ES2324500T3 - Intercambiador de calor de haces de tubos. - Google Patents

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ES2324500T3 ES07702370T ES07702370T ES2324500T3 ES 2324500 T3 ES2324500 T3 ES 2324500T3 ES 07702370 T ES07702370 T ES 07702370T ES 07702370 T ES07702370 T ES 07702370T ES 2324500 T3 ES2324500 T3 ES 2324500T3
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Abstract

Intercambiador de calor de haces de tubos con tubos (2), que están retenidos a ambos lados en placas de tubos (3, 4) o placas tubulares colectoras de tubo ovalado (5, 6) y que están conectados con éstas, respectivamente, por medio de costura de soldadura (7), para la refrigeración de una corriente de gas caliente (18) conducida a través de los tubos (2) por medio de un refrigerante (19) que rodea los tubos (2), que presenta al menos una cámara de entrada de gas (8), desde la que se introduce la corriente de gas caliente (18) en los tubos (2) individuales y que está delimitada en un lado por la placa de tubos (3) del lado de entrada o por la placa tubular colectora de tubo ovalado (5) y al menos una cámara de salida de gas (9), en la que se acumula la corriente de gas (18) introducida a través de los tubos (2) y se descarga, y que está delimitada en un lado por la placa de tubos (4) del lado de salida o a placa tubular colectora de tubo ovalado (6), caracterizado porque la conexión de los tubos (2) con la placa de tubos (3) del lado de entrada o la placa tubular colectora de tubo ovalado (5) está formada en cada caso por medio de una pieza de transición (10) en forma de cono y/o en forma de trompeta, cuya sección transversal se reduce, vista en la dirección de la circulación de gas, porque el extremo (16) del lado de entrada, visto en la dirección de la circulación de gas, de la pieza de transición (10) está conectado, a la manera de una unión a tope, con la placa de tubos (3) o la placa tubular colectora de tubo ovalado (5), y los contornos interiores y exteriores (11, 12) de la pieza de transición (10) y de la zona de unión soldada (13) están configurados sin intersticios ni esquinas hacia la placa de tubos (3) o placa tubular colectora de tubo ovalado (5) así como rectos y/o con un radio (R), medido desde el contorno exterior (12), que tiene al menos 5 mm.

Description

Intercambiador de calor de haces de tubos.
La invención se refiere a un intercambiador de calor de haces de tubos con tubos, que están retenidos a ambos lados en placas de tubos o placas tubulares colectoras de tubo ovalado y que están conectados con éstas, respectivamente, por medio de costura de soldadura, para la refrigeración de una corriente de gas caliente conducida a través de los tubos por medio de un refrigerante que rodea los tubos, que presenta al menos una cámara de entrada de gas, desde la que se introduce la corriente de gas caliente en los tubos individuales y que está delimitada en un lado por la placa de tubos del lado de entrada o por la placa tubular colectora de tubo ovalado y al menos una cámara de salida de gas, en la que se acumula la corriente de gas introducida a través de los tubos y se descarga, y que está delimitada en un lado por la placa de tubos del lado de salida o a placa tubular colectora de tubo ovalado.
Para la refrigeración de gases en numerosas instalaciones técnicas de procedimientos, como por ejemplo instalaciones de gasificación, instalaciones de disociación térmica y catalítica, instalaciones de reforma de vapor, etc. Se emplean, en general, intercambiadores de calor, especialmente intercambiadores de calor de haces de tubos (refrigeradores), en los que los gases a refrigerar circulan a través de tubos rectos y en este caso ceden el calor latente del gas caliente a través de la pared del tubo al medio que rodea los tubos, especialmente al medio de refrigeración. Una característica de tales intercambiadores de calor es que los gases a refrigerar están con frecuencia a una presión alta y a una temperatura alta y entran en los tubos rectos del intercambiador de calor a alta velocidad. De esta manera se consigue en la entrada del tubo o bien en la primera sección del tubo una alta densidad de corriente de calor, que provoca tanto una tensión térmica alta en los tubos del intercambiador de calor como también en la unión de la placa tubular y el tubo.
