ES2968204T3 - Ensamblajes de cierre de intercambiadores de calor y métodos de uso e instalación de los mismos - Google Patents

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Richard Jibb
Trevor Jaye
Henk Boekhouder
Robert Groppi
Vincenzo Brignone
Randy Eberly
David Creech
Elizabeth Meacham
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Lummus Technology LLC
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Abstract

Un conjunto de intercambiador de calor que incluye un recinto de intercambiador de calor tubular alargado que define una cámara interior. Una placa de tubos está situada dentro de la cámara interior del recinto del intercambiador de calor, separando la cámara interior en un lado de la carcasa y un lado del canal. La porción interior está configurada para recibir de manera extraíble un haz de tubos colocado dentro del lado de la carcasa de la cámara interior. Un miembro de manguito anular está colocado dentro del lado del canal de la cámara interior del recinto del intercambiador de calor. Un miembro de torsión elástico anular está colocado dentro del lado del canal de la cámara interior del intercambiador de calor de manera que el miembro de manguito esté colocado entre la placa tubular y el miembro de torsión elástico. El miembro de torsión elástico tiene una circunferencia interior desviable con respecto a su circunferencia exterior para torcer el miembro de torsión elástico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Ensamblajes de cierre de intercambiadores de calor y métodos de uso e instalación de los mismos
Campo de la invención
Los modos de realización divulgadas se refieren a ensamblajes de cierre de intercambiadores de calor y métodos para el uso e instalación de estos, y más particularmente a sistemas de cierre y métodos para sellar intercambiadores de calor de tipo carcasa y tubos de alta presión que tienen paquetes de tubos extraíbles, y aún más particularmente a ensamblajes de cierre de intercambiadores de calor que están configurados para acomodar cargas térmicas variables que tienen un ensamblaje de tapón de cierre que se fija al canal del intercambiador de calor mediante un ensamblaje de bloqueo.
Antecedentes de la invención
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos constituyen la mayor parte del equipo de transferencia de calor sin combustión en plantas químicas, refinerías de petróleo, plantas de vapor e instalaciones similares. Los paquetes de tubos de intercambiadores de calor, tal como los que tienen tubos en U y un cabezal flotante, o que tienen paquetes no extraíbles con placas tubulares fijas se encuentran entre los intercambiadores más populares de los principales tipos de intercambiadores de calor de carcasa y tubos que se utilizan actualmente. En l práctica, usualmente es conveniente tener un paquete de tubos de manera tal que el intercambiador de calor pueda extraerse periódicamente del servicio, en donde se retira el paquete de tubos para su limpieza e inspección y luego se vuelve a montar. También puede ser conveniente evaluar hidrostática o neumáticamente el lado de la carcasa de los intercambiadores de calor tubulares, con paquetes de tubos extraíbles, para poder inspeccionar o verificar las uniones de tubos y las juntas de placa tubular y ubicar y reparar fácilmente las fugas. Para retirar el paquete, debe disponerse de un cierre que pueda abrirse con rapidez y fiabilidad tras un largo período de funcionamiento bajo cargas térmicas y de presión variables. Los problemas relacionados con el desmontaje, la extracción, las pruebas hidrostáticas y neumáticas y el reensamblaje son especialmente graves cuando el intercambiador de calor tubular es relativamente grande (más de 36 pulgadas de diámetro) y está destinado a operaciones de alta presión que superan los 68,9 bar (1000 psi), ya que el peso de los componentes necesarios aumenta. Un tipo particular de cierre que se ha desarrollado para este propósito es un "tapón de rosca" también conocido como cierre tipo "bloque de cierre" que utiliza una pluralidad de roscas entrelazadas para asegurar un ensamblaje de cubierta de anillo de bloqueo en su lugar. La ventaja principal de este tipo de sistema es que elimina la gran brida de la tapa del canal y el atornillado de otros diseños de intercambiadores de alta presión convencionales. Hay dos clasificaciones comunes de intercambiadores de calor del tipo tapón roscado descritos en el estado de la técnica En aplicaciones en las que las presiones superan los 68,9 bar (1000 psi) a ambos lados de la placa tubular, de forma que la propia placa tubular solamente esté sometida a una presión diferencial más baja, es posible proporcionar un cierre "estilo A" totalmente extraíble, por medio del cual el paquete puede retirarse sin quitar la cubierta de la carcasa. Si la presión diferencial es demasiado alta, puede ser más conveniente quitar la cubierta de la carcasa para acceder al paquete, en cuyo caso se puede utilizar un cierre "estilo B".
Además, los ensamblajes de cierre utilizados en los intercambiadores de calor de este tipo deben ser lo suficientemente rígidos como para contener la presión interna sin que se produzca un movimiento significativo del ensamblaje de cierre con respecto al canal, ya que esto provocaría el desacoplamiento parcial o total de las roscas utilizadas para fijar el ensamblaje de cierre. Sin embargo, el ensamblaje debe ser lo suficientemente flexible para adaptarse a las cargas térmicas previstas durante el funcionamiento. Las cargas térmicas previstas son cambios de temperatura a lo largo del tiempo que pueden producirse durante la puesta en marcha inicial o después de reparaciones, o en caso de avería o desconexión de la planta, cualquiera de cuyos eventos singulares puede dar lugar a una expansión térmica diferencial de los componentes internos con respecto al canal. Las cargas térmicas, si no se tienen en cuenta adecuadamente en uno o más modos de realización, pueden causar a su vez una deformación plástica desigual de los elementos internos, de manera tal que la carga de la junta ya no se distribuya uniformemente y eventualmente el ensamblaje comience a tener fugas. En particular, dado que los componentes internos del intercambiador de calor a menudo están sujetos a una mayor expansión térmica que el canal, debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica o al hecho de que las partes internas más delgadas pueden calentarse a un ritmo más rápido que los materiales gruesos del canal, un ensamblaje de cierre rígido no es conveniente si genera: deformación plástica de las partes internas que conduce a la descarga la descarga y fuga de la junta; y una mayor carga en las partes roscadas del ensamblaje de cierre y el canal que puede conducir a la deformación de la rosca. Todas las circunstancias y condiciones de funcionabilidad anteriores han llevado a la adopción de muchas soluciones técnicas diferentes, que solamente han tenido un éxito parcial porque solo han resuelto algunos de los problemas y al mismo tiempo han introducido otros, especialmente para aplicaciones en las que la temperatura, la presión y el tamaño son elevados.
En todas estas soluciones del estado de la técnica, un ensamblaje de anillo de cierre roscado y cubierta (o "tapón de cierre") debe girarse varias veces, normalmente 20 o más, para que las roscas del anillo de cierre se acoplen completamente a las roscas del canal del intercambiador de calor. Esto introduce una consideración especial de manipulación, ya que el ensamblaje del anillo de bloqueo debe centrarse y sostenerse con precisión mientras se encuentra fuera del canal y se gira hasta su posición. En particular, dado que el peso del tapón de cierre no puede descansar sobre las roscas, la precisión de manipulación de una pieza tan pesada (hasta 9525 kg (21000 lb)) requiere una plantilla especializada que se suministra con el intercambiador de calor. Se han desarrollado varios diseños de plantillas. En algunos casos se utiliza un sistema de contrapesos en voladizo para equilibrar el peso del anillo de cierre. En otros casos, la plantilla se fija directamente al canal.
Sin embargo, la plantilla especial no tiene ninguna otra función y puede utilizarse con tan poca frecuencia que el personal que trabaja en el intercambiador carece de experiencia y confía totalmente en las instrucciones proporcionadas por el fabricante. En el peor de los casos, existe un riesgo de daño para el personal de plata en el intercambiador si el ensamblaje pesado no se asegura a la plantilla de forma apropiada. Siempre existe el riesgo de que el tapón de cierre se atasque o de que las roscas se dañen durante su inserción o extracción. Esto es especialmente cierto cuando el tapón de cierre se inserta por primera vez en el canal del intercambiador de calor. El tiempo es crucial durante el mantenimiento o las reparaciones de la planta, por lo que cualquier tiempo de inactividad no planificado asociado a un tapón de cierre atascado puede representar una pérdida financiera significativa para la planta o refinería.
La dificultad de manipulación del anillo de bloqueo hace que no sea conveniente insertarlo y extraerlo más de una vez durante una operación de mantenimiento. Es necesario llevar a cabo reparaciones en los tubos, u otros componentes que retienen presión, debe realizarse una prueba hidrostática o neumática del lado de la carcasa sin la cubierta colocada para inspeccionar y garantizar que no haya fugas. Los primeros diseños utilizaban una brida interna temporal para cargar la junta cuando se realizaban pruebas hidráulicas en el lado de la carcasa del intercambiador de calor. Los diseños posteriores, como el que se muestra en la patente estadounidense N.° 4.750.554, proporcionan un mecanismo para aplicar la carga de la brida interna en paralelo con la carga de la fila interior de pernos. En estos últimos diseños, la fila interior de pernos ubicada en el anillo de cierre exterior se utiliza para cargar la junta de placa tubular solamente en caso de fuga. Los componentes internos necesarios para lograr esta función pueden volverse bastante complicados, y mientras el diseño se ha optimizado, la cantidad de partes y la complejidad aumentan el riesgo de que puedan intercambiar calor. Los diseños posteriores, como el que se muestra en la patente estadounidense N.° 4.750.554, proporcionan un mecanismo para aplicar la carga de la brida interna en paralelo con la carga de la fila interior de pernos. En estos últimos diseños, la fila interior de pernos ubicada en el anillo de cierre exterior se utiliza para cargar la junta de placa tubular solamente en caso de fuga. Los componentes internos necesarios para lograr esta función pueden volverse bastante complicados, y mientras el diseño se ha optimizado, la cantidad de partes y la complejidad aumentan el riesgo de que puedan instalarse incorrectamente, además de introducir más costos de fabricación. Dado que la brida interna está en contacto con el fluido del proceso, los pernos pueden corroerse o cubrirse de formaciones de coque y puede ser necesario cortarlos o perforarlos. Además, la dilatación térmica diferencial de los componentes internos puede dañar o deformar el ensamblaje de la brida interna, lo que conduce a dificultades en la extracción y reutilización del ensamblaje. El documento US 2009/0095453 A1, en la que se basa el preámbulo de la reivindicación 1, divulga un dispositivo de sellado para una placa tubular interna de intercambiadores de calor tubulares que comprende una junta instalada entre un hombro y una placa tubular, en donde la junta tiene una estructura en espiral sin anillos metálicos y sin ranura de fijación en los componentes adyacentes. En el lado exterior de la placa tubular, hay una caja acanalada cuya cara interior descansa sobre un hombro proporcionado en un diámetro externo de la placa tubular, mientras que la cara exterior de la caja acanalada tiene un diámetro reducido y está dispuesta para alinearse con la línea central de los pernos de empuje; la cara exterior de la caja acanalada descansa contra un anillo anular y está unida a él, y los pernos de empuje están proporcionados de orificios roscados que llegan hasta la cara exterior de una brida interna. Los pernos de empuje, al apretarse, cargan el anillo anular, que a su vez carga la junta de estanqueidad a través de la caja de canalización y la placa tubular. El objetivo de US 2002/0144806 A1 es proporcionar un intercambiador de temperatura con una estructura sencilla que permita la refrigeración del aire de sobrealimentación y la absorción de cualquier expansión/contracción de la tubería de agua de refrigeración y de la carcasa atribuible al calor del aire de sobrealimentación. En particular, la entrada y salida de los tubos de un intercambiador de calor alojado dentro de un espacio de refrigeración formado dentro de una carcasa se insertan en partes cilíndricas de inserción de tubos formadas en la carcasa. Los huecos existentes entre las tuberías de entrada/salida y las partes de inserción se sellan mediante elementos de sellado constituidos cada uno de ellos por un material elástico formado en una forma cilíndrica escalonada que tiene una primera parte cilíndrica colocada en contacto completo con una de las partes de inserción de la tubería y una segunda parte cilíndrica colocada en contacto completo con cualquiera de las tuberías de entrada/salida, que también se utilizan para encajar el intercambiador de calor en la carcasa con un hueco. El documento US 3114415 A se refiere a mejoras en la construcción de intercambiadores de calor de carcasa y tubos en los que el fluido a calentar o enfriar es de naturaleza corrosiva. El documento EP 0 097 324 A2 describe un dispositivo que comprende un anillo de segmento que puede insertarse de manera eficaz en una ranura circunferencial formada en una parte de cámara de cabecera de intercambiador y que tiene, en dirección radial, una dimensión tal que incluye, dentro de la parte anular que sobresale de la ranura de la parte de cámara del cabezal, pequeños cilindros que presionan contra la zona periférica de la placa tubular, una orejeta circunferencial que está además provista en la placa tubular y que puede asociarse a la superficie interior del anillo de segmento. El documento US 4 750 554 A se refiere a un ensamblaje de aparato de sellado interno de placa tubular para intercambiadores de calor tubulares que funcionan con presiones de, por ejemplo, más de 1000 psi a ambos lados de la placa tubular y en donde la propia placa tubular suele estar sometida a una presión diferencial más baja. Tal aparato comprende medios de carga de la placa tubular que incluyen una pluralidad de ensamblajes de medios de corte y pernos que pueden cargar la junta de placa tubular independientemente entre sí. Los medios de carga de la placa tubular permiten inspeccionar la estanqueidad de la junta de placa tubular y de las juntas de los tubos durante las pruebas hidráulicas de presión diferencial del lado de la carcasa sin el ensamblaje de cubierta del canal montado en su lugar y la recarga "en servicio" de la junta de placa tubular sin retirar el ensamblaje de cubierta del canal. El documento US 3526275 A divulga un ensamblaje de paquete de tubos con características de sello de deflector y cabezal para su uso en combinaciones de aparatos de transferencia de calor de tubos de plástico. El documento GB 2 041 191 A divulga un intercambiador de calor provisto de un paquete de tubos paralelos fijados en su extremo a una placa tubular. La placa tubular se mantiene en su lugar en el intercambiador de calor con la ayuda de una brida del prensaestopas, en donde la brida del prensaestopas se fija por medio de pernos que presionan la brida del prensaestopas por medio de un elemento de soporte contra un collar de la carcasa del intercambiador de calor. Por lo tanto, el estado de la técnica no aborda el problema de la manipulación del tapón de cierre durante la inserción/extracción y permite realizar pruebas de presión a la vez que mantiene un diseño más sencillo de los elementos internos.
