BR102016005385A2

BR102016005385A2 - trocador de calor

Info

Publication number: BR102016005385A2
Application number: BR102016005385A
Authority: BR
Inventors: James F Bonar; Jared Wolfe; Jeffrey Douglas Rambo; Thomas Kupiszewski
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2016-10-25
Also published as: US9835380B2; JP2016180580A; CN105973052A; EP3073219A1; EP3073219B1; JP6865528B2; CA2923293A1; US20160265850A1

Abstract

trata-se de um trocador de calor (10) que inclui uma cavidade de admissão (20) definida por paredes de cavidade de entrada (21); uma porção de trocador de calor (22) em comunicação fluida com a cavidade de admissão (20) e definida entre um primeiro lado (34) e um segundo lado (36), e em que uma pluralidade de defletores (28) é posicionada no interior da porção de trocador de calor (22); e uma cavidade de saída (24) em comunicação fluida com a porção de trocador de calor (22) e definida por paredes de cavidade de saída (25). a porção de trocador de calor (22) compreende: uma pluralidade de primeiros trajetos de fluido (26) definida entre os defletores (28) e que se estende a partir da cavidade de admissão (20) à cavidade de saída (24), e uma pluralidade de tubos (42) que se estende através da porção de trocador de calor (22) do primeiro lado (34) ao segundo lado (36). cada tubo (42) se estende através dos defletores (28) de modo a definir um segundo trajeto de fluido (32) através da porção de trocador de calor (22). os sistemas de trocador de calor (5) também são fornecidos, em geral, junto com métodos de resfriamento de uma admissão de fluido quente (12) com um trocador de calor (10).

Description

“TROCADOR DE CALOR” Campo da Técnica [001] A presente invenção refere-se a um sistema de trocador de calor que usa um fluido de resfriamento que flui em tubos sendo que o trajeto de fluido quente flui através de um conduto e é direcionado em fluxo cruzado pelo exterior dos tubos.

Antecedentes da Invenção [002] No projeto de uma aeronave, um fluxo contínuo de ar quente é sangrado a partir de uma parte de um motor de turbina a gás, resfriado e fornecido a uma aplicação de usuário específica. Um sistema de trocador de calor pode ser usado para resfriar o ar de sangria quente.

[003] O meio preferido para resfriamento de ar sangrado quente é o ar de desvio de motor que flui através do duto de ventoinha de turbina a gás. Existem diversas limitações ao projeto do sistema de trocador de calor que troca calor entre o ar de sangria e o ar de desvio. O coletor de entrada que traz ar sangrado quente para o trocador de calor, o próprio trocador de calor por si e o coletor de saída que transporta o ar de sangria resfriado na direção contrária ao trocador de calor não podem impor, juntos, uma queda de pressão demasiadamente elevada, ou o ar de sangria resfriado que alcança a aplicação de usuário terá pressão insuficiente para executar devidamente. O próprio trocador de calor não pode impor uma queda de pressão demasiadamente elevada ao ar de desvio de motor que flui através do duto de ventoinha, ou o ar de desvio terá pressão insuficiente para executar devidamente. O peso e o tamanho também estabelecem limitações restritivas. Tal como em todas as estruturas de aeronave, é importante manter o peso do sistema de trocador de calor o mais baixo possível. O sistema de trocador de calor não pode também elevar significativamente o tamanho de envelope do motor de turbina a gás e é, desejavelmente, o menor possível para deixar espaço de instalação para outros sistemas de aeronave.

[004] As deflexões e as mudanças dimensionais são preocupações potenciais no trocador de calor. As deflexões resultam de duas fontes. Os componentes do trocador de calor defletem devido à pressão e a carregamentos mecânicos vibratórios que ocorrem à medida que o motor de turbina a gás é energizado. Os componentes do motor e do trocador de calor também podem mudar de tamanho conforme suas temperaturas variam durante o uso. Essas mudanças dimensionais precisam ser consideradas na estrutura de trocador de calor, caso contrário as tensões e as deformações resultantes conduziriam à falha prematura da unidade de trocador de calor. As tensões e deformações induzidas termicamente são particularmente uma preocupação para o sistema de trocador de calor, em que gases de temperaturas diferentes estão em estreita proximidade e a temperatura relativa dos gases varia ao longo do tempo.

[005] Existe uma necessidade de um sistema de trocador de calor compacto e de peso leve que resfrie o fluxo de ar sangrado quente.

Breve Descrição da Invenção [006] Os aspectos e as vantagens da invenção serão estabelecidos em parte na descrição seguinte, ou poderão ser óbvios a partir da descrição, ou poderão ser aprendidos por meio da prática da invenção.

[007] É fornecido, em geral, um trocador de calor que inclui, em uma realização, uma cavidade de admissão definida por paredes de cavidade de entrada; uma porção de trocador de calor em comunicação fluida com a cavidade de admissão e definida entre um primeiro lado e um segundo lado, e em que uma pluralidade de defletores é posicionada no interior da porção de trocador de calor; e uma cavidade de saída em comunicação fluida com a porção de trocador de calor e definida por paredes de cavidade de saída. A porção de trocador de calor compreende: uma pluralidade de primeiros trajetos de fluidos definida entre os defletores e que se estende a partir da cavidade de admissão à cavidade de saída, e uma pluralidade de tubos que se estende através da porção de trocador de calor a partir do primeiro lado ao segundo lado. Cada tubo se estende através dos defletores de modo a definir um segundo trajeto de fluido através da porção de trocador de calor.

