ITUB20150576A1 - Scambiatore di calore a fascio tubiero e struttura perfezionata - Google Patents

Description

DESCRIZIONE della domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo "Scambiatore di calore a fascio tubiero e struttura perfezionata"

La presente invenzione si riferisce ad uno scambiatore di calore del tipo con involucro in pressione e fascio tubiero fra piastre tubiere di ingresso e uscita. In particolare, lo scambiatore ? del tipo con almeno una piastra tubiera di tipo ?sottile?, vale a dire con piastra realizzata per essere relativamente flessibile e assecondare la pressione interna dello scambiatore. Ancora pi? in particolare, lo scambiatore ? uno scambiatore TLE (Transfer Line Exchanger) impiegato nel ciclo di produzione dell?etilene.

Gli scambiatori a fascio tubiero esistenti sul mercato etilene sono in sostanza divisi in due grandi categorie: quelli a piastra flessibile e quelli a piastra rinforzata.

I primi favoriscono una deflessione delle piastre tubiere in virt? della pressione interna fra le piastre e quindi mitigano le sollecitazioni secondarie sui tubi (dovute all?allungamento dei tubi per dilatazione termica) ma lavorano con sollecitazioni primarie della piastra pi? elevate (gli sforzi essendo proporzionali alle deformazioni in regime elastico) e con i tubi che lavorano a trazione.

I secondi lavorano con basse sollecitazioni primarie (le piastre tubiere rimanendo sempre piane) ma i tubi sono soggetti fisiologicamente a lavorare in compressione, con potenziali rischi di carico di punta e instabilit? euleriana.

Gli scambiatori a piastre sottili sono perci? per alcuni versi preferibili.

E? bens? vero che i TLE a piastre flessibili sono per? soggetti ad un rischio potenziale in caso di corrosione della zona di attacco fra tubi e piastra e/o in corrispondenza dei fori diaframmi; infatti lo ?schianto? di un tubo del fascio comporta che la spinta assiale portata da tale tubo viene improvvisamente ripartita sui tubi vicini, con un incremento della sollecitazione degli stessi e una potenziale reazione a catena di rottura dei tubi, con collasso improvviso dell?intero scambiatore.

Inoltre, gli scambiatori a fascio tubiero, specialmente di tipo TLE per etilene, soffrono del problema di una elevata erosione causata dal gas sulla piastra tubiera di ingresso (piastra ?calda?) a causa del particolato (coke) che viene trascinato dai gas ad elevata velocit? (> 100 m/s).

A causa del diffusore conico che connette l?arrivo dei gas alla piastra tubiera e che facilita l'ingresso nella parte centrale del fascio e penalizza i tubi periferici, si ha anche una erosione localizzata primariamente nel centro della piastra tubiera, dove gli sforzi possono essere maggiori.

La stessa maldistribuzione potenziale dei fumi caldi nei tubi, a causa del diffusore conico che facilita l?ingresso nella parte centrale del fascio e penalizza i tubi periferici, pu? portare a surriscaldamenti localizzati e eccessive sollecitazioni termiche sulla piastra e sui giunti tubipiastra.

Si ha infatti una possibile elevata corrosione sulla piastra ?calda? di ingresso dal lato mantello a causa di zone di flusso morte o stagnanti nei punti pi? bassi del circuito a circolazione naturale (a termosifone) e che non vengono adeguatamente raffreddate.

Infine, nella configurazione (classica) di un TLE con moto dei fumi verticale ascendente si pu? anche generare una concentrazione di bolle di vapore nella parte alta del TLE a ridosso della piastra di uscita (piastra ?fredda?) con potenziale stagnazione/ blanketing che innesca surriscaldamenti e/o elevati ratei di deposizione di sostanze corrosive sulla parte terminale dei tubi contro la piastra tubiera.