En intercambiadores de calor según el estado de la técnica, los tubos conductores de gas se sueldan en placas tubulares, de manera que la costura de soldadura entre la placa tubular y el tubo está colocada o bien en la pared exterior o en la pared interior de la placa tubular o dentro de la abertura de las placas tubulares. La publicación DE 37 15 713 C2 presenta, por ejemplo, una unión soldada del tubo o bien de los tubos con la pared exterior de la placa de tubos o bien de la placa tubular colectora de tubo ovalado.
El inconveniente de esta forma de realización conocida consiste en que el contorno dirigido hacia el gas o bien la superficie de la transición desde el tubo hacia la placa de tubos o bien la placa tubular colectora de tubo ovalado no presenta una forma aerodinámica exacta. La utilización de un casquillo insertado es deseable, en general, por varios motivos diferentes, entre otros un estrechamiento de la sección transversal del lado del gas así como una refrigeración insuficiente del casquillo. Además, en el lado del medio de refrigeración en la unión de las placas tubulares y el tubo puede aparecer un intersticio, que conduce a una corrosión en el lado del agua, o la unión de las placas tubulares y el tubo puede presentar una esquina, en la que aparece una concentración de tensión no deseada.
A través de la publicación EP 1 154 143 A1 se conoce un refrigerador, en cuyos tubos de intercambio de calor, que están dispuestos entre una placa tubular en el lado de entrada y una placa tubular en el lado de salida, se refrigera un gas de escape a través de agua de refrigeración. A través de la refrigeración del gas de escape se genera un condensado que presenta un componente decapante, que provoca una corrosión en la unión del tubo respectivo con la placa tubular del lado de salida. Como consecuencia de esta corrosión se produce en esta unión una fuga de agua de refrigeración, lo que conduce al daño de la máquina conectada a continuación. Para la prevención de la fuga se propone configurar la conexión del tubo respectivo con la placa tubular del lado de salida, de tal manera que el tubo se enchufa en forma de cono a través de la placa tubular y la parte del tubo en forma de cono se suelda totalmente por láser con la placa tubular, para conseguir de esta manera una unión soldada profunda.
El cometido de la presente invención consiste en crear un intercambiador de calor de haces de tubos, en el que se evitan los inconvenientes mencionados anteriormente o bien la transición desde la placa de tubos o bien desde la placa tubular colectora de tubo ovalado hacia los tubos sobre el lado de gas presenta un contorno favorable para la circulación así como no están presentes elementos perturbadores sobre el lado del medio de refrigeración y el lado delgas.
El cometido mencionado anteriormente se soluciona a través de los rasgos característicos de la reivindicación 1 de la patente. La solución prevé en este caso que la unión de los tubos con la placa de tubos del lado de entrada o la placa tubular colectora de tubo ovalado esté formada en cada caso por medio de una pieza de transición en forma de cono y/o en forma de trompeta, cuya sección transversal se reduce, vista en la dirección de la circulación del gas, de tal manera que el extremo del lado de entrada, visto en la dirección de la circulación de gas, de la pieza de transición está conectado, a la manera de una unión a tope, con la placa de tubos o la placa tubular colectora de tubo ovalado, y los contornos interiores y exteriores de la pieza de transición y de la zona de unión soldada están configurados sin intersticios ni esquinas hacia la placa de tubos o placa tubular colectora de tubo ovalado así como rectos y/o con un radio, medido desde el contorno exterior, que tiene menos de 5 mm.
Las configuraciones ventajosas de la invención se deducen a partir de las reivindicaciones dependientes.