[008] São fornecidos, também, em geral, sistemas de trocador de calor. Em uma realização, o sistema de trocador de calor compreende pelo menos dois trocadores de calor (conforme descrito acima) serialmente conectados entre si em relação ao primeiro trajeto de fluxo e serialmente conectados entre si em relação ao segundo trajeto de fluxo.

[009] Os métodos são fornecidos, em geral, para resfriar uma admissão de fluido quente com um trocador de calor. Em uma realização, o método compreende: direcionar a admissão de fluido quente para uma cavidade de admissão definida por paredes de cavidade de entrada; direcionar a admissão de fluido quente para uma porção de trocador de calor em comunicação fluida com a cavidade de admissão e definida entre um primeiro lado e um segundo lado; direcionar a admissão de fluido quente para uma cavidade de saída em comunicação fluida com a porção de trocador de calor e definida por paredes de cavidade de saída; e direcionar um fluido de resfriamento através de uma pluralidade de tubos que se estende através da porção de trocador de calor a partir do primeiro lado ao segundo lado. Uma pluralidade de defletores é posicionada no interior da porção de trocador de calor, com uma pluralidade de primeiros trajetos de fluidos definidos entre os defletores. Cada tubo se estende através dos defletores de modo a definir um segundo trajeto de fluido através da porção de trocador de calor.

[010] Essas e outras funções, aspectos e vantagens da presente invenção serão compreendidos melhor com referência à descrição seguinte e às reivindicações anexas. Os desenhos anexos, que são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo, ilustram realizações da invenção e, junto com a descrição, servem para explicar os princípios da invenção.

Breve Descrição Dos Desenhos [011] Uma revelação completa e habilitadora da presente invenção, que inclui o melhor modo da mesma, direcionada a um indivíduo de habilidade comum na técnica, é apresentada no relatório descritivo, que faz referência às Figuras anexas, em que: A Figura 1A é uma representação esquemática de um sistema de trocador de calor exemplificativo, de acordo com uma realização; A Figura 1B mostra uma vista lateral da porção de trocador de calor do sistema de trocador de calor mostrado na Figura 1A; A Figura 1C mostra uma vista em corte transversal da porção de trocador de calor, de acordo com uma realização da Figura 1B; A Figura 1D mostra uma vista recortada explodida de um tubo exemplificativo da porção de trocador de calor mostrada na Figura 1B; A Figura 1E mostra uma vista em corte transversal da porção de trocador de calor, de acordo com outra realização da Figura 1B; A Figura 1F mostra uma vista em corte transversal da porção de trocador de calor, de acordo com outra realização da Figura 1B; A Figura 2A mostra um sistema de troca de calor formado a partir um componente integrado único exemplificativo, de acordo com uma realização; A Figura 2B mostra uma vista explodida do corte transversal da porção de topo do sistema de troca de calor exemplificativo da Figura 2A; A Figura 2C mostra um corte transversal do sistema de troca de calor exemplificativo da Figura 2A, de acordo com uma realização; A Figura 3A mostra um sistema de troca de calor formado a partir de um componente integrado único exemplificativo, de acordo com outra realização; A Figura 3B mostra uma vista recortada de um corte transversal do sistema de troca de calor exemplificativo da Figura 3A; A Figura 4A mostra um sistema de troca de calor formado a partir de um componente integrado único exemplificativo, de acordo com ainda outra realização; A Figura 4B mostra uma outra vista do sistema de troca de calor exemplificativo da Figura 4A; A Figura 4C mostra uma vista recortada de um corte transversal do sistema de troca de calor exemplificativo da Figura 4A; A Figura 5 mostra uma representação esquemática de um sistema de trocador de calor exemplificativo com mais de um trocador de calor conectado fluidamente em série em relação ao trajeto de fluxo de alta pressão, de acordo com uma realização; A Figura 6 mostra um sistema de trocador de calor formado a partir de uma pluralidade de trocadores de calor dispostos em volta de um duto, de acordo com uma realização; A Figura 7 mostra uma representação esquemática de um sistema de trocador de calor exemplificativo, em que o trocador de calor é formado a partir de uma pluralidade de trajetos de gás de alta pressão conectados fluidamente em série em relação ao trajeto de fluxo de alta pressão e separados por uma cavidade de mistura, de acordo com uma realização; A Figura 8 mostra uma representação esquemática de um sistema de trocador de calor exemplificativo de uma variedade de passagens múltiplas em que os trajetos de gás de alta pressão são conectados fluidamente em série, e em que os trajetos de fluxo de fluido de resfriamento são conectados fluidamente em série; e A Figura 9 é uma representação esquemática de um sistema de trocador de calor exemplificativo, de acordo com uma realização.

[012] O uso repetitivo de caracteres de referência no presente relatório descritivo e nos desenhos destina-se a representar as funções ou elementos iguais ou análogos da presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção [013] Será feita agora referência em detalhes às realizações da invenção, um ou mais exemplos das quais são ilustrados nos desenhos. Cada exemplo é fornecido com o propósito de explicação da invenção, sem limitação da invenção. De fato, será evidente aos versados na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas na presente invenção sem se afastar do escopo ou espírito da invenção. Por exemplo, as funções ilustradas ou descritas como parte de uma realização podem ser usadas com outra realização para render ainda uma realização adicional. Desse modo, pretende-se que a presente invenção abranja tais modificações e variações à medida que as mesmas se encontrem dentro do escopo das reivindicações anexas e suas equivalentes.

