ES3049003T3 - Electric heater and electric heating system - Google Patents

Abstract

Un calentador eléctrico (2) para un fluido comprende una pluralidad de tubos conductores de electricidad (4) dispuestos en un haz (10) para calentamiento resistivo con una extensión axial (12), conectores eléctricos (6) dispuestos entre los tubos (4). El calentador eléctrico (2) está configurado para que el fluido fluya a través del haz (10) en contacto directo con las superficies internas y externas de los tubos (4). Cada uno de los tubos (4) tiene un diámetro exterior dentro de un rango de 6 a 40 mm y una relación diámetro exterior a espesor de pared dentro de un rango de 5 a 15 o dentro de un rango de 7 a 12. La relación entre el área total de la superficie transversal entre los tubos (4) y el área total de la sección transversal dentro de los tubos (4) se encuentra dentro de un rango de -10% a +30% o dentro de un rango de -5% a +25% de la relación entre la relación entre los diámetros exterior e interior de un tubo (4). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0002] Calentador eléctrico y sistema de calentamiento eléctrico

[0003] Campo técnico

[0004] La invención se refiere a un calentador eléctrico para un fluido y a un sistema de calentamiento eléctrico para un fluido.

[0005] Antecedentes

[0006] Se conocen calentadores eléctricos y sistemas de calentamiento comprendiendo tubos calentados eléctricamente, a través de los cuales se conduce un fluido a calentar.

[0007] El documento US 4233494 describe un calentador de flujo pasante para fluidos, en particular, un calentador de aire para su uso en la regeneración de un adsorbedor de dióxido de carbono en un sistema de rectificación de aire. El aire se bombea desde una cámara superior en una carcasa cilíndrica a través de tubos de calentamiento de acero Ni-Cr dispuestos en grupos paralelos a una cámara inferior que se comunica con un adsorbedor de dióxido de carbono. Los grupos de tubos están suspendidos en sus extremos superiores de las respectivas placas de soporte de cerámica AbO3 asentadas en bridas que se proyectan en las respectivas aberturas de una placa de soporte a su vez sujeta de manera extraíble al interior de la carcasa. Los tubos de cada grupo están conectados en serie entre sí a una fuente de tensión.

[0008] Una opción adicional, como se describe en el documento US 927173, es dirigir el fluido a calentar no solo a través de los tubos sino también en el exterior de los tubos. El documento US 927173 describe un calentador eléctrico que tiene miembros de resistencia en forma de tubos de níquel. En una carcasa, un gran número de tubos de níquel de paredes delgadas se montan a través del aislamiento en paredes transversales de chapa metálica. El aire por calentar fluye a través de los tubos de níquel y fuera de los tubos de níquel desde una entrada de aire a una salida de aire del calentador eléctrico.

[0009] Un ejemplo adicional de un calentador eléctrico para un fluido se describe en el documento WO 2021/191155 A1. El calentador eléctrico comprende una pluralidad de tubos eléctricamente conductores dispuestos en un haz para calentamiento resistivo que tiene una extensión axial, conectores eléctricos dispuestos entre los tubos y conductores eléctricos para conectar los tubos con una fuente de energía eléctrica externa, en donde el calentador eléctrico está configurado para que el fluido fluya a través del haz en paralelo con la extensión axial y en contacto directo con las superficies interna y externa de los tubos.

[0010] Compendio

[0011] Aunque los calentadores eléctricos conocidos que usan tubos calentados eléctricamente, como los descritos en los documentos US 4233494 y US 927173, y WO2021/191155 A1, proporcionan un calentamiento eficiente de un fluido, todavía existe la demanda de calentadores de fluidos más efectivos y eficientes.

[0012] Sería ventajoso lograr un calentador eléctrico eficiente para un fluido y/o un sistema de calentamiento eléctrico efectivo y eficiente para un fluido. En particular, sería deseable proporcionar un calentador eléctrico compacto para un fluido. Para abordar mejor una o más de estas preocupaciones, se proporciona un calentador de fluido eléctrico para un fluido y/o un sistema de calentamiento eléctrico para un fluido que tiene las características definidas en una o más de las reivindicaciones independientes.

[0013] Según un aspecto de la invención, esto se logra a través de un calentador eléctrico para un fluido, comprendiendo el calentador eléctrico una pluralidad de tubos eléctricamente conductores dispuestos en un haz para calentamiento resistivo que tiene una extensión axial, conectores eléctricos dispuestos entre los tubos de la pluralidad de tubos eléctricamente conductores y conductores eléctricos configurados para conectar la pluralidad de tubos con una fuente de energía eléctrica externa. El calentador eléctrico está configurado para que el fluido fluya a través del haz en paralelo con la extensión axial y en contacto directo con las superficies interna y externa de los tubos. Cada uno de los tubos tiene un diámetro exterior dentro de un intervalo de 6 -40 mm y una relación de diámetro exterior a espesor de pared dentro de un intervalo de 5 - 15 o dentro de un intervalo de 7 - 12. En una sección transversal del haz perpendicularmente a la extensión axial, una relación entre un área de superficie de sección transversal total entre los tubos y un área de sección transversal total dentro de los tubos se encuentra dentro de un intervalo de -10 % a 30 % o dentro de un intervalo de -5 % a 25 % de una relación entre el diámetro exterior y un diámetro interior de uno de los tubos.

[0014] Dado que el calentador eléctrico está configurado para que el fluido a calentar fluya a través del haz en contacto directo con las superficies interna y externa de los tubos, dado que los tubos tienen un diámetro externo dentro de un intervalo de 6 - 40 mm y una relación de diámetro externo a espesor de pared dentro de un intervalo de 5 - 15 o dentro de un intervalo de 7 - 12, los tubos son de un tipo de pared delgada que cuando se calientan eléctricamente como tales proporcionan condiciones para una distribución de temperatura uniforme entre las partes radialmente interna y externa de las paredes del tubo, al tiempo que proporcionan suficiente estabilidad mecánica para tales diseños de calentador de fluido. Además, dado que una relación entre un área de superficie de sección transversal total entre los tubos y un área de sección transversal total dentro de los tubos se encuentra dentro de un intervalo de -10 % a 30 % o dentro de un intervalo de -5 % a 25 % de una relación entre el diámetro exterior y un diámetro interior de uno de los tubos, se proporciona una distribución sustancialmente uniforme del flujo (másico) de fluido a través de los interiores de los tubos y a lo largo de los exteriores de los tubos en el haz. Por consiguiente, las superficies de calentamiento en contacto con el fluido disponible de los tubos se usan de manera eficiente para calentar un fluido que fluye a través del calentador eléctrico. El calentador eléctrico proporciona una alta capacidad de calentamiento de fluido por volumen del calentador, es decir, el calentador eléctrico es compacto.

[0016] Más específicamente, el presente calentador eléctrico proporciona en el haz un área de flujo pasante dentro de los tubos que es sustancialmente igual a un área de flujo pasante entre los tubos. Por lo tanto, se garantiza una transferencia de calor sustancialmente igual al fluido que pasa a través del interior de los tubos y el fluido que pasa entre los tubos. El flujo de fluido dentro de los tubos y el flujo de fluido fuera de los tubos, por lo tanto, estarán sujetos a un aumento uniforme de la temperatura a medida que fluye a través del haz del calentador eléctrico. En combinación con el intervalo de diámetro de tubo definido y la relación de diámetro exterior a espesor de pared, se evita así cualquier gran diferencia de temperatura entre el fluido que fluye dentro de los tubos y el fluido que fluye fuera de los tubos hacia un extremo de salida del haz. Esto significa que se evita la tensión en las paredes de los tubos causada por una diferencia de temperatura entre el exterior y el interior de los tubos, es decir, la tensión térmica causada por diferencias de temperatura radiales.

[0018] Además, la caída de presión del flujo de fluido fuera y dentro de un tubo de calentamiento, respectivamente, se mantiene sustancialmente igual. La caída de presión se define predominantemente por las fuerzas de fricción entre el fluido y las superficies de los tubos. Las fuerzas de fricción aumentan con la disminución de la densidad debido al aumento de las temperaturas a lo largo de la dirección axial, lo que conduce a la aceleración de la velocidad del fluido en dependencia cuadrática. Se logra un aumento de temperatura igual del fluido dentro y fuera de los tubos dividiendo los caudales másicos ajustando el espaciado de los tubos proporcional al calor transferido que es principalmente proporcional a las áreas de superficie de calentamiento de dichos tubos de calentamiento y puede lograrse a través de una disposición en una relación descrita anteriormente.

[0019] En general, el calentador eléctrico puede diseñarse para grandes caudales másicos y altas temperaturas con una energía nominal en el intervalo de megavatios. El calentador eléctrico puede usarse como tal o puede formar parte de un sistema de calentamiento de flujo de fluido configurado para calentar, por ejemplo, aire, hidrógeno, hidrocarburos y otros gases o líquidos a altas temperaturas, como 600 - 1.250 °C o incluso más, y para procesos de calentamiento a gran escala en el intervalo de megavatios. Entre otras cosas, para estos fines, el calentador eléctrico comprende los tubos de pared delgada calentados eléctricamente directamente dispuestos específicamente en el haz con respecto a las áreas de sección transversal formadas dentro y fuera de los tubos y relacionadas con los diámetros interior y exterior de los tubos para formar un sistema de calentamiento compacto, eficaz y eficiente. El tubo calentado eléctricamente directamente puede denominarse alternativamente tubos activos.

