ES2529071B1

ES2529071B1 - Heat exchanger double propellers

Info

Publication number: ES2529071B1
Application number: ES201431666A
Authority: ES
Inventors: Daniel JIMÉNEZ DEL PASO; Francisco Borja HERNANDO MOREJÓN; Omar Vallati
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2015-11-23
Anticipated expiration: 2034-11-13
Also published as: WO2016075352A1; ES2529071A1

Abstract

Intercambiador de calor de hélices dobles.#La invención parte de la estructura de un intercambiador de calor, del tipo de los que se constituyen a partir de una carcasa por cuyo interior circula un fluido, para intercambiar calor con el fluido que circula a su vez por uno o más tubos helicoidales dispuestos en el interior de tal carcasa, siendo los flujos paralelos y en el mismo sentido o a contracorriente, centrándose la invención en el hecho de que los tubos helicoidales previstos en el interior de la carcasa del intercambiador van montados por parejas de giro contrario para cada tubo que participa en dicha pareja, estableciéndose una intersección de las dos hélices a derecha e izquierda que describen los tubos de cada pareja, en orden a generar una turbulencia en la circulación del flujo que circula por el interior de la carcasa respecto de los tubos por los que circula el otro fluido.Heat exchanger of double propellers. # The invention is based on the structure of a heat exchanger, of the type that is constituted from a housing through which a fluid circulates, to exchange heat with the circulating fluid in turn. by one or more helical tubes arranged inside such a housing, the flows being parallel and in the same direction or countercurrent, the invention focusing on the fact that the helical tubes provided inside the exchanger housing are mounted in pairs of opposite rotation for each tube that participates in said pair, establishing an intersection of the two propellers to the right and left that describe the tubes of each pair, in order to generate a turbulence in the circulation of the flow that circulates inside the housing with respect to the tubes through which the other fluid circulates.

Description

DESCRIPCIÓN DESCRIPTION

Intercambiador de calor de hélices dobles. Heat exchanger double propellers.

OBJECT OF THE INVENTION 5

La presente invención se refiere a un intercambiador de calor, del tipo de los que están constituidos por una carcasa tubular por la que circula un fluido y en cuyo interior de esa carcasa se establecen una serie de conductos o tubos helicoidales por los que circula un segundo fluido, encargado de intercambiar calor con el primer fluido. 10 The present invention relates to a heat exchanger, of the type of which is constituted by a tubular housing through which a fluid circulates and within which a series of helical ducts or tubes are established through which a second circulates fluid, responsible for exchanging heat with the first fluid. 10

El objeto de la invención es proporcionar un nuevo concepto de estructuración para los tubos helicoidales dispuestos en el interior de la carcasa del intercambiador de calor, en orden a conseguir una mayor eficacia, o lo que es lo mismo una óptima transferencia de calor entre los fluidos que circulan en el interior de la carcasa y por el interior de los tubos helicoidales. 15 The object of the invention is to provide a new structuring concept for the helical tubes arranged inside the heat exchanger housing, in order to achieve greater efficiency, or what is the same, an optimal heat transfer between the fluids circulating inside the housing and inside the helical tubes. fifteen

BACKGROUND OF THE INVENTION

Como es sabido, un intercambiador de calor es un aparato en el que existe una transferencia de calor entre dos fluidos en movimiento (líquidos o gaseosos) que están separados por algún 20 material sólido (metal, cerámica, plástico, etc) que permite el paso de calor del fluido caliente al fluido frío sin que ambos fluidos se mezclen. As is known, a heat exchanger is an apparatus in which there is a heat transfer between two moving fluids (liquid or gaseous) that are separated by some solid material (metal, ceramic, plastic, etc.) that allows the passage of heat from the hot fluid to the cold fluid without both fluids mixing.

