ES2855099T3 - Módulo intercambiador de calor de sólidos - Google Patents
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Abstract
Módulo intercambiador de calor sólido, que comprende o consiste en (i) una carcasa para recibir tubos del intercambiador de calor; (ii) una pluralidad de tubos del intercambiador de calor; (iii) al menos una entrada de sustancia; (iv) al menos una salida de sustancia; (v) conexiones de tubería entre las tuberías del intercambiador de calor para el suministro de medios de calefacción o refrigeración, en el cual a) los tubos del intercambiador de calor están agrupados en haces y dispuestos desplazados entre sí, (b) cada módulo contiene de 2 a 10 haces, (c) cada paquete contiene de 10 a 100 tubos, (d) cada tubo tiene una sección transversal rectangular o rómbica con bordes redondeados con ángulos α, β, γ y δ, en donde para estos ángulos rigen las condiciones de selección αα= 30° a 120° β = 60° a 150° γ = 30° a 120° δ = 60° a 150° con la condición de que la suma de todos los ángulos sea 360°, (e) los tubos en el haz de tubos están dispuestos de tal manera que los ángulos β y δ apuntan hacia arriba y hacia abajo y los ángulos α y γ apuntan hacia la derecha y la izquierda, y (f) la distancia D1 entre dos tubos del intercambiador de calor adyacentes en una fila y la distancia D2 entre cada dos tubos del intercambiador de calor adyacentes en dos filas adyacentes son independientemente entre 10 y 100 mm, caracterizado porque el módulo tiene rodillos para que pueda moverse y extenderse una vez instalado.
Description
DESCRIPCIÓN
Módulo intercambiador de calor de sólidos
Campo de la invención
La invención pertenece al campo de la ingeniería de procesos y se refiere a un módulo intercambiador de calor y un intercambiador de calor, que tiene varios de estos módulos, para el tratamiento de material a granel vertible.
Antecedentes tecnológicos
Los intercambiadores de calor se encuentran entre los componentes más importantes en el campo de la ingeniería de procesos. Pueden servir para diferentes propósitos, en particular enfriar, calentar o incluso secar una amplia variedad de sustratos. Los intercambiadores de calor a menudo se diferencian según la naturaleza de los sustratos por tratar, es decir, si son gases, líquidos o sólidos. Si bien los gases y los líquidos tienen naturalmente excelentes propiedades de flujo, esto no se aplica a los sólidos. Para poder someter los sólidos a un intercambio de calor sin fundirlos, deben fluir libremente. Esto significa que solo entran en consideración aquellas sustancias que, por naturaleza, tienen una distribución de tamaño de partículas que permiten que las sustancias goteen, resbalen o se deslicen o que se preparen adecuadamente mediante etapas de trituración.
Naturalmente, el tratamiento de tales materiales a granel que fluyen libremente es particularmente ambicioso desde el punto de vista del constructor del sistema, ya que la obstrucción de los sistemas puede ocurrir en cualquier momento con el diámetro y la forma de los sustratos. Los intercambiadores de calor sólidos (placas) convencionales también deben operarse con medios de calentamiento o enfriamiento limpios para evitar que los intercambiadores se obstruyan. Esto también encarece el proceso, en especial porque los vapores se utilizan normalmente para calentar, que primero deben condensarse y purificarse.
Estado de la técnica
Los intercambiadores de calor para material a granel que fluye libremente son suficientemente conocidos del estado de la técnica. Por ejemplo, las solicitudes de patente internacional WO 2007 128104 A1 y WO 2013 163752 A1, así como la solicitud de patente europea EP 2995898 A2 (SOLEX) describen sistemas en los que el secado del material a granel, que se aplica en una amplia área de aplicación siguiendo la fuerza de la gravedad, se lleva a cabo paralelamente entre sí se lleva a cabo placas intercambiadoras dispuestas. En este caso, la desventaja es que el material a granel atraviesa las zonas de intercambio de calor con demasiada rapidez, de modo que el sistema tiene que ser muy alto para lograr un intercambio de calor suficiente. Un módulo muy similar con las mismas desventajas es el tema de la solicitud de patente canadiense CA 2851781 AA (SOLEX). Una combinación de tubos y placas de intercambiador de calor dispuestos paralelos entre sí es el tema de las dos solicitudes de patente CA 2857852 AA y US 2016 025417 AA (SOLEX).
