BR102020017139A2 - Processo de fabricação de trocadores de calor compactos com canais tridimensionais e/ou comunicantes - Google Patents

Abstract

Na presente patente encontram-se concepções geométricas e técnicas de fabricação de trocadores de calor compactos, que permitem a obtenção de tais equipamentos com maior eficiência, tanto do ponto de vista térmico, promovendo maior troca térmica, como do ponto de vista hidrodinâmico, evitando problemas relacionados a entupimento, alta perda de carga e má distribuição do escoamento. Apresenta-se, aqui, técnica construtiva baseada no empilhamento de placas com furos/rasgos usinados. Após a união da pilha de placas, os furos/rasgos atuam conjuntamente, formando canais e ramais bi ou tridimensionais. Dessa forma, promove-se o escoamento em mais de uma direção no interior dos ramais, favorecendo a mistura e a circulação do fluido. Ademais, concepções com canais intercomunicantes contornam problemas de entupimento e má distribuição da vazão mássica dentro do trocador de calor. Assim, pretende-se aqui apresentar ao mercado trocadores de calor mais eficientes, que possam ser usados pelas indústrias.

Description

PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE TROCADORES DE CALOR COMPACTOS COM CANAIS TRIDIMENSIONAIS E/OU COMUNICANTES CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção se refere a processo de fabricação de trocadores de calor compactos para troca térmica eficiente de fluidos em aplicações industriais, consistindo, basicamente, no empilhamento e união de placas usinadas formando canais internos bi ou tridimensionais, possivelmente comunicantes, resistentes a alta pressão.

ESTADO DA ARTE

[002] Como principal antecedente da presente invenção cita-se a patente WO 2016074048 A1, a qual representa uma evolução em relação às patentes US 20120261104 e JP2005083674.

PROBLEMAS DA TÉCNICA

[003] O principal problema que se observa nos documentos do estado da arte é em relação à condutância térmica limitada e ao entupimento dos canais durante a operação.

SOLUÇÃO PROPOSTA

[004] Assim, para solucionar os inconvenientes apontados no estado da arte, propõe-se novas geometrias de canal que permitem escoamento com turbulência em maior escala, elevando a condutância térmica do trocador de calor, e evitam problemas de entupimento.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO

[005] O principal objetivo dessa invenção é apresentar um processo de fabricação de trocadores de calor compactos de alta efetividade de forma economicamente viável e eficiente. As variações construtivas apresentadas a seguir objetivam permitir a construção de trocadores de calor compactos de menor custo ou de maior efetividade, dependendo do desejo do usuário, bem como opções intermediárias. Isso é alcançado através de uma usinagem eficiente das placas que formam os canais.

[006] Dessa forma, o primeiro e principal objetivo da invenção é possibilitar a fabricação de trocadores de calor com canais suficientemente pequenos e próximos uns dos outros, visando assim à redução do diâmetro hidráulico, ao aumento da densidade de área superficial (área de troca térmica em relação ao volume do trocador de calor) e ao aumento do volume total de fluido circulante em relação ao volume total do trocador de calor.

[007] Como segundo objetivo está a possibilidade de criar canais de geometria flexível em até três dimensões, o que permite aumentar a área de troca térmica de cada canal, induzir turbulência por meio de mudanças bruscas de direção e presença de cantos vivos, bem como otimizar o caminho de escoamento de cada fluido, melhorando assim a proximidade e o contato térmico entre os ramais. Ramal é o conjunto de canais por onde escoa um único fluido do trocador de calor.

[008] Como terceiro objetivo, tem-se a possibilidade de criar um trocador de calor, no qual seja possível reduzir a perda da eficiência causada pelo entupimento parcial dos canais, o que pode ser feito através da construção de canais com uma geometria que possibilite diversas separações seguidas de uniões entre diferentes frentes de escoamento do fluido no interior dos canais. Em outras palavras, isso equivale a criar canais comunicantes uns com os outros.