Aunque un intercambiador de calor de tapón de cierre roscado puede cumplir los códigos de diseño aplicables con respecto a las piezas que contienen presión, hay otros componentes dentro del límite de presión del diseño del equipo que repercutirán en la fiabilidad y el costo del ciclo de vida de este tipo de equipos. Se necesita un dispositivo que sea lo suficientemente rígido como para limitar el movimiento bajo carga de presión, a la vez que evite daños en las partes internas en condiciones de carga térmica previstas y proporcione una protección a prueba de fallos a la estructura de retención de presión (roscas), etc. en condiciones de carga térmica extremas.
Por lo tanto, hay una necesidad insatisfecha en la técnica de ensamblajes de cierre de intercambiadores de calor que estén configurados para acomodar a diferentes cargas térmicas y que incluyan un anillo de cierre y cubierta que puedan instalarse y extraerse con mayor facilidad según sea necesario y sin el uso de equipo de manipulación especializada.
Sumario de la invención
La invención está definida por las reivindicaciones. Se establecerán la finalidad y las ventajas de los modos de realización ilustradas divulgadas en la descripción que sigue, y serán evidentes a partir de ella. Las ventajas adicionales de los modos de realización ilustradas se realizarán y obtendrán por medio de los dispositivos, sistemas y métodos señalados particularmente en la descripción y reivindicaciones escritas de la presente, así como en los dibujos adjuntos.
Para lograr estas y otras ventajas y de acuerdo con el propósito de los modos de realización ilustradas, en un aspecto, se describen sistemas y métodos de cierre para intercambiadores de calor de tipo carcasa y tubo en los que los ensamblajes de cierre de intercambiadores de calor están configurados para acomodar cargas térmicas variables e incluyen un anillo de cierre que se fija al canal del intercambiador de calor mediante una pluralidad de bujes o roscas entrelazados.
Como se ha señalado anteriormente, los usuarios finales de intercambiadores de calor de carcasa y tubos están especialmente preocupados por los siguientes aspectos: las fugas a través de las juntas que provocan fugas de fluidos de proceso, como hidrógeno/hidrocarburos, al medio ambiente; las fugas de proceso entre los fluidos del lado de la carcasa y del lado del tubo; los tiempos de mantenimiento más largos de lo previsto debido a la adherencia del tapón de cierre durante la inserción/extracción; y la complejidad del gran número de componentes internos y del equipo especializado necesario para sostener el tapón de cierre durante su inserción o extracción.
De acuerdo con ciertos modos de realización ilustrados en la presente, los métodos/sistemas divulgados en la presentes para abrir, cerrar y sellar un intercambiador de calor de alta presión emplean un ensamblaje de cubierta y anillo de cierre (por ejemplo, un tapón de cierre), por medio del cual el tapón de cierre se inserta en el canal del intercambiador de calor con un movimiento lineal y se gira preferentemente menos de una sola vuelta (por ejemplo, una vuelta menos de 360 grados) hasta una posición de bloqueo. Preferentemente, las superficies de soporte de carga (por ejemplo, los bujes) no están en contacto hasta que se aplica la rotación final, lo que bloquea eficazmente el tapón de cierre al intercambiador de calor de alta presión. El canal del intercambiador de calor de alta presión está preferentemente mecanizado con un primer conjunto de bujes y el anillo de cierre está mecanizado con un segundo conjunto complementario de bujes de manera tal que cuando se gire el tapón de cierre, el primer conjunto de bujes se acople de forma segura con el segundo conjunto de bujes. En ciertos modos de realización, puede fijarse un carril adyacente a uno o más conjuntos de bujes en el anillo de bloqueo y/o canal para proporcionar una sección elevada a lo largo de un lado que: (i) evita la rotación excesiva; (ii) proporciona una superficie de soporte para la inserción del ensamblaje del anillo de bloqueo; y (iii) evita daños a las superficies de soporte de carga.
En ciertos modos de realización ilustrativas, el anillo de cierre se mecaniza con un número determinado (por ejemplo, 8) de conjuntos de bujes de anillo de cierre y el canal del intercambiador de calor se mecaniza con un número correspondiente de conjuntos de bujes de canal. Las personas del oficio de nivel medio apreciarán con facilidad que el número de correspondientes conjuntos de bujes puede variar sin apartarse de los aspectos inventivos de la presente divulgación. En ciertos modos de realización ilustrativas, el perfil del buje es una forma de contrafuerte.
Debe apreciarse que ciertas ventajas de los modos de realización ilustradas incluyen un ensamblaje de tapón de cierre que se puede instalar con un solo movimiento lineal y sin la necesidad de una plantilla o herramienta especializada. Solamente una vez que el ensamblaje del tapón de cierre esté en posición y totalmente soportado por el canal del intercambiador de calor, se bloquea en su posición mediante un único giro parcial (por ejemplo, un giro de 22,5° del elemento del tapón). Se elimina el riesgo de que el tapón de cierre se atasque en relación con un canal del intercambiador de calor. Además, la manipulación de un elemento del tapón es más segura, ya que no se requiere rotación hasta que el tapón de cierre esté totalmente soportado en relación con un intercambiador de calor. Para colocar un tapón de cierre en su lugar se pueden utilizar equipos de planta ampliamente disponibles, como grúas, camiones de arrastre de paquetes y carretillas elevadoras, lo que, de este modo, elimina el costo asociado a una plantilla especializada. La instalación es más segura porque el ensamblaje de anillo de cierre/tapón no necesita girar simultáneamente mientras está colgado y centrado utilizando contrapesos o ménsulas, sino que se desliza preferentemente a lo largo de carriles especialmente diseñados que también sirven para proporcionar un tope de rotación. Los carriles están dimensionados para garantizar que el ensamblaje de anillo de cierre del tapón de cierre apoye todo su peso sobre las superficies de soporte de carga de los bujes.
De acuerdo con modos de realización ilustrados, la inserción y extracción del ensamblaje del tapón de cierre puede realizarse más rápidamente que con el diseño roscado del estado de la técnica. Una inserción y extracción más rápidas permiten utilizar elementos internos simplificados, en particular al eliminar la necesidad de una brida interna. En ciertos modos de realización, para bloquear el anillo del ensamblaje del tapón de cierre en su lugar, solamente se requiere un giro parcial (por ejemplo, 22,5°) del ensamblaje del tapón de cierre con respecto al tubo del intercambiador de calor, en contraste con los 20 o más giros completos típicos del diseño del estado de la técnica. Como resultado, se proporciona flexibilidad en la selección de la forma de la superficie de soporte de carga del tapón de cierre para que sea más óptima que la tradicional rosca ACME de 1" utilizada en el estado de la técnica.
Con respecto al diseño y los métodos del estado de la técnica, el apriete de una rosca de tornillo es comparable a introducir una cuña en un hueco hasta que se adhiere por fricción y ligera deformación plástica. Por lo tanto, una rosca debe avanzar una cierta distancia lineal mientras gira para acoplarse completamente. Los diseños del estado de la técnica usaban típicamente una rosca estilo ACME, usualmente en un paso de 1" de manera tal que una vuelta completa haga avanzar el tapón 1 pulgada dentro del canal. Por el contrario, los diseños de buje de los ciertos modos de realización ilustradas de la presente invención son, por ejemplo, una geometría interbloqueada o interdigitada macho-hembra, que se acoplan a través de la rotación en un solamente plano, que utilizan preferentemente una forma de buje (por ejemplo, una configuración de soporte) que es más rígida y más apropiada cuando la fuerza sobre el buje es principalmente en una dirección. Los carriles están proporcionados y configurados en los bujes para garantizar que el anillo de bloqueo del ensamblaje del tapón esté centrado correctamente durante la inserción y no pueda girar en exceso. Los carriles también funcionan para proteger los bujes durante el ensamblaje del elemento de tapón de cierre con el tubo de intercambio de calor.
Por lo tanto, una clara ventaja proporcionada por los modos de realización ilustradas es la eliminación de la necesidad de "plantillas" especializadas necesarias para soportar y centrar un anillo de bloqueo mientras se gira. De acuerdo con los modos de realización ilustradas de la presente invención, la rotación del tapón de cierre se produce una vez que el anillo de cierre del tapón está completamente insertado en el canal, por lo que el diseño del anillo de cierre reduce significativamente el tiempo que se tarda en abrir y cerrar el intercambiador de calor para las operaciones de mantenimiento, elimina la necesidad de equipos/manipulación especiales y, por tanto, reduce el riesgo de que una instalación incorrecta provoque una fuga. Al reducir el tiempo de apertura y cierre, también es posible eliminar una brida interna utilizada con fines de prueba de presión, lo que reduce en gran medida el número de componentes que deben instalarse/quitarse para obtener acceso al paquete de tubos.