Pu? anche generarsi una instabilit? fluidodinamica nel moto bifase verticale discendente che porta la miscela di fluido di raffreddamento (in genera acqua e vapore) alla o alle condotte di uscita, a causa del continuo variare del punto di lavoro e a potenziali scenari con bassi numeri di Froude della fase liquida, che innescano un moto controcorrente tra fase liquida e fase vapore anzich? un moto co-corrente delle due fasi nella canala discendente.

Per cercare di migliorare la situazione, nella tecnica nota si sono proposte varie soluzioni per cercare di uniformare la distribuzione dell'acqua nel punto pi? basso del circuito (sempre riferendosi ad un TLE con moto dei fumi verticale ascendente).

Ad esempio, ? stato proposto di fornire uno spazzolamento del flusso sulla piastra da un lato all?altro per mezzo di un diaframma opportunamente sagomato e opportunamente spaziato dalla piastra tubiera.

Tale soluzione per? produce una elevata velocit? monodirezionale, ma anche una stagnazione nella direzione perpendicolare al flusso e nelle zone d'ombra dei tubi.

In pi?, l?elevata velocit? monodirezionale provoca una elevata perdita di carico concentrata e quindi una diminuzione del rapporto di ricircolazione del termosifone.

Inoltre, vi ? una aumentata possibilit? di stratificazione dei depositi corrosivi dell'acqua sulla faccia superiore del diaframma in corrispondenza dei fori di passaggio del fluido.

E? anche stato proposto di realizzare una canalizzazione dell'acqua mediante canali o tunnel, ma ci? rende necessario assicurare la presenza di trafilamenti verso l'alto dell'acqua in ogni tunnel per bagnare la superficie dei tubi in una piastra rigida ancorata a quella flessibile. Si ha quindi una riduzione della portata nella parte terminale dei tunnel, riduzione che si ? cercato di compensare conformando i canali con sezione che si riduce mano a mano cos? da compensare quest'effetto e mantenere velocit? elevate che prevengono incrostazioni e depositi. Tuttavia, le elevate velocit? comportano nuovamente elevate perdite di carico concentrate e quindi diminuzione del rapporto di ricircolazione del termosifone.

Si ? anche proposto di avere ingressi dell'acqua secondo anuli concentrici ai tubi di fumo, ma ci? porta ad avere elevate perdite di carico di imbocco nell'anulo, poich? il diametro equivalente della geometria anulare ? piccolo. Si ha cos? una maggiore possibilit? di otturazione a causa dei depositi trascinati, con conseguente surriscaldamento locale della parete del tubo in corrispondenza dell'imbocco. Inoltre, si hanno ancora elevate velocit? a causa della ridotta sezione di passaggio dell?anulo e perci? una elevata perdita di carico concentrata e quindi una diminuzione del rapporto di ricircolazione del termosifone.

Scopo generale della presente invenzione ? pertanto fornire uno scambiatore a fascio tubiero e piastra flessibile che ovvi agli svantaggi della tecnica nota, con una struttura semplice ed efficiente e una maggiore sicurezza di funzionamento.

In vista di tale scopo si ? pensato di realizzare, secondo l'invenzione, uno scambiatore di calore con involucro in pressione e fascio tubiero con tubi di scambio fra piastre tubiere flessibili, caratterizzato dal fatto che le piastre tubiere flessibili sono interconnesse fra loro mediante tiranti in una zona centrale delle piastre tubiere che ? priva di tubi di scambio e i tubi di scambio del fascio tubiero sono disposti attorno a tali tiranti.

Secondo un altro aspetto dell?invenzione, lo scambiatore di calore ? caratterizzato dal fatto che lungo il fascio tubiero sono disposti diaframmi trasversali di convogliamento del fluido di scambio che sono conformati a dischi e a ciambelle alternati lungo l?asse del fascio e, preferibilmente, il diaframma pi? prossimo ad una piastra tubiera ? vantaggiosamente conformato a ciambella. Vantaggiosamente, i diaframmi a ciambella hanno un passaggio centrale che ? attraversato dai soli tiranti.

