ES2843527T3

ES2843527T3 - Intercambiador de calor

Info

Publication number: ES2843527T3
Application number: ES16747730T
Authority: ES
Inventors: Robert Adler; Ekkehardt Klein; Christoph Nagl; Andreas Pollak
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2021-07-19
Anticipated expiration: 2036-08-02
Also published as: HUE053288T2; KR20180038537A; DK3334995T3; WO2017025173A1; EP3334995A1; CN107923721B; DE102015010455A1; US20190009306A1; RU2018102560A; RU2018102560A3; PL3334995T3; US10780460B2; JP6890579B2; JP2018525600A; KR102601037B1; PT3334995T; CA2992959A1; CA2992959C; CN107923721A; RU2715128C2

Abstract

Intercambiador de calor, que tiene un primer tubo cilíndrico (2) y un husillo roscado (3) que se extiende coaxialmente en el primer tubo cilíndrico (2), en donde la superficie interna del primer tubo cilíndrico (2) tiene ranuras (22) de guía, y en donde un elemento (12) de limpieza se monta en el husillo roscado (3) de tal manera que el elemento (12) de limpieza se desplaza en la dirección axial a lo largo de las ranuras (22) de guía mediante la rotación del husillo roscado (3), caracterizado por que un segundo tubo cilíndrico (1) se dispone coaxialmente con el primer tubo cilíndrico (2), y en donde la superficie externa del primer tubo cilíndrico (2) tiene una hélice (21) que se extiende en espiral en la dirección axial.

Description

DESCRIPCIÓN

Intercambiador de calor

Descripción

La presente invención se refiere a un intercambiador de calor, en particular para gas natural como medio de trabajo, con la finalidad de secar y limpiar el gas natural.

Técnica anterior

Los intercambiadores de calor para calentar o enfriar un medio de trabajo son muy conocidos en la técnica anterior. Sin restringir la generalidad, el gas natural del medio de trabajo se considerará en más detalle a continuación. El gas natural de reservas subterráneas, con frecuencia, tiene un alto porcentaje de sustancias adjuntas no deseadas y una fracción especialmente elevada de agua. Es deseable eliminar del gas natural las sustancias adjuntas, así como la fracción de agua, antes de usarlo para otros fines. Una posibilidad para lograr esto es enfriar el gas natural en una o más etapas a temperaturas adecuadamente bajas. En particular, la licuefacción del gas natural puede ser conveniente aquí.

En el enfriamiento de gas natural, habitualmente, se producen depósitos sobre las superficies de transferencia de calor del intercambiador de calor, debido a las sustancias adjuntas mencionadas, en donde el perfil temporal de dichos depósitos depende de las condiciones de funcionamiento y de la composición específica del gas natural. Por lo tanto, las superficies de transferencia de calor deben limpiarse a intervalos específicos. Los intercambiadores de calor con dispositivos de limpieza se describen, por ejemplo, en los documentos GB375132 o DE29724316U. Por las razones indicadas, sin embargo, es difícil especificar intervalos de limpieza generalmente válidos para los intercambiadores de calor en cuestión. Los sistemas de secado de gas conocidos funcionan con, por ejemplo, rellenos hechos de materiales porosos, tales como gel de sílice. Otro método utiliza trietilenglicol para deshumidificar el gas de trabajo, en donde el proceso generalmente tiene que llevarse a cabo en múltiples etapas con el fin de poder lograr la pureza deseada. Los gases de trabajo húmedos son la causa de formación de hidratos y de corrosión. Por lo tanto, en las redes de transporte de gas se aplican valores límite relativos al contenido de agua. Las estaciones de compresión y las estaciones de compresión corriente abajo y los elementos corriente abajo, tales como tuberías, válvulas, etc., básicamente se diseñan para funcionar con gas de trabajo seco, por lo cual, el agua también debe eliminarse del medio de trabajo, además de las sustancias adjuntas. El proceso de secado de gas puede incluir, por ejemplo, etapas mecánicas (separación mecánica de agua libre) y etapas termodinámicas (separación por reducción de presión) y, finalmente, la etapa de absorción, p. ej., por sustancias altamente higroscópicas, tales como el trietilenglicol mencionado. El trietilenglicol puede pulverizarse en la corriente de gas y absorber el resto de agua.

La condensación y congelación de las sustancias adjuntas, tales como agua, CO²y compuestos de hidrocarburos, forma depósitos sobre las superficies de transferencia de calor y, por tanto, reducen la transferencia de calor. Incluso a temperaturas de funcionamiento por encima del punto de congelación del agua, se produce la formación de hidrato de metano en las superficies de transferencia de calor.

En principio, los rellenos porosos de los sistemas de secado, según la técnica anterior, requieren un volumen muy grande. Además, los rellenos absorben solo la proporción de líquido, principalmente la fracción de agua, del gas de trabajo. Al regenerar el relleno, que se efectúa, por ejemplo, mediante el flujo de un gas inerte, insaturado y seco, y/o mediante el recocido y/o fijación del relleno, una gran fracción del gas de trabajo se descarga sin utilizar. Cuando se reemplaza el relleno, en secadores conocidos según la técnica anterior, es necesario abrir el recipiente con el fin de sustituir por completo el relleno. Esto supone un coste y mano de obra elevados, y lleva a una interrupción del ciclo de producción.

Los procesos mencionados para secar y purificar gases como medio de trabajo demuestran ser complejos. Es deseable reducir el número de etapas del proceso, sin tener que aceptar las desventajas mencionadas anteriormente.

