ITMI930905A1 - Scambiatore di calore a piastra tubiera sottile - Google Patents

Description

"Scambiatore di calore a piastra tubiera sottile"

La presente invenzione si riferisce ad uno scambiatore di calore a fascio tubiero per il trattamento di gas a relativamente alta temperatura. In particolare, il gas caldo pu? essere ad.esempio quello in uscita da forni di cracking come quelli utilizzati per la produzione di etilene o simile.

Nella tecnica nota sono conosciuti scambiatori di calore realizzati con un contenitore a pressione, genericamente di forma cilindrica, percorso da un fluido di raffreddamento e nel quale ? posto un fascio di tubi paralleli con estremit? sporgenti da piastre tubiere costituenti opposte estremit? del contenitore. A tali opposte estremit? sono presenti camere di collegamento delle estremit? dei tubi con condotti di ingresso e uscita dallo scambiatore del fluido da raffreddare. Le piastre tubiere realizzano quindi la doppia funzione di sostegno dei tubi e di separazione fra fluido da raffreddare e fluido di raffreddamento agli estremi dello scambiatore.

E' ovvio cane in una simile struttura siano particolarmente critiche le piastre tubiere, le quali sono sollecitate su un lato dal fluido da raffreddare e sull'altro dal fluido di raffreddamento. In particolare, la piastra tubiera pi? calda, vale a dire la piastra prossima all'ingresso del fluido da raffreddare nello scambiatore, subisce elevate sollecitazioni sia meccaniche che termiche.

Nella progettazione degli scambiatori il tecnico incrementa quindi lo spessore delle piastre tubiere in rapporto all'aumentare della prevista temperatura di esercizio. Per condizioni di temperatura e pressione relativamente basse, ad esempio sotto i 600?C a 110 Bar, lo spessore delle piastre tubiere pu? essere mantenuto relativamente sottile in rapporto allo spessore del contenitore, cos? che le dilatazioni termiche dei tubi possano essere assorbite dalla deformatilit? delle piastre. Per condizioni di esercizio pi? elevate, lo spessore delle piastre tubiere necessarie a garantire la sicurezza dello scambiatore rende per? rigide le piastre (oltre che ridurre l'efficienza di scambio ra i due lati di esse). M esempio, a 110 bar e sopra i 650? (condizioni minime,per scambiatori connessi in uscita a forni di cracking o simili) lo spessore delle piastre negli scambiatori di tecnica nota ? talmente elevato (ad esempio, pi? di 10 cm) da impedire di fatto qualsiasi apprezzabile deformazione elastica delle piastre. In tali condizioni, per assorbire le inevitabili dilatazioni termiche dei tubi sono state proposte complicate e costose soluzioni di montaggio, non ritenendosi fattibile la riduzione dello spessore delle piastre mantenendo la sicurezza dell'impianto.

Ad esempio, sono stati proposti scambiatori nei quali i tubi sono inseriti scorrevolmente in sedi passanti realizzate nelle piastre tubiere. I tubi hanno estremit? fissate ad una ulteriore struttura relativamente cedevole a sua volta ancorata alla rispettiva piastra tubiera. Le difficolt? di. lavorazione e la pesantezza della struttura rendono tali scambiatori di costo elevato.

Una alternativa soluzione di tecnica,nota, prevede la realizzazione di scambiatori detti "a doppio tubo" per tentare di limitare gli effetti della dilatazione termica nei tubi stessi. Tale soluzione ? per? anch'essa ovviamente complessa e costosa .

Scopo generale della presente invenzione ? fornire uno scambiatore di calore con struttura tale da permettere l'impiego di piastre tubiere di spessore ridotto anche in presenza di condizioni di esercizio relativamente elevate, superiori a condizioni di esercizio limite per scambiatori noti con piastre di analogo spessore.

In vista di tale scopo si ? pensato di realizzare, secondo l'invenzione, una scambiatore di calore comprendente un involucro a pressione contenente fasci di tubi disposti paralleli all 'estensione del contenitore per estendersi fra opposte piastre tubiere separanti 1'interno del contenitore da camere collettrici nelle quali sfociano i tubi e nelle quali giungono rispettivamente condotti di ingresso e di uscita per un fluido da raffreddare, prossimi alle estremit? del contenitore essendo connessi radialmente condotti di ingresso e di uscita per un fluido di raffreddamento scorrente nel contenitore per lambire i fasci di tubi, caratterizzato dal fatto che le piastre tubiere hanno spessore tale da permetterne la deformazione sotto i normali carichi di esercizio, e che, almeno dal lato di ingresso del fli-lido da raffreddare, i tubi sono saldati con estremit? attestata, alla faccia interna della rispettiva piastra in corrispondenza di passaggi attraverso la piastra.