[014] Conforme usado no presente documento, os termos “primeiro”, “segundo” e “terceiro” podem ser usados de forma intercambiável para distinguir um componente do outro e não são destinados a significar localização ou importância dos componentes individuais.

[015] Os termos “a montante” e “a jusante” se referem à direção relativa em relação ao fluxo de fluido em um percurso fluido. Por exemplo, “a montante” se refere à direção a partir da qual o fluido flui e “a jusante” se refere à direção para qual o fluido flui.

[016] Conforme usado no presente documento, um "fluido" pode ser um gás ou um líquido. A presente abordagem não está limitada pelos tipos de fluidos que são usados. Na aplicação preferencial, o fluido de resfriamento é ar e o fluido resfriado é ar. A presente abordagem pode ser usada por outros tipos de fluidos líquidos e gasosos, em que o fluido resfriado e o fluido de resfriamento são os mesmos fluidos ou fluidos diferentes. Outros exemplos do fluido resfriado e do fluido de resfriamento incluem fluido hidráulico, combustível, óleo, gás de combustão, refrigerante, misturas de refrigerante, fluido dielétrico para aviônica de resfriamento ou sistemas eletrônicos de aeronave, água, compostos com base em água, água misturada com aditivos anticongelantes (por exemplo, álcool ou compostos de glicol) e qualquer outro fluido de transferência de calor ou misturas de fluido orgânicas ou inorgânicas com capacidade de transportar calor de forma persistente em temperaturas elevadas.

[017] É fornecido, em geral, um sistema de trocador de calor que inclui geometrias de aprimoramento de desempenho, cujas implantações práticas são facilitadas por fabricação aditiva. Embora o sistema de trocador de calor, descrito no presente documento, seja amplamente aplicado a uma variedade de aplicações de trocador de calor que envolve múltiplos tipos de fluidos, o mesmo é descrito no presente documento devido à sua alta eficácia de resfriamento de fluxo de ar de sangria do compressor de motor a jato por fluxo de ar de duto de ventoinha de baixa pressão.

[018] Um desafio recorrente de projeto com base na física é que o estado termodinâmico recorrente e as condições de fluxo fazem, em geral, com que o fluxo de dissipador de calor externo seja o fluxo de transferência limitador de calor, não o ar de sangria pressurizado quente que flui convencionalmente dentro do trocador de calor. Devido ao fato de que a temperatura e a densidade de ar de ventoinha são relativamente baixas em comparação ao ar de sangria do compressor, os coeficientes de transferência de calor por convecção de ar de ventoinha tendem a ser relativamente baixos, particularmente em condições de operação de altitudes elevadas, e também tende a ter mais aumento de temperatura de ar de ventoinha por unidade de calor absorvido. O aumento de temperatura relativamente maior em torno do fluxo de ar de ventoinha reduz o potencial de temperatura diferencial para resfriamento do ar de sangria do compressor. Combinados, ambos os efeitos atuam em conjunto para limitar a eficácia do trocador de calor por unidade de área de superfície molhada pelo fluxo de ar de ventoinha. A eficácia aumenta com a área de superfície, mas o aprimoramento diminui assintoticamente de modo que os incrementos de tamanho de trocador de calor se tornem impraticáveis e os decrementos de pressão de saída se tornem inaceitáveis.

[019] Entretanto, o sistema de trocador de calor, descrito no presente documento, supera essa limitação em uma variedade de formas. Primeiro, o trocador de calor tem uma inversão de topologia geométrica na qual o fluxo de ar resfriado transita no interior do trocador de calor dentro de tubos enquanto o fluxo de ar resfriado está externo aos tubos. Segundo, o trocador de calor é uma geometria celular bem regimentada, totalmente aberta, facilitada por aditivo (consultar, por exemplo, Figura 2B) caracterizada por área de superfície elevada por razão de volume com constrições de fluxo adaptados. Combinadas, ambas as funções compensam a capacidade relativamente baixa de dissipação de calor do fluxo de ventoinha, estabelecendo-se um arranjo de superfície de transferência de calor compacto que facilita taxas de convecção aprimoradas em ambos os lados resfriados e aquecidos.

[020] A Figura 1A representa esquematicamente um sistema de trocador de calor 5, de acordo com uma realização exemplificativa, incluindo um trocador de calor 10. A admissão de ar quente 12 entra no sistema 10 através de um coletor de entrada 14 e deixa o sistema 10 através de um coletor de saída 16 como emissão de ar resfriado 18. A admissão de ar quente 12 é sangrada, em geral, a partir de uma porção do núcleo de motor, onde está disponível na temperatura e na pressão de interesse. Em geral, a pressão do fluxo de ar quente, através e fora do sistema de trocador de calor 10, pode ser controlada de modo a reduzir a queda de pressão da admissão de ar quente 12 para a emissão de ar resfriado 18.

