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ES2980041B2 - SPRAY-CHILLER TYPE SHELL-TUBE EXCHANGER WITH INTEGRATED REHEATING SYSTEM - Google Patents
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ES2980041B2 - SPRAY-CHILLER TYPE SHELL-TUBE EXCHANGER WITH INTEGRATED REHEATING SYSTEM - Google Patents

SPRAY-CHILLER TYPE SHELL-TUBE EXCHANGER WITH INTEGRATED REHEATING SYSTEM

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ES2980041B2
ES2980041B2 ES202330166A ES202330166A ES2980041B2 ES 2980041 B2 ES2980041 B2 ES 2980041B2 ES 202330166 A ES202330166 A ES 202330166A ES 202330166 A ES202330166 A ES 202330166A ES 2980041 B2 ES2980041 B2 ES 2980041B2
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Description

descripcióndescription

intercambiador tubos-carcasa de tipo spray-chiller con sistema de recalentamiento integradospray chiller type shell-and-tube heat exchanger with integrated reheating system

Objeto de la invenciónObject of the invention

Es objeto de la presente invención el diseño de un nuevo tipo de intercambiador de tubos-carcasa de tipo spray-chiller que incluye un sistema de recalentamiento integrado en la carcasa del mismo. The object of the present invention is the design of a new type of spray-chiller type shell-and-tube exchanger that includes a reheating system integrated into the shell thereof.

Caracteriza la presente invención el circuito de recalentamiento del NH3 integrado en el propio intercambiador con el que se consigue que el vapor de amoniaco vaya ligeramente sobrecalentado evitando así problemas de condensación en las líneas de aspiración de los compresores, lo que redunda además en un menor volumen de NH3 en el separadory en consecuencia la instalación es de un nivel de riesgo menor que si no tuviera el sistema de recalentamiento ahora propuesto. The present invention is characterised by the NH3 superheating circuit integrated into the exchanger itself, which ensures that the ammonia vapour is slightly overheated, thus avoiding condensation problems in the suction lines of the compressors, which also results in a lower volume of NH3 in the separator and, consequently, the installation has a lower risk level than if it did not have the superheating system now proposed.

Por lo tanto, la presente invención se circunscribe dentro del ámbito de los intercambiadores spray-chiller. Therefore, the present invention falls within the scope of spray-chiller exchangers.

Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

Los sistemas frigoríficos industriales utilizan máquinas de compresión, en las que los vapores son aspirados y comprimidos mediante un compresor y licuados en un condensador con funcionamiento automático, con o sin refrigeración intermedia. Además, para conservar los alimentos, trabajan a baja temperatura, entre -18 0C y los -30 ºC, ya quela actividad química y bacteriológica congelando a -14 ºC se ralentiza, mientras que a -60ºCse paraliza. De esta forma se evita el desarrollo de microorganismos, la actividad enzimáticaola pérdida nutritiva, conservando las características sensoriales y organolépticas de los alimentos. Industrial refrigeration systems use compression machines, in which vapours are drawn in and compressed by a compressor and liquefied in an automatically operating condenser, with or without intermediate cooling. In addition, to preserve food, they work at low temperatures, between -18 0C and -30 ºC, since freezing slows down chemical and bacteriological activity at -14 ºC, while at -60 ºC it stops. In this way, the development of microorganisms, enzymatic activity and nutritional loss are avoided, preserving the sensory and organoleptic characteristics of food.

La mayoría delossistemas frigoríficos industriales actuales emplean un sistema en cascada, en varias etapas en el que se utilizan distintos tipos de refrigerantes. Se basa en la fuente fría (evaporador) de una máquina frigorífica de compresión simple(opor etapas), se alimenta de una fuente caliente (condensador) de la máquina correspondiente en la etapa inferior de la cascada, siendo los fluidos diferentes yloscircuitos totalmente distintos. Este sistema de producción de frío se utiliza en el mantenimiento de temperaturas que oscilan entre -800C y -1000C. Most of the current industrial refrigeration systems use a cascade system, in several stages, in which different types of refrigerants are used. It is based on the cold source (evaporator) of a simple compression refrigeration machine (or multi-stage), which is fed by a hot source (condenser) of the corresponding machine in the lower stage of the cascade, with different fluids and completely different circuits. This cold production system is used to maintain temperatures ranging between -800C and -1000C.