Debe apreciarse que los modos de realización ilustradas de la presente invención están dirigidas a construcciones de intercambiadores de calor que permiten la expansión térmica bajo cargas térmicas variables durante el funcionamiento mediante el uso de un elemento de torsión elástica. Al acomodar la expansión térmica prevista con un elemento de torsión elástica, el sellado se puede mantener a través de múltiples ciclos operativos sin ajuste de los pernos de compresión proporciona en un tapón de cierre. Las cargas térmicas previstas incluyen el calentamiento y enfriamiento de componentes debido al arranque, el apagado, las fluctuaciones en los caudales de fluido y eventos poco frecuentes pero previsibles, como una desconexión de la planta o un apagado repentino. En el caso de una carga térmica extrema que provoque que la expansión térmica de las partes internas supere el rango considerado en el diseño, es fundamental proteger los bujes del ensamblaje de cierre contra daños, por lo que el elemento de torsión está diseñado y configurado para deformarse plásticamente por encima de un cierto rango de deflexión elástica. Debe apreciarse que, con los diseños y métodos anteriores, para mantener el sellado de la junta interna de la placa tubular era necesario utilizar procedimientos de ensamblaje especializados, que a menudo implicaban volver a apretar los pernos de compresión durante el funcionamiento. Incluso con estos procedimientos, pueden producirse deformaciones plásticas de los elementos internos durante el funcionamiento debido a la dilatación térmica diferencial. Como ya se ha indicado, la presente invención ha obviado esto.
De acuerdo con ciertos modos de realización ilustrados de la presente invención, los ensamblajes de cierre están diseñados para sellar un intercambiador de calor de carcasa y tubos de alta presión, y están configurados como un tipo de "tapón de rosca", que mantiene un sellado en la placa tubular del intercambiador de calor bajo presión y cargas térmicas variables. El sellado externo del ensamblaje de cierre se realiza preferentemente mediante un ensamblaje de diafragma y junta. El sello de la junta de diafragma se mantiene preferentemente mediante una fila exterior de pernos de empuje, y el sellado interior se realiza preferentemente mediante una segunda junta ubicada en la placa tubular que se carga mediante una fila interior de pernos de empuje. De acuerdo con ciertos modos de realización ilustrados, la carga de sellado interno de una placa tubular de un intercambiador de calor se transmite a través de un anillo de compresión, un elemento de torsión elástica y un elemento de manguito. Debe entenderse que el elemento de torsión elástica pivota en las zonas donde entra en contacto con el elemento de manguito y el anillo de compresión.
Durante un procedimiento de ensamblaje de ciertos modos de realización ilustrados de la presente invención, un paquete de tubos con una junta de placa tubular se inserta en un tubo intercambiador de calor, seguido de un elemento de manguito, un elemento de torsión elástica y, a continuación, el elemento de tapón de cierre preferentemente con un ensamblaje de tapa y anillo de cierre. Además, se proporciona un diafragma y una junta de diafragma adyacentes al tapón de cierre en el tubo del intercambiador de calor para proporcionar un sellado hermético. El elemento de tapón de cierre está asegurado de forma extraíbles a un canal de extremo abierto del tubo intercambiador de calor al girar el elemento de tapón de cierre coaxialmente alrededor del eje longitudinal del intercambiador de calor en un movimiento lineal, y preferentemente girado menos de una sola vuelta para disponerse en una posición bloqueada. Debe apreciarse que las superficies de soporte de carga no están en contacto de carga entre sí hasta que se aplica una rotación final del tapón de cierre.
De acuerdo con ciertos modos de realización ilustrados de la presente invención, las superficies de soporte de carga mencionadas anteriormente del tapón de cierre y el canal del extremo abierto del tubo intercambiador de calor incluyen preferentemente un primer conjunto de bujes proporcionados (por ejemplo, mecanizados) en el tapón de cierre y un segundo conjunto complementario de bujes proporcionados (por ejemplo, mecanizados) en la parte del canal del extremo abierto del tubo intercambiador de calor, de modo que cuando el tapón de cierre se hace girar, el primer conjunto de bujes se engrane (se entrelace) con el segundo conjunto de bujes. Se apreciará que se pueden proporcionar uno o más conjuntos de secciones de buje en el tapón de cierre y/o en el canal de extremo abierto del intercambiador de calor, de modo que incorporen una sección elevada (por ejemplo, un carril) configurada para (i) impedir la rotación excesiva, (ii) proporcionar una superficie de soporte para la inserción del tapón de cierre, y la vez (iii) impedir daños en las superficies de soporte de carga tanto del tapón de cierre como del canal de extremo abierto del tubo del intercambiador de calor.
En aún otro aspecto, se proporciona un ensamblaje de intercambio de calor que incluye una carcasa del intercambiador de calor tubular alargado que define una cámara interior. Dentro de la cámara interior de la carcasa del intercambiador de calor se coloca una placa tubular que separa la cámara interior en un lado de la carcasa y un lado del canal. La parte interior está configurada para recibir de forma extraíble un paquete de tubos colocado dentro del lado de la carcasa de la cámara interior. Un elemento de manguito anular se coloca dentro del lado del canal de la cámara interior de la carcasa del intercambiador de calor. Un elemento de torsión elástica anular se coloca dentro del lado del canal de la cámara interior del intercambiador de calor de manera tal que el elemento de manguito se coloque entre la placa tubular y el elemento de torsión elástica. El elemento de torsión elástica tiene una circunferencia interior desviable en relación con su circunferencia exterior para torcer el elemento de torsión elástica. Además, el intercambiador de calor puede comprender además uno o más de lo siguiente: i) un ensamblaje de partición en donde el elemento de manguito está colocado dentro del lado del canal de la cámara interior de la carcasa del intercambiador de calor para dirigir el fluido desde un puerto que se extiende a través de la carcasa hasta al menos al menos dos o más tubos en un paquete de tubos; ii) una junta de placa tubular colocada entre la placa tubular y un hombro formado dentro de la cámara interior de la carcasa del intercambiador de calor y un anillo de rodamiento colocado dentro de la cámara interior de la carcasa del intercambiador de calor con el elemento de torsión elástica colocado entre el elemento de manguito y el anillo de rodamiento; iii) al menos dos puertos que se extienden a través de la carcasa para permitir que el fluido entre y salga del lado del canal de la cámara interior de la carcasa del intercambiador de calor; iv) el elemento de torsión elástica está configurado para desviarse elásticamente hasta un límite de deflexión elástica y desviarse plásticamente por encima del límite de deflexión elástico de manera tal que el elemento de torsión elástica se desvíe elásticamente para acomodar la expansión térmica diferencial y evitar daños a los componentes del intercambiador de calor cuando el intercambiador de calor está bajo precarga y cargas térmicas y de presión previstas; v) el elemento de torsión elástica está configurado para pivotar en una primera área de contacto donde el elemento de torsión elástica hace contacto con el elemento de manguito y en una segunda área de contacto el elemento de torsión elástica hace contacto con el anillo de rodamiento; vi) el elemento de torsión elástica tiene una sección transversal cuadrilátera con esquinas redondeadas; vii) una pluralidad de elementos de torsión elástica apilados en serie entre sí; viii) el elemento de torsión elástica está configurado para tener un radio externo "A" y un radio interno "B", en donde el radio externo es menor que un radio interno de un canal de la cámara interior configurado para recibir un paquete de tubos, en donde la relación de "A" con respecto a "B" es menor que 3; ix) el elemento de torsión elástica está configurado para tener una altura "H" que es aproximadamente el 50 % de su límite de deflexión elástica, y tiene un espesor "T" de manera tal que el elemento de torsión elástica se deforme plásticamente por encima de su límite de deflexión elástica; x) un ensamblaje de cierre para sellar el lado del canal de la cámara interior de la carcasa del intercambiador de calor, en donde el ensamblaje de cierre incluye un elemento de anillo de bloqueo y un elemento de cubierta que están asegurados de manera extraíble a la carcasa del intercambiador de calor con un ensamblaje de bloqueo; xi) el ensamblaje de bloqueo incluye una pluralidad de secciones de buje de anillo de bloqueo espaciadas configuradas para entrelazarse con secciones de buje de canal correspondientes formadas en una parte de superficie interna cilíndrica de la carcasa del intercambiador de calor; xii) un diafragma colocado con el lado del canal de la cámara interior adyacente al anillo de bloqueo y los elementos de cubierta y una junta de diafragma comprimida contra el diafragma cuando el elemento del anillo de bloqueo está asegurado de manera desmontable a la carcasa del intercambiador de calor; xiii) el ensamblaje de cierre incluye además una pluralidad de primeros elementos de compresión alargados proporcionados a lo largo de una parte de radio externo del ensamblaje de cierre para transmitir una fuerza a un primer anillo de compresión, que transmite una fuerza a una parte de borde del diafragma y a la junta de diafragma y una pluralidad de segundos elementos de compresión alargados proporcionados a lo largo de una parte de radio interno del ensamblaje de cierre para transmitir una fuerza a un segundo anillo de compresión, que transmite una fuerza contra una parte del diafragma provocando que una parte del diafragma se desvíe distalmente desde el elemento de cubierta y hacia el elemento de torsión elástica cuando el ensamblaje de cierre está asegurado de manera extraíble a la carcasa del intercambiador de calor; xiv) la placa tubular, el elemento de manguito, el anillo de rodamiento, el primer y segundo anillo de compresión, el anillo de bloqueo y el primer y segundo elemento de compresión están configurados para permanecer elásticos hasta o por encima de una carga axial total de cargas de precarga, térmicas y de presión cuando el cierre el ensamblaje está asegurado a la carcasa del cambiador de calor; xv) en donde los elementos de compresión alargados están precargados, los elementos de compresión imparten la precarga a través de una primera trayectoria de carga axial a una primera área de contacto del elemento de torsión elástica, que transmite la precarga a través de una trayectoria de carga de torsión a través del elemento de torsión elástica a una segunda área de contacto del elemento de torsión elástica, que transmite la precarga a través de una segunda trayectoria de carga axial a una junta de placa tubular; xvi) en donde la presión de los fluidos de proceso en el intercambiador de calor están dentro de un rango de umbral normal prescrito, el elemento de torsión elástica está configurado para deformarse elásticamente, lo que permite que su circunferencia exterior se mueva axialmente hacia el ensamblaje de cierre, las cargas de presión de los fluidos de proceso en la carcasa del intercambiador de calor reducen la carga sobre el elemento de torsión elástica al deformar el ensamblaje de cierre distal de la placa tubular, y el elemento de torsión elástica está configurado para desviarse elásticamente hasta un límite de deflexión elástica y desviarse plásticamente por encima del límite de deflexión elástico de manera que el elemento de torsión elástica se adapte a la expansión térmica diferencial para evitar daños a los componentes del intercambiador de calor cuando el intercambiador de calor está bajo precarga y cargas térmicas y de presión esperadas.