[021] Na realização mostrada, o trocador de calor 10 inclui uma cavidade de admissão 20 em comunicação fluida com o coletor de entrada 14, de modo que a admissão de ar quente 12 flua na cavidade de admissão 20 ao entrar no trocador de calor 10. A partir da cavidade de admissão 20, o ar quente flui para uma porção de trocador de calor 22 e através da mesma para reduzir a temperatura da admissão de ar quente. Então, a emissão de ar resfriado 18 flui para uma cavidade de saída 24 antes de deixar o trocador de calor 10 através do coletor de saída 16.

[022] A porção de trocador de calor 22 inclui uma pluralidade de trajetos de alta pressão 26 definidos entre defletores 28 e que se estendem a partir da cavidade de admissão 20 à cavidade de saída 24. Os defletores 28 fornecem suporte estrutural para a porção de troca de calor 22, incluindo o conduto e os tubos 42. Os trajetos de alta pressão 26 permitem que a admissão de ar quente 12 flua através da porção de trocador de calor 22 para ser convertida na emissão de ar resfriado 16. O resfriamento é alcançado utilizando um fluido de resfriamento 30 que atravessa a porção de trocador de calor 22 através dos trajetos de fluxo de resfriamento de baixa pressão 32 (Figuras 1B e 1C) que se estendem a partir de um primeiro lado 34 para um segundo lado 36 da porção de trocador de calor 22. Desse modo, o fluido de resfriamento 30 flui através da porção de trocador de calor 22 perpendicular aos trajetos de alta pressão 26 e aos defletores 28. O ar de resfriamento 30 pode ser de qualquer fonte que contenha uma temperatura e uma pressão que são menores que a admissão de ar quente 12. Por exemplo, o ar de resfriamento 30 pode ser originário do ar de desvio, do ar FLADE ou da sangria de ar de compressor (tal como a partir de um estágio de baixa pressão).

[023] Como mostrado nas Figuras 1B e 1C, os trajetos de fluxo de resfriamento 32 são definidos a partir da entrada de tubo 38 definida no primeiro lado 34 a uma saída de tubo posicionada opostamente 40 definida no segundo lado 36. Um tubo 42 se estende a partir da entrada de tubo 38 definida no primeiro lado 34 através do comprimento inteiro da porção de trocador de calor 22 à saída de tubo 40 definida no segundo lado 36. O tubo 42 serve como uma passagem para o fluido de resfriamento 30 para fluir através do trajeto de fluxo de resfriamento 32 a partir da entrada de tubo 38 à saída de tubo 40. A Figura 1C mostra que o tubo 42 se estende através de defletores internos 28 que definem os trajetos de alta pressão 26. Isto é, os defletores internos 28 também definem cavidades que permitem que os tubos 42 se estendam através das mesmas.

[024] Conforme declarado, os trajetos de alta pressão 26 são definidos pelo espaço interno entre os defletores 28 e se estendem a partir da cavidade de admissão 20 para a cavidade de saída 24 com os tubos 42 que se estendem através dos trajetos de alta pressão 26, sem impedir o fluxo através dos mesmos. Desse modo, o ar quente que atravessa os trajetos de alta pressão 26 entra em contato com a superfície externa da parede de tubo 44 dos tubos 42, permitindo a troca de calor entre o ar quente do trajeto de alta pressão 26 e o fluido de resfriamento 30 dentro do trajeto de fluxo de resfriamento 32 definido pelo tubo 42, enquanto impede qualquer mistura de fluido entre os trajetos de alta pressão 26 e o fluido de resfriamento 30.

[025] Com referência à Figura 1E, outra realização da porção de trocador de calor 22 com tubos de tamanho de diâmetro variável 42. Na realização mostrada, os trajetos de fluxo de resfriamento 32 se expandem em diâmetro médio a partir da entrada de tubo 38 definida no primeiro lado 34 à saída de tubo 40 definida no segundo lado 36. A área de expansão do tubo 42 pode, em realizações particulares, retardar o fluxo do fluido de resfriamento 30 através dos trajetos de fluxo de resfriamento 32. Apesar de mostrado como um tubo constantemente em expansão 42 (por exemplo, que tem um formato cônico), qualquer formato em expansão adequado pode ser utilizado (por exemplo, gradual, linear em trechos, curvilíneo, etc.). Em realizações alternativas, os tubos 42 podem mudar em diâmetro médio a partir da entrada de tubo 38 definida no primeiro lado 34 à saída de tubo 40 definida no segundo lado 36, de acordo com um perfil de formato constantemente variável.

[026] A realização mostrada na Figura 1E tem os tubos 42 se expandindo em seu eixo maior alongado (perpendicular ao trajeto de resfriamento 30 e paralelo à direção de fluxo do trajeto de alta pressão 26 do coletor de entrada 14 ao coletor de saída 16) e também opcionalmente em seu eixo geométrico menor perpendicular ao trajeto de resfriamento 30 e à direção de fluxo do trajeto de alta pressão 26 do coletor de entrada 14 ao coletor de saída 16.

[027] A Figura 1F mostra uma realização da porção de trocador de calor 22 com tubos de tamanho de diâmetro variável 40 e defletores de tamanho variável 28 em relação à sua espessura. Na realização mostrada, os defletores 28 têm uma espessura crescente na direção do fluxo do trajeto de alta pressão 26, diminuindo, dessa forma, o volume do trajeto de alta pressão 26 a partir da cavidade de admissão 20 à cavidade de saída 24. Isto é, a área de fluxo em corte transversal do trajeto de alta pressão 26 na cavidade de admissão 20 não é igual à área de fluxo em corte transversal do trajeto de alta pressão 26 na cavidade de emissão 24, que é menor que a área de fluxo em corte transversal do trajeto de alta pressão 26 na cavidade de admissão 20, como mostrado na realização da Figura 1F. Como mostrado, cada defletor 28 define uma área em corte transversal de entrada na cavidade de entrada e uma área em corte transversal de saída na cavidade de saída, sendo que a área em corte transversal de entrada é diferente (isto é, maior) da área em corte transversal de saída.