[0021] El calentador eléctrico para un fluido puede denominarse alternativamente en esta invención calentador eléctrico o simplemente calentador. El calentador eléctrico puede usarse para calentar un fluido, tal como un gas en un proceso industrial. El calentador puede usarse, por ejemplo, en un proceso industrial. El fluido calentado en el calentador puede ser un portador de energía en un proceso industrial y/o el fluido puede usarse como una fuente de calor en un proceso industrial y/o el fluido puede ser un fluido de proceso usado en el proceso industrial.

[0023] El calentador eléctrico proporciona tubos directamente calentados eléctricamente y, por lo tanto, tubos directamente energizados, que están vacíos de cualquier elemento de calentamiento adicional o material de aislamiento. En otras palabras, el interior de los tubos delgados carece de elementos generadores de calor que se extiendan a través de ellos. Por consiguiente, no hay elementos internos activos ni capas de aislamiento, tales como elementos de calentamiento de alambre o elementos de calentamiento con aislamiento mineral, dispuestos en los tubos. Por lo tanto, se proporciona una base para un diseño sencillo del calentador eléctrico, en particular del haz de tubos y hace que sea adecuado para grandes energías nominales. La energía eléctrica suministrada al calentador durante el uso de este se transforma de manera eficiente en calor que se transfiere al fluido a calentar en el calentador sin ninguna barrera térmica que disminuiría la efectividad de los calentadores, es decir, la capacidad de proporcionar una alta temperatura de salida y/o disminuiría su eficiencia, es decir, proporcionaría mayores pérdidas de calor, menor densidad de energía y mayor caída de presión.

[0024] Los tubos eléctricamente conductores pueden tener una resistividad de entre 0,05 ü m y 5 p üm . Los materiales que se analizan a continuación pueden proporcionar dicha resistividad.

[0026] Por consiguiente, los materiales relevantes y su resistividad difieren claramente de los portadores de catalizador cerámicos, que tienen una resistividad muy diferente y no serán adecuados para construir grandes calentadores o para proporcionar cargas superficiales requeridas dentro de los voltajes de línea disponibles típicos descritos más adelante.

[0028] Una corriente eléctrica, cuando fluye a través de los tubos eléctricamente conductores, hace que los tubos se calienten. Un material de los tubos puede ser un material formador de óxido de aluminio. El óxido de aluminio formará una capa protectora y, por lo tanto, los tubos pueden soportar altas temperaturas y otras condiciones ambientales o fluidas duras y, por lo tanto, pueden permitir el calentamiento de diferentes gases a altas temperaturas. Los tubos pueden comprender materiales alternativos, que pueden usarse, por ejemplo, cuando el fluido a calentar es un fluido no oxidante tal como hidrógeno o nitrógeno.

[0030] El calentador eléctrico es de una construcción sencilla que requiere pocos componentes diferentes. Aunque el haz del calentador eléctrico puede comprender cientos o incluso miles de tubos individuales, los tubos pueden ser de un tipo o un número limitado de tipos diferentes. Esto, entre otras cosas, conduce a que el calentador sea operativamente fiable durante su uso en un proceso industrial.

[0032] El calentador eléctrico puede disponerse en cualquier ubicación deseada y, por lo tanto, adecuada donde se va a calentar un fluido, adecuadamente, en una ubicación donde el fluido a calentar puede guiarse a través del haz, por ejemplo, en un conducto, una tubería, un conducto o una carcasa. El calentador eléctrico puede estar dispuesto en una carcasa, opcionalmente junto con uno o más calentadores eléctricos adicionales, formando un sistema de calentamiento eléctrico como se describe a continuación.

[0034] En esta invención, la pluralidad de tubos eléctricamente conductores puede denominarse alternativamente como la pluralidad de tubos o simplemente como tubos.

[0036] En el haz, los tubos de la pluralidad de tubos eléctricamente conductores pueden estar dispuestos en paralelo entre sí o sustancialmente en paralelo entre sí, a una distancia entre sí.

[0038] Los conectores eléctricos están dispuestos entre los tubos de la pluralidad de tubos eléctricamente conductores y conectados a los tubos de una manera que proporciona una corriente eléctrica desde la fuente de energía eléctrica externa para fluir a través de los tubos del haz, en serie, en paralelo o una combinación de serie y paralelo.

[0040] La fuente de energía eléctrica externa puede comprender la red eléctrica o puede estar conectada a la red eléctrica a través de un transformador para adaptar una tensión de corriente eléctrica suministrada al calentador eléctrico.

[0042] La relación entre el diámetro exterior y el espesor de la pared también se conoce como relación dimensional estándar, SDR. Por consiguiente, SDR se define como la relación del diámetro exterior del tubo y el espesor de pared del tubo. Los tubos que tienen la SDR definida en esta invención dentro de un intervalo de 5 - 15 o dentro de un intervalo de 7 - 12 se consideran típicamente tubos de pared delgada. En el presente contexto, los tubos dentro del intervalo de SDR más grande de 5 - 15 proporcionan superficies de transferencia de calor adecuadamente grandes, es decir, superficies en el interior y el exterior de los tubos, para proporcionar una transferencia de calor eficiente al fluido a calentar y para proporcionar la distribución de temperatura uniforme descrita anteriormente entre las partes radialmente interna y externa de las paredes del tubo. Los tubos dentro del intervalo de SDR más pequeño de 7 - 12 proporcionan no solo las superficies de transferencia de calor adecuadamente grandes y la distribución de temperatura uniforme entre las partes radialmente internas y externas de las paredes del tubo, sino también una resistencia y resistencia eléctrica adecuadas para los tubos hechos de materiales relevantes, tales como los materiales ejemplificados a continuación, es decir, el material en cada tubo se usa de una manera óptima.

[0044] La relación mencionada anteriormente entre el área de superficie de sección transversal total entre los tubos y el área de sección transversal total dentro de los tubos que se encuentra dentro de un intervalo particular de la relación entre el diámetro exterior y un diámetro interior de uno de los tubos proporciona una distribución sustancialmente uniforme del caudal de fluido (volumen o masa por unidad de tiempo) en el haz a lo largo de las superficies de transferencia de calor proporcionadas por el interior de los tubos y a lo largo de las superficies de transferencia de calor proporcionadas por el exterior de los tubos. Por consiguiente, las superficies de transferencia de calor en contacto con el fluido disponibles en el interior y el exterior de los tubos se usan de manera eficiente para calentar el fluido que fluye a través del calentador eléctrico, mientras que se evita la tensión en las paredes de los tubos causada por la diferencia de temperatura radial, o al menos se mantiene en un mínimo. Además, el aumento de temperatura del fluido que fluye dentro y fuera de los tubos se mantiene igual, o sustancialmente igual. Por lo tanto, en un funcionamiento en estado estacionario del calentador, una relación entre el fluido que fluye dentro de los tubos y el fluido que fluye fuera de los tubos permanecerá constante a diversos caudales que fluyen a través del calentador ya que la caída de presión es igual o sustancialmente igual tanto dentro como fuera de los tubos.

[0045] Con respecto a la relación definida anteriormente entre el área de superficie de sección transversal total entre los tubos y el área de sección transversal total dentro de los tubos que se encuentra dentro del intervalo más alto del -10 % al 30 % de la relación entre los diámetros exterior e interior de uno de los tubos, el calentador proporciona propiedades de transferencia de calor suficientemente buenas. Específicamente, las ventajas discutidas anteriormente de una distribución uniforme de la transferencia de calor entre el interior y el exterior de los tubos y el bajo estrés térmico relacionado y la caída de presión uniforme a caudales variables se manifiestan dentro de este intervalo. El intervalo se refiere esencialmente a las tolerancias de fabricación aplicadas en la práctica del calentador y los componentes potencialmente necesarios, como los conectores eléctricos, los elementos espaciadores y los elementos de refuerzo entre los tubos o dentro de los tubos. Una distribución muy uniforme de la transferencia de calor entre el interior y el exterior de los tubos y un estrés térmico ausente, o al menos esencialmente ausente, en una dirección radial de los tubos caracteriza este intervalo.

[0047] Con respecto a la relación definida anteriormente entre el área de superficie de sección transversal total entre los tubos y el área de sección transversal total dentro de los tubos que se encuentra dentro del intervalo inferior de -5 % a 25 % de la relación entre los diámetros externo e interno de uno de los tubos, el calentador proporciona muy buenas propiedades de transferencia de calor. Por ejemplo, esto puede lograrse cuando, por ejemplo, los conectores eléctricos, los elementos espaciadores y los elementos de refuerzo entre los tubos o dentro de los tubos están optimizados para una baja caída de presión.

