ES2928329T3

ES2928329T3 - Matriz de intercambio de calor.

Info

Publication number: ES2928329T3
Application number: ES14805324T
Authority: ES
Inventors: Mark Wickham; Neil Burton
Original assignee: Struthers Energy and Power Ltd
Current assignee: Struthers Energy and Power Ltd
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2022-11-17
Anticipated expiration: 2034-10-31
Also published as: MY181816A; EP3063489A1; US20220325958A1; WO2015063503A1; US20180195807A1; AU2014343444B2; EP3063489B1; GB201319284D0; US11802737B2; MX2016005419A

Abstract

Una matriz de intercambio de calor dispuesta para usarse en una unidad de intercambio de calor y además dispuesta para recuperar energía de un gas de escape, que comprende: un primer tubo de intercambio de calor y un segundo tubo de intercambio de calor, cada uno dispuesto para transportar un medio de intercambio de calor y además cada uno comprende una serie de aletas externas; y en el que el primer tubo de intercambio de calor comprende un tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda que tiene una primera tensión elástica, y el segundo serpentín de intercambio de calor comprende un tubo enrollado en espiral a la derecha que tiene una segunda tensión elástica, y en el que los tubos de intercambio de calor primero y segundo están interconectados de tal manera que la primera tensión elástica se opone a la segunda tensión elástica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Matriz de intercambio de calor

La presente invención se refiere a una matriz de intercambio de calor para uso en una unidad de intercambio de calor con el fin de recuperar energía de un gas de escape de una central eléctrica, así como a un método de fabricación de dicha matriz de intercambio de calor.

Una unidad de intercambio de calor se implementa normalmente para recuperar energía de los gases de escape de una turbina de gas utilizada en una central eléctrica o similar. El uso de una unidad de intercambio de calor de este tipo puede aumentar significativamente la eficiencia general de la planta, ya que se pierde menos energía en los gases de escape. Para recuperar la energía térmica, el gas de escape pasa a través de una unidad de intercambio de calor que comprende una matriz de intercambio de calor. Una matriz de intercambio de calor de este tipo comprende una serie de tubos dispuestos para transportar un medio de intercambio de calor (como agua). El medio de intercambio de calor es calentado por los gases de escape y puede utilizarse para otros procesos.

Por lo general, una matriz de intercambio de calor se compone de una serie de bobinas concéntricas de tubería, fabricadas enrollando una longitud recta de tubo alrededor de un cuerpo giratorio. A medida que el tubo se enrolla en una bobina, se producen tensiones dentro de la bobina a medida que el metal utilizado para fabricar la tubería sufre una deformación plástica y elástica. Una vez enrollado en una bobina, puede resultar difícil mantener el tubo enrollado en una forma estable ya que las fuerzas de tensión elásticas actúan para desenrollar la bobina. Esto representa un menor problema una vez que la bobina se instala en la unidad de intercambio de calor, ya que normalmente se ajusta a una carcasa externa que agrega fuerza y estabilidad a la bobina y evita que se desenrolle.

Se sabe que es difícil lograr un completo alivio de la tensión con bobinas internas. Un método típico para reducir la tensión dentro de un metal deformado sería calentar la estructura terminada. Algunas realizaciones de la matriz de intercambio de calor en cuestión son de un tamaño tan grande que no es factible calentar toda la matriz en un horno para reducir la tensión elástica.

En el documento US 3.083.447 se muestra un método para agrupar bobinas simples sin aletas externas.

En el documento GB 1163804 se describe un intercambiador de calor de carcasa tubular dispuesto para calentar agua en un tanque. El conjunto de bobina consta de una pluralidad de unidades de bobina dispuestas concéntricamente anidadas unas dentro de otras y en las que las unidades de bobina están enrolladas en direcciones opuestas.

En el documento US 3083447 se describe un método para ensamblar un haz de bobinas en dispositivos de intercambio de calor, en particular intercambiadores de calor del tipo de carcasa y bobina que tienen bobinas enrolladas en capas concéntricas espaciadas sustancialmente de manera uniforme dentro de la carcasa. Las bobinas están enrolladas en un núcleo simulado.

En un primer aspecto, la presente invención proporciona una matriz de intercambio de calor para usar en una unidad de intercambio de calor para recuperar energía de un gas de escape que tiene todas las características de la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas.

Normalmente, la matriz de intercambio de calor comprende al menos un primer tubo de intercambio de calor y un segundo tubo de intercambio de calor, cada uno dispuesto para transportar un medio de intercambio de calor. El primer tubo de intercambio de calor puede comprender un tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda que tiene una primera tensión elástica. La segunda bobina de intercambio de calor puede comprender un tubo enrollado helicoidalmente a la derecha que tiene una segunda tensión elástica. Normalmente, los tubos de intercambio de calor primero y segundo están interconectados de manera que la primera tensión elástica se opone a la segunda tensión elástica.

De acuerdo con la invención, tanto el primer como el segundo tubo de intercambio de calor comprenden aletas externas. Esto aumenta el área superficial de las bobinas de intercambio de calor para mejorar la eficiencia de la transferencia de energía desde un gas de escape al medio de transferencia de calor dentro de los tubos.

El experto en la materia comprenderá que se pueden utilizar muchos tipos diferentes de aletas. En particular, algunas realizaciones pueden usar aletas circulares y/o pueden usarse aletas en espiral.

En realizaciones en las que se utilizan aletas circulares, cada aleta tiene forma anular.

En realizaciones en las que se utilizan aletas en espiral, cada aleta gira en espiral alrededor del tubo. Puede haber una sola aleta en espiral en un tubo o múltiples aletas en espiral. En tales realizaciones, cada giro de sustancialmente 360° de la o de cada aleta espiral puede considerarse como una aleta.

El experto en la materia comprenderá que se pueden utilizar varios espesores de aletas y separaciones de aletas sin apartarse del alcance de la invención. La separación de las aletas puede ser tal que en cada sección de tubo de 5 cm haya entre sustancialmente 1 y 20 aletas, o preferiblemente entre sustancialmente 5 y 15 aletas, o más preferiblemente sustancialmente 10 aletas. Cada aleta puede tener un espesor de entre 0,5 y 5 mm, o más preferentemente entre 1 y 3 mm.