[028] A Figura 1F também mostra que a porção de trocador de calor 22 inclui pelo menos um defletor compósito 47 formado a partir de um núcleo 48 e camadas de revestimento 49. Desse modo, materiais diferentes podem ser dispostos em camadas para formar os defletores 28 como a construção de laminado compósito, compreendida de uma ou mais camada(s) de núcleo interno de alta condutividade de desvio por calor 48 ensanduichadas entre as camadas de revestimento externas 49 compreendidas do mesmo material de menor condutividade térmica de maior resistência, como as paredes de tubo 44. Por exemplo, os defletores compósitos 47 podem ser uma composição bimetálica. Adicionalmente, barreiras de difusão de massa também podem ser inseridas entre as camadas de revestimento 49 e a(s) camada(s) de núcleo 48. Além de métodos aditivos, a camada de núcleo interior pode ser estabelecida por uma variedade de métodos de revestimento de filme, tal como aspersão fria, aspersão térmica, aspersão de plasma, deposição de vapor químico, pulverização catódica ou galvanização. As opções de material incluem, mas sem limitação, diamante, nitreto de boro, metais nobres, ligas de bronze ou misturas dos mesmos.

[029] Os tubos 40 podem definir um trajeto de fluxo de resfriamento substancialmente linear 32 através da porção de trocador de calor 22. Em outras realizações, os tubos 40 podem definir um trajeto de fluxo de resfriamento não linear 32 (por exemplo, flexionado, curvado, enrolado, helicoidal, em serpentina, sinusoidal, etc.).

[030] Em uma realização, como mostrado na Figura 9, o fluido de resfriamento 30a pode entrar primeiro em uma cavidade de admissão 92 através do suprimento de admissão 94 antes de fluir através de trajetos de fluxo de resfriamento 32 definidos no interior dos tubos 40. Adicionalmente, o fluido de resfriamento que sai 30b pode entrar primeiro em uma cavidade de emissão 96 e sair através do suprimento de emissão 98. Tais realizações são particularmente úteis quando o fluido de resfriamento é redirecionado dentro e através da porção de trocador de calor 22 e/ou para um fluido de resfriamento líquido.

[031] Em geral, o trocador de calor 10 e, particularmente, a porção de trocador de calor 22 são formados através de métodos de fabricação que usam construção do tipo camada por camada ou fabricação aditiva que inclui, mas sem limitação, Sinterização Seletiva a Laser (SLS), impressão 3D, tais como jatos de tinta e raios laser, Estereolitografia, Sinterização Seletiva Direta a Laser (DSLS), Sinterização por Feixe de Elétrons (EBS), Fusão por Feixe de Elétrons (EBM), Conformação Próxima ao Formato Final via Laser (LENS), Produção Próxima ao Formato Final via Laser (LNSM), Deposição de Metal Direta (DMD) e similares. Os materiais usados para formar o trocador de calor incluem (mas sem limitação): metais puros, ligas de níquel, ligas de cromo, ligas de titânio, ligas de alumínio, aluminetos ou misturas dos mesmos. Conforme estabelecido, os defletores 28 podem ser construídos a partir de um emparelhamento(s) de material (materiais) de modo a aprimorar as propriedades de troca de calor dos tubos 42, aumentando-se o efeito fino dos defletores.

[032] Conforme estabelecido, o ar de resfriamento 26 que atravessa os trajetos de fluxo de resfriamento 32 está em uma pressão que é menor que a pressão do ar quente que atravessa os trajetos de alta pressão 26. Os tubos 42 são reforçados pelos defletores integrais 28 para inibir e impedir o colapso dos trajetos de fluxo de resfriamento 32. O formato substancialmente oval dos tubos 42 (a partir da entrada de tubo 38 à saída de tubo 40) permite uma maior área de superfície por unidade de queda de pressão do fluxo exterior. Entretanto, outros formatos podem ser usados para formar o corte transversal dos tubos 42, incluindo, mas sem limitação, círculos, quadrados, retângulos, triângulos, pentágonos, hexágonos, etc.

[033] Em realizações particulares, tal como mostrado na Figura 1D, um elemento tubular de fluxo 46 pode ser posicionado na superfície interna e/ou externa da parede de tubo 44 para criar turbulência no fluxo de fluido através, respectivamente, do trajeto de resfriamento de baixa pressão 32 e/ou do trajeto de alta pressão 26. O elemento tubular de fluxo 46 pode ser qualquer estrutura adequada, tal como um ressalto, flange, turbilhonador, coluna, aleta, covinha côncava, covinha convexa, palheta, winglet, cume helicoidal, encaixe helicoidal, etc.

