ES2274218T3 - Haz de tubos. - Google Patents
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Abstract
Un haz de tubos que comprende una pluralidad de tubos paralelos y soportes transversales espaciados axialmente para soportar los tubos en un recipiente cilíndrico, caracterizado porque cada soporte transversal comprende una chapa de metal expandido.
Description
Haz de tubos.
La presente invención se refiere a un haz de
tubos que comprende una pluralidad de tubos paralelos y soportes
transversales separados espaciados axialmente para soportar los
tubos en un recipiente cilíndrico. El recipiente cilíndrico, que
está provisto internamente con el haz de tubos, puede ser un
cambiador de calor que comprende una carcasa cilíndrica y el haz de
tubos dispuesto en la carcasa cilíndrica.
Un área fundamental de aplicación del haz de
tubos es en los cambiadores de calor de carcasa y tubos. Un
cambiador de calor de carcasa y tubos comprende un recipiente
cilíndrico provisto internamente con un haz de tubos que comprende
una pluralidad de tubos paralelos que se extienden en la dirección
longitudinal del recipiente, comprendiendo el haz de tubos
adicionalmente soportes transversales espaciados axialmente para
soportar los tubos en el recipiente cilíndrico.
Como se sabe bien, el cambiador de calor de
carcasa y tubos es un cambiador de calor indirecto en el que el
calor se transfiere entre un fluido que pasa a través de los tubos
del haz de tubos (el lado del tubo) y un fluido que pasa a través
del espacio fuera de los tubos (el lado de la carcasa). Los detalles
de los cambiadores de calor de carcasa y tubos pueden encontrarse
por ejemplo en Perry Chemical Engineers Handbook, 5ª edición, 1973,
McGraw-Hill Inc., páginas 11-3 a
11-21. El haz de tubos es la parte más importante
del cambiador de calor. Los extremos de los tubos se aseguran a una
chapa para tubo. El cambiador de calor puede incluir dos chapas
para tubo, una en cada extremo del recipiente cilíndrico, o una
única chapa para tubo en un extremo del recipiente cilíndrico en el
caso de que el cambiador de calor sea un cambiador con tubo en forma
de U.
Se entenderá que las porciones intermedias de
los tubos deben estar soportadas también, por ejemplo para evitar
el daño a los tubos debido a las vibraciones provocadas por el flujo
del fluido. Para soportar las porciones intermedias de los tubos,
el haz de tubos incluye soportes transversales espaciados axiales.
Un soporte convencional es un tabique deflector, y hay diversas
clases de tabiques deflectores que se analizan en Perry. Los
tabiques deflectores no sólo soportan los tubos sino que restringen
el área de flujo en el lado de la carcasa, los tabiques deflectores
controlan también el flujo de fluido a través del lado de la
carcasa. Por lo tanto, el diseño de un tabique deflector está
determinado en gran medida por las consideraciones de transferencia
de calor.
La memoria descriptiva de la Patente de Estados
Unidos Nº 2 018 037 describe un soporte de tubo que se diseña para
reducir la restricción del área de flujo en el lado de la carcasa.
Esta publicación describe un haz de tubos que comprende una
pluralidad de tubos paralelos y soportes transversales espaciados
axialmente para soportar la porciones intermedias de los tubos de
un recipiente cilíndrico en el que los soportes transversales están
compuestos por varillas o barras dispuestas en carriles entre las
filas de tubos. Un soporte transversal está compuesto por un anillo
de soporte que tiene un diámetro externo que es algo más pequeño que
el diámetro interno del recipiente cilíndrico y las varillas o
barras paralelas que se aseguran por sus extremos al anillo de
soporte. Cuando los tubos del haz de tubos se disponen en un
espaciado triangular (en el que los tubos se disponen de manera que
sus centros están en los vértices de triángulos equiláteros), un
conjunto de tres soportes transversales espaciados axialmente
dispuestos en ángulos de 60º entre ellos será suficiente para
soportar los tubos en todas las direcciones. Y cuando los tubos se
disponen en un espaciado cuadrado (en el que los tubos se disponen
de manera que sus centros están en los vértices de cuadrados), un
conjunto de dos soportes transversales espaciados axialmente
dispuestos en ángulos de 90º entre ellos será suficiente para
soportar los tubos en todas las direcciones.
Como los soportes transversales conocidos
consisten en un anillo de soporte y varillas o barras paralelas
aseguradas a los mismos, no es fácil fabricar el haz de tubos
provisto con los soportes transversales conocidos.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un haz de tubos que es más sencillo de fabricar que el
conocido.
Para ello, el haz de tubos de acuerdo con la
presente invención comprende una pluralidad de tubos paralelos y
soportes transversales espaciados axialmente para soportar los tubos
en un recipiente cilíndrico, en el que cada soporte transversal
está hecho de una chapa de metal expandido.