Sin embargo, el enrollado de dichas bobinas con aletas es problemático y son más difíciles de doblar en comparación con las bobinas simples. La mayor dificultad para doblar bobinas con aletas se debe a la naturaleza de las aletas. El experto en la materia comprenderá que las aletas son relativamente delgadas y pueden ser frágiles, de modo que existe el riesgo de que se dañen las aletas al doblar el tubo. El experto en la materia entenderá que cualquier daño o flexión de las aletas es generalmente desfavorable ya que puede conducir a una reducción en el área de superficie disponible para la transferencia de calor y/o a una transferencia de calor más desigual.

Se cree que son ventajosas las realizaciones que están enrolladas de manera que los tubos de intercambio de calor primero y segundo tienen quiralidad opuesta, ya que las fuerzas de tensión elásticas actuarán en direcciones opuestas. Al producir una matriz de intercambio de calor a partir de tubos de intercambio de calor enrollados helicoidalmente a la derecha y a la izquierda interconectados, las fuerzas de tensión elásticas se contrarrestan (al menos en parte). Por lo tanto, tales realizaciones deberían tener una tensión resultante global reducida en la matriz de intercambio de calor y reducen las posibilidades de que su forma se distorsione o que las bobinas tiendan a desenrollarse. El uso de tubos de intercambio de calor de quiralidad opuesta también puede ser ventajoso porque puede permitir que los tubos se empaqueten más eficientemente en un volumen dado y puede permitir que las vueltas de las bobinas se distribuyan más uniformemente por toda la matriz de intercambio de calor.

De acuerdo con la invención, los tubos de intercambio de calor primero y segundo están interconectados a través de un miembro de soporte, que es rígido, dispuesto para sujetar los tubos enrollados helicoidalmente en una forma fija. Se cree que las realizaciones que tienen esta característica son ventajosas, ya que se ayuda a que la matriz de intercambio de calor permanezca en una forma estable. El miembro de soporte puede actuar para transmitir las fuerzas de tensión elástica entre cada bobina de modo que puedan equilibrarse.

Opcionalmente, el miembro de soporte comprende al menos una ménsula de soporte que define aberturas, cada una de las cuales está dispuesta para recibir una vuelta de los tubos enrollados helicoidalmente. Cada vuelta de los tubos helicoidales pasa a través de una abertura en el miembro de soporte para asegurarlo en su posición. El miembro de soporte está típicamente dispuesto para mantener las vueltas de las bobinas helicoidales en una posición fija entre sí de modo que mantengan su forma.

De acuerdo con la invención, cada miembro de soporte tiene una longitud (es decir, un ancho) a lo largo de la circunferencia de la bobina soportada de tal manera que la o cada ménsula de soporte soporta una pluralidad de aletas. Una disposición de este tipo facilita el uso de tubos con aletas ya que la carga se distribuye sobre una pluralidad de aletas, reduciendo así la probabilidad y/o el grado de doblado o daño de las aletas. Una longitud típica para un soporte puede estar aproximadamente entre 20 y 100 mm, aproximadamente entre 40 y 80 mm o más preferiblemente alrededor de 60 mm. El número de aletas soportadas por cada soporte puede estar aproximadamente entre 3 y 20, aproximadamente entre 5 y 15 o más preferentemente alrededor de 12.

Además de proporcionar soporte para las bobinas en uso, los miembros de soporte también se pueden usar para ensamblar las bobinas, como se explica con más detalle a continuación.

Convenientemente, la matriz de intercambio de calor comprende además un cabezal conectado a una región de extremo del primer y una región de extremo del segundo tubo de intercambio de calor, donde el cabezal está dispuesto para proporcionar una entrada y/o salida para un medio de intercambio de calor en los tubos. Por lo tanto, se puede usar una única conexión al cabezal para introducir y/o sacar el medio de intercambio de calor de todas las bobinas al mismo tiempo.

En algunas realizaciones, los tubos de intercambio de calor primero y segundo están conectados al cabezal desde diferentes direcciones, que normalmente pueden ser desde diferentes lados de un eje del cabezal y en algunas realizaciones pueden ser direcciones opuestas. Dichas realizaciones permiten un acceso más fácil a las uniones entre los tubos de intercambio de calor y el cabezal, de modo que puedan unirse más fácilmente, por ejemplo, mediante soldadura, soldadura fuerte o similares. Mediante la conexión al cabezal desde direcciones opuestas, las fuerzas de tensión elásticas que actúan sobre el cabezal en direcciones opuestas pueden cancelarse al menos de forma parcial.

En realizaciones adicionales o alternativas, el primer tubo de intercambio de calor tiene sustancialmente la misma longitud que el segundo tubo de intercambio de calor. Tal disposición significa que el medio de intercambio de calor, que se desplaza a una velocidad dada, pasa la misma cantidad de tiempo en cada uno de los tubos de intercambio de calor y, por lo tanto, recibe la misma cantidad de energía térmica.

Opcionalmente, el primer tubo de intercambio de calor comprende un tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda que tiene un primer paso y el segundo tubo de intercambio de calor comprende un tubo enrollado helicoidalmente a la derecha que tiene un segundo paso, donde el primer paso no es igual al segundo paso. Al alterar el paso de las bobinas, pueden tener sustancialmente la misma longitud y al mismo tiempo terminar en la misma posición. Al aumentar el paso, se puede hacer que una bobina helicoidal con un radio de curvatura más grande tenga la misma longitud que una bobina helicoidal con un radio de curvatura más pequeño. Al terminar todos en la misma posición, los tubos de intercambio de calor primero y segundo se unen más fácilmente al cabezal.

En algunas realizaciones, el primer tubo de intercambio de calor y el segundo tubo de intercambio de calor están dispuestos coaxialmente y dichas realizaciones proporcionan una disposición compacta de bobinas.