[0049] Según realizaciones, cada tubo de la pluralidad de tubos eléctricamente conductores puede disponerse en un ángulo dentro de un intervalo de 0 - 15 grados o 0 - 5 grados con respecto a un tubo adyacente. De esta manera, los tubos pueden estar dispuestos en paralelo o sustancialmente en paralelo entre sí en el haz o los tubos pueden estar dispuestos inclinados entre sí en el haz.

[0051] Por ejemplo, el haz puede tener una cierta conicidad debido al ángulo entre tubos individuales.

[0053] Alternativamente, algunos de los tubos individuales pueden estar dispuestos con un ángulo entre ellos que apunta en una primera dirección y algunos de los tubos individuales pueden estar dispuestos con un ángulo entre ellos que apunta en una segunda dirección opuesta, proporcionando así a lo largo de la extensión axial del haz, un haz con una sección transversal sustancialmente similar perpendicularmente a la extensión axial.

[0054] Puede usarse un ángulo entre los tubos individuales en el haz para estabilizar mecánicamente los tubos dentro del haz y el haz dentro de una carcasa, un reactor o un conducto. Dicha estabilización puede usarse, por ejemplo, en realizaciones en donde durante el uso del calentador, el haz está dispuesto con la extensión axial que tiene un componente vertical, tal como con la extensión axial que se extiende verticalmente.

[0056] En realizaciones en donde cada tubo de la pluralidad de tubos eléctricamente conductores está dispuesto en un ángulo > 0 grados con respecto a un tubo adyacente, la relación discutida anteriormente entre el área de superficie de sección transversal total entre los tubos y el área de sección transversal total dentro de los tubos que se encuentran dentro de un intervalo particular de la relación entre el diámetro exterior y un diámetro interior de uno de los tubos puede cumplirse según al menos uno de: un promedio sobre una extensión completa del haz de tubos, en una parte media del haz visto a lo largo de su extensión, y/o a lo largo de todo el haz.

[0058] Según las realizaciones, el calentador eléctrico puede comprender elementos espaciadores dispuestos entre los tubos para soportar los tubos en el haz. Los elementos espaciadores pueden ser eléctricamente no conductores. Los elementos espaciadores pueden disponerse con espacios intermedios a lo largo de la extensión axial de menos del 40 % de una longitud total del haz a lo largo de la extensión axial. De esta manera, los tubos dentro del haz y el haz en una carcasa o un conducto pueden estabilizarse.

[0060] Los elementos espaciadores dispuestos con espacios intermedios a lo largo de la extensión axial de menos del 40 % de una longitud total implican que al menos dos elementos espaciadores están dispuestos entre dos tubos adyacentes vistos a lo largo de la extensión axial. Por ejemplo, pueden disponerse dos o tres elementos espaciadores a lo largo de un tubo a lo largo de la extensión axial. Dependiendo de la longitud total del haz, el número de elementos espaciadores a lo largo de un tubo puede ser mayor que tres.

[0062] Los elementos espaciadores pueden apoyarse contra los tubos para soportar los tubos. Cada elemento espaciador puede apoyarse contra todos los tubos que rodean un elemento espaciador relevante.

[0064] Los elementos espaciadores pueden tener cualquier forma adecuada, tal como tubular, cilíndrica, esférica, en forma de caja, etc.

[0066] Según realizaciones, los tubos pueden comprender elementos estructurales configurados para el acoplamiento de bloqueo de forma con los elementos espaciadores. De esta manera, puede garantizarse que los elementos espaciadores permanezcan posicionados dentro del haz cuando los tubos se someten a movimientos térmicos.

[0067] El término acoplamiento de bloqueo de forma se refiere a un acoplamiento o conexión que usa elementos de acoplamiento para evitar, en particular, el desplazamiento axial de un elemento espaciador en relación con uno o más tubos.

[0068] Según realizaciones, el calentador eléctrico puede comprender elementos de refuerzo dispuestos dentro de los tubos para soportar mecánicamente los tubos.

[0069] Dado que los tubos son tubos delgados, es decir, que tienen una SDR alta, y pueden calentarse a temperaturas a las que pierden al menos parte de su estabilidad inherente, los elementos de refuerzo pueden garantizar que los tubos delgados permanezcan suficientemente estables para que no colapsen a las temperaturas de reblandecimiento de los materiales relevantes. Los elementos de refuerzo podrían estar hechos del mismo material o similar al de los tubos para, por ejemplo, mejorar la distribución de voltaje homogeneizando el potencial eléctrico de cada uno de los tubos en una parte donde están dispuestos los elementos de refuerzo. Alternativamente, los elementos de refuerzo podrían estar hechos de un material con temperaturas de reblandecimiento más altas, como materiales cerámicos.

[0070] Según las realizaciones, los tubos pueden consistir en un material eléctricamente conductor para el calentamiento por resistencia activa o más de un material eléctricamente conductor para el calentamiento por resistencia activa, y en donde el material eléctricamente conductor puede ser el mismo en todos los tubos o diferente y puede seleccionarse del grupo de aleación de hierro-cromo-aluminio (aleación de FeCrAl), es decir, aleaciones que formarán una capa de alúmina en el exterior del producto, aleación a base de níquel, aleación a base de tungsteno o aleación a base de molibdeno. De esta manera, el calentador puede funcionar a altas temperaturas y, dependiendo de la velocidad de flujo del fluido, pueden lograrse altas temperaturas de fluido. Las altas temperaturas de los fluidos pueden usarse en muchos procesos industriales.

[0071] Según las realizaciones, la pluralidad de tubos eléctricamente conductores puede configurarse para calentarse eléctricamente hasta una temperatura de 1.300 °C, tal como hasta una temperatura dentro de un intervalo de 600 - 1.300 °C. De esta manera, el fluido a calentar puede calentarse a altas temperaturas, que pueden usarse en procesos industriales.

[0072] Tal temperatura o intervalo de temperatura puede aplicarse en calentadores en donde el material eléctricamente conductor se selecciona de cualquiera de las aleaciones mencionadas anteriormente.

[0073] Según algunas realizaciones, dicha temperatura o intervalo de temperatura puede aplicarse en calentadores en donde el material eléctricamente conductor es una aleación de FeCrAl o una aleación a base de níquel. Según las realizaciones, la pluralidad de tubos eléctricamente conductores puede configurarse para calentarse eléctricamente hasta una temperatura de 2.050 °C, tal como hasta una temperatura dentro de un intervalo de 800 - 2.050 °C.

[0074] Según algunas realizaciones, dicha temperatura o intervalo de temperatura puede aplicarse en calentadores en donde el material eléctricamente conductor es una aleación a base de tungsteno o una aleación a base de molibdeno.

[0075] Según un aspecto adicional, se proporciona un sistema de calentamiento eléctrico para un fluido comprendiendo una carcasa y al menos un calentador eléctrico según cualquiera de los aspectos y/o realizaciones analizados en esta invención. El al menos un calentador eléctrico está dispuesto en la carcasa. Una trayectoria de flujo para el fluido a calentar se extiende a través del haz y a lo largo de la extensión axial. De esta manera, puede proporcionarse un sistema de calentamiento eléctrico que se instalará en una planta industrial. El sistema de calentamiento eléctrico proporciona las ventajas descritas anteriormente del calentador eléctrico.

[0076] La carcasa no solo protege el calentador eléctrico, sino que también puede dirigir el fluido hacia y/o a través del haz del calentador eléctrico y puede diseñarse adicionalmente como una vasija de presión.

[0077] Las características y ventajas adicionales de la invención se harán evidentes al estudiar las reivindicaciones adjuntas y la siguiente descripción detallada.

[0078] Breve descripción de los dibujos

[0079] Varios aspectos y/o realizaciones de la invención, incluyendo sus características y ventajas particulares, se entenderán fácilmente a partir de las realizaciones ejemplares analizadas en la siguiente descripción detallada y los dibujos adjuntos, donde:

[0080] la Fig. 1a ilustra una vista isométrica de un calentador eléctrico para un fluido según las realizaciones, la Fig. 1b muestra una vista isométrica de una parte de extremo del calentador eléctrico de la Fig. 1 b, la Fig. 2 ilustra esquemáticamente una vista en sección transversal de tres tubos de un calentador eléctrico, la Fig. 3 ilustra esquemáticamente una vista lateral de una parte de extremo de un calentador eléctrico, la Fig. 4 ilustra dos tubos de un calentador eléctrico según realizaciones,

[0081] la Fig. 5 ilustra esquemáticamente realizaciones de un sistema de calentamiento eléctrico para un fluido, y la Fig. 6 ilustra esquemáticamente tubos de un calentador según realizaciones.

[0082] Descripción detallada

[0083] A continuación, se describirán con más detalle aspectos y/o realizaciones de la invención. Números similares se refieren a elementos similares en todo momento. Las funciones o construcciones bien conocidas no se describirán necesariamente en detalle por razones de brevedad y/o claridad.

[0084] La Fig. 1a ilustra una vista isométrica de un calentador 2 eléctrico para un fluido según las realizaciones. La Fig. 1b muestra una vista isométrica de una parte de extremo del calentador 2 eléctrico.

[0085] El calentador 2 eléctrico puede formar parte de un sistema de calentamiento eléctrico como se analiza a continuación con referencia a la Fig. 5.

