BR102014015502A2 - subsea heat exchanger - Google Patents
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Abstract
trocador de calor submarino. trata-se de um trocador de calor submarino, em que o trocador de tem um feixe (1) de tubos que compreende pelo menos um enrolamento de tubo (2) disposto para operar submerso em água e eficiente para guiar um fluido (f) a ser resfriado mediante água circundante em contato com o tubo, em que o feixe de tubos tem uma extensão longitudinal (l) e um perimetro (o). vários bocais (3) estão distribuídos em relação espacial ao dito perímetro (o), em que os bocais são eficientes para a descarga de jatos o) de água que colidem com os tubos, nos bocais orientados a induzir no volume água de ambiente um deslocamento (r) que passa no perímetro (o) em várias localizações e direções.submarine heat exchanger. it is an underwater heat exchanger, wherein the heat exchanger has a tube bundle (1) comprising at least one tube winding (2) arranged to operate submerged in water and efficient to guide a fluid (f) to be cooled by surrounding water in contact with the pipe, wherein the pipe bundle has a longitudinal extension (1) and a perimeter (o). several nozzles (3) are spatially distributed to said perimeter (o), wherein the nozzles are efficient for the discharge of water jets that collide with the pipes, in the nozzles oriented to induce a displacement in the ambient water volume. (r) passing the perimeter (o) in various locations and directions.
Description
“TROCADOR DE CALOR SUBMARINO” Campo da técnica [001] A presente invenção refere-se a trocadores de calor de convecção forçada para utilização submarina.Field of the Art The present invention relates to forced convection heat exchangers for underwater use.
Antecedentes e Técnica anterior [002] Na recuperação e produção de gás e petróleo de poços submarinos, os trocadores de calor são frequentemente necessários para controlar a temperatura no fluido de produção ou no meio de resfriamento usado no equipamento de produção, por exemplo.Background and Prior Art In the recovery and production of gas and oil from subsea wells, heat exchangers are often required to control the temperature in the production fluid or cooling medium used in production equipment, for example.
[003] Os trocadores de calor submarinos muitas vezes são baseados em convecção natural para água do mar e podem ser classificados como resfriadores passivos ou de convecção forçada. Basicamente, um resfriador de convecção passivo compreende uma série de tubos que são expostos a água do mar que podem circular livremente entre os tubos. Geralmente os resfriadores de convecção passivos são estruturas volumosas e pesadas e sofrem de parâmetros de operação incontroláveis, como variações nas correntes de água do mar e na temperatura, o que resulta no pouco controle ou na total ausência do mesmo sobre o processo de resfriamento.[003] Submarine heat exchangers are often based on natural seawater convection and can be classified as passive or forced convection chillers. Basically, a passive convection chiller comprises a series of pipes that are exposed to seawater that can move freely between the pipes. Passive convection chillers are generally bulky and heavy structures and suffer from uncontrollable operating parameters, such as variations in seawater currents and temperature, which result in poor control or complete lack of control over the cooling process.
[004] Um resfriado de convecção forçada compreende tipicamente um feixe de tubos delimitado por um invólucro ou duto externo que é associado a uma bomba conduzida ou a um propulsor que gera uma vazão forçada de água/água do mar através do duto. Os exemplos de resfriadores de convecção forçada podem ser encontrados nos documentos n° WO2010/002272A1, WO2012/141599A1 ou WO2013/004277A1, por exemplo, os resfriadores de convecção forçada conduzidos apresentam controle melhorado sobre a temperatura do fluido alvo, mas podem ainda sofrer de incrustação biológica e deposição de material nos tubos de trocador de calor. descrição Resumida da invenção [005] A presente invenção visa fornecer um trocador de calor de convecção forçada com controle aperfeiçoado sobre o processo de resfriamento.A forced convection cold typically comprises a bundle of tubes bounded by an outer casing or duct that is associated with a driven pump or a propellant that generates a forced water / seawater flow through the duct. Examples of forced convection chillers can be found in WO2010 / 002272A1, WO2012 / 141599A1 or WO2013 / 004277A1, for example, conducted forced convection chillers have improved control over the target fluid temperature, but may still suffer from biofouling and material deposition in the heat exchanger tubes. Brief Description of the Invention The present invention aims to provide a forced convection heat exchanger with improved control over the cooling process.
[006] Outro objetivo da presente invenção é fornecer um trocador de calor de convecção forçada que é menos suscetível à incrustação biológica ou particulada de tubos de trocador de calor.Another object of the present invention is to provide a forced convection heat exchanger that is less susceptible to biological or particulate fouling of heat exchanger tubes.
[007] Ainda outro objetivo da presente invenção é fornecer resfriamento eficaz mediante convecção forçada em um trocador de calor dotado de modelo compacto.Still another object of the present invention is to provide effective cooling by forced convection in a compact model heat exchanger.