Opcionalmente, el primer tubo de intercambio de calor rodea al segundo tubo de intercambio de calor, o viceversa (es decir, el radio de curvatura del tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda es mayor que el radio de curvatura del tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda, o viceversa). Esto permite que los tubos de intercambio de calor primero y segundo se formen en capas concéntricas de bobinas helicoidales.

Convenientemente, la matriz de intercambio de calor comprende una pluralidad de primeros y/o segundos tubos de intercambio de calor dispuestos en una pluralidad de capas concéntricas. Esta formación compacta da un gran número de bobinas en un espacio pequeño y mejora de esta manera la transferencia de energía al medio de intercambio de calor.

Opcionalmente, cada una de las capas concéntricas comprende una pluralidad de tubos enrollados helicoidalmente a la izquierda, cada uno con el mismo radio de curvatura, o una pluralidad de tubos enrollados helicoidalmente a la derecha, cada uno con el mismo radio de curvatura. Esto aumenta el número de cada tipo de bobina en cada capa produciendo de esta manera una formación compacta de bobinas.

En algunas realizaciones, las capas concéntricas alternan entre aquellas que comprenden primeros tubos de intercambio de calor y aquellas que comprenden segundos tubos de intercambio de calor. Al alternar entre bobinas helicoidales a la izquierda y a la derecha, las tensiones elásticas se equilibran más uniformemente en toda la matriz de intercambio de calor y es menos probable que se distorsione su forma.

Opcionalmente, la matriz de intercambio de calor comprende un número igual de primeros y segundos tubos de intercambio de calor. Al tener el mismo número de bobinas helicoidales a la izquierda y a la derecha, puede haber un mayor equilibrio de las fuerzas de tensión que actúan en cada una de las direcciones opuestas, lo que puede equilibrar eficazmente las fuerzas generales.

Opcionalmente, los tubos de intercambio de calor primero y segundo son de sección transversal circular y tienen un diámetro de aproximadamente 21 mm y 168 mm. Dichos diámetros son adecuados para su uso en la recuperación de calor de un gas de escape de una turbina de una central eléctrica. Para tales grandes para la recuperación de calor de un gas de escape de una turbina de la central eléctrica. Para aplicaciones a tan gran escala, la tensión elástica creada al enrollar tubos de diámetro tan grande es particularmente grande, por lo que es ventajoso equilibrar las fuerzas de tensión utilizando bobinas de quiralidad opuesta.

Opcionalmente, el radio del tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda y el tubo enrollado helicoidalmente a la derecha está entre sustancialmente 1 m y 4 m. Las bobinas de este tamaño son adecuadas para su uso en una unidad de intercambio de calor para una central eléctrica o una aplicación similar a gran escala. En un segundo aspecto, la presente invención proporciona una unidad de intercambio de calor que comprende la matriz de intercambio de calor descrita anteriormente. Una unidad de intercambio de calor de este tipo es adecuada para su uso en la recuperación de calor de los gases de escape de una planta de energía del ejemplo.

En un tercer aspecto, la presente invención proporciona un método para fabricar una matriz de intercambio de calor de acuerdo con la reivindicación 11 de las reivindicaciones adjuntas.

Típicamente, el método de fabricación comprende una pluralidad de tubos de intercambio de calor utilizando un mandril giratorio, donde el método comprende uno o más de los siguientes pasos:

(a) proporcionar al menos un primer miembro de soporte en una porción de rodillo del mandril para recibir un primer tubo de intercambio de calor;

(b) sujetar un extremo de un primer tubo de intercambio de calor al primer miembro de soporte;

(c) girar el rodillo, mientras se alimenta el primer tubo de intercambio de calor a lo largo de una longitud del rodillo en una primera dirección para formar el primer tubo de intercambio de calor en una primera bobina helicoidal;

(d) unir un segundo miembro de soporte, dispuesto para recibir un segundo tubo de intercambio de calor, al primer miembro de soporte;

(e) sujetar un extremo del segundo tubo de intercambio de calor al segundo miembro de soporte y

(f) girar el rodillo en la misma dirección, mientras se alimenta el segundo tubo de intercambio de calor a lo largo del rodillo en una segunda dirección para formar el segundo tubo de intercambio de calor en una segunda bobina helicoidal, donde la primera dirección es opuesta a la segunda dirección tal que la primera bobina helicoidal es de quiralidad opuesta a la segunda bobina helicoidal.

Tal método produce un conjunto de bobinas de intercambio de calor que comprende una bobina de intercambio de calor que tiene una hélice hacia la derecha y una bobina de intercambio de calor que tiene una hélice a la izquierda. Como se describió anteriormente, las fuerzas de tensión elástica en tal disposición de bobinas se cancelarán para ayudar a estabilizar la forma de las bobinas.

Opcionalmente, el método comprende además repetir los pasos (a) a (f) para proporcionar una matriz de intercambio de calor que comprende una pluralidad de bobinas de intercambio de calor primera y/o segunda en una pluralidad de capas concéntricas. Esto construye la matriz de intercambio de calor en una serie de capas concéntricas.

Opcionalmente, el paso (b) comprende sujetar una pluralidad de primeros tubos de intercambio de calor al primer miembro de soporte de modo que cada capa concéntrica comprenda una pluralidad de primeras bobinas de intercambio de calor. Esto agrega tubos adicionales de la misma quiralidad helicoidal a cada capa.

Convenientemente, los pasos (c) y (f) comprenden aplicar una fuerza de tracción a los tubos de intercambio de calor en una dirección que se aleja del rodillo a medida que gira el rodillo. Ventajosamente, la fuerza de tracción ayuda a asegurar que los tubos de intercambio de calor se enrollen bajo tensión. El experto en la materia comprenderá que, si los tubos de intercambio de calor se enrollaran sin apretarse, los tubos de intercambio de calor podrían salir disparados de los miembros de soporte.

Convenientemente, el paso (e) comprende sujetar una pluralidad de segundos tubos de intercambio de calor al segundo miembro de soporte de modo que cada capa concéntrica comprenda una pluralidad de segundas bobinas de intercambio de calor. Esto agrega tubos adicionales de la misma quiralidad helicoidal a cada capa.