Uno de los tipos de intercambiadores de calor basado en las características anteriormente referidas, es aquel que se conoce como de “carcasa y tubo”, siendo este el mas común en las 25 aplicaciones industriales, de manera que en este tipo de intercambiador pueden distinguirse a su vez dos versiones, aquellas en las que el flujo de fluido a través de los tubos helicoidales y a través de la carcasa, presentan el mismo sentido, es decir son flujos paralelos en el sentido de circulación, mientras que el otro tipo es el que los fluidos circulan a contra flujo, es decir en un sentido en la carcasa y en sentido contrario en los tubos helicoidales del interior. 30 One of the types of heat exchangers based on the aforementioned characteristics, is that which is known as "casing and tube", this being the most common in the 25 industrial applications, so that in this type of exchanger can be distinguished from in turn two versions, those in which the flow of fluid through the helical tubes and through the housing, have the same direction, that is, they are parallel flows in the direction of circulation, while the other type is the one that fluids circulate against the flow, that is in one direction in the housing and in the opposite direction in the helical tubes inside. 30

Pues bien, en ambas situaciones lo que se pretende es que el fluido externo, es decir el que circula por el interior de la carcasa, haga un contacto intimo con los tubos, de manera que para provocar ese contacto intimo a veces se utilizan deflectores que desvían al fluido externo, es decir el que circula por la carcasa, para entrar en contacto turbulento con la superficie de los tubos 35 helicoidales por los que circula el otro fluido, eliminándose con esto la capa limite adherida externamente al tubo, que es la inhibidora de la transmisión de calor. Well, in both situations what is intended is that the external fluid, that is to say that circulates inside the housing, makes intimate contact with the tubes, so that to cause that intimate contact sometimes deflectors are used that they divert to the external fluid, that is, the one that circulates through the housing, to enter into turbulent contact with the surface of the helical tubes 35 through which the other fluid circulates, thereby eliminating the boundary layer adhered externally to the tube, which is the inhibitor of heat transmission.

Sin embargo, cuando los tubos son helicoidales no se utilizan deflectores, puesto que el fluido externo se ve obligado a cambiar permanentemente de dirección y en forma rotatoria, siguiendo la 40 hélice del tubo interno, de modo que el fluido tiende a rodear al tubo helicoidal sin romper la capa limite de fluido que esta ligado a la parte externa del mismo, con la consecuente disminución de trasferencia de calor. However, when the tubes are helical, baffles are not used, since the external fluid is forced to change direction permanently and in a rotational manner, following the propeller of the inner tube, so that the fluid tends to surround the helical tube without breaking the fluid boundary layer that is linked to the outside of it, with the consequent decrease in heat transfer.

Estos intercambiadores de carcasa con tubos helicoidales, habitualmente se configuran en un 45 racimo de un número determinado de tubos, todos ellos girando a derechas o a izquierdas, de modo que el fluido externo tiende a girar en un sentido o en otro, tendiendo a moverse en la cercanía de la superficie tubular, en régimen laminar y lógicamente sin la total eliminación de la capa limite que sigue limitando la transferencia de calor entre ambos fluidos. These casing exchangers with helical tubes are usually configured in a cluster of a certain number of tubes, all of them turning to the right or to the left, so that the external fluid tends to turn in one direction or another, tending to move in the proximity of the tubular surface, in a laminar regime and logically without the total elimination of the boundary layer that continues to limit the heat transfer between both fluids.

50 fifty

DESCRIPTION OF THE INVENTION

El intercambiador de calor que se preconiza, basándose en el tipo denominado de carcasa y tubos, y estos de configuración helicoidal, presenta la particularidad de que los tubos helicoidales van montados por parejas con las hélices cambiadas en uno y otro de cada pareja, es decir una 5 hélice a derechas y otra a izquierdas por cada pareja de tubos que incluya en el interior de la carcasa del intercambiador, siendo por tanto el número total de tubos helicoidales o serpentines par, de manera que con cada pareja se da una intersección de dos hélices a derechas y a izquierda, que pueden estar o no soldadas entre sí. The heat exchanger that is recommended, based on the so-called type of casing and tubes, and these of helical configuration, has the particularity that the helical tubes are mounted in pairs with the propellers changed in one and the other of each couple, that is to say a 5 propeller on the right and one on the left for each pair of tubes included inside the exchanger housing, therefore being the total number of helical tubes or coils, so that with each pair there is an intersection of two right and left propellers, which may or may not be welded together.