[0086] El calentador 2 eléctrico comprende una pluralidad de tubos 4 eléctricamente conductores, conectores 6 eléctricos y conductores 8 eléctricos.

[0087] Los tubos 4 están dispuestos en un haz 10 para el calentamiento resistivo. El haz 10 tiene una extensión 12 axial. Los conectores 6 eléctricos están dispuestos entre los tubos 4 y están configurados para conducir una corriente eléctrica entre los tubos 4. Hay dos conductores 8 eléctricos, que están configurados para conectar la pluralidad de tubos 4 con una fuente 13 de energía eléctrica externa. Cada uno de los conductores 8 eléctricos está conectado a un tubo 4 espaciado de los tubos 4. Sin embargo, aunque no se muestra en las Figuras, podría haber más de dos conductores eléctricos.

[0088] En el uso del calentador 2 eléctrico, una corriente eléctrica fluye a través de los conductores 8 eléctricos hacia/desde los tubos 4 y entre los tubos 4 a través de los conectores 6 eléctricos.

[0089] Por consiguiente, el calentador 2 eléctrico proporciona tubos 4 calentados eléctricamente de manera directa. La extensión 12 axial del haz 10 puede ser una línea recta trazada a través de un punto medio de las áreas de sección transversal del haz en cada parte 9, 11 de extremo opuesta del haz 10.

[0090] El calentador 2 eléctrico está configurado para que el fluido a calentar fluya a través del haz 10 en paralelo con la extensión 12 axial y en contacto directo con las superficies interna y externa de los tubos 4.

[0091] El haz 10 tiene una parte 9 de extremo caliente, es decir, en un extremo de salida de fluido del haz 10 y una parte 11 de extremo frío, es decir, en un extremo de entrada de fluido del haz 10. La parte 11 de extremo frío se muestra en la Fig. 1b. La parte 9 de extremo caliente se muestra en la Fig. 3 y también se analiza más adelante.

[0092] Los términos caliente y frío son términos relativos, lo que significa que durante el uso del calentador 2 eléctrico, la parte 11 de extremo frío está típicamente más fría que la parte 9 de extremo caliente a medida que el fluido se calienta según la extensión 12 axial del calentador desde la entrada de fluido hasta la salida de fluido. Una temperatura en la parte 11 de extremo frío puede depender de la temperatura del fluido que entra en el calentador 2. Por consiguiente, la parte 11 de extremo frío no debe tener una temperatura baja durante el uso del calentador 2.

[0093] Adecuadamente, los conductores 8 eléctricos pueden estar dispuestos en la parte 11 de extremo frío del haz 10.

[0094] Los tubos 4 tienen dimensiones particulares y están colocados entre sí de tal manera que se logra un alto flujo de calor al fluido por volumen del calentador 2. Vea más adelante con referencia a la Fig. 2.

[0095] El calentador 2 eléctrico comprende elementos 14 espaciadores dispuestos entre los tubos 4 para soportar los tubos 4 en el haz 10. Los elementos 14 espaciadores son eléctricamente no conductores.

[0096] Los elementos 14 espaciadores pueden colindar contra los tubos 4 para soportar los tubos 4 entre sí en el haz 10. Cada elemento 14 espaciador puede apoyarse contra todos los tubos 4 dispuestos de manera adyacente. Es decir, los tubos 4 adyacentes en el haz 10 se apoyan contra los mismos elementos 14 espaciadores.

[0097] En las realizaciones ilustradas, cada elemento 14 espaciador se apoya contra tres tubos 4 adyacentes dentro del haz 10, excepto por el más externo de los elementos 14 espaciadores, que cada uno se apoya contra dos tubos 14. Dependiendo de cómo estén dispuestos los tubos dentro del haz, los elementos espaciadores pueden hacer tope contra más de tres tubos.

[0099] Por lo tanto, los elementos 14 espaciadores aseguran que los tubos 4 estén colocados de manera segura entre sí dentro del haz 10, al tiempo que aseguran el aislamiento eléctrico entre los tubos 4, es decir, evitan los atajos eléctricos entre los tubos 4.

[0101] Al menos dos elementos 14 espaciadores están dispuestos alineados a lo largo de la extensión 12 axial en espacios intermedios respectivos entre dos tubos 4 dispuestos de manera adyacente. Dichos elementos 14 espaciadores alineados están dispuestos con espacios intermedios i a lo largo de la extensión 12 axial.

[0102] Según algunas realizaciones, los elementos 14 espaciadores pueden disponerse con espacios intermedios i a lo largo de la extensión 12 axial de menos del 40 % de una longitud L total del haz 10 a lo largo de la extensión 12 axial.

[0104] Al menos dos elementos 14 espaciadores alineados están dispuestos entre dos tubos 4 adyacentes. El número de elementos 14 espaciadores alineados dispuestos entre dos tubos 4 puede depender de la longitud L total del haz 10. Cuanto más largos sean los tubos 4 y el haz 10, más elementos 14 espaciadores alineados pueden proporcionarse entre los tubos 4 adyacentes.

[0106] Además, los elementos 14 espaciadores pueden estar dispuestos más cerca entre sí en la parte 9 de extremo caliente del haz 10 que en la parte 11 de extremo frío del haz 10 debido a una menor estabilidad de los tubos 10 en la parte 9 de extremo caliente que en la parte 11 de extremo frío.

[0108] En las realizaciones ilustradas, los elementos 14 espaciadores comprenden elementos tubulares dispuestos a lo largo de los tubos 4. De esta manera, durante el uso del calentador 2 eléctrico, el fluido que fluye fuera de los tubos 4 puede fluir a través de los elementos tubulares de los elementos 14 espaciadores. Por lo tanto, los elementos 14 espaciadores proporcionan una baja resistencia al flujo en comparación con los elementos espaciadores sólidos.

[0110] Los elementos 14 espaciadores se muestran como elementos tubulares que tienen una sección transversal circular. Alternativamente, pueden usarse elementos tubulares que tengan otras secciones transversales, tales como ovaladas, cuadradas, etc.

[0112] Cada uno de los elementos 14 espaciadores tubulares puede tener una extensión a lo largo de la extensión 12 axial en un intervalo del 1 % - 30 % de la longitud L total del haz 10.

[0114] Según realizaciones alternativas, pueden usarse elementos espaciadores sólidos. En tales realizaciones, el fluido que fluye fuera de los tubos fluirá alrededor de los elementos de espacio sólido. Dichos elementos tienen preferentemente una baja caída de presión, como se logra a través de formas esféricas o de torpedo.

[0116] Los tubos 4 comprenden elementos 16 estructurales configurados para el acoplamiento de bloqueo de forma con los elementos 14 espaciadores. El acoplamiento de bloqueo de forma garantiza que los elementos 14 espaciadores permanezcan posicionados en relación con los tubos 4 dentro del haz 10.

[0118] Los elementos estructurales que se acoplan forman un bloqueo con los elementos 14 espaciadores en las realizaciones de la Fig. 1b no son visibles. Los elementos 16 estructurales que son visibles en la Fig. 1b pueden usarse en otras disposiciones de los tubos 4, como, por ejemplo, cuando se van a añadir más tubos 4 al haz 10.

[0120] El acoplamiento de bloqueo de forma ya puede usarse cuando se ensambla el haz 10 durante la producción del calentador 2. Por lo tanto, durante la producción del calentador 2, los elementos 14 espaciadores y los tubos 4 pueden colocarse de manera fija entre sí.

[0122] Además, durante el uso del calentador 2, se asegura que los elementos 14 espaciadores permanezcan posicionados dentro del haz 10. En particular, el acoplamiento de bloqueo de forma asegura la posición relativa entre los elementos 14 espaciadores y los tubos 4 cuando los tubos 4 se someten a movimientos térmicos, tales como alargamiento y contracción.

[0124] En las realizaciones ilustradas, los elementos 16 estructurales son protuberancias que sobresalen radialmente de los tubos 4. Los elementos 14 espaciadores están provistos de orificios o rebajes de tamaño adecuado donde se extienden las protuberancias. Dado que los tubos 4 se apoyan contra los elementos 14 espaciadores en el haz 10, las protuberancias que se extienden en los orificios, se asegura un acoplamiento de bloqueo de forma entre los elementos 14 espaciadores y los tubos 4.

[0126] Los elementos 16 estructurales pueden tomar cualquier otra forma adecuada y pueden comprender uno o más pasadores, placas, ranuras, rebajes y/o segmentos de disco configurados para mantener los elementos 14 espaciadores en sus posiciones axiales dentro del haz. Los elementos 14 espaciadores pueden comprender elementos y/o características adecuados, y/o estar conformados de una manera adecuada para el acoplamiento de bloqueo de forma con uno o más de los pasadores, placas, ranuras, rebajes y/o segmentos de disco.

[0128] Los conectores 6 eléctricos dispuestos entre los tubos 4 están dispuestos en partes 9, 11 extremas axiales opuestas del haz 10. Los tubos 4 pueden conectarse en serie a través de los conectores 6 eléctricos.

