BR112012026578B1 - THERMAL TUBE HEAT EXCHANGER - Google Patents

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Frank Thiel
Nobert Kautenburger
Hani El-Kassas
Emile Lonardi
Fabio Garbugino
Stefano Olivieri
Luca Spadoni
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Paul Wurth S.A.
Paul Wurth Italia S.P.A.
Paul Wurth Deutschland Gmbh
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Abstract

TROCADOR DE CALOR DE TUBOS TÉRMICOS. Um trocador de calor de tubos térmicos (12,12') para a transferência de calor de um gás quente para um gás frio compreende um alojamento com uma primeira câmara (14) para o suprimento de um gás quente através dela; uma segunda câmara (20) para o suprimento de um gás frio através dela; e uma pluralidade de tubos térmicos (26) que se estendem entre a primeira câmara (14) e a segunda câmara (20) para transferir calor do gás quente para o gás frio. O trocador de calor de tubos térmicos (12,12') compreende ainda um ou mais cartuchos de tubos térmicos (36) dispostos de forma removível no alojamento. Cada cartucho de tubos térmicos (36) compreende uma armação (38) com um painel de suporte (40) para suportar uma pluralidade de tubos térmicos (26); sendo o painel de suporte (40) disposto de modo que, quando o cartucho de tubos térmicos (36) é colocado no alojamento, o painel de suporte (40) interaja com uma parede de separação (32) entre a primeira câmara (14) e a segunda câmara (20) para formar uma partição impermeável a gases entre as primeiras e segunda câmaras (14,20). Os tubos térmicos (26) atravessam o painel de suporte (40) e são fixos a este de forma impermeável.THERMAL TUBE HEAT EXCHANGER. A thermal tube heat exchanger (12.12 ') for transferring heat from a hot gas to a cold gas comprises a housing with a first chamber (14) for supplying a hot gas through it; a second chamber (20) for supplying a cold gas through it; and a plurality of thermal tubes (26) extending between the first chamber (14) and the second chamber (20) for transferring heat from the hot gas to the cold gas. The thermal tube heat exchanger (12.12 ') further comprises one or more thermal tube cartridges (36) removably arranged in the housing. Each cartridge of thermal tubes (36) comprises a frame (38) with a support panel (40) for supporting a plurality of thermal tubes (26); the support panel (40) being arranged so that when the thermal tube cartridge (36) is placed in the housing, the support panel (40) interacts with a separation wall (32) between the first chamber (14) and the second chamber (20) to form a gas-impermeable partition between the first and second chambers (14.20). The thermal tubes (26) pass through the support panel (40) and are fixed to it impermeably.

Description

Campo da invençãoField of invention

[001] A presente invenção se refere de um modo geral a um trocador de calor de tubos térmicos para a transferência de calor de um gás quente para um gás frio, particularmente em instalações de recuperação térmica para o pré- aquecimento de ar de combustão e/ou gás de combustão.[001] The present invention relates in general to a heat exchanger of thermal pipes for the transfer of heat from a hot gas to a cold gas, particularly in thermal recovery installations for the preheating of combustion air and / or flue gas.

Fundamentos da invençãoFundamentals of the invention

[002] Sistemas de recuperação de calor são utilizados em várias indústrias para recuperar calor de um meio e transferi-lo a outro meio. O uso do calor em excesso de um gás para o pré-aquecimento de outro gás reduz o consumo de energia, e é por isso ambientalmente mais correto.[002] Heat recovery systems are used in various industries to recover heat from one medium and transfer it to another medium. Using excess heat from one gas to preheat another gas reduces energy consumption, and is therefore more environmentally friendly.

[003] Um desses sistemas de recuperação de calor é divulgado, por exemplo, em US 4,434,004, que se a refere a um método e dispositivo para a recuperação e a reciclagem do calor proveniente de gás de descarga quentes. Os gases de descarga aquecidos ou quentes transferem o seu calor retido para as porções inferiores de tubos térmicos posicionados verticalmente. Ar ou gás frio é então direcionado através da porção superior dos tubos térmicos, desse modo transferindo o calor dos tubos térmicos para o ar ou gás frio. O dispositivo compreende uma câmara inferior através da qual o gás quente é suprido, e uma câmara superior através da qual o gás frio é suprido. Tubos térmicos são dispostos verticalmente nas duas câmaras e se estendem de uma câmara para dentro da outra. Enquanto o gás quente passa pela câmara inferior, o calor desse gás quente é absorvido pela porção inferior dos tubos térmicos, resfriando assim o gás quente. Nos tubos térmicos, o calor é transferido de sua porção inferior para sua porção superior. O gás frio que passa pela câmara superior é aquecido ao passar pela porção superior mais quente dos tubos térmicos.[003] One such heat recovery system is disclosed, for example, in US 4,434,004, which refers to a method and device for the recovery and recycling of heat from hot exhaust gas. The heated or hot exhaust gases transfer their trapped heat to the lower portions of vertically positioned thermal tubes. Cold air or gas is then directed through the upper portion of the thermal tubes, thereby transferring the heat from the thermal tubes to the cold air or gas. The device comprises a lower chamber through which hot gas is supplied, and an upper chamber through which cold gas is supplied. Thermal tubes are arranged vertically in both chambers and extend from one chamber into the other. As the hot gas passes through the lower chamber, the heat from that hot gas is absorbed by the lower portion of the thermal tubes, thus cooling the hot gas. In thermal tubes, heat is transferred from its lower portion to its upper portion. The cold gas that passes through the upper chamber is heated when it passes through the uppermost portion of the thermal tubes.