En referencia a los refrigerantes,losHFC (HidroFluoroCarburos) provocan efecto invernadero y tiene un alto impacto ambiental, la normativa europea está regulando de cara a su eliminación gradual. La normativa F-Gas regula en Europa la reducción de gases de efecto invernadero, desde 2020 hay limitaciones y para el 2030 marca un 21% de reducción en el uso de gases Regarding refrigerants, HFCs (HydroFluoroCarbides) cause a greenhouse effect and have a high environmental impact. European regulations are regulating their gradual elimination. The F-Gas regulations in Europe regulate the reduction of greenhouse gases. Since 2020 there are limitations and for 2030 it marks a 21% reduction in the use of gases.

HFC . HFC .

Hoy, el reto para esta industria viene marcado por la eficiencia energética y el respeto al medio ambiente con la conversión de los equipos hacia tecnologías que incrementan el ahorro y la eficiencia energética en las instalaciones existentes. El cambio más obvio es la migración hacia gases refrigerantes de bajo Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA), además del uso de equipos tecnológicamente avanzados, con altas capacidades en ahorro de energía. Today, the challenge for this industry is marked by energy efficiency and respect for the environment with the conversion of equipment towards technologies that increase savings and energy efficiency in existing facilities. The most obvious change is the migration towards refrigerant gases with low Atmospheric Warming Potential (GWP), in addition to the use of technologically advanced equipment with high energy saving capacities.

Por lo que, el C02 está adquiriendo cada vez una mayor presencia en el campo de la refrigeración y climatización a nivel internacional, si bien fue relevado momentáneamente por refrigerantes clorofluorocarbonatados, renace en el siglo XXI. Comenzó a utilizarse en 1875 pero cayó en desuso en los años 30 con la aparición de sustancias fluoradas, ya que éstas no requieren presiones tan altas para funcionar. En los últimos años, cuando se comprobó que los refrigerantes halogenados perjudicaban seriamente la capa de ozono, el C02 volvió a ganar popularidad como gas refrigerante. Therefore, CO2 is becoming increasingly important in the field of refrigeration and air conditioning at an international level. Although it was temporarily replaced by chlorofluorocarbon refrigerants, it is making a comeback in the 21st century. It began to be used in 1875 but fell into disuse in the 1930s with the appearance of fluorinated substances, since these do not require such high pressures to operate. In recent years, when it was found that halogenated refrigerants seriously damaged the ozone layer, CO2 regained popularity as a refrigerant gas.

El otro refrigerante del sistema es el amoníaco NH3, refrigerante muy conocido que se usa sobre todo en grandes plantas industriales, es famoso porsusexcelentes propiedades termodinámicas. Surendimiento es superior al de los refrigerantes sintéticos en una amplia gama de aplicaciones. Sin embargo, presenta algunas desventajas que limitansucarga en las instalaciones, es tóxico e inflamable. A pesar de los estrictos requisitos legales vigentes, que garantizan el funcionamiento seguro de las instalaciones con amoníaco, existe cada vez más presión para que se reduzcansusniveles de carga, sobre todo, cuando están ubicadas en áreas pobladas. En la actualidad estos niveles de carga se están minimizando, utilizándolo en combinación con el C02 para temperaturas mediasoaltas, y con sistema en cascada para aplicaciones en baja temperatura. The other refrigerant in the system is ammonia NH3, a well-known refrigerant used mainly in large industrial plants, and is renowned for its excellent thermodynamic properties. Its performance is superior to that of synthetic refrigerants in a wide range of applications. However, it has some disadvantages that limit its charge in the installations, it is toxic and flammable. Despite the strict legal requirements in force, which guarantee the safe operation of ammonia installations, there is increasing pressure to reduce its charge levels, especially when they are located in populated areas. These charge levels are currently being minimised, using it in combination with CO2 for medium or high temperatures, and with a cascade system for low temperature applications.