En aún otro aspecto, se proporciona un proceso para ensamblar un ensamblaje de intercambiador de calor de tubos que incluye proporcionar una carcasa de intercambiador de calor alargado que tiene una cámara interior y que define un eje longitudinal y que tiene un extremo de canal cilíndrico abierto. Se proporciona un ensamblaje de cierre que tiene un ensamblaje de bloqueo configurado para fijar al extremo del canal cilíndrico abierto de la carcasa alargada del intercambiador de calor. El ensamblaje de bloqueo del ensamblaje de cierre se inserta en el extremo del canal cilíndrico abierto axialmente a lo largo del eje longitudinal de la cámara interior del intercambiador de calor de modo que las superficies de soporte de carga de cada uno del ensamblaje de cierre y una pared interior de la carcasa alargada del intercambiador de calor no entren en contacto entre sí. El ensamblaje de cierre se gira alrededor del eje longitudinal de la carcasa alargada del intercambiador de calor para hacer que el ensamblaje de bloqueo se asegure de manera extraíble a un ensamblaje de bloqueo cooperante provisto en la pared interior de la carcasa alargada del intercambiador de calor para hacer que las superficies de soporte de carga entren en contacto entre sí de manera que transfiera una carga entre el ensamblaje de cierre y el intercambiador de calor alargado. Además, el proceso para ensamblar el intercambiador de calor de tubos puede promover uno o más de los siguientes: i) el ensamblaje de cierre se gira menos de 360 grados para provocar que el ensamblaje de bloqueo del ensamblaje de cierre se asegure de manera extraíble al ensamblaje de bloqueo cooperante provisto en la pared interior de la carcasa alargada del intercambiador de calor; ii) el ensamblaje de bloqueo del ensamblaje de cierre y el ensamblaje de bloqueo proporcionado en la pared interior de la carcasa alargada del intercambiador de calor forman cooperativamente un ensamblaje de bloqueo de bayoneta; iii) el ensamblaje de bloqueo de bayoneta incluye una pluralidad de secciones de buje de anillo de bloqueo espaciadas proporcionadas en una parte de superficie exterior del ensamblaje de cierre y una pluralidad de secciones de buje de anillo de bloqueo espaciadas proporcionadas en la pared interior de la carcasa alargada del intercambiador de calor configurado para interdigitar con las correspondientes secciones de buje de canal formadas en el ensamblaje de cierre; iv) antes de insertar el ensamblaje de bloqueo, insertar una junta de placa tubular en el extremo del canal cilíndrico abierto axialmente a lo largo del eje longitudinal de la carcasa del intercambiador de calor alargado para colocarse adyacente a una configuración de hombro de canal formada en la carcasa del intercambiador de calor alargado, insertando una placa tubular en el extremo del canal cilíndrico abierto axialmente a lo largo del eje longitudinal de la carcasa alargada del intercambiador de calor para colocarse adyacente a la junta de placa tubular para definir un lado de la carcasa y un lado del canal dentro de la cámara interior de la carcasa alargada del intercambiador de calor, en donde la cámara interior está configurada para recibir de forma extraíble un paquete de tubos colocado dentro del lado de la carcasa de la cámara interior, que inserta un elemento de manguito anular en el extremo del canal cilíndrico abierto axialmente a lo largo del eje longitudinal de la carcasa alargada del intercambiador de calor que se colocará adyacente a la placa tubular, insertando un elemento de torsión elástica en el lado abierto extremo del canal cilíndrico a lo largo del eje longitudinal de la carcasa del intercambiador de calor alargada para estar colocado adyacente al elemento de manguito, insertando un anillo de soporte en el extremo abierto del canal cilindrico a lo largo del eje longitudinal de la carcasa del intercambiador de calor alargado para estar colocado adyacente al elemento de torsión elástica, e insertar un diafragma en el extremo abierto del canal cilíndrico a lo largo del eje longitudinal de la carcasa alargada del intercambiador de calor para que quede colocado adyacente al anillo de cojinete; v) ajustar una pluralidad de primeros elementos de compresión alargados externos proporcionados a lo largo de una parte de radio exterior del ensamblaje de cierre que se extienden en el ensamblaje de cierre coaxialmente a lo largo del eje longitudinal del ensamblaje de cierre para transmitir una fuerza a un primer anillo de compresión, que transmite una fuerza a una parte de borde del diafragma y la junta de diafragma para comprimir la junta de diafragma contra el diafragma, y ajustar una pluralidad de segundos elementos de compresión alargados internos proporcionados a lo largo de una parte de radio interior del ensamblaje de cierre que se extienden en el ensamblaje de cierre coaxialmente a lo largo del eje longitudinal del ensamblaje de cierre para transmitir una fuerza a un segundo anillo de compresión, que transmite una fuerza contra una parte del diafragma provocando que una parte del diafragma se desvíe distalmente del ensamblaje de cierre y hacia el elemento de torsión elástica del ensamblaje de intercambiador de calor cuando el ensamblaje de cierre está asegurado a la carcasa del intercambiador de calor; vi) en donde la placa tubular, el elemento de manguito, el primer y segundo anillos de compresión, el ensamblaje de cierre y cada uno de los primeros y segundos elementos de compresión alargados están configurados para permanecer elásticos hasta o por encima de una carga axial total de cargas de precarga, térmicas y de presión cuando el ensamblaje de cierre está asegurado a la carcasa del intercambiador de calor; vii) en donde, cuando los elementos de compresión alargados están precargados, los elementos de compresión imparten la precarga a través de una primera trayectoria de carga axial a una primera área de contacto del elemento de torsión elástica, que transmite la precarga a través de una trayectoria de carga de torsión a través del elemento de torsión elástica a un segunda área de contacto del elemento de torsión elástica, que transmite la precarga a través de una segunda trayectoria de carga axial a una junta de placa tubular; viii) en donde la carga de torsión es resistida por un aumento de la tensión y una rotación de torsión que permite que la primera área de contacto del elemento de torsión elástica se mueva hacia la placa tubular; ix) en donde el ensamblaje de cierre incluye colocar un elemento de cubierta de forma cilíndrica que tiene un diámetro exterior a asegurar concéntrico con una parte interior de un elemento de anillo de bloqueo de forma cilíndrica que define una parte de superficie exterior cilíndrica y una parte interior de forma cilíndrica en donde la parte de superficie exterior está provisto del ensamblaje de bloqueo del ensamblaje de cierre.
En aún otro aspecto, se proporciona un ensamblaje de cierre configurado para asegurar de manera extraíble a un extremo de canal abierto de una cámara interior de un ensamblaje de intercambiador de calor que incluye un elemento de anillo de bloqueo de forma cilíndrica que define una parte de superficie exterior cilíndrica y una parte interior de forma cilíndrica. La parte de superficie exterior está provista de una pluralidad de secciones de buje de anillo de bloqueo espaciadas configuradas para interdigitar con las correspondientes secciones de buje de canal formadas en una parte de superficie interior cilíndrica del ensamblaje de intercambiador de calor. Un elemento de cubierta de forma cilíndrica asegurado es concéntrico con la parte interior del elemento de anillo de bloqueo. Además, el ensamblaje de cierre puede promover uno o más de los siguientes: i) en donde el elemento de cubierta está asegurado de manera extraíble al elemento de anillo de bloqueo con el elemento de anillo de bloqueo teniendo una superficie de diámetro interior con una configuración de hombro configurada para recibir una configuración de hombro cooperante proporcionada en una superficie de diámetro exterior del elemento de cubierta; ii) cada sección de buje de anillo de bloqueo se extiende en un ángulo prescrito que se extiende desde la parte de superficie exterior del elemento de anillo de bloqueo configurado para interdigitar con las secciones de buje en ángulo correspondientes proporcionadas en cada sección de buje de canal formada en la parte de superficie interior cilíndrica del ensamblaje de intercambiador de calor; iii) un elemento de brida que se extiende hacia arriba provisto en el elemento de anillo de bloqueo configurado para detener la rotación del ensamblaje de cierre hacia la cámara interior del ensamblaje de intercambiador de calor; iv) un diafragma configurado para colocarse adyacente al anillo de bloqueo y a los elementos de cubierta; v) una pluralidad de elementos de compresión de anillo de bloqueo alargados externos ajustables que se pueden asegurar de manera extraíble en el elemento de anillo de bloqueo, pasando cada elemento de compresión de anillo de bloqueo alargado externo a través de un orificio respectivo formado coaxialmente con un eje longitudinal en el elemento de anillo de bloqueo para transmitir una fuerza a un primer anillo de compresión, que transmite una fuerza a una parte de borde del diafragma, y una junta de diafragma comprimida contra el diafragma de tal manera que el diafragma se coloca entre la junta de diafragma y el primer elemento de anillo de compresión mediante el ajuste de los elementos de compresión del anillo de bloqueo alargado exterior cuando el elemento del anillo de bloqueo está asegurado de manera extraíble a la cámara interior del ensamblaje intercambiador de calor tubular; vi) una pluralidad de elementos de compresión de cubierta alargados ajustables interiores que se pueden asegurar de forma extraíble en el elemento de cubierta, pasando cada elemento de compresión de cubierta alargada interior a través de un orificio respectivo formado coaxialmente con un eje longitudinal en el elemento de cubierta para transmitir una fuerza a un segundo anillo de compresión, que transmite una fuerza contra una parte del diafragma causando que una parte del diafragma se desvíe distalmente del elemento de cubierta y hacia la cámara interior del ensamblaje de intercambiador de calor cuando el ensamblaje de cierre está asegurado de manera extraíble al extremo abierto de la cámara interior del ensamblaje de intercambiador de calor; vii) en donde los primeros y segundos anillos de compresión, varillas de compresión y pernos de compresión están configurados para permanecer elásticos hasta o por encima de una carga axial total procedente de cargas de precarga, térmicas y de presión cuando el ensamblaje de cierre está asegurado de forma extraíble al extremo abierto de la cámara interior del ensamblaje intercambiador de calor; viii) en donde la parte de superficie exterior del elemento de bloqueo está provista de una ranura vertical formada sustancialmente perpendicular al eje longitudinal del elemento de anillo de bloqueo configurado para recibir de manera deslizable en una muesca correspondiente formada en la parte de superficie interna del ensamblaje de intercambiador de calor perpendicular al eje longitudinal del eje del intercambiador de calor para facilitar la inserción del elemento de anillo de bloqueo en la parte de superficie interior del ensamblaje de intercambiador de calor.
Aún en otro aspecto, se proporciona un método de operación para un ensamblaje de intercambiador de calor que tiene una carcasa de intercambiador de calor tubular configurado para acomodar la expansión térmica diferencial de componentes internos en una cámara interior de la carcasa de intercambiador de calor durante las secuencias de calentamiento y enfriamiento, incluyendo recibir una precarga con un elemento de torsión elástica dentro de la cámara interior de la carcasa del intercambiador de calor de modo que el elemento de torsión elástica reciba una carga de torsión y se desvíe elásticamente para acomodar la precarga. Se recibe una carga térmica con el ensamblaje de intercambiador de calor para expandir térmicamente diferencialmente los componentes internos en la cámara interior de la carcasa del intercambiador de calor de modo que la carga de torsión recibida por el elemento de torsión elástica aumenta y adicionalmente se desvía de manera elástica para acomodar la carga térmica. Además, el método de operación para un intercambiador de calor puede promover uno o más de los siguientes: i) recibir una carga de presión dentro de la cámara interior de la carcasa del intercambiador de calor que reduce la carga de torsión recibida por el elemento de torsión elástica desviando elásticamente un ensamblaje de cierre unido de manera extraíble a la carcasa del intercambiador de calor y relajando el elemento de torsión elástica para acomodar la carga de presión; ii) en donde la expansión térmica diferencial de los componentes internos comprende acomodar la expansión térmica diferencial de al menos el anillo de rodamiento, el elemento de torsión elástica, el elemento de manguito y la placa tubular sin causar deformación plástica de al menos el anillo de rodamiento, el elemento de torsión elástica y el elemento de manguito; ii) en donde se usan elementos de compresión alargados para precargar el elemento de torsión elástica de modo que los elementos de compresión impartan la precarga a través de una primera trayectoria de carga axial a una primera área de contacto del elemento de torsión elástica, que transmite la precarga a través de una trayectoria de carga de torsión a través del elemento de torsión elástica a una segunda área de contacto del elemento de torsión elástica, que transmite la precarga a través de una segunda trayectoria de carga axial a una junta de placa tubular; iii) en donde el elemento de torsión elástica está configurado para pivotar en la primera área de contacto donde el elemento de torsión elástica hace contacto con un elemento de manguito y en la segunda área de contacto donde el elemento de torsión elástica hace contacto con un anillo de cojinete; iv) insertar una junta de placa tubular en el extremo del canal cilíndrico abierto axialmente a lo largo del eje longitudinal de la carcasa del intercambiador de calor alargado para colocarse adyacente a una configuración de hombro de canal formada en la carcasa del intercambiador de calor alargado, insertando una placa tubular en el extremo del canal cilíndrico abierto axialmente a lo largo del eje longitudinal de la carcasa alargada del intercambiador de calor para colocarse adyacente a la junta de placa tubular para definir un lado de la carcasa y un lado del canal dentro de la cámara interior de la carcasa alargada del intercambiador de calor, en donde la cámara interior está configurada para recibir de forma extraíble un paquete de tubos colocado dentro del lado de la carcasa de la cámara interior, que inserta un elemento de manguito anular en el extremo del canal cilíndrico abierto axialmente a lo largo del eje longitudinal de la carcasa alargada del intercambiador de calor que se colocará adyacente a la placa tubular, insertando un elemento de torsión elástica en el lado abierto extremo del canal cilíndrico a lo largo del eje longitudinal de la carcasa del intercambiador de calor alargado para estar colocado adyacente al elemento de manguito, insertando un anillo de soporte en el extremo abierto del canal cilíndrico a lo largo del eje longitudinal de la carcasa del intercambiador de calor alargado para estar colocado adyacente al elemento de torsión elástica, e insertar un diafragma en el extremo abierto del canal cilíndrico a lo largo del eje longitudinal de la carcasa alargada del intercambiador de calor para que quede colocado adyacente al anillo de cojinete; y v) fijar un ensamblaje de cierre a una parte extrema abierta de la cámara interior, en donde el ensamblaje de cierre incluye un diafragma desviable y un anillo de soporte e incluye además un mecanismo para impartir la precarga al elemento de torsión elástica.