Por el documento DE 19643699 C1 (BABCOCK), se conoce un enfriador de eje en el que el material a granel gotea sobre una placa deflectora y luego cae a través de la rejilla de la barra sobre los tubos de refrigeración. El desarrollo posterior descrito en DE 102006 045 807 A1 (Grenzebach) se basa en este documento. Allí se muestra un módulo intercambiador de calor sólido según el preámbulo de la reivindicación 1.
La Patente de los Estados Unidos US 3.866.673 A (PAVLOV) se refiere a un intercambiador de calor para enfriar escoria mineral. El material a granel se enfría con la ayuda de bobinas de tubería.
En el documento US 3.705.620 A (KAYATZ), se describe un dispositivo de enfriamiento de dos etapas, cuyo núcleo es un enfriador de eje con haces de tubos desordenados.
Sin embargo, debe tenerse en cuenta que los intercambiadores de calor de placas basados en el volumen en comparación con los intercambiadores de calor de carcasa y tubos tienen la superficie de calentamiento más grande, pero muestran un intercambio de calor más pobre, ya que el material a granel no se vuelve a mezclar de una fila de tubos a otra como en el intercambiador de calor de carcasa y tubos.
Objeto de la invención
Por lo tanto, el objeto de la presente invención era proporcionar intercambiadores de calor de sólidos para materiales a granel de flujo libre que no presentaran las desventajas descritas. En particular, los componentes deben ser altamente eficientes, es decir, tener un rendimiento mejorado del intercambiador de calor por unidad de volumen en comparación con el estado de la técnica, ser adaptables a materiales a granel con una amplia variedad de propiedades de flujo, ser fáciles de mantener y ensamblar y usar. Permiten diferentes medios de calentamiento o enfriamiento, en especial de vapores no purificados.
Descripción de la invención
El objetivo se consigue mediante el objeto de las reivindicaciones independientes 1, 9 y 11. Un primer objeto de la invención se refiere a un módulo intercambiador de calor de sólidos, que comprende o consiste en
(i) una carcasa para recibir tubos del intercambiador de calor;
(ii) una pluralidad de tubos del intercambiador de calor;
(iii) al menos una entrada de sustancia;
(iv) al menos una salida de sustancia;
(v) conexiones de tubería entre las tuberías del intercambiador de calor para el suministro de medios de calefacción o refrigeración,
en el cual
(a) los tubos del intercambiador de calor están agrupados en haces y dispuestos desplazados entre sí,
(b) cada módulo contiene de 2 a 10 haces,
(c) cada paquete contiene de 10 a 100 tubos,
(d) cada tubo tiene una sección transversal rectangular o rómbica con bordes redondeados con ángulos a, p, y y 6, en donde para estos ángulos rigen las condiciones de selección
a = 30° a 120°
13 = 60° a 150°
Y = 30° a 120°
6 = 60° a 150°
con la condición de que la suma de todos los ángulos sea 360°,
(e) los tubos en el haz de tubos están dispuestos de tal manera que los ángulos p y 6 apuntan hacia arriba y hacia abajo y los ángulos a y y apuntan hacia la derecha y la izquierda, y
(f) la distancia D1 entre dos tubos del intercambiador de calor adyacentes en una fila y la distancia D2 entre cada dos tubos del intercambiador de calor adyacentes en dos filas adyacentes son independientemente entre 10 y 100 mm, con la condición de que el módulo tenga rodillos para que pueda moverse y extenderse una vez instalado.
El objeto descrito con anterioridad se logra completamente con un componente como el descrito antes. En lugar de placas, solo se utilizan tubos del intercambiador de calor, que están dispuestos de una manera especial para que se excluya la obstrucción del sistema.
La sección transversal de los tubos y su separación se pueden adaptar a la naturaleza del material a granel, en particular su ángulo de reposo y los caudales deseados, especialmente con respecto al ángulo de fricción de la pared. Las tuberías son cuadradas o rómbicas con curvas que se adaptan al ángulo de inclinación del material a granel para que el sólido pueda fluir alrededor de las tuberías el mayor tiempo posible. De esta forma, se alarga el tiempo para el intercambio de calor, lo que mejora de forma significativa la eficiencia en términos de transferencia de calor por unidad de volumen. De esta manera, se pueden producir intercambiadores de calor que son significativamente más compactos que los componentes comparables de la técnica anterior y, sin embargo, proporcionan capacidades de intercambio de calor más altas.