[008] Esses e outros objetivos são reunidos em um trocador de calor, de acordo com a presente invenção, em que uma vazão turbulenta de água é originada acima dos tubos de trocador de calor por meio de uma pluralidade de bocais dispostos para descarregar jatos de água em direção aos tubos.These and other objects are assembled into a heat exchanger according to the present invention, wherein a turbulent flow of water originates above the heat exchanger tubes by means of a plurality of nozzles arranged to discharge jets of heat. water towards the pipes.
[009] Mais precisamente, um trocador de calor submarino é fornecido, o qual tem um feixe de tubos que compreende pelo menos um enrolamento de tubo disposto para operar submerso em água e eficiente para guiar um fluido a ser resfriado mediante água circundante em contato com o tubo, em que o feixe de tubos tem uma extensão longitudinal e um perímetro e uma pluralidade de bocais distribuídos em relação espacial ao parâmetro, em que os bocais são eficientes para descarga de jatos de água que colidem com os tubos, sendo que os bocais são orientados a induzir no volume de água de ambiente um deslocamento que passa no perímetro em várias localizações e direções.More precisely, an underwater heat exchanger is provided which has a tube bundle comprising at least one tube winding arranged to operate submerged in water and efficient to guide a fluid to be cooled by surrounding water in contact with. the tube, wherein the tube bundle has a longitudinal extension and a perimeter and a plurality of nozzles distributed in spatial relation to the parameter, wherein the nozzles are efficient for discharging water jets that collide with the tubes, the nozzles being They are oriented to induce in the ambient water flow a displacement that passes through the perimeter in various locations and directions.
[010] Os bocais são configurados para gerar deslocamento turbulento de água próximo aos tubos.[010] Nozzles are configured to generate turbulent water displacement near the pipes.
[011] Uma vazão turbulenta pode ser alcançada quando, conforme preferencial, os bocais estão dispostos a um ângulo em um piano transversalmente a uma extensão longitudinal do tubo feixe para descarregar jatos de água partir da direção tangencial a um ângulo de 90° de impacto com o perímetro do feixe de tubos.Turbulent flow can be achieved when, as preferred, the nozzles are arranged at an angle on a piano transversely to a longitudinal extent of the beam tube to discharge water jets from the tangential direction at a 90 ° impact angle with the perimeter of the pipe bundle.
[012] Neste sentido, a invenção pode ser realizada em realizações e configurações diferentes em relação à disposição de bocais em relação ao feixe de tubos.In this regard, the invention may be embodied in different embodiments and configurations with respect to the arrangement of nozzles relative to the tube bundle.
[013] Em uma realização, os bocais estão dispostos radialmente fora do feixe de tubos. Mais precisamente, os bocais podem estar dispostos radialmente fora do parâmetro circular de um feixe de tubos helicoidal, em que as bocas dos bocais se direcionam internamente para um centro do feixe de tubos. Nessa realização, os bocais podem estar direcionados a fim de gerar, em água do mar que circunda o trocador de calor, um deslocamento internamente direcionado que se estende substancialmente tangencial ao perímetro ou substancialmente radial em relação ao centro do feixe de tubos helicoidal, conforme visto em um plano radial do trocador de calor.In one embodiment, the nozzles are arranged radially outside the tube bundle. More precisely, the nozzles may be arranged radially outside the circular parameter of a helical tube bundle, wherein the nozzle mouths are directed internally to a center of the tube bundle. In this embodiment, the nozzles may be directed to generate, in seawater surrounding the heat exchanger, an internally directed displacement extending substantially tangential to the perimeter or substantially radial to the center of the helical tube bundle as seen. in a radial plane of the heat exchanger.
[014] Em outra realização, os bocais estão dispostos no interior do feixe de tubos. Mais precisamente, os bocais podem estar dispostos radialmente no interior de um feixe de tubos helicoidal, em que as bocas dos bocais se direcionam externamente para um perímetro do feixe de tubos. Nessa realização, os bocais podem estar direcionados a fim de gerar, em água do mar dentro do feixe de tubo helicoidal, um deslocamento externamente direcionado que pode ser radial ou não radial em relação ao plano radial do feixe de tubos.In another embodiment, the nozzles are disposed within the tube bundle. More precisely, the nozzles may be arranged radially within a helical tube bundle, wherein the nozzle mouths are directed externally to a perimeter of the tube bundle. In this embodiment, the nozzles may be directed to generate in seawater within the helical tube bundle an externally directed displacement which may be radial or non-radial with respect to the radial plane of the tube bundle.
[015] A orientação do ângulo de bocais pode ser utilizada para criar um movimento de rotação e um deslocamento de água do mar de ambiente dentro e sobre o feixe de tubos.[015] Nozzle angle orientation can be used to create a rotating motion and ambient seawater displacement within and over the pipe bundle.