Resumen de la invención

La invención propone un intercambiador de calor que tenga las características de la reivindicación 1. Este elemento de limpieza sirve para limpiar depósitos en las superficies de transferencia de calor entre la superficie interna del primer tubo cilíndrico y el husillo roscado. Este elemento de limpieza bien se monta directamente en el husillo roscado en forma de impulsor, o bien se sujeta a tal impulsor, que a su vez se monta directamente en el husillo roscado. Como se explicó al principio, un medio de trabajo, el cual fluye para el intercambio de calor en un espacio intermedio entre el primer tubo cilíndrico y el husillo roscado, dejará a su paso depósitos sobre las superficies de transferencia de calor, en particular durante el enfriamiento. En el caso del gas natural como medio de trabajo, estos depósitos consisten, en particular, en sustancias adjuntas y agua. Dichos depósitos pueden recogerse y/o trasladarse, o que el elemento de limpieza se los lleve. De este modo, para la limpieza, se acciona el husillo roscado, por lo cual el elemento de limpieza se desplaza en la dirección axial dentro del primer tubo cilíndrico, por lo que puede eliminar los depósitos de las superficies de transferencia de calor. Estos depósitos aparecen, en particular, en el husillo roscado y en las ranuras de guía de recorrido axial del intercambiador de calor. El elemento de limpieza limpia estas superficies. Para el elemento de limpieza es preferible utilizar aceros, especialmente aceros templados, y aleaciones de metales no ferrosos, además de aleaciones de níquel de baja temperatura (tales como Inconel) y materiales de fundición.

Durante el funcionamiento normal del intercambiador de calor, el elemento de limpieza está en una posición de reposo en la que altera, mínimamente o nada en absoluto, el intercambio de calor entre el medio de trabajo y el refrigerante. En lugar de un refrigerante, también es posible, por supuesto, utilizar un medio calefactor cuando el medio de trabajo se tenga que calentar. La limpieza se lleva a cabo, por ejemplo, después de periodos de tiempo determinados empíricamente o cuando se alcance una presión diferencial permisible máxima, medida externamente, lo que indica una reducción en la sección transversal de flujo libre para el medio de trabajo debido a los depósitos.

El intercambiador de calor, según la invención, con el elemento de limpieza permite una limpieza eficaz de las superficies de transferencia de calor, sin tener que abrirlo manualmente. El proceso de limpieza descrito es sencillo de llevar a cabo. Con este fin, solamente el husillo roscado tiene que girarse con el fin de desplazar el elemento de limpieza en la dirección axial. Otras etapas de proceso no son necesarias. Es particularmente ventajoso si el elemento de limpieza se lleva consigo o traslada los depósitos presentes. De esta manera se puede evitar un cambio y, por lo tanto, desgaste o envejecimiento del elemento de limpieza.

El refrigerante utilizado para el intercambio de calor, sin restricción de generalidad, fluye alrededor de una superficie exterior del primer tubo cilíndrico. Según la invención, el intercambiador de calor tiene un segundo tubo cilíndrico que se dispone coaxialmente con el primer tubo cilíndrico. A este respecto, además, es conveniente que haya una abertura de entrada y una de salida para el refrigerante, con la finalidad de permitir la entrada o salida del refrigerante a un espacio intermedio entre el segundo y el primer tubo cilíndrico. De la misma forma, es conveniente que haya una abertura de entrada y una de salida para el medio de trabajo, con el fin de permitir la entrada o salida del medio de trabajo a un espacio intermedio entre el primer tubo cilíndrico y el husillo roscado.

Es ventajoso que el elemento de limpieza esté diseñado como un elemento de limpieza cilíndrico sustancialmente hueco, en donde la superficie interior del elemento de limpieza tenga una rosca interna correspondiente con la rosca del husillo roscado, y en donde la superficie exterior del elemento de limpieza tenga ranuras externas correspondientes con las ranuras de guía de la superficie interior del primer tubo cilíndrico. De esta manera, el elemento de limpieza se puede montar en el husillo roscado de manera simple (sin un impulsor separado) y puede extraer tan exhaustivamente como sea posible depósitos de las superficies de transferencia de calor internas en el espacio intermedio entre la superficie interior del primer tubo cilíndrico y el husillo roscado.

Es conveniente que el elemento de limpieza tenga cavidades en la circunferencia, por lo demás prácticamente cilíndrica, del elemento de limpieza, en donde estas cavidades se extienden en paralelo a la dirección axial. Estas cavidades se disponen equidistantemente en la dirección circunferencial, en particular, en el elemento de limpieza. Las cavidades, o ranuras de pulido, crean “dientes” o “garras” en el elemento de limpieza, lo que ayuda a evitar, en particular, una detención o una obstrucción del elemento de limpieza durante la limpieza. Los depósitos soltados por el husillo roscado pueden alcanzar las cavidades, o ranuras de pulido mencionadas, y desde allí caer hacia abajo (en la dirección del movimiento del elemento de limpieza), al menos en la fase de limpieza, durante el funcionamiento vertical del intercambiador de calor. De esta manera, puede evitarse eficazmente una obstrucción del elemento de limpieza debido a la acumulación de depósitos.

Además, es conveniente que la rosca interna del elemento de limpieza tenga un diámetro que aumente en la dirección axial. Esta realización logra que la limpieza de las ranuras de rosca no se produzca tan repentinamente como, por ejemplo, en el caso de que un elemento de limpieza que, en la dirección axial, repose sobre las ranuras de rosca en toda su extensión. Esto evita posibles atascos del elemento de limpieza. En relación con la realización anteriormente mencionada, en la que el elemento de limpieza tiene cavidades axiales, las “garras” o “dientes” individuales producidos, como resultado, se vuelven más elásticos y presionan mejor contra la pared exterior o contra las ranuras de rosca. Otra ventaja es el espacio libre formado como resultado, comparable con un canal de virutas de un proceso de mecanizado.

Según la invención, la superficie exterior del primer tubo cilíndrico tiene un serpentín que se extiende helicoidalmente en la dirección axial. Este serpentín es un componente de la superficie exterior del primer tubo cilíndrico y se aplica a esta superficie exterior o se produce por pulido. El refrigerante puede luego fluir helicoidalmente en la dirección axial en los intersticios de este serpentín. Por lo tanto, este primer tubo cilíndrico con este serpentín puede denominarse, además, como serpentín de enfriamiento.