[009] Caso o custo de fabricação e a complexidade do sistema devam ser reduzidos, é um dos objetivos dessa patente apresentar alternativa construtiva que esteja de acordo com esses requisitos. Almejase alcançar esses objetivos através da redução do número de diferentes placas usinadas e da simplificação das operações de usinagem.

[0010] A presente invenção compreende um processo para a fabricação de núcleos de trocador de calor. Trata-se de um processo composto pela etapa inicial de remoção de material, para formar furos/rasgos de elevada razão de aspecto em placas planas. Posteriormente empilha-se ordenadamente tais placas de acordo com a lógica construtiva desejada, promovendo a formação de um padrão de canais no interior do núcleo. Finalmente, prevê-se a união da pilha de placas para a consolidação do núcleo.

[0011] As placas a serem utilizadas na formação do núcleo são preferencialmente metálicas.

[0012] O processo de remoção de material para a formação dos furos/rasgos nas placas (para a formação dos canais) pode ser selecionado conforme a geometria dos furos/rasgos a serem usinados. Geralmente, a geometria dos furos realizados nas placas é retangular, possuindo elevada razão de aspecto. Ainda assim, outras geometrias de furo podem ser aplicadas, formando outros tipos de canal na montagem do trocador de calor.

[0013] Os padrões geométricos de usinagem das placas são determinantes para a formação do tipo de trocador de calor desejado e podem sofrer variações conforme as características geométricas almejadas nos canais. Na presente invenção, serão apresentadas cinco configurações básicas que podem ser alteradas e adaptadas para a obtenção de outras geometrias de canal.

[0014] O processo de união da pilha de placas é preferencialmente realizado por difusão. Tal processo permite a obtenção de uniões com microestrutura e propriedades similares às do material de base. Desse modo, as distorções são minimizadas e não há necessidade de pós processamento do núcleo para correção da geometria dos canais.

DESCRIÇÃO

[0015] A caracterização da presente invenção é feita por meio de desenhos representativos do processo de fabricação de trocadores de calor compactos com canais tridimensionais e/ou comunicantes, de tal modo que o produto possa ser integralmente reproduzido por técnica adequada, permitindo plena caracterização da funcionalidade do objeto pleiteado.

[0016] As figuras elaboradas fundamentam a melhor forma ou forma preferencial de se realizar o produto ora idealizado. Elas são apresentadas através de uma numeração detalhada e consecutiva. Cada figura é dotada de uma descrição, a qual esclarece aspectos que possam ficar subentendidos pela representação adotada, de modo a determinar claramente a proteção ora pretendida.

[0017] As figuras são meramente ilustrativas, podendo apresentar variações, desde que não fujam do inicialmente pleiteado.

[0018] No presente caso, tem-se que:

• - A FIGURA 1 mostra uma vista isométrica de núcleo de trocador de calor segundo uma primeira concepção da presente invenção;
• - A FIGURA 2 mostra a vista da seção transversal, seguindo o corte A-A da figura 1, do núcleo de trocador de calor para a primeira concepção da presente invenção, a qual possui canais que possibilitam o escoamento contracorrente dos fluidos, os quais estão sujeitos a um movimento de subida e descida nos canais;
• - A FIGURA 3 mostra a vista superior de um dos tipos de placa que compõem a primeira concepção de trocador de calor, indicada na figura 2 como placa 101;
• - A FIGURA 4 mostra a vista superior de um dos tipos de placa que compõem a primeira concepção de trocador de calor, indicado na figura 2 como placa 102;
• - A FIGURA 5 mostra a vista superior de um dos tipos de placa que compõem a primeira concepção de trocador de calor, indicado na figura 2 como placa 103;
• - A FIGURA 6 mostra a vista superior de um dos tipos de placa que compõem a primeira concepção de trocador de calor, indicado na figura 2 como placa 104;
• - A FIGURA 7 mostra a vista isométrica de núcleo de trocador de calor de acordo com uma segunda concepção da presente invenção;
• - A FIGURA 8 mostra a vista da seção transversal do núcleo de trocador de calor, seguindo o corte B-B da figura 7, para a segunda concepção da presente invenção, similar à primeira concepção quanto ao formato dos canais, porém que possibilita uma maior densidade de área superficial;
• - A FIGURA 9 mostra a vista superior de um dos tipos de placa que compõem a segunda concepção de trocador de calor, indicado na figura 8 como placa 201;
• - A FIGURA 10 mostra a vista superior de um dos tipos de placa que compõem a segunda concepção de trocador de calor, indicado na figura 8 como placa 203;
• - A FIGURA 11 mostra a vista superior de um dos tipos de placa que compõem a segunda concepção de trocador de calor, indicado na figura 8 como placa 202;
• - A FIGURA 12 mostra a vista isométrica de núcleo de trocador de calor de acordo com uma terceira concepção da presente invenção;
• - A FIGURA 13 mostra a vista da seção transversal de núcleo de trocador de calor, seguindo o corte C-C da figura 12, para uma terceira concepção da presente invenção, a qual possui canais que possibilitam escoamento cruzado dos fluidos, com diversas bifurcações e reentrâncias;
• - A FIGURA 14 mostra a vista superior de um dos tipos de placa que compõem a terceira concepção de trocador de calor, indicado na figura 13 como placa 301;
• - A FIGURA 15 mostra a vista superior de um dos tipos de placa que compõem a terceira concepção de trocador de calor, indicado na figura 13 como placa 302, a qual é idêntica à placa 304;
• - A FIGURA 16 mostra a vista superior de um dos tipos de placa que compõem a terceira concepção de trocador de calor, indicado na figura 13 como placa 303;
• - A FIGURA 17 mostra a representação esquemática dos canais cuja direção principal de escoamento do fluido é paralela às placas (canais longitudinais) para a terceira concepção da invenção;
• - A FIGURA 18 mostra a representação dos canais cuja direção principal de escoamento do fluido é normal às placas, para a terceira concepção da invenção;
• - A FIGURA 19 mostra a vista isométrica de núcleo de trocador de calor segundo uma quarta concepção da presente invenção;
• - A FIGURA 20 mostra a vista superior de cada um dos tipos de placa que compõem a quarta concepção de trocador de calor (indicada na figura 19);
• - A FIGURA 21 mostra a estrutura dos canais para a quarta e quinta concepções de trocador de calor;
• - A FIGURA 22 mostra uma vista isométrica de núcleo de trocador de calor segundo uma quinta concepção da presente invenção;
• - A FIGURA 23 mostra padrão geométrico da placa usinada da quinta concepção (placa 501);
• - A FIGURA 24 mostra a vista frontal do núcleo de trocador de calor da figura 22;
• - A FIGURA 25 mostra o núcleo de trocador de calor da quinta concepção de acordo com o corte D-D das figuras 22 e 24;
• - A FIGURA 26 mostra a vista superior do núcleo de trocador de calor da figura 22 e
• - A FIGURA 27 mostra o padrão de empilhamento de placas da quinta concepção.

PRIMEIRA CONCEPÇÃO

[0019] Na concretização da invenção mostrada na figura 1, os canais de cada ramal são definidos por pares de placas. Novamente, entende-se por ramal o conjunto de canais por onde escoa um único fluido. Isso significa que duas placas vizinhas definem uma camada de canais de um ramal dispostos paralelamente, lado a lado. O par de placas logo acima ou logo abaixo define uma camada de canais do outro ramal, de forma similar. Dessa forma, os pares de placas seguem se intercalando de um ramal para o outro.

[0020] A montagem completa dessa primeira concepção pode ser observada na figura 1, onde se percebe a forma dos canais, sendo que um par de placas adjacentes forma o canal para a passagem de um fluido (F1), enquanto os pares vizinhos formam canais para a passagem do outro fluido (F2). Para a construção desse trocador de calor, são necessárias quatro placas diferentes, mas com o mesmo perfil de usinagem, ou seja, com furos/rasgos do mesmo tamanho, porém deslocados.