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Por medio de la solución de acuerdo con la invención se crea un intercambiador de calor de haces de tubos, que presenta las siguientes ventajas:
-
a través de la prevención de cantos salientes así como de intersticios en el punto de unión entre los tubos y la placa de tubos o bien la placa tubular colectora de tubo ovalado se evitan, por una parte, las turbulencias del medio de gas como del medio de refrigeración y, por otra parte, se impide la corrosión,
-
la transición desde la placa de tubos o bien la placa tubular colectora de tubo ovalado hacia los tubos está configurada de forma aerodinámica, de manera que la entrada del gas en los tubos se desarrolla en la mayor medida posible libre de turbulencias y se pueden eliminar los picos de temperatura en la zona de entrada.
En una configuración ventajosa, la longitud Lü de la pieza de transición es al menos 1,5 veces el diámetro interior di del tubo de intercambio de calor y/o el diámetro interior Di de la pieza de transición en su entrada es al menos 1,2 veces el diámetro interior di del tubo de intercambio de calor para conseguir una transición aerodinámica optimizada de la placa de tubos o bien de la placa tubular colectora de tubo ovalado hacia los tubos de intercambio de calor respectivos.
Es conveniente ensanchar mecánicamente la pieza de transición en el extremo del tubo del lado de entrada, visto en la dirección de la circulación del gas. Por medio de esta medida se fabrica solamente en una parte -en el tubo- y se puede simplificar y acortar el proceso de trabajo para la fabricación de la pieza de transición de acuerdo con la invención.
En una configuración ventajosa de la invención, la pieza de transición está formada por una pieza tubular separada y el extremo del lado de salida de la pieza de transición, visto en la dirección de la circulación del gas, está unido a la manera de una unión a tope con el tubo por medio de una costura de soldadura. A través de la utilización de una pieza de tubo separada, se pueden fabricar también piezas de transición complicadas en su forma (por ejemplo, varios radios de transición diferentes) de una manera esencialmente más sencilla y de coste más favorable. En conveniente en esta configuración de la invención configurar los contornos interiores y los contornos exteriores de la zona de unión por soldadura entre la pieza de transición y el tubo sin intersticios ni esquinas así como rectos y/o con un radio igual o mayor de 5 mm. Por medio de esta medida se consigue una forma aerodinámica en la entrada del gas en los tubos.
De una manera especialmente ventajosa, los contornos interiores y los contornos exteriores de la pieza de transición y de la zona de unión por soldadura están configurados sin intersticios ni esquinas hacia la placa de tubos o placa tubular colectora de tubo ovalado o hacia el tubo así como rectos y/o con un radio igual o mayor de 2 mm.
De una manera más conveniente, la pieza de tubo empleada como pieza de transición está configurada como pieza forjada.
A continuación se explican en detalle ejemplos de realización de la invención con la ayuda del dibujo y de la descripción.
En este caso:
La figura 1 muestra una sección longitudinal a través de un intercambiador de calor de haces de tubos.
La figura 2 muestra una sección de detalle de la transición desde la placa de tubos hacia el tubo según el detalle "A" de la figura 1.
La figura 3 muestra lo mismo que la figura 2, pero en una forma de realización alternativa.
La figura 4 muestra lo mismo que la figura 2, pero en una forma de realización alternativa.
La figura 5 muestra una sección de detalle de la transición de una placa tubular colectora de tubo ovalado hacia un tubo.
La figura 1 muestra un intercambiador de calor de haces de tubos 1, representado de forma esquemática en la sección longitudinal. Tales intercambiadores de calor de haces de tubos 1 son necesarios en numerosas instalaciones técnicas de procedimiento, como por ejemplo instalaciones de gasificación, instalaciones de disociación térmica y catalítica, instalaciones de reforma de vapor, etc., en las que se produce un gas de proceso, un gas de escape o similar. El intercambiador de calor de haces de tubos 1 sirve, en general, para la refrigeración del gas caliente 18 mencionado anteriormente, que es introducido a través de un conducto no representado en la cámara de entrada de gas 8 del intercambiador de calor 1 y es conducido desde aquí a través de una pluralidad de tubos rectos 2, a continuación se acumula en la cámara de salida de gas 9 del intercambiador de calor 1 y se descarga por medio de un conducto no representado desde el intercambiador de calor 1. Los tubos 2, a través de los cuales tiene lugar un intercambio de calor indirecto con un medio de refrigeración 19 que rodea los tubos 2, están dispuestos en este caso distanciados entre sí, respectivamente, entre los placas de tubos 3, 4 o bien placas tubulares colectoras de tubo ovalado 5, 6 y están conectados con éstas fijamente y de forma hermética al gas, en general por soldadura.
