectamente calor entre sí a través de la pared del tubo interior 3 que está en contacto directo con el primer fluido F1.
Haciendo referencia a las figuras 2A, 3A y 4A, se representan algunas posibles formas de realización del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la técnica anterior (en particular según el documento US 2005/155748 A1). Más específicamente, las figuras 2A, 3A y 4A representan una porción terminal del intercambiador de calor 1. El intercambiador de calor 1 está provisto de un tubo exterior 2 y un tubo interior 3 dispuestos concéntricamente para formar un primer espacio anular 14, o un primer anillo. El tubo exterior 2 está provisto de por lo menos una primera conexión 4 y de por lo menos una segunda conexión (no representada en las figuras, pero comparable a la segunda conexión 5 de la figura 1) para la entrada y salida, respectivamente, de un primer fluido F1. El tubo interior 3, a su vez, está provisto de por lo menos una primera conexión 6 y de por lo menos una segunda conexión (no representada en las figuras, pero comparable a la segunda conexión 7 de la figura 1) para la entrada y salida, respectivamente, de un segundo fluido F2.
El tubo exterior 2 está unido, en un primer extremo 8 del mismo, al tubo interior 3 en un punto ubicado entre la conexión de entrada 6 y la conexión de salida 7 del tubo interior 3. La unión entre el tubo exterior 2 y el tubo interior 3 se obtiene por medio de una pared de ensamblaje 35 que sella la porción terminal del primer anillo 14. La pared de ensamblaje 35 forma un segundo espacio anular 19, o un segundo anillo, expuesto al aire y sustancialmente con forma de bolsillo. La pared de ensamblaje 35 puede estar formada por un único elemento (figura 2A) o por una pluralidad de elementos (figuras 3A y 4A) unidos entre sí mediante juntas 37, 20, 22.
La pared de ensamblaje 35 es un elemento distinto con respecto al tubo exterior 2 y el tubo interior 3. La pared de ensamblaje 35 no está en contacto directo con el segundo fluido F2 y está unida a la superficie exterior del tubo interior 3 por contacto, fricción o, preferentemente, unión por soldadura en ángulo/rincón. Sin embargo, una unión de este tipo no está recomendada en caso de agua de enfriamiento a alta presión en condiciones de ebullición y de altas temperaturas del metal, típicas de dispositivos de enfriamiento rápido de gas craqueado, puesto que esta junta no puede garantizar exámenes precisos no destructivos y puede conducir a corrosión en grietas, fugas, altas tensiones termomecánicas locales y envejecimiento a lo largo del tiempo.
Haciendo referencia a la figura 2B, se representa una primera forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención. Más específicamente, la figura 2B representa una porción terminal del intercambiador de calor 1. El intercambiador de calor 1, de un modo conocido, está provisto de un tubo exterior 2 y de un tubo interior 3 dispuestos concéntricamente para formar un primer espacio anular 14, o un primer anillo, entre ellos. El tubo exterior 2 está provisto de por lo menos una primera conexión 4 y de por lo menos una segunda conexión (no representada en la figura 2B, pero comparable a la segunda conexión 5 de la figura 1) para la entrada y salida, respectivamente, de un primer fluido F1. El tubo interior 3 está provisto de por lo menos una primera conexión 6 y de por lo menos una segunda conexión (no representada en la figura 2B, pero comparable a la segunda conexión 7 de la figura 1) para la entrada y salida, respectivamente, de un segundo fluido F2. Cada conexión 6 y 7 del tubo interior 3 está unida a equipos o conductos instalados en el lado aguas arriba 100 y/o en lado aguas abajo 200 del intercambiador de calor 1. La porción del intercambiador de calor 1 ilustrada en la figura 2B representa únicamente la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 y la conexión de entrada 6 del tubo interior 3.
Tal como se representa en la figura 2B, el primer fluido F1 y el segundo fluido F2 fluyen, respectivamente, por el primer anillo 14 y por el tubo interior 3 esencialmente con una configuración en cocorriente. Sin embargo, la dirección de los flujos de los dos fluidos F1 y F2 puede ser diferente de la de la figura 2B. Por ejemplo, los dos fluidos F1 y F2 pueden fluir según una configuración en contracorriente. Es decir, la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2, como en la figura 2B, puede intercambiarse con la conexión de salida, manteniendo sin cambios la dirección del flujo del segundo fluido F2 en el tubo interior 3. Alternativamente, la conexión de entrada 6 del tubo interior 3, como en la figura 2B, puede intercambiarse con la conexión de salida, manteniendo sin cambios la dirección del flujo del primer fluido F1 en el tubo exterior 2.
Según la invención, el tubo interior 3 está formado por por lo menos dos secciones de tubo 24, 25, 36 unidas entre sí por medio de una junta de tipo tope con tope, por ejemplo una junta de soldadura del tipo tope con tope. por lo menos una de las dos secciones de tubo 25, 36 está formada de una sola pieza, como una única pieza monolítica, con la pared de ensamblaje 35.
La forma de realización ilustrada en la figura 2B representa tres secciones de tubo del tubo interior 3, es decir, una primera sección de tubo 24, una segunda sección de tubo 25 y una tercera sección de tubo 36. La tercera sección de tubo 36 está formada de una sola pieza con la pared de ensamblaje 35. Es decir, la tercera sección de tubo 36 del tubo interior 3 y la pared de ensamblaje 35 están realizadas en su totalidad de una pieza. En consecuencia, la pared de ensamblaje 35 no es un elemento distinto con respecto al tubo interior 3, al contrario que las formas de realización facilitadas en las figuras 2A, 3A y 4A y descritas en el documento US 2005/155748 A1. La primera sección de tubo 24 y la segunda sección de tubo 25 están unidas por medio de la tercera sección de tubo 36, que está instalada entre la primera sección de tubo 24 y la segunda sección de tubo 25. El primer extremo 21 de la primera sección de tubo 24 está unida a la tercera sección de tubo 36, mientras que el segundo extremo (no representado) de la primera sección de tubo 24 está ubicada hacia la conexión de salida 7 del tubo interior 3. El primer extremo 10 de la segunda sección de tubo 25 corresponde a la conexión de entrada 6 del tubo interior 3, mientras que el segundo extremo 26 de la segunda sección de tubo 25 está unida a la tercera sección de tubo 36. Las uniones entre las secciones de tubo 24, 36 y 25, en los respectivos extremos 21 y 26, corresponden a juntas de tipo tope con tope, por ejemplo, juntas de soldadura de tipo tope con tope y de tipo de penetración completa.
