BR112016017371B1

BR112016017371B1 - dispositivo de troca de calor

Info

Publication number: BR112016017371B1
Application number: BR112016017371-6A
Authority: BR
Inventors: Frank Günter Lehmann
Original assignee: Hydac Cooling Gmbh
Priority date: 2014-02-08
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2021-01-05
Also published as: CN106133471A; EP3102903A1; ES2699881T3; EP3102903B1; CN106133471B; US20160341482A1; WO2015117635A1; DK3102903T3; BR112016017371A2; US10295264B2; DE102014001703A1

Abstract

DISPOSITIVO DE TROCA DE CALOR. A presente invenção refere-se a um dispositivo de troca de calor (2), especialmente um trocador de calor de fluido/ar, com câmaras coletoras individuais (6, 10) condutoras de fluido, as quais apresentam respectivamente uma entrada (8) ou saída (12) para a alimentação de fluido, respectivamente descarga de fluido, e as quais estão conectadas entre si através de guias de fluido (14) em forma de canais, as quais, durante a operação do dispositivo, controlam a temperatura, especialmente resfriando, de uma corrente de fluido por meio de uma corrente de ar, a qual corre em guias de ar em forma de canais que estão separadas, de modo vedado a meios, das guias de fluido (14), dispositivo este que é caracterizado pelo fato de que para a construção do dispositivo de troca de calor (2) como um todo, entre as câmaras coletoras (6, 10), que estão dispostas em faces externas opostas uma à outra, acha-se inserido pelo menos uma outra câmara coletora (18; 20, 22), que está disposta paralelamente às câmaras coletoras (6, 10) localizadas externamente e na qual desembocam igualmente todas as guias de fluido (14) conectadas com uma câmara coletora (6, 10) localizada externamente.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo de troca de calor, especialmente um trocador de calor de fluido/ar, com câmaras coletoras individuais condutoras de fluido, as quais apresentam respectivamente uma entrada ou saída para a alimentação de fluido, respectivamente descarga de fluido, e as quais estão conectadas entre si através de guias de fluido em forma de canais, as quais, durante a operação do dispositivo, controlam a temperatura, especialmente resfriando, de uma corrente de fluido por meio de uma corrente de ar, a qual corre em guias de ar em forma de canais que estão separadas, de modo vedado a meios, das guias de fluido.

[002] Dispositivos de troca de calor desse tipo, também chamados de radiadores de lamelas, são considerados estado da técnica. Com ar servindo de meio de refrigeração, esses trocadores de calor são empregados frequentemente para a refrigeração de líquidos hidráulicos para o sistema hidráulico de operação de instalações de máquinas, tais como máquinas de obras ou similares, para mecanismos hidrostáticos de movimentação, ou como radiadores a óleo para mecanismos sob carga elevada, a saber, no caso de instalações de energia eólica. O documento DE 10 2010 056 567 A1 mostra um exemplo de aplicação de um trocador de calor desse tipo em um sistema de refrigeração a líquido/ar para a geração de uma potência de refrigeração para o líquido hidráulico no circuito operacional hidráulico de uma unidade de máquina correspondente. Na operação desse tipo de instalação, os trocadores de calor ficam expostos não apenas a esforços mecânicos de carga, como também, em magnitude especial, a esforços térmicos de carga devido às grandes expansões de temperaturas que podem ocorrer nos componentes do sistema quando em operação. Esses esforços de carga resultam tanto devido às temperaturas de operação dos meios envolvidos, como o ar e o fluido, quanto devido às influências das temperaturas ambientes no local de emprego dos trocadores de calor, como, por exemplo, devido às condições climáticas no local de uso.

[003] No caso dos trocadores de calor na forma dos assim chamados radiadores de lamelas em construções usuais, que são construídos, como mostra o DE 10 2010 046 913 A1, a partir de um pacote de placas superpostas, entre as quais são formadas alternadamente guias de ventilação e guias de fluido em forma de canais, podem vir a ocorrer tensionamentos no pacote de componentes de vido a expansões de comprimento, por exemplo, no caso de altas temperaturas operacionais dos fluidos devido a saltos de temperatura, tal como ocorrem no caso de uma operação intermitente. Consequências possíveis são fissuras de tensionamento no pacote que é ligado por solda para formar um bloco rígido, especialmente na região das costuras de solda, com o risco de pane do trocador de calor e, consequentemente, de colocar em risco o sistema correspondente. Para evitar isso, pelo DE 10 2010 046 913 A1 conhece-se o procedimento de dar uma forma de perfil especial às áreas de solda nas réguas que formam as placas, forma de perfil esta que leva a uma mudança aproximadamente linear da resistência à flexão das pernas do perfil, de tal modo que se obtenha um comportamento perfeito de flexão das pernas e seja minimizado o risco de fissuras de tensionamento nas regiões de solda.

