BR112012026170B1 - trocador de calor para um secador a frio e secador a frio - Google Patents
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Abstract
trocador de calor para um secador a frio e secador a frio a presente invenção refere-se a um trocador de calor, especialmente a um secador a frio de ar comprimido com pelo menos um primeiro elemento de superfície de afluência, junto ao qual durante a operação do trocador de calor pode circular um fluido a ser seco, especialmente, ar comprimido e com pelo menos um segundo elemento de superfície de afluência, junto ao qual durante a operação do trocador de calor e necessário pode circular um fluido de refrigeração sendo que o primeiro e segundo elemento de superfície de afluência ficam conectados ou podem ser conectados pelo menos por segmentos a pelo menos uma câmara de armazenamento de refrigeração prevista para o preenchimento com um meio de armazenamento de calor e sendo que o primeiro e/ou segundo elemento de superfície de afluência é/são conectados a pelo menos um elemento de transferência de calor que se estende para dentro da câmara de armazenamento de refrigeração, especialmente que penetra na câmara de armazenamento de refrigeração.
Description
TROCADOR DE CALOR PARA UM SECADOR A FRIO E SECADOR A FRIO Descrição
[001] A invenção refere-se a um trocador de calor para secador a frio, especialmente para secador a frio de ar comprimido, de acordo com a reivindicação 1, assim como a um secador a frio, especialmente a secador a frio de ar comprimido, de acordo com a reivindicação 15.
[002] Quando gases (comprimidos) como, por exemplo, ar comprimido, são utilizados, muitas vezes é necessário ou pelo menos desejado, remover componentes condensáveis do gás. Um método conhecido no estado da técnica é a assim chamada secagem a frio, ou seja, o resfriamento do gás com um circuito a frio a uma temperatura baixa e com descarga dos componentes condensados.
[003] Normalmente neste caso é previsto um trocador de calor de contracorrente adicional através do qual o gás a ser seco pode ser resfriados pelo gás frio efluente de forma que por um lado a capacidade de refrigeração e o por outro a umidade relativa do gás efluente possam ser reduzidos.
[004] Condicionado pelas condições externas, como, por exemplo, diferentes temperaturas de aplicação e/ou diferentes volumes de entrada um poder de resfriamento por refrigeração muitas vezes sofre fortes oscilações. A capacidade de resfriamento precisa ser adaptada na presença de oscilações desse tipo, já que no caso de um forte resfriamento ela pode causar uma solidificação dos componentes condensáveis.
[005] O ajuste de potência pode ser feito em termos de técnica de controle em que um compressor a frio é desligado no caso de um limite de temperatura inferior e novamente ligado com um limite de temperatura superior e/ou após um
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2/28 determinado tempo (regulação liga/desliga). No caso de um método desse tipo ocorre porém ainda variações relativamente grandes do traçado de temperatura do ar refrigerado e portanto variações relativamente grande do ponto de orvalho da pressão alcançável.
[006] Uma regulação liga/desliga com variações de ponto de orvalho da pressão relativamente pequenas é descrita no estado da técnica, a saber, no documento patentário EP 0 405 613 Bl. Neste caso, a capacidade de refrigeração, que é gerada durante a operação do circuito de refrigeração no excesso é efetivamente armazenada e quando o circuito de refrigeração encontra-se paralisado é novamente atribuída ao gás a ser refrigerado. O trocador de calor conhecido no estado da técnica apresenta areia quartzo como massa de armazenamento entre o fluido de refrigeração e a corrente de ar a ser secada. O trocador de calor conhecido possibilita uma operação com variações de ponto de orvalho da pressão relativamente pequenas, porém exige um espaço construtivo elevado para realizar as superfícies necessárias de troca. Isso implica um elevado custo de materiais relativamente caros assim como um elevado peso do trocador de calor e do material de armazenamento. Desse modo, o trocador é relativamente caro, pesado e necessita de uma superfície de ajuste maior do que um secador padrão.
[007] No documente patentário DE 199 43 109 Cl é proposta uma outra solução com relação ao problema de variações do ponto de orvalho de pressão. De acordo com o documento patentário DE 199 43 109 Cl é proposto um “trocador de calor padrão em associação a um fluido de refrigeração circulante, que por sua vez é resfriado por um circuito de refrigeração.
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Através do circuito de refrigeração é gerada uma mistura gelo-água. O armazenamento é feito no fluido de refrigeração. Também nesse contexto, porém, o custo de construção é considerável devido ao segundo trocador de calor necessário e a uma bomba para o bombeamento da mistura gelo-água. Além disso, o rendimento de energia é reduzido pelas transferências de calor múltiplas e pela aplicação da bomba. A bomba necessita por um lado de potências de propulsão e por outro eleva pelo aporte de calor ao fluido de refrigeração a capacidade de refrigeração necessária e, portanto, a necessidade de potência do compressor a frio.
[008] No documento patentário US 7 134 483 B2 é proposto, prever um material de armazenamento térmico latente em uma placa sendo que a placa estabelece o contato tanto de uma placa de meio de refrigeração como também de uma cunha de ar. Quanto ao aspecto construtivo existem ainda muitas questões abertas. Não consta uma descrição concreta como as placas podem ser configuradas no documento patentário US 7 134 483 B2. Em suma, a configuração de acordo com o documento patentário US 7 134 483 B2 parece ser relativamente ineficiente.
[009] No documento patentário DE 103 11 602 AI é proposto um termoacumulador a ser provido em uma área marginal de uma seção de meio de refrigeração a gás de um trocador de calor. Prover o termoacumulador nos lados externos do trocador de calor é, no entanto, um consumo de espaço comparativamente, e resulta em uma operação do trocador de calor em uma baixa eficiência de energia.
[010] É tarefa da presente invenção prover um trocador de calor para um trocador de refrigeração, especialmente para um
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4/28 trocador de refrigeração a ar comprimido, no qual se possibilita uma operação com variações de ponto de orvalho de pressão pequenas e ao mesmo tempo o custo construtivo (especialmente com relação à ocupação de espaço, ao peso e/ou à aplicação de material) é relativamente baixo. Além disso, o trocador de calor possibilita uma operação relativamente eficiente.