[0130] Los conectores 6 eléctricos pueden estar soldados a los tubos 4. Los conectores 6 eléctricos pueden estar hechos del mismo material que los tubos 4 o pueden estar hechos de un material diferente al de los tubos 4.

[0131] Los conectores 6 eléctricos pueden estar dispuestos en los respectivos extremos más externos, vistos a lo largo de la extensión 12 axial, de las partes 9, 11 de extremo axial.

[0133] Los conectores 6 eléctricos pueden tener cualquier forma adecuada siempre que proporcionen conexiones eléctricas entre los tubos 4 dimensionados para las corrientes eléctricas relevantes. Los conectores 6 eléctricos pueden comprender uno o más de una placa, clavija, abrazadera o barra. Los conectores 6 eléctricos pueden soldarse, broncesoldarse, atornillarse o sujetarse a los tubos 4 relevantes.

[0135] Una opción adicional puede ser que los conectores eléctricos se realicen como se analiza a continuación con referencia a la Fig. 6.

[0137] La pluralidad de tubos 4 eléctricamente conductores puede ser un número par de tubos 4. Los conductores 8 eléctricos configurados para conectar la pluralidad de tubos 4 con una fuente 13 de energía eléctrica externa pueden estar dispuestos en una parte 11 de extremo axial del haz 10.

[0139] Por lo tanto, cuando los tubos 4 están conectados en serie, la corriente que fluye a través de los tubos 4 durante el uso del calentador 2 tiene una suma vectorial igual a cero.

[0141] La fuente 13 de energía eléctrica externa puede ser una fuente de energía eléctrica de CA o CC. Los diseños preferidos podrían conectarse directamente a la tensión de línea, como 115 - 990 V, pero también puede ser apropiado un intervalo de 50 a 20.000 V en algunos calentadores.

[0143] Los tubos 4 pueden consistir en un material no cerámico. Los tubos 4 pueden consistir en un material eléctricamente conductor para el calentamiento por resistencia activa o más de un material eléctricamente conductor para el calentamiento por resistencia activa. El material eléctricamente conductor puede ser el mismo en todos los tubos 4 o diferente y puede seleccionarse del grupo de aleación de hierro-cromo-aluminio (aleación de FeCrAl), aleación a base de níquel, aleación a base de tungsteno o aleación a base de molibdeno.

[0145] Por consiguiente, el calentador 2 puede funcionar a altas temperaturas. Véanse además los ejemplos de realizaciones que se exponen a continuación.

[0147] Los tubos 4 como tales pueden fabricarse a través de procedimientos convencionales, tales como laminación, o a través del uso de una técnica de fabricación aditiva que usa polvo.

[0149] Según algunas realizaciones, en donde los tubos 4 pueden diseñarse y disponerse para una transferencia de energía específica dentro de un intervalo de 20 - 200 kW/m230 - 120 kW/m2 al fluido a calentar. Por consiguiente, puede proporcionarse una estructura de calentador compacta. Véanse además los ejemplos de realizaciones que se exponen a continuación.

[0151] Las superficies de transferencia de calor usadas en el calentador 2 incluyen las superficies interna y externa de los tubos 4.

[0153] Durante el uso del calentador 2, la pluralidad de tubos 4 eléctricamente conductores puede configurarse para calentarse eléctricamente hasta una temperatura de 1.300 °C, tal como hasta una temperatura dentro de un intervalo de 600 - 1.300 °C.

[0155] Pueden lograrse temperaturas de tubo más altas de más de 2.000 °C para aleaciones a base de molibdeno o a base de tungsteno.

[0156] La Fig. 6 ilustra esquemáticamente cuatro tubos 4 eléctricamente conductores adyacentes de un calentador según las realizaciones. El calentador puede ser un calentador 2 como se analizó anteriormente con referencia a las Figs. 1a y 1b.

[0157] De nuevo, los tubos 4, junto con otros tubos, están dispuestos en un haz.

[0158] En estas realizaciones, los tubos 4 y los conectores 6 eléctricos entre los tubos 4 se proporcionan usando uno o más tubos en bruto que tienen una longitud sustancialmente más larga que la extensión axial del haz donde están dispuestos los tubos 4.

[0159] Durante la fabricación de los tubos 4, las piezas en bruto de tubo se doblan a longitudes correspondientes a la longitud de tubo deseada en el haz. Las curvas 5 resultantes de la pieza en bruto del tubo están provistas de orificios 7 pasantes, por ejemplo, a través de perforación, para permitir que el fluido fluya a través del interior de los tubos 4 durante el uso del calentador. Las curvas 5 actuarán como conectores 6 eléctricos entre los tubos 4 en el haz.

[0160] Esto puede proporcionar una forma eficiente de conectar los tubos 4 usando las curvas 5 de los tubos como conectores 6. Estos conectores 6 pueden tener los mismos diámetros externos y/o internos que los tubos 4. Como se mencionó anteriormente, los conectores 6 pueden fabricarse doblando, tal como doblando en caliente, una pieza en bruto de tubo y mecanizando orificios en las curvas 5.

[0161] Una forma alternativa de proporcionar conectores eléctricos entre los tubos puede ser prefabricar partes de tubo dobladas correspondientes a las curvas 5 descritas anteriormente a través de fundición o fabricación aditiva y soldadura de las partes de tubo dobladas prefabricadas a los extremos de tubos individuales. Cuatro tubos proporcionados de esta manera se verían similares a los cuatro tubos 4 que se muestran en la Fig. 6. La Fig. 2 ilustra esquemáticamente una vista en sección transversal de tres tubos 4 adyacentes del calentador 2 mostrado en las Figs. 1a y 1b. Los tres tubos 4 forman parte de un haz 10 de tubos 4.

[0162] Los tubos 4 tienen dimensiones particulares y están colocados entre sí de tal manera que se proporciona una alta transferencia de calor al fluido por volumen del calentador 2, es decir, se logra un calentador 2 compacto y altas temperaturas de salida.

[0163] En primer lugar, cada tubo 4 tiene un diámetro exterior, Do, dentro de un intervalo de 6 - 40 mm y un espesor Wt de pared. La relación entre el diámetro exterior y el espesor Do/Wt de la pared = SDR, relación dimensional estándar, está dentro de un intervalo de 5 a 15 o dentro de un intervalo de 7 a 12. Por consiguiente, los tubos 4 son tubos de pared delgada, que proporcionan grandes superficies de transferencia de calor y una distribución uniforme de la temperatura entre las superficies de los tubos radialmente interior y exterior.

[0164] En segundo lugar, en una sección transversal del haz 10 perpendicularmente a la extensión 12 axial, es decir, como se muestra en la Fig. 2, una relación entre un área de superficie de sección transversal total, A, entre los tubos 4 y un área de sección transversal total, B, dentro de los tubos 4 se encuentra dentro de un intervalo de -10 % a 30 % o dentro de un intervalo de -5 % a 25 % de una relación entre el diámetro exterior, Do, y un diámetro interior, Di, de uno de los tubos 4.

[0165] La Relación resultante (incluyendo los intervalos respectivos) puede expresarse con las ecuaciones (1) y (2) a continuación, en donde x representa un factor que describe los intervalos mencionados anteriormente, mientras que la Relación representa la relación nominal:

[0167] _ . . , D0A sección transversal exterior

[0168] Relación = —Q.=g-secci=ón transve—rsal--in-t-er-i-o-r-------------— ;—<(1)>

[0170] Relación = Relación * x; {x e M; 0,9 < x < 1,3}; o;[0171] Relación* X; [x € M; 0,95 < x < 1,2} (2) Una forma de disponer los tubos 4 entre sí en el haz 10 es en una disposición de triángulo equidistante. Una distancia de centro a centro entre los tubos 4 en una disposición triangular equidistante puede expresarse en la ecuación (3) como el espaciado:

[0172]

[0175] Un espaciado según la ecuación (3) brinda la oportunidad de fabricar haces de calentadores de una manera razonable y económica, al tiempo que compensa las tolerancias introducidas a través de los procesos de fabricación. Además, un espaciado dependiente de la relación, con respecto al intervalo de variación, da espacio para la optimización de la transferencia de calor y la caída de presión con respecto al conector 6 y los espaciadores 14. Esto conduce a sistemas personalizados, específicos para los requisitos del cliente, al tiempo que conserva su diseño único.

[0177] En esta invención, la distancia de centro a centro de los tubos 4 en una disposición de triángulo equidistante se da para una serie de ejemplos de calentadores.

[0179] Cada tubo 4 de la pluralidad de tubos 4 puede tener el mismo diámetro Do exterior y el mismo SDR. Alternativamente, los tubos 4 pueden tener sustancialmente el mismo diámetro Do exterior y sustancialmente el mismo SDR, tal como el Do y el SDR, cada uno variando con un intervalo de ±5 %.

[0181] Un ejemplo de un calentador en donde se cumple la expresión mencionada anteriormente, A/B = Do/Di, tiene un diámetro de tubo exterior, Do, 17,15 mm, y un diámetro de tubo interior, Di, 12,53 mm, y SDR de 7,424, lo que da como resultado Do/Di = 1,369. Con un espaciado de centro a centro entre los tubos de 21,48 mm, el área de la sección transversal fuera de los tubos, A, es de 84,37 mm2 y el área de la sección transversal dentro de los tubos, B, es de 61,62 mm2. Por consiguiente, A/B = 1,369 = Do/Di.