Estas y otras características únicas del ensamblaje de cierre divulgado en la presente resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción y los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
Para que las personas del oficio de nivel medio a la que pertenecen los sistemas y métodos divulgados comprendan más fácilmente cómo fabricarlos y utilizarlos, ilustrando diversos aspectos inventivos, a modo de ejemplo, no limitativos, de acuerdo con determinados modos de realización ilustrados, se puede hacer referencia a los dibujos en los que:
La figura 1A ilustra una vista en sección transversal parcial de un intercambiador de calor tubular y un ensamblaje de cierre del estado de la técnica como se describe en la patente estadounidense N.° 4.750.554;
La figura 1B ilustra una vista en sección transversal parcial de un intercambiador de calor tubular y un ensamblaje de cierre que se ha construido de acuerdo con un modo de realización ilustrado;
La figura 2 ilustra una vista en sección transversal parcial en despiece de la figura 1B que representa un elemento de torsión elástica de acuerdo con un modo de realización ilustrado.
La figura 3 ilustra una vista en sección transversal parcial en despiece de un sello de diafragma comprimido de acuerdo con un modo de realización ilustrado;
La figura 4 ilustra una vista en perspectiva parcial de un elemento de anillo de bloqueo de la figura 1B; de acuerdo con un modo de realización ilustrado;
La figura 5 ilustra una vista en perspectiva parcial del diámetro interior de la parte extrema del canal abierto del intercambiador de calor de la figura 1B;
La figura 6 ilustra una vista en perspectiva parcial del elemento de bloqueo de la figura 4 insertado linealmente en la parte extrema del canal abierto del intercambiador de calor de la figura 5 de acuerdo con un modo de realización ilustrado;
La figura 7 ilustra una vista en sección transversal parcial de un intercambiador de calor tubular y un ensamblaje de cierre que tiene múltiples elementos de torsión elásticas de acuerdo con otro modo de realización ilustrado; y
La figura 8 ilustra una vista en sección transversal parcial del ensamblaje de tapón de cierre de intercambiador de calor estilo B de acuerdo con otro modo de realización ilustrado.
Descripción detallada de determinadas formas de realización
La presente invención se describe ahora con mayor detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en los que se muestran determinadas ilustraciones los modos de realización de la presente invención. La presente invención no se limita de ninguna manera a los modos de realización ilustradas, ya que los modos de realización ilustradas que se describen a continuación son simplemente ejemplos de la invención, que pueden incorporarse de diversas formas, como lo apreciará una persona del oficio de nivel medio. Por lo tanto, debe entenderse que cualquier detalle estructural y funcional divulgado en la presente no debe interpretarse como limitativos, sino simplemente como una base para las reivindicaciones y como un representante para enseñar a una persona del oficio de nivel medio a emplear de diversas formas la presente invención. Además, los términos y frases utilizados en la presente no pretenden ser limitativos sino más bien proporcionar una descripción comprensible de la invención. Para mayor claridad, los valores de unidades de pulgada y psi utilizados en esta descripción son los estándares. En términos de unidades SI, la correspondencia sería 1 pulgada equivale a 0,0245 metros y 14,505 psi equivale a 1 bar.
[0030] A menos que se definan de otro modo, todos los términos técnicos y científicos usados en la presente tienen el mismo significado que les otorga habitualmente una persona del oficio de nivel medio al cual pertenece la invención. Aunque también puede usarse además cualquier método y material similar o equivalente a aquellos que se describen en la presente en la práctica o en las pruebas de la presente invención, los métodos y materiales de ejemplo se describen a continuación. Todas las publicaciones de patente mencionadas en la presente se incorporan en la presente por referencia para divulgar y describir los métodos y/o materiales en relación con los cuales se citan las publicaciones.
Debe notarse que, como se usa en la presente y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una", "el" y "la" incluyen referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Así, por ejemplo, la referencia a "un estímulo" incluye una pluralidad de dichos estímulos y la referencia a "la señal" incluye la referencia a una o más señales y equivalentes de estas conocidas por las personas del oficio de nivel medio, y así sucesivamente.
Los componentes, materiales o métodos conocidos no se describen necesariamente con gran detalle para evitar oscurecer la presente divulgación. Cualquier detalle estructural y funcional específico divulgado en la presente no debe interpretarse como limitativos, sino simplemente como una base para las reivindicaciones y como una base de representación para enseñar a una persona del oficio de nivel medio a emplear de diversas formas la invención. La presente divulgación ahora se describirá más completamente, pero no se muestran necesariamente todas los modos de realización de la divulgación. Además, se pueden realizar muchas modificaciones para adaptar una situación o material particular a las enseñanzas de la divulgación sin apartarse del alcance esencial de esta.
Debe apreciarse que la presente invención supera muchos de los problemas asociados con los ensamblajes de cierre de intercambiadores de calor del estado de la técnica. Por ejemplo, con referencia a la figura 1A, se representa un ensamblaje de cierre del estado de la técnica para un intercambiador de calor de carcasa y tubos que, como se describe en la patente estadounidense N.° 4.750.554. Se ilustra una sección de un intercambiador de calor de carcasa y tubos con una carcasa y un canal que contiene un paquete tubular. El canal tiene puertos que proporcionan acceso para que el fluido entre y salga de los tubos del paquete. El ensamblaje de cierre final o "tapón" consta de un anillo de bloqueo 9 y una cubierta 19, que incorpora un diafragma 8 y una junta de diafragma 10. El ensamblaje de tapón de cierre es extraíble, para permitir la inserción y extracción de un paquete tubular extraíble y al mismo tiempo ser capaz de mantener un sello hermético y absorber las cargas resultantes bajo alta presión. El canal abierto del intercambiador de calor se cierra en su extremo mediante el ensamblaje de tapón de cierre (es decir, la cubierta 19 y el anillo de bloqueo 9). El elemento de anillo de bloqueo 9 contiene un mecanismo para sellar el canal del intercambiador contra un diafragma 8 al comprimir una junta 10 mediante el uso de pernos 11 y un anillo de compresión 20.
El fluido del lado de la carcasa se separa del fluido del canal que entra en los tubos (no mostrado) mediante una placa tubular 1 y una junta de placa tubular 6. Típicamente, el intercambiador de calor requiere un ensamblaje de partición para acomodar una disposición de flujo del lado de los tubos de dos pases. El ensamblaje de partición puede incluir un elemento de manguito 2, una placa de partición 3, una cubierta de partición 4 y/o un anillo 17 para dirigir el fluido desde una boquilla de entrada del canal a través de dos o más pases de tubo hasta un puerto de salida. Las personas del oficio de nivel medio apreciarán que la partición se puede aplicar a la entrada o a la salida.
Al continuar con la referencia al intercambiador de calor del estado de la técnica de la figura 1A, el elemento de anillo de bloqueo 9 está asegurado contra el canal de la carcasa del intercambiador de calor mediante el uso de roscas, en donde el anillo de bloqueo 9 está provisto de roscas macho y el canal está provisto de las correspondientes roscas hembra. Debe entenderse y apreciarse que las roscas son superficies que soportan carga de manera que cuando se ensambla el intercambiador de calor, las roscas absorben la precarga del perno. Además, durante el funcionamiento del intercambiador de calor, se aplica una carga hidrostática al ensamblaje de tapa del tapón 19, que a su vez se transfiere directamente a las roscas antes mencionadas.
Con referencia ahora a la figura 1B, ilustrada como una vista en sección transversal parcial de un intercambiador de calor tubular y un ensamblaje de cierre que se ha construido de acuerdo con un modo de realización ilustrado de la presente invención, referenciada generalmente con el número 100. De manera similar al intercambiador de calor del estado de la técnica de la figura 1A, el intercambiador de calor 100 es un intercambiador de calor de carcasa y tubos que incluye una carcasa 70 que tiene un elemento de carcasa 15 formado integralmente o unido a un elemento de canal 7 con la carcasa 70 configurada para recibir un paquete de tubos (no mostrado). El elemento de canal 7 del intercambiador de calor tiene preferentemente al menos dos puertos que proporcionan acceso para que el flujo de fluido entre y salga de los tubos del paquete insertado. El ensamblaje de cierre de extremo o "tapón de cierre" consiste preferentemente en un elemento de anillo de bloqueo anular 9, anillos de compresión 21 y 22 y un elemento de cubierta anular 19. Además, se incluye un diafragma 8 y una junta de diafragma 10. El tapón de cierre es extraíble, para permitir la inserción y extracción de un paquete tubular extraíble y al mismo tiempo ser capaz de mantener un sello hermético y absorber las cargas resultantes bajo alta presión durante el funcionamiento del intercambiador de calor 100. La parte del extremo abierto del elemento de canal 7 está cerrado (sellado) mediante el tapón de cierre (por ejemplo, la cubierta 19 y el anillo de bloqueo 9). Preferentemente, el elemento de anillo de bloqueo 9 contiene medios para sellar el canal del intercambiador de calor 7 contra el diafragma 8 al comprimir una junta 10 mediante el uso de pernos 12, varillas de empuje 14 y anillo de compresión 21. Como se muestra en la figura 1B, el elemento de cubierta 19 está asegurado de manera extraíble al elemento de anillo de bloqueo 9 de manera que el elemento de anillo de bloqueo 9 tenga una superficie de diámetro interior preferentemente formada con una configuración de avellanado configurada para recibir una configuración de avellanado cooperante proporcionada en una superficie de diámetro exterior del elemento de cubierta 9. De acuerdo con los modos de realización ilustradas, el diámetro interior más pequeño del elemento de cubierta 19 es preferentemente menor que el diámetro exterior más grande del elemento de anillo de bloqueo 9 para formar la configuración de avellanado entre ellos.
Al continuar con la referencia a la figura 1B, el flujo de fluido del lado de la carcasa se separa del flujo de fluido del canal que entra en los tubos (no mostrado) mediante una placa tubular 1 y una junta de placa tubular 6. Típicamente, el intercambiador de calor 100 requiere un ensamblaje de partición para acomodar una disposición de flujo del lado de los tubos de dos pases. Sin embargo, las personas del oficio de nivel medio apreciarán que los aspectos inventivos de la presente divulgación se pueden utilizar con intercambiadores de calor de un solo pase o intercambiadores de calor con más de 2 pases. El ensamblaje de partición incluye en este modo de realización un elemento de manguito 2, una placa de partición 3, y una cubierta de partición 4 para dirigir el fluido desde la boquilla de entrada del canal a través de dos o más pases tubulares hasta el puerto de salida. Se entiende que la partición se puede aplicar a la entrada o a la salida.