En consecuencia, se ha desarrollado un intercambiador tipo spray-chiller que supone una importante mejora en el proceso térmico según se describeseguidamente y queda recogido ensuesencialidad en la reivindicación primera. Consequently, a spray-chiller type exchanger has been developed which represents a significant improvement in the thermal process as described below and is essentially included in the first claim.

El principio de funcionamiento de los intercambiadores spray-chillerestá basado en la pulverización con un refrigerante (por ejemplo, amoniaco) sobre un haz de tubos, formando así una pequeña película líquida alrededor de los mismos. En contraste a un tubo sumergido en el líquido tal y como encontramos en los evaporadores inundados, en este tipo de equipos la extracción de calor se realiza evaporando directamente la película de spray pulverizada en los tubos. En comparación a un intercambiador inundado, se requiere mucha menos superficie, el haz de tubos se encuentra en la parte inferior del intercambiador de carcasa y tubos dejando la parte superior como recipiente separador de líquido, evitando así la necesidad de un recipiente separador adicional en la parte superior reduciendo así la altura completa del equipo ysucoste. The operating principle of spray chiller exchangers is based on spraying a refrigerant (e.g. ammonia) onto a tube bundle, thus forming a thin liquid film around the tubes. In contrast to a tube immersed in the liquid as found in flooded evaporators, in this type of equipment heat extraction is performed by directly evaporating the spray film sprayed onto the tubes. Compared to a flooded exchanger, much less surface area is required, the tube bundle is located at the bottom of the shell and tube exchanger leaving the top part as a liquid separator vessel, thus avoiding the need for an additional separator vessel at the top and thus reducing the overall height of the equipment and its cost.

La circulación de NH3 en el intercambiador se lleva a cabo con una bomba de recirculación, recogiendo el NH3 de la parte baja del separador e impulsándolo de nuevo hacia el separador para ser pulverizados uniformemente a través de varias boquillas que se encuentra situadas sobre el haz de tubos. El proceso de enfriamiento del medio a refrigerar se puede llevar a cabo con una diferencia de temperatura muy baja entre el propio medio y el refrigerante (<1K), gracias a la fina película que envuelve los tubos. NH3 circulation in the exchanger is carried out by a recirculation pump, collecting the NH3 from the lower part of the separator and pumping it back into the separator to be sprayed uniformly through several nozzles located on the tube bundle. The cooling process of the medium to be cooled can be carried out with a very low temperature difference between the medium itself and the coolant (<1K), thanks to the thin film that surrounds the tubes.

Si bien los intercambiadores spray-chiller cumplen con la función para la que han sido desarrollados, sucede que debido al gran volumen de NH3 que requiere el separador, se incrementan los requisitos para dicha instalación y en consecuencia los costes. Although spray-chiller exchangers fulfil the function for which they were developed, it happens that due to the large volume of NH3 required by the separator, the requirements for said installation are increased and consequently the costs.

Por lo tanto, es objeto de la presente invención desarrollar un sistema de intercambio que emplea un intercambiador spray-chiller donde los volúmenes de NH3 requeridos en el separador sean claramente inferiores a los empleados actualmente, con objeto de reducir el nivel de riesgo derivado de la presencia de un mayor volumen de NH3 y en consecuencia cumplir con unos requisitos incrementados de seguridad frente a otras instalaciones con un menor volumen de NH3, desarrollando un intercambiador de tipo spray-chiller como el que a continuación se describe y queda recogido en su esencialidad en la reivindicación 1. Therefore, the object of the present invention is to develop an exchange system that uses a spray-chiller exchanger where the volumes of NH3 required in the separator are clearly lower than those currently used, in order to reduce the level of risk derived from the presence of a greater volume of NH3 and consequently meet increased safety requirements compared to other installations with a lower volume of NH3, developing a spray-chiller type exchanger such as the one described below and essentially included in claim 1.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

Para contribuir a solventar la problemática anteriormente tipificada, consistente en la condensación del amoniaco saturado en las líneas de aspiración de los compresores se ha desarrollado la invención siguiente. In order to contribute to solving the problem described above, consisting of the condensation of saturated ammonia in the suction lines of compressors, the following invention has been developed.