Una chapa de metal expandido se hace a partir de
una chapa metálica que se abre y estira en una estructura de
listones transversales con intersticios. Su fabricación es sencilla
y barata. Además las chapas pueden cortarse fácilmente con una
forma circular, por ejemplo por corte con láser. El tamaño de los
intersticios puede seleccionarse de manera que sea aproximadamente
igual al diámetro del tubo, de manera que el tubo se soporta en las
direcciones transversales mediante un único soporte transversal.
Como alternativa, el tamaño de los intersticios puede ser mayor que
el diámetro del tubo, de manera que un soporte transversal soporta
el tubo en una o dos direcciones transversales. En este caso, serán
necesarios dos o más soportes transversales desplazados
relativamente entre sí para soportar un tubo en todas las
direcciones transversales.
En la memoria descriptiva y en las
reivindicaciones la expresión "el tamaño de los intersticios es
aproximadamente igual al diámetro del tubo" se usa para
referirse a un tamaño de los intersticios del soporte transversal
que está limitado por un límite inferior y uno superior. El límite
inferior es tal que el tubo pueda pasar a través de los
intersticios sin holgura, y el límite superior es tal que un tubo de
calibre que tiene un diámetro externo que es un 10% mayor que el
del tubo puede pasar a través de los intersticios sin holgura. La
expresión "el tamaño de los intersticios es mayor que el diámetro
del tubo" se usa para referirse a un tamaño de los intersticios
del soporte transversal que está limitado por un límite inferior, en
el que el límite inferior es tal que un tubo de calibre que tiene
un diámetro externo que un 50% mayor que el diámetro externo del
tubo del haz de tubos puede pasar a través de los intersticios sin
holgura. Un límite superior práctico es tal que de dos a cuatro
tubos paralelos del haz de tubos dispuesto a su distancia normal
entre sus líneas centrales puede pasar a través de los intersticios
sin holgura.
La invención se describirá ahora a modo de
ejemplo con más detalle con referencia a los dibujos adjuntos en
los que
La Figura 1 muestra una parte esquemática de una
sección longitudinal del haz de tubos de la presente invención;
La Figura 2 muestra una muestra esquemáticamente
una vista a lo largo de la línea II-II de la Figura
1 dibujada a una escala mayor;
La Figura 3 muestra esquemáticamente un
dimensionado alternativo de los intersticios de los soportes
transversales;
La Figura 4 muestra esquemáticamente un ejemplo
de los soportes transversales segmentados;
La Figura 5 muestra esquemáticamente un ejemplo
de los soportes transversales formados por segmentos circulares;
La Figura 6 muestra una vista superior de uno de
los soportes transversales de la figura 5.
El haz de tubos de acuerdo con la presente
invención comprende una pluralidad de tubos paralelos 1, 2, 3, 4,
5, 6, 7, 8 y 9 y soportes transversales espaciados axialmente 21,
22, 23, 24 y 25 para soportar las partes intermedias de los tubos
en un recipiente cilíndrico que tiene una carcasa cilíndrica 30.
Obsérvese, por favor, que la Figura 1 no muestra las partes finales
de los tubos con la chapa para tubo.
Cada soporte transversal está hecho de una chapa
de metal expandido 40. La chapa de metal expandido 40 es una
estructura de listones transversales 41 con intersticios 42. Para
aclarar, en la Figura 2 no a todos los intersticios y listones se
les ha atribuido un número de referencia. El tamaño de los
intersticios 42 debe ser aproximadamente igual a o mayor que el
diámetro externo de un tubo 1-9.
Como puede observarse a partir de la Figura 2,
el tamaño de los intersticios 42 de la chapa de metal expandido 40
que forma el soporte transversal 21 es mayor que el diámetro externo
de los tubos 1-9. Por lo tanto el soporte
transversal 21 soporta los tubos 1-9 en la dirección
hacia abajo únicamente. Para soportar los tubos en la dirección
hacia arriba, el siguiente soporte transversal 22 se escalona con
respecto al soporte transversal 21. En la Figura 2 se muestra con
líneas discontinuas, el borde de un intersticio 52 de la chapa de
metal expandido del siguiente soporte transversal 22.
Opcionalmente las chapas de metal de expandido
de los soportes transversales pueden asegurarse a un anillo de
soporte 27 (Figura 1) que tiene un diámetro externo que es
ligeramente menor que el diámetro interno de la carcasa cilíndrica
30. Los anillos de soporte 27 pueden conectarse mediante varillas de
conexión (no mostradas) provistas con elementos espaciadores (no
mostrados) para asegurar que el espaciado axial de los soportes
transversales se mantiene durante la instalación y el
funcionamiento normal.