[034] Em uma realização, o trocador de calor 10 é formado a partir de um componente integrado. Por exemplo, as Figuras 2A e 2B mostram um sistema de trocador de calor exemplificativo 10 formado a partir de um componente integrado único 50 que inclui cada um dentre o coletor de entrada 14, a cavidade de admissão 20, a porção de trocador de calor 22, a cavidade de emissão 24 e o coletor de saída 16 de modo que a direção de fluxo de ar quente 15 seja perpendicular aos trajetos de resfriamento de baixa pressão 32 definidos pelos tubos 42. O trocador de calor 10 da Figura 2A é mostrado como um componente integrado 50 formado através de fabricação aditiva. Como mostrado, o sistema de trocador de calor 10 dessa realização tem um formato curvado para uso como uma parte de um motor de turbina a gás tal como o duto de ar de desvio FLADE™ anular. Desse modo, o ar de desvio pode ser usado como o ar de resfriamento 30. Em outras aplicações, o fluido resfriado pode ser um líquido que flui dentro do conduto de modo que o ar de desvio possa também ser usado como o ar de resfriamento 30. Nessa realização, a admissão de ar quente 12 pode ser ar de sangria do motor.

[035] Conforme usado no presente documento, o termo "conduto" se refere à estrutura de contenção exterior definida pelo componente integrado único 50 através da qual, por exemplo, o trajeto de alta pressão 26 é direcionado em fluxo cruzado sobre o exterior dos tubos 40 que contêm o trajeto de resfriamento de baixa pressão.

[036] A realização da Figura 2A mostra um exemplo ar-para-ar, em que as admissões de ambos os trajetos de alta pressão 26 e dos trajetos de resfriamento de baixa pressão 30 são gasosas. Por exemplo, os trajetos de alta pressão 26 é originário do ar de sangria do motor, enquanto os trajetos de resfriamento de baixa pressão 30 são originários ar FLADE.

[037] A superfície de topo 52 e a superfície de fundo 54 do componente integrado 50 são texturizadas para definir picos 56 e vales 58 que correspondem, de modo geral, ao posicionamento e padrão dos tubos 42 nos mesmos. As superfícies de textura 52, 54 (formadas a partir dos picos 56 e vales 58 alternados) servem para duas funções. Primeiramente, as superfícies texturizadas 52, 54 reduzem a má distribuição do fluxo através das superfícies exteriores daqueles tubos próximos à parede de conduto. Isto é, as superfícies texturizadas 52, 54 criam um trajeto de fluxo mais uniforme em torno de todos os tubos. Caso contrário, há uma tendência para o ar quente fluir em torno das paredes de carcaça e degradar o desempenho do trocador de calor. Segundo, as superfícies texturizadas 52, 54 fornecem um benefício derivado em que o mesmo reforça (enrijece) suplementarmente as superfícies relativamente grandes 52, 54 contra a deflexão externa causada pela pressão interna relativamente alta no interior do trajeto de fluxo de alta pressão 26.

[038] A Figura 2C mostra um corte transversal do sistema de trocador de calor exemplificativo 10 da Figura 2A, de acordo com uma realização. Como mostrado, pelo menos um defletor compósito 47 pode ser incluído, com um núcleo 48 e camadas de revestimento 49, como discutido acima. Adicionalmente, para reduzir peso, o trajeto de resfriamento 32 pode se contrair em tamanho a partir do primeiro lado 34 para o segundo lado 36. Devido a esse tamanho de contração dos trajetos de resfriamento 32 e, portanto, da área de fluxo em corte transversal dos tubos 42, os defletores 28 podem ser separados em uma distância crescente afastada do primeiro lado 34 ao segundo lado 36 em uma realização de modo que o volume dos trajetos de alta pressão 26 possam ser controlados (por exemplo, feitos para serem substancialmente iguais), apesar de os tubos 42 serem menores e mais próximos do segundo lado 36 que do primeiro lado 34.

[039] As Figuras 3A e 3B mostram outra realização exemplificativa de um sistema de trocador de calor 10 formado a partir de um componente integrado 60. Nessa realização, a parede externa 21 da cavidade de admissão 20 e a parede externa 25 da cavidade de emissão 24 são texturizadas com picos 56 e vales 58. A natureza texturizada da parede externa 21 e da parede externa 25 reforça a cavidade de admissão 20 e a cavidade de emissão 24, respectivamente, contra a deflexão externa causada pela pressão interna relativamente alta no interior da cavidade de admissão 20 e da cavidade de emissão 24, formando o trajeto de fluxo de alta pressão 26.

[040] A Figura 3B mostra também defletores de cavidade 17 tanto na cavidade de admissão 20 quanto na cavidade de emissão 24. Os defletores de cavidade 17 definem aberturas 19 no mesmo para permitir fluxo e mistura de fluido no interior das cavidades 20, 24, enquanto ainda fornece força às estruturas gerais. Em uma realização, os defletores de cavidade 17 podem ser conectados e paralelos aos defletores 26 como uma extensão dos mesmos. Adicionalmente, os defletores de cavidade 17 podem ser construídos para direcionar fluxo dentro e fora da porção de trocador de calor 22.