El elemento de anillo de bloqueo 9 del ensamblaje de tapón de cierre se asegura contra la parte extrema abierta del canal 7 de la carcasa del intercambiador de calor 100 preferentemente mediante el uso de un ensamblaje de bloqueo de estilo bayoneta que consiste preferentemente en secciones de buje formadas 23A y 23B. Con referencia ahora a las figuras 4-6 (y al continuar con la referencia a la figura 1B), el elemento de anillo de bloqueo 9 está formado preferentemente con secciones de buje 23A formadas en la parte de superficie exterior circunferencial del elemento de anillo 9, con cada sección de buje 23A separada por secciones semicilíndricas sin buje 24A. De manera similar, una parte extrema abierta del canal 7 del intercambiador de calor 100 está formada preferentemente con secciones de buje 23B formadas en una parte de extremo circunferencial interior del canal 7 del intercambiador de calor separadas por secciones semicilíndricas sin buje 24B. La pluralidad de secciones de buje de anillo de bloqueo 23A espaciadas del anillo de bloqueo 9 están configuradas para interdigitar con las correspondientes secciones de buje de canal 23B formadas en una parte de superficie interior cilindrica del canal 7 del intercambiador de calor 100.
De acuerdo con los modos de realización ilustradas, durante el ensamblaje del elemento de tapón de cierre (por ejemplo, el elemento de anillo 9 y el elemento de cubierta 19) dentro de una parte extrema del canal 7 del intercambiador de calor 100, el elemento de anillo de bloqueo 9 se inserta en el extremo del canal cilíndrico abierto 7 coaxialmente a lo largo del eje longitudinal de la cámara interior del intercambiador de calor 100 de manera que las superficies de soporte de carga de cada uno del elemento anular 9 y el diámetro interior del extremo del canal cilíndrico abierto 7 del intercambiador de calor 100 de manera que no se transfiera carga entre el elemento anular 9 del ensamblaje de tapón de cierre y el intercambiador de calor 100, en contraste con las estructuras y métodos del estado de la técnica antes mencionados. Sólo después de girar el elemento de anillo de bloqueo 9 para bloquear el acoplamiento con el intercambiador de calor alargado 100 hay una transferencia de carga desde el intercambiador de calor 100 al elemento de tapón de cierre. Esto se logra al girar el elemento anular 9 del ensamblaje de tapón de cierre alrededor del eje longitudinal de la cámara interior del intercambiador de calor alargado 100 para hacer que las secciones de bujes 23A del elemento anular 9 se aseguren de manera extraíble con las secciones de buje cooperantes 23B proporcionadas en el diámetro interior del extremo del canal cilíndrico abierto 7 del intercambiador de calor 100 que facilita la transferencia de carga desde el canal 7 del intercambiador de calor 100 al elemento anular 9 del ensamblaje de tapón de cierre. Debe apreciarse que el elemento anular 9 está girado menos de 360 grados para hacer que las secciones de buje 23A del elemento de anillo se aseguren de manera extraíble (interdigitadas) con las correspondientes secciones de buje 23B formadas en una parte de diámetro interior del extremo de canal cilíndrico abierto 7 del intercambiador de calor 100. En un modo de realización, el elemento anular 9 está girado aproximadamente 22,5 grados en donde cada sección de buje 23A y 23B se extiende aproximadamente 22,5 a lo largo de la parte de circunferencia del elemento anular 9 y el extremo del canal cilíndrico abierto 7 del intercambiador de calor 100 en el que están formados respectivamente.
En otros modos de realización, se debe apreciar además que el elemento de anillo de bloqueo 9 y el elemento de cubierta 19 pueden integrarse en un componente unitario singular. Además, en otros modos de realización adicionales, el elemento de anillo de bloqueo 9 puede dividirse en dos o más componentes. En modos de realización adicionales, las secciones de buje 23A y 23B pueden tener una forma o diseño diferente en una parte del elemento de anillo de bloqueo 9 con respecto a otra.
De acuerdo con los modos de realización ilustradas, la configuración de buje antes mencionada se puede configurar en ocho secciones de modo que haya ocho secciones con buje (23A y 23B) y ocho regiones sin buje (24A y 24B) proporcionadas respectivamente en el elemento de anillo 9 y el diámetro interior del extremo del canal cilíndrico abierto 7 del intercambiador de calor 100. Sin embargo, las personas del oficio de nivel medio apreciarán fácilmente que el número de regiones de buje puede variar sin apartarse de los aspectos inventivos de la presente divulgación. Por ejemplo, puede haber 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 regiones concentradas combinadas con 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 o 12 regiones no concentradas.
Durante el montaje del tapón de cierre con el canal abierto 7 del intercambiador de calor, y en contraste con el estado de la técnica descrito anteriormente, las superficies de soporte de carga de los bujes 23<a>y 23B no se dañan durante la inserción del ensamblaje de tapón de cierre en el canal intercambiador de calor 7. Esta disposición también garantiza la alineación adecuada del diafragma 8 con respecto al canal de intercambio térmico 7. Además, debe apreciarse que las secciones de buje 23A y 23B mencionadas anteriormente pueden formarse (por ejemplo, mecanizarse) con un pase de rosca tal que el ensamblaje de tapón de cierre avance axialmente hacia adentro en el canal 7 del intercambiador de calor 100 a medida que gira.
Al continuar con la referencia a las figuras 4-6, y de acuerdo con determinados modos de realización, se forma un elemento de carril vertical 25 adyacente a los bujes de canal 23B, o a los bujes de anillo de bloqueo 23A, o ambos, para evitar que los bujes 23A, 23B entren en contacto con cualquiera de las superficies metálicas durante la inserción. Debe apreciarse que puede preferirse proporcionar carriles 25 en el elemento de anillo 9 de bloqueo ya que la fabricación puede ser más fácil debido a que el anillo de bloqueo 9 puede girar de manera independiente mientras que el canal 7 del intercambiador de calor 100 no puede girar de manera independiente durante la fabricación.
De acuerdo con modos de realización ilustrados adicionales, se puede proporcionar un elemento de tope vertical anular 26 (brida) en el elemento de anillo 9 de bloqueo que corresponda a la ubicación del diafragma 8 que se menciona en la presente. El elemento de tope 26 se extiende preferentemente alrededor de la circunferencia externa del elemento de anillo 9 de bloqueo para asegurar que la cavidad con forma de ranura sin bujes que se forma cuando el anillo de bloqueo 9 se gira a su lugar, esté cubierta y no pueda entrar ningún material extraño. Se observa que esto facilita que el elemento de cubierta 19 y el diafragma 8 estén posicionados correctamente sin la necesidad de "estimar" en función de mediciones externas. Esto contrasta con los diseños de tapón roscado del estado de la técnica en los que la ubicación del elemento de anillo de bloqueo estaba determinada por el número de vueltas y el paso de la rosca, que pueden introducir variaciones. Debe apreciarse que la configuración del elemento de tope 26 mostrado en la figura 6 debe entenderse como una configuración ilustrativa ya que pueden proporcionarse otras configuraciones para asegurar que la cavidad con forma de ranura sin bujes que se forma cuando el anillo de bloqueo 9 se gira a su lugar, esté cubierta y no pueda entrar ningún material extraño.
Como se muestra en las figuras 4-6, las secciones de buje 23A, 23B se alinean preferentemente perpendiculares al eje longitudinal del elemento de anillo 9 de bloqueo y el canal 7 del intercambiador de calor 100. Debe apreciarse que, en otros modos de realización, las secciones de buje pueden formarse (por ejemplo, mecanizarse) en un ángulo con respecto al eje longitudinal del elemento de anillo 9 de bloqueo y el canal 7 del intercambiador de calor 100 de manera tal que el elemento de anillo 9 de bloqueo avance una distancia más pequeña dentro del canal 7 tras la rotación del elemento de anillo de bloqueo. Debe apreciarse además que el tamaño y la forma del buje para las secciones de buje 23A y 23B no necesitan ser idénticos para todas las secciones de buje supeditado a que la longitud del elemento de anillo 9 de bloqueo y el ensamblaje del canal 7 permita que el elemento de anillo 9 de bloqueo se inserte libremente en el canal 7, y las secciones de buje 23A y 23b del elemento de anillo 9 de bloqueo y el canal 7 se correspondan entre sí.
Con referencia específica ahora a la figura 6, el elemento de anillo 9 de bloqueo del ensamblaje de tapón de cierre se muestra insertado en el extremo abierto del canal 7 del intercambiador de calor. Debe apreciarse que el elemento de anillo 9 de bloqueo se inserta en el canal 7 de manera tal que las regiones sin bujes 24A, 24B del anillo de bloqueo 9 y el canal 7, respectivamente, permitan que las regiones con bujes 23A, 23B se deslicen. Por ejemplo, el ensamblaje de tapón de cierre se puede cargar (el elemento de anillo 9 de bloqueo) en el canal 7 de intercambio de calor en un ángulo de alrededor de 22,5 ° desde la orientación de bloqueo final de manera tal que las regiones sin bujes 24A, 24B del anillo de bloqueo 9 y el canal 7, respectivamente, permitan que las regiones con bujes 23A, 23B se deslicen de modo que los carriles impidan que las superficies de soporte de carga entren en contacto. Una vez que el elemento del tapón de cierre está completamente insertado en el canal 7 del intercambiador de calor, se gira hasta una posición bloqueada. Por ejemplo, el ensamblaje de tapón de cierre se puede girar 22,5 ° en el sentido de las agujas del reloj hasta la posición bloqueada. Esta rotación se puede lograr de varias maneras, por ejemplo, mediante el uso de una barra atornillada al elemento de anillo 9 de bloqueo para proporcionar suficiente palanca para girar el elemento de anillo 9 de bloqueo manualmente, o mediante el uso de a cable conectado al elemento de anillo 9 de bloqueo y una grúa para proporcionar una fuerza tangencial hacia arriba, o mediante el uso de circular engranajes de cremallera circulares montados al canal 7 de intercambio de calor y un correspondiente engranaje de piñón montado al elemento de anillo 9 de bloqueo, con una palanca utilizada para girar el engranaje de piñón que a su vez aplica una fuerza tangencial para girar el elemento de anillo 9 de bloqueo. Se puede proporcionar una característica de seguridad adicional por medio de la cual se proporciona una muesca 27 en un conjunto de bujes del elemento de anillo 9 de bloqueo y se forma una correspondiente muesca de guía 28 en la parte de extremo abierto del canal 7 del intercambiador de calor para asegurar que el elemento de anillo de bloqueo 7 solamente puede insertarse en una orientación con respecto al canal 7.
Con referencia a la figura 4, las marcas externas en el anillo de bloqueo 9 y el canal 7 enfatizan aún más la orientación correcta del elemento de anillo 9 de bloqueo y se puede formar un elemento de tope vertical 29 en la parte de extremo abierto del canal 7 adyacente a la región sin bujes 24B que tiene un ancho más ancho que el ancho de un carril 27 proporcionado en las secciones de buje 23A para garantizar que los respectivos bujes 23A y 23B no puedan girar accidentalmente y acoplarse prematuramente durante la inserción, al mismo tiempo que ayuda a guiar la inserción del anillo de bloqueo 9 de manera tal que los bujes 23A y 23B permanezcan protegidos.