[004] Enquanto o risco de perturbações operacionais no caso de saltos de temperaturas acima de faixas elevadas de temperatura fica assim evitado de modo eficaz, podem ocorrer problemas causados por temperaturas mais baixas que ocorram no trocador de calor. Esse é precisamente o caso quando os sistemas correspondentes são usados em zonas climáticas adversas, como, por exemplo, nas regiões ao norte dos Estados Unidos, no Canadá, ao norte da China ou áreas similares e quando, nesses casos, os sistemas ficam expostos diretamente a influências ambientais, como, por exemplo, em instalações de energia eólica. As alterações de viscosidade do fluido, tal como ocorrem na operação no inverno a baixas temperaturas, levam a perdas de pressão. Devido a formações de parafina que podem ocorrer nos fluidos a temperaturas baixas, pode vir a ocorrer um "congelamento" do trocador de calor. Para tornar os sistemas de refrigeração de fluido/ar adaptados ao inverno, os respectivos trocadores de calor são construídos, de modo usual, com maiores espessuras de material e/ou se reduz a quantidade de ar de refrigeração através de variância do número de rotações do correspondente ventilador, como, por exemplo, por meio de sistemas de controle, tal como descrito no documento já mencionado DE 10 201 056 567 A1.

[005] No que se refere a essa problemática, a invenção se propõe a disponibilizar um dispositivo de troca de calor do gênero observado, que se distinga por um melhor comportamento operacional na faixa de baixas temperaturas.

[006] Esse objetivo é alcançado através de um dispositivo de troca de calor que apresenta as características da presente invenção.

[007] Nesse sentido, uma particularidade essencial da invenção consiste em que das câmaras coletoras que conduzem o fluido a ter a temperatura controlada, que apresentam respectivamente uma entrada ou uma saída de fluido, são previstas três ou mais câmaras que, em relação à direção de fluxo que corre entre a entrada e a saída, estão dispostas paralelamente uma à outra. Em comparação com a forma convencional de construção, na qual o trocador de calor é percorrido por todo o comprimento através dos canais de fluido que correm entre as duas câmaras coletoras nas extremidades, no caso da invenção, com pelo menos uma outra câmara coletora disposta entre as câmaras coletoras nas extremidades, tanto a extensão, como a corrente volumétrica por cada câmara coletora se dividem em dois. Consequentemente, a perda de pressão operacional se reduz a um quarto do valor usual, com um melhoramento correspondente do comportamento operacional a baixas temperaturas, com as mudanças de viscosidade que acompanham esse processo. Devido a isso, a adequação desejada ao inverno pode ser alcançada mesmo no caso de uma alta carga de ar, de tal modo que se torna possível empregar mecanismos de ventilador mais simples e disso resultam, no geral, custos de produção substancialmente reduzidos.

[008] A construção do dispositivo pode ser obtida vantajosamente pelo fato de que uma câmara seletora com uma entrada ou saída para fluido fica disposta no meio entre dois grupos, separados um do outro por essa câmara coletora, de guias de fluido em forma de canais, as quais, em suas extremidades livres de costas uma para a outra desembocam respectivamente em uma câmara coletora localizada externamente, a qual apresenta uma saída, respectivamente uma entrada.

[009] Igualmente, também o dispositivo de troca de calor pode ser formado por pelo menos dois trocadores de calor de fluido/ar que, de preferência, dispostos em um plano, com suas câmaras coletoras contíguas apontam para uma direção de fluxo de fluido em comum, e apresentam uma entrada ou uma saída, sendo que as câmaras coletoras respectivamente conectadas através das guias de fluido em forma de canal formam a saída, respectivamente a entrada para o fluido.