Es ventajoso si un almacenamiento de depósitos para los depósitos/contaminantes limpiados por medio del elemento de limpieza se conecta, en particular, de una manera térmicamente desacoplada, al espacio intermedio entre el husillo roscado y la superficie interna del primer tubo cilíndrico/serpentín de enfriamiento. En esta realización ventajosa, el elemento de limpieza transporta contaminantes al almacenamiento de depósitos que, en particular, está térmicamente desacoplado de dichas superficies de transferencia de calor, es decir, el espacio intermedio entre el husillo roscado y la superficie interna del primer tubo cilíndrico. Este desacoplamiento térmico permite el tratamiento térmico de las sustancias adjuntas u otros depósitos recogidos en el almacenamiento de depósitos, sin alterar el funcionamiento posterior del intercambiador de calor. Con este fin se proporciona, ventajosamente, un elemento de calentamiento en o sobre el intercambiador de calor y dispuesto de tal manera que se puedan calentar las sustancias adjuntas/contaminantes presentes en el almacenamiento de depósitos. Al enfriar el medio de trabajo, los contaminantes, tales como las sustancias adjuntas y el agua, presentes en el medio de trabajo, se condensan. El elemento de limpieza puede transportar los contaminantes condensados al almacenamiento de depósitos, que también puede denominarse como depósito de condensado, por ejemplo. El condensado recogido puede calentarse a continuación por medio de dicho elemento de calentamiento. El condensado calentado y fundido se puede descargar a través de un drenaje de condensado, al abrir una válvula corriente abajo. De esta manera, el almacenamiento de depósitos puede, en momentos específicos, a su vez, liberarse de cualquier contaminante presente.

Es útil conocer la posición del elemento de limpieza durante el proceso de limpieza. Con este fin, se proporciona y dispone, ventajosamente, un medio de medición de posición, de tal manera que la posición del elemento de limpieza se pueda medir en la dirección axial. Dicha medición de posición posibilita, o simplifica, invertir la dirección de rotación del husillo roscado a una posición específica predeterminada, de modo que el elemento de limpieza se mueva en la dirección opuesta. El alcance de una posición de reposo predeterminada también puede detectarse de forma sencilla por medio del sensor de posición.

Para impulsar el husillo roscado, es ventajoso utilizar un motor de accionamiento, en donde una barrera de partículas está presente entre el motor de accionamiento y el espacio intermedio entre el husillo roscado y la superficie interna del primer tubo cilíndrico, es decir, entre el motor de accionamiento y las superficies conductoras de calor del intercambiador de calor. Una barrera de partículas tal evita la introducción de sustancias extrañas en el espacio en el que el medio de trabajo fluye al intercambiador de calor y, al contrario, sirve para proteger el motor de accionamiento, o su cojinete, de las partículas.

En resumen, se puede observar la siguiente estructura preferida de un intercambiador de calor según la invención, en donde las características individuales no necesariamente tienen que implementarse en la combinación especificada aquí. El husillo roscado interior está rodeado por un primer tubo cilíndrico o el serpentín de enfriamiento. Este último está rodeado, a su vez, por un segundo tubo cilíndrico o tubo cilíndrico exterior. El espacio intermedio entre el husillo roscado y el serpentín de enfriamiento forma el espacio de trabajo del medio de trabajo, que se suministra a través de una abertura de entrada a este espacio, y se retira de este espacio mediante una abertura de salida después del intercambio de calor. Puede ser conveniente invertir la dirección de flujo, en donde dicha abertura de entrada se utilice para este propósito como abertura de salida, y dicha abertura de salida como abertura de entrada. En tal caso, sin embargo, resulta ventajoso proporcionar en el intercambiador de calor una abertura de salida adicional en el lado de dicha abertura de entrada, y una abertura de entrada adicional en el lado de dicha abertura de salida para el medio de trabajo. En este caso, dos conexiones opuestas están disponibles en cada caso para la entrada y para la salida del medio de trabajo, a las que también se hace referencia de aquí en adelante como abertura de entrada “de doble cara” , o como abertura de salida “de doble cara” . Se agrega un refrigerante a través de una abertura de entrada de refrigerante al espacio intermedio entre el serpentín de enfriamiento y el tubo cilíndrico exterior, y fluye a través de este espacio intermedio hasta una abertura de salida de refrigerante, con el fin de dejar de nuevo este espacio intermedio. Lo que se ha indicado anteriormente sobre la abertura de entrada y de salida para el medio de trabajo, se aplica de manera análoga a la abertura de entrada y de salida para el refrigerante, es decir, es ventajoso proporcionar una entrada y una salida de doble cara de refrigerante. Es útil que el flujo del refrigerante se produzca en contracorriente al flujo del medio de trabajo. También puede ser útil si el flujo del refrigerante se produce en paralelo al flujo del medio de trabajo.

En un lado del intercambiador de calor hay un motor de accionamiento que pone al husillo roscado en rotación. El husillo roscado se monta en un cojinete. En este cojinete hay un medio de medición de posición que, en función del número de revoluciones del motor de accionamiento, dado un paso conocido de la rosca del husillo roscado, puede proporcionar información sobre la posición del elemento de limpieza movido por el husillo roscado. En su posición de reposo, el elemento de limpieza, al que también se puede denominar como raspador, se ubica preferiblemente en el mismo lado que el motor de accionamiento, y está separado del mismo por una barrera de partículas. Una barrera de partículas tal puede fabricarse a partir de, por ejemplo, PTFE, y es por tanto tan suave, incluso a temperaturas bajas, que las partículas pueden acumularse en el mismo. La distancia radial al eje es tan pequeña como sea posible, idealmente, unas pocas décimas de milímetro, preferiblemente, menos de 0,4 mm, más preferiblemente, menos de 0,3 mm, y más preferiblemente, aproximadamente igual a 0,2 mm.