Per rendere pi? chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriver? di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, una possibile realizzazione-esemplificativa applicante tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta una vista schematica, in alzata laterale, longitudinalmente sezionata, di uno scambiatore secondo 11invenzione;

-figura 2 rappresenta una vista presa lungo la linea II-II di figura 1;

-figura 3 rappresenta una vista ingrandita frammentaria di particolari dello scambiatore di figura 1.

Con riferimento alle figure, in figura 1 ? mostrato uno scambiatore di calore secondo l'invenzione, indicato genericamente con 10. Lo scambiatore 10 conprende un involucro a pressione 11, genericamente di forma cilindrica, contenente un fascio di tubi 12 disposti paralleli all'asse del contenitore per estendersi fra opposte piastre tubiere 13, 14 separanti l'interno del contenitore da camere collettrici 15, 16 alle quali giungono rispettivamente condotti di ingresso 17 e di uscita 18 per un fluido, ad esempio gas, da raffreddare. Attraverso le piastre i tubi sono in comunicazione con le camere collettrici. Vantaggiosamente, la camera di ingresso 15 comprende un rivestimento 19 in materiale refrattario.

Prossimi alle estremit? del contenitore 11 sono connessi radialmente raccordi di ingresso 20 e di uscita 21 per un fluido di raffreddamento, ad esempio acqua, scorrente in equicorrente rispetto al flusso del fluido nei tubi 12.

Secondo i principi innovativi della presente invenzione, le piastre metalliche 13 e 14 sono di spessore relativamente modesto rispetto alla estensione (ad esempio, 2-3 cm per un diametro di lm), spessore anche minore dello spessore delle pareti laterali del contenitore, e comunque minore dello spessore che sarebbe necessario per assicurare la completa rigidit? della parete sottoposta agli sforzi e pressioni solitamente presenti nelle zone delle piastre tubiere nei noti scambiatori. In altre parole, le piastre tubiere 13, 14 hanno spessore tale da permetterne la deformazione sotto i normali carichi di esercizio.

Fra le piastre sono saldati i tubi del fascio i quali agiscono cane tiranti. In tale modo, si ottiene che i tubi sostengono le piastre. E' da notare che lo spessore sottile delle piastre fa si che le dilatazioni termiche dei tubi siano assorbite dalla flessibilit? delle piastre stesse. Come si vede in figura 2, i tubi sono vantaggiosamente disposti secondo vertici di triangoli o di quadrati, cos? da distribuire uniformemente gli sforzi sulle piastre.

Lungo il fascio dei tubi possono essere previsti setti o diafrarmii trasversali addizionali per favorire un rimescolamento del fluido di raffreddamente ed evitare 1'instaurarsi di percorsi privilegiati. Ad esempio, si possono prevedere setti discoidali centrali 28, che obbligano il flusso a dirigersi verso la periferia del fascio, e setti periferici 29 che obbligano il flusso a dirigersi verso il centro del fascio. I setti sono forati per permettere il passaggio dei tubi del fascio e concorrono a mantenere il parallelismo dei tubi, specialmente nel caso di fasci molto lunghi. Cerne si vede anche in figura 2, i setti deflettori sono sostenuti per mezzo di tiranti 30 e 31 disposti paralleli e attorno al fascio di tubi,

In figura 3, sono mostrati particolari del fissaggio dei tubi alle piastre tubiere 13, 14. E' stato sorprendentemente trovato che uno scambiatore secondo l'invenzione, con piastre sottili e il proposto fissaggio dei tubi, pu? sopportare condizioni di esercizio ben pi? elevete di quelle sopportabili da scambiatori di tecnica nota con piastre di uguale spessore. Ad esenpio, lo scambiatore qui descritto p^? essere direttamente connesso in uscita ad un forno di cracking, ad esempio per la produzione di etilene, e quindi affrontare condizioni di esercizio con gas in ingresso a pressioni nell'ordine di 110 bar e temperature anche superiori a 800'C.