[041] As Figuras 4A a 4C mostram outra realização exemplificativa de um sistema de trocador de calor 10 formado a partir de um componente integrado 70. A parede lateral 72 e a parede lateral 74 definem covinhas 74 para criar topologia de turbulência de fluxo no interior do trajeto de fluxo de alta pressão 26 e para reforçar as paredes laterais relativamente grandes 72, 74 contra a deflexão externa causada pela pressão interna relativamente alta no interior do trajeto de fluxo de alta pressão 26. Adicionalmente, as covinhas 74 também criam turbulência em um fluxo de ar frio externo em torno das paredes laterais 72, 74 para troca adicional de calor entre os trajetos de fluxo de alta pressão 26 através das paredes externas do componente integrado 70 e do fluxo de ar frio externo que passa fora do componente integrado 70. A parede externa 21 da cavidade de admissão 20 e a parede externa 25 da cavidade de emissão 24 incluem flanges estruturais 78 para reforço contra a deflexão externa causada pela pressão interna relativamente alta no interior da cavidade de admissão 20 e da cavidade de emissão 24, respectivamente.

[042] Conforme visto nas várias realizações, o formato do trocador de calor 10 pode ser variado, junto com a orientação do coletor de entrada 14 no interior da cavidade de admissão 20, pode ser qualquer direção adequada contanto que o trajeto de fluxo de alta pressão 26 e o trajeto de resfriamento de baixa pressão sejam perpendiculares entre si. Entretanto, os ângulos de cruzamento de trajeto de fluxo diferentes de 90 graus não são excluídos. Adicionalmente, a integridade estrutural das paredes exteriores (da cavidade de admissão, da porção de troca de calor e/ou da cavidade de emissão) pode ser reforçada através de uma variedade de elementos estruturais (por exemplo, covinhas, picos e vales alternados, flanges, etc.) usados isoladamente ou em várias combinações.

[043] A presente abordagem é compatível com o uso de só um trocador de calor único ou múltiplos trocadores de calor com seus respectivos trajetos de fluxo de alta pressão 26 em comunicação fluida entre si. Por exemplo, a Figura 5 mostra um sistema de troca de calor 5 que inclui dois trocadores de calor 10 (como nas Figuras 1A a 1F) com os trajetos de fluxo de alta pressão 26 conectados em série através do coletor de conexão 62 de modo que o ar resfriado a partir da cavidade de emissão 24 do primeiro trocador de calor 10 atravesse o coletor de conexão 62 para entrar na cavidade de admissão 20 do segundo trocador de calor para resfriamento adicional.

[044] Com referência à Figura 6, um duto de ar de motor a jato 80 é mostrado como uma orientação traseira prospectiva anular para certos motores a jato. A série de trocadores de calor 10 é conectada fluidamente em série e alinhada em torno do duto 80 em sua orientação anular. Alternativamente, a forma do trocador de calor 10 de um componente integrado único exemplificativo 50 mostrado na Figura 2A tem uma orientação anular para inclusão no interior do duto 80.

[045] Quando múltiplos trocadores de calor 10 são usados em série, como mostrado na Figura 6, os trocadores de calor podem ser idênticos em composição, em uma realização. Entretanto, em uma realização alternativa, os trocadores de calor 10 são diferentes em termos de composição. Por exemplo, o primeiro trocador de calor, que contém a admissão de ar quente 12 em sua maior temperatura, pode ser construído de um material com temperatura relativamente elevada (por exemplo, ligas à base de níquel-cromo, tais como disponíveis com a marca registrada Inconel®, disponível junto à Special Metals Corporation, titânio, ligas de titânio, etc.) devido à temperatura relativamente elevada da admissão de ar quente 12. Então, posteriormente, os trocadores de calor a jusante 10 em relação ao trajeto de alta pressão 26 podem ser construídos de mais materiais com baixa temperatura e de peso leve (por exemplo, alumínio, ligas de alumínio, etc.) visto que o ar quente é resfriado após atravessar pelo menos um dos trocadores de calor a montante. Em tais realizações, o coletor de conexão 62 pode estabelecer um limite através do qual o material dos trocadores de calor pode mudar. Desse modo, o material pode ser selecionado com base em uma combinação da força exigida, das temperaturas de trabalho e das exigências de peso, enquanto permite otimização do sistema total.

[046] A Figura 7 ainda mostra outra realização de um sistema de troca de calor exemplificativo 5, em que o trocador de calor 10 inclui uma pluralidade de porções de trocador de calor 22 entre a cavidade de admissão 20 e a cavidade de emissão 24. As porções de trocador de calor 22 são separadas por uma cavidade de mistura 82 de modo que os trajetos de gás de alta pressão 26 da primeira porção de trocador de calor 22A sejam conectados fluidamente em série à cavidade de mistura 82 para mistura na mesma após atravessar a primeira porção de trocador de calor 22A. A presença da cavidade de mistura 82 reinicia a camada de limite térmico no trajeto de gás de alta pressão 26. Então, o gás misturado passa nos trajetos de gás de alta pressão 26 da segunda porção de trocador de calor 22B para resfriamento adicional nos mesmos.

[047] Embora sejam mostrados como sistemas de passagem única em relação ao fluido de resfriamento 30, são fornecidas, também, de modo geral, variantes de passagem múltipla. Isto é, o trajeto de alta pressão 26 realiza múltiplos trânsitos (isto é, passagens) através do fluido de resfriamento 30 antes de sair do sistema de trocador de calor 5. Tais disposições de múltiplas passagens podem incluir fluxo cocorrente e fluxo contracorrente no mesmo sistema.