El tubo exterior 2 está unido, en un primer extremo 8 del mismo, al tubo interior 3 por medio de la pared de ensamblaje 35 que sella la porción terminal del primer anillo 14.
Según la invención, la pared de ensamblaje 35 forma un segundo espacio anular 19, o un segundo anillo, expuesto al aire y sustancialmente con forma de bolsillo. Es decir, un primer extremo anular del segundo anillo 19 está cerrado por la pared de ensamblaje 35, mientras que el extremo anular opuesto del segundo anillo 19 está abierto al aire. En el segundo anillo 19, por tanto, ni el primer fluido F1 ni el segundo fluido F2 fluyen puesto que tal segundo anillo 19 está orientado hacia la superficie exterior del intercambiador de calor 1.
Por tanto, se combinan las siguientes características en el intercambiador de calor 1 de la presente invención:
- dos o más secciones de tubo 24, 25, 36 del tubo interior 3 están unidas recíprocamente por medio de respectivas juntas de tipo tope con tope,
- por lo menos una de las secciones de tubo 24, 25, 36 está formada de una sola pieza, como una única pieza monolítica, con la pared de ensamblaje 35, y
- el segundo anillo 19 expuesto al aire está, por lo menos parcialmente, delimitado por tal pared de ensamblaje 35.
Tales características combinadas permiten obtener simultáneamente las siguientes ventajas principales:
- el tubo interior 3 puede estar provisto de juntas de soldadura resistentes de alta calidad y adecuadas para servicios a alta presión y alta temperatura, puesto que tales juntas de soldadura pueden examinarse mediante pruebas radiográficas (RT) y de ultrasonidos (UT);
- las juntas de soldadura relacionadas con el tubo interior 3 son de tipo de penetración completa, por tanto, capaces de prevenir la corrosión en grietas, y están libres de discontinuidades de biseles, por lo tanto capaces de prevenir el impacto localizado de los fluidos;
- la sección de tubo del tubo interior 3 y la pared de ensamblaje 35, que están formadas integralmente como una única pieza, son el elemento más crítico para el intercambiador de calor 1. Este elemento puede fabricarse mediante forja o colada y, por tanto, según una calidad de fabricación de alto nivel debido a propiedades químicas y mecánicas uniformes;
- la conformación de la pared de ensamblaje 35 y el segundo anillo 19 potencia la flexibilidad estructural del intercambiador de calor 1, para absorber eficazmente los alargamientos térmicos diferenciales a lo largo de la dirección radial y longitudinal entre el tubo exterior 2 y el tubo interior 3;
- dependiendo del servicio del intercambiador de calor de doble tubo 1, la pared de ensamblaje 35 y el segundo anillo 19 permiten reducir o prevenir zonas de estancamiento y/o depósitos de impurezas en la pared de ensamblaje 35, cerca del tubo interior 3, en el lado del primer anillo 14.
El segundo anillo 19 puede estar interpuesto entre el tubo interior 3, o los equipos aguas arriba 100 o aguas abajo 200, o el tubo interior 3 y los equipos aguas arriba 100 o aguas abajo 200, y la pared de ensamblaje 35. Si el primer extremo 10 del tubo interior 3 está colocado dentro del segundo anillo 19, una porción de tal segundo anillo 19 resulta estar delimitada por la pared de ensamblaje 35 y los equipos aguas arriba 100 o aguas abajo 200 unido al primer extremo 10 del tubo interior 3. El segundo extremo 26 de la segunda sección de tubo 25, unido a la tercera sección de tubo 36, puede estar colocado dentro o fuera con respecto al segundo anillo 19 expuesto al aire. El segundo anillo 19 no está en comunicación fluídica ni con el primer anillo 14 ni con el tubo interior 3; el segundo anillo 19 está, por lo menos parcialmente, rodeado por el primer anillo 14. La porción específica del primer anillo 14 que rodea el segundo anillo 19 puede considerarse como un anillo adicional 18. Tal anillo adicional 18 está en comunicación fluídica con el primer anillo 14. Es decir, el anillo adicional 18 es una parte integral del primer anillo 14. La porción terminal 23 del segundo anillo 19, que es la porción cerrada por la pared de ensamblaje 35, presenta preferentemente una forma convexa, o una forma de “U”, orientada hacia el segundo anillo 19. El primer extremo 10 del tubo interior 3, correspondiente a la conexión de entrada 6 del tubo interior 3, puede estar colocado dentro o fuera del segundo anillo 19. En la figura 2B, el primer extremo 10 del tubo interior 3 se representa fuera del segundo anillo 19.
El perfil de la pared de ensamblaje 35 enfrentado al primer anillo 14 y que está junto a la unión 21 del tubo interior 3 es preferentemente curvilíneo y con una pendiente continua hacia el anillo adicional 18. La sección de tubo 36 del tubo interior 3, formado de una sola pieza con la pared de ensamblaje 35, consiste preferentemente en una pieza metálica realizada mediante forja o colada, realizada en acero al carbono, acero de baja aleación o aleación de níquel para altas temperaturas.
La conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 se instala preferentemente en el tubo exterior 2. Alternativamente, la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 puede instalarse en la pared de ensamblaje 35 o en tanto la pared de ensamblaje 35 como el tubo exterior 2. Según una configuración ventajosa del intercambiador de calor 1, la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 se instala en el anillo adicional 18.
El tubo interior 3 puede presentar un diámetro interior o bien uniforme o bien no uniforme. Por ejemplo, el tubo interior 3 puede presentar por lo menos dos diámetros interiores diferentes D1 y D2. Según una posible configuración del intercambiador de calor 1, la segunda sección de tubo 25 y la tercera sección de tubo 36 pueden presentar un diámetro interior D2 que es diferente del diámetro interior D1 de la primera sección de tubo 24 del tubo interior 3.