Secondo 11invenzione , i tubi 12 sono fissati alla piastra calda o di ingresso 13 mediante saldatura dal lato interno della piastra stessa, cio? dal lato a contatto con il fluido di raffreddamento. In altre parole, i tubi 12 sono saldati con estremit?, di ingresso del fluido attestata alla faccia interna, della piastra In corrispondenza di passaggi 32 attraverso la piastra stessa, i quali costituiscono cos? prolungamento del passaggio nei tubi per la loro connessione alla camera di distribuzione 15. Per favorire il centraggio dei tubi con i passaggi 32, attorno ad ogni passaggio ? presente un bordo 33 formante m a sede a gradino 34 per la testa di un corrispondente tubo 12. La testa del tubo ? quindi saldata internamente nella sede.

Il diametro dei passaggi 32 ? il minimo possibile e cio? uguale a quello dell'interno dei tubi, cos? che.la parete del passaggio sia prolungamento della parete interna del tubo. Ci? rende minimo l'indebolimento della piastra causato dalla presenza dei passaggi in essa, mantenendo nel contempo a quantit? accettabili numero e passo dei tubi.

Si ? trovato che con tali accorgimenti le condizioni di esercizio massime dello scambiatore aumentano considerevolmente rispetto ai valori imnaginabili in tecnica nota per scambiatori a piastre sottili.

La piastra stessa protegge le saldature dei tubi dall'impatto diretto con il fluido da raffreddare presente ad alta temperatura nella camera collettrice. La saldatura di ogni tubo viene cos? a trovarsi in una zona avente temperatura notevolmente inferiore a quella presente sulla faccia della piastra a contatto con il fluido da raffreddare presente nella camera 15, a tutto vantaggio della stabilit?. La flessibilit? delle piastre non ostacola le dilatazioni dei tubi, mentre i passaggi di minimo diametro nella piastra calda permettono alla piastra stessa di sopportare gli sforzi anche alle pi? elevate temperature di esercizio.

Il fissaggio dei tubi alla opposta estremit?,? meno critico, essendo la temperatura dal lato di uscita notevolmente inferiore a quella presente al lato di ingresso.

In figura 3 ? mostrato comunque un fissaggio delle estremit? dei tubi alla piastra 14, trovato particolarmente vantaggioso. Per tale fissaggio, i tubi attraversano la piastra 14 in corrispondenza di fori 35 di diametro corrispondente al diametro esterno dei tubi. Ciascun foro 35 ha un bordo scanalato 36 sulla faccia esterna della piastra cos? da accogliere la saldatura periferica del tubo alla piastra.

Come ovvio al tecnico la disposizione delle saldature permette di montare lo scambiatore a partire dal lato caldo fino alla sua opposta,estremit? . Nel caso di scambiatore disposto verticalmente, il montaggio ? vantaggiosamente realizzabile dal basso verso l'alto.

In figura 3 ? mostrato anche un blocco 37, di una pluralit? di blocchi simili, saldato alla piastra 13 per fornire sede filettata di attacco di un estremo di un tirante 30. Il tirante comprende un'anima centrale filettata alle estremit?, sulla quale sono calzati distanziali 38 per il posizionamento dei setti.intermedi 28, 29. L'opposta estremit? del tirante ? imbullonata ad un setto 26.

In figura 3 ? mostrato anche un elemento di protezione della piastra calda, vantaggiosamente utilizzabile nello scambiatore secondo l'invenzione. L'elemento di protezione ? formato da una lamiera metallica 43 disposta nella camera distributrice di ingresso 15 per essere parallela e affrontata alla piastra.

13. Un bordo periferico 44 sostiene la lamiera nella posizione prestabilita, ad esempio ad una distanza compresa fra 5 e 30 nrn dalla superficie della piastra. La lamiera ? forata in corrispondenza dei passaggi 32 presenti nella piastra e il bordo di ogni foro ?. curvato per formare un raccordo svasato 45 fra la superficie della lamiera e la parete interna del rispettivo paesaggio. Il materiale formante la lamiera ? scelto per resistere alla temperatura dei gas in arrivo allo scambiatore. Inoltre, vantaggiosamente, il materiale della lamiera pu? essere scelto fra materiali a bassa emissivit?, per limitare lo scambio di calore dovuto ad irraggiamento fra lamiera e piastra affrontata. Materiali con tali caratteristiche sono facilmente immaginabili dal tecnico.