10 10

De esta manera, el fluido que circula por la carcasa, es decir el externo, se encontrará, cada media vuelta de hélice, con un ramal que gira en la otra dirección, provocando una desviación del flujo y la consecuente turbulencia que lleva consigo la eliminación de la capa limite y aumentando los coeficientes de transferencia de calor entre ambos fluidos. In this way, the fluid that circulates through the housing, that is to say the external one, will meet, every half turn of the propeller, with a branch that turns in the other direction, causing a deviation of the flow and the consequent turbulence that entails the elimination of the boundary layer and increasing the heat transfer coefficients between both fluids.

15 fifteen

El número de parejas (derecha-izquierda) ideales serán aquellas que generen una distribución cilíndrica que se acopla a la carcasa cilíndrica, pudiendo tener el intercambiador una pareja de tubos helicoidales, tres parejas, siete parejas, trece parejas, diecinueve parejas, etc aunque también podrían colocarse las parejas (derecha-izquierda) en otras distribuciones en la que la carcasa no tenga forma cilíndrica, como configuraciones cuadradas, rectangulares, o cualquier 20 otra configuración apropiada. The ideal number of couples (right-left) will be those that generate a cylindrical distribution that is coupled to the cylindrical housing, the exchanger being able to have a pair of helical tubes, three couples, seven couples, thirteen couples, nineteen couples, etc. although also couples (right-left) could be placed in other distributions in which the housing does not have a cylindrical shape, such as square, rectangular configurations, or any other appropriate configuration.

Otra característica, es que cada pareja de tubos helicoidales puede presentar o realizarse en sentido lineal sin retorno, es decir con una entrada y una salida en los dos tubos, o bien con retorno del fluido, entrando por un extremo y saliendo por el extremo opuesto de otro tubo de la 25 pareja. Another characteristic is that each pair of helical tubes can present or be carried out in a linear direction without return, that is, with an inlet and an outlet in the two tubes, or with fluid return, entering at one end and leaving at the opposite end. from another tube of the 25 couple.

En definitiva, se trata de una nueva concepción de la disposición de los tubos helicoidales pertenecientes a un intercambiador de calor del tipo “carcasa y tubos”, que proporciona o produce una hiper-turbulencia en el fluido que circula por el interior de la carcasa, eliminando la capa límite 30 de la superficie externa del serpentín que constituye el tubo helicoidal correspondiente, favoreciendo la normal transferencia de calor entre ambos fluidos. In short, it is a new conception of the arrangement of helical tubes belonging to a heat exchanger of the "shell and tubes" type, which provides or produces hyper-turbulence in the fluid that circulates inside the shell, eliminating the boundary layer 30 of the external surface of the coil that constitutes the corresponding helical tube, favoring the normal transfer of heat between both fluids.

En consecuencia, se produce un aumento de los coeficientes de transferencia de calor respecto a los intercambiadores usados hasta ahora. 35 Consequently, there is an increase in heat transfer coefficients compared to the exchangers used so far. 35

DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente 40 de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: To complement the description that will then be made and in order to help a better understanding of the features of the invention, according to a preferred example of practical realization thereof, a set of said description is attached as an integral part of said description. Drawings where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:

La figura 1.- Muestra una vista en perspectiva longitudinal de dos tubos helicoidales formando una pareja (derecha-izquierda) para la circulación de un fluido en el interior de una carcasa de un 45 intercambiador de calor por la que circulará, exteriormente a esos tubos otro fluido. Figure 1 shows a longitudinal perspective view of two helical tubes forming a pair (right-left) for the circulation of a fluid inside a housing of a heat exchanger through which it will circulate, externally to those tubes other fluid

