ES2331405T3 - Transferencia de calor de flujo transversal mejorada. - Google Patents
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Abstract
Aparato de perfilado de flujo de fluido para perfilar preferiblemente la trayectoria de fluido de un fluido (130) de proceso que fluye transversalmente a través de, y en contacto con, una pluralidad de conductos (112) de transferencia de calor separados, comprendiendo dicho aparato una pluralidad de estructuras (120) de desviación con forma de manguito, longitudinalmente continuas, comprendiendo cada estructura de desviación al menos un conjunto apareado de aberturas (124, 126) de flujo de fluido que constituyen el único paso de fluido de aguas arriba a aguas abajo a través del aparato de perfilado de flujo de fluido, caracterizado porque cada una de dichas estructuras (120) de desviación rodea de manera sustancialmente simétrica un conducto (112) de transferencia de calor para definir una región de flujo de fluido con forma anular aislando así el flujo de fluido transversal alrededor de ese conducto de transferencia de calor asociado del flujo de fluido transversal alrededor de conductos de transferencia de calor adyacentes situados transversalmente a la dirección de flujo de fluido, y en el que las aberturas (124, 126) de flujo de fluido de una estructura de desviación están situadas simétricamente aguas arriba y aguas abajo, respectivamente, del conducto (112) de transferencia de calor asociado en alineación aguas arriba y aguas abajo al menos parcial entre sí y con el conducto de transferencia de calor asociado, mediante lo cual cada una de dichas estructuras (120) de desviación perfila la trayectoria de flujo de dicho fluido de proceso alrededor del perfil del conducto de transferencia de calor asociado.
Description
Transferencia de calor de flujo transversal
mejorada.
La presente invención se refiere de manera
general a métodos y aparatos relacionados para mejorar la
transferencia de calor hacia o desde un fluido que fluye
transversalmente en contacto con las envolventes exteriores
térmicamente conductoras de una pluralidad de conductos de
intercambio de calor orientados axialmente que pueden actuar como
fuentes de calor o como sumideros de calor. Canalizando el flujo de
fluido transversal, que fluye generalmente de manera ortogonal a
los ejes de los conductos de intercambio de calor, y perfilándolo
alrededor de los conductos de intercambio de calor usando elementos
a modo de manguitos, se realiza una transferencia de calor
sorprendentemente más efectiva y eficaz entre el fluido que fluye y
la superficie térmicamente conductora.
Se conoce bien calentar y enfriar fluidos de
proceso, que pueden ser líquidos o gases, haciéndolos fluir en
contacto con una superficie de transferencia térmica que se mantiene
a una temperatura que es diferente de la del fluido de proceso
aguas arriba y dando así como resultado una transferencia de calor o
bien hacia o bien desde el fluido de proceso (dependiendo de si la
superficie de transferencia térmica se mantiene a una temperatura
superior o inferior a la del fluid). En una versión familiar de esta
tecnología, la superficie de transferencia térmica que actúa como
fuente de calor o sumidero de calor es el exterior de una envolvente
térmicamente conductora de un tubo o una tubería de transferencia
térmica, por ejemplo, que se calienta o se enfría por medio de un
líquido que fluye axialmente a través del interior del tubo o la
tubería. En una variación de esta tecnología, puede suministrarse
calor directamente al interior de un conducto de intercambio de
calor por medio de combustión sin llama de gas combustible (tal como
hidrógeno o un hidrocarburo) tal como se enseña, por ejemplo, por
las patentes estadounidenses n.º 5.255.742 y 5.404.952.
También se conoce en la técnica hacer fluir un
fluido de proceso axialmente a lo largo de una superficie de
transferencia térmica, o bien concurrentemente o bien a
contracorriente con respecto a la dirección de flujo líquido dentro
del tubo de transferencia térmica, o hacer fluir de manera
transversal el fluido de proceso con respecto al eje del tubo de
transferencia térmica, o alguna combinación de los dos. Aplicaciones
típicas de transferencia de calor entre fluido que fluye
transversalmente y conductos de intercambio de calor se encuentran
en enfriadores de aire, economizadores asociados con hornos o
calentadores por combustión, y en intercambiadores multitubulares
de envolvente. Se conocen diversos tipos de los denominados diseños
de reactor de flujo radiales o axiales/radiales para diversas
aplicaciones mediante los cuales al menos una parte de una corriente
de proceso de fluido se mueve, en algún punto, a través del reactor
en una dirección radial, transversal (es decir, desde dentro hacia
fuera o desde fuera hacia dentro), al contrario que con los diseños
de reactor de flujo axial más conocidos (es decir, de extremo a
extremo). Ejemplos de diseños de reactor que realizan al menos en
parte un flujo transversal, radial, de fluido de proceso con
respecto a una pluralidad de tubos de transferencia de calor
dispuestos axialmente se muestran en las patentes estadounidenses
n.º 4.230.669; 4.321.234; 4.594.227; 4.714.592; 4.909.808;
5.250.270 y 5.585.074.
Aunque el contacto de flujo transversal de un
fluido de proceso con una superficie de transferencia de calor
puede ser una opción atractiva para muchas aplicaciones, la utilidad
del contacto de flujo transversal para aplicaciones industriales ha
estado limitada por ciertas ineficacias de transferencia térmica que
se han experimentado en la práctica. Normalmente en diseños de
flujo transversal, una parte dada del fluido de proceso está en
contacto con la superficie de transferencia térmica durante un
tiempo menor que con un diseño de flujo axial comparable. Además,
el contacto entre el fluido de proceso que fluye transversalmente y
la superficie de transferencia térmica es irregular debido a la
separación del fluido de proceso y la recirculación. El corto tiempo
de contacto con la superficie, el contacto irregular y el mezclado
de fluido limitado pueden conducir a una transferencia de energía
térmica ineficaz, insuficiente y/o no uniforme.
Por tanto, en un artículo titulado
"Impingement heat transfer at a circular cylinder due to an offset
of non-offset slot jet", que apareció en Int.