[011] Esta tarefa é solucionada através de um trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, assim como um secador de refrigeração, especialmente um secador de refrigeração a ar comprimido de acordo com a reivindicação 15.
[012] Especialmente a tarefa é solucionada através de um trocador de calor para um secador de refrigeração, preferivelmente para um secador de refrigeração a ar comprimido, com pelo menos um primeiro elemento de superfície de afluência pelo qual durante a operação do trocador de calor um fluido a ser secado, especialmente ar comprimido, pode circular e com pelo menos um segundo elemento de superfície de afluência, pelo qual durante a operação do trocador de calor (se necessário) pode circular um fluido de refrigeração sendo que o primeiro e o segundo elemento de superfície de afluência são pelo menos por segmentos acoplados a pelo menos uma câmara de armazenamento de calor prevista para preenchimento com um meio de armazenamento de calor ou são acopláveis ali e sendo que o primeiro e/ou o segundo elemento de superfície de afluência é/são conectados a pelo menos um elemento de transferência de calor que se estende para dentro da câmara de armazenamento de refrigeração, que principalmente penetra no acumulador de refrigeração.
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[013] Uma ideia fundamental da invenção reside no fato de serem previstos os elementos de transferência de calor que se estendem para dentro da câmara de armazenamento de refrigeração. Ao prever a câmara de armazenamento de refrigeração, que deve ser preenchida com um meio de armazenamento de refrigeração, esperam-se somente variações de ponto de orvalho de pressão relativamente pequenas, sendo que os elementos de transferência de calor produzem vias de condução de calor relativamente curtas de forma a possibilitar um armazenamento relativamente rápido e uma evacuação do meio de armazenamento de refrigeração. O custo de construção neste caso é relativamente pequeno. No documento patentário US 7,134,483 B2 é proposto uma pilha de placas metálicas perfiladas, na qual o contato térmico de uma placa para a próxima e portanto de uma fenda para a próxima subsequente é relativamente pequeno. O contato térmico de acordo com a presente invenção é diante disso aumentado. Também particularmente em relação ao documento patentário US 7,134,483 B2 e é possível um aporte de calor, por exemplo calor de solidificação quando da aplicação de material de armazenamento latente através de um lado de agente de refrigeração e uma rápida absorção em seguida de calor, por exemplo, calor de fusão quando da aplicação de um material de armazenamento latente, de um lado de ar oposto.
[014] Especialmente materiais de armazenamento, como parafina, apresentam valores de condução de calor relativamente ruins, de forma que neste caso o secador de refrigeração de acordo com a invenção é especialmente vantajoso. Também os problemas, que resultam, por exemplo, no caso do documento patentário DE 102 11 602 A1 da instalação
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6/28 no lado d fora do termoacumulador, são reduzidos através do secador de refrigeração propostos de acordo com a invenção.
[015] Em relação ao documento patentário DE 103 11 602 A1 as superfícies de transferência são especialmente relativamente altas e as vias de condução de calor relativamente curtas, o que acarreta uma operação eficiente na sua totalidade do secador de refrigeração.
[016] Entende-se por “acoplamento especialmente um limite direto ou estabelecimento de contato da câmara de armazenamento de refrigeração através do primeiro ou do segundo elemento de superfície de afluência. Também é possível que entre elemento de superfície de afluência e câmara de armazenamento de refrigeração seja previsto ainda um outro elemento de transferência de calor ou um outro dispositivo de transferência de calor.
[017] A transferência de calor do meio de armazenamento de refrigeração (ou para o dito) é feita especialmente através do elemento de transferência de calor. Podem participar vários elementos de transferência de calor. Uma transferência de calor pode ser feita, por exemplo, do meio de armazenamento de refrigeração para o ar a ser secado através do elemento de transferência de calor, uma primeira placa, um elemento de transferência de calor-agente de refrigeração, uma segunda placa e um elemento de transferência de ar-calor.
[018] No elemento de transferência de calor - agente de refrigeração pode circular o agente de refrigeração. O elemento de transferência de calor-agente de refrigeração pode ser projetado como o elemento de transferência de calor. O mesmo se aplica para o elemento de transferência de calor.
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Neste caso, e a seguir entende-se por “elemento de transferência de calor (sem outros aditivos) sempre o elemento de transferência de calor que se estende para dentro da câmara de armazenamento de refrigeração.
[019] O elemento de transferência de calor-meio de refrigeração e o elemento de transferência de calor são preferivelmente parte integrante dos elementos de afluência correspondentes. O elemento de transferência de calor-meio de refrigeração e o elemento de transferência de calor melhoram ainda mais o acoplamento térmico.
[020] A câmara de armazenamento de refrigeração pode ser preenchida preferivelmente com um meio de armazenamento de refrigeração correspondente, especialmente um meio de armazenamento de calor latente (PCM, Phase Change Material). Uma condutibilidade térmica do elemento de transferência de calor é preferivelmente pelo menos 10 vezes, mais preferivelmente pelo menos 30 vezes, ainda mais preferivelmente pelo menos 100 vezes tão elevada quanto uma condutibilidade térmica do meio de armazenamento de refrigeração. A condutibilidade térmica do elemento de transferência de calor pode ser por exemplo de pelo menos 50 W/(mK), preferivelmente pelo menos 100 W/(mK), ainda mais preferivelmente pelo menos 130 W/(mK). Uma capacidade térmica específica do meio de armazenamento de refrigeração pode ser, por exemplo, pelo menos 1 kJ/(kgK), preferivelmente pelo menos 1,5 kJ/(kg K), ainda mais preferivelmente pelo menos 2 kJ/(kg K). Uma entalpia de transformação de fases do meio de armazenamento de refrigeração pode ser, por exemplo, pelo menos de 50 kJ/kg, preferivelmente pelo menos de 100 kJ/kg, mais preferivelmente pelo menos 150 kJ/kg. Como meio de
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8/28 armazenamento de calor latente podem ser utilizadas água e/ou parafina e/ou um acumulador de calor latente fluidicamente cristalino e/ou um material de acumulador de calor latente a base de sal ou parafina. Em suma, principalmente a capacidade de absorção térmica (quando da aplicação de um acumulador de calor latente na seção da temperatura de transformação de fases) do meio de armazenamento de refrigeração é relativamente elevada em relação ao elemento de transferência de calor. Além disso, a condutibilidade térmica do elemento de transferência de calor é relativamente elevada em relação ao meio de acumulação térmica.