Haciendo referencia a la figura 2C, se representa una segunda forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención. Más específicamente, la figura 2C representa una porción terminal del intercambiador de calor 1. El intercambiador de calor 1 de figura 2C es esencialmente idéntico al representado en la figura 2B, excepto por el tubo interior 3. se representan dos secciones de tubo del tubo interior 3, es decir, una primera sección de tubo 24 y una segunda sección de tubo 25. La segunda sección de tubo 25 está formada de una sola pieza con la pared de ensamblaje 35. Es decir, la segunda sección de tubo 25 del tubo interior 3 y la pared de ensamblaje 35 están realizadas todas en una pieza. En consecuencia, la pared de ensamblaje 35 no es un elemento distinto con respecto al tubo interior 3, al contrario de las formas de realización representadas en las figuras 2A, 3A y 4A y descritas en el documento US 2005/155748 A1. El primer extremo 21 de la primera sección de tubo 24 está unida a la segunda sección de tubo 25, mientras que el segundo extremo (no representado) de la primera sección de tubo 24 está ubicado hacia la conexión de salida 7 del tubo interior 3. La unión entre las secciones de tubo 24 y 25, en el extremo 21, corresponde a una junta de soldadura de tipo tope con tope y de tipo de penetración completa. El primer extremo 10 del tubo interior 3, que corresponde a un extremo de la segunda sección de tubo 25, puede estar colocado dentro o fuera con respecto al segundo anillo 19 expuesto al aire.
Haciendo referencia a las figuras 3B y 3C, se representan respectivamente una tercera y una cuarta forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención. Más específicamente, las figuras 3B y 3C representan una porción terminal del intercambiador de calor 1. El intercambiador de calor 1 de la figura 3B es esencialmente idéntico al representado en la figura 2B, excepto por la pared de ensamblaje 35 que comprende dos elementos de ensamblaje 15 y 16 unidos por una conexión intermedia 37. El tubo exterior 2 está unido, en un primer extremo 8 del mismo, al primer elemento de ensamblaje 15. La conexión intermedia 37 entre el primer elemento de ensamblaje 15 y el segundo elemento de ensamblaje 16 está colocada preferentemente entre el segundo anillo 19 expuesto al aire y el anillo adicional 18. La porción terminal 23 del segundo anillo 19 está delimitada preferentemente únicamente por el segundo elemento de ensamblaje 16. El segundo elemento de ensamblaje 16 está formado de una sola pieza con la tercera sección de tubo 36 del tubo interior 3. El primer elemento de ensamblaje 15 y el segundo elemento de ensamblaje 16 son preferentemente piezas metálicas realizadas mediante forja o colada, realizadas en acero al carbono, acero de baja aleación o aleación de níquel para altas temperaturas, y pueden presentar cualquier forma, por ejemplo curvilínea.
El intercambiador de calor 1 de la figura 3C es esencialmente idéntico al representado en la figura 2C, excepto por la pared de ensamblaje 35 que comprende dos elementos de ensamblaje 15 y 16 unidos por una conexión intermedia 37. El tubo exterior 2 está unido, en un primer extremo 8 del mismo, al primer elemento de ensamblaje 15. La conexión intermedia 37 entre el primer elemento de ensamblaje 15 y el segundo elemento de ensamblaje 16 está colocada preferentemente entre el segundo anillo 19 expuesto al aire y el anillo adicional 18. La porción terminal 23 del segundo anillo 19 está delimitada preferentemente únicamente por el segundo elemento de ensamblaje 16. El segundo elemento de ensamblaje 16 está formado de una sola pieza con la segunda sección de tubo 25 del tubo interior 3. El primer elemento de ensamblaje 15 y el segundo elemento de ensamblaje 16 son preferentemente piezas metálicas realizadas mediante forja o colada, realizadas en acero al carbono, acero de baja aleación o aleación de níquel para altas temperaturas, y pueden presentar cualquier forma, por ejemplo, curvilínea.
Haciendo referencia a las figuras 4B y 4C, se representan respectivamente una quinta y una sexta forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención. Más específicamente, las figuras 4B y 4C representan una porción terminal del intercambiador de calor 1. El intercambiador de calor 1 de la figura 4B es esencialmente idéntico al representado en la figura 3B, excepto por la pared de ensamblaje 35 que comprende un tercer elemento de ensamblaje 17 adicional. Este tercer elemento de ensamblaje 17 se instala entre el primer elemento de ensamblaje 15 y el segundo elemento de ensamblaje 16. Preferentemente, el tercer elemento de ensamblaje 17 es un tubo intermedio dispuesto concéntricamente con respecto al tubo interior 3 y el tubo exterior 2. Preferentemente, el primer extremo 8 del tubo exterior 2 es adyacente al primer extremo 22 del tercer elemento de ensamblaje 17. El primer extremo 8 del tubo exterior 2 está unido al primer extremo 22 del tercer elemento de ensamblaje 17 por medio del primer elemento de ensamblaje 15. El segundo extremo 20 del tercer elemento de ensamblaje 17 está unido al segundo elemento de ensamblaje 16, que está formado de una sola pieza con la tercera sección de tubo 36 del tubo interior 3.
El intercambiador de calor 1 de figura 4C es esencialmente idéntico al representado en la figura 3C, excepto por la pared de ensamblaje 35 que comprende un tercer elemento de ensamblaje 17 adicional. Este tercer elemento de ensamblaje 17 se instala entre el primer elemento de ensamblaje 15 y el segundo elemento de ensamblaje 16. Preferentemente, el tercer elemento de ensamblaje 17 es un tubo intermedio dispuesto concéntricamente con respecto al tubo interior 3 y el tubo exterior 2. Preferentemente, el primer extremo 8 del tubo exterior 2 es adyacente al primer extremo 22 del tercer elemento de ensamblaje 17. El primer extremo 8 del tubo exterior 2 está unido al primer extremo 22 del tercer elemento de ensamblaje 17 por medio del primer elemento de ensamblaje 15. El segundo extremo 20 del tercer elemento de ensamblaje 17 está unido al segundo elemento de ensamblaje 16, que está formado de una sola pieza con la segunda sección de tubo 25 del tubo interior 3.