J. Heat Mass Transfer, vol. 27, n.º 12, págs.
2297-2306 (1984), los autores Sparrow y Alhomoud
notifican esfuerzos experimentales para variar los coeficientes de
transferencia de calor asociados con flujo transversal de un gas de
proceso con respecto a un tubo de transferencia de calor colocando
una superficie ranurada cierta distancia aguas arriba del tubo de
transferencia de calor para crear un chorro de gas. Sparrow y
Alhomoud variaron la anchura de la ranura inductora de chorro, la
distancia entre la ranura y el tubo, el número de Reynolds (grado
de turbulencia del fluido) y si el chorro de ranura estaba alineado
con el tubo, o desplazado de éste. Los autores concluyeron que el
coeficiente de transferencia de calor aumentaba con la anchura de
la ranura y el número de Reynolds, pero disminuía con el
desplazamiento y la distancia de separación entre la ranura y el
tubo.
Dado que el estudio de Sparrow y Alhomoud
concluyó que el coeficiente de transferencia de calor aumentaba con
la anchura de la ranura, la utilidad general de una ranura aguas
arriba para aumentar la transferencia de calor es en el mejor de
los casos ambigua basándose en esos resultados. Sólo pude concluirse
que, en el diseño experimental usado por Sparrow y Alhomoud, una
ranura relativamente más ancha condujo a un coeficiente de
transferencia de calor superior al de una ranura relativamente más
estrecha, y ninguna ranura aguas arriba podría proporcionar el
mayor valor. No se realizó ninguna prueba usando una pluralidad de
tubos de transferencia de calor, ni usando pares aguas arriba y
aguas abajo, ni medios de estrechamiento de flujo alrededor o a lo
largo para perfilar preferiblemente las trayectorias de fluido de
flujo transversal en contacto con la superficie exterior de cada
uno de una pluralidad de tubos de transferencia de calor, y no puede
realizarse ninguna extrapolación razonable respecto a tales
configuraciones y diseños alternativos muy diferentes basándose en
los datos extremadamente limitados presentados.
Estos y otros inconvenientes y limitaciones de
los diseños de intercambio de calor de flujo transversal de la
técnica anterior se superan total o parcialmente con los métodos y
diseños de transferencia de calor de flujo transversal mejorados de
esta invención.
La presente invención proporciona aparatos de
perfilado de flujo de fluido que tienen las características
expuestas en la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas.
Un aparato de perfilado de flujo de fluido que tiene las
características definidas en el preámbulo de la reivindicación 1 se
da a conocer por ejemplo en el documento US3616849.
La invención también proporciona un método para
mejorar la transferencia de calor hacia o desde un fluido que fluye
transversalmente en contacto con las superficies exteriores de una
pluralidad de conductos de intercambio de calor, teniendo dicho
método las características expuestas en la reivindicación 13 de las
reivindicaciones adjuntas.
Otras características preferidas a las que se
atrae la atención se exponen en las reivindicaciones adjuntas.
En el método y el aparato definidos
anteriormente, la estructura de estrechamiento de flujo de fluido es
una estructura mayor con forma de manguito, generalmente
concéntrica, que rodea al menos parcialmente cada conducto en un
arreglo de conductos de intercambio de calor tubulares, teniendo
cada una de tales estructuras de manguito aberturas aguas arriba y
aguas abajo del tubo de intercambio de calor situado en el centro.
Se ha encontrado que los manguitos con aberturas de este tipo que
rodean al menos parcialmente conductos de intercambio de calor
individuales en un arreglo de tales conductos mejoran la
transferencia de calor en un factor de aproximadamente cinco veces
o más.
Realizaciones de la invención pueden
proporcionar arreglos de conductos de transferencia de calor de
configuraciones y tamaños variables en los que cada conducto del
arreglo está asociado con sus propios medios de estrechamiento de
flujo de fluido aguas arriba, aguas abajo y/o alrededor o a lo largo
del conducto de manera que se perfila preferiblemente la parte de
la corriente de fluido que fluye transversalmente por el exterior
del conducto para realizar una transferencia de calor mejorada. El
aparato se diseña de manera que limita sustancialmente la
derivación de flujo de fluido tal que se fuerza que una parte
predominante del fluido de proceso fluya por la superficie de
transferencia de calor. La superficie de transferencia de calor será
normalmente uno o un arreglo configurado de conductos de
intercambio de calor, orientado para tener el eje paralelo dispuesto
en una dirección axial que es generalmente ortogonal a la dirección
de flujo de fluido, y que tiene una envolvente térmicamente
conductora. La superficie exterior de la envolvente de cada conducto
de este tipo se mantiene a una temperatura diferente de la del
fluido de proceso aguas arriba de manera que se transfiere energía
térmica hacia o desde el fluido de proceso mediante conducción,
convección, radiación o alguna combinación de los mismos, a medida
que el fluido fluye por, y entra en contacto con, las superficies
exteriores de los conductos de intercambio de calor.
Los ductos o conductos de intercambio de calor
de esta invención pueden comprender de manera amplia tubos,
tuberías o cualquier otro recinto con fuentes de calor o sumideros
de calor. Las superficies exteriores de los conductos de
intercambio de calor pueden estar desnudas o, tal como se comenta a
continuación, pueden tener aletas o cualquier combinación de los
dos. La sección transversal de los conductos o ductos puede ser
circular, elíptica o cualquier otra forma cerrada. Cuando se usa una
pluralidad de tales conductos de intercambio de calor, normalmente
se dispondrán en alguna configuración predeterminada tal como en un
arreglo triangular, un arreglo cuadrado, un arreglo circular, un
arreglo anular u otro patrón de este tipo dependiendo de la elección
de diseño y/o los requisitos de una aplicación particular. Con
respecto a la dirección del flujo de fluido, conductos adyacentes
pueden alinearse, escalonarse o colocarse de otro modo, de nuevo
dependiendo de la elección de diseño y/o de los requisitos de
aplicación.
El tamaño de los conductos de intercambio de
calor vendrá determinado, al menos en parte, por los requisitos de
proceso para la velocidad de transferencia de calor. En general, los
conductos que tienen secciones transversales mayores (para
cualquier geometría de conducto dada) proporcionarán áreas
superficiales mayores y por tanto más capacidad de transferencia de
calor. Pueden proporcionarse elementos de aletas, desviaciones u
otras estructuras de mejora de la transferencia de calor sobre la
superficie exterior de algunos o de todos los conductos de
intercambio de calor para aumentar adicionalmente el área
superficial y mejorar las características de transferencia de
calor. Una realización preferida utiliza aletas circunferenciales
próximas aplicadas en una espiral a lo largo de la longitud
exterior del conducto. Esta disposición aumenta el área superficial
de transferencia de calor expuesta al flujo transversal sin impedir
el flujo. Se entenderá que la naturaleza y el caudal del fluido de
proceso, y el cambio de temperatura deseado en el fluido entre aguas
arriba de lo conductos de intercambio de calor y aguas abajo de los
conductos, también afectarán a estas elecciones de diseño.