Para mantener lo más reducidas posible, en la entrada del gas caliente 18 desde la cámara de entrada de gas 8 hasta los tubos de intercambio de calor 2 respectivos, las tensiones térmicas producidas en la placa de tubos 3, 5 del lado de entrada, vista en la dirección de la circulación del gas, y en el extremo 16 del lado de entrada de los tubos 2, se forma de acuerdo con la invención la unión de los tubos 2 con la placa de tubos 3 del lado de entrada (ver las figuras 2 a 4) o la placa tubular colectora de tubo ovalado 5 (ver la figura 5), respectivamente, por medio de una pieza de transición 10 en forma de cono y/o en forma de trompeta, cuya sección transversal se reduce vista en la dirección de la circulación del gas (ver la flecha). Además, el extremo 16 del lado de entrada de la pieza de transición 10, visto en la dirección de la circulación del gas, está conectado, a la manera de una unión a tope, con la placa de tubos 3 o la placa tubular colectora de tubo ovalado 5 y los contornos interiores y exteriores 11, 12 de la pieza de transición 10 y de la zona de unión soldada 13 están configurados sin intersticios ni esquinas hacia la placa de tubos 3 o placa tubular colectora de tubo ovalado 5 así como rectos y/o con un radio, que tiene al menos 5 mm.
Es decir, que la configuración de acuerdo con la invención de la transición desde la placa de tubos 3 o bien la placa tubular colectora de tubo ovalado 5 sobre el tubo 2 crea un contorno aerodinámico 11, 12 tanto en el lado en contacto con el gas como también en el lado en contacto con el medio de refrigeración de los tubos 2, de la pieza de transición 10 y de la placa de tubos 3 o bien de la placa tubular colectora de tubo ovalado 5, que no presenta en ningún lado un intersticio, un canto o una transición de esquina. Todas las transiciones de la zona de unión por soldadura 13 en el contorno interior así como en el contorno exterior 11, 12 están configuradas, por lo tanto, de acuerdo con la invención, rectas o bien paralelas y/o con un radio.
De acuerdo con las figuras 2 y 5, la pieza de transición 10 es el extremo 16 ensanchado, por ejemplo, mecánicamente del tubo 2. En esta configuración, solamente es necesaria una costura de soldadura 7 entre el tubo 2 y la placa de tubos 3 o bien 5, que forma la zona de unión por soldadura 13 entre el tubo 2 y la placa de tubos 3, 5. Las figuras 3 y 5 presentan una pieza de transición 10, que está constituida por una pieza de tubo 15 separada y que es, en general, más fácil de fabricar, puesto que la pieza de tubo 15 es esencialmente más corta frente al tubo completo y de esta manera se puede mecanizar también más fácilmente. Para la unión en el lado de la cabeza del extremo 17 del lado de salida de la pieza de tubo 15, vista en la dirección de la circulación de gas, es necesaria otra costura de soldadura 22, que forma la zona de unión por soldadura 14 entre el tubo 2 y la pieza de tubo 15. esta zona de unión por soldadura 14 está configurada tanto en el contorno interior como también en el contorno exterior 11, 12 de una manera ventajosa o bien recta o plana y/o con un radio, es decir, que la zona 14 está realizada libre de cantos y de intersticios.