Haciendo referencia a la figura 5, se representa una séptima forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención. Más específicamente, la figura 5 representa una porción terminal del intercambiador de calor 1. El intercambiador de calor 1 de la figura 5 puede corresponder esencialmente a cualquiera de las formas de realización anteriormente mencionadas, desde la primera hasta la sexta, excepto por el tubo exterior 2 que comprende dos o más secciones de tubo, por ejemplo una primera sección de tubo 26 y una segunda sección de tubo 27, unidas por medio de un cuarto elemento de ensamblaje 28. La primera sección de tubo 26 y la segunda sección de tubo 27 presentan diámetros interiores respectivos D3 y D4 que pueden ser diferentes entre sí. Según una configuración ventajosa, el diámetro interior D4 de la segunda sección de tubo 27 es mayor que el diámetro interior D3 de la primera sección de tubo 26. Un primer extremo 29 de la primera sección de tubo 26 está unido al cuarto elemento de ensamblaje 28, mientras que el otro extremo (no representado) de la primera sección de tubo 26 está ubicado hacia el segundo extremo 9 del tubo exterior 2. Un extremo 30 de la segunda sección de tubo 27 está unido al cuarto elemento de ensamblaje 28, mientras que el otro extremo de la segunda sección de tubo 27 corresponde al primer extremo 8 del tubo exterior 2. Preferentemente, el cuarto elemento de ensamblaje 28 se instala próximo a la unión 21 en relación con el tubo interior 3. El cuarto elemento de ensamblaje 28 es preferentemente un cono, o un pseudocono, o un elemento de perfil “Z”, y puede presentar la importante función de aumentar la flexibilidad estructural del intercambiador de calor 1.
Haciendo referencia a la figura 6, se representa una octava forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención. Más específicamente, la figura 6 representa una porción terminal del intercambiador de calor 1. El intercambiador de calor 1 de la figura 6 puede corresponder esencialmente con cualquiera de las formas de realización anteriormente mencionadas, desde la primera hasta la séptima, excepto por el primer anillo 14 en el que se instala un tabique 32, o un transportador de fluido, para formar un tercer espacio 33 entre el tubo exterior 2 y el transportador de fluido 32. Este tercer espacio 33, en un primer extremo 31 del transportador de fluido 32, está sellado y está en comunicación fluídica solo con la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2. En el segundo extremo 34 del transportador de fluido 32, el tercer espacio 33 está, en cambio, en comunicación fluídica con el primer anillo 14. El segundo extremo 34 del transportador de fluido 32, que está en comunicación fluídica con el primer anillo 14, está colocado junto a o bien la unión 21 en relación con el tubo interior 3 o bien en la porción del primer anillo 14 que corresponde al anillo adicional 18. La conexión de entrada 4 está preferentemente ubicada a alguna distancia desde el anillo adicional 18. Preferentemente, el transportador de fluido 32 es un tubo dispuesto concéntricamente con respecto al tubo exterior 2. El transportador de fluido 32 forma preferentemente un tercer espacio 33 con geometría anular.
Haciendo referencia a las figuras 7A, 7B y 7C, se representa una novena forma de realización del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención. Más específicamente, las figuras 7A, 7B y 7C representan una sección transversal (X-X') y una longitudinal (Y-Y') del intercambiador de calor 1 representado en la figura 4C. El intercambiador de calor 1 de las figuras 7A, 7B y 7C puede corresponder esencialmente a cualquiera de las formas de realización anteriormente mencionadas, desde la primera hasta la octava, excepto por el segundo anillo 19 expuesto al aire en el que se instalan elementos y/o materiales. Tales elementos y/o materiales instalados en el segundo anillo 19 presentan la finalidad de transferir calor entre el tubo interior 3, o los equipos aguas arriba 100 y aguas abajo 200, o el tubo interior 3 y los equipos aguas arriba 100 o aguas abajo 200, y la pared de ensamblaje 35. Puesto que tales elementos y/o materiales deben ser adecuados para la transferencia de calor, deben caracterizarse por una conductividad térmica adecuada. Específicamente, la figura 7A representa elementos de transferencia de calor 39 que pueden comprender aletas, radios, barras, placas o similares, la figura 7B representa elementos de transferencia de calor 39 rodeados por o incrustados en un material de relleno de transferencia de calor 40, y la figura 7C representa un material de transferencia de calor de relleno 40. El material de relleno de transferencia de calor 40 puede ser denso o poroso, metálico o no metálico, o cualquier combinación respectiva. Los elementos de transferencia de calor 39 y el material de relleno de transferencia de calor 40 pueden ser, alternativamente, artículos metálicos de esponja, malla, corrugados o láminas finas.
Haciendo referencia a las figuras 8A-8F, se representan etapas secuenciales de un primer método de fabricación del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención. Más específicamente, las figuras 8A-8F representan las etapas de fabricación de un intercambiador de calor de doble tubo 1 tal como se describe en la figura 4B. Las figuras 8A-8F representan una porción terminal del intercambiador de calor 1. Según tal primer método de fabricación, el intercambiador de calor 1 de la figura 4B puede fabricarse a través de las siguientes etapas:
a) la tercera sección de tubo 36 del tubo interior 3, formada de una sola pieza con el segundo elemento de ensamblaje 16, se suelda a la segunda sección de tubo 25 del tubo interior 3, formando una primera parte del intercambiador de calor 1 (figura 8A);
b) el primer elemento de ensamblaje 15 se suelda al tercer elemento de ensamblaje 17 (tubo intermedio), formando una segunda parte del intercambiador de calor 1 (figura 8B);
c) la segunda parte de la figura 8B se suelda a la primera parte de la figura 8A por medio del segundo elemento de ensamblaje 16, formando una tercera parte del intercambiador de calor 1 (figura 8C);
d) la primera sección de tubo 24 del tubo interior 3 se suelda a la tercera parte de la figura 8C por medio de la tercera sección de tubo 36 del tubo interior 3, formando una cuarta parte del intercambiador de calor 1 (figura 8D);
e) la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 se suelda al tubo exterior 2, formando una quinta parte del intercambiador de calor 1 (figura 8E);
f) la quinta parte de la figura 8E se suelda a la cuarta parte de la figura 8D por medio del primer elemento de ensamblaje 15, formando una sexta parte (figura 8F) que corresponde a toda la porción terminal del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención.