Las aberturas en la estructura de estrechamiento
de flujo de fluido comprenden preferiblemente cualquier combinación
de orificios perforados o ranuras axiales (es decir, aberturas
alargadas que tienen un eje más largo generalmente paralelo a la
orientación axial de los conductos de intercambio de calor). Los
orificios o ranuras en diferentes partes del aparato pueden ser
iguales o diferentes en cuanto a la curvatura, el tamaño y la forma.
Los bordes alrededor de las entradas y las salidas pueden ser
rectos, redondeados, serrados o alguna combinación de los
mismos.
La estructura de estrechamiento de flujo de
fluido está colocada preferiblemente con respecto a un conducto de
intercambio de calor asociado de tal manera que la distancia entre
la línea central de una abertura aguas arriba o aguas abajo y el
centroide de un conducto de intercambio de calor asociado oscila
desde aproximadamente 0 hasta aproximadamente 2,0, preferiblemente
desde aproximadamente 0,50 hasta aproximadamente 1,00, veces el
diámetro exterior (o la mayor dimensión transversal de un conducto
no circular) del conducto. En cualquier caso, la separación entre
la abertura y el conducto debe estar lo suficientemente cerca como
para realizar una transferencia de calor sustancialmente mejorada.
La anchura (lado más corto) de una abertura de estrechamiento de
flujo alargada o el diámetro de una abertura de estrechamiento de
orificio generalmente circular puede oscilar preferiblemente desde
aproximadamente 0,02 hasta aproximadamente 1,5, preferiblemente
desde aproximadamente 0,05 hasta aproximadamente 0,25, veces el
diámetro exterior (o la mayor dimensión transversal de un conducto
no circular) del conducto. La estructura de estrechamiento de flujo
de fluido está colocada preferiblemente con respecto a un conducto
de intercambio de calor asociado de tal manera que el desplazamiento
entre el centro de la abertura y el centroide del conducto de
intercambio de calor oscila desde 0 hasta 0,5, preferiblemente 0,
veces el diámetro exterior (o la mayor dimensión transversal de un
conducto no circular) del conducto.
El aparato de intercambio de calor de flujo
transversal mejorado de esta invención mejora la transferencia de
calor entre el fluido que fluye transversalmente y la pluralidad de
conductos de intercambio de calor mediante uno o más de los
siguientes mecanismos:
(a) aumentando la velocidad de fluido alrededor
de los conductos de intercambio de calor;
(b) dirigiendo preferiblemente el fluido para
que siga estrechamente la superficie exterior de los conductos de
intercambio de calor;
(c) restringiendo que el fluido fluya al
interior o a través de zonas que están alejadas de la superficie
exterior de un conducto de intercambio de calor;
(d) reduciendo las regiones "muertas" y la
recirculación de flujo alrededor de los conductos de intercambio de
calor;
(e) mejorando la turbulencia del fluido; y
(f) mejorando el mezclado entre partes más frías
y más calientes del fluido.
Ahora se describirá, únicamente a modo de
ejemplo, cómo puede ponerse en práctica la invención, con referencia
a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 (referencia) es una vista en sección
desde arriba esquemática de una primera realización de un aparato
de intercambio de calor de flujo transversal, con mejora de la
transferencia de calor según la presente invención, en el que un
arreglo sustancialmente circular de conductos de intercambio de
calor dispuestos axialmente está colocado dentro de un anillo de
estrechamiento de flujo de fluido.
La figura 2A (invención) es una vista en planta
esquemática de una segunda realización de un aparato de intercambio
de calor de flujo transversal, con mejora de transferencia de calor
según la presente invención, que muestra un arreglo sustancialmente
circular de conductos de intercambio de calor dispuestos axialmente,
cada uno rodeado por un manguito tubular de estrechamiento de flujo
de fluido, sustancialmente concéntrico, y que también muestra los
varios manguitos de estrechamiento de flujo de fluido unidos juntos
en una primera estructura a modo de anillo.
La figura 2B es una vista lateral de una
combinación conducto-manguito que ilustra una
configuración de ranura desplazada escalonada preferida.
La figura 3 (invención) ilustra una variación de
la estructura de la figura 2 que muestra un arreglo circular
concéntrico doble de conductos de intercambio de calor con conductos
radialmente adyacentes mostrados en alineación de tal manera que
las aberturas de restricción de flujo de fluido de los manguitos de
flujo restringido asociados con estos conductos alineados
radialmente también están en alineación radial.
La figura 4 (referencia) es una vista en sección
desde arriba esquemática de otra realización de un aparato de
intercambio de calor de flujo transversal, con mejora de
transferencia de calor según la presente invención, que muestra una
doble fila de conductos de intercambio de calor dispuestos
axialmente dispuestos en un arreglo sustancialmente rectangular con
una primera desviación de flujo de fluido restringido aguas arriba,
una segunda desviación de flujo de fluido restringido intermedia
que separa la primera y la segunda fila de conductos, y una tercera
desviación de flujo de fluido restringido aguas abajo que sigue a la
segunda fila de conductos, con las correspondientes aberturas de la
primera,
la segunda y la tercera desviación mostradas sustancialmente en alineación con los conductos respectivos y entre sí.
la segunda y la tercera desviación mostradas sustancialmente en alineación con los conductos respectivos y entre sí.
La figura 5 (invención) ilustra todavía otra
realización de un aparato de transferencia de calor de flujo
transversal mejorado según esta invención que muestra un arreglo de
múltiples (es decir, tres o más) filas de conductos de intercambio
de calor dispuestos en una geometría triangular y que muestra dos
trayectorias de flujo de fluido alternativas a través del
arreglo.
La figura 6 (invención) ilustra otra realización
de un aparato de transferencia de calor de flujo transversal
mejorado según esta invención que muestra un arreglo de múltiples
(es decir, tres o más) filas de conductos de intercambio de calor
dispuestos en una geometría cuadrada y que muestra dos trayectorias
de flujo de fluido alternativas a través del arreglo.