[016] Em cada uma das realizações acima, os bocais podem estar dispostos adicionalmente em uma inclinação a fim de gerar ou suportar um deslocamento de água do mar através do trocador de calor. Dessa forma, alternativa ou adicionalmente à orientação de ângulo de bocais em planos radiais, os bocais podem estar dispostos em uma inclinação no eixo geométrico longitudinal, no plano axial, para descarregar jatos de água do mar a partir de um ângulo de 30° a 90° de impacto com o perímetro do feixe de tubos.[016] In each of the above embodiments, the nozzles may be additionally arranged in a slope to generate or withstand a displacement of seawater through the heat exchanger. Thus, alternatively or in addition to the nozzle angle orientation in radial planes, the nozzles may be arranged at an inclination on the longitudinal geometrical axis in the axial plane to discharge jets of seawater from an angle of 30 ° to 90 °. ° of impact with the perimeter of the pipe bundle.
[017] Os bocais podem estar dispostos em conjuntos, em que os bocais são comumente abastecidos com água do mar de um conjunto de motor e de bomba submarinos que descarrega água do mar em pressão e taxa de vazão elevadas em um tubo de distribuição. Em realizações preferenciais, um tubo de distribuição fornece água do mar para vários canos ascendentes que se estendem do tubo de distribuição na direção longitudinal do feixe de tubos, em que cada cano ascendente carrega um conjunto de bocais, respectivamente.[017] Nozzles may be arranged in assemblies, wherein nozzles are commonly supplied with seawater from an underwater engine and pump assembly that discharges seawater at high pressure and flow rate into a manifold. In preferred embodiments, a manifold provides seawater to a plurality of rising pipes extending from the manifold in the longitudinal direction of the pipe bundle, each rising pipe carrying a set of nozzles respectively.
[018] A água do mar é fornecida para os bocais por meio de um conjunto de motor e de bomba submarinos. Mediante a regulagem da saída a partir do conjunto de motor e de bomba e/ou fechamento/abertura de bocais por meio de válvulas, é possível obter um controle ativo de temperatura no fluido alvo. Para este fim, um motor de acionamento de velocidade variável (VSD) que conduz a bomba de água do mar permite o controle comum dos bocais.[018] Seawater is supplied to the nozzles by means of an underwater engine and pump assembly. By regulating the output from the motor and pump assembly and / or closing / opening nozzles by means of valves, it is possible to achieve active temperature control in the target fluid. To this end, a variable speed drive (VSD) motor that drives the seawater pump allows common nozzle control.
[019] Alternativamente, os bocais podem ser controláveis conjuntamente através de um dispositivo regulador de pressão no tubo de distribuição de água.Alternatively, the nozzles may be controllable together through a pressure regulating device in the water supply pipe.
[020] Adicionalmente, um conjunto de bocais pode ser controlável separadamente dos outros conjuntos de bocais. Por exemplo, os conjuntos de bocais podem ser controlados para descarga intermitente de jatos de água em uma escala alternada e em ordem consecutiva. Essa realização reduz efetivamente a capacidade necessária pelo conjunto de motor e de bomba.Additionally, one nozzle assembly may be controllable separately from the other nozzle assemblies. For example, nozzle assemblies may be controlled for intermittent discharge of water jets on an alternating scale and in consecutive order. This accomplishment effectively reduces the capacity required by the motor and pump assembly.
[021] Em uma realização, é possível obter os jatos pulsantes de água dos bocais mediante a instalação de um gerador de impulso de vazão a montante dos bocais.[021] In one embodiment, it is possible to obtain the pulsating water jets of the nozzles by installing a flow pulse generator upstream of the nozzles.
[022] Os bocais podem ser realizados como orifícios formados nos canos ascendentes que são abastecidos com água do mar através do tubo de distribuição.[022] Nozzles may be made as holes formed in the rising pipes that are supplied with seawater through the manifold.
[023] Alternativamente, os bocais podem ser realizados como tubos de Venturi ou ejetores que operam de acordo com o princípio de Bernoulli.Alternatively, the nozzles may be made as venturi tubes or ejectors operating according to the Bernoulli principle.
Pequena Descrição das figuras [024] As realizações da invenção serão explicadas adicionalmente abaixo com referência às figuras esquemáticas e anexas. Nas Figuras, [025] A Figura 1 é uma vista lateral que mostra uma primeira realização de um trocador de calor, de acordo com a presente invenção, [026] A Figura 2 é uma vista superior do trocador de calor da Figura 1, [027] A Figura 3 é uma vista superior correspondente à Figura 2 que mostra uma segunda realização do trocador de calor, [028] A Figura 4 é um detalhe quebrado em escala maior que mostra a disposição de bocais no trocador de calor, [029] A Figura 5 é um detalhe correspondente que mostra a disposição alternativa de bocais no trocador de calor, [030] A Figura 6 é uma vista lateral que mostra outra realização do trocador de calor, e [031] A Figura 7 é uma vista superior que mostra ainda outra reaíização do trocador de calor.Short Description of the Figures The embodiments of the invention will be further explained below with reference to the schematic and accompanying figures. In the Figures, [025] Figure 1 is a side view showing a first embodiment of a heat exchanger according to the present invention. [026] Figure 2 is a top view of the heat exchanger of Figure 1, [ 027] Figure 3 is a top view corresponding to Figure 2 showing a second embodiment of the heat exchanger, [028] Figure 4 is a larger scale broken detail showing the arrangement of nozzles in the heat exchanger, [029] Figure 5 is a corresponding detail showing the alternative arrangement of nozzles on the heat exchanger. [030] Figure 6 is a side view showing another embodiment of the heat exchanger, and [031] Figure 7 is a top view showing shows yet another embodiment of the heat exchanger.