[004] Trocadores de calor de tubos térmicos são muitas vezes utilizados por causa de sua transferência muito rápida de energia térmica. Eles encontram, contudo, assim como outros tipos de trocadores de calor, o problema das incrustações e contaminações por sujeira, poeira e partículas nos fluidos. Essa sujeira pode efetivamente se depositar sobre a superfície de transferência térmica do tubo térmico e assim reduzir a eficiência da transferência térmica entre o tubo térmico e o fluido a ser aquecido ou resfriado. Além disso, à medida que mais e mais sujeira se acumula, o trocador de calor de tubos térmicos se torna entupido e a queda de pressão através do trocador de calor então aumenta.[004] Thermal tube heat exchangers are often used because of their very rapid transfer of thermal energy. They encounter, however, as well as other types of heat exchangers, the problem of fouling and contamination by dirt, dust and particles in the fluids. This dirt can effectively settle on the thermal transfer surface of the thermal tube and thus reduce the efficiency of the thermal transfer between the thermal tube and the fluid to be heated or cooled. In addition, as more and more dirt accumulates, the thermal tube heat exchanger becomes clogged and the pressure drop across the heat exchanger then increases.

[005] É portanto necessária a realização periódica de um fechamento para manutenção do sistema de recuperação térmica para limpar a contaminação e abrir as passagens de fluxo através do trocador de calor. Por causa do grande número de tubos térmicos dispostos em tal trocador de calor, a limpeza dos tubos térmicos é geralmente um processo bem demorado. Além disso, o difícil acesso às várias áreas do trocador de calor não facilita o processo de limpeza. Períodos de fechamento prolongados resultam necessariamente em perdas de produção e altos custos operacionais.[005] It is therefore necessary to periodically perform a closure to maintain the thermal recovery system to clean the contamination and open the flow passages through the heat exchanger. Because of the large number of thermal tubes arranged in such a heat exchanger, cleaning the thermal tubes is generally a very time-consuming process. In addition, the difficult access to the various areas of the heat exchanger does not facilitate the cleaning process. Prolonged closing periods necessarily result in production losses and high operating costs.

Objetivo da invençãoPurpose of the invention

[006] O objetivo da presente invenção é oferecer um trocador de calor de tubos térmicos que supere as desvantagens acima.[006] The purpose of the present invention is to offer a thermal tube heat exchanger that overcomes the above disadvantages.

Descrição resumida da invençãoBrief description of the invention

[007] Esse objetivo é alcançado por um trocador de calor de tubos térmicos como descrito aqui.[007] This objective is achieved by a thermal tube heat exchanger as described here.

[008] O trocador de calor de tubos térmicos para a transferência de calor de um gás quente para um gás frio compreende um alojamento com uma primeira câmara para o suprimento de um gás quente através dela; uma segunda câmara para o suprimento de um gás frio através dela; e uma pluralidade de tubos térmicos que se estendem entre a primeira câmara e a segunda câmara para a transferência de calor do gás quente para o gás frio. De acordo com um aspecto importante da invenção, painéis de partição são dispostos na primeira e segunda câmaras para dividir as câmaras em compartimentos de tubos térmicos, sendo os painéis de partição dispostos em um plano essencialmente paralelo ao fluxo de gás através das câmaras, com cartuchos de tubos térmicos sendo dispostos de forma removível nos compartimentos de tubos térmicos no alojamento. Cada cartucho de tubos térmicos compreende uma armação com um painel de suporte para suportar uma pluralidade de tubos térmicos. O painel de suporte é disposto de modo que, quando o cartucho de tubos térmicos é colocado no alojamento, o painel de suporte interaja com uma parede de separação entre a primeira câmara e a segunda câmara para formar uma partição impermeável entre a primeira e a segunda câmaras. Além disso, os tubos térmicos atravessam o painel de suporte e são fixos a este de forma impermeável.[008] The heat exchanger of thermal tubes for the transfer of heat from a hot gas to a cold gas comprises a housing with a first chamber for the supply of a hot gas through it; a second chamber for supplying a cold gas through it; and a plurality of thermal tubes extending between the first chamber and the second chamber for the transfer of heat from hot gas to cold gas. According to an important aspect of the invention, partition panels are arranged in the first and second chambers to divide the chambers into thermal tube compartments, the partition panels being arranged in a plane essentially parallel to the gas flow through the chambers, with cartridges of thermal tubes being removably disposed in the thermal tube compartments in the housing. Each cartridge of thermal tubes comprises a frame with a support panel to support a plurality of thermal tubes. The support panel is arranged so that when the thermal tube cartridge is placed in the housing, the support panel interacts with a separation wall between the first chamber and the second chamber to form an impermeable partition between the first and the second chambers. In addition, the thermal tubes pass through the support panel and are fixed to it impermeably.

[009] Um ou mais painéis de partição dividem a seção transversal de fluxo gasoso em duas ou mais seções transversais menores. Essa divisão das câmaras ao longo de suas larguras em compartimentos menores realça as características acústicas do trocador de calor ao reduzir as vibrações induzidas pelo fluxo, que podem levar a um colapso estrutural do trocador de calor. Nos trocadores de calor da presente invenção, a vibração dos tubos térmicos é altamente reduzida, desse modo impedindo-se tal colapso estrutural.[009] One or more partition panels divide the gas flow cross section into two or more smaller cross sections. This division of the chambers along their widths into smaller compartments enhances the acoustic characteristics of the heat exchanger by reducing the flow-induced vibrations, which can lead to a structural collapse of the heat exchanger. In the heat exchangers of the present invention, the vibration of the thermal tubes is highly reduced, thereby preventing such a structural collapse.