En algunas realizaciones, el o cada tubo de intercambio de calor es un tubo con aletas. Preferiblemente, algunos o todos los miembros de soporte utilizados tienen un ancho suficiente para abarcar una pluralidad de aletas en el tubo con aletas. Ventajosamente, esto distribuye la carga sobre la pluralidad de aletas, lo cual reduce de esta manera la fuerza sobre cada aleta y disminuye la probabilidad y/o el alcance de la flexión o daño de las aletas.

Convenientemente, se insertan una o más cuñas entre los miembros de soporte durante los pasos (a) a (f). En algunas realizaciones, las cuñas se pueden colocar paralelas a los miembros de soporte.

La altura de cada cuña se selecciona preferiblemente de modo que el tubo de intercambio de calor esté soportado en el mismo radio desde el eje de la bobina por la cuña que por los miembros de soporte. La altura de cada cuña se extiende normalmente entre el borde exterior de las aletas de un tubo de intercambio de calor y el borde interior de las aletas del siguiente tubo de intercambio de calor. Las cuñas normalmente se ubican entre las capas concéntricas de bobinas. Ventajosamente, el uso de las cuñas ayuda a asegurar que los tubos de intercambio de calor no se doblen en los miembros de soporte y que las bobinas tengan una sección transversal sustancialmente circular/que el diámetro de la bobina sea constante.

Normalmente, se usan entre 1 y 10 y más preferiblemente de 3 a 4 cuñas por miembro de soporte. El ancho de las cuñas puede estar entre 20 y 100 mm, entre 40 y 80 mm o más preferentemente alrededor de 60 mm.

Preferiblemente, las cuñas se quitan una vez que se completa la bobina.

A continuación, se describirán realizaciones de la invención, únicamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

En la Figura 1 se muestra una vista en perspectiva de una matriz de intercambio de calor de acuerdo con una realización de la presente invención;

En la Figura 1A se muestra vistas ampliadas de la región A de la Figura 1;

En la Figura 1B se muestra una vista ampliada de la región B de la Figura;

En la Figura 2 se muestra una vista en sección transversal a través de la matriz de intercambio de calor que se muestra en la Figura 1;

En la Figura 3 se muestra una vista en sección transversal a través de un mandril giratorio utilizado para fabricar la matriz de intercambio de calor que se muestra en la Figura 2, donde la matriz de intercambio de calor está en una primera etapa de producción;

En la Figura 4 se muestra una vista en sección transversal a través de un mandril giratorio utilizado para fabricar la matriz de intercambio de calor que se muestra en la Figura 2, donde la matriz de intercambio de calor está en una segunda etapa de producción;

En la Figura 5 se muestra una vista en perspectiva de un mandril rotativo utilizado para fabricar la matriz de intercambio de calor mostrada en la Figura 2, donde la matriz de intercambio de calor está en una tercera etapa de producción; En la Figura 6 se muestra una vista en perspectiva de una matriz de intercambio de calor de la técnica anterior;

En la Figura 7 se muestra una vista en sección transversal de la matriz de intercambio de calor de la técnica anterior que se muestra en la Figura 6;

En la Figura 8a se muestra un segmento de un tubo con aletas externas y

En la Figura 8b se muestra una vista en sección transversal de un segmento de un tubo con aletas externas.

En la Figura 6 se muestra una matriz de intercambio de calor 600 típica de la técnica anterior. La matriz de intercambio de calor comprende una pluralidad de tubos enrollados helicoidalmente, el primero de los cuales está etiquetado como 602. Cada una de las bobinas va desde un cabezal de entrada 604 hasta un cabezal de salida 606. Todas las bobinas de la matriz de intercambio de calor 600 tienen la misma quiralidad y, por lo tanto, están unidas a cada cabezal de entrada y cabezal de salida desde la misma dirección. Por lo tanto, las fuerzas de tensión dentro de las bobinas se combinarán de tal manera que pueden causar una distorsión en la forma de la matriz de intercambio de calor 600.

En la Figura 7 se muestra una vista en sección transversal de la matriz de intercambio de calor 600 de la técnica anterior. Esta vista muestra cómo las bobinas helicoidales de la misma quiralidad también son difíciles de empaquetar de manera eficiente y no se pueden distribuir fácilmente de manera uniforme en toda la matriz de intercambio de calor.

En la Figura 1 se muestra una matriz de intercambio de calor 100 de acuerdo con una realización de la presente invención. La matriz de intercambio de calor 100 comprende primeros tubos de intercambio de calor 102 y segundos tubos de intercambio de calor 104. En la realización que se muestra en las Figuras 1, 1A, 1B y 2, hay ocho primeros tubos de intercambio de calor 102a, 102b, 102c, 102d, 102e, 102d, 102e, 102f y seis segundos tubos de intercambio de calor 104a, 104b, 104c, 104d, 104e, 104f. Cada uno de los tubos de intercambio de calor está dispuesto para transportar un medio de intercambio de calor. El medio de intercambio de calor puede ser agua o cualquier otro fluido adecuado como vapor, aceite, gas.

Cada uno de los primeros tubos de intercambio de calor 102 comprende un tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda. Cada uno de los segundos tubos de intercambio de calor 104 comprende un tubo enrollado helicoidalmente a la derecha. Una hélice a la izquierda se define como una hélice en la que, cuando se ve a lo largo del eje de la hélice, un movimiento de rosca en el sentido de las agujas del reloj mueve la hélice hacia el observador. Una hélice a la derecha se define como una hélice en la que, cuando se ve a lo largo del eje de la hélice, un movimiento giratorio en el sentido de las agujas del reloj aleja la hélice del observador.

Los tubos de intercambio de calor primero 102 y segundo 104 se fabrican enrollando un tramo recto de tubo en una bobina helicoidal. A medida que se enrolla el tubo, se genera una tensión elástica dentro de cada tubo que actúa para devolver el tubo a su forma original. La tensión elástica generada dentro de los primeros tubos de intercambio de calor 102 actuará en una dirección opuesta a la que se encuentra en las segundas bobinas de intercambio de calor 104 debido a que los tubos están enrollados en hélices a la izquierda y a la derecha. El primer 102 y el segundo 104 tubos de intercambio de calor están interconectados de manera que la tensión elástica en los primeros tubos de intercambio de calor 102 se opone a la tensión elástica en los segundos tubos de intercambio de calor 104. Por lo tanto, las tensiones elásticas están equilibradas y al menos parcialmente canceladas y se reduce de esta manera la tensión general dentro de la matriz de intercambio de calor 100.