[0183] En la Fig. 2, el área A de sección transversal fuera de los tubos 4 se indica con líneas discontinuas entre los tubos 4. El área B de la sección transversal dentro de los tubos 4 se indica con sombreados verticales. La relación entre las áreas de sección transversal exterior e interior de los tubos 4, A/B, se ilustra esquemáticamente con referencia a solo tres tubos 4 del haz 10. La relación puede ilustrarse de manera análoga con más de tres tubos 4 dentro del haz 10.

[0185] La relación entre el área de sección transversal, A, entre los tubos 4, es decir, el área de sección transversal fuera de los tubos 4 dentro del haz 10, y el área de sección transversal dentro, B, los tubos 4, definidos en relación con los diámetros exterior e interior de los tubos 4 proporciona una distribución sustancialmente uniforme del caudal de fluido (volumen o masa por unidad de tiempo) a lo largo de las superficies de transferencia de calor proporcionadas por el interior de los tubos 4 y a lo largo de las superficies de transferencia de calor proporcionadas por el exterior de los tubos 4 en el haz 10. Por consiguiente, las superficies de transferencia de calor en contacto con el fluido disponibles en el interior y el exterior de los tubos 4 se usan de manera eficiente para calentar el fluido que fluye a través del calentador eléctrico mientras se evita la tensión en las paredes de los tubos 4 causada por las diferencias de temperatura radiales.

[0187] La Fig. 3 ilustra esquemáticamente una vista lateral de la parte 9 de extremo caliente del calentador 2 que se muestra en las Figs. 1a, 1b y 2.

[0189] De nuevo, se muestran los tubos 4, los conectores 6 eléctricos entre los tubos 4 y los elementos 14 de soporte entre los tubos 4.

[0191] El calentador eléctrico comprende elementos 18 de refuerzo dispuestos dentro de los tubos 4. Los elementos 18 de refuerzo soportan mecánicamente los tubos 4. En particular, los tubos 4 se benefician de dicho soporte mecánico dentro de los tubos 4 cuando el calentador eléctrico funciona a temperaturas tan altas que los tubos 4 pierden al menos parte de su estabilidad inherente.

[0193] Los elementos 18 de refuerzo pueden comprender el mismo material que los tubos 4. En tal caso, los elementos 18 de refuerzo de cada tubo 4 pueden estar formados en una sola pieza con el tubo 4 correspondiente. Alternativamente, los elementos 18 de refuerzo pueden colocarse en los tubos 4 después de su formación.

[0194] Una alternativa puede ser que los elementos 18 de refuerzo comprendan un material resistente al calor no conductor, tal como un material cerámico. Dichos elementos 18 de refuerzo pueden colocarse dentro de los tubos 4, por ejemplo, en relación con el montaje del calentador eléctrico.

[0196] Los elementos 18 de refuerzo están formados de tal manera que, durante el uso del calentador, un flujo de fluido a través de los interiores de los tubos 4 se ve afectado lo menos posible. Adecuadamente, los miembros 20 de un elemento 18 de refuerzo se extienden axialmente a lo largo de una extensión axial de un tubo 4 relevante. En una dirección circunferencial, dichos miembros 20 solo tienen una extensión menor.

[0197] En las realizaciones ilustradas, los elementos 18 de refuerzo están provistos de tres miembros 20 que se extienden radialmente. Sin embargo, un elemento de refuerzo puede tener menos o más de tres miembros que se extienden radialmente o cualquier otra forma siempre que un elemento de refuerzo evite el colapso de un tubo 4 y una baja caída de presión adicional.

[0199] El uso de elementos 18 de refuerzo puede ser un equilibrio entre la caída de presión que añaden al flujo de fluido dentro de los tubos 4 y el soporte que proporcionan a los tubos 4.

[0201] Según realizaciones, los elementos 18 de refuerzo pueden disponerse dentro del último 40 % de una longitud L total de los tubos 4 vistos en una dirección de flujo del fluido a calentar. Es decir, los elementos 18 de refuerzo pueden estar dispuestos en, o cerca de, las partes 9 de extremo caliente de los tubos 4, cuyas partes 9 de extremo caliente por consiguiente, pueden estar soportadas ya que los tubos 4 pueden perder parte de su estabilidad inherente durante el uso del calentador.

[0203] La longitud L total de los tubos 4 se indica en la Fig. 1a. y puede corresponder sustancialmente a la longitud L total del haz 10. Los elementos 18 de refuerzo que están dispuestos dentro del último 40 % de la longitud L total de los tubos 4 abarcan los elementos 18 de refuerzo que están dispuestos dentro del último 30 % o el último 20 % o incluso menos.

[0205] Cada elemento 18 de refuerzo puede tener una longitud del 40 % o menos de la longitud L total del tubo 4 relevante. De manera alternativa, cada elemento 18 de refuerzo puede ser corto en comparación con la longitud L total de un tubo 4 relevante, tal como menos del 10 % o menos del 5 % de la longitud total. Uno o más de dichos elementos 18 de refuerzo cortos pueden disponerse dentro del último 40 % de la longitud total de un tubo 4 relevante.

[0207] La Fig. 4 ilustra dos tubos 4 de un calentador eléctrico según realizaciones.

[0209] El calentador se asemeja mucho al calentador de las realizaciones de las Figs. 1a - 3. Por consiguiente, a continuación, se analizarán principalmente las diferencias.

[0211] De nuevo, el calentador comprende una pluralidad de tubos 4 eléctricamente conductores dispuestos en un haz 10, conectores 6 eléctricos entre los tubos 4 y elementos 14 de soporte entre los tubos 4. El haz 10 tiene una extensión 12 axial.

[0213] Según realizaciones, cada tubo 4 de la pluralidad de tubos 4 eléctricamente conductores puede disponerse en un ángulo a dentro de un intervalo de 0 - 15 grados o 0 - 10 grados o 0 - 5 grados con respecto a un tubo 4 adyacente.

[0214] En las realizaciones descritas anteriormente de las Figs. 1a - 3, los tubos 4 de la pluralidad de tubos 4 eléctricamente conductores están dispuestos en paralelo entre sí y en paralelo con la extensión axial del haz 10. Es decir, el ángulo a es 0 grados en las realizaciones de las Figs. 1a - 3.

[0216] En las realizaciones de la Fig. 4, el ángulo a entre los tubos 4 adyacentes es > 0 grados, tal como dentro de un intervalo de 0,5 - 15 grados. Dicho de otra manera, al menos algunos de los tubos 4 están dispuestos inclinados entre sí en el haz 10 de tubos 4.

[0218] Por ejemplo, cuando el calentador está dispuesto con la extensión 12 axial del haz 10 extendiéndose verticalmente o dispuesto con un componente vertical, los tubos 4 individuales se estabilizan entre sí dentro del haz debido a que los tubos 4 están dispuestos con el ángulo a > 0 grados, tal como dentro de un intervalo de 0,5 - 15 grados entre sí.

[0220] El ángulo a > 0 grados entre los tubos 4 puede lograrse disponiendo elementos 14 espaciadores de diferentes tamaños en partes de extremo opuestas del haz 10.

[0222] Según algunas realizaciones, el ángulo a > 0 grados entre los tubos 4 proporciona una forma cónica o esférica del haz, es decir, el haz tiene una sección transversal mayor en una parte de extremo que en la otra parte de extremo. Con los diámetros de los tubos iguales a lo largo de la longitud del haz, la forma cónica implica que el área de la sección transversal entre los tubos 4 se reduce hacia un extremo del haz, adecuadamente hacia el extremo de salida del haz durante el uso del calentador. Dicha reducción en el área de la sección transversal significa que la velocidad del fluido aumentará hacia el extremo de salida del haz. El cambio de velocidad promedio desde la parte 11 de extremo frío (entrada) a la parte 9 de extremo caliente (salida) en un ángulo constante aún permanece constante, de modo que la caída de presión se mantendrá constante dentro y fuera de los tubos y aún proporciona una funcionalidad válida de la invención.

[0224] En el extremo de salida, la temperatura del tubo es inherentemente más alta que en el extremo de entrada. El aumento de la velocidad del fluido hacia el extremo de salida tiene un efecto de un aumento en la transferencia de calor y, por lo tanto, más enfriamiento de los tubos 4 y una reducción en la temperatura del extremo de salida en comparación con un haz en donde los tubos están dispuestos en paralelo entre sí. La temperatura reducida reduce el envejecimiento de los tubos 4, es decir, se aumenta la vida útil operativa de los tubos 4.

[0225] En la Fig. 4 también se ilustra una alternativa de conexión eléctrica adicional. Esta alternativa de conexión eléctrica no se limita a las realizaciones de la Fig. 4, sino que puede aplicarse alternativamente en las realizaciones de la Fig. 1a - 3. De manera similar, los conectores 6 eléctricos tal como se aplican en las realizaciones de la figura 1a - 3 pueden aplicarse en las realizaciones de la Fig. 4.