[0010] De acordo com a presente invenção, os tubos térmicos são agrupados em cartuchos de tubos térmicos para facilitar a manutenção do trocador de calor. O trocador de calor é dividido em uma série de compartimentos de tubos térmicos, cada um dos quais sendo projetado e configurado para receber um cartucho de tubos térmicos.[0010] According to the present invention, the thermal tubes are grouped in thermal tube cartridges to facilitate the maintenance of the heat exchanger. The heat exchanger is divided into a series of thermal tube compartments, each of which is designed and configured to receive a thermal tube cartridge.

[0011] Tal cartucho de tubos térmicos é instalado no trocador de calor de modo que o seu painel de suporte fique nivelado com a parede de separação. O painel de suporte é conectado à parede de separação para formar uma separação entre a primeira e a segunda câmaras.[0011] Such cartridge of thermal tubes is installed in the heat exchanger so that its support panel is flush with the separation wall. The support panel is connected to the partition wall to form a separation between the first and second chambers.

[0012] Durante um fechamento para manutenção, os tubos térmicos podem ser inspecionados. Caso um ou mais dos cartuchos de tubos térmicos requeiram manutenção, por exemplo, por causa de um tubo térmico quebrado ou superfícies de transferência térmica altamente contaminadas, os cartuchos de tubos térmicos em questão podem ser suspensos para fora do trocador de calor. Um cartucho de tubos térmicos substituto pode então ser instalado no trocador de calor, e o sistema de transferência térmica pode ser posto novamente em operação. O cartucho de tubos térmicos danificado pode ser limpo ou reparado fora do trocador de calor, sem prolongar assim o período de interrupção do sistema de recuperação térmica. Com efeito, a parte mais demorada da manutenção pode agora ser realizada fora do trocador de calor, enquanto este se encontra em operação. Fornecendo-se um trocador de calor de tubos térmicos modular com cartuchos de tubos térmicos substituíveis, o período de interrupção do sistema de recuperação térmica pode ser grandemente reduzido.[0012] During a maintenance shutdown, the thermal tubes can be inspected. If one or more of the thermal tube cartridges require maintenance, for example, because of a broken thermal tube or highly contaminated heat transfer surfaces, the thermal tube cartridges in question can be suspended out of the heat exchanger. A replacement thermal tube cartridge can then be installed in the heat exchanger, and the thermal transfer system can be put back into operation. The damaged thermal tube cartridge can be cleaned or repaired outside the heat exchanger, without prolonging the thermal recovery system interruption period. In fact, the most time-consuming part of maintenance can now be carried out outside the heat exchanger while it is in operation. By providing a modular thermal tube heat exchanger with replaceable thermal tube cartridges, the interruption period of the thermal recovery system can be greatly reduced.

[0013] O painel de suporte do cartucho de tubos térmicos é preferivelmente conectado à parede de separação por meio de uma solda removível de modo a formar uma vedação impermeável a gases entre a primeira e segunda câmaras. Uma soldagem removível circular é realizada após a instalação do cartucho de tubos térmicos no trocador de calor. Antes da remoção do cartucho de tubos térmicos do trocador de calor, essa solda circular pode ser rompida. Deve ser observado que a conexão entre o painel de suporte e a parede de separação pode ser obtida por outros meios adequados como, por exemplo, por pinos. Um elemento de vedação pode ser disposto entre o painel de suporte e a parede de separação de modo a formar uma vedação impermeável a gases entre a primeira e a segunda câmaras.[0013] The thermal tubes cartridge support panel is preferably connected to the partition wall by means of a removable solder in order to form a gas-tight seal between the first and second chambers. A removable circular weld is performed after installing the thermal tube cartridge in the heat exchanger. Before removing the thermal tube cartridge from the heat exchanger, this circular weld can be broken. It should be noted that the connection between the support panel and the partition wall can be achieved by other suitable means, for example, by pins. A sealing element can be arranged between the support panel and the separation wall to form a gas-tight seal between the first and second chambers.

[0014] O trocador de calor compreende preferivelmente uma primeira abertura em uma parede externa da segunda câmara e uma segunda abertura na parede de separação entre a primeira e segunda câmaras; a primeira e a segunda aberturas são dispostas e têm suas dimensões projetadas para suprirem um cartucho de tubos térmicos através delas. A primeira e segunda aberturas permitem que o cartucho de tubos térmicos seja fácil e rapidamente suprido ou removido do trocador de calor.[0014] The heat exchanger preferably comprises a first opening in an external wall of the second chamber and a second opening in the separation wall between the first and second chambers; the first and second openings are arranged and have their dimensions designed to supply a cartridge of thermal tubes through them. The first and second openings allow the thermal tube cartridge to be easily and quickly supplied or removed from the heat exchanger.

[0015] Os tubos térmicos são vantajosamente fixos ao painel de suporte por meio de um mecanismo de porcas e parafusos com juntas metálicas fornecidas em ambos os lados do painel de suporte, obtendo-se assim uma conexão impermeável, que no entanto pode ser afrouxada para a troca dos tubos térmicos por propósitos de manutenção e substituição.[0015] The thermal tubes are advantageously fixed to the support panel by means of a mechanism of nuts and screws with metal joints provided on both sides of the support panel, thus obtaining an impermeable connection, which however can be loosened to exchange of thermal tubes for maintenance and replacement purposes.