[021] No total, podem ser obtidos tempos de armazenamento e descarga (ou “tempos de carregamento e de descarregamento) relativamente curtos da câmara de armazenamento de refrigeração como também uma capacidade de armazenamento relativamente alta.
[022] Preferivelmente, a câmara de armazenamento de refrigeração é pelo menos por segmentos, delimitada pela primeira placa e/ou segunda placa, especialmente plana. O primeiro e/ou segundo elemento de superfície de afluência pode ser formado pelo menos parcialmente pela primeira ou segunda placa especialmente plana. Inversamente, a primeira e/ou a segunda placa especialmente plana pode ser formada pelo menos parcialmente pelo primeiro ou pelo segundo elemento de superfície de afluência. Através de placas desse tipo o armazenamento ou descarga pode ser ainda mais melhorado, aumentado assim à eficiência do trocador de calor. [023] O primeiro e/ou o segundo elemento de superfície de afluência pode ser formado pelo menos parcialmente através de um segmento de parede de gasoduto especialmente segmento de
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9/28 parede de tubulação. Uma parede de tubulação pode ser preferivelmente retangular, especialmente quadrada ou apresentar uma seção transversal redonda. Através de uma
| forma construtiva | desse | tipo o custo com | projeto e | |
| especialmente | em | relação | ao espaço exigido | é bastante |
| reduzido. | ||||
| [024] Em | uma | forma | de concretização o | elemento de |
| transferência | de calor é | soldado ao primeiro | e/ou segundo |
elemento de superfície de afluência ou a primeira e/ou à segunda placa, especialmente plana. Desse modo, a transferência de calor é melhorada e, portanto, a eficiência do trocador de calor.
[025] Preferivelmente qualquer ponto dentro da câmara de armazenamento de refrigeração é mais próximo a um elemento de transferência de calor próximo do que um elemento de transferência de calor como uma distância máxima, sendo que a distância máxima é menor do que uma distância de entre placas, sendo que uma razão de distância de placas em relação à distância máxima preferivelmente é de pelo menos 4, mais preferivelmente pelo menos 6, ainda mais preferivelmente pelo menos 10. A distância máxima pode ser preferivelmente 0,5 mm a 2,00 mm, especialmente cerca de 0,75 mm a 1,25 mm. A câmara de armazenamento de refrigeração e pelo menos um elemento de transferência de calor são, portanto, projetados de tal forma que nenhum ponto dentro da câmara de armazenamento de refrigerações situa-se mais distante do que uma distância máxima pré-determinada. Desse modo, são obtidas vias de condução de calor relativamente curtas na câmara de armazenamento de refrigeração ou dentro do meio de armazenamento de calor de forma que também no caso de uma
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10/28 condutibilidade de calor relativamente baixa do meio de armazenamento de calor possam ser absorvidas ou conferidas grandes quantidades de calor em curto espaço de tempo. Assim sendo, no caso de pouco espaço exigido pode ser obtida uma eficiência relativamente elevada.
[026] A distância máxima é a maior distância que pode ocorrer para um ponto no meio de armazenamento de calor em relação ao elemento de transferência de calor respectivamente mais próximo.
[027] Em uma forma de concretização preferida pelo menos um elemento de transferência de calor apresenta pelo menos dois segmentos distantes entre si por uma distância de transferência de calor, especialmente paralelos entre si, sendo que os segmentos preferivelmente (basicamente) passam perpendicularmente em relação a pelo menos uma das placas planas, sendo que a distância de transferência de calor é preferivelmente menor do que uma distância de placas, sendo que uma razão de distância de placas em relação à distância de transferência de calor é mais preferivelmente de pelo menos 2, e ainda mais preferivelmente 3, ainda mais preferivelmente pelo menos 5, ainda mais preferivelmente pelo menos 10. Desse modo, a eficiência do trocador de calor é facilmente melhorada em termos de construção.
[028] A distância de placas pode ser preferivelmente de pelo menos 5 mm, ainda mais preferivelmente pelo menos 10 mm. A distância de transferência de calor pode ser preferivelmente 1 mm a 4 mm, especialmente 1,5 mm a 2,5 mm.
[029] Preferivelmente uma superfície de conexão, especialmente superfície de conexão por solda entre o primeiro e/ou o segundo elemento de superfície de afluência
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11/28 e/ou a primeira e/ou a segunda placa por um lado e pelo menos um elemento de transferência de calor por outro, perfaz pelo menos 10 %, preferivelmente pelo menos 20 %, ainda mais preferivelmente pelo menos 30 %, ainda mais preferivelmente pelo menos 50 % de uma superfície orientada na direção da câmara de armazenamento de refrigeração da primeira/segunda placa especialmente plana. Desse modo, é melhorada a eficiência através da transferência térmica.
[030] A conexão pode ser feita, por exemplo, também por soldadura ou colagem (em geral).
[031] O trocador de calor, especialmente pelo menos um elemento de superfície de afluência e/ou pelo menos uma placa (plana) e/ou pelo menos um elemento de transferência de calor é/são feitos pelo menos parcialmente de metal, especialmente de alumínio. E com isso também é possível melhorar a eficiência.
[032] Preferivelmente dentro do trocador de calor é formada uma seção de gás-gás de forma que possa ser realizada uma troca de calor entre o fluido a ser seco e o fluido seco. Desse modo a eficiência do trocador de calor é aumentada.
[033] Mais preferivelmente é definida uma condução do gás a ser seco pelo menos parcialmente através de uma, especialmente pelo menos duas placas especialmente planas, sendo que a condução se estende ainda mais preferivelmente pelo menos parcialmente através da seção gás-gás e uma seção gás-meio de refrigeração para a troca de calor entre o fluido a ser seco e o agente de refrigeração. Portanto, o custo construtivo é reduzido e obtém-se uma perda de pressão bem pequena no lado do fluido a ser seco.