La figura 7 (invención) ilustra todavía otra
realización de un aparato de transferencia de calor de flujo
transversal mejorado según esta invención que muestra cómo puede
colocarse una o una pluralidad de placas a lo largo de dos lados de
cada conducto de intercambio de calor para provocar el perfilado
preferible de una corriente de fluido que fluye transversalmente
para lograr características de transferencia de calor mejorada.
La figura 8 (invención) ilustra aún otra
realización de un aparato de transferencia de calor de flujo
transversal mejorado según esta invención que muestra un tipo
alternativo de estructura de manguito formada colocando placas
curvas que tienen un perfil correspondiente a dos lados de un
conducto alrededor de dos lados de cada conducto de intercambio de
calor para provocar un perfilado preferible de una corriente de
fluido que fluye transversalmente para lograr características de
transferencia de calor mejoradas.
La figura 1 (referencia) muestra un aparato 10
de intercambio de calor de flujo transversal según esta invención
que tiene un arreglo generalmente circular de conductos 12 de
intercambio de calor dispuestos axialmente distribuidos alrededor
del interior de una región 28 anular definida por una pared 20
cilíndrica interior y una pared 22 cilíndrica exterior, teniendo
cada una un punto 14 central común. Tal como se muestra en la figura
1, los conductos 12 tienen sustancialmente el mismo diámetro, que
es inferior a la anchura radial de la región anular, y están
separados de manera sustancialmente equidistante entre sí.
Asociada con cada conducto 12 de intercambio de
calor hay una abertura 24 aguas arriba en la pared 20 interior y
una abertura 26 aguas abajo en la pared 22 exterior. Tal como se
muestra en la figura 1, pares respectivos de aberturas 24 aguas
arriba y aberturas 26 aguas abajo están sustancialmente en
alineación radial con el conducto 12 asociado y entre sí. Por
tanto, en la figura 1, se hace fluir un fluido 30 de proceso
axialmente al interior de la región 16 cilíndrica interior del
aparato 10 de intercambio de calor y entonces se dirige radialmente
hacia fuera a través de aberturas 24 aguas arriba, fluyendo
transversalmente en contacto con los conductos 12 de intercambio de
calor, tal como se indica por las flechas de flujo de fluido en la
figura 1, calentando o enfriando así la corriente de proceso para
formar una co-
rriente 32 de fluido acondicionada térmicamente que sale de la región 28 anular a través de aberturas 26 aguas abajo.
rriente 32 de fluido acondicionada térmicamente que sale de la región 28 anular a través de aberturas 26 aguas abajo.
Se entenderá que aunque la figura 1 ilustra una
trayectoria de flujo de fluido radialmente hacia fuera, el mismo
aparato puede usarse para tratar térmicamente una corriente de
proceso que fluye radialmente hacia el interior hacia una región 16
central y que posteriormente se retira axialmente de la región 16.
En esta variación, las aberturas 26 en la pared 22 exterior serían
las aberturas aguas arriba y las aberturas 24 en la pared 20
interior serían las aberturas aguas abajo.
Las figuras 2A y 2B muestran un aparato 110 de
intercambio de calor de flujo transversal particularmente preferido
según esta invención que tiene un arreglo generalmente circular de
conductos 112 de intercambio de calor dispuestos axialmente, cada
uno rodeado por un manguito 120 con aberturas que tiene o bien (i)
una abertura 124 aguas arriba y una abertura 126 aguas abajo o bien
(ii) pares 174, 176 y 184, 186 de aberturas desplazados tal como se
describe a continuación. Los manguitos 120 individuales están unidos
entre sí en una estructura cilíndrica o a modo de anillo mayor
mediante paredes 122 de conexión. Las aberturas 124 y 126 pueden
comprender columnas de ranuras alargadas u orificios de perforación
orientados axialmente, que están radialmente alineados con los
conductos 112. Alternativamente, en una realización preferida
también ilustrada en una parte de la figura 2A, los pares 174, 176
y 184, 186 de aberturas están ligeramente desplazados de la
alineación radial en una disposición de ranuras escalonadas. La
disposición de ranuras escalonadas para los pares 174, 176 y 184,
186 de aberturas se ilustra en la figura 2A, con detalle adicional
en la figura 2B, en la que pares 174, 176 y 184, 186 de ranuras
desplazadas (que sustituyen a los pares 124, 126 de aberturas) están
escalonados en elevación y ligeramente desplazados de la línea
radial desde el punto 114 central en ángulos iguales \theta. La
figura 2B muestra una vista lateral tomada a lo largo de la línea
2B-2B en la figura 2A de un conducto 112 de
intercambio de calor que tiene un manguito 120 cilíndrico con la
disposición de ranuras escalonadas preferida. La vista en planta de
esta combinación de conducto/manguito con ranuras escalonadas tal
como se muestra en la figura 2A se toma a lo largo de la línea
2A-2A en la figura 2B. Los extremos de las ranuras
de pares de ranuras desplazadas alternos pueden solaparse
ligeramente o estar a la misma elevación de modo que no hay
interrupción del flujo a lo largo de la dirección axial del aparato
de intercambio de calor. Este diseño con separación y solapamiento
de las ranuras desplazadas también deja regiones de conexión entre
las partes axialmente solapadas de ranuras desplazadas adyacentes,
indicadas generalmente por el número de referencia 190 en la figura
2B, para proporcionar a los manguitos 120 una mejor integridad
mecánica circunferencial sin bloquear ningún flujo de fluido. Para
una ilustración simplificada, la figura 2A muestra un manguito 120
con aberturas que tiene la configuración de aberturas desplazadas
de dos pares mientras que los otros manguitos tienen una
configuración de aberturas alineadas de un par. Sin embargo, en la
práctica todos los manguitos con aberturas para un aparato 110
particular tendrán normalmente la misma configuración de
aberturas.