En el otro lado del intercambiador de calor, al final del espacio de trabajo a través del cual fluye el medio de trabajo, se encuentra un almacenamiento de depósitos o un depósito de condensado que, en particular, está térmicamente desacoplado de este espacio de trabajo. A esto le sigue un elemento de calentamiento térmicamente acoplado al depósito de condensado, con el fin de calentarlo. El depósito de condensado se conecta a través de un drenaje de condensado al entorno del intercambiador de calor, con el fin de poder vaciar el contenido del depósito de condensado. En este extremo del intercambiador de calor también se ubica un casquillo de cojinete liso para el husillo roscado.

El funcionamiento de un intercambiador de calor tan ventajoso, según la invención, se describe con mayor detalle a continuación: Dependiendo de la dirección de flujo, el medio de trabajo húmedo contaminado fluye al espacio entre el husillo roscado y el serpentín de enfriamiento a través de la abertura de entrada del medio de trabajo respectiva, y fluye en la dirección de la abertura de salida opuesta. En este caso, el medio de trabajo fluye en las ranuras de guía de la superficie interna del serpentín de enfriamiento, a lo largo del eje de rotación del husillo roscado. Se extrae calor del serpentín de enfriamiento mediante un refrigerante, en donde este refrigerante fluye, preferiblemente, en contracorriente respecto del medio de trabajo al espacio formado entre el serpentín de enfriamiento y el tubo cilíndrico externo. Debido a este enfriamiento, la temperatura del medio de trabajo disminuye, y las sustancias adjuntas o contaminantes precipitan sobre las superficies de transferencia de calor según sus temperaturas de licuefacción o de solidificación. Estos contaminantes reducen la capacidad de transferencia de calor entre el medio de trabajo y el serpentín de enfriamiento.

Con el fin de limpiar las superficies de transferencia de calor, el motor de accionamiento pone en rotación al husillo roscado. La carcasa del motor de accionamiento se conecta, preferiblemente, al espacio intermedio, a través del cual fluye el medio de trabajo y, por lo tanto, sometido a la presión de funcionamiento. La rosca del husillo roscado se diseña, preferiblemente, como una rosca a derechas con un perfil trapezoidal, en donde, en principio, pueden idearse y ser igualmente ventajosas roscas a izquierdas y otras formas de flanco. A este respecto, también se hace referencia a la descripción posterior más adelante. El elemento de limpieza o el raspador se acopla, por una parte, a la rosca del husillo roscado y, por la otra, a las ranuras de guía o de perfil del serpentín de enfriamiento, por lo cual el elemento de limpieza se pone en movimiento de traslación.

Debido al paso de rosca definido del husillo roscado, la posición del elemento de limpieza se puede detectar con la ayuda del número de revoluciones del motor de accionamiento medidas por el medio de posición. En este caso, el elemento de limpieza se desliza hasta el almacenamiento de depósitos o depósito de condensado térmicamente desacoplado, al final del espacio de trabajo. Por lo tanto, el elemento de limpieza empuja los depósitos arrastrados presentes al depósito de condensado. Una vez se alcanza la posición adecuada, la dirección de rotación del motor de accionamiento se invierte, y el elemento de limpieza regresa a su posición de reposo junto a la barrera de partículas. El condensado recogido puede calentarse mediante el elemento de calentamiento y, dependiendo del estado de agregación, puede fundirse o vaporizarse, y posteriormente descargarse a través del drenaje de condensado, preferiblemente de doble cara, abriendo una válvula corriente abajo.

En particular, es ventajoso combinar varios intercambiadores de calor conectados en serie para formar un sistema intercambiador de calor. Mediante una construcción paso a paso tal, los contaminantes se pueden “congelar” si cada una de las etapas individuales se realiza a temperaturas más bajas.

Como alternativa al husillo roscado con perfil trapezoidal mencionado, puede utilizarse, ventajosamente, un husillo roscado con rosca cruzada. Dichos husillos roscados en sí son conocidos, y se denominan como husillos roscados de rosca cruzada. Los husillos roscados con perfiles trapezoidales pueden, según su dirección de rotación, tan solo representar una dirección de movimiento asociada, lo que, como resultado, también se invierte con la inversión de la dirección de rotación. Invertir la dirección de rotación requiere un elemento de conmutación en el suministro eléctrico del motor de accionamiento o una transmisión de velocidad variable. Con el fin de evitar un exceso de posiciones de extremo definidas sobre los elementos que se deslizan sobre los husillos roscados, tales como el elemento de limpieza, estos elementos, frecuentemente, se equipan con un tope de posición. De forma alternativa, la posición del elemento deslizante se detecta con un medio detector de posición.

La utilización de husillos de rosca cruzada supera estas desventajas. Una rosca cruzada se construye de tal manera que tanto una rosca a izquierdas como una rosca a derechas, preferiblemente del mismo paso, están presentes en un husillo, teniendo dicha rosca en su posición de extremo respectiva un punto de inversión, en el que al menos un bloque deslizante que se desliza en la ranura de rosca se transfiere desde una primera dirección de movimiento hasta una segunda dirección de movimiento. De este modo, la dirección de rotación del eje del husillo roscado siempre permanece igual. Por lo tanto, cuando se utiliza un husillo de rosca cruzada, no existe tampoco la necesidad del medio de medición de posición explicado anteriormente para conocer la posición del elemento de limpieza. Con este fin, la determinación de la posición del extremo superior, es decir, la determinación de la posición de reposo del elemento de limpieza, debe llevarse a cabo mediante un método alternativo. Con este fin, es posible, por ejemplo, una medición del par de torsión, que registra cambios prominentes en el par de torsión en las dos posiciones de extremo del elemento de limpieza. De forma adicional o alternativa, las posiciones de extremo, o al menos la posición del extremo superior de la posición de reposo, pueden determinarse por medio de iniciadores, es decir, conmutadores de posición en el extremo.