[0010] Em uma forma de execução assim configurada, com pelo menos dois trocadores de calor de fluido/ar, sendo que uma câmara coletora de um dos trocadores de calor apresenta, em regiões extremas opostas, uma entrada e uma saída, este pode ser conectado, em série, à entrada da câmara coletora seguinte de outro trocador de calor.

[0011] Nesse caso, as câmaras coletoras conectadas em série uma à outra podem apresentar direções de fluxo opostas uma à outra quando em operação do dispositivo, sendo que a outra câmara coletora do segundo trocador de calor conectado em série ao outro trocador de calor encontra-se conectada, por sua saída, à entrada da câmara coletora daquele trocador de calor que, em sua outra extremidade oposta, apresenta uma saída. Também nesse caso, devido a isso, as extensões dos canais de fluido e as correntes volumétricas dentro das câmaras coletoras estão divididas em dois. Em exemplos de execução com dois ou mais trocadores de calor de fluido/ar, estes podem ser dispostos em combinações espaciais desejadas um em relação ao outro, de tal modo que o dispositivo como um todo possa ser facilmente adaptado às situações dadas de montagem.

[0012] Para um comportamento operacional particularmente apropriado na faixa de baixa temperatura, em cada trocador de calor todas as câmaras coletoras respectivamente empregadas podem ser da mesma dimensão quanto ao volume, para se obter em todas as câmaras coletoras as mesmas condições de fluxo perfeitas.

[0013] Além disso, a disposição pode ser obtida com vantagem na medida em que, por toda a altura estrutural ou todo o comprimento estrutural de uma câmara coletora configurada como uma espécie de caixa coletora, as guias de fluido em forma de canal desembocam nesta, cujo fluxo de ar durante a operação do dispositivo ocorre essencialmente de modo transversal à guia de fluido na câmara coletora conectada.

[0014] Para aumentar a carga de ar para uma troca de calor eficiente, especialmente uma refrigeração, pode-se dispor um dispositivo de ventilação associado, de preferência, no lado frontal nas guias de fluido em forma de canais.

[0015] A seguir, a invenção será explicada em detalhes com base em exemplos de execução representados no desenho. Mostra-se:

[0016] Figura 1: um dispositivo de troca de calor segundo o estado da técnica, em um tipo de esboço funcional bastante simplificado esquematicamente, que mostra apenas a trajetória da corrente de fluido;

[0017] Figura 2: um dispositivo de troca de calor segundo o estado da técnica modificado em uma exposição correspondente à figura 1;

[0018] Figura 3: o dispositivo de troca de calor de um primeiro exemplo de execução da invenção, na representação esquemática correspondente às figuras 1 e 2;

[0019] Figuras 4 a 7: em um modo correspondente de exposição, trocadores de calor de um dispositivo de troca de calor de acordo com um segundo, respectivamente terceiro, respectivamente quarto, respectivamente quinto, exemplo de execução da invenção.

[0020] Dos trocadores de calor de ar/fluido na forma de radiadores de placas, também chamados de radiadores de lamelas, as figuras mostram apenas as câmaras coletoras com entrada de fluido e/ou saída de fluido, bem como as trajetórias de fluxo de fluido entre as câmaras coletoras indicadas apenas por setas de fluxo. Os detalhes construtivos das guias de fluido para o fluxo de fluido entre as câmaras coletoras, assim como também os detalhes das guias de ar que se estendem transversalmente às guias de fluido são deixados de fora nas figuras simplificadas em esboço. Como exemplo para a respectiva construção especial de um correspondente pacote de placas com guias de fluido e de ar em forma de canais que correm entre as placas toma-se como referência o documento já mencionado DE 10 2010 046 913 A1.

[0021] A figura 1 mostra um dispositivo de troca de calor 2 segundo o estado da técnica, com uma câmara coletora de fluido 6 com uma entrada de fluido 8, bem como com uma câmara coletora 10 com uma saída de fluido 12. As câmaras coletoras 6 e 10 estão configuradas em forma de caixas com seção transversal preferencialmente retangular e estão dispostas em dois lados externos opostos do trocador de calor. Nesse caso, as câmaras coletoras 6, 10 se estendem por toda a altura do pacote de placas, bem como pela dimensão vertical em relação ao plano do desenho, de tal modo que todas as guias de fluido 14, com as setas de fluxo sem números, desemboquem nas câmaras coletoras 6 e 10, sendo que a direção do fluxo vai da câmara coletora 6 que apresenta a entrada 8 até a câmara coletora 10 com a saída 12.