El objeto de la invención es la incorporación de una etapa de recalentamiento del amoníaco, que sale como vapor saturado, para sobrecalentarlo ligeramente y así evitar la condensación en las líneas de aspiración de los compresores. Para lograr dicho fin sobre el intercambiador se ha dispuesto un tubo de conexión que partiendo del intercambiador recoge en NH3 y lo lleva hasta el cabezal de intercambio de C02, de esta manera se aprovecha parte del calor cedido por el C02 hacia el NH3, realizando un calentamiento del NH3 antes de su llegada al separador. The object of the invention is the incorporation of a stage of reheating the ammonia, which comes out as saturated vapour, to slightly overheat it and thus avoid condensation in the suction lines of the compressors. To achieve this end, a connection tube has been arranged on the exchanger which, starting from the exchanger, collects NH3 and takes it to the CO2 exchange head. In this way, part of the heat given off by the CO2 to the NH3 is used, heating the NH3 before it reaches the separator.

Gracias a este proceso de calentamiento previo del NH3 antes desuentrada en el separador el volumen de NH3 se ve claramente reducido y por lo tanto dado que los niveles de seguridad exigidos están en función de los volúmenes de NH3 y al quedar éstos reducidos, los niveles de seguridad son claramente menores. Thanks to this pre-heating process of the NH3 before it enters the separator, the volume of NH3 is clearly reduced and therefore, since the required safety levels depend on the volumes of NH3 and as these are reduced, the safety levels are clearly lower.

Adicionalmente, debido a que la carga de amoníaco se reduce, será necesario mejorar el filtrado del aceite para evitarsuacumulación. Por ello, para que la carga del amoníaco se pueda reducir al máximo, reduciendo asísuriesgo en base a la normativa de seguridad, se deberá mejorar el filtrado del refrigerante a la salida de los compresores. Con esta solución se contrarresta la mayor sensibilidad a la contaminación del refrigerante que puede ser uno de los factores que reduzcan la eficiencia a largo plazo de este sistema. In addition, as the ammonia load is reduced, it will be necessary to improve oil filtration to prevent its accumulation. Therefore, in order to reduce the ammonia load to a minimum, thereby reducing its risk based on safety regulations, the filtration of the refrigerant at the compressor outlet must be improved. This solution counteracts the greater sensitivity to refrigerant contamination, which can be one of the factors that reduce the long-term efficiency of this system.

explicación de las figurasExplanation of the figures

Para comprender mejor la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, de un juego de planos en los que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado lo siguiente: In order to better understand the description being made and in order to assist in a better understanding of the characteristics of the invention, this descriptive report is accompanied, as an integral part thereof, by a set of drawings in which the following has been represented for illustrative and non-limiting purposes:

La figura 1 muestra el conjunto intercambiador con la etapa de sobrecalentamiento integrada. Figure 1 shows the exchanger assembly with the integrated superheating stage.

La figura 2 muestra otra vista diferente de un intercambiador tipo spray-chiller donde se observa el tubo intermedio de conexión con el intercambiador de C02. Figure 2 shows another different view of a spray-chiller type exchanger where the intermediate tube connecting to the CO2 exchanger can be seen.

La figura 3 muestra el esquema funcional e la etapa de sobrecalentamiento a la que se somete al NH3. Figure 3 shows the functional diagram of the superheating stage to which NH3 is subjected.

realización preferente de la invenciónpreferred embodiment of the invention

A la vista de las figuras se describe seguidamente un modo de realización preferente de la invención propuesta. In view of the figures, a preferred embodiment of the proposed invention is described below.