[0016] Essas e outras modalidades preferidas são aqui indicadas.[0016] These and other preferred modalities are indicated here.

Breve descrição dos desenhosBrief description of the drawings

[0017] A presente invenção será agora descrita, a título exemplificativo, com referência aos desenhos anexos, nos quais: - a Figura 1 é uma vista em perspectiva de um sistema de recuperação térmica com dois trocadores de calor de tubos térmicos de acordo com a presente invenção; - a Figura 2 é uma vista em perspectiva do sistema de recuperação térmica da Figura 1 sem suas capas de transição; - a Figura 3 é uma vista em perspectiva de um cartucho de tubos térmicos para o sistema de recuperação térmica da Figura 1; e - a Figura 4 é uma vista em perspectiva do cartucho de tubos térmicos da Figura 3.[0017] The present invention will now be described, by way of example, with reference to the accompanying drawings, in which: - Figure 1 is a perspective view of a thermal recovery system with two heat exchangers from thermal tubes according to the present invention; - Figure 2 is a perspective view of the thermal recovery system in Figure 1 without its transition covers; Figure 3 is a perspective view of a thermal tube cartridge for the thermal recovery system of Figure 1; and - Figure 4 is a perspective view of the thermal tube cartridge of Figure 3.

Descrição detalhada de uma modalidade preferidaDetailed description of a preferred modality

[0018] A Fig. 1 mostra uma modalidade preferida de um sistema de recuperação de tubos térmicos 10 com dois trocadores de calor de tubos térmicos 12, 12’ de acordo com a presente invenção. Um trocador de calor 12, 12’ pode ser utilizado para pré-aquecer gás de combustão, enquanto o outro 12, 12’ pode ser utilizado para pré-aquecer ar de combustão.[0018] Fig. 1 shows a preferred embodiment of a thermal tube recovery system 10 with two thermal tube heat exchangers 12, 12 'according to the present invention. One heat exchanger 12, 12 'can be used to preheat flue gas, while the other 12, 12' can be used to preheat combustion air.

[0019] Cada trocador de calor 12, 12’ compreende uma primeira câmara 14 com uma primeira porta 16 e uma segunda porta 18, e uma segunda câmara 20 com uma terceira porta 22 e uma quarta porta 24. A segunda câmara 20 é, na modalidade mostrada nas figuras, disposta verticalmente acima da primeira câmara 14. Vários tubos térmicos 26 - geralmente alguns milhares - são verticalmente dispostos na primeira e na segunda câmaras 14, 20. Esses tubos térmicos 26 geralmente se estendem por toda a altura da segunda câmara 20, passam através de uma parede de separação (não visível na Fig. 1) a partir da segunda câmara 20 até a primeira câmara 14, e se estendem por toda a altura da primeira câmara 14. O fluxo de ar ou gás através do trocador de calor pode partir da primeira e terceira portas 16, 22 até a segunda e quarta portas 18, 24, respectivamente. Preferivelmente, contudo, o trocador de calor é operado em um modo de fluxo contrário, em que o ar ou gás flui através do trocador de calor da primeira e quarta portas 16, 24 até a segunda e terceira portas 18, 22 respectivamente.[0019] Each heat exchanger 12, 12 'comprises a first chamber 14 with a first port 16 and a second port 18, and a second chamber 20 with a third port 22 and a fourth port 24. The second chamber 20 is, in the modality shown in the figures, arranged vertically above the first chamber 14. Several thermal tubes 26 - usually a few thousand - are vertically arranged in the first and second chambers 14, 20. These thermal tubes 26 generally extend over the entire height of the second chamber 20 , pass through a separation wall (not visible in Fig. 1) from the second chamber 20 to the first chamber 14, and extend over the entire height of the first chamber 14. The flow of air or gas through the heat exchanger heat can start from the first and third ports 16, 22 to the second and fourth ports 18, 24, respectively. Preferably, however, the heat exchanger is operated in a reverse flow mode, in which air or gas flows through the heat exchanger from the first and fourth ports 16, 24 to the second and third ports 18, 22 respectively.

[0020] De acordo com a presente invenção, os tubos térmicos 26 são agrupados em cartuchos de tubos térmicos para facilitar a manutenção do trocador de calor. O trocador de calor 12 mostrado na Fig. 1 é dividido, na direção do fluxo gasoso, em três módulos de tubos térmicos 28, 28’, 28’’, cada um dos quais sendo mais uma vez dividido, perpendicularmente à direção do fluxo gasoso, em dois compartimentos de tubos térmicos 30, 30’. Cada compartimento de tubos térmicos 30, 30’ é projetado e configurado para receber um cartucho de tubos térmicos.[0020] According to the present invention, thermal tubes 26 are grouped in thermal tube cartridges to facilitate the maintenance of the heat exchanger. The heat exchanger 12 shown in Fig. 1 is divided, in the direction of the gas flow, into three thermal tube modules 28, 28 ', 28' ', each of which is once again divided, perpendicular to the direction of the gas flow , in two thermal tube compartments 30, 30 '. Each thermal tube compartment 30, 30 'is designed and configured to receive a cartridge of thermal tubes.