En una realización simplificada, el intercambiador de calor, según la invención, por consiguiente, tiene un husillo de rosca cruzada que tiene al menos un bloque deslizante que se desliza en las roscas, y un raspador o elemento de limpieza conectado mediante, por ejemplo, un perno al bloque deslizante.

Las ventajas de utilizar el husillo de rosca cruzada se encuentran en una inversión automática de la dirección de movimiento sin cambiar la dirección de rotación del eje, de manera que deja de ser necesario desacelerar y reiniciar el motor eléctrico, lo que a su vez resulta en un proceso más económico en términos de energía.

Además, como ya se mencionó, no tiene que proporcionarse ningún dispositivo eléctrico para invertir la dirección de rotación, ni se dispensa con el controlador una parte de programa correspondiente. En general, el proceso de limpieza del intercambiador de calor se acorta al omitir de la inversión de dirección. Las posiciones de las posiciones de extremo del elemento de limpieza se definen automáticamente por el pulido inverso de la rosca cruzada y, por lo tanto, no se pueden sobrepasar. Por último, puede omitirse el medio de medición de posición descrito anteriormente.

La invención se refiere, además, a un uso del intercambiador de calor, según la invención, para licuar un gas. Aquí, un segundo tubo cilíndrico se dispone coaxialmente con el primer tubo cilíndrico del intercambiador de calor, en donde un refrigerante fluye entre el primer y el segundo tubos cilíndricos. Además, un medio de trabajo que contiene el gas a licuar fluye entre el primer tubo cilíndrico y el husillo roscado. En el ejemplo descrito anteriormente del gas natural, el gas a licuar puede ser nitrógeno, por ejemplo. El medio de enfriamiento fluye a una temperatura inferior al medio de trabajo, en donde la presión y la temperatura del medio de enfriamiento y la presión del medio de trabajo se ajustan de tal manera que el gas a licuar en el medio de trabajo se licua como resultado del intercambio de calor con el medio de enfriamiento. En el ejemplo anteriormente mencionado del gas natural, puede usarse nitrógeno licuado a una presión de 1 bar y una temperatura de -196 0C como medio de enfriamiento, por ejemplo. El medio de trabajo (gas natural) se introduce, en particular, después del preenfriamiento apropiado, mediante intercambiadores de calor corriente arriba, con una presión de, por ejemplo, 10 bares. El nitrógeno contenido en el gas natural se puede enfriar a una temperatura de -170 °C y menos, mediante intercambio de calor con el medio de enfriamiento, de manera que se licua a una presión de 10 bares.

El método indicado puede, de manera análoga, usarse para licuar helio, oxígeno y/o hidrógeno, como uno o más constituyentes de un medio de trabajo. Los ejemplos específicos de la licuefacción de helio, hidrógeno y oxígeno se dan a continuación:

Licuefacción de diversos gases, p. ej., con la finalidad de deposición a partir de mezclas gaseosas

Licuefacción de O²:

Medio de enfriamiento, preferiblemente, nitrógeno líquido entre 1 y 15 bares;

Intervalo de temperatura del medio de enfriamiento de -163 °C a 15 bares hasta -196 °C a 1 bar;

Presión del O²a licuar de 1 bar a 50 bares;

Primera temperatura de licuefacción a 1 bar -183 °C;

Segunda temperatura de licuefacción a 50 bares -119 0C;

En cada caso, la presión del medio de enfriamiento se selecciona de tal manera que la temperatura del medio de enfriamiento sea siempre menor que la del medio de trabajo.

Licuefacción de H²:

Medio de enfriamiento, preferiblemente, helio líquido entre 1 y 2,2 bares;

Intervalo de temperatura del medio refrigerante de -267 0C a 2,2 bares hasta -268 0C a 1 bar;

Medio de enfriamiento alternativo: hidrógeno líquido entre 1 y 13 bares;

Intervalo de temperatura del medio de enfriamiento de -240 0C a 13 bares hasta -253 0C a 1 bar. En el caso especial de que se utilice el mismo medio que el medio a licuar como el medio de enfriamiento, la presión del medio de enfriamiento debe ser menor que la presión del medio de trabajo, de manera que la temperatura del refrigerante sea menor debido al menor punto de equilibrio.

Presión del H²a licuar de 1 bar a 13 bares;

Primera temperatura de licuefacción a 1 bar -253 0C;

Segunda temperatura de licuefacción a 13 bares -240 0C;

Licuefacción de He:

Medio de enfriamiento, preferiblemente, helio líquido entre 1 y 2,2 bares;

Intervalo de temperatura del medio refrigerante de -267 °C a 2,2 bares hasta -268 °C a 1 bar;

En el caso especial de que se utilice el mismo medio que el medio a licuar como el medio de enfriamiento, la presión del medio de enfriamiento debe ser menor que la presión del medio de trabajo, de manera que la temperatura del refrigerante sea menor debido al menor punto de equilibrio.

Presión del He a licuarse de 1 bar a 2,2 bares;

Primera temperatura de licuefacción a 1 bar -268 0C;

Segunda temperatura de licuefacción a 2,2 bares -267 0C;

Debe entenderse que las características mencionadas anteriormente y más adelante, pueden utilizarse no solo en la combinación especificada en particular, sino también en otras combinaciones o por sí mismas, sin apartarse del alcance de la presente invención.