La figura 2.- Muestra una vista longitudinal de dos tubos formando una pareja acoplados entre si, viéndose el sentido de circulación del fluido en el interior de cada tubo, a través de las flechas representadas en la zona derecha de la pareja de tubos helicoidales referidos. 50 Figure 2.- Shows a longitudinal view of two tubes forming a couple coupled to each other, showing the direction of flow of the fluid inside each tube, through the arrows represented in the right area of the pair of referred helical tubes . fifty

La figura 3.- Muestra una vista esquemática, según un alzado, de un intercambiador de calor con tres parejas de tubos helicoidales, realizado de acuerdo con el objeto de la invención, viéndose la circulación del fluido en el interior de esos tubos, en sentido contrario, es decir a contracorriente, respecto del sentido de circulación del fluido en el interior de la carcasa cilíndrica del intercambiador. 5 Figure 3.- Shows a schematic view, according to an elevation, of a heat exchanger with three pairs of helical tubes, made in accordance with the object of the invention, the circulation of the fluid being seen inside those tubes, in the sense on the contrary, that is to say counter-current, with respect to the direction of circulation of the fluid inside the cylindrical casing of the exchanger. 5

La figura 4.- Muestra una vista como la de la figura 2 pero con retorno del fluido a través de los dos tubos que forman la pareja según el objeto de la invención. Figure 4.- Shows a view like that of Figure 2 but with fluid return through the two tubes that form the pair according to the object of the invention.

La figura 5.- Muestra una vista en planta de un intercambiador en el que participan tres parejas de 10 tubos helicoidales. Figure 5.- Shows a plan view of an exchanger in which three pairs of 10 helical tubes participate.

La figura 6.-Muestra, finalmente, una variante de realización según una vista en perfil, en la que, el intercambiador incluye en sus extremos unas cámaras de distribución del fluido, mediante las que se consigue una mejor uniformidad del flujo entrante/saliente 15 Figure 6 shows, finally, a variant embodiment according to a profile view, in which, the exchanger includes at its ends fluid distribution chambers, whereby a better uniformity of the incoming / outgoing flow is achieved 15

PREFERRED EMBODIMENT OF THE INVENTION

Como se puede ver en las figuras referidas, el intercambiador de calor objeto de la invención, como es convencional, incluye una carcasa cilíndrica (1) por la que circula un fluido, según las 20 flechas indicadas en la figura 3, y en el interior de esa carcasa (1) parejas de conductos helicoidales (2) por las que circula un fluido caloportador, con objeto de que exista una transferencia de calor entre los fluidos de las parejas de tubos helicoidales (2) y el fluido que circula por el interior de la carcasa (1), viéndose en el caso representado como la circulación del fluido a través de las parejas de tubos helicoidales (2), es a contracorriente respecto de la que se 25 establece en el interior de la carcasa (1). As can be seen in the aforementioned figures, the heat exchanger object of the invention, as is conventional, includes a cylindrical housing (1) through which a fluid circulates, according to the 20 arrows indicated in Figure 3, and inside of that housing (1) pairs of helical ducts (2) through which a heat transfer fluid circulates, so that there is a heat transfer between the fluids of the pairs of helical tubes (2) and the fluid circulating inside of the housing (1), seen in the case represented as the circulation of the fluid through the pairs of helical tubes (2), is countercurrent with respect to that which is established inside the housing (1).