[0021] Para essa primeira configuração, as placas 101 e 102 (expostas na figura 3 e na figura 4, respectivamente) formam canais para escoamento de um fluido. Considere esse fluido como F1, do ramal 1. Os furos/rasgos dessas duas placas são deslocados na direção do comprimento. Cada furo/rasgo de cada placa se comunica com dois furos/rasgos da placa vizinha (com a qual forma um par), um a montante e outro a jusante. O fluido, portanto, escoa na direção do comprimento do núcleo, fazendo um movimento alternante de subida e descida entre as duas placas. O outro par de placas adjacentes, 103 e 104, expostas na figura 5 e na figura 6, respectivamente, formam os canais do outro ramal (ramal 2), por onde escoa o fluido F2. Os canais se formam de maneira análoga, ou seja, tem-se, mais uma vez, o deslocamento relativo dos furos na direção do comprimento. Os furos desse segundo par de placas, no entanto, estão lateralmente deslocados em relação aos furos do primeiro par. Dessa forma, os furos/rasgos de cada par de placas não se comunicam com os furos/rasgos dos pares vizinhos. Em outras palavras, esse deslocamento lateral impede que os furos/rasgos do ramal 1 estejam alinhados com os furos/rasgos do ramal 2, o que evita a mistura de fluidos. Dessa forma, as regiões inteiriças das placas de um ramal atuam como paredes superior e inferior dos canais do outro ramal.

SEGUNDA CONCEPÇÃO

[0022] Na segunda configuração da presente invenção, visível na figura 7 e na figura 8, é possível obter uma maior densidade de área superficial e, portanto, maior eficiência de troca térmica. Nesse caso, existem três placas diferentes, as quais são empilhadas para dar forma ao núcleo do trocador de calor. As placas 201 e 203, representadas na figura 9 e na figura 10, respectivamente, possuem o mesmo padrão de usinagem das placas da primeira concepção. Nota-se que um único tipo de placa pode ser usado mediante posicionamento correto na fase de empilhamento, seguido de ajustes posteriores, como usinagem de excesso de material.

[0023] Por sua vez, a placa 202 (figura 11), possui um padrão de usinagem diferente, tendo em vista que compõe tanto os canais para escoamento de um fluido (F1) como os canais para escoamento do outro fluido (F2). Essa placa tem furos/rasgos alinhados, porém defasados longitudinalmente, tanto com os furos/rasgos da placa 201 como com os da placa 203. Esse alinhamento possibilita a conexão de cada um desses furos com outros dois furos, um a montante e outro a jusante, formando os canais que permitem o movimento de subida e descida do fluido ao longo do trocador de calor.

[0024] A montagem das placas nessa configuração se dá, portanto, na seguinte sequência: placa 201, placa 202 e placa 203. Essa sequência é repetida até que a altura desejada do trocador de calor seja atingida. O processo de união, por sua vez, não sofre alterações em relação ao apresentado para a primeira concepção.

[0025] Para o funcionamento adequado dos núcleos nessas duas primeiras concepções, além das placas com furos/rasgos apresentadas, devem ser acrescentadas, na montagem, duas placas planas externas sem furos, uma na parte inferior e outra na parte superior. Essas placas são responsáveis pelo fechamento dos canais nas extremidades do trocador de calor, evitando o vazamento. Geralmente, essas placas necessitam ter espessuras maiores do que as outras, tendo em vista as possíveis solicitações mecânicas que devem suportar.

TERCEIRA CONCEPÇÃO

[0026] A figura 12 mostra uma terceira concepção dessa invenção, onde outros padrões geométricos de furos/rasgos são utilizados para se obter um trocador de calor com escoamento cruzado. Nessa concepção, um dos fluidos escoa perpendicularmente às placas por canais que atravessam todas elas (ramal cruzado), enquanto o outro fluido escoa com direção principal paralela às placas (ramal longitudinal)

[0027] O ramal cruzado, representado na figura 18, é formado por furos de placas adjacentes, sendo um furo conectado a outros furos, dois a montante e outros dois a jusante. Nesse caso, no entanto, os furos de qualquer placa estão sempre em contato com furos das duas placas vizinhas, de modo que o ramal se estende da primeira à última placa. É importante destacar que esses rasgos apresentam deslocamentos tanto na direção da largura quanto na direção do comprimento da placa, possibilitando assim um escoamento tridimensional.