La invención se representa esquemáticamente en el dibujo utilizando una realización ilustrativa, y se describe a continuación con referencia al dibujo.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 muestra esquemáticamente una sección longitudinal de una realización ventajosa de un intercambiador de calor, según la invención,

la Figura 2 muestra un serpentín de enfriamiento como primer tubo cilíndrico del intercambiador de calor mostrado en la Figura 1,

la Figura 3 muestra un elemento de limpieza utilizado en el intercambiador de calor, según la Figura 1, y

la Figura 4 muestra esquemáticamente el detalle de un husillo roscado con una rosca cruzada.

Descripción detallada de las figuras

La Figura 1 muestra esquemáticamente una sección longitudinal para una realización de un intercambiador 13 de calor, tal como puede usarse, en particular, para enfriar el gas natural. En esta realización simple, el intercambiador 13 de calor tiene un tubo 1 cilíndrico exterior que rodea un serpentín 2 de enfriamiento. Este serpentín 2 de enfriamiento se diseña, a su vez, como tubo cilíndrico y tiene al menos un canal 23, preferiblemente helicoidal, en su superficie exterior, que sirve para guiar un refrigerante. Como se muestra en la Figura 2, este canal 23 se crea por un serpentín 21 correspondiente en la superficie exterior del serpentín 2 de enfriamiento. La superficie interna del serpentín refrigerante cilíndrico hueco tiene ranuras 22 de guía o perfil. Esta al menos una ranura 22 de guía sirve para guiar un elemento de limpieza o raspador 12.

En el interior del serpentín 2 de enfriamiento se encuentra un husillo roscado 3 coaxial con el mismo. El husillo roscado 3 se impulsa por un motor 4 de accionamiento y se monta en un punto de apoyo, el cual se diseña, preferiblemente, como un cojinete 5 mixto axial/radial. En el otro extremo del husillo roscado 3, este último se monta en un punto de apoyo radial, que se diseña, preferiblemente, como un casquillo 8 de cojinete liso. En este extremo del intercambiador 13 de calor, también se proporciona un depósito 7 de condensado térmicamente desacoplado, y un elemento 9 de calentamiento para calentar el condensado en el depósito 7 de condensado.

En el otro extremo del intercambiador 13 de calor, una barrera 11 de partículas separa el motor 4 de accionamiento del espacio de trabajo del medio de trabajo. La barrera 11 de partículas también sirve para proteger de partículas gruesas al motor 4 de accionamiento y al cojinete 5, pero no actúa como sello hermético.

En la realización, según la Figura 1 que se muestra aquí, se conectan varios tubos 1 cilíndricos exteriores mediante un dispositivo 10 de sujeción. El dispositivo 10 de sujeción se construye de tal manera que dos anillos de retención con una rosca interna se atornillen sobre el tubo 1 cilíndrico exterior, el cual a su vez está provisto de una rosca externa. Los anillos de retención se unen entre sí por medio de tornillos, y los segmentos individuales se presionan entre sí y se sellan mediante un sello. Varios de dichos tubos cilíndricos exteriores también se pueden entender y designar como un “tubo cilíndrico exterior” .

Un elemento de limpieza o raspador 12 se dispone junto a la barrera 11 de partículas en su posición de reposo. Cuando se arranca el motor 4 de accionamiento, el husillo roscado 3 comienza a girar, de manera que el raspador 12 del husillo roscado se desplace a lo largo de las ranuras 22 de guía o perfil del serpentín 2 de enfriamiento en la dirección axial. En el presente ejemplo, se usa un husillo roscado 3 con perfil trapezoidal, por ejemplo. La inversión de la dirección del movimiento del raspador 12 presupone una inversión en la dirección de rotación del husillo roscado 3. Otra realización del husillo roscado 3 se explica más adelante en relación con la Figura 4.

Durante el funcionamiento del intercambiador 13 de calor, se guía el medio de trabajo contaminado húmedo, por ejemplo, por medio de una abertura 14 de entrada del medio de trabajo, al espacio intermedio entre el husillo roscado 3 y entre el serpentín 2 de enfriamiento, y fluye en la dirección axial hacia la abertura 15 de salida del medio de trabajo en el otro extremo del intercambiador 13 de calor. En este caso, el medio de trabajo fluye en las ranuras 22 de perfil sobre la superficie interna del serpentín 2 de enfriamiento cilíndrico hueco (véase la Figura 2) a lo largo del eje de rotación del husillo roscado 3. El refrigerante se suministra a través de una abertura 16 de entrada de refrigerante al espacio entre el serpentín 2 de enfriamiento y el tubo 1 cilíndrico exterior, fluye al otro extremo del intercambiador 13 de calor, y abandona este último a través de la abertura 17 de salida de refrigerante. En este caso, el refrigerante fluye helicoidalmente en dirección axial en el canal 23 formado entre el tubo 1 cilíndrico exterior y el serpentín 2 de enfriamiento. El refrigerante extrae calor del serpentín 2 de enfriamiento, de modo que, nuevamente, se extrae calor del medio de trabajo.

En una aplicación especial, el gas natural a una presión de 4 a como máximo 220 bares procedente de una cavidad subterránea se atempera a una temperatura de, aproximadamente, 20 °C. En un primer intercambiador de calor, el medio de trabajo se enfría a, preferiblemente, 1 °C. En un segundo intercambiador de calor, que está conectado en serie al primer intercambiador de calor, el medio de trabajo se enfría hasta, preferiblemente, de -40 0C a -60 0C. En una tercera etapa, el medio de trabajo se enfría hasta, preferiblemente, de -80 °C a -150 °C y, en una última etapa, el medio de trabajo se licua mediante un intercambiador de calor conectado de nuevo en serie. La temperatura del gas natural se baja hasta -196 0C, en donde se produce el subenfriamiento del gas natural. En este caso, la primera etapa precipita una gran parte de la fracción de agua, las siguientes etapas, principalmente los hidrocarburos superiores, CO², y otras sustancias adjuntas. Mediante el raspador 12 presente en las etapas respectivas de los intercambiadores 13 de calor, los componentes condensados pueden, en cada caso, limpiarse de las superficies de transferencia de calor.