En cualquier caso, y según el objeto de la invención, cada pareja de tubos helicoidales (2), incluye dos tubos (2’) y (2’’) con la hélice en un caso a derechas y en otro caso a izquierdas, según se indica por las flechas representadas en la figura 1, de manera que el número de parejas de tubos 30 (2) que incluirá el cuerpo cilíndrico (1) o carcasa del intercambiador, podrá ser de 1, 3, 7, 13, ........, siendo el resultando siempre un número par de tubos, viéndose en la figura 5, como en el interior de la carcasa (1) van situadas tres parejas de tubos helicoidales (2’-2’’)), ocurriendo esto siempre que se trata de una carcasa cilíndrica, ya que el número de tubos o pareja de tubos (2) podrá ser cualquier otro cuando se trate de carcasas de configuración cuadrada, triangular, 35 pentagonal, etc. In any case, and according to the object of the invention, each pair of helical tubes (2), includes two tubes (2 ') and (2' ') with the propeller in one case to the right and in another case to the left, according to It is indicated by the arrows represented in Figure 1, so that the number of pairs of tubes 30 (2) that will include the cylindrical body (1) or casing of the exchanger, may be 1, 3, 7, 13, .. ......, the result being always an even number of tubes, seen in Figure 5, as inside the housing (1) three pairs of helical tubes (2'-2 '')) are located, This happens whenever it is a cylindrical casing, since the number of tubes or pair of tubes (2) can be any other when it is a case of square, triangular, pentagonal configuration, etc.

Es decir el número de parejas (derecha-izquierda) (2) de tubos (2’) y (2’’), será ideal siempre que se genere una distribución cilíndrica que se acople en el interior de la carcasa cilíndrica (1), como se representa, en la figura 5, aunque también podría colocarse las parejas (derecha-izquierda) las 40 parejas de tubos (2) en otras distribuciones en las que las carcasa (1) no tenga la forma cilíndrica, si no que podrían ser carcasa cuadrada, triangular u otras. In other words, the number of pairs (right-left) (2) of tubes (2 ') and (2' '), will be ideal as long as a cylindrical distribution is generated that fits inside the cylindrical shell (1), as depicted, in figure 5, although the pairs (right-left) could also be placed in the 40 pairs of tubes (2) in other distributions in which the housing (1) does not have the cylindrical shape, but could be square, triangular or other housing.

En la figura 2 se muestra la pareja de tubos (2), en donde los tubos (2’) y (2’’), lógicamente helicoidales, presentan una entrada común, a través del extremo (4) y una salida común a través 45 del extremos (5), es decir donde el sentido de circulación del fluido en los tubos (2’) y (2’’) es el mismo, aunque ambos tubos (2’) y (2’’) presenten a derecha y a izquierda sus hélices, según se indica por las flechas (6) representadas en esa figura 2. En esta figura como en la figura 3, la circulación del fluido es lineal sin retorno, mientras que en la figura 4 la pareja de tubos helicoidales (2’) y (2’’) ofrecen un retorno del fluido. 50 Figure 2 shows the pair of tubes (2), where the tubes (2 ') and (2' '), logically helical, have a common inlet, through the end (4) and a common outlet through 45 of the ends (5), that is to say where the direction of circulation of the fluid in the tubes (2 ') and (2' ') is the same, although both tubes (2') and (2 '') have a right and left its propellers, as indicated by the arrows (6) represented in that figure 2. In this figure as in figure 3, the circulation of the fluid is linear without return, while in figure 4 the pair of helical tubes (2 ') and (2' ') offer a return of the fluid. fifty

Experimentalmente se ha comprobado que esta configuración (parejas derecha-izquierda) mejora sensiblemente la transferencia de calor entre los dos fluidos, si bien dichas geometrías hacen que el fluido que circula por el interior de la carcasa produce un flujo mayor por la zona de entrada, de manera que se produce una falta de uniformidad en el flujo circulante, que se traduce en una leve bajada en el rendimiento del dispositivo, para lo cual se ha previsto que, en correspondencia con 5 los extremos de la carcasa (1) se definan sendas cámaras (7) en las que participa una pared interior (8), dotada de una pluralidad de orificios (9) por los que se hace pasar el fluido a calentar o a enfriar, de manera que dichas cámaras son atravesadas por el conducto común (10-10’) del fluido que circula por los tubos helicoidales, mientras que incluyen una salida/entrada (11-11’) en función de la cámara que sea, para que la circulación del fluido externo sea uniforme. 10 Experimentally it has been proven that this configuration (right-left pairs) significantly improves the heat transfer between the two fluids, although these geometries make the fluid that circulates inside the housing produces a greater flow through the inlet area, so that there is a lack of uniformity in the circulating flow, which translates into a slight decrease in the performance of the device, for which it is foreseen that, in correspondence with 5 the ends of the housing (1), paths are defined chambers (7) in which an inner wall (8) participates, provided with a plurality of holes (9) through which the fluid to be heated or cooled is passed, so that said chambers are crossed by the common duct (10 -10 ') of the fluid flowing through the helical tubes, while including an outlet / inlet (11-11') depending on the chamber, so that the circulation of the external fluid is uniform. 10

