ITMI990404A1 - Scambiatore di calore con piastra tubiera dotata di schermo diprotezione - Google Patents

Description

"Scambiatore di calore con piastra tubiera dotata di schermo di protezione"

La presente invenzione si riferisce ad uno scambiatore di calore del tipo a fascio tubiero in contenitore a pressione. Per gli scambiatori a fascio tubiero a piastre sottili è noto il problema della erosione della piastra tubiera di ingresso, la quale riceve l'impatto del fluido ad alta temperatura che deve canalizzarsi nel tubi di scambio. Ciò è particolarmente vero nel caso di scambiatori impiegati in impianti chimici in condizioni particolarmente gravose, ad esempio per la produzione di etilene nella quale la temperatura del gas in ingresso allo scambiatore supera gli 850°C.

Una soluzione proposta in tecnica nota prevede di porre una piastra, detta "di sacrificio", davanti alla piastra tubiera, cosi che il fluido impatti sulla prima anziché sulla seconda. Tale piastra di sacrificio è disposta ad una certa distanza (10-20mm) dalla piastra tubiera per realizzare una intercapedine che dovrebbe aiutare a disaccoppiare termicamente la piastra tubiera dal fluido nel collettore. Inoltre, la piastra di protezione è realizzata in lamiera stampata per definire imbocchi raccordati con i fori della piastra tubiera. Infine, la piastra di protezione è saldata alla piastra tubiera in più punti distribuiti sulla sua superficie al fine di assicurare la maggiore rigidità possibile all'assieme piastra tubiera-piastra di protezione. E' stato comunque rilevato che scambiatori cosi realizzati soffrono di una anomala usura della piastra di sacrificio, cosa che rende di limitata durata la protezione da essa offerta, lasciando senza protezione la piastra tubiera, inadatta ad affronare il flusso di fluido senza protezione. In condizioni gravose, può cosi accadere che uno scambiatore con piastra di sacrificio di tipo noto abbia durata pressoché simile a quella di un corrispondente scambiatore progettato senza piastra di sacrificio.

Inoltre, anche quando si intervenga in tempo per salvare la piastra tubiera, l'intervento di sostituzione della piastra di sacrificio è necessariamente lungo e costoso. Nel caso di applicazioni gravose e, quindi, caratterizzate da unaparticolarmente breve durata della piastra di sacrificio, la frequenza con cui l'intervento di sostituzione dovrebbe essere eseguito può rendere antieconomico l'uso di scambiatori con piastra di sacrificio.

Scopo generale della presente invenzione è ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo uno scambiatore con involucro a pressione e fascio tubiere, che abbia piastra tubiera di ingresso adeguatamente protetta, che goda di una elevata durata e che permetta interventi di manutenzione rapidi e di costo contenuto.

In vista di tale scopo si è pensato di realizzare, secondo l'invenzione, uno scambiatore di calore con involucro in pressione avente una piastra tubiera di ingresso la quale separa l'interno dell'involucro da un collettore di arrivo di fluido da raffreddare, fasci di tubi scambiatori essendo contenuti nell'involucro e avendo estremità di ingresso che sono raccordate a corrispondenti fori nella piastra per ricevere il fluido entrante nel collettore, caratterizzato dal fatto che sul lato della piastra tubiera affacciato nel collettore è affrontata una piastra di schermo dotata di fori passanti allineati ai fori della piastra tubiera e che ha almeno faccia rivolta verso la piastra tubiera realizzata piana ed è fissata allo scambiatore in prossimità alla propria periferia per trovarsi, almeno nella zona dei fori accostata alla piastra tubiera.

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, una possibile realizzazione esemplificativa applicante tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta una vista schematica parziale, sezionata ed esplosa di uno scambiatore con involucro a pressione e fascio tubiero, realizzato secondo l'invenzione;

-figura 2 rappresenta una vista sezionata e parziale dello scamniatore di figura 1 assemblato.