Las primeras bobinas de intercambio de calor 102 y las segundas bobinas de intercambio de calor 104 están dispuestas coaxialmente de manera que la matriz de intercambio de calor 100 se compone de capas de bobinas helicoidales concéntricas. Cada capa de la matriz de intercambio de calor 100 está formada por primeros tubos de intercambio de calor 102 (que tienen una hélice a la izquierda) o segundos tubos de intercambio de calor 104 (cada uno con una hélice a la derecha). Cada capa de tubos de intercambio de calor rodea la capa anterior, es decir, el radio de curvatura de las bobinas helicoidales de cada capa aumenta más allá del eje central). La composición de cada capa alterna entre estar formada solo por los primeros tubos de intercambio de calor 102 y solo por los segundos tubos de intercambio de calor 104. En la realización de las Figuras 1, 1A, 1B y 2, la capa más interna comprende un par bobinas helicoidales a la izquierda 102a, 102b. La siguiente capa comprende un par de bobinas helicoidales a la derecha 104a, 104b. La tercera capa comprende un par de bobinas a la izquierda 102c, 102d y así sucesivamente hasta la séptima capa, que comprende un par de bobinas a la izquierda 102g, 102h. Por lo tanto, hay cuatro capas de primeros tubos de intercambio de calor 102 y tres capas de segundos tubos de intercambio de calor 104. En otras realizaciones, puede haber un número igual de capas de primeros tubos de intercambio de calor 102 y segundos tubos de intercambio de calor 104.

En otras realizaciones, cada capa puede comprender solo un tubo de intercambio de calor primero 102 o segundo 104. En otras realizaciones, cada capa puede comprender cualquier otro número adecuado de primeros 102 o segundos 104 tubos de intercambio de calor dependiendo del requisito de tamaño de la matriz de intercambio de calor. Por ejemplo, cada capa puede comprender 3, 4, 5, 6 o más primeros o segundos tubos de intercambio de calor.

Los tubos de intercambio de calor primero 102 y segundo 104 están interconectados a través de miembros de soporte 106, que en esta realización son rígidos, dispuestos para sujetar los tubos helicoidalmente enrollados 102, 104 en una forma fija. En la realización que se muestra en la figura 1, 1A, 1B y 2, hay seis miembros de soporte 106a, 106b, 106c, 106d, 106e, 106f. En otras realizaciones puede haber cualquier otro número adecuado de miembros de soporte.

Cada uno de los miembros de soporte 106 comprende una ménsula de soporte que define aberturas dispuestas para recibir cada vuelta de los tubos helicoidalmente enrollados 102, 104. Los miembros de soporte 106 están dispuestos para mantener los tubos de intercambio de calor 102, 104 en su forma enrollada.

En realizaciones en las que los tubos de intercambio de calor tienen aletas, los miembros de soporte 106 tienen un ancho suficiente para soportar una pluralidad de aletas.

Los tubos de intercambio de calor se bloquean mecánicamente a los miembros de soporte para asegurarlos en su posición, quizás a través de una espiga que depende de los miembros de soporte 106. En algunas realizaciones, los tubos de intercambio de calor pueden tener un ajuste de fricción apretado con las aberturas del miembro de soporte para fijarlos en su sitio. Como los tubos se fijan a los miembros de soporte, pueden interconectarse de forma más eficaz de modo que las fuerzas de tensión elásticas puedan equilibrarse. Los miembros de soporte pueden comprender dos partes, cada una de las cuales tiene una serie de muescas dispuestas para recibir las vueltas de las bobinas a medida que se enrollan. Cuando las dos partes se unen, las muescas se cierran para formar aberturas para fijar las bobinas en su lugar. De esta manera, cada muesca puede comprender un rebaje de forma complementaria dispuesto para recibir una parte de un tubo de intercambio de calor.

La matriz de intercambio de calor 100 comprende además un cabezal de entrada 108 y un cabezal de salida 110. Los cabezales 108, 110 están dispuestos para proporcionar una entrada o salida para un medio de intercambio de calor en los tubos. El cabezal de entrada 108 está conectado a un primer extremo de cada uno de los tubos de intercambio de calor primero 102 y segundo 104. El cabezal de salida 110 está conectado a un segundo extremo de cada uno de los tubos de intercambio de calor primero 102 y segundo 104. Por lo tanto, el medio de intercambio de calor puede fluir hacia un extremo de los tubos a través del cabezal de entrada, a través de los tubos de manera que se produzca el intercambio de calor, y luego salir de los tubos a través del cabezal de salida.

Como se puede ver más claramente en las Figuras 1 b, cada uno de los primeros tubos de intercambio de calor 102 está conectado al cabezal de salida 110 desde una dirección opuesta (es decir, desde cualquier lado de un eje vertical, como se ve en la figura, a través del cabezal) para cada uno de los segundos tubos de intercambio de calor 104. De manera similar, cada uno de los segundos tubos de intercambio de calor 104 está conectado al cabezal de entrada 108 desde una dirección opuesta (es decir, desde cualquier lado de un eje vertical, como se ve en la figura, a través del cabezal) a cada uno de los primeros tubos de intercambio de calor 102. Esto mejora el acceso a los tubos de intercambio de calor y les permite soldarlos más fácilmente, o unirlos de otro modo, a los colectores de entrada 108 y salida 110. La unión de los tubos de intercambio de calor desde direcciones opuestas también puede permitir que las tensiones elásticas dentro de los primeros tubos de intercambio de calor 102 que actúan sobre los cabezales 108, 110 se opongan a las tensiones elásticas dentro de los segundos tubos de intercambio de calor 104.