Dicha circulación uniforme se consigue mediante una distribución adecuada de los orificios (9), los cuales pueden presentar el mismo diámetro con distribución irregular dependiente de la distancia a los orificios de salida/entrada (11-11’), o agruparse regularmente con diámetros crecientes en función de la distancia a los orificios de salida/entrada (11-11’). 15 Said uniform circulation is achieved by an adequate distribution of the holes (9), which can have the same diameter with irregular distribution dependent on the distance to the exit / inlet holes (11-11 '), or be grouped regularly with increasing diameters depending on the distance to the exit / entry holes (11-11 '). fifteen

De igual manera, dichos orificios (9) no tienen por que ser obligatoriamente circulares. Similarly, said holes (9) do not necessarily have to be circular.

Claims

1st.- Heat exchanger, which being of the type that is constituted from a housing through which a fluid circulates, to exchange heat with the fluid that circulates in turn by one or more helical tubes arranged inside such housing, being the parallel and in the same direction or countercurrent flows, is characterized in that the helical tubes provided inside the exchanger housing are mounted in pairs of opposite rotation for each tube participating in said pair, establishing an intersection of the two right and left propellers that describe the tubes of each pair, in order to generate a turbulence in the circulation of the flow that circulates inside the housing with respect to the tubes through which the other fluid circulates.

2nd.- Heat exchanger, according to claim 1, characterized in that the tubes of each pair are capable of being connected externally to each other by welding.

fifteen

3.- Heat exchanger, according to previous claims, characterized in that the two helical tubes of each pair concur in a common inlet and in a common outlet opposite to the inlet end.

4th.- Heat exchanger, according to claims 1 and 2, characterized in that the helical tubes 20 of each pair are mounted according to a linear direction without return of the flow flowing through them.

5º.- Heat exchanger, according to claims 1 and 2, characterized in that the helical tubes of each pair have a linear arrangement with fluid return. 25

6 .- Heat exchanger, according to previous claims, characterized in that the direction of circulation of the fluid inside the pairs of tubes, is countercurrent of the circulating inside the housing.

30

7.- Heat exchanger, according to claim 1 to 4, characterized in that the direction of the circulating flow of the pairs of tubes inside the housings, is the same as the direction of the flow flowing through the inside of the housing.

8.- Heat exchanger according to previous claims, characterized in that the number 35 of pairs of helical tubes inside the housing is variable.

9.- Heat exchanger, according to previous claims, characterized in that, in correspondence with the ends of the housing, two chambers are defined in which an inner wall participates, provided with a plurality of holes through which the fluid to be heated is passed. or to cool, so that said chambers are crossed by the extreme conduit of the fluid that circulates through the helical tubes, while the same circulates through the fluid that circulates through the casing.

10.- Heat exchanger, according to claim 9, characterized in that the holes in the inner wall of the end chambers of the exchanger housing are of the same diameter and irregular distribution.

11.- Heat exchanger according to claim 9, characterized in that the holes in the inner wall of the end chambers of the exchanger housing are grouped on a regular basis but with different diameters of different diameters.

12th.- Heat exchanger, according to claim 9, characterized in that the holes in the inner wall of the end chambers of the exchanger housing can be circular or of any other configuration.