Descrição detalhada das Realizações Preferenciais [032] Esta serve para apontar que, embora a invenção seja descrita no presente documento com referência a um trocador de calor orientado verticalmente aberto para o mar, os ensinamentos apresentados podem ser aplicados da mesma forma em trocadores de calor submersos de orientações horizontal ou inclinada. Consequentemente, qualquer termo usado na descrição para definir relações espaciais deve ser entendido como incluindo termos equivalentes aplicáveis aos trocadores de calor de outras orientações principais do que o ilustrado vertical.DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS It is intended to point out that while the invention is described herein with reference to a vertically oriented seaward heat exchanger, the teachings given can be similarly applied to submerged heat exchangers horizontal or inclined orientation. Accordingly, any term used in the description to define spatial relationships should be understood to include equivalent terms applicable to heat exchangers of other major orientations than illustrated vertically.
[033] Um trocador de calor de convecção forçada 1 para utilização submarina utiliza um feixe de tubos que compreende pelo menos um enrolamento de tubo 2, através do qual um fluxo de fluido F é avançado sob transferência de calor através da parede de tubo à água do mar circundante SW. Então, o trocador de calor 1 opera submerso em água do mar, conforme ilustrado na Figura 1.A forced convection heat exchanger 1 for subsea use utilizes a tube bundle comprising at least one tube coil 2 through which a fluid flow F is advanced under heat transfer through the tube wall to water. from the surrounding sea SW. Then, heat exchanger 1 operates submerged in seawater, as shown in Figure 1.
[034] O fluxo de fluido F pode ser um fluxo de fluido de produção de hidrocarboneto que necessita de resfriamento antes de alcançar o equipamento localizado à jusante, como bombas ou compressores, etc. No entanto, o trocador de calor 1 não é limitado ao resfriamento de fluido de produção, mas pode servir da mesma forma para o resfriamento de outro fluido envolvido em produção de hidrocarboneto submarino, como refrigerante, lubrificante ou fluido de barreira, por exemplo.[034] Fluid flow F can be a hydrocarbon production fluid flow that needs cooling before reaching downstream equipment such as pumps or compressors, etc. However, heat exchanger 1 is not limited to cooling production fluid, but may similarly serve to cool another fluid involved in subsea hydrocarbon production, such as refrigerant, lubricant or barrier fluid, for example.
[035] Adicionalmente, o trocador de calor 1 compreende uma pluralidade de bocais 3 que estão distribuídos em relação espacial a um perímetro O do feixe de tubos 2. Neste contexto, conforme usado na revelação, “relação espacial com o perímetro” deve ser entendido como os bocais 3 que estão distribuídos ao longo do perímetro O ou pelo menos ao longo de partes substanciais do perímetro e externa ou internamente em uma distância do perímetro O, conforme visto em uma vista lateral ou em uma vista de topo ou inferior do trocador de calor.Additionally, the heat exchanger 1 comprises a plurality of nozzles 3 which are spatially distributed at a perimeter O of the pipe bundle 2. In this context, as used in the disclosure, "spatial relation to the perimeter" must be understood. such as nozzles 3 which are distributed along perimeter O or at least along substantial portions of the perimeter and externally or internally at a distance from perimeter O, as seen in a side view or a top or bottom view of the heat exchanger. heat.
[036] Os bocais 3 são eficientes para descarga de jatos de água do mar em direção ao feixe de tubos 2. Os bocais 3 estão dispostos em canos ascendentes 4, de modo que cada cano ascendente 4 carregue um conjunto de bocais 3. Os canos ascendentes 4 são abastecidos com água do mar através de um tubo de distribuição 5 que distribui água do mar a pressão elevada e em taxa de vazão gerada através de um motor submarino 6 e uma bomba 7.[036] Nozzles 3 are efficient for discharging seawater jets towards tube bundle 2. Nozzles 3 are arranged in risers 4 so that each riser 4 carries a set of nozzles 3. The pipes upstream 4 are supplied with seawater via a manifold 5 which distributes seawater at high pressure and at the flow rate generated through an underwater engine 6 and a pump 7.
[037] A operação do conjunto de motor e de bomba 6, 7 pode ser controlada através de um acionamento de velocidade variável (VSD) 8 e de uma unidade de controle de trocador de calor (HXC) 9 que ajusta o fornecimento de água do mar para os bocais 3 em reposta à temperatura do fluido alvo F, detectada por um sensor de temperatura (TS) 10. Dessa forma a HXC e o VSD ajustam a operação dos bocais conjuntamente, em resposta a um efeito de resfriamento e a uma redução de temperatura necessários no fluido alvo F.[037] The operation of motor and pump assembly 6, 7 can be controlled by a variable speed drive (VSD) 8 and a heat exchanger control unit (HXC) 9 that adjusts the water supply of the for nozzles 3 in response to the temperature of the target fluid F, detected by a temperature sensor (TS) 10. Thus HXC and VSD adjust the operation of the nozzles together in response to a cooling effect and a reduction in temperature. required temperature in target fluid F.