Las etapas de fabricación de a) a f) representan, por tanto, un método de fabricación del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención, y específicamente del intercambiador de calor 1 según la figura 4B. La secuencia de etapas de fabricación anteriormente mencionada puede ser, de todos modos, diferente, sin cambiar sustancialmente el método de fabricación del intercambiador de calor 1 según la figura 4B. En caso de que la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 se instale en el primer elemento de ensamblaje 15, o en el primer elemento de ensamblaje 15 y en el tubo exterior 2, podría eliminarse la etapa e). La soldadura de la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 podía, por tanto, incluirse en la etapa b), o ejecutarse en una etapa g) tras la etapa f). Haciendo referencia a las figuras 9A a 9E, se representan etapas secuenciales de un segundo método de fabricación del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención. Más específicamente, las figuras 9A a 9E representan las etapas de fabricación de un intercambiador de calor de doble tubo 1 tal como se describe en la figura 4C. Las figuras 9A a 9E representan una porción terminal del intercambiador de calor 1. Según tal segundo método de fabricación, el intercambiador de calor 1 de figura 4C puede fabricarse a través de las siguientes etapas: a) el primer elemento de ensamblaje 15 se suelda al tercer elemento de ensamblaje 17 (tubo intermedio), formando una primera parte del intercambiador de calor 1 (figura 8A);
b) la primera parte de figura 9A se suelda a la segunda sección de tubo 25 del tubo interior 3 por medio del segundo elemento de ensamblaje 16, formando una segunda parte del intercambiador de calor 1 (figura 9B);
c) la primera sección de tubo 24 del tubo interior 3 se suelda a la segunda parte de figura 9B por medio de la segunda sección de tubo 25 del tubo interior 3, formando una tercera parte del intercambiador de calor 1 (figura 9C);
d) la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 se suelda al tubo exterior 2, formando una cuarta parte del intercambiador de calor 1 (figura 9D);
e) la cuarta parte de figura 9D se suelda a la tercera parte de figura 9C por medio del primer elemento de ensamblaje 15, formando una quinta parte (figura 9E) que corresponde a toda la porción terminal del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención.
Las etapas de fabricación a a) a e) representan, por tanto, un método de fabricación del intercambiador de calor de doble tubo 1 según la invención, y específicamente del intercambiador de calor 1 según la figura 4C. La secuencia de etapas de fabricación anteriormente mencionada puede ser, de todos modos, diferente, sin cambiar sustancialmente el método de fabricación del intercambiador de calor 1 según la figura 4C. En caso de que la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 se instale en el primer elemento de ensamblaje 15, o en el primer elemento de ensamblaje 15 y en el tubo exterior 2, podría eliminarse la etapa d). La soldadura de la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 podría, por tanto, incluirse en la etapa a), o ejecutarse en una etapa f) tras la etapa e).
Según las formas de realización del intercambiador de calor 1 de las figuras 2B a 2C, 3B a 3C, 4B a 4C, 5 y 6, el primer fluido F1, que fluye por el primer anillo 14, y el segundo fluido F2, que fluye por el tubo interior 3, intercambian calor entre ellos por medio de un contacto indirecto. Los dos fluidos F1 y F2 intercambian la mayor cantidad del calor a través de la pared del tubo interior 3 que está en contacto con el primer fluido F1. A la inversa, una parte del calor se intercambia entre los dos fluidos F1 y F2 a través del segundo anillo 19. El mecanismo de transferencia de calor a través de la pared del tubo interior 3, que está en contacto con el primer fluido F1, se basa predominantemente en la convección de los fluidos F1 y F2. Por el contrario, la transferencia de calor a través del segundo anillo 19, y por tanto no a través de la pared del tubo interior 3 en contacto con el primer fluido F1, se basa esencialmente en la conducción térmica y/o convección del aire, y/o la conducción térmica de los elementos 39, y/o la conducción térmica del material de relleno 40, y/o la radiación térmica.
Según una configuración ventajosa del intercambiador de calor 1, el primer fluido F1 es el fluido más frío y el segundo fluido F2 es el fluido más caliente. El primer fluido F1 es, por tanto, el fluido de enfriamiento y recibe el calor del segundo fluido F2. Generalmente, según la figura 1, el primer fluido F1 y el segundo fluido F2 intercambian calor mediante una configuración en cocorriente cuando la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 está más próxima a la conexión de entrada 6 del tubo interior 3 que lo que lo está la conexión de salida 5 del tubo exterior 2 a la conexión de entrada 6 del tubo interior 3. De lo contrario, el primer fluido F1 y el segundo fluido F2 intercambian calor mediante una configuración en contracorriente.
Según las formas de realización del intercambiador de calor 1 de las figuras 2B a 2C, 3B a 3C, 4B a 4C y 5, el primer fluido F1 se inyecta en el intercambiador de calor 1 a través de la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2, mientras que el segundo fluido F2 se inyecta en el intercambiador de calor 1 a través de la conexión de entrada 6 del tubo interior 3. Preferentemente, el primer fluido F1 se inyecta en el primer anillo 14 en el anillo adicional 18. Por tanto, el primer fluido F1 fluye en primer lugar por el anillo adicional 18 y a continuación por la porción restante del primer anillo 14, hacia la conexión de salida 5 del tubo exterior 2. El segundo fluido F2 fluye a lo largo del tubo interior 3, hacia la conexión de salida 7 del tubo interior 3. El primer fluido F1 y el segundo fluido F2 intercambian calor mediante una configuración en cocorriente.
Según otra configuración, la conexión 4 del tubo exterior 2 representado en las figuras 2B a 2C, 3B a 3C, 4B a 4C y 5 corresponde a la conexión de salida del primer fluido F1. En este caso, la dirección de flujo del primer fluido F1 es opuesta en comparación con la representada en las figuras 2B a 2C, 3B a 3C, 4B a 4C y 5. El primer fluido F1 se inyecta a través de una conexión de entrada (no representada) del tubo exterior 2, fluye por el primer anillo 14 y a continuación por la porción del primer anillo 14 que corresponde al anillo adicional 18, hacia una conexión de salida del tubo exterior 2.
Haciendo referencia a la figura 6, el primer fluido F1 se inyecta en el intercambiador de calor 1 en el primer extremo 31 del transportador de fluido 32. Tal transportador de fluido 32 recoge el primer fluido F1 de la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 y transporta el primer fluido F1 en el tercer espacio 33 hacia la porción del primer anillo 14 que corresponde al anillo adicional 18. El primer fluido F1 sale del tercer espacio 33 a través del respectivo extremo abierto 34 y comienza a fluir por la porción del primer anillo 14 que corresponde al anillo adicional 18. El primer fluido F1, por tanto, fluye por la parte restante del primer anillo 14, hacia la conexión de salida 5 del tubo exterior 2.
Según otra configuración, la conexión 4 del tubo exterior 2 representado en la figura 6 corresponde a la conexión de salida del primer fluido F1. En este caso, la dirección de flujo del primer fluido F1 es opuesta en comparación con la representada en la figura 6. El primer fluido F1 se inyecta a través de una conexión de entrada (no representada) del tubo exterior 2, fluye por el primer anillo 14 y a continuación por la porción del primer anillo 14 que corresponde al anillo adicional 18. El primer fluido F1 entra entonces en el tercer espacio 33 a través del respectivo extremo abierto 34 y fluye hacia la conexión de salida 4 del tubo exterior 2.