Por tanto, en la figura 2A, se hace fluir
axialmente un fluido 130 de proceso al interior de la región 116
cilíndrica interior que tiene un punto 114 central del aparato 110
de intercambio de calor y después se dirige radialmente hacia fuera
a través de aberturas 124 aguas arriba, fluyendo transversalmente en
contacto con los conductos 112 de intercambio de calor, tal como se
representa por las flechas de flujo de fluido en la figura 2A,
calentando o enfriando así la corriente de proceso para formar una
corriente 132 de fluido acondicionada térmicamente que sale de las
regiones interiores definidas por los manguitos 120 a través de
aberturas 126 aguas abajo. En la realización de ranuras
escalonadas, el flujo que fluye radialmente hacia fuera o bien
fluirá a través de la abertura 174 aguas arriba, en contacto con el
conducto 112, y saldrá a través de la abertura 176 aguas abajo, o
bien, dependiendo de la elevación axial, en su lugar fluirá a través
del par 184, 186 de aberturas. Se entenderá que aunque la figura 2A
ilustra una trayectoria de flujo de fluido radialmente hacia fuera,
el mismo aparato puede usarse para tratar térmicamente una corriente
de proceso que fluye radialmente hacia dentro hacia una región 116
central y que posteriormente se retira axialmente de la región 116.
En esta variación, las aberturas 126 (ó 176 y 186) serán las
aberturas aguas arriba, y las aberturas 124 (ó 174 y 184) serán las
aberturas aguas abajo.
La figura 3 muestra un aparato 160 de
intercambio de calor de flujo transversal que es una variación del
aparato 110 de intercambio de calor de flujo transversal mostrado
en la figura 2. El aparato 160 se diferencia del aparato 110 en el
uso de un arreglo circular concéntrico doble de conductos de
intercambio de calor en vez del arreglo circular único de la figura
2. Tal como se observa en la figura 3, existe un segundo arreglo
circular de conductos 142 de intercambio de calor, cada uno en
alineación radial con un conducto 112 correspondiente del primer
arreglo circular. Cada conducto 142 está rodeado por un manguito 150
con aberturas que tiene una abertura 164 aguas arriba y una
abertura 166 aguas abajo. Las aberturas 164 y 166 para un manguito
150 dado asociado con un conducto 142 particular se muestran
sustancialmente en alineación radial con las aberturas 124 y 126 en
el manguito 120 del conducto 112 radialmente adyacente
correspondiente. Los manguitos 150 individuales están unidos entre
sí en una estructura cilíndrica o a modo de anillo mayor mediante
paredes 152. Aunque la figura 3 sólo muestra un único conducto 142
del segundo arreglo circular de conductos de intercambio de calor,
se entenderá que cada conducto 112 del primer arreglo circular está
asociado con un conducto 142 correspondiente del segundo arreglo
circular.
Por tanto, en la figura 3, una corriente 132 de
fluido parcialmente acondicionada térmicamente que sale por las
primeras aberturas 126 aguas abajo en manguitos 120 se dirige
radialmente hacia fuera a través de segundas aberturas 164 aguas
arriba, fluyendo transversalmente en contacto con el segundo arreglo
de conductos 142 de intercambio de calor, calentando o enfriando
así adicionalmente la corriente de proceso para formar una
corriente 162 de fluido totalmente acondicionada térmicamente que
sale de la región interior definida por los manguitos 150 a través
de segundas aberturas 166 aguas abajo. Se entenderá que aunque la
figura 3 ilustra una trayectoria de flujo de fluido radialmente
hacia fuera, el mismo aparato puede usarse para tratar térmicamente
una corriente de proceso que fluye radialmente hacia dentro hacia la
región 116 central y que posteriormente se retira axialmente de la
región 116. En esta variación, las aberturas 166 y 126 serán
respectivamente las primeras y segundas aberturas aguas arriba, y
las aberturas 164 y 124 serán respectivamente las primeras y
segundas aberturas aguas abajo.
La figura 4 (referencia) muestra una parte de
otro aparato 210 de intercambio de calor de flujo transversal según
esta invención. En la figura 4 una fila doble de conductos de
intercambio de calor dispuestos axialmente, que comprende una
primera fila aguas arriba de conductos 212 y una segunda fila aguas
abajo de conductos 216, está dispuesta en un arreglo generalmente
rectangular en conjunción con: una primera placa 220 con aberturas
aguas arriba que tiene aberturas 226; una segunda placa 222 con
aberturas intermedia que tiene aberturas 228, separando la placa
222 las filas primera y segunda de conductos; y, una tercera placa
224 con aberturas aguas abajo que tiene aberturas 230. Cada
conjunto de aberturas 226, 228 y 230 asociado con un par de
conductos 212 y 216 adyacente aguas arriba-aguas
abajo se muestra sustancialmente en alineación lineal entre sí y con
el par asociado de conductos 212 y 216 aguas arriba y aguas abajo
respectivamente.
Por tanto, en la figura 4, un fluido 232 de
proceso se dirige, tal como indican las flechas de flujo de fluido
en la figura 4, a través de aberturas 226 y fluye transversalmente
en contacto con primeros conductos 212 de intercambio de calor
aguas arriba, calentando o enfriando así parcialmente la corriente
de proceso para formar una corriente 234 de fluido parcialmente
acondicionada térmicamente. La corriente 234 se dirige entonces a
través de aberturas 228 y se hace fluir transversalmente en contacto
con segundos conductos 216 de intercambio de calor aguas abajo
calentando o enfriando así adicionalmente la corriente de proceso
para formar una corriente 236 de fluido completamente acondicionada
térmicamente que se hace fluir hacia fuera del aparato 210 a través
de aberturas 230 de salida.
La figura 5 ilustra dos trayectorias de flujo de
fluido posibles alternativas a través de un conjunto de múltiples
filas de conductos 312 de intercambio de calor dispuestos en un
arreglo desplazado o triangular según otra realización de un
aparato 310 de intercambio de calor de flujo transversal según esta
invención. Por tanto, en la figura 5, filas alternas de conductos
de intercambio de calor están desplazadas de filas adyacentes en
vez de tener conductos en filas adyacentes sustancialmente en
alineación lineal tal como se muestra en las figuras 4 y 6. En esta
configuración, los puntos centrales de tres conductos adyacentes en
dos filas adyacentes forman un triángulo 340 equilátero. Aunque no
se muestra en la figura 5, se entiende que el aparato de la figura
5 incluye placas con aberturas aguas arriba y aguas abajo situadas
respectivamente antes y después de la última fila de conductos, así
como placas con aberturas intermedias que separan filas adyacentes
de conductos. Alternativamente, cada conducto 312 puede estar
rodeado por una estructura a modo de manguito con aberturas tal
como se describió anteriormente para otras figuras.
