ITMI20071287A1 - "scambiatore a doppia parete con elemento a forcella provvisto di boccola isolante" - Google Patents

Description

"Scambiatore a doppia parete con elemento a forcella provvisto di boccola isolante"

La presente invenzione si riferisce ad una scambiatore di calore a doppia parete, destinato ad esempio ad essere impiegato in combinazione con un forno di cracking. È noto nel campo dei forni di cracking realizzare scambiatori di calore a doppia parete per il raffreddamento dei fumi di etilene ad alta temperatura, fino a 800-1000° C.

Lo scambiatore è provvisto di un tubo a doppia parete, il quale forma un condotto interno percorso dal fluido da raffreddare ed un’intercapedine esterna che abbraccia il condotto interno ed è percorsa dal fluido di raffreddamento.

Per giuntare il tubo a doppia parete con il tubo a parete singola di adduzione del fluido da raffreddare è previsto un elemento a forcella, che forma il fondo l’intercapedine percorsa dal fluido di raffreddamento e può comprendere un ingresso laterale per l’immissione di tale fluido nell’intercapedine.

Sono ben noti i problemi relativi allo stress termico cui è sottoposto l’elemento a forcella in questo tipo di scambiatori, dovuto all’elevato apporto termico proveniente dal lato del gas in temperatura. L’elevato campo di temperatura che si viene a creare sull’elemento a forcella può dare origine ad indesiderati fenomeni di “creep” e plasticizzazione ciclica (ratchetting).

Scopo generale della presente invenzione è ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo uno scambiatore di calore con tubi a doppia parete che abbia una struttura semplice ed economica e che, nel contempo, sia durevole e resistente alle temperature operative dello scambiatore in ogni sua parte.

Un ulteriore scopo dell’invenzione è fornire uno scambiatore che consenta di limitare o impedire l’insorgere di fenomeni di creep o plasticizzazione ciclica nella giunzione a forcella tra il tubo a doppia parete ed il tubo a parete singola di alimentazione del fluido da raffreddare.

In vista di tale scopo si è pensato di realizzare, secondo l'invenzione, uno scambiatore di calore comprendente un tubo a doppia parete avente una parete interna che forma un condotto per il fluido da raffreddare ed una parete esterna che forma con la parete interna una intercapedine percorsa nell’uso da fluido di raffreddamento, lo scambiatore comprendendo un elemento a forcella per la giunzione tra un condotto di adduzione del fluido da raffreddare ed il tubo a doppia parete, l’elemento a forcella comprendendo una porzione tubolare interna che collega il condotto interno del tubo a doppia parete con il condotto di adduzione ed una porzione tubolare esterna connessa alla parete esterna del tubo a doppia parete per formare un’estremità della detta intercapedine insieme con la porzione tubolare interna, caratterizzato dal fatto che alla superficie interna della porzione tubolare interna dell’elemento a forcella è associata una boccola in materiale termicamente isolante.

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, due possibili realizzazioni esemplificative applicanti tali principi:

-figura 1 rappresenta una sezione di una prima realizzazione di uno scambiatore secondo l’invenzione,

-figura 2 rappresenta una sezione di una realizzazione alternativa di uno scambiatore secondo l’invenzione.

In figura 1 è mostrata una vista in sezione di una parte di uno scambiatore di calore 11 secondo l’invenzione, destinato ad essere impiegato in una applicazione di cracking.

Lo scambiatore 11 comprende un tubo a doppia parete 12 dotato di una parete interna 14, che forma un condotto per il fluido da raffreddare, e di una parete esterna 13 che forma con la parete interna 14 una intercapedine 19 percorsa nell’uso da fluido di raffreddamento. La pareti 13 e 14 sono coassiali.

In figura è mostrata Γ estremità inferiore del tubo a doppia parete, in corrispondenza della giunzione con il condotto di adduzione 20 del fluido da raffreddare, formato a parete singola.

Lo scambiatore comprende un elemento a forcella 15 per la giunzione tra il condotto di adduzione 20 ed il tubo a doppia parete 12.

L’elemento a forcella 15 comprende una porzione tubolare interna 16 ed una porzione tubolare esterna 17, tra loro coassiali e connesse in corrispondenza della parete di fondo anulare 26, trasversale all’asse dello scambiatore.