[0028] Além disso, nessa concepção, o fluido do ramal cruzado se mistura com outras porções do mesmo fluido admitidas por diferentes entradas do mesmo ramal, através de comunicações ao longo da direção longitudinal do trocador de calor, as quais se estabelecem como consequência do padrão geométrico das placas. Tal característica é funcionalmente útil, pois possibilita uma maior mistura do fluido no ramal. Além disso, em caso de entupimento parcial do canal, perde-se muito pouca eficiência em comparação a outros modelos de trocador de calor. Por fim, também são reduzidas as influências do(s) tipo(s) de bocal empregado(s) na montagem do trocador de calor, uma vez que o próprio ramal permite o desenvolvimento interno e uniformização do escoamento dentro do trocador de calor, mesmo que os bocais empregados não promovam um escoamento retificado.

[0029] Os canais cuja direção principal de escoamento é paralela à dimensão de comprimento da placa, pertencentes ao ramal longitudinal e representados na figura 17, são formados pelos furos/rasgos de 3 placas diferentes. Um furo em uma placa (303) se conecta a dois outros furos a jusante no escoamento, ou seja, um em cada uma das placas adjacentes (302 e 304). Esses furos são deslocados tanto na direção longitudinal, como na lateral. Em seguida, esses dois furos se conectam a um outro furo único na placa intermediária (303), criando um padrão que se repete ao longo do trocador de calor, formando assim um canal que possibilita o escoamento tridimensional do fluido.

[0030] Para construção do padrão dessa concepção de trocador de calor, o qual é repetido até se obter a altura desejada do equipamento, são utilizadas 4 placas (301, 302, 303 e 304), cujo empilhamento ordenado forma os canais descritos. Note-se que as placas 302 e 304 são iguais. Nesse caso, a montagem se dá empilhando as placas na seguinte ordem: 301, 302, 303 e 304.

[0031] O padrão completo de usinagem de cada uma dessas placas é tal que permite a coexistência dos canais normais às placas e paralelos a elas, referentes aos ramais cruzado e longitudinal, respectivamente. O processo de união das placas se mantém o mesmo para essa concepção, sendo preferível a união por difusão.

QUARTA CONCEPÇÃO

[0032] A figura 19 apresenta uma quarta concepção de trocador de calor, a qual se utiliza de um escoamento cruzado para a realização da troca térmica entre os fluidos.

[0033] Essa quarta concepção aplica o mesmo conceito de separação e união do escoamento do ramal cruzado da terceira concepção. Dessa vez, no entanto, ambos os ramais são idênticos. Os canais do ramal longitudinal da terceira concepção não apresentam comunicação entre si, atuando de forma individual e contando apenas com as separações e uniões do escoamento internas a eles próprios. Na presente concepção, no entanto, ambos os ramais contam com ampla comunicação interna. De fato, essa comunicação é tão ampla que é mais fácil visualizar o escoamento como sendo um escoamento entre duas placas paralelas dotadas de aletas transversais. A figura 21 mostra a geometria assumida pelo fluido dentro de qualquer ramal dessa concepção. Para essa concepção, os fluidos têm um escoamento bidimensional, sendo a direção principal do escoamento paralela às placas para um ramal (ramal longitudinal) e normal às placas para o outro (ramal cruzado).

[0034] Essa concepção se destaca pela capacidade de contornar problemas de entupimento parcial do canal ou de alguma entrada, reduzindo perdas de funcionalidade, pois existem outras passagens para o fluido no interior do ramal. Ademais, mesmo no caso em que os bocais utilizados não promovam distribuição uniforme do escoamento, o próprio núcleo se encarrega de uniformizá-lo em seu interior.