Módulos intercambiadores de calor sólidos
Los módulos de intercambiador de calor contienen los tubos de intercambiador de calor dispuestos en forma de varios, preferiblemente de 2 a aproximadamente 5 haces. En cada haz de tubos, los tubos están dispuestos en filas uno encima del otro. Los haces contienen preferiblemente de 2 a aproximadamente 10 y en particular de aproximadamente 4 a aproximadamente 6 filas cada una con aproximadamente 10 a aproximadamente 50 y en particular cada una de aproximadamente 20 a 50 tubos como se muestra en la Figura 1. En relación con las filas de tubos en el haz, los tubos están desplazados entre sí con espacios, como se muestra en la Figura 2. La información sobre tubos y haces de tubos debe entenderse como realizaciones preferidas y típicas. En principio, también es posible fabricar sistemas más grandes, que luego tienen un número correspondientemente mayor de tubos y haces de tubos.
La distancia D1 entre dos tubos del intercambiador de calor adyacentes en una fila y la distancia D2 entre dos tubos del intercambiador de calor adyacentes en dos filas adyacentes es independientemente alrededor de 10 y alrededor de 100 mm y preferiblemente alrededor de 40 a alrededor de 60 mm (ver también Figura 6).
Los tubos del intercambiador de calor están conectados en forma individual, pero preferiblemente en haces, a un colector a través del cual se pueden alimentar los líquidos de calentamiento o enfriamiento (ver Figura 1, conexiones arqueadas por encima y por debajo del haz de tubos; Figura 2, estructuras circulares, que la sección de los distribuidores y Figura 4). Cada uno de los haces de tubos se puede operar conjuntamente a través de un distribuidor; Sin embargo, también es posible suministrar todos los haces y, por tanto, todas las tuberías junto con el medio a través de un distribuidor principal y, si es necesario, otros distribuidores secundarios.
Los tubos del intercambiador de calor se pueden calentar o enfriar con líquidos, vapores, gases, agua de refrigeración y mezclas correspondientes. En particular, sin embargo, funcionan con vapores no purificados, lo que hace que la implementación sea particularmente simple y económica. De esta manera, el calor de condensación del vapor de agua por encima de los 100 °C se puede utilizar directamente en el interior de la tubería. Si, por el contrario, los vapores se utilizaran para producir agua caliente, se podrían alcanzar temperaturas de solo 60 a 65 °C.
Tubos del intercambiador de calor
Incluso si los tubos del intercambiador de calor pueden tener en principio un diámetro redondo u ovalado, su perfil según la invención es rectangular o rómbico, los bordes están redondeados para que el material a granel pueda fluir el mayor tiempo posible alrededor del tubo y el intercambio de calor es así extendido.
Por lo tanto, también se describe un tubo intercambiador de calor, que se caracteriza porque tiene un perfil en ángulo recto o rómbico con los ángulos a, p, y y 6, en donde para estos ángulos rigen las condiciones de selección a = 30° a 120°
R = 60° a 150°
Y = 30° a 120°
6 = 60° a 150°
con la condición de que la suma de todos los ángulos sea 360° (ver Figura 6). En una primera realización preferida, los cuatro ángulos son iguales y ascienden a 90°, en una segunda realización, dos ángulos opuestos son aproximadamente 80° por un lado y aproximadamente 100° por el otro. Las tuberías se instalan en el módulo de tal manera que los ángulos opuestos más pequeños de la sección transversal de la tubería apuntan en la dirección del flujo.
El diámetro de los tubos del intercambiador de calor (d1) no es muy crítico y normalmente puede estar entre aproximadamente 20 y aproximadamente 100 mm, de preferencia, entre aproximadamente 30 y aproximadamente 80 mm y en particular entre aproximadamente 40 y aproximadamente 60 mm. La longitud de las tuberías depende de las dimensiones del módulo intercambiador de calor y puede oscilar entre 1 y 20 metros. Se utilizan principalmente aceros comerciales y aceros especiales altamente resistentes al desgaste y a la corrosión.