Con riferimento alle figure, in figura 1 è mostrato uno scambiatore di calore, indicato genericamente con 10, avente involucro in pressione 11 con una piastra tubiera di ingresso 12 che separa l’interno dell'involucro 11 da un collettore 13 di arrivo di fluido da raffreddare. Nel contenitore a pressione 11 sono presenti fasci di tubi scambiatori 14 che hanno estremità di ingresso 15 raccordate a corrispondenti fori 16 nella piastra 12 per ricevere il fluido entrante nel collettore 13. Nel contenitore a pressione è presente la normale circolazione di fluido di raffreddamento del fascio tubiero. Gli elementi realizzanti tale circolazione, come anche l'opposta estremità del fascio tubiero con la corrispondente piastra tubiera di uscita, non sono qui mostrati nè descritti, essendo realizzati secondo normale tecnica nota e perciò facilmente immaginabili dal tecnico esperto nel campo.

Sul lato esterno della piastra tubiera 12, vale a dire sul lato affacciato nel collettore di ingresso 13, è affrontata una piastra di schermo 17, dotata di fori passanti 18 allineati ai fori 16 della piastra tubiera. La piastra di schermo 17 ha almeno una faccia rivolta verso la piastra tubiera realizzata piana. Inoltre, la piastra di schermo 17 ha fissaggio allo scambiatore in corrispondenza della propria periferia ed è priva di fissaggi nella zona centrale. Tale piastra, almeno nella zona dei fori 18, ha distanza dalla piastra tubiera 12 non superiore a 2mm e, in particolare, vantaggiosamente inferiore a 1 mm quando in esercizio.

E' stato infatti sorprendentemente trovato che una delle cause del consumo eccessivo delle note strutture tradizionali è proprio la presenza di una intercapedine fra piastra tubiera e piastra di schermo, in quanto in essa si depositano residui che bruciando producono un aumento locale della temperatura con conseguente prematura usura dello schermo. Inoltre, la piastra di sacrificio vincolata in più punti alla piastra tubiera, nell'erronea convinzione che un assieme più rigido ne migliorasse la durata, viene in realtà irrimediabilmente deformata per effetto della elevata temperatura ed arriva presto alla rottura con conseguente usura della piastra tubiera sottile dello scambiatore.

Abbandonando i preconcetti della tecnica nota, secondo la presente invenzione è stato trovato che una piastra piana, disposta a distanza ridotta dalla piastra tubiera (per avere minimo gioco) e fangiata solo perifericamente, mediante bullonatura per essere libera di dilatarsi verso la periferia, ha una durata sorprendentemente elevata rispetto alle piastre di tecnica nota.

Inoltre, è risaputo che quando un fluido imbocca un condotto risulta un aumento del coefficiente di scambio fra fluido e pareti del condotto per un primo tratto del condotto. Il coefficiente di scambio aumentato è detto coefficiente di scambio di imbocco.

Sempre secondo i principi dell'invenzione è stato rilevato che realizzando la piastra di protezione con spessore pari almeno alla distanza di abbattimento al 60% del coefficiente di scambio di imbocco e ponendo tale piastra a contatto con la piastra tubiera si ottiene un incremento di durata ed una protezione aumentata per la piastra tubiera.

E' stato poi trovato che con una piastra di protezione secondo l'invenzione l'abbattimento utile avviene ad una distanza dall'imbocco considerevolmente minore di quanto ritenuto in tecnica nota. Ad esempio, secondo una correlazione detta di McAdams, l'abbattimento al 60% del valore di ingresso si dovrebbe avere dopo una distanza pari a circa tre volte il diametro del tubo.

Nello scambiatore secondo l'invenzione è stato invece rilevato che il coefficiente di scambio di imbocco scende sotto una soglia che è ritenuta di interesse per la durata dello scambiatore, quando la piastra dì protezione ha uno spessore compreso fra 5 e 20 mm e, in particolare, fra 7 e 15mm.

Il fissaggio solo periferico della piastra di schermo ha l'ulteriore vantaggio di potere essere realizzato rimuovibile, in particolare per mezzo di imbullonamento 19. Ciò rende agevole la sostituzione della piastra di schermo. Come si vede sempre nelle figure, fra piastra di schermo 17 e piastra tubiera 12 è perifericamente interposta una guarnizione 20 di tenuta verso l'esterno dello scambiatore. Il minimo gioco fra piastra di schermo e piastra tubiera permette la compressione e quindi latenuta della guarnizione.