[0227] El calentador eléctrico comprende un conjunto adicional de conectores 6 eléctricos’ dispuestos entre los tubos 4 a una distancia de un extremo 22 axial del haz 10. El conjunto adicional de conectores 6 eléctricos’ junto con los conectores 6 eléctricos forman conexiones paralelas entre los tubos 4 en una parte 9 de extremo axial del haz 10.

[0229] De esta manera, las partes conectadas eléctricamente en paralelo de los tubos 4 solo están sujetas a una fracción de la corriente eléctrica ya que las partes restantes de los tubos 4 no están conectadas en paralelo. Por lo tanto, la carga superficial de las partes conectadas en paralelo de los tubos 4 se reduce en comparación con las partes restantes de los tubos 4. Es decir, el calentamiento y la transferencia de energía por área de superficie se reducen en la parte 9 de extremo axial. Esto puede ser ventajoso en la parte 9 de extremo caliente del haz 10, ya que la temperatura en esa parte del extremo se reduce en comparación con un haz sin partes conectadas eléctricamente en paralelo de los tubos. Por consiguiente, se reduce el envejecimiento de los tubos 4.

[0231] La Fig. 5 ilustra esquemáticamente realizaciones de un sistema 30 de calentamiento eléctrico para un fluido. La Fig. 5 muestra una sección transversal a través del sistema 30 de calentamiento eléctrico. También se hace referencia a las Figs. 1a - 4 y 6.

[0233] El sistema 30 de calentamiento eléctrico comprende una carcasa 32 y al menos un calentador 2 eléctrico según cualquiera de los aspectos y/o realizaciones discutidos en la presente, tal como cualquier calentador discutido anteriormente con referencia a las Figs. 1a - 4 y 6.

[0235] El al menos un calentador 2 eléctrico está dispuesto en la carcasa 32. Una trayectoria 34 de flujo para el fluido a calentar se extiende a través del haz 10 formado por la pluralidad de tubos 4 del al menos un calentador 2 y a lo largo de la extensión 12 axial del haz 10. Opcionalmente, la carcasa 32 puede comprender un aislamiento o refractarios para aislar contra la alta temperatura dentro del sistema 30 de calentamiento y también puede proporcionar un aislamiento eléctrico adecuado.

[0237] Cada calentador 2 está soportado en la carcasa 32 por una o más disposiciones de soporte (no se muestran). Además, pueden proporcionarse uno o más miembros limitadores de flujo (no se muestran) dentro de la carcasa 32 alrededor de cada calentador para garantizar que el fluido a calentar fluya a lo largo de la trayectoria 34 de flujo a través del haz 10 de cada calentador 2.

[0239] En la Fig. 5, pueden verse dos calentadores 2. Opcionalmente, un tercer calentador y calentadores adicionales pueden estar dispuestos en la carcasa 32. La trayectoria 34 de flujo se indica con flechas anchas.

[0241] Cuando los dos o más calentadores 2 están dispuestos en paralelo, como en las realizaciones ilustradas, la trayectoria 34 de flujo se extiende en paralelo a través de los calentadores 2.

[0243] Por consiguiente, el sistema 30 de calentamiento eléctrico puede comprender al menos dos calentadores 2 eléctricos según cualquiera de los aspectos y/o realizaciones analizados en esta invención. La trayectoria 34 de flujo puede extenderse a través de los al menos dos calentadores 2 eléctricos en paralelo y los al menos dos calentadores 2 eléctricos pueden estar conectados eléctricamente en paralelo, en conexión en estrella, en conexión delta o combinaciones de estos. De esta manera, puede proporcionarse un sistema 30 de calentamiento eléctrico eficiente con una alta capacidad de flujo de fluido. El sistema 30 de calentamiento eléctrico puede conectarse de manera eficiente a través de los conductores eléctricos (no mostrados) de cada calentador 2 con una fuente 13 de energía eléctrica externa.

[0245] Cada una de una conexión en estrella y una conexión delta requiere al menos tres calentadores 2 eléctricos en el sistema 30 de calentamiento.

[0247] Dentro de la carcasa 32, puede haber dispuesta una cámara 36 de entrada aguas arriba de los calentadores 2 y una cámara 38 de salida dispuesta aguas abajo de los calentadores 2. La trayectoria 34 de flujo se extiende desde la cámara 36 de entrada a través de los calentadores 2 hasta la cámara 38 de salida.

[0249] Puede considerarse que la cámara 36 de entrada forma un colector para distribuir una corriente de fluido colectiva a los calentadores 2 individuales y sus respectivos haces 10 de tubos 4. De manera similar, puede considerarse que la cámara 38 de salida forma un colector para hacer converger las corrientes de fluido distribuidas en los calentadores 2 de nuevo en una corriente de fluido colectiva. A lo largo de la trayectoria 34 de flujo en los calentadores 2, el fluido se calienta a medida que fluye a lo largo de las superficies interna y externa de los tubos 4.

[0250] Un calentador 2 eléctrico según aspectos y/o realizaciones descritos en esta invención y/o un sistema 30 de calentamiento eléctrico según aspectos y/o realizaciones descritos en esta invención pueden usarse para calentar un fluido, tal como un gas, en un proceso industrial.

[0251] El fluido calentado puede usarse, por ejemplo, en un proceso industrial. El fluido calentado en el calentador 2 / sistema 30 puede ser un portador de energía en un proceso industrial y/o el fluido puede usarse como una fuente de calor en un proceso industrial y/o el fluido calentado puede ser un fluido de proceso de un proceso industrial. A continuación, se analizarán tres ejemplos de implementaciones de calentamiento y realizaciones ejemplares del calentador 2 eléctrico o el sistema 30 de calentamiento eléctrico. Se hace referencia a las Figs. 1a - 6. El presente calentador 2 / sistema 30, debido a los tubos de SDR alto discutidos anteriormente y la relación entre el cociente de las áreas de sección transversal externa e interna y el cociente de los diámetros externo e interno de los tubos proporcionan altas relaciones de flujo de superficie a fluido. Por consiguiente, el calentador 2 / sistema 30 puede diseñarse para un tamaño mínimo mientras se consideran las propiedades de flujo de fluido.

[0252] Usando los materiales mencionados anteriormente, los tubos 4 pueden soportar altas temperaturas de hasta 1400 °C o 2.050 °C. Sin embargo, las temperaturas más bajas, como la temperatura mencionada anteriormente de 1300 °C o el intervalo de 600 - 1.300 °C, pueden aumentar la esperanza de vida útil del calentador 2 / sistema 30.

[0253] Los ejemplos 1 - 4 demuestran cómo las diferentes propiedades de flujo y condiciones límite afectan el diseño de un calentador 2 / sistema 30. Se consideran varios fluidos y diámetros de tubo, y se ilustra su rendimiento. Ejemplo 1

[0254] El ejemplo 1 se refiere al aire seco calentado. Muchos procesos industriales convencionales requieren aire caliente. El calentador 2 / sistema 30 del Ejemplo 1 comprende 6.120 tubos 4 con un diámetro exterior, Do, de 17,15 mm, un SDR de 7,4 y una distancia de centro a centro del tubo de 22 mm en una disposición triangular equilátera. Los tubos 4 tienen una longitud de 0,9 m y están dispuestos en un conducto de 1,55 m por 1,68 m. El calentador 2 / sistema 30 está diseñado para una energía eléctrica de 51 MW.

[0255] El calentador 2 / sistema 30 proporciona una carga superficial de 101 kW/m2. El calentador 2 / sistema 30 garantiza una alta densidad de energía y, por lo tanto, proporciona dimensiones compactas del calentador 2 / sistema 30. En este ejemplo, un caudal másico de 76 kg/s de aire seco con una temperatura de entrada de 45 °C se calienta a una temperatura de salida de 800 °C. La temperatura máxima del tubo 4 del calentador 2 / sistema 30 es de 1.200 °C.

[0256] Ejemplo 2

[0257] El Ejemplo 2 se refiere a una mezcla de hidrógeno comprendiendo 95 % de H2 y 5 % de N2. En el Ejemplo 2, se usan tubos de calentamiento de diámetro exterior más pequeño que en el Ejemplo 1, pero con cargas superficiales similares. Además, las dimensiones del calentador 2 / sistema 30 se reducen debido al menor diámetro del tubo, así como a las propiedades del gas, en comparación con el Ejemplo 1. Aun así, pueden lograrse temperaturas de salida más altas.

[0258] El calentador 2 / sistema 30 del Ejemplo 2 comprende 20.286 tubos 4 con un diámetro exterior, Do, de 6 mm, un SDR de 6 y una distancia de centro a centro del tubo de 7,50 mm en una disposición triangular equilátera. Los tubos 4 tienen una longitud de 0,85 m y están dispuestos en un conducto de 1,0 m por 0,99 m. El calentador 2 / sistema 30 está diseñado para una energía eléctrica de 51 MW.

[0259] El calentador 2 compacto / sistema 30 correspondiente proporciona una carga superficial de 100 kW/m2. En este ejemplo, un caudal másico de 1,45 kg/s de un gas que contiene 95 % de H2 y 5 % de N2 con una temperatura de entrada de 45 °C se calienta a una temperatura de salida de 1.000 °C. Una temperatura máxima del tubo 4 del calentador 2 / sistema 30 es de 1.200 °C.