Las piezas de transición 10 según las figuras 2 a 5 presentan en su extremo 16 del lado de entrada, con relación al contorno exterior 12 de las piezas de transición 10, por ejemplo un radio R_{1} de 5 mm. De acuerdo con las figuras 2, 3 y 5 se conecta allí otro radio R_{2}, por ejemplo, de 60 mm, en cambio en la pieza de transición 10 según la figura 4, se conecta al primer radio un estrechamiento cónico con un radio siguiente de 20 mm, por ejemplo. El contorno interior 11 de las piezas de transición 10 según las figuras 2 y 5 presenta entonces radios correspondientes, que son mayores en la medida del espesor de pared s de la pieza de transición 10. Si el espesor de pared t de la placa de tubos 3, 5 no corresponde al espesor de pared s del tubo 2, entonces la transición entre los dos espesores de pared s y t dentro de la zona de unión por soldadura 13 está configurada, de acuerdo con la invención, o bien recta o plana y/o con un radio. Un espesor de pared t discrepante de la placa de tubos 3, 5 frente al espesor de pared s del tubo 2 se puede compensar, de acuerdo con las figuras 3 y 4, con una pieza de transición 10 configurada como pieza de tubo 15, adaptando los espesores de pared respectivos en los extremos tubulares de la pieza de tubo 15 a los espesores de pared t y s de la placa de tubos 3, 5 así como del tubo 2. Es decir, visto en la dirección de la circulación de gas, dentro de la pieza de tubo 15, el espesor de pared t se incrementa o bien se reduce continuamente sobre el espesor de pared s. La pieza de tubo 15 puede estar configurada en este caso de una manera ventajosa como pieza de forja.
La longitud Lü de la pieza de transición 10 es con ventaja 1,5 veces el diámetro interior di del tubo 2 y el diámetro interior Di de la pieza de transición 10 directamente en la entrada en la pieza de transición 10 es con ventaja 1,2 veces el diámetro interior di del tubo 2.
La figura 4 presenta a modo de ejemplo, en lugar de una pieza de transición 10 en forma de trompeta, una pieza de transición 10 en forma de cono, que se forma de nuevo a partir de una pieza de tubo 15 separada. También aquí se conecta la pieza de tubo 15 por medio de dos costuras de soldadura 7, 22 con la placa de tubos 3 así como con el tubo 2.
La figura 5 muestra un intercambiador de calor de haces de tubos 1 con tubos dobles 2, 21, en los que el medio de refrigeración 19 circula en la sección transversal en forma de anillo circular entre el tubo interior 2 y el tubo exterior 21. Debido a los tubos exteriores 21, que conducen el medio de refrigeración 19, es innecesaria la envolvente exterior 23 del intercambiador de calor necesaria en otro caso, y como se representa en la figura 1. Mientras que en el intercambiador de calor 1 representado en la figura 1, el medio de refrigeración 19 es alimentado y descargado del espacio dentro de la envolvente exterior 23 y las placas de tubos 3, 5 así como 4, 6, el medio de refrigeración 19 según la figura 5 es alimentado y descargado, respectivamente, por medio del colector de tubo ovalado 20. La conexión de la pieza de transición 10 de acuerdo con la invención se realiza en este caso con la placa tubular colectora de tubo ovalado 5.
Como medio de refrigeración se puede emplear agua, que es parcial o totalmente evaporada a través de la alimentación de calor.