Intercambiador de calor de sólidos
Otro objeto de la invención se refiere a un intercambiador de calor de sólidos que contiene o consta de al menos dos, preferiblemente 3, 4, 5 o hasta 10 de los módulos descritos con anterioridad, estando dispuestos los módulos uno encima del otro. En la Figura 5 se muestra una representación de un intercambiador de calor con cinco módulos. El material a granel se abandona en la cabecera del intercambiador de calor, específicamente en la cabecera del módulo intercambiador superior (Figura 5, arriba). Esto se puede hacer a través de un mamparo o una trampilla, por ejemplo, introduciéndolo continuamente a través de una cinta transportadora. Sin embargo, el material a granel también puede distribuirse en toda el área disponible del módulo. El material a granel tratado se descarga en la parte inferior del intercambiador de calor o en el módulo inferior, por ejemplo, a través de una cerradura (Figura 5, parte inferior). También son posibles otros transportadores de descarga convencionales, cuyo número depende de la sección transversal de las dimensiones del eje seleccionadas.
Los módulos individuales se conectan preferiblemente entre sí a través de cajas intermedias con o sin extracción de vapor (Figura 5, componentes entre los módulos) para que puedan acoplarse y desacoplarse. Para ello, son preferiblemente móviles y extensibles mediante rodillos. De esta manera, se logra que un módulo que deba ser reemplazado y mantenido o reparado pueda simplemente extenderse y el intercambiador de calor aún pueda funcionar. También es preferible colocar los módulos inclinados en un ángulo de inclinación. De esta forma, las tuberías del interior son limpiadas por los gases condensados al lavarse ellos mismos, los condensados se recogen en los puntos más bajos y se eliminan.
También es ventajoso equipar las cajas intermedias con registros a través de los cuales puede tener lugar una limpieza mecánica adicional del intercambiador de calor de haz de tubos a lo largo de los carriles de tubos, si es necesario. Toda la construcción puede realizarse con aceros comerciales y especiales altamente resistentes al desgaste y a la corrosión. Dependiendo del espesor del material, el diseño puede ser resistente a la presión, por ejemplo, sobrepresión de 13 bar a través de las tuberías (prueba del cálculo mediante el método de elementos finitos) Aplicabilidad comercial
Otro objeto de la invención se refiere a un método para tratar material a granel vertible, en particular para calentarlo o enfriarlo, en el que este se somete a un intercambio de calor utilizando al menos un módulo intercambiador de calor de
sólidos como se explicó con anterioridad. En este caso, se puede utilizar material a granel que se selecciona del grupo formado por semillas, arenas y molido polimérico u otras sustancias o materiales a granel que fluyen libremente que se van a calentar o enfriar.
Un objeto final de la invención se refiere al uso de un módulo intercambiador de calor como se explicó con anterioridad para el tratamiento de material a granel que fluye libremente.
La invención se explica con más detalle a continuación con referencia a 6 dibujos sin limitarse a ellos.
EJEMPLOS
Ejemplo 1
El precalentamiento de la colza (diámetro medio por partícula: aprox. 2 mm) se realizó en un intercambiador de calor de sólidos del tipo haz de tubos según la invención, que contenía un total de 5 módulos y tenía una altura de 20 m. Cada módulo contenía 5 haces de tubos del intercambiador de calor, que por paquete estaban dispuestos desplazados entre sí en 4 filas de 20 tubos cada una (análoga a las Figuras 2 y 3). El diámetro de los tubos era de 51 mm, las distancias D1 y D2 cada una de 43 mm. Los propios tubos tenían un perfil rómbico, con los siguientes ángulos: a = 80°
P = 100°
Y = 80°
8 = 100°
Cuando se colocó en el intercambiador de calor, el material a granel tenía una temperatura de 25 °C y una humedad del 9% en peso. El intercambiador se hizo funcionar con vapores no purificados (del acondicionamiento de semillas y secado de desechos, así como con vapor de agua a una temperatura de aproximadamente 60 °C. En la salida, el material a granel tenía una temperatura de 50 °C y una humedad residual de 8 % en peso.