La lamiera protegge la piastra dall'impatto diretto con i gas in ingresso nello scambiatore. Inoltre, fra lamiera e piastra si realizza una intercapedine 46 che limita la trasmissione di calore per conduzione fra gas caldi e piastra. In tale modo ? limitata sia la temperatura esterna della piastra tubiera, sia l'abrasione su di essa altrimenti prodotta da particelle solide trascinate dal gas. I fori raccordati riducono inoltre la turbolenza dei gas con conseguente diminuzione del coefficiente di scambio del gas caldo all'imbocco. La sicurezza e la durata dello scambiatore a piastre sottili alle pi? alte temperature di esercizio ? cos? ulteriormente garantita.

Come si vede in figura 1, per incrementare ulteriormente il campo di funzionamento dello scambiatore, secondo i principi innovativi dell'invenzione all'interno dell'involucro 11 sono presenti mezzi convogliatori formati da una camera periferica 22 disposta prossima alla estremit? calda dello scambiatore per avere al suo interno lo sbocco dei condotti di ingresso 20, cos? da obbligare il flusso di fluido di raffreddamento a lambire la piastra prima di entrare in circolo nello scambiatore. La camera 22 ? composta da un setto o parete laterale cilindrica 24 parallelo alla parete laterale del contenitore. Un primo estremo della parete cilindrica 24 termina prossimo alla piastra 13 per formare passaggio radiale 47 verso l'interno del contenitore in prossimit? della piastra. Il primo estremo pu? eventualmente comprendere un bordo radiale 40 diretto verso 11asse dello scambiatore per essere parallelo alla piastra.

L?1estremo opposto della parete 24 ? invece raccordato alla parete laterale interna dello scambiatore per mezzo di un setto o parete anulare 23r trasversale alla estensione del contenitore ..In tale modo, la camera 22 circonda un passaggio centrale 39 diretto assialmente alla estensione dello scambiatore e tale passaggio centrale comunica con la camera 22 di arrivo del fluido in prossimit? della piastra 13. Il fluido in ingresso dai condotti 20 ? cos? costretto a seguire il percorso indicato dalle frecce, passando a lambire parallelamente la piastra prima di immettersi nel corpo centrale dello scambiatore parailelamente al fascio di tubi.

Una simile circolazione del fluido di raffreddamento mantiene con elevata sicurezza entro limiti accettabili le condizioni di esercizio della piastra e delle saldature fra piastra e tubi, anche con temperature del fluido da raffreddare superiori agli 800'C.

In prossimit? della piastra di uscita 14 pu? essere prevista una seconda camera 25, genericamente speculare alla camera 22, nella quale sboccano i condotti 21 di uscita dallo scambiatore per il fluido di raffreddamento. Tale seconda camera ? composta da un setto o parete laterale cilindrica 27 parallelo alla parete laterale del contenitore. Un estremo della parete cilindrica 27 termina prossimo alla piastra 14, eventualmente con un bordo radiale 42 diretto verso l'asse dello scambiatore per essere parallelo alla piastra, per formare un passaggio radiale 48. L'estremo opposto della parete 27 ? invece raccordato alla parete laterale interna dello scambiatore per mezzo di un setto o parete anulare 26, trasversale alla estensione del contenitore. In tale modo, la camera 25 circonda un passaggio centrale 41 diretto assialmente alla estensione dello scambiatore e tale passaggio centrale comunica con la camera 25 in prossimit? della piastra 13. Il fluido di raffreddamento in uscita dallo scambiatore ? cos? costretto a seguire il percorso indicato dalle frecce, passando a lambire parallelamente la piastra 14 prima di raggiungere i condotti di uscita 21. Si evita cos? anche la formazione di.sacche di gas o vapori in prossimit? delle piastre.

A questo punto ? chiaro come si siano raggiunti gli scopi prefissati, fornendo uno scambiatore di innovativa struttura, nel quale le piastre tubiere sono realizzate sottili e quindi relativamente flessibili, contrariamente a quanto realizzabile in tecnica nota per analogo condizioni di funzionamento .