Cada uno de los primeros tubos de intercambio de calor 102 tiene sustancialmente la misma longitud que cada uno de los segundos tubos de intercambio de calor 104. Esto significa que el medio de intercambio de calor viaja la misma distancia en cada uno de los tubos de intercambio de calor y, por lo tanto, pasa la misma cantidad de tiempo en cada uno de los tubos de intercambio de calor si el medio de intercambio de calor viaja a la misma velocidad. Como resultado, la energía impartida al medio de intercambio de calor es sustancialmente la misma para cada uno de los tubos de intercambio de calor.

Para permitir que los tubos de intercambio de calor 102, 104 tengan sustancialmente la misma longitud, el primer tubo de intercambio de calor 102 comprende un tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda que tiene un paso que es diferente al del segundo tubo de intercambio de calor 104. El paso de las bobinas helicoidales aumenta en cada capa consecutiva que se mueve hacia afuera desde el eje central. El radio de curvatura helicoidal creciente en las bobinas más alejadas del eje central se contrarresta, por lo tanto, con un cambio en el paso que reduce el número de vueltas requeridas en la bobina.

En algunas realizaciones (no mostradas en las Figuras 1 y 2), uno o ambos de los tubos de intercambio de calor primero 102 y segundo 104 comprenden aletas externas u otras protuberancias similares. Normalmente, ambos tubos de intercambio de calor comprenden aletas externas. Estos aumentan el área superficial de los tubos de intercambio de calor para mejorar la eficiencia del intercambio de calor. En algunas realizaciones, las aletas o protuberancias también pueden acoplarse con el miembro de soporte (es decir, están dispuestas a ambos lados del miembro de soporte en la posición en la que se conecta al tubo de intercambio de calor) para ayudar a mantener el tubo fijo en relación con el miembro de soporte.

En las Figuras 8a y 8b se muestran esquemas de los segmentos 800a, 800b de los tubos 102 y/o 104 en una realización en la que uno o ambos tubos comprenden aletas externas 802a, 802b. En la realización mostrada en las Figuras 8a y 8b, las aletas externas 802a, 802b son aletas en espiral. En la realización mostrada, las vueltas de las aletas externas 802a, 802b están equiespaciadas a lo largo del tubo. Las vueltas individuales de la aleta en espiral se denominan aletas externas a continuación para fines de simplicidad. El experto en la materia comprenderá que la separación equitativa de las aletas externas no es una característica necesaria, pero puede ser preferible para una distribución uniforme del calor en algunas realizaciones.

En la realización mostrada en las Figuras 8a y 8b, las aletas externas 802a, 802b son sustancialmente paralelas entre sí y sustancialmente perpendiculares a la superficie del tubo. La persona experta comprenderá que, cuando los tubos 102, 104 se enrollan, las superficies de los tubos se doblan. El ángulo entre la superficie del tubo y las aletas externas 802a, 802b puede cambiar a medida que se enrollan los tubos, de modo que las aletas externas adyacentes pueden dejar de ser paralelas entre sí e incluso pueden tocarse dentro de la circunferencia interna del tubo enrollado 102, 104. La persona experta entenderá que la extensión de la desviación de posicionamiento y ángulo de lo que se muestra en las Figuras 8a y 8b depende del radio de curvatura de los tubos 102, 104 una vez enrollados, el diámetro de los tubos 102, 104 y la profundidad de la externa aleta 802a, 802b.

En algunas realizaciones, los miembros de soporte 106 son suficientemente anchos (es decir, tienen un ancho suficiente) para soportar más de una aleta externa 802a, 802b en cada vuelta de los tubos enrollados helicoidalmente 102, 104 que se reciben.

En la realización mostrada en las Figuras 1, 1A, 1B y 2, los tubos de intercambio de calor primero 102 y segundo 104 son de sección transversal circular y tienen un diámetro de entre aproximadamente 21,3 mm y 168,3 mm. El radio de curvatura del tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda y el tubo enrollado helicoidalmente a la derecha está entre alrededor de1 m y 4 m.

En la realización mostrada en las Figuras 1, 1A, 1B y 2, las aletas externas 802a, 802b del primer 102 y segundo 104 tubos de intercambio de calor tienen alturas de entre aproximadamente 10 mm y 240 mm, y más preferiblemente entre 20 mm y 50 mm.

La matriz de intercambio de calor 100 puede ensamblarse en una unidad de intercambio de calor encerrando los tubos de intercambio de calor en un conducto a través del cual pasa el gas de escape.

En las Figuras 3 y 4 se muestra un método para producir la matriz de intercambio de calor 100 utilizando un mandril giratorio 200. El mandril 200 comprende un medio de accionamiento 202 que está dispuesto para girar una parte de rodillo 204. La parte giratoria tiene una forma sustancialmente cilíndrica y gira mediante un eje 205 alrededor del eje central XX mostrado en las Figuras 3 y 4. De esta manera, se apreciará que la línea XX se encuentra sustancialmente a lo largo de una dirección axial de la matriz que se forma por el método. El eje 205 es impulsado en un extremo por el medio de accionamiento 202 y soportado en el otro por un medio de soporte 206. El marco de soporte de la bobina 208 se proporciona en los extremos de la parte rodante 204 para mantener los tubos de intercambio de calor en su sitio.

El método para producir la bobina de intercambio de calor comprende los siguientes pasos:

(a) Un primer miembro de soporte 212 está unido a la porción de rodillo 204, alineado con su longitud paralela al eje de rotación XX. En otras realizaciones, puede haber más de un primer miembro de soporte, dispuesto alrededor de la circunferencia de la porción de rodillo 204. En la realización que se describe, hay 6 miembros de soporte, pero en otras realizaciones puede haber normalmente 3, 4, 5, 7, 8, 10, 12, miembros de soporte.

El primer miembro de soporte 212 está dispuesto para recibir el primer tubo de intercambio de calor 102 a medida que se enrolla sobre la porción de rodillo 204. El primer miembro de soporte 212 comprende una serie de ranuras o muescas dispuestas para recibir cada vuelta del primer tubo de intercambio de calor 102.

(b) Un extremo del primer tubo de intercambio de calor 102 se sujeta al primer miembro de soporte 212 hacia un primer extremo 210 de la parte de rodillo 204.