En la realización de la invención mostrada en la
Figura 2, los tubos se disponen en un espaciado cuadrado, a 45º
respecto a la horizontal. En una realización alternativa el
espaciado cuadrado es horizontal y esto significa que la Figura 2
está girada 45º. En esta realización serán necesarios cuatro
soportes transversales para soportar los tubos paralelos en las
direcciones transversales (izquierda, derecha, arriba y abajo).
En la realización de la invención mostrada en
las Figuras 1 y 2, dos soportes transversales adyacentes soportan
todos los tubos. Como alternativa, cada soporte transversal soporta
los tubos en todas las direcciones transversales, en cuyo caso el
tamaño de los intersticios de la chapa de metal expandido es
aproximadamente igual al diámetro externo del tubo.
Se hace referencia ahora a la Figura 3, que
muestra únicamente una pequeña parte de dos soportes transversales
adyacentes dispuestos uno después del otro, hechos de chapas de
metal expandidos 60 y 61 y desplazados uno respecto al otro. Las
chapas de metal expandido 60 y 61 comprenden listones transversales
62 con intersticios 63. Para aclarar, en la Figura 3 no a todos los
intersticios y listones se les ha atribuido un número de referencia.
El tamaño de los intersticios 63 es mayor que el diámetro externo
de un tubo 65. En el diseño mostrado en la Figura 3, cuatro tubos
paralelos 65 del haz de tubos dispuestos a su distancia normal 70
entre sus líneas centrales pueden pasar a través de los
intersticios 63 sin holgura. Los soportes transversales se han
desplazado entre sí para proporcionar soporte de todas las
direcciones.
En la realización de la invención mostrada en la
Figura 1 y 2, los soportes transversales se extienden sobre el
diámetro interno del recipiente cilíndrico. Como alternativa, los
soportes transversales son soportes transversales segmentados. Los
soportes segmentados permiten el flujo transversal del flujo de
fluido a través del lado de la carcasa de un cambiador de
calor.
La Figura 4 muestra esquemáticamente un número
de soportes segmentados 80a, b, c, d de metal expandido, teniendo
cada uno un segmento abierto 82a, b, c, d en diferentes posiciones.
Los tubos del haz de tubos no se muestran por claridad. Usando
dichos soportes segmentados, el flujo durante el funcionamiento se
guía a través de la carcasa en un patrón alternativo de manera que
habrá algo de flujo transversal. La transferencia de calor en el
flujo transversal es mejor que en el flujo longitudinal.
Las Figuras 5 y 6 muestran una realización
adicional de un soporte transversal de acuerdo con la presente
invención. Cada uno de los soportes transversales 90a y 90b se forma
mediante cuatro sectores circulares hechos de metal expandido
91a,b, 92a,b, 93a,b, 94a,b, en un anillo de soporte 98a,b. Cada uno
de los sectores del círculo está inclinado hacia fuera del plano
perpendicular a la dirección axial del haz de tubos, es decir fuera
del plano que se define mediante los anillos de soporte 94a,b. En
este ejemplo los sectores circulares se disponen de manera que se
inclinan aproximadamente un diámetro de la carcasa 96. El ángulo de
inclinación con respecto al plano horizontal es adecuadamente entre
20 y 70 grados. Se han obtenido buenos resultados con un ángulo de
aproximadamente 30 grados. Puede disponerse un travesaño de soporte
axial central 99 para estabilidad mecánica. Los tubos del haz de
tubos que se extienden a través de los intersticios del círculo de
metal expandido no se muestran por claridad.
La Figura 6 muestra una vista superior del
soporte transversal 90a. Los sectores circulares, visibles en esta
vista en proyección se extienden sobre todo el diámetro interno de
la carcasa circular. Por claridad, cuando se hace referencia al
"tamaño de los intersticios" en la memoria descriptiva y en las
reivindicaciones, se entiende el tamaño de la proyección de los
intersticios sobre un plano perpendicular, que es el tamaño visible
en una vista desde arriba como en la Figura 6.
Se ha descubierto que cuando los segmentos
circulares se inclinan de esta manera, parte del flujo pasará por
los soportes transversales a través de los huecos entre los sectores
circulares. También, esta disposición conferirá un remolino al
flujo, que provoca un flujo transversal que mejora la transferencia
de calor. Esta disposición permite mayores velocidades de flujo y
no habrá zonas de estancamiento de manera que la tendencia a
obstrucción es muy pequeña.