[0022] A figura 2 mostra outro exemplo de execução do estado da técnica, sendo que também nesse caso as guias de fluido 14 se estendem por todo o comprimento da distância entre câmaras coletoras localizadas externamente, sendo que, no entanto, diferentemente da figura 1, a câmara coletora 6 posicionada no lado esquerdo se estende apenas pela metade da altura do pacote e a esta câmara coletora 6 conecta-se outra câmara coletora 16, na qual é prevista a saída de fluido 12. Portanto, quando em operação, esse dispositivo de troca de calor 2 entre as câmaras coletoras 6 e 16 posicionadas externamente à esquerda e a câmara coletora 10 oposta, localizada externamente, é percorrido em uma primeira direção de fluxo e em uma segunda direção de fluxo.

[0023] A figura 3 mostra um primeiro exemplo de execução de um trocador de calor do dispositivo de troca de calor 2 de acordo com a invenção. Entre as câmaras coletoras 6 e 10 que se estendem ao longo de faces externas opostas é prevista uma terceira câmara coletora 18, que se estende paralelamente às câmaras coletoras externas 6, 10. Essa câmara coletora 18 apresenta a entrada de fluido 8, e em cada uma das câmaras coletoras externas 6, 10 é prevista uma saída de fluido 12. A entrada 8 e a saída 12 se localizam respectivamente na mesma face frontal, isto é, a face estreita das câmaras coletoras 6, 10, 18 que são retangulares na seção transversal. No caso dessa disposição, em cada face da câmara coletora central 18 resulta nas guias de fluido14 a metade da corrente volumétrica do fluxo de fluido que entra através da entrada 8. Na divisão ao meio da extensão, a perda de pressão se reduz a um quarto do volume que se estabelece em toda a extensão e com toda a corrente volumétrica. Devido a isso, mesmo com componentes de paredes finas que possibilitam uma alta eficiência da troca de calor, é possível concretizar um dispositivo de troca de calor que se distinga por boas propriedades operacionais mesmo no caso das faixas de viscosidade obtidas a baixas temperaturas. A câmara coletora central 18 tem a mesma forma e o mesmo volume das câmaras coletoras externas 6, 10.

[0024] O segundo exemplo de execução mostrado na figura 4 corresponde ao exemplo da figura 3, exceto pelo fato de que as câmaras coletoras externas 6, 10 formam a face de entrada cada uma com uma entrada de fluido 8, enquanto que a câmara coletora central 18 apresenta a saída de fluido 12. Quando em operação, são obtidas aqui também as mesmas condições quanto a extensões, correntes volumétricas e perdas de pressão nas guias de fluido 14, como é o caso no exemplo da figura 3.

[0025] Nos exemplos de execução das figuras 5, 6 e 7, o dispositivo de troca de calor 2 como um todo apresenta duas câmaras coletoras centrais 20 e 22 em vez de uma única câmara coletora 18 disposta no centro entre as câmaras coletoras externas 6 e 10. Devido a isso, o dispositivo de troca de calor 2 como um todo acha-se dividido em dois trocadores de calor 24 e 26. Todas as câmaras coletoras 6, 10, 20 e 22 possuem a mesma forma de caixa com seção transversal retangular e possuem o mesmo volume. As duas câmaras coletoras externas 6 e 10 apresentam com faces de entrada respectivamente uma entrada de fluido 8, e as câmaras coletoras 2 e 22 posicionadas no centro apresentam, respectivamente, uma saída de fluido 12. As entradas 8 e as saídas 12 estão respectivamente dispostas na mesma face frontal das câmaras coletoras 6, 10, 20, 22. Para o fluxo de fluido são obtidas condições correspondentes de fluxo tais como nos dois primeiros exemplos de execução das figuras 3 e 4, ou seja, as extensões encurtadas com a corrente volumétrica pela metade nas guias de fluido 14 e com as vantagens daí resultantes para a operação de inverno.

[0026] O exemplo de execução da figura 6 corresponde ao exemplo de execução da figura 5, exceto pelo fato de que as câmaras coletoras centrais 20 e 22 formam as faces de entrada com as entradas 8, enquanto que as câmaras coletoras externas 6 e 10 apresentam as saídas 12. A divisão do dispositivo de troca de calor 2 como um todo em trocadores de calor 24 e 26 possibilita também uma adaptação a situações especiais de montagem devido à seleção da disposição de posicionamento mutuamente oposta dos trocadores de calor 24 e 26.