Según otra configuración ventajosa, el primer fluido F1 es agua a alta presión y en condiciones de ebullición, mientras que el segundo fluido F2 es un fluido de proceso caliente descargado de un reactor químico. Si el reactor químico es un horno de craqueo con vapor de hidrocarburos para la producción de olefinas, el fluido de proceso es un gas craqueado, y el intercambiador de calor de doble tubo 1 es un dispositivo de enfriamiento rápido para el gas craqueado con, preferentemente, una disposición vertical y, preferentemente, la conexión de entrada 6 del gas craqueado instalada en la porción terminal inferior. El gas craqueado entra en el tubo interior 3, a través de la conexión de entrada 6, a una temperatura y presión de aproximadamente 800-850°C y 150-250 kPa(a), respectivamente. El gas craqueado entra a una velocidad que es habitualmente superior a 90 m/s y está cargado de material particulado carbonoso y ceroso. A lo largo del tubo interior 3, el gas craqueado intercambia calor, mediante contacto indirecto, con el agua en ebullición y, por tanto, el gas craqueado se enfría. El enfriamiento es rápido (una fracción de segundo) debido a los altos coeficientes de transferencia de calor en el lado del agua y del gas. Aproximadamente, tales coeficientes están en el intervalo de 500 W/m2 °C para el gas craqueado y 20000 W/m2 °C para el agua en ebullición. Durante la extinción, el gas craqueado deposita una cantidad significativa de suciedad carbonosa y cerosa sobre el tubo interior 3. Tal depósito puede conducir a una parada de la unidad y a una limpieza química o mecánica posterior. El agua en ebullición fluye por el primer anillo 14 de abajo a arriba, eliminando el calor de la pared de ensamblaje 35 y el tubo interior 3 e intercambiando calor con el gas craqueado según una configuración en cocorriente. El tubo exterior 2 está unido, por medio de tuberías, a un tambor de vapor (no representado en las figuras) colocado en una posición elevada. La mezcla de agua-vapor producida en el dispositivo de enfriamiento rápido se mueve hacia arriba hacia el tambor de vapor. La mezcla de agua-vapor se reemplaza por agua procedente del tambor de vapor. La circulación entre el dispositivo de enfriamiento rápido y el tambor de vapor es de tipo de tiro natural y está impulsada por la diferencia de densidad entre la mezcla ascendente y el agua descendente. Haciendo referencia a las figuras 2b a 2C, 3B a 3C, 4B a 4C y 5, el agua se inyecta en el dispositivo de enfriamiento rápido a través de la conexión de entrada 4, instalada en el anillo adicional 18. El agua, en condiciones de ebullición o de ebullición incipiente, fluye por el anillo adicional 18 y a continuación a lo largo de la porción restante del primer anillo 14. Haciendo referencia a la figura 6, el agua se inyecta en el dispositivo de enfriamiento rápido a través de la conexión 4, que está preferentemente a alguna distancia del anillo adicional 18. En este último caso, el agua se transporta hacia abajo por el transportador de fluido 32. En el extremo abierto 34 del transportador de fluido 32, el agua sale del tercer espacio 33 y entra en la porción del primer anillo 14 que corresponde al anillo adicional 18, y luego fluye hacia arriba, intercambiando calor con el gas craqueado, hacia la conexión de salida (no representada). Puesto que el agua que fluye por el primer anillo 14 está en condiciones de ebullición, o en condiciones de ebullición incipiente, y su temperatura es sustancialmente idéntica a la temperatura del agua que fluye por el tercer espacio 33, el agua que fluye por el tercer espacio 33 no hierve, o hierve marginalmente. En consecuencia, la circulación natural del agua no resulta afectada por el flujo de agua por el tercer espacio 33.
Las figuras 2B a 2C, 3B a 3C, 4B a 4C, 5 y 6 representan soluciones tecnológicas ventajosas puesto que el tubo exterior 2 y el tubo interior 3 pueden estar cada uno unidos por medio de una pared de ensamblaje 35 de alta calidad, y puesto que las juntas de soldadura asociadas con el tubo interior 3 pueden examinarse con precisión y pueden garantizar, a altas presiones y temperaturas del metal, un sellado apropiado, ausencia de corrosión en grietas, fiabilidad duradera. Además, las soluciones tecnológicas según las figuras 3B, 3C, 4B y 4C resultan ser ventajosas puesto que la pared de ensamblaje 35 puede fabricarse con dos elementos 15 y 16, también de diferente material, que pueden soldarse entre sí mediante una junta de soldadura de tope a tope. Las soluciones según las figuras 4B y 4C, además, son ventajosas puesto que la porción del primer anillo 14 que corresponde al anillo adicional 18 puede extenderse fácilmente, según sea necesario, para dirigir y desarrollar bien el primer fluido F1 a lo largo del anillo adicional 18. Por tanto, el primer fluido F1 puede fluir eficazmente alrededor de la unión 21 en relación con el tubo interior 3 mediante una corriente de fluido uniforme y longitudinal. Las figuras 5 y 6 representan soluciones tecnológicas ventajosas adicionales puesto que tanto el cuarto elemento de ensamblaje 28 como el transportador de fluido 32 pueden presentar una forma que fuerce al primer fluido F1 a fluir, a alta velocidad y con una corriente de fluido uniforme, alrededor de la unión 21 en relación con el tubo interior 3.
Según otra configuración ventajosa del intercambiador de calor de doble tubo 1, los elementos de transferencia de calor 39 o los materiales de relleno de transferencia de calor 40, representados en las figuras 7A, 7B y 7C, consisten en láminas o aletas delgadas de metal, y/o en mallas o esponjas de metal, insertadas en el segundo anillo 19 y en contacto con, o comprimidas contra, las paredes de las partes que delimitan el segundo anillo 19. Tales láminas, aletas, mallas o esponjas potencian la transferencia de calor entre el tubo interior 3, o los equipos/conductos aguas arriba 100 o aguas abajo 200, o el tubo interior 3 y los equipos/conductos aguas arriba 100 o aguas abajo 200, y la pared de ensamblaje 35, y hacen más uniforme la distribución de temperatura en las paredes que delimitan el segundo anillo 19. Como resultado, los elementos de transferencia de calor 39 o los materiales de relleno de transferencia de calor 40 atenúan los gradientes térmicos y las tensiones termomecánicas en las paredes que delimitan el segundo anillo 19 expuesto al aire.