Con referencia ahora a las figuras 1B y 3, un diafragma 8 está preferentemente acoplado contra el canal elemento de cubierta 19 de manera tal que la carga de presión del flujo de fluido en el canal 7 del intercambiador de calor se transmita a través del diafragma 8 al canal elemento de cubierta 19. La carga de presión en el canal elemento de cubierta 19 luego se transmite al elemento de anillo 9 de bloqueo. El canal 7 está sellado preferentemente mediante una junta de diafragma 10. La junta de diafragma 10 se comprime preferentemente mediante una pluralidad de pernos de compresión 12 y varillas de empuje 14 (colectivamente "elementos de compresión") proporcionados axialmente a lo largo de una fila exterior del elemento de anillo 9 de bloqueo que pasa a través de orificios roscados preferentemente formados en el elemento de anillo 9 de bloqueo. Estos pernos de compresión 12 y varillas de empuje 14 transmitir una fuerza a través de un anillo de compresión 21 exterior suelto proporcionado entre el elemento de anillo 9 de bloqueo y el diafragma 8 a una parte de borde del diafragma 8 y su junta de diafragma 10. Debe entenderse que la fila interior de pernos de compresión 11, 13 puede ubicarse a lo largo del radio del elemento de cubierta 19 anular o el elemento de bloqueo 9 según lo requieran los diámetros del elemento de torsión elástica 60 y el anillo de rodamiento 50, como se describe a continuación.
Debe apreciarse que el diafragma 8 está configurado para desviarse preferentemente una cierta cantidad bajo las precargas de perno y la presión interna, por medio de lo cual si el ensamblaje de elemento del tapón de cierre no se inserta lo suficientemente de manera axial hacia adentro en el canal 7 del intercambiador de calor 100, entonces la fila exterior de pernos de empuje 14 del elemento de anillo 9 de bloqueo necesitará avanzar más para hacer que la junta de diafragma 10 se selle, y la fila interior de pernos de empuje 13 del elemento de cubierta 19 necesitará avanzar más para hacer que la junta de placa tubular 6 se selle, lo que, de este modo, provocará que el diafragma 8 se deforme en mayor medida cuando se aplique presión al canal 7. Durante el tiempo de fabricación se pueden llevar a cabo comprobaciones dimensionales para garantizar que las tolerancias de mecanizado sean aceptables para ubicar correctamente el cierre. Después de la fabricación, se pueden agregar cuñas entre el diafragma 8 y el ensamblaje de tapón de cierre. Alternativamente, los bujes en el ensamblaje de tapón de cierre se pueden mecanizar con un paso de manera tal que el ensamblaje de tapón de cierre avance axialmente hacia adentro en el canal 7 del intercambiador de calor 100 a medida que gira. Al girar el ensamblaje de tapón de cierre hasta que haga contacto con el diafragma 8, luego hacer avanzar la fila exterior de pernos de empuje 14 para comprimir la junta 21, luego retraer la fila exterior de pernos de empuje 14, el tapón de cierre se puede girar más para minimizar el espacio entre el ensamblaje de tapón de cierre y el diafragma 8. Una vez llevada a cabo la comprobación dimensional, el ensamblaje de tapón de cierre se inserta con un movimiento lineal en el canal 7 del intercambiador de calor 100, lo que se puede lograr mediante el uso de una carretilla elevadora, una grúa u otra combinación de equipo ya requerido para el manejo del paquete de tubos, por lo que no se necesitan herramientas ni equipos especiales, a diferencia del estado de la técnica mencionado anteriormente.
Durante el ensamblaje y con referencia ahora a las figuras 1B y 3, debe apreciarse que cuando se aprieta la fila interior de pernos de compresión 13 del elemento de cubierta 19, se transfiere una carga axial a través de varillas de empuje 11 a un anillo de compresión 22 (interno) suelto a través de diafragma 8 a un ensamblaje de carga de placa tubular que consiste en un anillo de rodamiento 50, un elemento de torsión elástica 60 y un elemento de manguito 2 de manera tal que la junta de placa tubular 6 se comprima contra la cara posterior de la placa tubular 1 y la cubierta 15. Esta carga axial se denomina precarga. Debe apreciarse que esta precarga evita fugas debido a la presión diferencial entre el lado de la cubierta y el lado del tubo del intercambiador de calor 100.
Debe apreciarse además que el ensamblaje de carga de placa tubular mencionado anteriormente preferentemente acomoda cargas térmicas que causan una expansión térmica diferencial entre el canal 7, la placa tubular 1 y el ensamblaje de carga de placa tubular mencionado anteriormente (por ejemplo, un anillo de rodamiento 50, un elemento de torsión elástica 60 y un elemento de manguito 2). La expansión térmica diferencial es causada por dos mecanismos. La primera es cuando el canal 7 está más frío que la placa tubular 1 y el ensamblaje de carga de placa tubular (por ejemplo, el anillo de soporte 50, un elemento de torsión elástica 60 y el elemento de manguito 2) debido al flujo de fluido de proceso caliente, que está en contacto íntimo con los componentes internos pero en gran medida protegido del canal 7 por el elemento de manguito 2, y por la pérdida de calor en el canal 7 al entorno circundante o por cambios rápidos en la temperatura del fluido, lo que hace que la temperatura de los componentes internos relativamente delgados cambie a una velocidad más rápida que el canal comparativamente grueso. Tales condiciones ocurrirán inevitablemente durante el arranque (calentamiento) y durante un fallo o disparo de la planta y el posterior restablecimiento de la temperatura de funcionamiento. El segundo mecanismo es cuando el material utilizado para la formación del canal 7 tiene un coeficiente de expansión térmica más bajo que los materiales utilizados para la placa tubular 1 y el ensamblaje de carga de placa tubular (por ejemplo, un anillo de rodamiento 50, un elemento de torsión elástica 60 y un elemento de manguito 2). Por ejemplo, esto es común cuando se utiliza acero al carbono para el canal 7 y se utiliza acero inoxidable para los componentes dentro del intercambiador de calor.
Cuando la expansión térmica total de la placa tubular 1 y el ensamblaje de carga de placa tubular (por ejemplo, un anillo de rodamiento 50, un elemento de torsión elástica 60 y un elemento de manguito 2) es mayor que la expansión térmica total del canal 7, la expansión térmica diferencial resultante debe adaptarse mediante deformación en el intercambiador de calor 100. Debido a la rigidez relativamente alta del canal 7 requerida para una contención segura de la presión, la deformación se produce principalmente en los elementos de rigidez relativamente más bajos en el ensamblaje de carga de placa tubular (por ejemplo, un anillo de rodamiento 50, un elemento de torsión elástica 60 y un elemento de manguito 2). Si las tensiones causadas por esta deformación exceden el límite elástico de los elementos, se produce una deformación irrecuperable o plástica. El elemento de manguito 2, debido a la presencia de perforaciones formadas en él para admitir fluido en la cámara interior del intercambiador de calor 100, no tiene una rigidez uniforme en todas partes. Por lo tanto, las cargas térmicas pueden dar como resultado una deformación plástica desigual del elemento de manguito 2 de manera tal que la carga sobre la junta 22 no pueda recuperarse simplemente al volver a apretar la fila interior de pernos de compresión 13. Cuando las cargas térmicas vuelven a la normalidad, la carga de compresión axial restante en el ensamblaje de carga de placa tubular (un anillo de rodamiento 50, un elemento de torsión elástica 60 y un elemento de manguito 2) se reduce por debajo de las cargas aplicadas durante el apriete de los pernos de compresión 13 del elemento de cubierta. Esta carga se puede reducir por debajo de la carga mínima requerida para sellar la junta de placa tubular 6 si la deformación plástica es lo suficientemente severa. Esto da como resultado una fuga no deseada entre el lado de la carcasa y el lado del tubo del intercambiador de calor 100.
De acuerdo con los modos de realización ilustradas, para acomodar la expansión térmica diferencial sin deformación plástica en el intercambiador de calor, se proporciona un elemento elástico, como se describe a continuación. El elemento de elástico se logra a través de la implementación de un elemento de torsión elástica 60, como se muestra en las figuras 1B y 2. Como se muestra, el elemento de torsión elástica 60 anular preferentemente hace contacto en una parte de circunferencia externa, en una primera área de contacto 61, el elemento de manguito 2 en el lado que se orienta a la placa tubular 1 en proximidad a su radio externo, y hace contacto, en una parte de circunferencia terna, el anillo de rodamiento 50, en una segunda área de contacto 63, en el lado que se orienta al diafragma 8, en proximidad a su radio interno. Cuando los pernos de compresión 13 internos están precargados, las fuerzas axiales se transmiten a través del elemento de torsión elástica 60 en sus áreas de contacto 61 y 63 mencionadas anteriormente. Estas fuerzas aplicadas a diferentes radios sobre el elemento de torsión elástica 60 crean una carga de torsión en el elemento de torsión elástica 60 de manera tal que su circunferencia interna se pueda desviar con respecto a su circunferencia externa n una dirección axial para torcer el elemento de torsión elástica 60 de manera tal que esta carga de torsión sea resistida por un aumento en la tensión y una rotación de torsión que permita que el radio externo del elemento de torsión elástica 60 se mueva hacia el diafragma 8 del ensamblaje de tapón de cierre y su radio interno se mueva hacia la placa tubular 1.
Debe apreciarse que el anillo de rodamiento 50 protege el diafragma 8 contra daños por contacto con el elemento de torsión elástica 60 durante la rotación. Cuando el intercambiador de calor 100 está en funcionamiento, las cargas de presión reducirán la carga sobre el elemento de torsión elástica 60 al deformar el ensamblaje de tapón de cierre alejándolo de la placa tubular 1, pero la expansión térmica diferencial aumentará la carga. Debe entenderse que el elemento de torsión elástica 60 está diseñado y configurado para deformarse elásticamente hasta alcanzar una expansión térmica diferencial máxima requerida. Cuando las cargas durante el funcionamiento del intercambiador de calor permanecen por debajo de este umbral máximo, las cargas sobre el elemento de torsión elástica 60 volverán a la precarga inicial cuando se eliminen las cargas térmicas y de presión. De acuerdo con los modos de realización ilustradas, el elemento de torsión elástica 60 puede formarse para tener un rango de deflexión entre 25 mm y 75 mm, sin embargo, no debe entenderse que el elemento de torsión elástica 60 está limitado al rango de deflexión mencionado anteriormente, ya que puede configurarse como una función de la escala del tamaño dimensional del intercambiador de calor 100. Sin embargo, si se encuentra una expansión térmica diferencial excesiva, tal como durante una excursión térmica no deseada del fluido de proceso, el elemento de torsión elástica 60 se deforma plásticamente para limitar las cargas aplicadas al ensamblaje de tapón de cierre para evitar fallas del ensamblaje de tapón de cierre y/o el sello proporcionado por el diafragma 8. Debe apreciarse que cuando se eliminan las cargas térmicas y de presión, las cargas sobre el elemento de torsión elástica 60 disminuirán por debajo de la precarga inicial y pueden disminuir hasta cero. El elemento de torsión elástica 60 puede formarse a partir de materiales que no estén sujetos a corrosión, fluencia y pérdida de resistencia a altas temperaturas, preferentemente aleaciones con alto contenido de níquel que incluyen (entre otros) Inconel 625 e Inconel 718.
Con referencia ahora a la figura 2, a continuación, se describen dimensiones relevantes ilustrativas para el diseño del elemento de torsión elástica 60. Debe entenderse que la dimensión "a" es el radio externo, la dimensión "b" es el radio interno, la dimensión "h" es la altura y la dimensión "t" es el espesor del elemento de torsión elástica 60. La dimensión "a" es menor que el radio interior definido por el canal 7 del intercambiador de calor 100 para proporcionar espacio libre para la expansión térmica radial y la rotación bajo carga. La relación a/b es mayor que 1 y preferentemente menor que 3 para que una carga axial cree una carga de torsión en el elemento de torsión elástica 60. La dimensión "h" es aproximadamente 50 % de su límite de deflexión elástica cuando se aplican cargas operativas y de precarga (de presión y térmicas). La dimensión "t" se selecciona de manera tal que esté por debajo de la carga máxima permitida en la junta de placa tubular 6 cuando el elemento de torsión elástica 60 se comprime por la suma del desplazamiento de precarga y la expansión térmica diferencial de diseño de manera tal que el elemento de torsión elástica 60 se deforme elásticamente. El material del elemento de torsión elástica 60 se selecciona de manera tal que el elemento se deforme plásticamente por encima de esta carga máxima permitida. Debe apreciarse que la placa tubular 1, el elemento de manguito 2, el anillo de rodamiento 50, el anillo de compresión 22, las varillas de compresión 11 y los pernos de compresión 13 están diseñados para permanecer elásticos hasta o por encima de la carga axial total de las cargas de precarga, térmicas y de presión.