Lista de signos de referencia:
1
Intercambiador de calor de haz de tubos
2
Tubo
3
Placa de tubos, en el lado de entrada
4
Placa de tubos, en el lado de salida
5
Placa tubular colectora de tubo ovalado, en el lado de entrada
6
Placa tubular colectora de tubo ovalado, en el lado de salida
7
Costura de soldadura
8
Cámara de entrada de gas
9
Cámara de salida de gas
10
Pieza de transición
11
Contorno interior
12
Contorno exterior
13
Zona de unión soldada
14
Zona de unión soldada
15
Pieza tubular
16
Extremo del lado de entrada de la pieza de transición o bien del tubo
17
Extremo del lado de salida de la pieza de transición o bien de la pieza tubular
18
Gas
19
Medio de refrigeración
20
Colector de tubo ovalado
21
Tubo exterior
22
Costura de soldadura
23
Envolvente

Claims (8)

1. Intercambiador de calor de haces de tubos con tubos (2), que están retenidos a ambos lados en placas de tubos (3, 4) o placas tubulares colectoras de tubo ovalado (5, 6) y que están conectados con éstas, respectivamente, por medio de costura de soldadura (7), para la refrigeración de una corriente de gas caliente (18) conducida a través de los tubos (2) por medio de un refrigerante (19) que rodea los tubos (2), que presenta al menos una cámara de entrada de gas (8), desde la que se introduce la corriente de gas caliente (18) en los tubos (2) individuales y que está delimitada en un lado por la placa de tubos (3) del lado de entrada o por la placa tubular colectora de tubo ovalado (5) y al menos una cámara de salida de gas (9), en la que se acumula la corriente de gas (18) introducida a través de los tubos (2) y se descarga, y que está delimitada en un lado por la placa de tubos (4) del lado de salida o a placa tubular colectora de tubo ovalado (6), caracterizado porque la conexión de los tubos (2) con la placa de tubos (3) del lado de entrada o la placa tubular colectora de tubo ovalado (5) está formada en cada caso por medio de una pieza de transición (10) en forma de cono y/o en forma de trompeta, cuya sección transversal se reduce, vista en la dirección de la circulación de gas, porque el extremo (16) del lado de entrada, visto en la dirección de la circulación de gas, de la pieza de transición (10) está conectado, a la manera de una unión a tope, con la placa de tubos (3) o la placa tubular colectora de tubo ovalado (5), y los contornos interiores y exteriores (11, 12) de la pieza de transición (10) y de la zona de unión soldada (13) están configurados sin intersticios ni esquinas hacia la placa de tubos (3) o placa tubular colectora de tubo ovalado (5) así como rectos y/o con un radio (R), medido desde el contorno exterior (12), que tiene al menos 5 mm.
2. Intercambiador de calor de haces de tubos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la longitud (Lü) de la pieza de transición (10) es al menos 1,5 veces el diámetro interior (di) del tubo (2).
3. Intercambiador de calor de haces de tubos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el diámetro interior (Di) de la pieza de transición (10), vista en la dirección de la circulación del gas, es en su entrada al menos 1,2 veces el diámetro interior (di) del tubo (2).
4. Intercambiador de calor de haces de tubos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la pieza de transición (10) está formada por un ensanchamiento mecánico en el extremo (16) del lado de entrada del tubo (2), visto en la dirección de la circulación del gas.
5. Intercambiador de calor de haces de tubos de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la pieza de transición (10) está formada por una pieza tubular (15) separada y el extremo (17) del lado de salida de la pieza de transición (10), visto en la dirección de la circulación del gas, está conectada a la manera de una unión a tope con el tubo (2) por medio de una costura de soldadura (22).
6. Intercambiador de calor de haces de tubos de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque los contornos interiores y los contornos exteriores (11, 12) de la zona de unión por soldadura (14) entre la pieza de transición (10) y el tubo (2) están configurados sin intersticios ni esquinas así como rectos y/o con un radio (R), medido desde el contorno exterior (12), que tiene al menos 5 mm.
7. Intercambiador de calor de haces de tubos de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los contornos interiores y los contornos exteriores (11, 12) de la pieza de transición (10) y de la zona de unión por soldadura (13, 14) están configurados sin intersticios ni esquinas hacia la placa de tubos (3) o placa tubular colectora de tubo ovalado (5) o hacia el tubo (2) así como rectos y/o con un radio (R), medido desde el contorno exterior (12), que tiene al menos 2 mm.
8. Intercambiador de calor de haces de tubos de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pieza tubular (15) está configurada como pieza forjada.
ES07702370T 2006-01-23 2007-01-19 Intercambiador de calor de haces de tubos. Active ES2324500T3 (es)

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