En resumen, el innovador intercambiador de calor de doble tubo 1 según las formas de realización y la descripción anteriormente mencionadas presenta las siguientes ventajas:
- el primer fluido F1 presenta esencialmente una velocidad alta, uniforme y longitudinal alrededor de la pared de ensamblaje 35, especialmente cerca de la unión 21 del tubo interior 3. En el caso de un dispositivo de enfriamiento rápido dispuesto verticalmente para el gas craqueado, el agua en ebullición fluya a alta velocidad alrededor de la pared de ensamblaje 35, especialmente cerca de la unión 21 del tubo interior 3, moviéndose hacia arriba mediante una corriente de fluido bien desarrollada. Como resultado, la acción de enfriamiento y eliminación de vapor sobre las superficies más calientes es uniforme y eficiente: no existen zonas de estancamiento, recirculación, baja velocidad alrededor de la pared de ensamblaje 35 cerca de la unión 21. Ya no es posible el atrapamiento de vapor y/o la formación de una capa de vapor aislante. Tal dinámica de fluidos térmicos es de suma importancia puesto que la pared de ensamblaje 35 funciona a altas temperaturas del metal y está sujeta a grandes flujos de calor;
- en el caso de que el intercambiador de calor de doble tubo 1 sea un dispositivo de enfriamiento rápido de gas craqueado en posición vertical, apenas se producen depósitos de sales e impurezas en el lado del agua sobre la pared de ensamblaje 35 cerca de la unión 21 del tubo interior 3. De hecho, la pared de ensamblaje 35, cerca de la unión 21 del tubo interior 3, presenta una pendiente continua y, especialmente, no forma la parte inferior del primer anillo 14. Además, el flujo de agua a alta velocidad impuesto presenta una fuerte acción de limpieza. Pueden producirse depósitos en el lado del agua en la parte inferior del primer anillo 14, es decir, en la parte inferior de la porción del primer anillo 14 que corresponde al anillo adicional 18, por lo tanto lejos de las superficies más calientes. En la parte inferior del primer anillo 14, puede instalarse una conexión de soplado (no representada en las figuras) para eliminar de una vez por todas posibles depósitos.
Como resultado, el riesgo de corrosión y sobrecalentamiento en el lado del agua se reduce o elimina eficazmente;
- la forma de “U” de la porción terminal 23 del segundo anillo 19, enfrentada al segundo anillo 19, ayuda a atenuar las tensiones termomecánicas. Además, la pared de ensamblaje 35 presenta preferentemente un perfil curvilíneo cerca de la unión 21 del tubo interior 3, en el lado del primer anillo 14, que actúa conjuntamente en la atenuación del estado de tensión de las partes. Por tanto, desde un punto de vista general, la pared de ensamblaje 35 actúa como un fuelle de expansión: introduce una flexibilidad estructural en dirección radial y longitudinal. La pared de ensamblaje 35 puede absorber eficazmente los alargamientos térmicos diferenciales entre el tubo interior 3 y el tubo exterior 2. Tales acciones de flexibilidad y atenuación son de la mayor importancia puesto que, a altas presiones y temperaturas, las tensiones termomecánicas en las partes de presión pueden ser altas;
- la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 presenta un efecto mecánico insignificante sobre el tubo interior 3 o sobre la unión 21 y/o 26 del tubo interior 3. Esto facilita el diseño puesto que las tensiones termomecánicas del tubo interior 3 son independientes de las conexiones de entrada o salida del tubo exterior 2;
- se evita el impacto del primer fluido F1 sobre el tubo interior 3 y sobre la unión 21 del tubo interior 3, puesto que la conexión de entrada 4 del tubo exterior 2 puede estar colocada a cierta distancia. Esto reduce el riesgo de erosión y choque térmico sobre las partes de presión más calientes;
- la transferencia de calor entre los dos fluidos F1 y F2 a través del segundo anillo 19 puede resultar ser significativamente ventajosa, puesto que la distribución de temperatura y los gradientes térmicos en la pared de ensamblaje 35 y en el tubo interior 3 se uniformizan y atenúan. Dependiendo de las condiciones de funcionamiento, cuanto mayor sea la transferencia de calor, menores serán las tensiones termomecánicas en la pared de ensamblaje 35 y en la sección de tubo 36, 25 formada de una sola pieza con la pared de ensamblaje 35;
- las formas de realización y métodos de fabricación del intercambiador de calor de doble tubo 1, descritos respectivamente en las figuras 2B a 2C, 3B a 3C, 4B a 4C, 5, 6 y en las figuras 8A a 8F y 9A a 9E, permiten obtener un intercambiador de calor 1 de alta calidad, adecuado para servicios a alta presión y alta temperatura. Todas las juntas de soldadura asociadas con el tubo interior 3 son de tipo tope con tope y de tipo de penetración completa y, por tanto, las juntas de soldadura pueden examinarse mediante pruebas radiográficas y/o de ultrasonidos. La porción del intercambiador de calor 1 formada por la pared de ensamblaje 35 y la sección de tubo 36, 25 del tubo interior 3, formada de una sola pieza con la pared de ensamblaje 35, está realizada mediante forja o colada, por tanto, las propiedades químicas/mecánicas son uniformes y no existe riesgo de corrosión en grietas o defectos de soldadura.
De acuerdo con lo anterior, el intercambiador de calor de doble tubo 1 según la presente invención logra los objetivos mencionados anteriormente. El intercambiador de calor de doble tubo 1 tal como se describe en la presente invención es, en cualquier caso, susceptible de numerosas modificaciones y variantes, que se encuentran todas bajo el mismo concepto inventivo; además, todos los detalles relacionados pueden reemplazarse por elementos técnicamente equivalentes. En la práctica, todos los materiales descritos, junto con las formas y dimensiones, pueden ser cualquiera dependiendo de los requisitos técnicos. El alcance de protección de la invención está definido, por tanto, por las reivindicaciones adjuntas.