[034] Em uma forma de concretização preferida é previsto
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12/28 um tubo curvado em forma de meandro para conduzir o meio de refrigeração, sendo que o tubo é soldado preferivelmente entre as duas placas (planas) e ainda mais preferivelmente pelo menos uma câmara de armazenamento de refrigeração fica disposta entre respectivamente duas passagens tubulares. Desse modo, torna-se possível um modo construtivo com pouca demanda de espaço.
[035] Em uma forma de concretização preferida é executada uma condução de meio de refrigeração como espaço entre pelo menos duas placas (planas), sendo que preferivelmente as placas são soldadas a pelo menos um elemento de transferência de calor (em geral conectadas fixamente). Desse modo, o custo em termos de projeto é reduzido.
[036] Preferivelmente uma placa separadora se estende entre meio de refrigeração e meio de armazenamento pelo menos por segmentos através da seção gás-gás. Desse modo são uniformizadas tolerâncias construtivas e possibilitada uma soldadura espessa.
[037] Preferivelmente pelo menos duas câmaras de armazenamento de refrigeração são conectadas fluidicamente entre si das através de pelo menos um dispositivo coletor, especialmente soldado, se necessário colocado em um lado externo. Desse modo, o preenchimento é possível de modo fácil e especialmente através somente de um ponto de preenchimento. [038] A tarefa acima é solucionada também através de um secador a frio, compreendendo um trocador de calor de acordo com o tipo acima descrito. Com relação às vantagens é feita referência ao trocador de calor já descrito.
[039] Outras formas de concretização constam das reivindicações dependentes.
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[040] A seguir, a invenção é descrita com relação a outras características e vantagens com base em exemplos de concretização, que serão a seguir mais detalhadamente esclarecidos com base nas figuras, onde:
[041] A figura 1 mostra um elemento de transferência de calor disposto entre duas placas em uma vista em corte esquemática;
| [042] | A | figura | 2 mostra | uma | primeira | forma | de |
| concretização do trocador de cal | or de | acordo com | a invenção | ||||
| em uma | vista | lateral | esquemática; | ||||
| [043] | A | figura | 3 mostra a | forma | de concretização | de | |
| acordo | com a | figura | 2, ao longo | da linha de corte | III-III | a | |
| figura | 2; | ||||||
| [044] | A | figura | 4 mostra | uma | segunda | forma | de |
concretização do trocador de calor em uma vista em corte esquemática;
[045] A figura 5 mostra um corte da forma de concretização de acordo com a figura 4 em uma vista oblíqua;
[046] A figura 6 mostra um corte ampliado da figura 5;
[047] A figura 7 mostra uma outra vista em corte esquemática do elemento de transferência de calor disposto entre as duas placas;
[048] A figura 8 mostra um corte ao longo da linha VIIIVIII da figura 7;
[049] A figura 9 mostra um elemento de transferência de calor em vista oblíqua; e
[050] A figura 10 mostra uma ampliação do corte J da figura 9.
[051] Na descrição a seguir são empregados para as mesmas peças e peças de mesma ação os mesmos sinais de referência.
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[052] A figura 1 mostra um elemento de transferência de calor 10, que é soldado entre uma primeira placa plana 11 e uma segunda placa plana 12. O elemento de transferência de calor 10 neste caso é composto de uma chapa metálica, que é flexionada periodicamente em respectivamente 90 graus. A chapa metálica é preferivelmente provida de fendas. Os pontos de flexão podem ser deslocados em alguns segmentos em um valor pré-determinado. O elemento de transferência de calor 10 compreende segmentos de conexão 13, que passam preferivelmente paralelamente em relação a placas planas 11, e os segmentos de transferência 14, que ficam preferivelmente perpendiculares sobre os segmentos de conexão ou as placas planas 11, 12. O elemento de transferência de calor 10 do tipo chapa metálica passa na sua totalidade (fundamentalmente) paralelamente às placas planas delimitadoras 11, 12 (sendo que os segmentos parciais passam também perpendiculares às placas planas). As distâncias entre cada dois segmentos de transferência 14 que passam paralelamente são neste caso selecionadas de modo relativamente curtas de forma que resultem vias de condução de calor curtas em um meio de armazenamento de calor, que pode ser introduzido entre as placas planas 11, 12. Através do traçado paralelo dos segmentos de transferência 14 é possível um bom transporte de calor através dos segmentos de conexão 13 em relação às placas planas 11, 12. Esse tipo de elemento de transferência de calor pode ser previsto a princípio também dentro de uma seção gás-gás ou em todos os compartimentos intermediários de placas pelos quais circulam o fluido.
[053] Os segmentos de conexão 13 do elemento de
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15/28 transferência de calor 10 são soldados às placas planas 11, 12, mas também podem ser colados a elas ou conectados fixamente de outra forma.
[054] Em um lado externo 15 da primeira placa plana 11 pode circular por lá, por exemplo, um fluido de refrigeração (em geral meio de refrigeração) . Em um lado externo 16 da segunda placa plana 12 pode circular juntamente ali, por exemplo, o gás a ser seco. Em uma configuração desse tipo a segunda placa plana 12 serve como um primeiro elemento de superfície de afluência, junto ao qual pode circular durante a operação do trocador de calor um fluido a ser seco especialmente ar comprimido. A primeira placa plana 11 serve no caso de uma configuração desse tipo como um segundo elemento de superfície de afluência junto ao qual pode circular durante a operação do trocador de calor em caso de necessidade o meio de refrigeração.