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

Ad esempio, le proporzioni ed il dimensionamento dei vari componenti pu? variare a seconda delle pratiche necessit?. Inoltre, lo scambiatore potr? essere disposto orizzontale e il flusso di gas rispetto al flusso del fluido di raffreddamento potr? essere realizzato controcorrente anzich? equicorrente.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore comprendente un involucro a pressione (11) contenente fasci di tubi (12) disposti paralleli all'estensione del contenitore per estendersi fra opposte piastre tubiere (13, 14) separanti l'interno del contenitore da camere collettrici (15, 16) nelle quali sfociano i tubi e nelle quali giungono rispettivamente condotti di ingresso (17) e di uscita (18) per un fluido da raffreddare, prossimi alle estremit? del contenitore (11) essendo connessi radialmente condotti di ingresso (20) e di uscita (21) per un fluido di raffreddamento scorrente nel contenitore per lambire i fasci di tubi, caratterizzato dal fatto che le piastre tubiere (13, 14) hanno spessore tale da permetterne la deformazione sotto i normali carichi di esercizio, e che, almeno dal lato di ingresso del fluido da raffreddare, i tubi (12) sono saldati con estremit? attestata alla faccia interna della rispettiva piastra in corrispondenza di passaggi (32) attraverso la piastra.
2. 2. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i passaggi (32) hanno diametro pari al diametro interno dei tubi ad essi attestati.
3. 3. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il bordo periferico di ogni passaggio (32) ha un rilievo (33) di centratura della estremit? del rispettivo tubo (12).
4. 4. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che, internamente al contenitore, almeno in prossimit? della estremit? del contenitore (11) di ingresso del fluido da raffreddare sono presenti mezzi convogliatori (22) indirizzanti il fluido di raffreddamento a lambire la piastra corrispondente (13).
5. 5. Scambiatore secondo rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che i mezzi convogliatori comprendono una camera (22,25) nella quale si immettono rispettivi condotti (20, 21) di circolazione del fluido di raffreddamento, la camera avendo un passaggio radiale verso l?interno del contenitore in prossimit? della piastra corrispondente (13, 14).
6. 6. Scambiatore secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la camera (22, 25) ? individuata fra un setto di parete laterale (24, 27) sostanzialmente parallelo alla parete laterale del contenitore e la stessa parete laterale del contenitore, un primo estremo del setto a parete (24, 27) terminando prossimo alla piastra (13) per realizzare detto passaggio radiale, l'estremo opposto del setto a parete (24, 27) essendo invece raccordato alla parete laterale interna dello scambiatore per costituire fondo (23, 26) di chiusura della camera.
7. 7. Scambiatore secondo rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che i condotti (20, 21) di circolazione del fluido di raffreddamento sono prossimi al fondo (23, 26) di chiusura della camera.
8. 8. Scambiatore secondo rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il fondo di chiusura della camera ? formato da una parete anulare (23, 26), trasversale alla estensione del contenitore .
9. 9. Scambiatore secondo rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il primo estremo del setto a parete (24, 27) comprende un bordo radiale (40, 42) diretto verso l'asse dello scambiatore per essere sostanzialmente parallelo alla rispettiva piastra (13, 14).
10. 10. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che, dal lato di uscita del flindo da raffreddare, i tubi (12) attraversano la piastra (14) in corrispondenza di fori (35) e sono saldati perifericernente sul lato esterno della piastra (14).
11. 11. Scambiatore secondo rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che i fori (35) hanno scanalatura circonferenziale (36) sul lato esterno della piastra (14) per il contenimento della saldatura .
12. 12. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che affrontato e parallelo alla faccia della piastra tubiera (13) sul lato della camera collettrice (15) di ingresso del fluido da raffreddare ? presente un elemento di protezione formato da una lamiera metallica (43) disposta distanziata dalla piastra per formare una intercapedine (46) fra di essa e la piastra, la lamiera presentando fori in corrispondenza dei passaggi (32) presenti nella piastra e il bordo di ogni foro essendo curvato per formare un raccordo svasato (45) fra la superficie della lamiera e l.a parete interna de], rispettivo passaggio.
13. 13. Scambiatore secondo rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che. fra lamiera e piastra ? presente una. distanza compresa fra 5 e 50 irrn.
14. 14. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nel contenitore sono presenti setti (28, 29) radiali al fascio di tubi per la deflessione d.el flusso di fluido di raffreddamento lontano da una linea parallela ai tubi.
15. 15. Scambiatore secondo rivendicazione 8, 11 caratterizzato dal fatto che fra i deflettori (28, 29) e le pareti anulari (23, 26) sono disposti tiranti di sostegno (30, 31) disposti paralleli al fascio di tubi.