[0021] Os módulos de tubos térmicos 28, 28’, 28’’ e os compartimentos de tubos térmicos 30, 30’ são mais aparentes na Fig. 2, que representa o sistema de recuperação térmica 10 da Fig. 1 com as capas de transição para conexão a dutos tendo sido removidas. A Fig. 2 também mostra a parede de separação 32 entre a primeira e segunda câmaras 14, 20.[0021] Thermal tube modules 28, 28 ', 28' 'and thermal tube compartments 30, 30' are more apparent in Fig. 2, which represents the thermal recovery system 10 of Fig. 1 with the covers of transition to connection to pipelines having been removed. Fig. 2 also shows the separation wall 32 between the first and second chambers 14, 20.

[0022] Pode ser visto também que painéis de partição 34 são dispostos entre os compartimentos de tubos térmicos 30, 30’. Esses painéis de partição 34 estão em uma direção paralela ao fluxo de gás através do trocador de calor 12, 12’, e dividem a seção transversal do fluxo gasoso em duas seções transversais menores. Essa divisão das câmaras 14, 20 ao longo de suas larguras em compartimentos menores realça as características acústicas do trocador de calor ao reduzir as vibrações induzidas pelo fluxo. Nos trocadores de calor 12, 12’ da presente invenção, a vibração dos tubos térmicos é altamente reduzida, desse modo reduzindo-se a poluição sonora pelos trocadores de calor. Os painéis de partição 34 são preferivelmente dispostos de forma removível para que possam ser removidos durante um fechamento para manutenção a fim de facilitar o acesso aos tubos térmicos 26. Mais de um painel de partição 34 pode ser fornecido para dividir a seção transversal de fluxo gasoso em mais de duas seções transversais menores.[0022] It can also be seen that partition panels 34 are disposed between the thermal tube compartments 30, 30 ’. These partition panels 34 are in a direction parallel to the gas flow through the heat exchanger 12, 12 ’, and divide the cross section of the gas flow into two smaller cross sections. This division of the chambers 14, 20 over their widths into smaller compartments enhances the acoustic characteristics of the heat exchanger by reducing the vibrations induced by the flow. In the heat exchangers 12, 12 'of the present invention, the vibration of the thermal tubes is highly reduced, thereby reducing noise pollution by the heat exchangers. The partition panels 34 are preferably removably arranged so that they can be removed during a maintenance close-up to facilitate access to the thermal tubes 26. More than one partition panel 34 can be provided to divide the gas flow cross section in more than two smaller cross sections.

[0023] Como afirmado acima, os tubos térmicos 26 são, de acordo com a presente invenção, agrupados em cartuchos de tubos térmicos 36, cada um dos quais sendo mostrado mais detalhadamente na Fig. 3. O cartucho de tubos térmicos 36 será agora descrito mais detidamente com referência às Figs. 3 e 4, esta última ilustrando o cartucho de tubos térmicos 36 da Fig. 3 com todos os tubos térmicos removidos.[0023] As stated above, the thermal tubes 26 are, according to the present invention, grouped in thermal tube cartridges 36, each of which is shown in more detail in Fig. 3. The thermal tube cartridge 36 will now be described more closely with reference to Figs. 3 and 4, the latter illustrating the thermal tube cartridge 36 of Fig. 3 with all the thermal tubes removed.

[0024] O cartucho de tubos térmicos 36 compreende vários tubos térmicos 26 - algumas centenas deles - montados em uma armação 38. Essa armação 38 compreende um painel de suporte 40 com uma superfície superior 42 voltada, quando instalada, para a primeira câmara 14. O painel de suporte 40 compreende uma série de aberturas para a passagem dos tubos térmicos 26 individuais. Meios de conexão, mais detalhadamente descritos adiante, são fornecidos para fixar cada tubo térmico 26 ao painel de suporte 40. A armação 38 compreende ainda uma série de painéis auxiliares 46 com aberturas para a passagem dos tubos térmicos individuais 26. Os painéis auxiliares 46 são dispostos paralelamente e a uma distância predeterminada do painel de suporte 40 e entre si. As aberturas dos painéis auxiliares 46 têm um diâmetro suficientemente grande para a passagem dos tubos térmicos 26 com suas asas associadas, sem criarem uma conexão fixa entre os painéis auxiliares 46 e os tubos térmicos 26. Com efeito, o propósito dos painéis auxiliares 46 é principalmente manter os tubos térmicos 26 vizinhos a uma distância predeterminada entre si. Os painéis auxiliares 46 servem como um guia de distância e mantêm os tubos térmicos alinhados durante a operação.[0024] The thermal tube cartridge 36 comprises several thermal tubes 26 - a few hundred of them - mounted on a frame 38. This frame 38 comprises a support panel 40 with an upper surface 42 facing, when installed, towards the first chamber 14. The support panel 40 comprises a series of openings for the passage of the individual thermal tubes 26. Connecting means, more fully described below, are provided for attaching each thermal tube 26 to the support panel 40. The frame 38 further comprises a series of auxiliary panels 46 with openings for the passage of the individual thermal tubes 26. The auxiliary panels 46 are arranged in parallel and at a predetermined distance from the support panel 40 and from each other. The openings of the auxiliary panels 46 have a diameter large enough for the passage of the thermal tubes 26 with their associated wings, without creating a fixed connection between the auxiliary panels 46 and the thermal tubes 26. Indeed, the purpose of the auxiliary panels 46 is mainly keep the thermal tubes 26 neighbors at a predetermined distance from each other. Auxiliary panels 46 serve as a distance guide and keep the thermal tubes aligned during operation.