[055] Na figura 2 uma primeira forma de concretização do trocador de calor pode ser vista em uma vista lateral esquemática. O trocador de calor é subdividido em uma primeira seção (superior), a saber, uma seção gás-gás 17 e em uma segunda seção (inferior), a saber uma seção gás-meio de refrigeração 18. Na seção gás-gás 17 pode ser feita uma troca de calor entre o gás a ser seco e pelo menos um gás parcialmente seção. Na seção de gás-meio de refrigeração pode ser feita uma troca de calor entre o gás a ser seco e o meio de refrigeração sobre uma placa entre um tubo de meio de refrigeração 20 e uma primeira passagem 25 para o gás a ser seco. Na seção de gás-meio de refrigeração 18 encontra-se o tubo de meio de refrigeração curvado em forma de meandro 20, que apresenta uma seção transversal retangular
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16/28 (preferivelmente quadrada). Alternativamente o tubo de meio de refrigeração 20 também pode apresentar uma seção transversal redonda ou ainda de outro formato. Nos compartimentos intermediários 21 entre os segmentos longitudinais que passam paralelamente em sentidos opostos 22 do tubo de meio de refrigeração 20 encontram-se câmaras parciais de armazenamento de refrigeração 23 para o alojamento de um meio de armazenamento de calor. As câmaras parciais de armazenamento de refrigeração 23 são conectadas entre si através de um dispositivo coletor 24 (caixa coletora) em um lado externo do trocador de calor e formam a câmara de armazenamento de refrigeração 19. Nas câmaras parciais de armazenamento de refrigeração são previsto respectivamente elementos de transferência de calor 10, que possibilitam um armazenamento relativamente rápido ou esvaziamento das câmaras parciais de armazenamento de refrigeração 23.
[056] Preferivelmente o dispositivo coletor 24 se estende sobre dois lados externos opostos entre si do trocador de calor. Alternativamente podem ser previstos dois dispositivos coletores 24 projetados de forma complementar entre si nos lados externos.
[057] Durante a operação o gás a ser seco circular primeiramente através das primeiras passagens 25, pela seção de gás-gás 17 e então pela seção de gás-meio de refrigeração 18. Na seção de gás-meio de refrigeração 18 o gás a ser seco circula tanto junto ao tubo de meio de refrigeração em forma de meandro 20 como também junto às câmaras parciais de armazenamento de refrigeração 23. Depois de circular pela seção de gás-meio de refrigeração 18 o gás a ser seco
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17/28 circular por uma seção de derivação 26, na qual um condensado emergente pode ser removido e conduzido para fora através de uma purga de condensado 27. A partir da seção de derivação 26 o gás a ser seco segue por uma entrada 28 através de duas passagens 29 na seção de gás-gás 17 (no contra fluxo ao gás que está entrando) chegando até uma saída 30. O gás a ser seco pode ser conduzido através de uma condução 31.
[058] Em suma, o trocador de calor é construído de acordo com a figura 2 e 3 em forma de sanduiche, sendo que em uma primeira, terceira e quinta camada passa entre respectivamente duas placas na seção de gás-gás 17 uma das duas passagens 29 e está previsto na seção de gás-meio de refrigeração 18 respectivamente um dos tubos de meio de refrigeração em forma de meandro 20 com câmaras parciais de armazenamento de refrigeração 23 dispostas entre os segmentos longitudinais 22 do tubo de meio de refrigeração 20. Em uma segunda e quarta camada passa respectivamente uma das primeiras passagens 25 para o gás a ser seco que entra. O arranjo pode ser projetado a princípio também de outra forma, por exemplo, podem ser previstas pelo menos três camadas de primeiras passagens e pelo menos duas camadas de segundas passagens. Em geral um arranjo alternante de primeiras e segundas passagens é preferido.
[059] A figura 4 mostra uma segunda forma de concretização do trocador de calor em uma vista em corte esquemática. O trocador de calor de acordo com a figura 4 é subdividido também em uma seção gás-gás 17 e uma seção gásmeio de refrigeração 18. Através de uma condução não ilustrada o gás circula durante a operação primeiramente através de primeiras passagens 25 através da seção gás-gás 17
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18/28 e em seguida através da seção gás-meio de refrigeração 18.
[060] Na seção de gás-meio de refrigeração 18 são previstas entre cada duas placas planas 11, 12 tubos de meio de refrigeração 32 e câmaras parciais de armazenamento de refrigeração 23 para um meio de armazenamento de calor. As câmaras parciais de armazenamento de refrigeração 23 são separadas pelos tubos de meio de refrigeração 32 através de placas separadoras (planas) 33. As placas planas 11, 12 assim como a placa separadora 33 passam (fundamentalmente) paralelas em relação às primeiras passagens 25. Nas câmaras parciais de armazenamento de refrigeração 23 são previstos elementos de transferência de calor 10. Outros elementos de transferência de calor podem se encontrar também nas primeiras passagens 25 e/ou nos tubos de meio de armazenamento 32 e/ou nas duas segundas passagens 29. A forma e dimensão dos respectivos elementos de transferência de calor podem diferenciar entre si. A pala separadora 33 passa tanto através da seção de meio-me refrigeração- gás 18 como também da seção gás-gás 17. Disso resultam na seção de gásgás 17 respectivamente duas segundas passagens 29 adjacentes e paralelas entre si para o gás parcialmente seco, que sai. Analogamente às figuras 2 e 3 pode ser previsto (na figura 4, não ilustrado) um compartimento de desvio e de descarga com purga de condensado.
[061] Também o trocador de calor de acordo com a figura 4 é construído com cinco camadas, sendo que em uma segunda e quarta camada passa respectivamente primeiras passagens 25. Em uma primeira, terceira e quinta camada passam dentro da seção de gás-gás 17 respectivamente duas segundas passagens 29 e na seção de gás-meio de refrigeração 18 passa uma câmara
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19/28 parcial de armazenamento de refrigeração 23 assim como um tubo de meio de refrigeração 32. Também podem ser previstos (isso se aplica também às formas de concretização de acordo com a figura 2 e 3) mais de cinco camadas ou mais, por exemplo, apenas três camadas de forma análoga à construção ilustrada nas figuras.
[062] Como meio de armazenamento podem ser utilizados diferentes tipos. Preferivelmente uma temperatura de transformação de fase no caso da utilização de meios de armazenamento de calor latente, pode situar-se em uma faixa operacional pré-determinada do trocador de calor. Como meios de armazenamento podem ser utilizados por exemplos materiais tais como parafina, ácidos carbônicos, álcoois graxos, ésteres, aminas e/ou hidrocarbonetos halogenados assim como misturas de tais substâncias ou também materiais orgânicos como hidratos de sal. Para a secagem de ar comprimido são especialmente indicados materiais, cuja faixa de transformação (fundamentalmente) situa-se aproximadamente acima do ponto de congelamento de água, por exemplo, entre 0° e 5° Celsius, preferivelmente na faixa de 1,5° a 2,5° Celsius.