[0035] O processo construtivo dessa concepção ocorre mediante o empilhamento de blocos de placas, respeitando a seguinte ordem: 401, 402, 403 e 404. As placas podem ser vistas, em detalhe, na figura 20.

[0036] Deve ser evidenciado que a invenção possibilita a formação de várias geometrias de ramal, apenas com diferentes disposições dos furos nas placas.

QUINTA CONCEPÇÃO

[0037] A quinta e última concepção da presente patente envolve um trocador de calor contracorrente. Aqui, ambos os ramais apresentam a forma da figura 21, mesma utilizada na quarta concepção, de modo que todas as vantagens da quarta concepção estão aqui presentes. No entanto, a configuração contracorrente apresenta maior eficiência do que a cruzada (quarta concepção). Além disso, seu núcleo pode ser inteiramente fabricado com apenas um padrão de usinagem. O processo de superposição de placas se encontra ilustrado na figura 27. Percebe-se, pela figura, que placas de mesma geometria são usadas. No processo construtivo, basta que cada placa seja posicionada a 180° de suas placas vizinhas para consolidar o núcleo. Os ramais ficam, nesse trocador de calor, intercalados.

Claims (10)

1. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE TROCADORES DE CALOR COMPACTOS COM CANAIS TRIDIMENSIONAIS E/OU COMUNICANTES, caracterizado por:

   • a) - Usinagem de furos/rasgos de formatos variados em placas planas;
   • b) - Empilhamento ordenado das placas planas usinadas, de forma a conectar os furos/rasgos de cada uma dessas placas a outros furos/rasgos de outras placas, tanto a montante, quanto a jusante, possibilitando a formação de canais que permitam o escoamento do fluido, em mais de uma dimensão, no interior do trocador de calor, onde os canais são compartilhados por mais de uma placa;
   • c) - Realização de um processo de união das placas empilhadas, possibilitando a consolidação de um núcleo de trocador de calor.
2. PROCESSO como reivindicado em 1 e caracterizado por, preferencialmente, empregar um processo de união por difusão, sendo possível também a aplicação de outros processos de união, tal qual brasagem, por exemplo.
3. PROCESSO como reivindicado em 2 e caracterizado por permitir, através da usinagem de diferentes geometrias de placa, formar canais que possibilitem o escoamento tridimensional do fluido.
4. PROCESSO como reivindicado em 3 e caracterizado por possibilitar a construção de um núcleo de trocador de calor com qualquer número de placas desejado, sejam elas todas de mesma espessura e usinadas com o mesmo padrão ou, alternativamente, com espessuras e padrões de usinagem distintos.
5. PROCESSO como reivindicado em 4 e caracterizado por permitir a fabricação de trocadores de calor com uma vasta gama de diâmetros hidráulicos para os canais, tal característica dependendo apenas da espessura das placas e do tamanho dos furos/rasgos criados nas placas.
6. PROCESSO como reivindicado em 5 e caracterizado por possibilitar, também, a utilização de placas sem a usinagem de furos como separadoras dos canais formados por outras placas usinadas adjacentes.
7. PROCESSO como reivindicado em 6 e caracterizado por permitir a aplicação de bocais externos às placas para distribuição dos fluidos para cada um dos ramais.
8. PROCESSO como reivindicado em 7 e caracterizado por permitir a fabricação de um trocador de calor com placas especificamente projetadas que permitam a formação de bocais mediante a união da pilha de placas que forma o trocador de calor, com posterior usinagem.
9. PROCESSO como reivindicado em 8 e caracterizado por permitir a construção de um trocador de calor, no qual ocorram sucessivas separações e uniões de diferentes frentes de escoamento em cada um dos canais
10. PROCESSO como reivindicado em 9 e caracterizado por permitir a construção de núcleos de trocador de calor para que a admissão/rejeição de fluido nos diferentes ramais possa ser em qualquer posição relativa às placas que formam o trocador de calor, ou seja, a admissão/rejeição de fluido poderá ocorrer tanto normal quanto paralelamente às placas.

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