[038] Adicional ou alternativamente, a operação dos bocais 3 pode se controlada através das válvulas 11 dispostas para permitir ou cortar a vazão de água através dos canos ascendentes 4, controlando assim a operação de um conjunto de bocais 3 separadamente dos outros conjuntos de bocais.Additionally or alternatively, the operation of the nozzles 3 may be controlled by the valves 11 arranged to allow or cut the water flow through the risers 4, thereby controlling the operation of one nozzle assembly 3 separately from the other nozzle assemblies. .
[039] As válvulas 11 podem ser realizas como válvulas de ligar/desligar e podem ser controladas a partir da HXC. Mediante a abertura das válvulas 11, uma de cada vez, em ordem consecutiva, por exemplo, é possível obter uma descarga pulsante de jatos em direção ao feixe de tubos 2. Essa disposição também reduz consideravelmente a capacidade necessária do motor e da bomba, os quais são instalados para fornecer água do mar para os bocais. Alternativamente, os jatos pulsantes podem ser gerados por meio de um gerador de impulso instalado no fornecimento de água do mar a montante dos bocais (não mostrado nas Figuras).[039] Valves 11 can be realized as on / off valves and can be controlled from the HXC. By opening the valves 11 one at a time, in consecutive order, for example, a pulsating jet discharge can be achieved towards the pipe bundle 2. This arrangement also considerably reduces the required capacity of the motor and pump. which are installed to provide seawater to the nozzles. Alternatively, the pulsating jets may be generated by means of a pulse generator installed in the seawater supply upstream of the nozzles (not shown in the Figures).
[040] Alternativamente, o controle operacional da pluralidade de bocais pode ser alcançado a partir de um dispositivo regulador de pressão 11’ disposto para ajustar a vazão no tubo de distribuição de água do mar 5, conforme ilustrado na Figura 1.Alternatively, operational control of the plurality of nozzles may be achieved from a pressure regulating device 11 'arranged to adjust the flow rate in the seawater manifold 5 as illustrated in Figure 1.
[041] De uma maneira estruturalmente não complexa, os bocais podem ser realizados como orifícios produzidos através da parede dos canos ascendentes.In a structurally non-complex manner, the nozzles may be made as holes produced through the wall of the risers.
[042] Os jatos mais eficientes de água podem ser gerados a partir dos bocais produzidos sob a forma de tubos de Venturi ou ejetores que operam de acordo com o bem conhecido princípio de Bernoulli. Um ejetor correspondente é mostrado na Figura 4, em que esse ejetor compreende um bocal 3 que é instalado em um tubo de Venturi 12 dotado de uma seção de difusor 13 de raio elevado. O bocal 3 se comunica com o cano ascendente 4 por meio de uma passagem 14 através da parede do cano ascendente. Um jato de alta velocidade J é descarregado da boca convergente do bocal 3, criando dentro do tubo 12 uma zona de baixa pressão que puxa a água do mar através de uma entrada aberta para o tubo. A água do mar incorporada é misturada com o jato no tubo, sendo que as vazões misturadas são descarregadas a partir da extremidade de descarga voltada para o feixe de tubos 2.[042] The most efficient water jets can be generated from nozzles produced in the form of venturi tubes or ejectors that operate according to the well-known Bernoulli principle. A corresponding ejector is shown in Figure 4, wherein this ejector comprises a nozzle 3 which is installed in a Venturi tube 12 provided with a high radius diffuser section 13. The nozzle 3 communicates with the rising pipe 4 by way of a passage 14 through the rising pipe wall. A high velocity jet J is discharged from the converging mouth of the nozzle 3, creating within the tube 12 a low pressure zone that pulls seawater through an open inlet to the tube. The incorporated seawater is mixed with the jet in the pipe, and the mixed flows are discharged from the discharge end towards the pipe bundle 2.
[043] Os bocais 3 são orientados para a descarga de jatos de água que colide com os tubos de trocador de calor 2, incluindo no volume de ambiente de água de uma vazão ou um deslocamento R que passa no perímetro O dos tubos de trocador de calor 2. Os jatos de água são divididos pelos tubos e reunidos em zonas de água turbulenta T no sotavento dos tubos substancialmente, conforme ilustrado esquematicamente na Figura 4. Tanto os jatos de colisão no barlavento de tubos como a vazão turbulenta no sotavento dos tubos contribuem para reduzir a incrustação, como a incrustação sob a forma de deposição de partícula, crescimento em escala e biológico nos tubos de trocador de calor.[043] Nozzles 3 are oriented for the discharge of water jets that collide with heat exchanger tubes 2, including in the ambient volume of water from a flow or a displacement R passing perimeter O of the heat exchanger tubes. heat 2. The water jets are divided by the tubes and assembled into zones of turbulent water T in the leeward of the tubes substantially, as shown schematically in Figure 4. Both the collision jets in the windward tube and the turbulent flow in the leeward tube contribute to reduce fouling such as particle deposition, scaling and biological fouling in the heat exchanger tubes.