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 realizzazione esemplificativa applicante tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta una vista schematica laterale e parzialmente sezionata di uno scambiatore secondo l?invenzione;

-figura 2 rappresenta una vista schematica in sezione trasversale di una prima possibile disposizione del fascio tubiero nello scambiatore di figura 1;

-figura 3 rappresenta una vista schematica in sezione trasversale di una seconda possibile disposizione del fascio tubiero nello scambiatore di figura 1;

-figura 4 rappresenta una vista schematica in sezione trasversale presa lungo la linea IV-IV di figura 1;

-figura 5 rappresenta una vista schematica in sezione trasversale presa lungo la linea V-V di figura 1;

-figura 6 rappresenta una vista schematica in sezione trasversale (presa genericamente lungo la linea V-V di figura 1) di una possibile realizzazione di zone, in prossimit? delle piastre tubiere, di ingresso e uscita del liquido di raffreddamento in uno scambiatore secondo l?invenzione;

-figura 7 rappresenta una vista schematica parziale di una sezione presa lungo la linea VII-VII di figura 6;

-figura 8 rappresenta una vista schematica parziale e in sezione di una possibile variante di una zona centrale delle piastre tubiere in uno scambiatore secondo l?invenzione.

Con riferimento alle figure, in figura 1 ? mostrato uno scambiatore, indicato genericamente con 10, realizzato secondo i principi della presente invenzione.

Lo scambiatore 10 comprende un involucro in pressione 11 alle cui opposte estremit? sono presenti diffusori conici o collettori 12, 13 ai quali giungono condotti 14, 15 di ingresso e uscita del fluido da raffreddare (ad esempio vapore di etilene). Un fascio tubiero 18 ? disposto nell?involucro fra piastre tubiere 16 e 17 per essere immerso nel fluido di scambio (ad esempio, acqua) che circola nello scambiatore attraverso condotti di ingresso e uscita 19 e 20. Le piastre tubiere sono di tipo cosiddetto ?sottile? e perci? sono piastre flessibili per le quali la tenuta contro l?incurvamento a causa della pressione interna allo scambiatore ? assicurata dallo stesso fascio tubiero saldato fra le piastre, e le piastre si flettono verso l?esterno anche a causa della dilatazione termica del fascio.

Secondo i principi dell?invenzione, il fascio tubiero comprende vantaggiosamente una zona centrale priva di tubi e in tale zona le piastre sono fra loro interconnesse da tiranti 21. I tubi, indicati genericamente con 18a, che sono destinati ad essere percorsi dal fluido da raffreddare sono disposti attorno ai tiranti 21. In sostanza, il nucleo del fascio ? composto da soli tiranti che non prendono parte alla circolazione del fluido da raffreddare e i tubi sono disposti in un toroide attorno ai tiranti.

Vantaggiosamente, la zona con soli tiranti pu? essere circa in corrispondenza alla sezione del condotto di ingresso 14. I tiranti possono essere elementi metallici pieni oppure tubi simili ai tubi del fascio ma chiusi alle estremit?. In genere avranno inerzia e area della sezione comparabile con i tubi scambio.

Nella figura 2 ? mostrata a titolo di esempio una possibile disposizione del fascio, dove sono mostrati i tiranti centrali (vantaggiosamente disposti a croce) e i tubi che li circondano.

La innovativa struttura dello scambiatore che prevede le piastre tubiere flessibili con presenza di tiranti nella parte centrale del fascio e tubi di scambio solo attorno ai tiranti permette di avere svariati vantaggi.

Innanzitutto, i tiranti sono immersi nel liquido di raffreddamento come i tubi ma, non essendo percorsi dal fluido caldo, sono alla stessa temperatura del liquido di raffreddamento (ad esempio, in uno scambiatore per etilene con acqua di scambio possono essere ad esempio circa 10?C pi? freddi rispetto ai tubi di scambio che li attorniano).

La disposizione ? perci? vantaggiosa perch? l'ingobbamento delle piastre flessibili dovuto alla pressione ? mitigato nella parte centrale dal profilo di temperatura differenziale di tubi e tiranti. Essendo le sollecitazioni proporzionali alle deformazioni, la parte centrale delle piastre tubiere flessibili risulta meno sollecitata rispetto alle soluzioni progettuali note.