(c) A medida que gira la parte del rodillo 204, el primer tubo de intercambio de calor 102 se alimenta hacia la parte del rodillo 204 mientras mueve simultáneamente el punto de alimentación (el punto en el que se sujeta al miembro de soporte) a lo largo del rodillo 204 en una primera dirección (mostrada por la flecha marcada con Y en la figura 3) paralela al eje central XX de rotación. Esto enrolla el primer tubo de intercambio de calor en una bobina helicoidal alrededor de la porción de rodillo 204, con cada vuelta de la bobina mantenida en su lugar al ser recibida por las muescas del primer miembro de soporte 212.

(d) Una vez que el primer tubo de intercambio de calor 102 se ha enrollado en una bobina helicoidal, se une un segundo miembro de soporte 213 al primer miembro de soporte 212, dispuesto para recibir un segundo tubo de intercambio de calor 104. Los miembros de soporte primero 212 y segundo 213 están fijados juntos para cerrar las muescas del primer miembro de soporte 212 y asegurar el primer tubo de intercambio de calor 102 en su lugar. El segundo miembro de soporte 213 está dispuesto para recibir el segundo tubo de intercambio de calor 104 a medida que se enrolla sobre la parte de rodillo 204. El segundo miembro de soporte 213 comprende una serie de ranuras o muescas dispuestas para recibir cada vuelta del segundo tubo de intercambio de calor 104.

(e) Un extremo del segundo tubo de intercambio de calor 104 se sujeta al segundo miembro de soporte 213 hacia un segundo extremo 211 de la parte del rodillo 204. El primer extremo 210 es opuesto al primer extremo 211, es decir, en los extremos distales de la parte del rodillo 204.

(f) Mientras gira el rodillo en la misma dirección, el segundo tubo de intercambio de calor 104 se alimenta hacia la parte del rodillo 204 y el punto de alimentación se mueve simultáneamente a lo largo del rodillo en una segunda dirección paralela al eje de rotación (mostrado por la flecha marcada Z en la Figura 4). Esto enrolla el segundo tubo de intercambio de calor 104 en una bobina helicoidal alrededor de la porción de rodillo 204, con cada vuelta de la bobina mantenida en su lugar por las muescas del segundo miembro de soporte 213.

Convenientemente, se colocan cuñas periódicamente sobre el tubo de intercambio de calor interno y se enrolla un tubo de intercambio de calor externo alrededor del mismo. Típicamente, la cuña se coloca en posiciones intermedias entre los miembros de soporte y ayuda a asegurar que los tubos se doblen entre los miembros de soporte y tomen una forma curva, cuando gire el mandril 200. Las cuñas pueden quitarse o no después de que se haya fabricado la matriz de intercambio de calor.

Como la primera dirección (flecha Y) es opuesta a la segunda dirección (flecha Z), el primer tubo de intercambio de calor 102 se enrolla en una bobina helicoidal dentro de una quiralidad opuesta a la del segundo tubo de intercambio de calor 104 (es decir, uno forma una hélice a la izquierda y el otro una hélice a la derecha).

Los pasos (a) a (f) anteriores pueden repetirse para construir una matriz de intercambio de calor que comprenda una pluralidad de las bobinas de intercambio de calor primera 102 y/o segunda 104 en una pluralidad de capas concéntricas como se muestra en la Figura 5. Puede ser visto con referencia a la Figura 5 que cada miembro de soporte tiene una longitud a lo largo de la longitud circunferencial de una bobina tal que el o cada miembro de soporte soporta una pluralidad de aletas.

La Figura 5 también tiene etiquetados para facilitar la referencia dos ejes: la dirección axial 500 de las bobinas y la matriz; y la dirección radial 502 de las bobinas y la matriz. Cuando se hace referencia a los miembros de soporte y las cuñas, es conveniente pensar que la altura de los mismos está en la dirección radial 502 y el ancho está sustancialmente en la dirección circunferencial de una bobina sostenida por la cuña/miembro de soporte.

En el paso (b), una pluralidad de primeros tubos de intercambio de calor 102 se puede sujetar al primer miembro de soporte 212 de modo que cada capa concéntrica comprenda una pluralidad de primeras bobinas de intercambio de calor 102. De manera similar, en el paso (e), una pluralidad de segundos tubos de intercambio de calor los tubos de intercambio 104 pueden sujetarse al segundo miembro de soporte 213 de modo que cada capa concéntrica comprenda una pluralidad de primeras bobinas de intercambio de calor 104.

Durante los pasos (c) y (f), se aplica una fuerza de tracción desde la porción de rodillo 204 a los tubos de intercambio de calor 102, 104. La fuerza de tracción ayuda a garantizar que los tubos de intercambio de calor 102, 104 se enrollen firmemente. Si los tubos de intercambio de calor 102, 104 se enrollan con demasiada holgura, la bobina puede salirse de los miembros de soporte 212 y no conservar la forma deseada.

Para controlar el paso de cada una de las bobinas helicoidales, se puede ajustar la separación entre las muescas de los miembros de soporte. Al aumentar la separación de las muescas a lo largo de la parte giratoria 204, aumentará el paso de la bobina helicoidal enrollada sobre la misma.

Varias modificaciones serán evidentes para el experto en la materia. Por ejemplo, la primera dirección Y y la segunda dirección Z podrían ser las mismas, es decir, los tubos de intercambio de calor primero y segundo se enrollan en la parte de rodillo 204 desde el mismo extremo. En este caso, la dirección de rotación de la porción de rodillo 204 se puede invertir entre cada capa para producir bobinas helicoidales con quiralidad opuesta.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una matriz de intercambio de calor (100) para usar en una unidad de intercambio de calor para recuperar energía de un gas de escape de una planta de energía, donde la matriz (100) comprende:

un primer tubo de intercambio de calor (102) y un segundo tubo de intercambio de calor (104), cada uno dispuesto para transportar un medio de intercambio de calor y donde además cada uno comprende una serie de aletas externas (802); y donde el primer tubo de intercambio de calor comprende un tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda (102) que tiene una primera tensión elástica, y la segunda bobina de intercambio de calor comprende un tubo enrollado helicoidalmente a la derecha (104) que tiene una segunda tensión elástica, y donde los tubos de intercambio de calor primero (102) y segundo (104) están interconectados y bloqueados mecánicamente por al menos un miembro de soporte rígido (106; 212, 213) dispuesto para sostener los tubos enrollados helicoidalmente (102, 104) en una forma fija de tal manera que la primera tensión elástica se opone a la segunda tensión elástica y

donde el o cada miembro de soporte (106) tiene una longitud a lo largo de la circunferencia de la bobina tal que el o cada miembro de soporte (106) soporta una pluralidad de aletas externas (802).