En este caso específico de conexión, las dos primeras etapas del intercambiador de calor se enfrían mediante máquinas de refrigeración, las dos siguientes mediante nitrógeno líquido, CNG líquido criogénico, o mediante nitrógeno gaseoso criogénico. La presión máxima de funcionamiento del intercambiador de calor es de 300 bares, y las temperaturas de funcionamiento permitidas son de 100 0C a -200 0C.

Por medio de las diferentes relaciones de presión entre el medio de enfriamiento, p. ej., nitrógeno a un máximo de 10 bares, y el medio de trabajo, aquí CNG con sustancias adjuntas de, entre otros, nitrógeno de 4 a 220 bares, el nitrógeno se puede licuar y depositar como sustancia adjunta a alta presión (p. ej., a 10 bares) mediante nitrógeno líquido a baja presión (p. ej., a 1 bar) debido a las diferentes transiciones de fase dependientes de la presión. Por lo tanto, el intercambiador 13 de calor propuesto aquí puede también utilizarse para licuar nitrógeno.

Con el propósito de limpiar las superficies de transferencia de calor, p. ej., de agua o hielo en la primera etapa, o de hidrocarburos superiores, CO², y otras sustancias adjuntas en la segunda etapa y en etapas posteriores, el motor 4 de accionamiento activa la rotación del husillo roscado 3. El raspador 12 que se acopla, por una parte, a la rosca del husillo roscado 3 y, por otra parte, a las ranuras 22 de perfil del serpentín 2 de enfriamiento, se pone, de ese modo, en un movimiento de traslación. En su trayectoria en dirección del depósito 7 de condensado, el raspador 12 arrastra consigo dichas substancias adjuntas. Cuando se alcanza el depósito 7 de condensado, estas sustancias adjuntas se empujan al interior del mismo. El medio 6 de medición de posición puede determinar la posición del raspador 12 en función del paso de rosca definido del husillo roscado 3, a partir del número de revoluciones medidas del motor 4 de accionamiento. Una vez se alcanza la posición del depósito 7 de condensado, la dirección de rotación del motor 4 de accionamiento se invierte, de manera que el raspador 12 regresa a su posición de reposo. Es conveniente que la posición de reposo represente la posición de extremo superior y la posición del depósito 7 de condensado represente la posición de extremo inferior del raspador 12 cuando el intercambiador de calor está en posición vertical.

El condensado recogido se calienta a través del elemento 9 de calentamiento y, por consiguiente, se produce su fusión. Al abrir una válvula corriente abajo, las sustancias adjuntas pueden descargarse a través de un drenaje 18 de condensado.

Las superficies de intercambio de calor del intercambiador 13 de calor se limpian, por ejemplo, después de periodos de tiempo determinados empíricamente o cuando se alcance una presión diferencial permisible máxima medida externamente, lo que indica una reducción en la sección transversal de libre flujo en el espacio de trabajo, debido a sustancias adjuntas depositadas. Como resultado de la limpieza, se logra el valor más alto posible y constante de transferencia de calor. En comparación con los sistemas según la técnica anterior, el intercambiador 13 de calor ocupa un volumen estructural más pequeño debido a las superficies de transferencia de calor utilizadas de manera eficaz.

La construcción segmentada del intercambiador 13 de calor hace posible una construcción modular. La capacidad de transferencia de calor puede, por lo tanto, variar por medio de la ampliación o reducción de las superficies de transferencia de calor.

La posición real del raspador 12 siempre se supervisa mediante el uso de dicho medio 6 de detección de posición. Al medir el deslizamiento se puede detectar pronto cualquier detención.

Cabe destacar que el intercambiador 13 de calor explicado aquí puede adaptarse y usarse no solo para la licuefacción de gas natural, sino para una gran cantidad de aplicaciones industriales con medios de trabajo correspondientes. Como pieza de sustitución menos compleja, el raspador 12 se puede adaptar a las necesidades de los campos respectivos de uso y sustituirse rápidamente en caso de daño.

La Figura 3 muestra un raspador 12 o un elemento 12 de limpieza que se puede usar en el intercambiador 13 de calor. Se muestran las ranuras 122 exteriores del raspador 12, que se corresponden con las ranuras 22 de guía del serpentín 2 de enfriamiento. La rosca interna 121 del raspador 12 se corresponde con la rosca del husillo roscado 3. El raspador 12 tiene cavidades o ranuras 123 de pulido. Por medio de estas últimas, el raspador 12 contiene “dientes” o “garras” que evitan que los depósitos se acumulen en la rosca, y conduzcan a la obstrucción del raspador 12. Esto se debe a que los depósitos pueden entrar en el espacio intermedio a través de las cavidades o ranuras 123 de pulido, y pueden caer hacia abajo en la dirección del depósito 7 de condensado cuando el intercambiador de calor está colocado verticalmente. Además, el diámetro interior, que se agranda en la dirección del movimiento de limpieza del raspador 12, sirve para una introducción más fácil en el husillo roscado contaminado al comienzo del proceso de limpieza.

La Figura 4, por último, muestra una realización alternativa de un husillo roscado 3', que es un husillo 3' de rosca cruzada. El eje con la rosca cruzada se indica mediante 31. El bloque deslizante que se extiende en el mismo, mediante 32. En esta realización, el raspador 12 se conecta al bloque deslizante 32 y se mueve en la dirección axial al rotar el husillo roscado 3'.

Es ventajoso aquí, como ya se explicó anteriormente, que el bloque deslizante 32 que se desliza en la ranura de rosca se transfiera desde una primera dirección de movimiento hasta una segunda dirección de movimiento opuesta durante la rotación del husillo roscado 3' en una sola dirección de rotación, sin cambiar la dirección de rotación del eje 31. Un típico patrón en forma deltoide se forma sobre el eje 32 como resultado de la superposición de las tuercas a izquierdas y a derechas.