Las flechas 332 de flujo de fluido en la figura
5 ilustran una primera orientación posible de flujo de fluido que
puede usarse con el arreglo de conductos triangular del aparato 310.
Las flechas 334 de flujo de fluido en la figura 5 ilustran una
segunda orientación posible de flujo de fluido que puede usarse con
el arreglo de conductos triangular del aparato 310. Aunque la
figura 5 muestra cuatro filas de conductos de intercambio de calor
en el arreglo triangular, puede usarse un número menor o mayor de
filas de conducto en esta configuración según sea apropiado.
La figura 6 ilustra dos trayectorias de flujo de
fluido posibles alternativas a través de un conjunto de múltiples
filas de conductos 412 de intercambio de calor dispuestos en un
arreglo cuadrado según todavía otra realización de un aparato 410
de intercambio de calor de flujo transversal según esta invención.
Por tanto, en la figura 6, los conductos 412 en filas adyacentes
están sustancialmente en alineación lineal. En esta configuración,
el punto central de cuatro conductos adyacentes en dos filas
adyacentes forman un cuadrado 440. Aunque no se muestra en la
figura 6, se entiende que el aparato de la figura 6 incluye placas
con aberturas aguas arriba y aguas abajo situadas respectivamente
antes de la primera fila de conductos y después de la última fila de
conductos, así como placas con aberturas intermedias que separan
filas adyacentes de conductos. Alternativamente, cada conducto 412
puede estar rodeado por un manguito con aberturas tal como se
describió anteriormente.
Las flechas 432 de flujo de fluido en la figura
6 ilustran una primera orientación posible de flujo de fluido que
puede usarse con el arreglo de conductos cuadrado del aparato 410.
Las flechas 434 de flujo de fluido en la figura 6 ilustran una
segunda orientación posible de flujo de fluido que puede usarse con
el arreglo de conductos cuadrado del aparato 410. Aunque la figura
6 muestra cinco filas de conductos de intercambio de calor en el
arreglo cuadrado, puede usarse un número menor o mayor de filas de
conductos en esta configuración según sea apropiado.
La figura 7 ilustra todavía otra variación de un
aparato 510 de transferencia de calor de flujo transversal mejorado
según esta invención. En la figura 7, cada conducto 512 de
intercambio de calor está asociado con una o más placas 520, 522,
524, 526 y 528 laterales de estrechamiento de flujo colocadas a lo
largo del conducto 512 y orientadas de manera generalmente
ortogonal a la dirección de flujo de fluido, tal como se indica por
las flechas 530 y 532. Los bordes de las placas 520, 522, 524, 526 y
528 laterales más próximos al conducto 512 están separados de las
paredes exteriores del conducto 512 de manera que se crean dos
canales o aberturas de fluido entre los bordes de la placa y la
pared del conducto, uno a lo largo de cada lado de cada conducto
512. La separación entre los bordes de la placa y la pared del
conducto pude ajustarse mediante experimentación rutinaria para
optimizar el perfilado de la trayectoria de flujo de fluido para
maximizar la transferencia de calor. Cuando se usan dos o más
placas laterales de estrechamiento de flujo para cada conducto 512,
la separación entre los bordes de la placa y la pared del conducto
puede ser la misma o diferente con el fin de perfilar de manera
óptima la trayectoria de flujo de fluido.
Tal como se observa en la figura 7, las placas
laterales de estrechamiento de flujo pueden colocarse a lo largo
del conducto 512 de tal manera que el plano de la placa pasa a
través del centroide 518 del conducto 512 (tal como la placa 524),
o colocarse de tal manera que los planos de las placas intersecan
con el conducto 512 aguas arriba (tal como las placas 520 y 526)
del centroide 518, o aguas abajo (tal como las placas 522 y 528) de
centroide 518, o cualquier combinación de los mismos. La distancia
542 entre la abertura y el centroide 518 del conducto puede ser
inferior a la mitad del diámetro 544 tal como se muestra, con una
distancia que se aproxima a cero como límite, por ejemplo la placa
524. Esto se diferencia de estructuras de desviación mostradas en
las figuras 1 y 4 en las que la distancia entre las aberturas y el
centroide del conducto es mayor que la mitad del diámetro del
conducto. Tal como se usa en el presente documento, se pretende que
la frase "placa lateral colocada a lo largo de un conducto de
intercambio de calor" se refiera a placas tales como 520, 522,
524, 526 y 528 en la figura 7, orientadas de manera generalmente
ortogonal a la dirección
de flujo de fluido, en las que el plano de la placa interseca con cualquier parte del conducto de intercambio de calor.
de flujo de fluido, en las que el plano de la placa interseca con cualquier parte del conducto de intercambio de calor.
La figura 8 ilustra otra variación de un aparato
610 de transferencia de calor de flujo transversal mejorado según
esta invención que muestra una variación de la configuración de
manguito con aberturas mostrada en la figura 2. En la figura 8,
cada conducto 612 de intercambio de calor está parcialmente rodeado
por un par de placas 620 curvadas de manera opuesta que se adaptan
generalmente a la curvatura de la pared exterior del conducto 612
en una configuración con forma de concha. Cada placa 620 curvada se
une a una placa 622 lateral o de pared colocada de manera
generalmente ortogonal a la dirección del flujo de fluido, tal como
se indica por las flechas 630 y 632.
El par de placas 620 curvadas alrededor de cada
lado de un conducto 612 dado no se tocan entre sí y no se extienden
ni aguas arriba ni aguas abajo de la pared exterior del conducto
612. Por tanto, tal como se muestra con fines ilustrativos en la
figura 8, una línea o un plano que conecta los bordes aguas arriba y
aguas abajo de un par de placas 620 curvadas intersecará con un
conducto 612. Las aberturas aguas arriba y aguas abajo entre los
pares de placas 620 curvadas son las aberturas a través de las
cuales se dirige la corriente de fluido de proceso para realizar el
perfilado preferible de la corriente de fluido. La distancia 642
entre la abertura y el centroide 618 del conducto puede ser
inferior a la mitad del diámetro 644 tal como se muestra, con una
distancia que se aproxima a cero como límite, por ejemplo, a medida
que las longitudes de las placas 620 curvadas se aproximan a cero
dejando sólo la placa 622 lateral, una configuración correspondiente
a la figura 7 con una única placa 524. Esto se diferencia de las
estructuras de desviación mostradas en las figuras 1 y 4 en las que
la distancia entre los aparatos y el centroide del conducto es mayor
que la mitad del diámetro del conducto.