[044] Ao passo que a vista parcial da Figura 4 ilustra bocais 3 que são orientados transversalmente ou em ângulos retos para o perímetro O, a vista parcial da Figura 5 ilustra bocais que são angulados relativos ao perímetro e, mais precisamente, bocais que são inclinados para cima a um ângulo α relativo ao perímetro O. A orientação inclinada de bocais 3 pode ser usada para melhorar um deslocamento ascendente U de água do mar através do feixe de tubos 2, adicionado ao deslocamento para cima natural sob a forma de correntes de convecção devido ao calor que é absorvido pelo água de ambiente. Compreende-se que o ângulo α pode variar de cerca de 30° a 90° na prática.While the partial view of Figure 4 illustrates nozzles 3 which are oriented transversely or at right angles to the perimeter O, the partial view of Figure 5 illustrates nozzles that are angled relative to the perimeter and, more precisely, nozzles that are inclined upwards at an angle α relative to the perimeter O. The inclined nozzle orientation 3 can be used to improve an upward displacement U of seawater through the pipe bundle 2, added to the natural upward displacement in the form of currents. convection due to the heat that is absorbed by the ambient water. It is understood that the angle α may range from about 30 ° to 90 ° in practice.
[045] De volta à realização representada nas Figuras 1 e 2, um modelo de trocador de calor é ilustrado, em que uma pluralidade de bocais 3 estão dispostos ao longo do perímetro circular de um feixe de tubos helicoidal 2 e radialmente fora do mesmo. Mais precisamente, vários canos ascendentes 4 estão distribuídos sobre o feixe de tubos, em que os canos 4 se erguem a partir de um tubo de distribuição circular 5 que conecta os canos ascendentes ao conjunto de motor e de bomba 6, 7 (mostrado na Figura 1 apenas). Preferencialmente, os canos ascendentes pode ser igualmente espaçados de modo angular no feixe de tubos 2 conforme ilustrado.[045] Returning to the embodiment shown in Figures 1 and 2, a heat exchanger model is illustrated, wherein a plurality of nozzles 3 are disposed along and radially outside the circular perimeter of a bundle of coils. More precisely, several risers 4 are distributed over the pipe bundle, wherein the risers 4 rise from a circular manifold 5 which connects the risers to the motor and pump assembly 6, 7 (shown in Figure 1 only). Preferably, the risers may also be angularly spaced in the pipe bundle 2 as illustrated.
[046] Cada cano ascendente 4 carrega um conjunto de bocais 31 a 36. Ao passo que os bocais 31 - 33 no lado esquerdo da Figura na Figura 2 são orientados em direções radiais em direção ao centro C do tubo feixe, os bocais 34 - 36 no lado direito da Figura são orientados substancialmente em direção tangencial relativa ao perímetro do feixe de tubos 2. Dispor os bocais em diferentes orientações no mesmo trocador de calor, conforme ilustrado na Figura 2, é possível. Esta opção é mostrada no presente documento a título ilustrativo e assume-se que uma prática mais frequente envolverá bocais que são igualmente orientados em relação ao perímetro ou ao centro do trocador de calor. No entanto, as diferentes combinações do número de bocais e de orientações podem ser concebíveis.Each rising pipe 4 carries a set of nozzles 31 to 36. While the nozzles 31 - 33 on the left side of the Figure in Figure 2 are oriented radially towards the center C of the beam tube, the nozzles 34 - 36 on the right side of the Figure are oriented substantially in a tangential direction relative to the perimeter of the pipe bundle 2. Arranging the nozzles in different orientations on the same heat exchanger as shown in Figure 2 is possible. This option is shown in the present document by way of illustration and it is assumed that a more frequent practice will involve nozzles that are equally oriented to the perimeter or center of the heat exchanger. However, different combinations of nozzle numbers and orientations may be conceivable.