[063] Através do arranjo deslocado identificável na figura 1 dos pontos de flexão facilita-se em termos construtivos o preenchimento com um meio de armazenamento ou melhora-se no caso de uma passagem do gás a ser seco ou do meio de refrigeração da transmissão de calor.
[064] A figura 5 mostra um segmente da forma de concretização de acordo com a figura 4 em uma vista oblíqua. A configuração de acordo com a figura 5 e 6 pode também ser considerada como trocador de calor completo. Analogamente à
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20/28 figura 4, são previstas entre as primeiras e segundas placas planas 11, 12 na seção de gás-gás 17 duas segundas passagens 29, que são separadas através da placa separadora 33. As segundas passagens 29 são separadas ou vedadas em relação à seção de gás-meio de refrigeração 18 através de cada barra separadora 34. Nas segundas passagens 29 ficam dispostas chapas metálicas periodicamente flexionadas 35, junto às quais podem circular o fluido parcialmente seco. As chapas metálicas 35 são flexionadas de tal forma que na seção transversal são formadas cavidades em formato trapezoidal.
[065] Entre as duas placas planas 12 e uma placa plana 36 encontra-se a primeira passagem 25, pela qual o fluido a ser seco circula. Na primeira passagem 25 encontra-se também uma chapa metálica periodicamente flexionada, que é identificada através do sinal de referência 37. A chapa metálica 37 apresenta cavidades que se repetem periodicamente, que são formadas na seção transversal em formato aproximadamente trapezoidal.
[066] Entre a placa separadora 33 e a segunda placa plana 12 na seção de gás-meio de refrigeração 18 encontra-se o tubo de meio de refrigeração 32, que apresenta uma placa nervurada 38. A placa nervurada 38 apresenta aletas que repetem periodicamente de forma á estabelecer uma pluralidade de canais de fluido individuais do meio de refrigeração. De forma análoga, também através da chapa metálica 35 e da chapa metálica 37 é formada uma pluralidade de canais de fluido. Os canais de fluido das chapas metálicas 35, da chapa metálica 37 e da placa nervurada 38 passam nas figuras 5 e 6 de cima para baixo independentemente da orientação da condução 31 para a saída de condensado 27. Na seção de gás-meio de
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21/28 refrigeração 18 são previstos entre a primeira placa plana 11 e a placa separadora 33 uma câmara de armazenamento de refrigeração 19 ou diversas câmaras parciais de armazenamento de refrigeração 23. A câmara de armazenamento de refrigeração 19 compreende um elemento de transferência de calor 10, que é projetado como chapa metálica periodicamente flexionada. Na câmara de armazenamento de refrigeração 19 ou nas cavidades do elemento de transferência de calor 10 em formato de chapa metálica é colocado um meio de armazenamento de calor. O meio de armazenamento de calor (isso também se aplica às outras formas de concretização) é previsto preferivelmente estacionário dentro da câmara de armazenamento de refrigeração 19 e pode ser colocado ainda mais preferivelmente sobre um dispositivo de preenchimento 39, que corresponde preferivelmente ao dispositivo coletor 24. No elemento de transferência de calor 10 são previstos diversos canais de fluido que passam horizontalmente ou verticalmente em relação aos canais de fluido da chapa metálica 37 e da placa nervurada 38. Desse modo, é melhorada de modo fácil a transmissão de calor, o que melhora a eficiência.
[067] O trocador de calor pode preferivelmente ser soldados após a disposição de diversos, especialmente de todos os componentes (placas, elementos de transferência de calor, barras e/ou se necessário tubos) em um forno contínuo com atmosfera de gás protetor ou em forno a vácuo ou também em um banho de fundente. Os elementos de transferência de calor podem ser introduzidos, por exemplo, em um assim chamado trocador de calor de bloco de alumínio para atingir desempenhos de transmissão de calor relativamente altos durante a circulação. Especialmente indicados são os
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22/28 elementos de transferência de calor para a aplicação com um meio de armazenamento estacionário. Os elementos de transferência de calor podem ser, por exemplo, chapas metálicas bordeadas finas, que contém os sulcos, furos e ou outros rebaixos.
[068] As dobras podem ser executadas deslocadas especialmente no caso de chapas metálicas fendidas também por segmentos.
[069] Os elementos de transferência de calor podem também ser projetados alternativamente como perfis de extrusão. No caso do trocador de calor proposto (trocador de calor de armazenamento) é disponibilizado preferivelmente por um lado uma superfície relativamente grande em conexão por solda com as placas delimitadoras e por outro uma superfície de contato grande com o meio de armazenamento com distâncias especialmente curtas de segmentos condutores de calor. Preferivelmente, a estrutura pode ser preenchida totalmente com um meio de armazenamento.
[070] Desse modo, são obtidos tanto tempos de armazenamento (tempos de descarga) como também uma capacidade de armazenamento. As vias de condução de calor curtas no meio de armazenamento (meio de calor latente) são viabilizadas através de uma configuração correspondente do elemento de transferência de calor. Desse modo, apesar da condutibilidade térmica relativamente baixa do meio de armazenamento em curto espaço de tempo são absorvidas e/ou transferidas grandes quantidades de calor.