[0260] Ejemplo 3

[0261] El Ejemplo 3 se refiere a dióxido de carbono. El dióxido de carbono calentado es otro gas comúnmente usado en procesos industriales. A través del uso de tubos de 40 mm, pueden lograrse altas temperaturas de salida de gas a un tamaño razonable de calentador 2 / sistema 30 con flujos másicos más altos.

[0262] Por consiguiente, el calentador 2 / sistema 30 del Ejemplo 3 comprende 1.320 tubos 4 con un diámetro exterior, Do, de 40 mm, un SDR de 13,3 y una distancia de centro a centro del tubo de 52 mm en una disposición triangular equilátera. Los tubos 4 tienen una longitud de 1,7 m y están dispuestos en un conducto de 1,7 m por 1,9 m. El calentador 2 / sistema 30 está diseñado para una energía eléctrica de 51 MW.

[0264] Se proporciona una carga superficial de 106 kW/m2 en el calentador 2 / sistema 30. En este ejemplo, un caudal másico de 145 kg/s de dióxido de carbono con una temperatura de entrada de 45 °C se calienta a una temperatura de salida de 1.100 °C. La temperatura máxima del tubo 4 del calentador 2 / sistema 30 es de 1.200 °C.

[0266] Ejemplo 4

[0268] El Ejemplo 4 se refiere al calentamiento de una mezcla de gases, consistiendo en 95 % de H2 y 5 % de N2. Los procesos de sobrecalentamiento para altas cantidades de gases de baja densidad desempeñarán un papel más importante en un campo industrial descarbonizado. Los elementos de calentamiento de molibdeno permiten temperaturas superiores a 1.100 °C. a través del uso de tubos con un diámetro exterior de 15 mm, el calentador 2 es capaz de sobrecalentar la mezcla a 1.300 °C.

[0270] El calentador 2 / sistema 30 del Ejemplo 4 comprende 14.520 tubos con un diámetro exterior, Do, de 15 mm, un SDR de 6 y una distancia de centro a centro del tubo de 18,5 mm en una disposición triangular equilátera. Los tubos 4 tienen una longitud de 2,2 m y están dispuestos en un conducto de 2,1 m por 2,1 m. El calentador 2 / sistema 30 está diseñado para una energía eléctrica de 100 MW.

[0272] Se proporciona una carga superficial de 40 kW/m2 en el calentador 2 / sistema 30. En este ejemplo, un caudal másico de 16,7 kg/s de la mezcla de hidrógeno/nitrógeno con una temperatura de entrada de 700 °C se calienta a una temperatura de salida de 1.300 °C. La temperatura máxima del tubo 4 del calentador 2 / sistema 30 es de 1.380 °C.

[0274] Debe entenderse que lo anterior es ilustrativo de diversas realizaciones ilustrativas y que la invención se define únicamente por las reivindicaciones adjuntas. Un experto en la materia se dará cuenta de que las realizaciones ejemplares pueden modificarse, y que diferentes características de las realizaciones ejemplares pueden combinarse para crear realizaciones distintas a las descritas en esta invención, sin apartarse del alcance de la invención, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (16)

1. REIVINDICACIONES

1. Un calentador (2) eléctrico para un fluido, comprendiendo el calentador (2) eléctrico una pluralidad de tubos (4) eléctricamente conductores dispuestos en un haz (10) para calentamiento resistivo que tiene una extensión (12) axial, conectores (6) eléctricos dispuestos entre los tubos (4) de la pluralidad de tubos (4) eléctricamente conductores, y conductores (8) eléctricos configurados para conectar la pluralidad de tubos (4) con una fuente (13) de energía eléctrica externa, en donde

el calentador (2) eléctrico está configurado para que el fluido fluya a través del haz (10) en paralelo con la extensión (12) axial y en contacto directo con las superficies interna y externa de los tubos (4), en donde cada uno de los tubos (4) tiene un diámetro (Do) exterior dentro de un intervalo de 6 - 40 mm y una relación (SDR) de diámetro exterior a espesor de pared dentro de un intervalo de 5 - 15 o dentro de un intervalo de 7 -12, y en donde

en una sección transversal del haz (10) perpendicularmente a la extensión (12) axial, una relación entre un área (A) de superficie de sección transversal total entre los tubos (4) y un área (B) de sección transversal total dentro de los tubos (4) se encuentra dentro de un intervalo de -10 % a 30 % o dentro de un intervalo de -5 % a 25 % de una relación entre el diámetro (Do) exterior y un diámetro (Di) interior de uno de los tubos (4).

2. El calentador (2) eléctrico según la reivindicación 1, en donde cada tubo (4) de la pluralidad de tubos (4) eléctricamente conductores está dispuesto en un ángulo (a) dentro de un intervalo de 0 - 15 grados o 0 - 5 grados con respecto a un tubo (4) adyacente.

3. El calentador (2) eléctrico según la reivindicación 1 o 2, comprendiendo elementos (14) espaciadores dispuestos entre los tubos (4) para soportar los tubos (4) en el haz (10), en donde los elementos (14) espaciadores son eléctricamente no conductores, y en donde los elementos (14) espaciadores están dispuestos con espacios (i) intermedios a lo largo de la extensión (12) axial de menos del 40 % de una longitud (L) total del haz (10) a lo largo de la extensión (12) axial.

4. El calentador (2) eléctrico según la reivindicación 3, en donde los elementos (14) espaciadores comprenden elementos (14) tubulares dispuestos a lo largo de los tubos (4).

5. El calentador (2) eléctrico según la reivindicación 3 o 4, en donde los tubos (4) comprenden elementos (16) estructurales configurados para un acoplamiento de bloqueo de forma con los elementos (14) espaciadores.

6. El calentador (2) eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los conectores (6) eléctricos dispuestos entre los tubos (4) están dispuestos en partes (9, 11) de extremo axial opuestas del haz (10), y en donde los tubos (4) están conectados en serie a través de los conectores (6) eléctricos.

7. El calentador (2) eléctrico según la reivindicación 6, en donde la pluralidad de tubos (4) eléctricamente conductores es un número par de tubos (4), y en donde los conductores (8) eléctricos configurados para conectar la pluralidad de tubos (4) con una fuente (13) de energía eléctrica externa están dispuestos en una parte (11) de extremo axial del haz (10).

8. El calentador (2) eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo elementos (18) de refuerzo dispuestos dentro de los tubos (4) para soportar mecánicamente los tubos (4).

9. El calentador (2) eléctrico según la reivindicación 8, en donde los elementos (18) de refuerzo están dispuestos dentro del último 40 % de una longitud total de los tubos (4) vistos en una dirección de flujo del fluido a calentar.

10. El calentador (2) eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los tubos (4) están diseñados y dispuestos para una transferencia de energía específica dentro de un intervalo de 20 - 200 kW/m2 o 30 a 120 kW/m2 al fluido a calentar.

11. El calentador (2) eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los tubos (4) consisten en un material eléctricamente conductor para el calentamiento por resistencia activa o más de un material eléctricamente conductor para el calentamiento por resistencia activa, y en donde el material eléctricamente conductor es el mismo en todos los tubos (4) o diferente y se selecciona del grupo de aleación de hierro-cromo-aluminio (aleación de FeCrAl), aleación a base de níquel, aleación a base de tungsteno o aleación a base de molibdeno.

12. El calentador (2) eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo un conjunto adicional de conectores (6’) eléctricos dispuestos entre los tubos (4) a una distancia de un extremo (22) axial del haz (10), en donde el conjunto adicional de conectores (6’) eléctricos junto con los conectores (6)

eléctricos forman conexiones paralelas entre los tubos (4) en una parte (9) de extremo axial del haz (10). 13. El calentador (2) eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pluralidad de tubos (4) eléctricamente conductores está configurada para calentarse eléctricamente hasta una temperatura de 1.300 °C, tal como hasta una temperatura dentro de un intervalo de 600 - 1.300 °C.

14. El calentador (2) eléctrico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en donde la pluralidad de tubos (4) eléctricamente conductores está configurada para calentarse eléctricamente hasta una temperatura de 2.050 °C, tal como hasta una temperatura dentro de un intervalo de 800.2.050 °C.

15. Un sistema (30) de calentamiento eléctrico para un fluido comprendiendo una carcasa (32) y al menos un calentador (2) eléctrico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el al menos un calentador (2) eléctrico está dispuesto en la carcasa (32), y en donde una trayectoria (34) de flujo para el fluido a calentar se extiende a través del haz (10) y a lo largo de la extensión (12) axial.

16. El sistema (30) de calentamiento eléctrico según la reivindicación 15, comprendiendo al menos dos calentadores (2) eléctricos según una cualquiera de las reivindicaciones 1-13, en donde la trayectoria (34) de flujo se extiende a través de al menos dos calentadores (2) eléctricos en paralelo, y en donde al menos dos calentadores (2) eléctricos están conectados eléctricamente en paralelo, en conexión en estrella, en conexión delta, o combinaciones de estos.