La porzione tubolare interna 16 collega la parete 14 del tubo a doppia parete con il condotto di adduzione 20; la porzione tubolare esterna 17 è connessa alla parete esterna 13 del doppio tubo e realizza insieme con la porzione 16 una estremità di fondo 18 dell’ intercapedine 19 percorsa dal fluido di raffreddamento.

In corrispondenza dell’elemento a forcella 15 può essere previsto un ingresso 25 del fluido di raffreddamento destinato a circolare nell’intercapedine 19. Secondo tecniche note, il fluido di raffreddamento può essere evacuato dall’intercapedine all’ estremità a valle del tubo a doppia parete, attraverso una apposita apertura di uscita ricavata nel mantello esterno dello scambiatore (non mostrato in figura).

Sulla superficie interna 24 della porzione tubolare interna 16 dell’elemento a forcella è prevista una boccola 21 in materiale termicamente isolante. L’inserimento della boccola 21 permette di ridurre le temperature in ogni punto dell’ elemento a forcella 15, proteggendo la forcella dai fumi caldi in ingresso allo scambiatore nelle porzioni a monte ed adiacenti al fondo dell’intercapedine.

Vantaggiosamente, la boccola 21 è in ceramica con alta percentuale di allumina. La parete della boccola ha tipicamente spessore di 3-5 mm.

Superiormente, la boccola 21 si estende fino ad oltre l’altezza del fondo della intercapedine, in modo da ridurre il campo termico in corrispondenza della parete 26 di connessione tra le porzioni 16 e 17. La boccola 21 termina poco a valle del fondo dell’intercapedine, ove il gradiente di temperatura è meno severo per l’elemento a forcella.

La boccola è incassata in una cavità formata sulla superficie interna 24 della porzione tubolare 16 dell’ elemento a forcella, così da non creare discontinuità lungo il condotto del fluido in temperatura.

Inferiormente, la boccola si estende all’altezza della saldatura 22 tra la porzione tubolare 16 ed il tubo di adduzione del fluido da raffreddare 20. La boccola è incassata inferiormente in una cavità sulla superficie interna 23 del tubo di adduzione 20 per evitare di creare discontinuità nel condotto del fluido caldo anche a monte della forcella. La saldatura 22 è resa necessaria per effettuare la calzata di inserimento della boccola.

Eventualmente, la boccola stessa potrebbe essere protetta da uno strato di carta isolante (tipicamente 1-2 mm) sul suo diametro esterno e sulle estremità, in modo da facilitare la calzata nelle rispettive sedi.

In figura 2 è mostrata una realizzazione alternativa di uno scambiatore secondo l’invenzione, con una vista in sezione analoga a quella di figura 1 e rappresentante solo metà della forcella 115. I numeri di riferimento relativi agli elementi dello scambiatore corrispondenti alla prima realizzazione sono aumentati di 100 rispetto a figura 1.

Rispetto alla prima realizzazione, è stato aggiunto un manicotto o sleeve termico 132 aH’intemo della boccola in materiale isolante 121. Lo sleeve è un elemento flottante vincolato ad un estremo, in corrispondenza della saldatura 130 al tubo 120 di alimentazione del fluido da raffreddare. Lo sleeve 132 e la boccola 121 sono accolti in una cavità formata sulla superficie interna del tubo interno 116 della forcella e del tubo 120. Si noti che potrebbero essere presenti anche più di uno sleeve.

Lo sleeve 132 protegge la boccola 121 ed evita F accumulo di coke negli interstizi dell’alloggiamento della boccola ceramica.

All’estremo a valle, lo sleeve 132 presenta una superficie inclinata in modo corrispondente ad una superficie interna inclinata 134 del tubo 116 della forcella 115 per favorire lo scorrimento dello sleeve 132 rispetto alla forcella.

Tra l’estremo dello sleeve 132 e la superficie 134 è interposto un elemento 133 che agisce come guarnizione. L’elemento 133 è in materiale flessibile ed isolante, ad esempio termocolite o simili.

Il piano inclinato 134 si protende in modo da sporgere verso l’interno dello scambiatore rispetto allo sleeve 132. La distribuzione di pressione in corrispondenza della porzione sporgente del piano inclinato 134 è tale per cui si verifica una autopulizia di tale porzione di tubo, con uno spazzolamento che permette di prevenire l’accumulo di coke in modo soddisfacente. Le frecce in figura indicano il flusso di spazzolamento del gas nel condotto interno dello scambiatore.