Allo stesso tempo, anche i tubi risultano meno sollecitati da un carico assiale, visto che quanto pi? ci si allontana dal centro e si procede radialmente verso la periferia, tanto pi? diminuisce la sollecitazione assiale e aumenta quella flessionale per via della flessione (ingobbamento per via della pressione) della piastra.

Grazie alla diminuzione di sforzi assiali sui tubi e alla migliorata deviazione del flusso verso i tubi periferici, si pu? ottimizzare la distribuzione del gas nei tubi.

Infatti, la portata di gas ? dirottata verso i tubi che attorniano i tiranti e si pu? realizzare una pi? uniforme ripartizione del gas in tutti i tubi di scambio, una minimizzazione di formazione di vortici ed un tempo di residenza ridotto dei fumi nel cono di distribuzione (ossia una migliore resa delle reazioni di raffreddamento rapido dei fumi).

La migliorata distribuzione degli sforzi assiali nel fascio permette anche di assottigliare la parete dei tubi pi? periferici (dove prevale la componente di sollecitazione flessionale rispetto a quella assiale) aumentandone cos? la luce interna di passaggio. In alternativa ? anche possibile aumentare il diametro dei tubi pi? esterni come mostrato a titolo di esempio nella figura 3.

In ogni caso, una luce di passaggio aumentata alla periferia del fascio fa s? che le particelle di gas che devono percorrere un libero cammino medio pi? lungo per arrivare ai tubi periferici trovano comunque un vantaggio grazie all'area esposta maggiore e quindi minori perdite di carico.

Incidentalmente, i tubi interni pi? spessi hanno maggiore margine contro un potenziale schianto catastrofico in caso di assottigliamento per corrosione (anche se con la soluzione qui descritta la corrosione ? ridotta o eliminata).

Tornando alla figura 1, pu? anche essere previsto un inserto 22 disposto in corrispondenza dei tiranti sulla piastra 16 di ingresso sul lato caldo, per ridurre il volume nel cono del diffusore di ingresso.

Ci? permette di ridurre il tempo di residenza del fluido nel cono diffusore e di offrire una protezione migliorata della piastra calda. Inoltre, si ottiene una ancora migliorata deviazione del fluido verso gli ingressi dei tubi del fascio.

L?inserto 22, con forma genericamente rastremata nella direzione di arrivo del flusso, pu? essere facilmente ottimizzato mediante un sistema di fluido dinamica computazionale anche per sposarsi meglio alla conformazione del cono diffusore. L?inserto pu? essere realizzato di pezzo con la piastra o montato su di essa in vario modo, ad esempio calettato. Un montaggio rimuovibile pu? essere vantaggioso per potere sostituire l?inserto quando esso eventualmente ? usurato, costituendo di fatto una piastra di sacrificio per la salvaguardia della piastra tubiera sottile retrostante.

Come si vede sempre in figura 1, nello scambiatore secondo l?invenzione possono essere impiegati anche diaframmi di convogliamento del fluido di scambio disposti trasversalmente lungo il fascio.

Tali diaframmi sono vantaggiosamente in forma di dischi 23 e ciambelle 24 alternati lungo l?asse del fascio per avere una circolazione come indicata dalle frecce in figura 1, vale a dire che serpeggia fra un passaggio periferico e un passaggio centrale. Lo scambiatore (in particolare un TLE) ? infatti preferibilmente verticale con moto ascendente del fluido (fumi) da raffreddare.

Come si vede in figura 1, il primo e l?ultimo diaframma sono vantaggiosamente conformati a ciambella. Ci? ? possibile per il fatto che nel passaggio centrale del diaframma a ciambella dove passa il flusso di fluido di raffreddamento sono vantaggiosamente presenti solo i tiranti. Infatti, in generale la parte centrale della piastra tubiera vede una velocit? circa nulla e quindi vi ? sempre in tale zona centrale il rischio di accumulo di detriti/depositi con conseguente surriscaldamento locale, poich? i depositi e lo sporcamento in generale sono una resistenza termica addizionale che impedisce l'asportazione del calore della piastra da parte del fluido di raffreddamento.