[0025] O painel de suporte 40 e os painéis auxiliares 46 são, como mostra a Fig. 4, conectados entre si por meio de quatro hastes de conexão 48. O painel de suporte 40, os painéis auxiliares 46 e as quatro hastes de conexão 48 são conectados fixamente entre si, por exemplo, por soldagem, para formar a armação 38 do cartucho de tubos térmicos 36.[0025] The support panel 40 and the auxiliary panels 46 are, as shown in Fig. 4, connected together by means of four connecting rods 48. The supporting panel 40, auxiliary panels 46 and the four connecting rods 48 are fixedly connected to each other, for example, by welding, to form the frame 38 of the thermal tube cartridge 36.

[0026] Os tubos térmicos 26 são conectados fixamente ao painel de suporte 40 e, a fim de impedir a transferência de gás de uma câmara 14, 20 para a outra, a conexão dos tubos térmicos deve ser impermeável a gases. Diversos meios de conexão são conhecidos, tais como, dentre outros, a soldagem do tubo térmico diretamente ao painel de suporte; prensagem e aperto com anéis de vedação; ou aparafusagem no painel de suporte. Preferivelmente, contudo, um mecanismo de contraporcas e parafusos é utilizado em que a impermeabilidade é alcançada em ambos os lados do painel de suporte pela cabeça de parafuso em um lado e pela contraporca no outro. Juntas metálicas são preferivelmente fornecidas em ambos os lados do painel de suporte 40 entre a cabeça de parafuso e a superfície superior 42 do painel de suporte 40, e entre a contraporca e a superfície inferior 44 do painel de suporte 40.[0026] The thermal tubes 26 are fixedly connected to the support panel 40 and, in order to prevent the transfer of gas from one chamber 14, 20 to the other, the connection of the thermal tubes must be impermeable to gases. Several connection means are known, such as, among others, the welding of the thermal tube directly to the support panel; pressing and sealing with sealing rings; or screwing on the support panel. Preferably, however, a locknut and bolt mechanism is used in which impermeability is achieved on both sides of the support panel by the bolt head on one side and the locknut on the other. Metal joints are preferably provided on both sides of the support panel 40 between the screw head and the upper surface 42 of the support panel 40, and between the locknut and the lower surface 44 of the support panel 40.

[0027] O mecanismo de contraporcas e parafusos tem a vantagem de que tubos térmicos 26 individuais podem ser removidos do painel de suporte 40 e substituídos. Tubos térmicos danificados podem então ser trocados mais facilmente. Além disso, uma vedação impermeável a gases é formada entre as superfícies superior e inferior 42, 44 do painel de suporte 40, de modo que o gás da primeira câmara 14 não se misture com o gás da segunda câmara 20. Isso é particularmente importante caso um dos gases seja um gás de combustão.[0027] The locknut and screw mechanism has the advantage that individual thermal tubes 26 can be removed from the support panel 40 and replaced. Damaged thermal tubes can then be replaced more easily. In addition, a gas-tight seal is formed between the upper and lower surfaces 42, 44 of the support panel 40, so that the gas in the first chamber 14 does not mix with the gas in the second chamber 20. This is particularly important if one of the gases is a flue gas.

[0028] Para a instalação e a remoção dos cartuchos de tubos térmicos 36, o trocador de calor apresenta uma primeira abertura 50 em uma parede externa 52 da segunda câmara 20. Uma segunda abertura 54 é disposta na parede de separação 32 entre a primeira e a segunda câmaras 14, 20.[0028] For the installation and removal of the thermal tube cartridges 36, the heat exchanger has a first opening 50 in an external wall 52 of the second chamber 20. A second opening 54 is arranged in the separation wall 32 between the first and the second chambers 14, 20.

[0029] Durante a instalação, um cartucho de tubos térmicos 36 é descido verticalmente para dentro do trocador de calor 12, 12’ através da primeira abertura 50 e da segunda abertura 54. O painel de suporte 40 é descido até o nível da parede de separação 32 para fechar a segunda abertura 54. Preferivelmente, o painel de suporte 40 fica com sua borda sobre a parede de separação 32 antes de ser soldado a esta ao longo de toda a sua circunferência, desse modo criando uma conexão impermeável entre o painel de suporte 40 e a parede de separação 32. Uma vez instalada no trocador de calor 12, 12’, a porção inferior dos tubos térmicos 26 é disposta na primeira câmara 14 e atua como um evaporador quando gás quente é suprido através da primeira câmara 14, enquanto que a porção superior dos tubos térmicos 26 é disposta na segunda câmara 20 e atua como um condensador quando gás frio é suprido através da segunda câmara 20.[0029] During installation, a cartridge of thermal tubes 36 is lowered vertically into the heat exchanger 12, 12 'through the first opening 50 and the second opening 54. The support panel 40 is lowered to the level of the wall separation 32 to close the second opening 54. Preferably, the support panel 40 has its edge on the separation wall 32 before being welded to it along its entire circumference, thereby creating an impermeable connection between the separation panel support 40 and the separation wall 32. Once installed in the heat exchanger 12, 12 ', the lower portion of the thermal tubes 26 is arranged in the first chamber 14 and acts as an evaporator when hot gas is supplied through the first chamber 14, while the upper portion of the thermal tubes 26 is arranged in the second chamber 20 and acts as a condenser when cold gas is supplied through the second chamber 20.