La configuración en forma de concha de la figura
8 con cada par de placas 620 curvadas alrededor de los lados de
cada conducto 612, se diferencia de la configuración de manguito con
ranuras de la figura 2 en que en la figura 8 una línea o un plano
que conecta los bordes de las aberturas de fluido aguas arriba y
aguas abajo interseca con el conducto 612, lo que no sucede para
los manguitos con ranuras mostrados en la figura 2A. En un sentido,
la realización de la figura 8 puede verse como una versión extrema
de la realización de la figura 7 en la que las placas laterales
individuales colocadas a lo largo del conducto de intercambio de
calor no están separadas, tal como se observa en la figura 7, sino
que en vez de eso están colocadas enfrentadas entre sí de tal
manera que sus bordes de lado de conducto forman las placas 620
curvadas de la figura 8.
Resultará evidente para los expertos en la
técnica que pueden realizarse otros cambios y modificaciones en los
métodos y aparatos descritos anteriormente para mejorar la
transferencia de calor de flujo transversal sin apartarse del
alcance de la invención en el presente documento, y se pretende que
toda la materia contenida en la descripción anterior se interprete
en un sentido ilustrativo y no limitativo.
Claims (22)
1. Aparato de perfilado de flujo de fluido para
perfilar preferiblemente la trayectoria de fluido de un fluido
(130) de proceso que fluye transversalmente a través de, y en
contacto con, una pluralidad de conductos (112) de transferencia de
calor separados, comprendiendo dicho aparato una pluralidad de
estructuras (120) de desviación con forma de manguito,
longitudinalmente continuas, comprendiendo cada estructura de
desviación al menos un conjunto apareado de aberturas (124, 126) de
flujo de fluido que constituyen el único paso de fluido de aguas
arriba a aguas abajo a través del aparato de perfilado de flujo de
fluido, caracterizado porque cada una de dichas estructuras
(120) de desviación rodea de manera sustancialmente simétrica un
conducto (112) de transferencia de calor para definir una región de
flujo de fluido con forma anular aislando así el flujo de fluido
transversal alrededor de ese conducto de transferencia de calor
asociado del flujo de fluido transversal alrededor de conductos de
transferencia de calor adyacentes situados transversalmente a la
dirección de flujo de fluido, y en el que las aberturas (124, 126)
de flujo de fluido de una estructura de desviación están situadas
simétricamente aguas arriba y aguas abajo, respectivamente, del
conducto (112) de transferencia de calor asociado en alineación
aguas arriba y aguas abajo al menos parcial entre sí y con el
conducto de transferencia de calor asociado, mediante lo cual cada
una de dichas estructuras (120) de desviación perfila la trayectoria
de flujo de dicho fluido de proceso alrededor del perfil del
conducto de transferencia de calor asociado.
2. Aparato según la reivindicación 1, en el que
al menos dos de dichas estructuras (120) de desviación están
interconectadas (122) en un aparato de perfilado de fluido mayor
para perfilar flujo de fluido alrededor de una pluralidad de
conductos (112) de transferencia de calor.
3. Aparato según la reivindicación 2, en el que
dichos conductos (112) de transferencia de calor están dispuestos
en un arreglo generalmente circular y en el que además las
estructuras (120) de desviación individuales asociadas con los
conductos de transferencia de calor están interconectadas para
formar un aparato (110) de perfilado de fluido con forma cilíndrica
mayor.
4. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que pares de aberturas (124, 126)
de flujo de fluido comprenden aberturas aguas arriba y aguas abajo
alineadas radialmente en las estructuras de desviación
individuales.
5. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que pares de aberturas de flujo de
fluido comprenden aberturas (176, 186) aguas arriba y aguas abajo
en las estructuras de desviación individuales que están desplazadas
de la línea radial.
6. Aparato según la reivindicación 1, en el que
dichos conductos (112) de transferencia de calor comprenden al
menos un arreglo generalmente circular de conductos de transferencia
de calor cilíndricos alineados axialmente, al menos algunos de los
cuales están sustancialmente rodeados por una estructura con forma
de manguito, con aberturas, sustancialmente concéntrica que tiene
pares (184, 176; 174, 186) de aberturas aguas arriba y aguas abajo
en columnas paralelas al eje del conducto asociado, en el que además
una estructura (120) con forma de manguito está fijada por un
elemento (122) de placa a una estructura con forma de manguito
adyacente para formar una estructura cilíndrica mayor.
7. Aparato según la reivindicación 6, en el que
los pares de aberturas comprenden ranuras (184, 176; 174, 186)
alargadas, teniendo cada ranura un eje largo generalmente paralelo a
los ejes de los conductos de transferencia de calor.
8. Aparato según la reivindicación 7, en el que
un conducto de transferencia de calor está asociado con dos pares
de ranuras (184, 176; 174, 186) alargadas, estando cada par de
ranuras desplazado (\theta) de la alineación radial con el eje
(114) de la estructura cilíndrica mayor.
9. Aparato según la reivindicación 6 ó 7, en el
que dichos conductos de transferencia de calor comprenden al menos
dos arreglos generalmente circulares de conductos (112, 142) de
transferencia de calor orientados para tener ejes paralelos, siendo
un arreglo concéntrico con respecto al otro.
10. Aparato según la reivindicación 9, en el que
las estructuras (120, 150) de desviación de pares adyacentes de
conductos (112, 142) de transferencia de calor alineados radialmente
están interconectadas de tal manera que una abertura (164) entre
las estructuras de desviación sirve como la abertura de flujo de
fluido aguas abajo para uno de los conductos y la abertura de flujo
de fluido aguas arriba para el otro.
11. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que la estructura de desviación
asociada con un conducto (216) de transferencia de calor comprende
un conjunto de elementos (220, 222, 224) de placa sustancialmente
planos colocados de dos en dos en el borde a lo largo de dos lados
de una superficie de transferencia de calor en proximidad a, pero
sin tocar, la superficie, estando orientados los planos de dichos
elementos de placa de manera generalmente ortogonal a la
trayectoria de fluido del fluido (232, 234, 236) de proceso, de
manera que se definen regiones de flujo de fluido con forma
generalmente anular que tienen pares de aberturas aguas arriba y
aguas abajo alrededor de dichos conductos de transferencia de
calor.