Se come nella tecnica nota vi fossero tubi di scambio in tale zona centrale, l?impiego di diaframmi a ciambella prossimi alle piastre sarebbe impossibile perch? comporterebbe un innalzamento inaccettabile della temperatura della piastra a causa dei depositi che non permetterebbero la corretta asportazione di calore convogliato in tale zona dai tubi di scambio.

Con i principi secondo la presente invenzione, un eventuale accumulo di depositi nella zona centrale della piastra non comporta invece un innalzamento di temperatura locale perch? la parte centrale del fascio non ? alimentata dal fluido caldo.

In figura 4 ? mostrata una sezione dello scambiatore che mostra una vantaggiosa forma di uno dei diaframmi a ciambella 24, con il foro centrale 25 che ha perimetro che segue il contorno del fascio di tiranti 21 (ad esempio vantaggiosamente disposti a croce) in modo che la parte di corona piena del deflettore sia attraversata dai tubi di scambio e, preferibilmente, sostenuta da questi ultimi. Il deflettore pu? avere anche un minimo spazio fra il suo bordo periferico e la parete interna dell?involucro dello scambiatore 26.

In figura 5 ? invece mostrata una sezione dello scambiatore che mostra una vantaggiosa forma di uno dei diaframmi a disco 23 con un ampio spazio periferico 27 di circolazione del fluido di scambio fra le due facce del disco.

Vantaggiosamente, la possibilit? di impiegare diaframmi a ciambella in prossimit? delle facce interne delle piastre tubiere permette anche di avere una migliorata circolazione di ingresso e uscita del fluido di raffreddamento.

Come mostrato nella variante realizzativa delle figure 6 e 7, possono essere vantaggiosamente previsti canali radiali 28 sul bordo della piastra tubiera all?interno della camera di scambio. I canali 28 sono connessi ai rispettivi condotti di ingresso 19 attraverso un condotto di collegamento ad esempio in forma di toroide 29 attorno alla periferia dello scambiatore. Vantaggiosamente, tali canali sono una pluralit? ed equamente distribuiti attorno alla circonferenza della piastra.

I canali radiali 28 si affacciano all?interno dello scambiatore per immettere il flusso di fluido di raffreddamento fra la piastra e l?affacciato deflettore a ciambella.

Vantaggiosamente, anche l?estremo opposto della camera di scambio pu? prevedere una analoga struttura di canali radiali 28 per l?uscita del fluido di scambio in prossimit? della opposta piastra 17.

La possibilit? di avere ingressi multipli dell'acqua e almeno un?uscita del fluido di scambio (che all?uscita pu? essere un miscela acqua pi? vapore), completamente radiali, permette una pi? uniforme distribuzione del fluido ed evita svariati problemi dei sistemi noti.

Ad esempio, con riferimento ad un tipico TLE verticale con fumi caldi ascendenti, con la soluzione sopra descritta si evita un flusso bifase verticale discendente, che sarebbe instabile e/o pulsante per determinati punti di lavoro/velocit? superficiali delle fasi liquida e vapore. La descritta disposizione di adduzione ed estrazione del fluido di scambio consente inoltre una simmetria circolare del flusso del fluido e una configurazione cosiddetta ?No Tubes In The Window? in cui tutti i tubi di scambio presentano lo stesso carico critico di instabilit? euleriana a prescindere dalla loro posizione radiale nel fascio.

Inoltre, posizionando le condotte di uscita della miscela acqua/vapore a filo della piastra superiore si elimina la zona di ?downflow?. Ceando un toro ad accessi multipli che raccoglie il vapore da ogni direzione radiale si prevengono poi possibili sacche di vapore sulla sommit? dello scambiatore.