Vantaggiosamente, la parete 134 e la corrispondente superficie estrema dello sleeve sono inclinate di un angolo inferiore a 45° rispetto ad un asse dello scambiatore.

Tra la boccola 121 e lo sleeve termico 132 può essere previsto uno strato di carta 131.

A questo punto risulta evidente come si siano raggiunti gli scopi della presente invenzione. In particolare, si è realizzato uno scambiatore di calore con tubo a doppia parete avente una struttura semplice ed economica, e tale da sopportare in modo ottimale e duraturo le sollecitazioni termiche a cui è sottoposto, soprattutto in corrispondenza della giunzione al tubo di alimentazione dei fumi caldi.

La particolare struttura secondo l’invenzione, che prevede Tinserimento della boccola in materiale isolante all’ interno della forcella, ha permesso di ridurre il campo di temperatura in ogni punto di tale elemento, limitando il fenomeno di creep e di plasticizzazione ciclica.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di una realizzazione applicante i principi innovativi della presente invenzione è riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato.

In particolare, potrebbero essere impiegati anche altri materiali per realizzare la boccola rispetto a quanto descritto in precedenza. Parimenti, anche le dimensioni geometriche del pezzo potrebbero essere diverse da quanto descritto.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore comprendente un tubo a doppia parete (12) avente una parete interna (14) che forma un condotto per il fluido da raffreddare ed una parete esterna (13) che forma con la parete interna una intercapedine (19) percorsa nell’uso da fluido di raffreddamento, lo scambiatore comprendendo un elemento a forcella (15) per la giunzione tra un condotto di adduzione del fluido da raffreddare (20) ed il tubo a doppia parete (12), l’elemento a forcella comprendendo una porzione tubolare interna (16) che collega il condotto interno (14) del tubo a doppia parete con detto condotto di adduzione (20) ed una porzione tubolare esterna (17) connessa alla parete esterna (13) del tubo a doppia parete per formare un’estremità (18) della detta intercapedine (19) insieme con la porzione tubolare interna (16), caratterizzato dal fatto che alla superficie interna (24) della porzione tubolare interna (16) dell’elemento a forcella (15) è associata una boccola (21) in materiale termicamente isolante.
2. 2. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la boccola (21) è in ceramica.
3. 3. Scambiatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la boccola (21) è in ceramica con alta percentuale di allumina.
4. 4. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la parete della boccola (21) ha tipicamente spessore di 3-5 mm.
5. 5. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la boccola (21) si estende all’altezza del fondo (18) della intercapedine tra la porzione tubolare interna ed esterna (16, 17) dell’elemento a forcella (15).
6. 6. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la boccola (21) è incassata in una cavità formata sulla superficie interna (24) della porzione tubolare interna (16) dell’elemento a forcella.
7. 7. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la boccola (21) forma una superficie continua di conduzione del fluido di raffreddamento insieme con la superficie interna (24) della porzione tubolare interna (16) dell’ elemento a forcella.
8. 8. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la boccola (21) si estende all’altezza di una giunzione (22) tra la porzione tubolare interna (16) dell’elemento a forcella ed il tubo di adduzione (20) del fluido da raffreddare.
9. 9. Scambiatore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la boccola (21) è incassata a monte in una cavità sulla superficie interna del tubo di adduzione (20) del fluido da raffreddare.
10. 10. Scambiatore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la boccola (21) forma una superficie continua di conduzione del fluido da raffreddare insieme con il condotto di adduzione (20) di tale fluido.
11. 11. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di essere destinato ad un’applicazione di cracking.
12. 12. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che all’intemo della boccola (121) è previsto uno sleeve termico (132).
13. 13. Scambiatore secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che lo sleeve termico (132) è vincolato allo scambiatore all’estremo a monte e presenta all’estremo a valle una superficie inclinata in modo corrispondente ad una superficie interna (134) della porzione tubolare interna (116) della forcella (115) per scorrere rispetto a questa.
14. 14. Scambiatore secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che tra dette due superfici inclinate dello sleeve e della forcella è interposto un elemento di guarnizione flessibile (133).
15. 15. Scambiatore secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che una porzione della superficie inclinata (134) della porzione interna (116) della forcella sporge verso Γ interno rispetto allo sleeve (132) per formare un campo di pressione favorevole allo spazzolamento del tubo.