[0027] O exemplo de execução da figura 7 corresponde aos exemplos das figuras 5 e 6 no que se refere à disposição das câmaras coletoras 6, 10, 20 e 22. Diferentemente destes, no entanto, apenas o trocador de calor 24 posicionado à esquerda na figura 7 apresenta uma entrada de fluido 8 e uma saída de fluido 12. A câmara coletora 20 que apresenta a entrada 8, na extremidade frontal oposta à entrada 8, está conectada, através de um duto 28, com a extremidade frontal contígua da câmara coletora 22 do outro trocador de calor 26. Além disso, as duas câmaras coletoras externas 6 e 10 estão conectadas através de um duto 30, o qual desemboca na câmara coletora 6 na extremidade frontal desta oposta à saída 12. Nessa disposição, o exemplo de execução da figura 7, apesar de estar formado por dois trocadores de calor 24, 26 como nos exemplos das figuras 5 e 6, apresenta apenas duas conexões externas, a saber, uma entrada 8 e uma saída 12. Os dutos 28, 30 podem ser produzidos como dutos tubulares ou em forma de mangueira. Em todos os exemplos de execução, entre as faces de entrada e de saída podem ser dispostos dispositivos de válvula tipo by- pass acionados por pressão.

Claims

1. Dispositivo de troca de calor (2) com pelo menos dois trocadores de calor de fluido/ar (24, 26) com câmaras coletoras individuais (6, 10) condutoras de fluido, as quais apresentam respectivamente uma entrada (8) ou uma saída (12) para a alimentação de fluido ou descarga de fluido e as quais estão conectadas entre si através de guias de fluido (14) em forma de canais, as quais, durante a operação do dispositivo (2), controlam a temperatura, especialmente resfriando, de uma corrente de fluido por meio de uma corrente de ar, a qual flui em guias de ar em forma de canais, que estão separadas, de modo vedado a meios, das guias de fluido (14), sendo que para a construção do dispositivo de troca de calor (2) como um todo entre câmaras coletoras (6, 10), que estão dispostas em faces externas opostas uma à outra, é usada pelo menos uma outra câmara coletora (18, 20, 22), que está disposta paralelamente às câmaras coletoras (6, 10) localizadas externamente e na qual desembocam igualmente todas as guias de fluido (14) conectadas com uma câmara coletora (6, 10) localizada externamente, caracterizado pelo fato de que os trocadores de calor de fluido/ar (24, 26) são conectados em série e uma das câmaras coletoras (6, 20) apresenta uma das entradas (8) ou uma das saídas (12) e está conectado em disposição sequencial através de um duto (28, 30) a uma câmara coletora (10, 22) subsequente de um outro dos trocadores de calor (26).

2. Dispositivo de troca de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as câmaras coletoras (20, 22) conectadas uma à outra sucessivamente apresentam uma direção de passagem de fluxo oposta uma à outra durante a operação do dispositivo (2).

3. Dispositivo de troca de calor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a outra câmara coletora (6, 10) do outro trocador de calor (24, 26) conectado sucessivamente a um dos trocadores de calor (24, 26) está conectada, através de um outro duto (30), à câmara coletora (6, 10) do outro trocador de calor (6, 10), o qual apresenta uma saída (12) em sua extremidade oposta.

4. Dispositivo de troca de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as câmaras coletoras respectivamente empregadas (6, 10, 20, 22) são escolhidas com a mesma dimensão quanto ao volume.

5. Dispositivo de troca de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que por toda a altura ou comprimento de uma câmara coletora (6, 10, 20, 22) configurada na maneira de uma caixa coletora, as guias de fluido (14) em forma de canais desembocam nestas e sendo que o fluxo de ar durante a operação do dispositivo ocorre essencialmente transversalmente às guias de ar (14) na câmara coletora conectada (6, 10, 20, 22).

6. Dispositivo de troca de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que um dispositivo de ventilação está disposto, de preferência, frontalmente nas guias de fluido (14) em forma de canais, para assim aumentar a carga de ar para uma troca de calor eficiente, especialmente um resfriamento.