Claims (14)
1. Intercambiador de calor de doble tubo (1) que comprende un tubo exterior (2) y un tubo interior (3) dispuestos concéntricamente para formar un primer espacio anular (14) entre dicho tubo exterior (2) y dicho tubo interior (3),
en el que dicho tubo exterior (2) está provisto de por lo menos una conexión de entrada (4) y de por lo menos una conexión de salida (5) para dar entrada y salida, respectivamente, a un primer fluido (F1) que fluye en dicho primer espacio anular (14),
en el que dicho tubo interior (3) está provisto de por lo menos una conexión de entrada (6) y de por lo menos una conexión de salida (7) para dar entrada y salida, respectivamente, a un segundo fluido (F2) que fluye en dicho tubo interior (3) para un intercambio de calor indirecto con el primer fluido (F1),
en el que dichas conexiones de entrada (6) y salida (7) del tubo interior (3) están unidas a equipo o conductos colocados aguas arriba (100) y/o aguas abajo (200) del intercambiador de calor (1),
en el que por lo menos una pared de ensamblaje (35) une un primer extremo (8) de dicho tubo exterior (2) a dicho tubo interior (3) para sellar dicho primer espacio anular (14) en el primer extremo (8) de dicho tubo exterior (2),
en el que se forma un segundo espacio anular (19) entre dicho tubo interior (3), o dichos equipo o conductos, o dicho tubo interior (3) y dichos equipo o conductos, y dicha pared de ensamblaje (35),
en el que dicho segundo espacio anular (19) está expuesto al aire y no está en comunicación fluídica ni con dicho primer espacio anular (14) ni con dicho tubo interior (3), y
en el que dicho segundo espacio anular (19) está por lo menos parcialmente rodeado por dicho primer espacio anular (14),
estando dicho intercambiador de calor (1) caracterizado por que dicho tubo interior (3) está formado por por lo menos dos secciones de tubo (24, 25, 36), unidas entre sí por medio de una junta de tipo tope con tope, en el que por lo menos una (25, 36) de dichas secciones de tubo está formada de una sola pieza, como una única pieza monolítica, con dicha pared de ensamblaje (35).
2. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que una tercera sección de tubo (36) del tubo interior (3), formada de una sola pieza con dicha pared de ensamblaje (35), está instalada entre una primera sección de tubo (24) y una segunda sección de tubo (25) del tubo interior (3), en el que dicha primera sección de tubo (24) está unida, en un extremo (21) de la misma, a la tercera sección de tubo (36), y en el que dicha segunda sección de tubo (25) está unida, en un extremo (26) de la misma, a la tercera sección de tubo (36).
3. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que dicha pared de ensamblaje (35) comprende un primer elemento de ensamblaje (15) y un segundo elemento de ensamblaje (16) unidos recíprocamente por medio de una conexión intermedia (37), en el que el primer elemento de ensamblaje (15) está unido al primer extremo (8) de dicho tubo exterior (2), y en el que el segundo elemento de ensamblaje (16) está formado de una sola pieza con por lo menos una de dichas secciones de tubo (25, 36) de dicho tubo interior (3).
4. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según la reivindicación 3, caracterizado por que dicha pared de ensamblaje (35) comprende un tercer elemento de ensamblaje (17) adicional, en el que dicho tercer elemento de ensamblaje (17) está instalado en dicha conexión intermedia (37) entre el primer elemento de ensamblaje (15) y el segundo elemento de ensamblaje (16), de manera que un primer extremo (22) del tercer elemento de ensamblaje (17) está unido al primer elemento de ensamblaje (15) y el segundo extremo (20) del tercer elemento de ensamblaje (17) está unido al segundo elemento de ensamblaje (16).
5. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según la reivindicación 4, caracterizado por que dicho tercer elemento de ensamblaje (17) es un tubo dispuesto concéntricamente con respecto a dicho tubo interior (3) y dicho tubo exterior (2).
6. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que dicha conexión de entrada (4) o dicha conexión de salida (5) del tubo exterior (2) se instala en el segundo espacio anular (19).
7. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que se instala un transportador de fluido (32) en el primer espacio anular (14), en el que dicho transportador de fluido (32) forma un tercer espacio (33) con dicho tubo exterior (2), en el que dicho tercer espacio (33), en un primer extremo (31) del mismo, está en comunicación fluídica con dicha conexión de entrada (4) o dicha conexión de salida (5) del tubo exterior (2) y no está en comunicación fluídica con dicho primer espacio anular (14), y en el que dicho tercer espacio (33), en un segundo extremo (34) del mismo, está en comunicación fluídica con el primer espacio anular (14).
8. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que dicho tubo interior (3) presenta por lo menos dos diámetros interiores (D1, D2), diferentes entre sí.
9. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que dicho tubo exterior (2) comprende por lo menos una cuarta sección de tubo (26), una quinta sección de tubo (27) y un cuarto elemento de ensamblaje (28), en el que dicho cuarto elemento de ensamblaje (28) se instala entre la cuarta sección de tubo (26) y la quinta sección de tubo (27) de manera que dicho cuarto elemento de ensamblaje (28), en un primer extremo (29) del mismo, está unido a un extremo de la cuarta sección de tubo (26) y, en el otro extremo (30) del mismo, está unido a un extremo de la quinta sección de tubo (27), y en el que el diámetro interior de la cuarta sección de tubo (26) es diferente del diámetro interior de la quinta sección de tubo (27).
10. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que dicha sección de tubo (25, 36) formada de una sola pieza con dicha pared de ensamblaje (35), o con dicho segundo elemento de ensamblaje (16), es una pieza realizada mediante forja o colada.
11. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que la porción terminal (23) del segundo espacio anular (19), delimitada por la pared de ensamblaje (35), está provista de una forma convexa o de “U” enfrentada al segundo espacio anular (19).
12. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que dicha pared de ensamblaje (35), sobre el lado del primer espacio anular (14) y de manera adyacente al tubo interior (3), está provista de un perfil curvilíneo y una pendiente continua.
13. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que uno o más elementos de transferencia de calor (39) y/o materiales de relleno de transferencia de calor (40) se insertan en dicho segundo espacio anular (19), en el que dichos elementos de transferencia de calor (39) y dichos materiales de relleno de transferencia de calor (40) están configurados para aumentar la transferencia de calor entre dicha pared de ensamblaje (35) y dicho tubo interior (3), o dichos equipo o conductos, o dicho tubo interior (3) y dichos equipo o conductos.
14. Intercambiador de calor de doble tubo (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que dicho primer fluido (F1) es agua de enfriamiento en condiciones de ebullición, dicho segundo fluido (F2) es un gas de proceso caliente y dicho intercambiador de calor (1) es un dispositivo de enfriamiento rápido instalado en un horno de craqueo con vapor de hidrocarburos para producir olefinas.
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