[047] Percebe-se que a localização externa dos bocais 31 - 33 na Figura 2 induzirá, no volume de água de ambiente, um deslocamento em que o componente principal de direção é radial em direção ao centro do feixe de tubos 2. Aprecia-se da mesma forma que a localização externa dos bocais tangencialmente orientados 34 - 36 na Figura 2 induzirá, no volume de água de ambiente, um deslocamento que compreende um componente tangencial de direção, o qual é defletido em direção ao interior do trocador de calor mediante o jato descarregado do bocal a jusante adjacente. Em ambos os casos, os bocais abertos tangencial e substancialmente ou internamente e externamente localizados 31 a 36 irão gerar um deslocamento R de água de ambiente que passa no perímetro O do tubo feixe em várias localizações e direções, produzindo turbulência próxima aos tubos. Adicionalmente, o deslocamento de água do exterior para o interior do feixe de tubos produzirá um deslocamento e uma substituição axiais acima do volume de água que é circundado pelo enrolamento de tubo 2. Adicionalmente, os bocais não radial ou substancial e tangencialmente orientados 34 - 36 irão gerar um deslocamento de rotação de água que circunda os tubos de trocador de calor 2 (isto é, uma rotação no sentido horário, de acordo com a configuração da Figura 2), [048] Um modelo invertido do trocador de calor é ilustrado na Figura 3. A realização da Figura 3 difere da prévia em que os canos ascendentes 4 e os bocais 3 estão localizados ao longo de um perímetro circular de um feixe de tubos helicoidal 2 e radialmente no interior do mesmo, em que os bocais abrem externamente em direção ao perímetro do feixe de tubos. Ao passo que os bocais 31 - 33 no lado direito da Figura são orientados substancialmente em direção radial do centro C, os bocais 34 - 36 no lado esquerdo da Figura são orientados em direções não radiais relativas ao centro C. Novamente, dispor os bocais em diferentes orientações no mesmo trocador de calor, conforme ilustrado na Figura 3, é possível. Esta opção é mostrada no presente documento a titulo ilustrativo e assume-se que uma prática mais frequente envolverá os bocais que são igualmente orientados em relação ao perímetro ou ao centro do trocador de calor. No entanto, diferentes combinações do número de bocais e de orientações podem ser concebíveis.It is noted that the external location of the nozzles 31 - 33 in Figure 2 will induce in the ambient water volume a displacement where the main steering component is radial toward the center of the pipe bundle 2. In the same way as the external location of the tangentially oriented nozzles 34 - 36 in Figure 2 will induce in the ambient water volume a displacement comprising a tangential direction member which is deflected towards the interior of the heat exchanger by the jet is discharged from the adjacent downstream nozzle. In either case, the tangentially and internally and externally located open nozzles 31 to 36 will generate a displacement R of ambient water passing at the perimeter O of the beam tube at various locations and directions, producing turbulence near the tubes. Additionally, displacement of water from the outside to the interior of the tube bundle will produce an axial displacement and replacement above the volume of water that is surrounded by the tube winding 2. Additionally, the non-radially or substantially tangentially oriented nozzles 34 - 36 will generate a water rotation displacement surrounding the heat exchanger tubes 2 (i.e. a clockwise rotation according to the configuration of Figure 2), [048] An inverted heat exchanger model is illustrated in Figure 3. The embodiment of Figure 3 differs from the previous one in that the risers 4 and the nozzles 3 are located along a circular perimeter of a helical tube bundle 2 and radially within it, wherein the nozzles open externally at direction to the perimeter of the pipe bundle. While nozzles 31 - 33 on the right side of the Figure are oriented substantially radially from center C, nozzles 34 - 36 on the left side of the Figure are oriented in non-radial directions relative to Center C. Again, arrange the nozzles at Different orientations on the same heat exchanger as illustrated in Figure 3 is possible. This option is shown in the present document by way of illustration and it is assumed that a more frequent practice will involve nozzles which are equally oriented to the perimeter or center of the heat exchanger. However, different combinations of nozzle numbers and orientations may be conceivable.
[049] Percebe-se que a localização interna dos bocais 31 - 33 na Figura 3 induzirá, no volume de água de ambiente circundado pelo enrolamento de tubo 2, um deslocamento em que o componente principal de direção é radial e externo em relação ao centro C. Aprecia-se da mesma forma que a localização interna dos bocais 34 - 36 na Figura 3 induzirá, no volume de água de ambiente, um deslocamento que compreende um componente tangencial de direção.It is noticed that the internal location of the nozzles 31 - 33 in Figure 3 will induce, in the ambient water volume surrounded by the pipe winding 2, a displacement where the main steering component is radial and external to the center. C. It is appreciated in the same way that the internal location of the nozzles 34 - 36 in Figure 3 will induce in the ambient water volume a displacement comprising a tangential component of direction.
[050] Em ambos os casos, os bocais abertos externa, radialmente ou não radialmente e internamente localizados 31 a 36 irão gerar, no volume de água de ambiente, um deslocamento R que passa no perímetro O em várias localizações e direções, produzindo turbulência próxima aos tubos. Adicionalmente, o deslocamento de água do interior para o exterior do feixe de tubos irá ocasionar uma substituição abaixo do volume de água que é deslocado a partir do interior do enrolamento de tubo 2, Adicionaimente, os bocais não radialmente orientados 34 - 36 podem gerar um deslocamento de rotação de água que circunda os tubos de trocador de calor 2 (isto é, uma rotação no sentido anti-horário, de acordo com a configuração da Figura 3).[050] In both cases, the externally, radially or non-radially and internally located open nozzles 31 to 36 will generate, in the ambient water volume, a displacement R passing perimeter O in various locations and directions, producing near turbulence. to the pipes. Additionally, the displacement of water from inside the tube bundle will cause a replacement below the volume of water that is displaced from the interior of the tube winding 2. In addition, the non-radially oriented nozzles 34 - 36 may generate a water rotation displacement surrounding the heat exchanger tubes 2 (i.e. counterclockwise rotation according to the configuration of Figure 3).