2. Una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con la reivindicación 1, donde el miembro de soporte (106) comprende al menos una ménsula de soporte que define aberturas dispuestas para recibir cada vuelta de los tubos enrollados helicoidalmente (102'104).

3. Una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un cabezal (108, 110) conectado a una región de extremo del primer y una región de extremo del segundo tubo de intercambio de calor, el cabezal (108, 110) dispuesto para proporcionar una entrada o salida para un medio de intercambio de calor en los tubos (102, 104) y preferiblemente donde el primer y segundo tubo de intercambio de calor (102, 104) están conectados al cabezal (108, 110) desde direcciones opuestas.

4. Una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer tubo de intercambio de calor (102) tiene sustancialmente la misma longitud que el segundo tubo de intercambio de calor (104).

5. Una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer tubo de intercambio de calor (102) comprende un tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda que tiene un primer paso y el segundo tubo de intercambio de calor (104) comprende un tubo enrollado helicoidalmente a la derecha que tiene un segundo paso, donde el primer paso no es igual al segundo paso.

6. Una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer tubo de intercambio de calor (102) y el segundo tubo de intercambio de calor (104) están dispuestos coaxialmente.

7. Una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer tubo de intercambio de calor (102) rodea al segundo tubo de intercambio de calor (104), o viceversa, y preferiblemente que comprende además una pluralidad de primeros y/o segundos tubos de intercambio de calor (102, 104) dispuestos en una pluralidad de capas concéntricas y, opcionalmente, donde cada una de las capas concéntricas comprende una pluralidad de tubos enrollados helicoidalmente a la izquierda, cada uno con el mismo radio de curvatura, o una pluralidad de tubos enrollados helicoidalmente a la derecha, cada uno con el mismo radio de curvatura.

8. Una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con la reivindicación 7, donde las capas concéntricas alternan entre comprender primeros tubos de intercambio de calor (102) y comprender segundos tubos de intercambio de calor (104) y preferiblemente comprender un número igual de primeros y segundos tubos de intercambio de calor (102, 104).

9. Una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el primer y el segundo tubo de intercambio de calor (102, 104) son de sección transversal circular y tienen un diámetro de aproximadamente entre 21 mm y 168 mm o donde el radio de curvatura del tubo enrollado helicoidalmente a la izquierda y el tubo enrollado helicoidalmente a la derecha es de entre 1 m y 4 m.

10. Una unidad de intercambio de calor que comprende la matriz de intercambio de calor (100) de cualquier reivindicación anterior.

11. Un método para fabricar una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con la reivindicación 1, donde la matriz (100) comprende una pluralidad de tubos de intercambio de calor (102, 104), cada uno de los cuales tiene una pluralidad de aletas externas (802), donde el método comprende el uso de un mandril giratorio (200) y los pasos de:

(a) proporcionar al menos un primer miembro de soporte rígido (106) en una porción de rodillo (204) del mandril para recibir un primer tubo de intercambio de calor;

(b) sujetar un extremo de un primer tubo de intercambio de calor (102) al primer miembro de soporte (212);

(c) girar el rodillo (204), mientras alimenta el primer tubo de intercambio de calor (102) a lo largo del rodillo (204) en una primera dirección para formar el primer tubo de intercambio de calor (102) en una primera bobina helicoidal;

(d) unir un segundo miembro de soporte rígido (213), dispuesto para recibir un segundo tubo de intercambio de calor (104), al primer miembro de soporte (212);

(e) sujetar un extremo del segundo tubo de intercambio de calor (104) al segundo miembro de soporte (213) y

(f) girar el rodillo (204) en la misma dirección, mientras se alimenta el segundo tubo de intercambio de calor (104) a lo largo del rodillo (204) en una segunda dirección para formar el segundo tubo de intercambio de calor (104) en una segunda bobina helicoidal, donde la primera dirección es opuesta a la segunda dirección, de modo que la primera bobina helicoidal (102) tiene una quiralidad opuesta a la segunda bobina helicoidal (104) y donde los miembros de soporte primero y segundo (212, 213) sostienen los tubos enrollados helicoidalmente (102, 104) en una forma fija tal que la primera tensión elástica se opone a la segunda tensión elástica y donde el o cada miembro de soporte (212, 213) tiene una longitud a lo largo de la circunferencia de la bobina tal que el o cada miembro de soporte ( 212, 213) soporta una pluralidad de aletas.

12. Un método para fabricar una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con la reivindicación 11, donde el método comprende además repetir los pasos (a) a (f) para proporcionar una matriz de intercambio de calor (100) que comprende una pluralidad de las primeas y/o las segundas bobinas de intercambio de calor (102, 104) en una pluralidad de capas concéntricas.

13. Un método para fabricar una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con la reivindicación 11 o la reivindicación 12, donde el paso (b) comprende sujetar una pluralidad de primeros tubos de intercambio de calor (102) al primer miembro de soporte (212) de modo que cada capa concéntrica comprenda una pluralidad de primeras bobinas de intercambio de calor.

14. Un método para fabricar una matriz de intercambio de calor (100) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, donde el paso (e) comprende sujetar una pluralidad de segundos tubos de intercambio de calor (104) al segundo miembro de soporte (213) de modo que cada capa concéntrica comprenda una pluralidad de segundas bobinas de intercambio de calor.

15. Un método para fabricar una matriz de intercambio de calor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, donde se colocan cuñas en posiciones intermedias entre los miembros de soporte (212, 213) a medida que se enrollan los tubos (102, 104).