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12. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el que la estructura de desviación
asociada con un conducto de transferencia de calor comprende
elementos (620) de placa perfilados colocados de dos en dos a lo
largo de dos lados del conducto (612) de transferencia de calor en
proximidad a, pero sin tocar, la superficie del conducto, teniendo
dichos elementos de placa un perfil que corresponde respectivamente
a los dos lados del conducto de transferencia de calor de manera
que se definen regiones de flujo de fluido con forma generalmente
anular que tienen aberturas aguas arriba y aguas abajo alrededor de
dichos conductos de transferencia de calor, estando unidos (622)
dichos elementos de placa a otros elementos de placa asociados con
conductos de transferencia de calor adyacentes.
13. Método para mejorar la transferencia de
calor hacia o desde un fluido (130) que fluye transversalmente en
contacto con superficies exteriores de una pluralidad de conductos
(112) de intercambio de calor que comprende la etapa de perfilar
preferiblemente flujo de fluido transversal a través de los
conductos de intercambio de calor haciendo fluir el fluido a través
de al menos un conjunto apareado de elementos (124, 126) de
estrechamiento de flujo de fluido en una estructura (120) de
desviación con forma de manguito, longitudinalmente continua,
asociada con un conducto de intercambio de calor, siendo dicha
estructura de desviación parte de un arreglo de tales estructuras
de desviación, caracterizado porque cada estructura de
desviación rodea de manera sustancialmente simétrica a su conducto
de intercambio de calor asociado para aislar flujo de fluido
transversal alrededor de ese conducto de intercambio de calor
asociado de flujo de fluido transversal alrededor de conductos de
intercambio de calor adyacentes situados transversalmente a la
dirección de flujo de fluido, en el que los elementos (124, 126) de
estrechamiento de flujo de fluido de cada estructura de desviación
constituyen el único paso de fluido de aguas arriba a aguas abajo a
través del arreglo de estructuras de desviación y están situados
simétricamente aguas arriba y aguas abajo, respectivamente, de la
superficie de intercambio de calor asociada, en alineación aguas
arriba y aguas abajo al menos parcial entre sí y con el conducto
(112) de intercambio de calor asociado, y mediante lo cual cada
estructura de desviación perfila la trayectoria de flujo de dicho
fluido alrededor del perfil del conducto de intercambio de calor
asociado.
14. Método según la reivindicación 13, en el que
al menos dos de dichas estructuras (120) de desviación están
interconectadas en un aparato (122) de perfilado de flujo mayor para
perfilar flujo de fluido alrededor de una pluralidad de conductos
(112) de intercambio de calor.
15. Método según la reivindicación 13, en el que
dichos conductos (112) de intercambio de calor comprenden al menos
un arreglo generalmente circular de conductos de intercambio de
calor cilíndricos alineados axialmente, al menos algunos de los
cuales están sustancialmente rodeados por una estructura con forma
de manguito con aberturas sustancialmente concéntrica que tiene
pares (184, 176; 174, 186) de aberturas aguas arriba y aguas abajo
en columnas paralelas al eje del conducto asociado, en el que además
la estructura (120) con forma de manguito está fijada por un
ele-
mento (122) de placa a una estructura con forma de manguito adyacente para formar una estructura cilíndrica mayor.
mento (122) de placa a una estructura con forma de manguito adyacente para formar una estructura cilíndrica mayor.
16. Método según la reivindicación 15, en el que
los pares (184, 176; 174, 186) de aberturas comprenden ranuras
alargadas, teniendo cada ranura un eje largo generalmente paralelo a
los ejes de los conductos de intercambio de calor.
17. Método según la reivindicación 16, en el que
un conducto de intercambio de calor está asociado con dos pares de
ranuras (184, 176; 174, 186) alargadas, estando cada par desplazado
(\theta) de la alineación radial con el eje de la estructura
cilíndrica mayor.
18. Método según la reivindicación 15 ó 16, en
el que dichos conductos de intercambio de calor comprenden al menos
dos arreglos generalmente circulares de conductos (112, 142) de
intercambio de calor cilíndricos orientados para tener ejes
paralelos, siendo un arreglo concéntrico con respecto al otro.
19. Método según la reivindicación 18, en el que
las estructuras (120, 150) de desviación de pares adyacentes de
conductos (112, 142) de intercambio de calor alineados radialmente
están interconectadas de tal manera que una abertura (164) entre
las estructuras de desviación sirve como el elemento de
estrechamiento de flujo de fluido aguas abajo para uno de los
conductos y el elemento de estrechamiento de flujo de fluido aguas
arriba para el otro.
20. Método según la reivindicación 13 ó 14, en
el que la estructura de desviación asociada con un conducto (216)
de intercambio de calor comprende un conjunto de elementos (220,
224, 226) de placa sustancialmente planos colocados de dos en dos
en el borde a lo largo de dos lados de un conducto de intercambio de
calor en proximidad a, pero sin tocar, la superficie, estando
orientados los planos de dichos elementos de placa de manera
generalmente ortogonal a la trayectoria de fluido del fluido (232,
234, 236) de proceso, de manera que se definen regiones de flujo de
fluido con forma generalmente anular que tienen pares de aberturas
aguas arriba y aguas abajo alrededor de dichos conductos de
intercambio de calor.
21. Método según la reivindicación 13 ó 14, en
el que la estructura de desviación asociada con un conducto de
intercambio de calor comprende elementos (620) de placa perfilados
colocados de dos en dos a lo largo de dos lados del conducto (612)
de intercambio de calor en proximidad a, pero sin tocar, la
superficie, teniendo dichos elementos de placa un perfil
correspondiente respectivamente a los dos lados del conducto de
intercambio de calor de manera que se definen regiones de flujo de
fluido con forma generalmente anular que tienen aberturas aguas
arriba y aguas abajo alrededor de dichos conductos de intercambio de
calor, estando unidos (622) dichos elementos de placa a otros
elementos de placa asociados con conductos de intercambio de calor
adyacentes.
22. Intercambiador de calor que comprende el
aparato de perfilado de flujo de fluido según cualquiera de las
reivindicaciones 1-12.
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| ES00958015T Expired - Lifetime ES2331405T3 (es) | 1999-07-21 | 2000-07-18 | Transferencia de calor de flujo transversal mejorada. |
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