Sempre secondo 1'invenzione e stato trovato vantaggioso che la piastra tubiera abbia spessore tale da bombarsi verso l'esterno del contenitore alla normale pressione di esercizio cosi da entrare in contatto con l'affrontata piastra di schermo durantre il funzionamento dello scambiatore, come mostrato in figura 2. La piastra di schermo fissata solo perifericamente permette tale movimento reciproco delle due piastre. La piastra di schermo (che si bomba anch'essa leggermente verso l'interno del collettore a causa della differenza di temperatura) realizza così una ottima protezione della piastra tubiera ed è eliminata qualsiasi intercapedine deleteria fra le piastre.

Per una soddisfacente bombatura, è stato trovato che nella zona comprendente i detti fori raccordati ai tubi la piastra tubiera 12 abbia spessore non superiore a 50mm per normali pressioni di esercizio (normalmente attorno ai 120 bar).

A questo punto .è chiaro come si siano raggiunti gli scopi prefissati. Uno scambiatore secondo l’invenzione ha mostrato una sorprendentemente aumentata durata della piastra di schermo e, perciò, della piastra tubiera di ingresso. Inoltre la manutenzione e sostituzione della piastra di protezione è facilitata.

Con una struttura secondo l'invenzione si è inoltre rilevato che la piastra tubiera, che può essere realizzata sottile e protetta dallo schermo, rimane a temperature sufficientemente basse da non necessitare di una costruzione in materiali particolarmente pregiati. Ad esempio, può essere utilizzato normale acciaio 0.5 molibdeno, che non richiede ricottura dopo piccoli interventi di saldatura. Ciò rende ancora più limitati i fermi impianto e ancora più economica la costruzione e la manutenzione dello scambiatore.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di una realizzazione applicante i principi innovativi della presente invenzione è riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato. Ad esempio, dimensionamenti dello scambiatore, elementi di circolazione dei fluidi, sia da raffreddare che di raffreddamento, protezioni refrattarie, ecc. possono essere qualsivoglia di tecnica nota a seconda delle specifiche necessità pratiche.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore con involucro in pressione avente una piastra tubiera di ingresso la quale separa l'interno dell'involucro da un collettore di arrivo di fluido da raffreddare, fasci di tubi scambiatori essendo contenuti nell'involucro e avendo estremità di ingresso che sono raccordate a corrispondenti fori nella piastra per ricevere il fluido entrante nel collettore, caratterizzato dal fatto che sul lato della piastra tubiera affacciato nel collettore è affrontata una piastra di schermo dotata di fori passanti allineati ai fori della piastra tubiera e che ha almeno faccia rivolta verso la piastra tubiera realizzata piana ed è fissata allo scambiatore in prossimità alla propria periferia per trovarsi, almeno nella zona dei fori accostata alla piastra tubiera.
2. 2. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nella zona dei fori la distanza fra piastra tubiera e piastra di schermo è non superiore a 2mm e, in particolare, non superiore a 1mm.
3. 3. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nella zona comprendente i detti fori passanti la piastra di schermo ha spessore pari almeno alla distanza di abbattimento almeno a 60% del coefficiente di scambio di imbocco.
4. 4. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la piastra di schermo ha spessore compreso fra 5 e 2Orniti.
5. 5. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la piastra di schermo è fissata allo scambiatore in modo rimuovibile per mezzo di imbullonamento.
6. 6. Scambiatore secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che fra piastra di schermo e piastra tubiera è perifericamente interposta una guarnizione di tenuta verso l'esterno dello scambiatore.
7. 7. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la piastra tubiera ha spessore tale da bombarsi verso l'esterno del contenitore alla normale pressione di esercizio per entrare in contatto con l'affrontata piastra di schermo durantre il funzionamento dello scambiatore.
8. 8. Scambiatore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che nella zona comprendente i detti fori raccordati ai tubi la piastra tubiera ha spessore non superiore a 50mm.