Debe apreciarse que en los modos de realización ilustradas (por ejemplo, las figuras 2 y 3), debe entenderse que el elemento de torsión elástica 60 tiene una sección transversal cuadrilátera que tiene partes de esquina redondeadas. En modos de realización ilustrados alternativos, se pueden usar otras configuraciones de secciones transversales para el elemento de torsión elástica 60 que incluyen una forma rectangular o una forma con lados generalmente redondeados. Además, en los modos de realización ilustradas en la presente, el ensamblaje de carga de placa tubular incluye un único elemento de torsión elástica 60. Debe entenderse que algunos modos de realización, para cumplir con los requisitos de diseño para la presión mínima aplicada a la junta de placa tubular 6 y el desplazamiento máximo aplicado al diafragma 8, el elemento de torsión elástica 60 puede diseñarse con una rigidez alta de manera tal que la expansión térmica máxima no pueda acomodarse sin deformación plástica. En tal caso, se puede apilar en serie más de un elemento de torsión elástica 60 para aumentar la capacidad de expansión térmica. Por ejemplo, la figura 7 ilustra un diseño que utiliza tres elementos de torsión elástica 60. Debe apreciarse que cuando se utiliza un número impar de elementos de torsión elástica 60, los pernos de compresión internos (11, 13 y 22) pueden estar en el radio del círculo de pernos común proporcionado en el elemento de placa de cubierta 19. Y cuando se utiliza un número par de elementos de torsión elástica 60, los pernos de compresión internos están ubicados preferentemente en el elemento de anillo 9 de bloqueo en un radio de círculo de perno mayor. Además, en diseños con múltiples elementos de torsión elástica 60, se incluye preferentemente un anillo de alineación para mantener la alineación entre sí.
Con referencia ahora a la figura 3, se ilustra el comportamiento del diafragma 8 después de la precarga de los pernos de compresión 13 y 14 y la aplicación de presión desde el canal 7 del intercambiador de calor 100. Como se muestra, en la junta de diafragma 10, el anillo de compresión 21 se desplaza lejos del elemento de anillo 9 de bloqueo del ensamblaje de tapón de cierre para comprimir el diafragma 8 y la junta de diafragma 10. Cuando se aplica presión desde el canal 7 del intercambiador de calor 100, el diafragma 8 se deforma hasta que descansa contra el elemento de anillo 9 de bloqueo y el elemento de placa de cubierta 19 en la región 31. Esto crea un área con altas deformaciones de flexión en el diafragma 8 en un radio menor que el del anillo de compresión 21. Para evitar la rotura del diafragma 8, el anillo de compresión 21 es preferentemente más ancho y está formado con una superficie curva para reducir las deformaciones de flexión.
De manera similar al anillo de compresión 21 externo, el anillo de compresión 22 interno se desplaza lejos del elemento de cubierta 19 del ensamblaje de tapón de cierre para comprimir el diafragma 8 y el ensamblaje de carga de placa tubular. Como se muestra, el diafragma 8 se dobla alrededor de ambos lados del anillo de compresión 22 interno cuando se aplica presión desde el canal el canal 7 del intercambiador de calor, lo que crea dos áreas con altas deformaciones de flexión en el diafragma 8. Para evitar la rotura del diafragma 8, el anillo de compresión 22 interno también puede ensancharse y dotarse de una superficie curva para reducir las deformaciones de flexión. Con ciertos modos de realización ilustradas descritas anteriormente, debe apreciarse que diversos modos de realización no limitativos descritos en la presente se pueden utilizar por separado, combinadas o combinadas selectivamente para aplicaciones específicas. Además, algunas de las diversas características de los modos de realización no limitativas anteriores se pueden utilizar sin el uso correspondiente de otras características descritas. Por lo tanto, la descripción anterior debe considerarse meramente ilustrativa de los principios, enseñanzas y modos de realización de ejemplo de esta invención, y no como limitación de estos.
Por ejemplo, hay cierres de bloque de cierre estilo A y estilo B. Los modos de realización ilustradas anteriores relate se refieren al estilo A que normalmente se usa para aplicaciones de tipo efluente de alimentación donde los fluidos del lado de la cubierta y del lado del tubo no son independientes, de modo que la placa tubular se pueda diseñar para la presión diferencial únicamente. Sin embargo, no debe entenderse que los modos de realización ilustradas se limitan a un cierre de bloque de cierre estilo A, ya que también abarca cierres estilo B en los que la placa tubular está soldada al canal y no es necesario cargar una junta de placa tubular y, por lo tanto, no hay una fila interior de pernos, como se muestra, por ejemplo, en la figura 8. Debe entenderse además que los modos de realización ilustradas se pueden utilizar con diversos métodos del estado de la técnica para lograr el sellado interno.
Debe entenderse que las disposiciones descritas anteriormente son solamente ilustrativas de la aplicación de los principios de los modos de realización ilustradas. Las personas del oficio de nivel medio pueden concebir numerosas modificaciones y disposiciones alternativas dentro del alcance definido por las reivindicaciones adjuntas que pretenden cubrir tales modificaciones y disposiciones.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un ensamblaje de intercambiador de calor que comprende:
una carcasa (70) de intercambiador de calor tubular alargada que define una cámara interior; una placa tubular (1) posicionada dentro de la cámara interior de la carcasa (70) del intercambiador de calor y que separa la cámara interior en un lado de la cubierta y un lado del canal en donde la cámara interior está configurada para recibir de manera extraíble un paquete de tubos posicionado dentro del lado de la cubierta de la cámara interior;
un elemento de manguito (2) que tiene una configuración anular posicionada dentro del lado del canal de la cámara interior de la carcasa (70) del intercambiador de calor; un ensamblaje de partición que comprende el elemento de manguito (2) posicionado dentro del lado del canal de la cámara interior de la carcasa (70) del intercambiador de calor para dirigir el fluido desde un puerto que se extiende a través de la carcasa (70) hasta al menos dos o más tubos en un paquete de tubos; y
una junta de placa tubular (6) posicionada entre la placa tubular (1) y un hombro formado dentro de la cámara interior de la carcasa (70) del intercambiador de calor;
caracterizada por un elemento de torsión elástica (60) que tiene una configuración anular posicionada dentro del lado del canal de la cámara interior del intercambiador de calor con el elemento de manguito (2) posicionado entre la placa tubular (1) y el elemento de torsión elástica (60), en donde el elemento de torsión elástica (60) tiene una circunferencia interna desviable con respecto a su circunferencia externa para torcer el elemento de torsión elástica (60); y
un anillo de rodamiento (50) posicionado dentro de la cámara interior de la carcasa (70) del intercambiador de calor con el elemento de torsión elástica (60) posicionado entre el elemento de manguito (2) y el anillo de rodamiento (50).
2. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, que además incluye al menos dos puertos que se extienden a través de la carcasa (70) para permitir que el fluido ingrese y salga del lado del canal de la cámara interior de la carcasa (70) del intercambiador de calor.
3. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 2, en donde el elemento de torsión elástica (60) está configurado para desviarse elásticamente hasta un límite de deflexión elástica y desviarse plásticamente por encima del límite de deflexión elástica de manera tal que el elemento de torsión elástica (60) se desvíe elásticamente para adaptarse a la expansión térmica diferencial y evitar daños a los componentes del intercambiador de calor cuando el intercambiador de calor está bajo precarga y cargas térmicas y de presión esperadas.
4. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el elemento de torsión elástica (60) está configurado para pivotar en una primera área de contacto (61) donde el elemento de torsión elástica (60) hace contacto con el elemento de manguito (2) y en una segunda área de contacto (63) donde el elemento de torsión elástica (60) hace contacto con el anillo de rodamiento (50).
5. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el elemento de torsión elástica (60) tiene una sección transversal cuadrilátera que tiene esquinas redondeadas.
6. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, que además incluye una pluralidad de elementos de torsión elástica (60) apilados en serie entre sí.
7. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el elemento de torsión elástica (60) está configurado para tener un radio externo "A" y un radio interno "B", en donde el radio externo es menor que un radio interno de un canal (7) de la cámara interior configura para recibir un paquete de tubos, en donde la relación de "A" con respecto a "B" es menor que 3.
8. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el elemento de torsión elástica (60) está configurado para tener una altura "H" que es aproximadamente 50 % de su límite de deflexión elástica, y tiene un espesor "T" de manera tal que el elemento de torsión elástica (60) se deforme plásticamente por encima de su límite de deflexión elástica.
9. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 5, que además incluye un ensamblaje de cierre para sellar el lado del canal de la cámara interior de la carcasa (70) del intercambiador de calor, en donde el ensamblaje de cierre incluye un elemento de anillo de bloqueo (9) y un elemento de cubierta (19) que están asegurados de manera extraíble a la carcasa (70) del intercambiador de calor con un ensamblaje de bloqueo.
10. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el ensamblaje de bloque incluye una pluralidad de secciones de buje de anillo de bloqueo (23A) espaciadas configuradas para interdigitar con las correspondientes secciones de buje de canal (23B) formadas en una parte de superficie interna cilíndrica de la carcasa (70) del intercambiador de calor.
11. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 9, que además incluye:
un diafragma (8) posicionado con el lado del canal de la cámara interior adyacente al anillo de bloqueo y los elementos de cubierta; y
una junta de diafragma (10) comprimida contra el diafragma (8) cuando el elemento de anillo de bloqueo (9) está asegurado de manera extraíble a la carcasa (70) del intercambiador de calor.
12. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 11, en donde el ensamblaje de cierre además incluye:
una pluralidad de primeros elementos de compresión alargados (12, 14) proporciona a lo largo de una parte de radio externo del ensamblaje de cierre para transmitir una fuerza a un primer anillo de compresión (21), que transmite una fuerza a una parte de borde del diafragma (8) y la junta de diafragma (10); y una pluralidad de segundos elementos de compresión alargados (11, 13) proporcionados a lo largo de un radio interno parte del ensamblaje de cierre para transmitir una fuerza a un segundo anillo de compresión (22), que transmite una fuerza contra una parte del diafragma (8) lo que hace que una parte del diafragma (8) se desvíe distalmente desde el elemento de cubierta (19) y hacia el elemento de torsión elástica (60) cuando el ensamblaje de cierre está asegurado de manera extraíble a la carcasa (70) del intercambiador de calor. 13. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 12, en donde la placa tubular (1), el elemento de manguito (2), el anillo de rodamiento (50), el primer y segundo anillos de compresión (21, 22), el anillo de bloqueo (9), y el primer y segundo elementos de compresión (11, 12, 13, 14) están configurados para permanecer elásticos hasta o por encima de una carga axial total de cargas de precarga, térmicas y de presión cuando el ensamblaje de cierre está asegurado a la carcasa (70) del intercambiador de calor.
14. El ensamblaje de intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 13, en donde cuando los elementos de compresión alargados (11, 12, 13, 14) están precargados, los elementos de compresión imparten la precarga a través de una primera trayectoria de carga axial a una primera área de contacto (61) del elemento de torsión elástica (60), que transmite la precarga a través de una trayectoria de carga de torsión a través del elemento de torsión elástica (60) a una segunda área de contacto (63) del elemento de torsión elástica (60), que transmite la precarga a través de una segunda trayectoria de carga axial a una junta de placa tubular (6).
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