[048] Por exemplo, a Figura 8 mostra um sistema de trocador de calor exemplificativo 5 que é uma variante de passagem múltipla em relação ao fluido de resfriamento 30. Nessa realização, a admissão de ar quente 12 flui através do primeiro trocador de calor 10a e do segundo trocador de calor 10b. Desse modo, como mostrado, os trocadores de calor 10a, 10b são serialmente conectados entre si em relação ao trajeto de fluxo do ar quente. Adicionalmente, o fluido de resfriamento 30a flui através da primeira porção de trocador de calor 22A para ser um fluido de resfriamento levemente mais quente 30b para fluir através da segunda porção de trocador de calor 22B e sair como um fluido de resfriamento levemente mais quente 30c. Desse modo, como mostrado, os trocadores de calor também são serialmente conectados em relação ao trajeto de fluxo do fluido de resfriamento.

[049] Na realização mostrada, o trajeto de fluxo de ar quente (que inclui os trajetos de alta pressão 26a, 26b) tem duas passagens através do trajeto de fluxo de fluido de resfriamento (que inclui os trajetos de fluxo de resfriamento 32A, 32B) sendo que cada uma está em cada trocador de calor 10a, 10b respectivamente. Embora seja mostrado como tendo duas passagens pelo trajeto de alta pressão 26 através do fluido de resfriamento 30, qualquer número de passagens pode ser usado no sistema de trocador de calor 5.

[050] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, inclusive o melhor modo, e também para permitir a qualquer versado na técnica praticar a invenção, inclusive produzindo e usando quaisquer dispositivos ou sistemas e executando quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrem aos versados na técnica. Tais outros exemplos são destinados a estarem dentro do escopo das reivindicações se os mesmos incluírem elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais das linguagens literais das reivindicações.

Lista de Partes Reivindicações

Claims

1. TROCADOR DE CALOR (10), caracterizado pelo fato de que compreende: uma cavidade de admissão (20) definida por paredes de cavidade de entrada (21); uma porção de trocador de calor (22) em comunicação fluida com a cavidade de admissão (20) e definida entre um primeiro lado (34) e um segundo lado (36), em que uma pluralidade de defletores (28) é posicionada no interior da porção de trocador de calor (22); e uma cavidade de saída (24) em comunicação fluida com a porção de trocador de calor (22) e definida por paredes de cavidade de saída (25), em que a porção de trocador de calor (22) compreende: uma pluralidade de primeiros trajetos de fluido (26) definida entre os defletores (28) e que se estende a partir da cavidade de admissão (20) à cavidade de saída (24), e uma pluralidade de tubos (42) que se estende através da porção de trocador de calor (22), a partir do primeiro lado (34) ao segundo lado (36), em que cada tubo (42) se estende através dos defletores (28) de modo a definir um segundo trajeto de fluido (32) através da porção de trocador de calor (22).

2. TROCADOR DE CALOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os primeiros trajetos de fluido (26) são orientados em uma disposição em fluxo transversal em relação aos segundos trajetos de fluxo (32).

3. TROCADOR DE CALOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos um elemento tubular de fluxo (46) é posicionado em uma superfície externa de um tubo (42), em que pelo menos um elemento tubular de fluxo (46) é posicionado em uma superfície interna de um tubo (42) ou em ambos.

4. TROCADOR DE CALOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada tubo (42) define uma área em corte transversal de fluxo de entrada no primeiro lado (34) e uma área em corte transversal de fluxo de saída no segundo lado (36), em que pelo menos um tubo (42) varia na sua área em corte transversal continuamente do primeiro lado (34) ao segundo lado (34) da porção de trocador de calor (22).

5. TROCADOR DE CALOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada tubo (42) define uma área em corte transversal de fluxo de entrada no primeiro lado (34) e uma área em corte transversal de fluxo de saída no segundo lado (36), em que a área em corte transversal de fluxo de entrada é de um tamanho diferente da área em corte transversal de fluxo de saída.

6. TROCADOR DE CALOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma pluralidade de elementos estruturais (78) é posicionada em pelo menos uma dentre as paredes de cavidade de entrada (21) e as paredes de cavidade de saída (25).

7. TROCADOR DE CALOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de porções de trocador de calor (22) entre a cavidade de admissão (20) e a cavidade de emissão (24), em que a pluralidade de porções de trocador de calor (20) são conectadas serialmente entre si em relação ao primeiro trajeto de fluxo (26).

8. TROCADOR DE CALOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a cavidade de admissão (20), a porção de trocador de calor (22) e a cavidade de saída (24) definem um componente integrado (50) formado através de fabricação aditiva.

9. TROCADOR DE CALOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: uma cavidade de admissão de resfriamento (92) posicionada no primeiro lado (34) da porção de trocador de calor (22); e uma cavidade de emissão de resfriamento (96) posicionada no segundo lado (36) da porção de trocador de calor (22), em que a pluralidade de tubos (42) se estende através da porção de trocador de calor (22) a partir da cavidade de admissão de resfriamento (96) posicionada no primeiro lado (34) à cavidade de emissão de resfriamento (96) posicionada no segundo lado (36).

10. TROCADOR DE CALOR (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os defletores (28) definem as áreas em corte transversal de fluxo dos primeiros trajetos de fluido (26) no interior da porção de trocador de calor (22), em que as áreas em corte transversal de fluxo variam nos primeiros trajetos de fluido a partir da cavidade de entrada (20) à cavidade de saída (24).