[071] Os elementos de transferência de calor apresentam cavidades preferivelmente estreitas (por exemplo, 1,5 mm a 2,5 mm de largura) que passam ainda mais preferivelmente
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23/28 (fundamentalmente) em sentido perpendicular ou em um ângulo > 60 graus em relação às placas planas de forma que de qualquer ponto aleatório dentro do meio de armazenamento é realizada uma via condutora e calor relativamente mais curta até o elemento de transferência de calor - pelo menos paralelamente às placas. Devido à condutibilidade térmica relativamente elevada dos elementos de transferência de calor, as distâncias das placas separadoras podem ser executadas bem maiores do que a largura das cavidades dos elementos de transferência de calor (por exemplo, 8 mm a 12 mm, especialmente 10 mm) , de forma que se obtenha um volume relativamente grande do meio de armazenamento. Através da produção dos elementos de transferência de calor feitos de um material com elevada condutibilidade térmica, como por exemplo, alumínio e/ou soldadura plana dos elementos de transferência de calor com as placas planas pode-se obter um transporte de calor mais rápido com pequenas diferenças de temperatura tanto do meio de refrigeração até o meio de armazenamento como também do meio de armazenamento até o gás a ser seco.
[072] No caso da forma de concretização de acordo com a figura 2, é obtida uma conexão condutora de calor relativamente boa do meio de armazenamento de calor até a respectiva placa e, portanto, tanto até as primeiras passagens 25 no lado de placa oposto como também até o tubo de meio de refrigeração 20. O tubo de meio de refrigeração 20 é soldado preferivelmente com pelo menos uma das placas. Em suma é disponibilizada uma forma de trocador de calor compacta, leve e de baixa custo com pouco custo em tubo de revestimento sendo que ao mesmo tempo é viabilizada uma
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24/28 operação com baixo consumo de energia do trocador a frio com um controle liga/desliga (simples com variações de ponto de orvalho de pressão ao mesmo tempo pequenas. Especialmente com materiais de armazenamento latente pode-se obter uma densidade de armazenamento elevada o que acarreta com a superfície de transmissão propostas já no caso de um volume de armazenamento relativamente pequeno uma capacidade de armazenamento suficiente. Se o meio de armazenamento de calor for introduzido nos compartimentos intermediários entre o tubo de meio de refrigeração em forma de meandro 20, então os gastos adicionais para a integração do meio de armazenamento de calor serão relativamente baixos de forma que em comparação a trocadores de calor de armazenamento de acordo com o estado da técnica é viabilizado um secador a frio bem menor, mais leve e mais barato com a mesma função.
[073] O trocador de calor é preferivelmente projetado como trocador de calor com seção gás-gás e seção gás-meio de refrigeração (seção gás-meio de refrigeração-armazenamento), mais preferivelmente com uma passagem que segue pelas duas seções de trocador de calor do gás que entra. Mas também é possível alternativamente projetar uma seção de armazenamento em um trocador de calor gás-meio de refrigeração (trocador de calor de armazenamento gás-meio de refrigeração).
[074] No caso da forma de concretização de acordo com a figura 4 a 6 a placa separadora se estende entre o meio de armazenamento de calor e meio de refrigeração sobre toda a altura (extensão longitudinal) do trocador de calor, de forma que as passagens para o gás que sai, seco pelo menos parcialmente sejam subdivididas em respectivamente duas passagens paralelas adjacentes.
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[075] Através dessa concretização, podem ser realizadas tolerâncias em termos de construção facilmente baixas, que são necessárias para uma soldadura espessa. Desse modo pode ser projetado um trocador de calor relativamente mais compacto, combinado.
[076] A figura 7 mostra uma outra vista em corte esquemática do elemento de transferência de calor disposto entre duas placas. Uma soma das superfícies de seção transversal dos segmentos de transferência é 14 preferivelmente pelo menos 5 %, mais preferivelmente pelo menos 10 %, ainda mais preferivelmente (aproximadamente) 15 % de uma superfície de placa (o que é esclarecido pela figura 8) .
[077] A figura 9 mostra o elemento de transferência de calor 10 em uma vista oblíqua. O elemento de transferência de calor 10 é produzido em peça única feito de uma chapa metálica mediante formação de fendas e encurvamentos da chapa. O elemento de transferência de calor 10 compreende várias séries de elemento de transferência de calor 40, que correspondem respetivamente a uma tira metálica periodicamente flexionada. Duas séries de elemento de transferência de calor 40 adjacentes entre si são respectivamente projetadas iguais, porém deslocadas em uma direção paralela à direção preferencial das séries de elemento de transferência de calor em um valor prédeterminado. O valor pré-determinado pode ser, por exemplo, (aproximadamente) um quarto de período das flexões periódicas. Em suma, cria-se assim um elemento de transferência de calor 10 que por um lado é relativamente estável e por outro possibilita um preenchimento
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26/28 relativamente simples com um meio de armazenamento de calor.
[078] Como materiais para os elementos de transferência de calor e/ou placas e/ou meios de refrigeração podem ser utilizados especialmente alumínio ou ligas de alumínio, por exemplo, AIMg3. Os materiais apresentam preferivelmente uma condutibilidade térmica superior a 100 W/ (m2K) , mais preferivelmente superior a 130 W/(m2K), e situam-se, portanto, bem mais acima das condutibilidades térmicas de materiais de armazenamento latente convencionais, nos quais o índice de condução térmica é inferior a pelo menos 2 W/(m2K) ou até mesmo a 1 W/(m2K).
[079] Na forma de concretização de acordo com as figuras 4 a figura 8, com canais paralelos entre si para o meio de refrigeração, o meio de armazenamento de calor (PCM) e o gás a ser seco, existe em cada lado do canal correspondente uma parede, que pode ser uma parede separadora em relação a um outro respectivo canal. No caso de canais marginais não existe uma parede separadora comum em relação a um outro canal. Através da elevada condutibilidade térmica dos elementos de transferência de calor10 pode ser feito apesar disso um elevado transporte de calor também entre canais não adjacentes. O transporte de calor excelente também é obtido através da superfície de seção transversal relativamente grande de acordo com a figura 8.
[080] Para conduzir uma grande quantidade de calor em um curto espaço de tempo ao meio de armazenamento de calor (material de armazenamento latente) com pequenas diferenças de temperatura e removê-la do meio novamente e utilizar o volume de armazenamento neste caso da maneira mais eficiente possível, é preferivelmente prevista uma superfície
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27/28 específica relativamente grande dos elementos de transferência de calo 10 com relação ao volume de armazenamento da câmara de armazenamento de refrigeração 19, sendo que a superfície específica é de mais preferivelmente pelo menos 500 m2/m3, ainda mais preferivelmente pelo menos 1000 m2/m3, ainda mais preferivelmente (aproximadamente) 1200 m2/m3.