[051] A invenção não é limitada a qualquer número específico de canos ascendentes 4, número de bocais 3 ou número de voltas em um enrolamento de tubo 2. Outros modelos além da configuração circular ilustrada nas Figuras 1-5 também são possíveis.[051] The invention is not limited to any specific number of risers 4, number of nozzles 3 or number of turns in a pipe winding. Other models besides the circular configuration shown in Figures 1-5 are also possible.
[052] Um modelo alternativo é ilustrado na Figura 6, a qual mostra em uma vista lateral um trocador de calor que compreende um enrolamento de tubo em serpentina plano ou substancialmente plano 2. Vários bocais 3 estão distribuídos ao longo das maiores partes de um perímetro retangular O e externamente ao mesmo, os bocais executam em operação um deslocamento R de água de ambiente que passa no perímetro O em várias localizações e direções, produzindo turbulência próxima aos tubos 2.An alternative model is illustrated in Figure 6 which shows in a side view a heat exchanger comprising a flat or substantially flat serpentine tube winding. Several nozzles 3 are distributed along the largest parts of a perimeter. Rectangular O and externally thereto, the nozzles in operation perform a displacement R of ambient water passing perimeter O in various locations and directions, producing turbulence near the pipes 2.
[053] Ainda outro modelo alternativo é ilustrado na Figura 7, a qual mostra em uma vista superior a camada de tubo mais alta de um trocador de calor que compreende um feixe de tubos, incluindo vários enrolamentos de tubos em serpentina ou achatados ou substancialmente planos helicoidais 2. Uma pluralidade de bocais 3 estão distribuídos ao longo das maiores partes de um perímetro retangular O e externamente ao mesmo, em que os bocais estão dispostos em conjuntos nos canos 4 que se erguem a partir de um tubo de distribuição 5. Deve-se notar que na vista superior da Figura 7 apenas o bocal mais alto 3 em cada conjunto de bocais é mostrado.Yet another alternative embodiment is illustrated in Figure 7, which shows in a top view the highest tube layer of a heat exchanger comprising a bundle of tubes, including various coiled or flattened or substantially flat tube windings. 2. A plurality of nozzles 3 are distributed along the largest portions of a rectangular perimeter O and externally thereto, wherein the nozzles are disposed together on pipes 4 that rise from a manifold 5. Note that in the top view of Figure 7 only the highest nozzle 3 in each nozzle assembly is shown.
[054] Outros modelos de bocal diferentes do i tubo de Venturi lustrado são viáveis, como um bocal fluido projetado para gerar um jato auto-oscilante. Os bocais de jato auto-oscilante não envolvem partes de movimentação e não necessitam basicamente de manutenção, o que os torna atrativos para utilização submarina e para implantação no trocador de calor de convecção forçada. O uso de bocais que geram jatos auto-oscilantes resulta em coeficiente de transferência de calor mais alto e área de cobertura maior, portanto, são necessários menos bocais se comparado ao bocais de jato padrão.[054] Other nozzle models other than the polished Venturi tube are viable, such as a fluid nozzle designed to generate a self-oscillating jet. The self-oscillating jet nozzles do not involve moving parts and are basically maintenance-free, making them attractive for subsea use and deployment in the forced convection heat exchanger. Using nozzles that generate self-oscillating jets results in a higher heat transfer coefficient and larger coverage area, so fewer nozzles are required compared to standard jet nozzles.
[055] Outro grupo de bocais, o qual pode ser contemplado para uso em trocadores de calor de convecção forçada submersos, são os bocais projetados para criar jatos sintéticos formados por água de ambiente através da sucção e ejeção periódicas de fluido fora de um orifício para uma cavidade. Um diafragma que é construído em uma parede para a cavidade é trazido em um movimento periódico de tempo conduzido por um gerador piezoelétrico ou um pistão eletromagneticamente conduzido, por exemplo.[055] Another group of nozzles, which may be contemplated for use in submerged forced convection heat exchangers, are nozzles designed to create synthetic jets formed of ambient water by periodically sucking and ejecting fluid out of a hole for a cavity. A diaphragm that is built into a cavity wall is brought in a periodic time motion driven by a piezoelectric generator or an electromagnetically driven piston, for example.
[056] Com base nos ensinamentos apresentados no presente documento, outras modificações serão possíveis sem que se afaste do escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações anexas.Based on the teachings herein, further modifications will be possible without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
B08F | Application dismissed because of non-payment of annual fees [chapter 8.6 patent gazette] | ||
B08K | Patent lapsed as no evidence of payment of the annual fee has been furnished to inpi [chapter 8.11 patent gazette] |