Como también se describió anteriormente, el husillo roscado 3' permite un proceso más económico en términos de energía, ya que el motor eléctrico no tiene que frenar y reiniciarse. Además, puede omitirse la medición de la posición del raspador 12 y, por lo tanto, el medio 6 de medición de posición mostrado en la Figura 1. El proceso de limpieza del intercambiador 13 de calor se acorta nuevamente mediante la eliminación de la inversión de dirección.

Lista de números de referencia

1 Tubo cilíndrico exterior, segundo tubo cilíndrico

2 Serpentín de enfriamiento, primer tubo cilíndrico

3, 3' Husillo roscado

4 Motor de accionamiento

5 Cojinete axial/radial

6 Medio de medición de posición

7 Depósito de condensado, almacenamiento de depósitos

8 Casquillo de cojinete liso

9 Elemento de calentamiento

10 Dispositivo de sujeción

11 Barrera de partículas

12 Raspador, elemento de limpieza

13 Intercambiador de calor

14 Abertura de entrada del medio de trabajo

15 Abertura de salida del medio de trabajo

16 Abertura de entrada del refrigerante

17 Abertura de salida del refrigerante

18 Drenaje de condensado

21 Serpentín

22 Ranura de guía, ranura de perfil

23 Canal

121 Rosca interna del elemento de limpieza

122 Ranura exterior

123 Cavidad, ranura de pulido

31 Eje del husillo roscado 3'

32 Bloque deslizante

Claims

REIVINDICACIONES

1. Intercambiador de calor, que tiene

un primer tubo cilíndrico (2) y un husillo roscado (3) que se extiende coaxialmente en el primer tubo cilíndrico (2),

en donde la superficie interna del primer tubo cilíndrico (2) tiene ranuras (22) de guía, y en donde un elemento (12) de limpieza se monta en el husillo roscado (3) de tal manera que el elemento (12) de limpieza se desplaza en la dirección axial a lo largo de las ranuras (22) de guía mediante la rotación del husillo roscado (3),

caracterizado por que un segundo tubo cilíndrico (1) se dispone coaxialmente con el primer tubo cilíndrico (2), y en donde

la superficie externa del primer tubo cilíndrico (2) tiene una hélice (21) que se extiende en espiral en la dirección axial.

2. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones anteriores, en donde el elemento (12) de limpieza se diseña como un elemento (12) de limpieza cilíndrico prácticamente hueco, en donde la superficie interna del elemento (12) de limpieza tiene una rosca interior (121) que se corresponde con la rosca del husillo roscado (3), y en donde la superficie externa del elemento (12) de limpieza tiene ranuras externas (122) que se corresponden con las ranuras (22) de guía de la superficie interna del primer tubo cilíndrico (2).

3. Intercambiador de calor según la reivindicación 2, en el que el elemento (12) de limpieza tiene en la circunferencia, por lo demás prácticamente cilíndrica, cavidades (123) que se extienden paralelas a la dirección axial.

4. Intercambiador de calor según la reivindicación 3, en el que las cavidades (123) del elemento (12) de limpieza se disponen equidistantemente en la dirección circunferencial.

5. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 2-4, en el que la rosca interna (121) del elemento (12) de limpieza tiene un diámetro que aumenta en la dirección axial.

6. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones anteriores, en donde un almacenamiento (7) de depósitos para los contaminantes limpiados por medio del elemento (12) de limpieza se conecta, particularmente, de una manera térmicamente desacoplada, al espacio intermedio entre el husillo roscado (3) y la superficie interna del primer tubo cilíndrico (2).

7. Intercambiador de calor según la reivindicación 6, en el que un elemento (9) de calentamiento está presente y dispuesto de tal manera que los contaminantes presentes en el almacenamiento (7) de depósitos pueden calentarse.

8. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones anteriores, en el que un medio (6) de medición de posición está presente y dispuesto de tal manera que la posición del elemento (12) de limpieza se puede medir en la dirección axial.

9. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones anteriores, en donde un motor (4) de accionamiento está presente para impulsar el husillo roscado (3), y en donde una barrera (11) de partículas está presente entre el motor (4) de accionamiento y el espacio intermedio entre el husillo roscado (3) y la superficie interna del primer tubo cilíndrico (2).

10. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones anteriores, en donde el husillo roscado (3) tiene un perfil trapezoidal como perfil de rosca.

11. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el husillo roscado (3') tiene una rosca cruzada como rosca.

12. Intercambiador de calor según la reivindicación 11, en el que un bloque deslizante (32), que se conecta al elemento (12) de limpieza, se monta de manera que se deslice en la ranura de rosca de la rosca cruzada del husillo roscado (3').

13. Un sistema intercambiador de calor que tiene una pluralidad de intercambiadores de calor conectados en serie según una de las reivindicaciones 1 a 12.

14. Uso de un intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1-12 para licuar un gas, en el que un segundo tubo cilíndrico (1) se dispone coaxialmente con el primer tubo cilíndrico (2),

un refrigerante fluye entre el primer y el segundo tubo cilíndrico,

un medio de trabajo que contiene el gas a licuar fluye entre el primer tubo cilindrico (2) y el husillo roscado (3), y

en donde el medio de enfriamiento fluye a una temperatura inferior al medio de trabajo, en donde la presión y la temperatura del medio de enfriamiento y la presión del medio de trabajo se ajustan de tal manera que el gas a licuar en el medio de trabajo se licua como resultado del intercambio de calor con el medio de enfriamiento.

15. Uso según la reivindicación 14, en donde el mismo medio que el gas a licuar se usa como el medio de enfriamiento, en donde la presión del medio de enfriamiento se selecciona para que sea menor que la del medio de trabajo.