[0030] Durante um fechamento para manutenção rotineiro, os tubos térmicos 26 podem ser inspecionados através dos buracos e das janelas de inspeção 56 dispostas nas paredes laterais do trocador de calor 12, 12’. Caso um ou mais dos cartuchos de tubos térmicos 36 requeira manutenção, por exemplo, por causa de um tubo térmico quebrado ou superfícies de transferência térmica altamente contaminadas, os cartuchos de tubos térmicos 36 em questão podem ser removidos pela ruptura da solda entre o painel de suporte 40 e a parede de separação 32 e pela suspensão do cartucho de tubos térmicos 36 danificado para fora do trocador de calor 12, 12’. Um cartucho de tubos térmicos 36 substituto é então instalado dentro do trocador de calor, e o sistema de transferência térmica pode ser posto novamente em operação. O cartucho de tubos térmicos 36 danificado pode ser limpo ou reparado fora do trocador de calor, sem prolongar assim o período de interrupção do sistema de recuperação térmica. Com efeito, a parte mais demorada da manutenção pode agora ser realizada fora do trocador de calor, enquanto este fica em operação. Pelo fornecimento de um trocador de calor de tubos térmicos modular com cartuchos de tubos térmicos substituíveis, o período de interrupção do sistema de recuperação térmica pode ser grandemente reduzido.[0030] During a routine maintenance shutdown, thermal tubes 26 can be inspected through holes and inspection windows 56 arranged on the side walls of the heat exchanger 12, 12 ’. If one or more of the thermal tube cartridges 36 requires maintenance, for example, because of a broken thermal tube or highly contaminated heat transfer surfaces, the thermal tube cartridges 36 in question can be removed by breaking the weld between the panel. support 40 and the separation wall 32 and by suspending the damaged thermal tube cartridge 36 out of the heat exchanger 12, 12 '. A replacement thermal tube cartridge 36 is then installed inside the heat exchanger, and the heat transfer system can be put back into operation. The damaged thermal tube cartridge 36 can be cleaned or repaired outside the heat exchanger, without thereby prolonging the interruption period of the thermal recovery system. In fact, the most time-consuming part of maintenance can now be carried out outside the heat exchanger while it is in operation. By providing a modular thermal tube heat exchanger with replaceable thermal tube cartridges, the interruption period of the thermal recovery system can be greatly reduced.

[0031] Deve ser observado que a presente invenção se refere a um trocador de calor associado a uma instalação de recuperação térmica. Tal trocador de calor geralmente tem as duas câmaras 14, 20 dispostas verticalmente uma acima da outra. Encontra-se contudo também dentro do escopo da invenção a colocação das duas câmaras 14, 20 quase horizontalmente uma ao lado da outra. Os tubos térmicos devem porém apresentar uma leve inclinação (por exemplo, de ao menos 5°) com relação à horizontal. Tais disposições podem ser utilizadas para outras aplicações, tais como, por exemplo, usinas de energia. Lista de números de referência

Figure img0001
[0031] It should be noted that the present invention relates to a heat exchanger associated with a thermal recovery installation. Such a heat exchanger generally has two chambers 14, 20 arranged vertically above each other. However, it is also within the scope of the invention to place the two chambers 14, 20 almost horizontally next to each other. However, the thermal tubes must have a slight inclination (for example, at least 5 °) with respect to the horizontal. Such provisions can be used for other applications, such as, for example, power plants. List of reference numbers
Figure img0001

Claims (11)