In figura 8 ? mostrata una ulteriore vantaggiosa variante realizzativa, secondo la quale la piastra tubiera ha un ispessimento locale 30 nella parte centrale in corrispondenza dei tiranti 21 e che pu? essere utilizzato come sovraspessore di corrosione/ erosione. Tale inspessimento ? possibile sempre grazie al fatto che con la struttura secondo l?invenzione la parte centrale della piastra ? sempre all?incirca alla temperatura del fluido di scambio. L?ispessimento pu? anche realizzare o comprendere l?inserto esterno di deviazione del flusso. A questo punto ? chiaro come si siano ottenuti gli scopi prefissati. Uno scambiatore a fascio tubiero a piastre flessibili realizzato secondo l?invenzione soffre molto meno di effetti erosivi e corrosivi e permette inoltre maggiore efficienza e flessibilit? d?uso. Inoltre, ? da notare che grazie ai principi dell?invenzione ? anche possibile realizzare uno scambiatore ?simmetrico? rispetto al piano trasversale, vale a dire ribaltabile ad esempio per estenderne la vita utile. 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 delle varie parti dello scambiatore potranno variare rispetto a quanto mostrato nei disegni per adattarsi a specifiche esigenze, come facilmente immaginabile dal tecnico. Anche il numero di tubi, tiranti ed eventuali diaframmi a disco e ciambella interni potr? variare a seconda della realizzazione pratica e delle specifiche esigenze.

Infine, le tecniche per il fissaggio del fascio tubiero alle piastre tubiere possono essere svariate, come facilmente immaginabile dal tecnico. Ad esempio pu? essere vantaggioso l?impiego di saldature di tipo Internal Bore Welding (IBW), come noto al tecnico e come mostrato schematicamente per il tubo a sinistra in figura 7.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore (10) con involucro in pressione (11) e fascio tubiero (18) con tubi di scambio (18a) fra piastre tubiere flessibili (16, 17), caratterizzato dal fatto che le piastre tubiere flessibili (16, 17) sono interconnesse fra loro mediante tiranti (21) in una zona centrale delle piastre tubiere (16, 17) che ? priva di tubi di scambio (18a) e i tubi di scambio (18a) del fascio tubiero (18) sono disposti attorno a tali tiranti (21).
2. 2. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i tubi di scambio (18a) alla periferia del fascio (18) hanno spessore di parete minore dello spessore di parete degli altri tubi di scambio (18a)del fascio.
3. 3. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i tubi di scambio (18a) alla periferia del fascio hanno diametro maggiore degli altri tubi di scambio (18a) del fascio.
4. 4. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che lungo il fascio tubiero (18) sono disposti diaframmi trasversali di convogliamento del fluido di scambio che sono conformati a dischi (23) e a ciambelle (24) alternati lungo l?asse del fascio.
5. 5. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il diaframma pi? prossimo ad una piastra tubiera ? conformato a ciambella.
6. 6. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che i diaframmi a ciambella (24) hanno un passaggio centrale (25) che ? attraversato dai soli tiranti.
7. 7. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che almeno la piastra tubiera di ingresso (16) ha un inserto (22) sporgente dal lato caldo della piastra nella zona centrale corrispondente ai tiranti.
8. 8. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che almeno la piastra tubiera di ingresso (16) ha uno spessore maggiorato nella zona centrale di connessione dei tiranti (21) rispetto alla parte periferica della piastra.
9. 9. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in prossimit? almeno della piastra tubiera di ingresso (16) sono presenti canali radiali (28) di ingresso del fluido di scambio.
10. 10. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in prossimit? almeno della piastra tubiera di uscita (17) sono presenti canali radiali (28) di uscita del fluido di scambio.
11. 11. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto che i canali radiali (28) sono circonferenzialmente equamente spaziati fra loro.
12. 12. Scambiatore di calore secondo rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto che i canali radiali (28) sono circondati da e comunicano con un condotto toroidale (29) di ingresso o di uscita del fluido di scambio.