En la figura 1 se puede observar un intercambiador (1) tipo spray-chiller que en uno desusextremos cuenta con un cabezal de intercambio (2) de calor con el C02, por lo que dicho cabezal cuenta con una entrada de C02 (3) y con una salida de C02 (4), disponiéndose un tubo de conexión intermedio (5) que discurre desde aproximadamente la parte media del cuerpo del intercambiador (1) hacia el cabezal de intercambio (2) de calor. A dicho cabezal de intercambio de calor (2) con el C02, el tubo de intermedio de conexión (5) se conecta mediante un punto de entrada (6), saliendo el NH3, del cabezal de intercambio de calor (2) una vez sobrecalentado por la salida (7) que se conectaría con el separador de la instalación. In figure 1 a spray-chiller type exchanger (1) can be seen which at one of its ends has a heat exchange head (2) with CO2, so that said head has a CO2 inlet (3) and a CO2 outlet (4), with an intermediate connection tube (5) running from approximately the middle part of the body of the exchanger (1) towards the heat exchange head (2). To said heat exchange head (2) with CO2, the intermediate connection tube (5) is connected by means of an inlet point (6), with the NH3 exiting the heat exchange head (2) once superheated by the outlet (7) which would be connected to the installation separator.

La forma particularo losmedios empleados para poder producir dicho intercambio de calor dentro del cabezal de intercambio (2) no es objeto de la presente invención, pudiendo ser cualquiera de entrelosconocidos. En la figura 3 se muestra una posible forma de realización consistente en una serie de cámaras conectadas de manera alternada de modo que se obliga a circular al NH3 a través de ellas y contactando conlostubos de C02 que discurren porsuinterior The particular form or the means used to be able to produce said heat exchange within the exchange head (2) is not the object of the present invention, and may be any of those known. Figure 3 shows a possible embodiment consisting of a series of chambers connected in an alternating manner so that the NH3 is forced to circulate through them and contact the C02 tubes that run through their interior.

Descrita suficientemente la naturaleza de la presente invención, así como la manera de ponerla en práctica, se hace constar que, dentro desuesencialidad, podrá ser llevada a la práctica en otras formas de realización que difieran en detalle de la indicada a título de ejemplo, y a las cuales alcanzará igualmente la protección que se recaba, siempre que no altere, cambieomodifiquesuprincipio fundamental. Having sufficiently described the nature of the present invention, as well as the manner of putting it into practice, it is noted that, within its essence, it may be put into practice in other forms of embodiment that differ in detail from that indicated by way of example, and which will also be covered by the protection sought, provided that they do not alter, change or modify its fundamental principle.

Claims (1)

REIVINDICACIONES 1.- Intercambiador de tubos-carcasa tipo spray-chiller, caracterizado por que comprende una etapa de sobrecalentamiento de NH3 integrada en el propio cuerpo de la carcasa del intercambiador; un cabezal de intercambiado (2) de calor con CO2 dispuesto en uno de los extremos del intercambiador (1), donde la etapa de sobrecalentamiento de NH3 consiste en un tubo intermedio (5) que discurre desde el cuerpo del intercambiador (1) hacia el cabezal de intercambio (2) de calor, donde a dicho cabezal de intercambio de calor (2) con el CO2, el tubo de intermedio de conexión (5) se conecta mediante un punto de entrada (6), saliendo el NH3, del cabezal de intercambio de calor (2) una vez sobrecalentado por la salida (7).1.- A spray-chiller type shell-and-tube exchanger, characterized in that it comprises an NH3 superheating stage integrated into the body of the exchanger housing itself; a heat exchange head (2) with CO2 arranged at one end of the exchanger (1), where the NH3 superheating stage consists of an intermediate tube (5) that runs from the body of the exchanger (1) towards the heat exchange head (2), where to said heat exchange head (2) with the CO2, the intermediate connection tube (5) is connected by means of an inlet point (6), the NH3 exiting the heat exchange head (2) once superheated through the outlet (7).
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