1. Trocador de calor de tubos térmicos (12, 12’) para a transferência de calor de um gás quente para um gás frio, compreendendo um alojamento com uma primeira câmara (14) para o suprimento de um gás quente; uma segunda câmara (20) para o suprimento de um gás frio; uma pluralidade de tubos térmicos (26) se estendendo entre a primeira câmara (14) e a segunda câmara (20) para transferir calor do referido gás quente para o referido gás frio; e cartuchos de tubos térmicos (36) dispostos de forma removível nos referidos compartimentos de tubos térmicos (30, 30’) no referido alojamento; sendo que cada cartucho de tubos térmicos (36) compreende uma armação (38) com um painel de suporte (40) para suportar uma pluralidade de tubos térmicos (26); o referido painel de suporte (40) sendo disposto de modo que, quando o referido cartucho de tubos térmicos (36) é disposto nos referidos compartimentos de tubos térmicos (30, 30’), o referido painel de suporte (40) coopera com uma parede de separação (32) entre a referida primeira câmara (14) e a referida segunda câmara (20) para formar uma partição impermeável a gases entre as referidas primeira e segunda câmaras (14, 20); os referidos tubos térmicos (26) atravessando o referido painel de suporte (40) e sendo fixos a este de forma impermeável a gases caracterizado por compreender painéis de partição (34) dispostos nas referidas primeira e segunda câmaras (14, 20) para dividir as referidas câmaras (14, 20) em compartimentos de tubos térmicos (30, 30’), sendo os referidos painéis de partição (34) dispostos em um plano paralelo ao fluxo gasoso através das referidas câmaras (14, 20), e sendo a direção de fluxo gasoso através de um compartimento de tubos térmicos (30, 30’) paralela à direção do fluxo gasoso através de um compartimento de tubos térmicos (30, 30’) vizinho.1. Thermal tube heat exchanger (12, 12 ') for the transfer of heat from a hot gas to a cold gas, comprising a housing with a first chamber (14) for the supply of a hot gas; a second chamber (20) for supplying a cold gas; a plurality of thermal tubes (26) extending between the first chamber (14) and the second chamber (20) for transferring heat from said hot gas to said cold gas; and thermal tube cartridges (36) removably disposed in said thermal tube compartments (30, 30 ') in said housing; each thermal tube cartridge (36) comprising a frame (38) with a support panel (40) for supporting a plurality of thermal tubes (26); said support panel (40) being arranged so that when said thermal tube cartridge (36) is arranged in said thermal tube compartments (30, 30 '), said support panel (40) cooperates with a separation wall (32) between said first chamber (14) and said second chamber (20) to form a gas-impermeable partition between said first and second chambers (14, 20); said thermal tubes (26) passing through said support panel (40) and being fixed to it in a gas impermeable manner characterized by comprising partition panels (34) arranged in said first and second chambers (14, 20) to divide the said chambers (14, 20) in thermal tube compartments (30, 30 '), said partition panels (34) being arranged in a plane parallel to the gas flow through said chambers (14, 20), and the direction being gas flow through a thermal tube compartment (30, 30 ') parallel to the direction of the gas flow through a neighboring thermal tube compartment (30, 30'). 2. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido painel de suporte (40) do referido cartucho de tubos térmicos (36) ser conectado à referida parede de separação (32) por meio de uma solda removível de modo a formar uma vedação impermeável a gases entre as referidas primeira e segunda câmaras (14, 20).Heat exchanger according to claim 1, characterized in that said support panel (40) of said thermal tube cartridge (36) is connected to said separation wall (32) by means of a removable solder in order to forming a gas-tight seal between said first and second chambers (14, 20). 3. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o referido painel de suporte (40) do referido cartucho de tubos térmicos (36) ser conectado à referida parede de separação (32) por meio de pinos, sendo um elemento de vedação disposto entre o referido painel de suporte (40) e a referida parede de separação (32) para formar uma vedação impermeável a gases entre as referidas primeira e segunda câmaras (14, 20).Heat exchanger according to claim 1, characterized in that said support panel (40) of said thermal tube cartridge (36) is connected to said separation wall (32) by means of pins, being an element of seal arranged between said support panel (40) and said separation wall (32) to form a gas-tight seal between said first and second chambers (14, 20). 4. Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a referida armação (38) compreender adicionalmente um ou mais painéis auxiliares (46), cada painel auxiliar (46) compreendendo uma pluralidade de aberturas para receberem tubos térmicos (26), sendo as referidas aberturas dispostas de modo a prover guias para os referidos tubos térmicos (26) e manter os referidos tubos térmicos (26) paralelos entre si.Heat exchanger according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said frame (38) additionally comprises one or more auxiliary panels (46), each auxiliary panel (46) comprising a plurality of openings for receiving thermal tubes (26), said openings being arranged to provide guides for said thermal tubes (26) and to keep said thermal tubes (26) parallel to each other. 5. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por os referidos tubos térmicos (26) serem providos com asas e pelas aberturas dos referidos painéis auxiliares (46) terem um diâmetro suficientemente grande para a passagem das referidas asas.Heat exchanger according to claim 4, characterized in that said thermal tubes (26) are provided with wings and the openings of said auxiliary panels (46) are large enough for the passage of said wings. 6. Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 5, caracterizado por a referida armação compreender uma ou mais hastes de conexão (48) para a sua conexão ao referido painel de suporte (40) e aos referidos painéis auxiliares (46).Heat exchanger according to any one of claims 4 to 5, characterized in that said frame comprises one or more connecting rods (48) for connection to said support panel (40) and said auxiliary panels (46) ). 7. Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por compreender uma primeira abertura (50) em uma parede externa (52) da referida segunda câmara (20) e uma segunda abertura (54) na referida parede de separação (32) entre as referidas primeira e segunda câmaras (14, 20); sendo as referidas primeira e segunda aberturas dispostas e projetadas para suprirem um cartucho de tubos térmicos através delas.Heat exchanger according to any one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises a first opening (50) in an external wall (52) of said second chamber (20) and a second opening (54) in said wall of separation (32) between said first and second chambers (14, 20); said first and second openings being arranged and designed to supply a cartridge of thermal tubes through them. 8. Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o referido painel de suporte (40) ser soldado à referida parede de separação (32) quando os referidos cartuchos de tubos térmicos (36) são instalados no referido trocador de calor (12, 12’).Heat exchanger according to any one of claims 1 to 7, characterized in that said support panel (40) is welded to said separation wall (32) when said thermal tube cartridges (36) are installed in said heat exchanger (12, 12 '). 9. Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por furos e janelas de inspeção (56) serem dispostos nas paredes laterais do referido trocador de calor (12, 12’).Heat exchanger according to any one of claims 1 to 8, characterized in that holes and inspection windows (56) are arranged on the side walls of said heat exchanger (12, 12 '). 10. Trocador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por os tubos térmicos (26) serem fixos ao referido painel de suporte (40) por meio de um mecanismo de contraporcas e parafusos.Heat exchanger according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the thermal tubes (26) are fixed to said support panel (40) by means of a locknut and screw mechanism. 11. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por uma junta metálica ser provida entre uma cabeça de parafuso do parafuso e uma superfície superior (42) do referido painel de suporte (40); e/ou entre uma contraporca e uma superfície inferior (44) do referido painel de suporte (40).Heat exchanger according to claim 10, characterized in that a metal joint is provided between a screw head and a top surface (42) of said support panel (40); and / or between a locknut and a lower surface (44) of said support panel (40).
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