[081] Neste ponto, chamamos a atenção ao fato de que todas as peças acima descritas são reivindicadas individualmente e em qualquer combinação especialmente os detalhes ilustrados nos desenhos, como fundamentais à invenção. O versado na técnica poderá naturalmente realizar as modificações que respectivas.
Lista de números de referência elemento de transferência de calor primeira placa plana segunda placa plana segmento de conexão segmento de transferência lado externo da primeira placa plana lado externo da segunda placa plana seção gás-gás seção gás-meio de refrigeração câmara de armazenamento de refrigeração tubo de meio de refrigeração compartimento intermediário segmento longitudinal câmara parcial de armazenamento de meio de refrigeração dispositivo coletor primeira passagem
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28/28 seção de desvio purga de condensado entrada segunda passagem saída condução tubo de meio de refrigeração placa separadora barra separadora chapa metálica placa plana chapa metálica placa nervurada dispositivo de preenchimento elemento de transferência de calor
Claims (5)
1. Trocador de calor para um secador a frio, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um primeiro elemento de superfície de afluência, junto ao qual um fluido a ser seco é guiado durante a operação do trocador de calor, e pelo menos um segundo elemento de superfície de afluência, junto ao qual o agente de refrigeração é guiado durante a operação do trocador de calor;
sendo que o primeiro e o segundo elementos de superfície de afluência são acoplados a pelo menos uma câmara de armazenamento de refrigeração (19) prevista para o preenchimento com um meio acumulador a frio; e sendo que pelo menos um do primeiro e segundo elementos de superfície de afluência é conectado a pelo menos um elemento de transferência de calor (10) que se estende para dentro da câmara de armazenamento de refrigeração (19), e penetra na câmara de armazenamento (19), sendo que a câmara de armazenamento de refrigeração (19) é delimitada em pelo menos alguns segmentos por uma primeira placa plana (11) e por uma segunda placa (12) plana;
onde pelo menos um do primeiro e do segundo elemento de superfície de afluência ser formado parcialmente pela primeira e segunda placas (11, 12) planas; ou pelo menos uma das primeira e segunda placas (11, 12) planas é formada, pelo menos parcialmente, por um dos primeiro e segundo elementos
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primeiro e segundo elementos de superfície de afluência, e
distância de qualquer ponto dentro da câmara de armazenamento de refrigeração (19) situar-se mais próximo de pelo menos um elemento de transferência de calor (10) do que uma distância máxima, sendo que a distância máxima é menor que uma média da distância da placa entre a primeira e a segunda placas planas (11, 12), sendo que uma razão da distância da placa para a distância máxima é de pelo menos quatro
5. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a razão da distância da placa para a distância máxima ser de pelo menos seis .
6. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a razão da distância da placa para a distância máxima ser de pelo menos 10.
7. Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de pelo menos um elemento de transferência de calor (10) compreender pelo menos dois segmentos (13, 14) estendendo-se em paralelo e espaçados entre si, pela distância de transferência de calor, sendo que pelo menos duas seções se estendem perpendicularmente a pelo menos uma das primeira e segunda
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3/5 placas planas (11, 12);
sendo que a distância de transferência de calor é menor que uma distância média de placas entre a primeira e a segunda placas planas (11, 12), e sendo que uma razão de distância de placas médias para distância de transferência de calor é de pelo menos dois.
8. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a razão de distância de placas médias para distância de transferência de calor ser de pelo menos três.
9. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a razão de distância de placas médias para distância de transferência de calor ser de pelo menos cinco.
10. Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma superfície de conexão, formada como uma superfície de conexão soldada entre pelo menos um do primeiro elemento de superfície de afluência, o segundo elemento de superfície de afluência, a primeira placa plana (11) e a segunda placa plana (12), e pelo menos um elemento de transferência de calor (10) a superfície de conexão constituindo pelo menos 10% de uma superfície orientada na direção da câmara de armazenamento de refrigeração (19) do primeiro e segundo elementos de superfície de afluência, respectivamente a primeira e a segunda placas planas.
11. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de a dita superfície de conexão constituir pelo menos 20% de uma superfície orientada na direção da câmara de armazenamento de refrigeração (19) do
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4/5 primeiro e segundo elementos de superfície de afluência, respectivamente a primeira e a segunda placas planas.
12. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de a dita superfície de conexão constituir pelo menos 30% de uma superfície orientada na direção da câmara de armazenamento de refrigeração (19) do primeiro e segundo elementos de superfície de afluência, respectivamente a primeira e a segunda placas planas.
13. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de a dita superfície de conexão constituir pelo menos 50% de uma superfície orientada na direção da câmara de armazenamento de refrigeração (19) do primeiro e segundo elementos de superfície de afluência, respectivamente a primeira e a segunda placas planas.
14. Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 13, caracterizado pelo fato de compreender ainda uma seção gás-gás (17) configurada para permitir a troca de calor entre o fluido a ser seco e pelo menos um fluido parcialmente seco.
15. Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 14, caracterizado pelo fato de os meios condução para o gás a ser seco serem parcialmente definidos por uma de pelo menos duas placas (11, 12), sendo que os meios de condução se estendem pelo menos parcialmente através
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5/5 curvado na forma de meandro que é provido para condução do meio refrigerante, sendo que o tubo do meio refrigerante (20) é soldado entre a primeira e segunda placas planas (11, 12),
entre pelo menos primeiro e segunda placas planas (11, 12), sendo que a primeira e segunda placas planas (11, 12) são soldadas a pelo menos um elemento de transferência de calor (10).
segmentos através da seção gás-gás (17).
19. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender ainda pelo menos duas câmaras de armazenamento de refrigeração (19, 23) dispostas em conexão fluida com pelo menos um dispositivo coletor (24) soldado, sendo que pelo menos um dispositivo coletor (24) é ligado a uma porção externa do trocador de calor (10).
20. Secador a frio, tal como um secador refrigerante de ar frio, dito secador sendo caracterizado pelo fato de compreender um trocador de calor, conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 19.
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