Además, es posible instalar fácilmente uno o más
tabiques deflectores longitudinales a lo largo de los huecos entre
los sectores circulares. Los tabiques deflectores longitudinales
pueden usarse para configurar un cambiador de calor de carcasa y
tubos de manera que el fluido fluye a través del lado de la carcasa
en diversos pasos. Esto permite la construcción de recipientes de
intercambio de calor más cortos. Una opción particularmente
ventajosa es instalar dos tabiques deflectores longitudinales
transversales en una realización como se muestra en las Figuras 5 y
6 a lo largo de los límites entre los sectores circulares y cubrir
adecuadamente todo el diámetro de la carcasa 95. Puede que no sea
necesario un travesaño del soporte central. Los tabiques deflectores
longitudinales separan la carcasa en cuatro segmentos que se
disponen adecuadamente en comunicación fluida para que el fluido
pase consecutivamente a través de cada uno de los cuatro segmentos
de la carcasa. De esta manera, como alternativa para un recipiente
de intercambio de calor de por ejemplo 24 m de longitud y 1,5 m de
diámetro, puede configurarse un recipiente de 6 m de longitud y 3 m
de diámetro. Esto puede ser un cambiador de calor denominado
"torre Texas".
La invención se refiere también a un recipiente
cilíndrico que comprende una carcasa cilíndrica provista con un haz
de tubos de acuerdo con la invención. El recipiente cilíndrico
provisto con el haz de tubos de la presente invención puede ser un
cambiador de calor de carcasa y tubos o un reactor. Puede usarse en
una posición horizontal o en una posición vertical.
El haz de tubos de acuerdo con la presente
invención comprende soportes transversales que se hacen de una
chapa de metal expandido de material sencillo. Y, por lo tanto, el
haz de tubos es más fácil de fabricar que los haces de tubos con
los soportes transversales conocidos. Además los soportes
transversales de la presente invención proporcionan una menor
resistencia al flujo de fluido.
Una aplicación particular de la presente
invención es en reactores químicos que comprenden un haz de tubos
en una carcasa, por ejemplo como se usa en la producción de óxido de
etileno. A menudo aquí es necesaria una estructura de soporte de
tubos muy abierta. Un soporte transversal para esta aplicación se
conoce por ejemplo a partir de la memoria descriptiva de la Patente
de Estados Unidos Nº 5 366 188. El soporte conocido se hace a
partir de un disco sólido que se perfora de una manera específica.
La fabricación de dichos discos perforados es bastante cara. Un
soporte transversal de acuerdo con la presente invención es una
alternativa más sencilla. Para crear una estructura de soporte que
sea muy abierta, el soporte transversal puede comprender
adecuadamente una pluralidad de piezas de metal expandido, en la
que cada pieza sea más pequeña que la sección transversal del
recipiente de reactor y está inclinado con respecto al plano de la
sección transversal y en el que todas las piezas están conectadas
juntas para abarcar la sección transversal del recipiente del
reactor. El fluido puede fluir a través de cada pieza de metal
expandido y a través de las aberturas entre las piezas inclinadas
adyacentes.
Claims (12)
1. Un haz de tubos que comprende una pluralidad
de tubos paralelos y soportes transversales espaciados axialmente
para soportar los tubos en un recipiente cilíndrico,
caracterizado porque cada soporte transversal comprende una
chapa de metal expandido.
2. El haz de tubos de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que cada soporte transversal está hecho de
una única chapa de metal expandido.
3. El haz de tubos de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, en el que los soportes transversales se
extienden por todo el diámetro interno de la carcasa cilíndrica.
4. El haz de tubos de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, en el que los soportes transversales son
soportes transversales segmentados.
5. El haz de tubos de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1-4, en el que cada soporte
transversal está formado sustancialmente por sectores circulares
hechos de metal expandido.
6. El haz de tubos de acuerdo con la
reivindicación 5, en el que los sectores circulares están inclinados
con respecto al plano que se extiende perpendicularmente al haz de
tubos.
7. El haz de tubos de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1-6, en el que el tamaño de
los intersticios de la chapa de metal expandido es aproximadamente
igual al diámetro de los tubos.
8. El haz de tubos de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1-6 en el que el tamaño de
los intersticios de la chapa de metal expandido es mayor que el
diámetro de los tubos, y en el que los soportes transversales
adyacentes se desplazan unos respecto a otros para proporcionar
soporte en todas las direcciones.
9. El haz de tubos de acuerdo con una cualquiera
de las reivindicaciones 1-8, dispuesto internamente
en un recipiente cilíndrico que comprende una carcasa
cilíndrica.
10. El haz de tubos de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-9, cuando se
dispone en una carcasa cilíndrica que forma parte de un cambiador
de calor.
11. El haz de tubos de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que el
haz de tubos forma parte de un reactor químico, en particular un
reactor de óxido de etileno.
12. El haz de tubos de acuerdo con la
reivindicación 5 ó 6, provisto adicionalmente con tabiques
deflectores longitudinales dispuestos de manera transversal que se
extienden entre los sectores circulares.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP02075465 | 2002-02-05 | ||
| EP02075465 | 2002-02-05 |
Publications (1)
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