Ejemplo 2
El precalentamiento de las semillas de soja partidas (longitud máxima: aprox. 6 mm) se realizó en un intercambiador de calor sólido del tipo haz de tubos según la invención, que contenía un total de 5 módulos y tenía una altura de 20 m. Cada módulo contenía 5 haces de tubos del intercambiador de calor, que por paquete estaban dispuestos desplazados entre sí en 4 filas de 20 tubos cada una (análoga a las Figuras 2 y 3). El diámetro de los tubos era de 51 mm, las distancias D1 y D2 cada una de 43 mm. Los propios tubos tenían un perfil rómbico, con los siguientes ángulos: a = 80°
P = 100°
Y = 80°
8 = 100°
El material a granel tenía una temperatura de 25 °C y una humedad del 8% en peso cuando se alimentaba al intercambiador de calor. El intercambiador se hizo funcionar con vapores no purificados (del acondicionamiento de semillas y secado de chatarra, así como vapor de agua a una temperatura de aproximadamente 100 °C. En la salida, el material a granel tenía una temperatura de 50 °C y una humedad residual del 7,5% en peso.
Descripción de las figuras
Figura 1
Sección vertical a través de un módulo intercambiador de calor con 4 grupos de tubos. La dirección del flujo del material a granel va de derecha a izquierda.
Figura 2
Sección horizontal a través de un módulo intercambiador de calor con 5 grupos de tubos. La dirección del flujo del material a granel va de derecha a izquierda.
Figura 3
1 paquete con 4 grupos de tubos. También se muestra el perfil de un tubo intercambiador de calor.
Figura 4
Detalle del cabezal distribuidor
Figura 5
Disposición de 5 módulos intercambiadores de calor en red.
Figura 6
Sección transversal de una disposición de 3 tubos del intercambiador de calor en dos filas adyacentes.
Claims (11)
1. Módulo intercambiador de calor sólido, que comprende o consiste en
(i) una carcasa para recibir tubos del intercambiador de calor;
(ii) una pluralidad de tubos del intercambiador de calor;
(iii) al menos una entrada de sustancia;
(iv) al menos una salida de sustancia;
(v) conexiones de tubería entre las tuberías del intercambiador de calor para el suministro de medios de calefacción o refrigeración,
en el cual
a) los tubos del intercambiador de calor están agrupados en haces y dispuestos desplazados entre sí,
(b) cada módulo contiene de 2 a 10 haces,
(c) cada paquete contiene de 10 a 100 tubos,
(d) cada tubo tiene una sección transversal rectangular o rómbica con bordes redondeados con ángulos a, p, y y 6, en donde para estos ángulos rigen las condiciones de selección
a = 30° a 120°
R = 60° a 150°
Y = 30° a 120°
6 = 60° a 150°
con la condición de que la suma de todos los ángulos sea 360°,
(e) los tubos en el haz de tubos están dispuestos de tal manera que los ángulos p y 6 apuntan hacia arriba y hacia abajo y los ángulos a y Y apuntan hacia la derecha y la izquierda, y
(f) la distancia D1 entre dos tubos del intercambiador de calor adyacentes en una fila y la distancia D2 entre cada dos tubos del intercambiador de calor adyacentes en dos filas adyacentes son independientemente entre 10 y 100 mm, caracterizado porque el módulo tiene rodillos para que pueda moverse y extenderse una vez instalado.
2. Módulo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los tubos del intercambiador de calor en los haces están dispuestos en 2 a 10 filas desplazadas entre sí con un intersticio.
3. Módulo de acuerdo con las reivindicaciones 1 y / o 2, caracterizado porque los tubos del intercambiador de calor en el haz presentan cada uno un diámetro d1 en el intervalo de 20 a 100 mm.
4. Módulo de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los tubos del intercambiador de calor están conectados a través de un distribuidor para recibir el líquido de calentamiento o enfriamiento.
5. Módulo de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los tubos del intercambiador de calor se calientan o enfrían con líquidos, vapores, vapor vivo, gases, agua de refrigeración y mezclas correspondientes.
6. Módulo de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los tubos del intercambiador de calor se calientan con vapores no purificados.
7. Intercambiador de calor de sólidos que contiene o consiste en al menos dos módulos de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los módulos están dispuestos uno encima del otro en el intercambiador.
8. Intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque los módulos están conectados entre sí mediante cajas intermedias.
9. Un método para el tratamiento de material a granel vertible, en donde el material a granel se somete a un intercambio de calor utilizando un intercambiador de calor de sólidos con al menos dos módulos intercambiadores de calor de sólidos extensibles de acuerdo con la reivindicación 1.
10. Método de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque se utiliza material a granel que se selecciona del grupo formado por semillas, arenas y molido polimérico.
11. Uso de un módulo intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1 para el tratamiento de material a granel vertible.
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