BR112017017656B1

BR112017017656B1 - Permutador de calor de casco e tubo, feixe de tubos e usos de um permutador de calor de casco e tubo

Info

Publication number: BR112017017656B1
Application number: BR112017017656-4A
Authority: BR
Inventors: Axel Schulze; Sayyed Ahmad Fani Yazdi
Original assignee: HUGO PETERSEN GmbH
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2016-02-15
Publication date: 2021-12-21
Also published as: AU2016221799A1; WO2016131787A1; BR112017017656A2; MX2017010674A; RU2017132084A3; DE102015102312A8; FI20175826A; FI130622B; CL2017002115A1; RU2017132084A; DE102015102312A1; DE112016000801A5; AU2016221799B2; MA40806A1; MA40806B1; RU2684688C2; PE20180917A1

Abstract

a invenção refere-se a um permutador de calor de casco e tubo (1), no qual um feixe de tubo (2) constituído por uma pluralidade de tubos (20, 22, 27) que tem pelo menos uma base de tubo (25; 26) está disposto em um espaço de casco (3), a fim de poder aumentar a área do permutador de calor sem ter que aumentar o diâmetro total de um permutador de calor de casco e tubo. o permutador de calor de casco e tubo (1) está delimitado para o lado externo por uma superfície de casco (31) e tem um eixo longitudinal (33) que se estende centralmente no espaço de casco, em torno do qual um canal interno (21) livre de tubos é projetado, e em que um canal externo (23), que está livre de tubos, é projetado no interior, adjacente à superfície de casco (31), em que o feixe de tubo (2) compreende pelo menos dois componentes de feixe de tubos (50 51, 2, 53, 54) entre o canal interno (21) e o canal externo (23), que diferem quanto ao número de tubos por área e/ou ao diâmetro externo dos tubos e / ou à distância dos tubos.

Description

[001] A invenção refere-se a um permutador de calor de casco e tubo de acordo com a reivindicação 1.

[002] Permutadores de calor de casco e tubo também são designados como trocadores de calor de casco e tubo e são os trocadores de calor mais frequentemente utilizados na indústria. No caso do trocador de calor de casco e tubo a área de transferência de calor separa um compartimento de fluido quente de um compartimento de fluido frio. Um fluido flui pelos tubos (no lado do tubo), enquanto o outro fluido circula em torno dos tubos (no lado de casco). Feixes de tubos são colocados no casco e neste caso é preso em uma base de tubo de modo que este forme uma barreira a fim de evitar a mistura de ambos os diferentes fluidos de temperatura controlada. Para gerar uma velocidade mais elevada no casco ou para elevar a frequência de contato do meio no espaço de casco com a área de transferência de calor, são utilizados segmentos de desvio. O fluido no casco apresenta um trecho mais longo entre tubuladura de entrada e tubuladura de saída para passagem

[003] Um trocador de calor desse tipo de acordo com o estado da técnica aparece ilustrado na figura 1. Na figura acima aparece ilustrado um corte longitudinal através de um trocador de calor de casco e tubo operado na contracorrente. Na figura abaixo é mostrada uma ilustração em perspectiva aberta do espaço de casco com feixe de tubos e segmentos de desvio.

[004] No lado de casco a divisão de tubo apresenta uma grande influência sobre a velocidade de fluido e, portanto, sobre a transferência de calor assim como sobre a perda de pressão. Trocadores de calor de contracorrente convencionais apresentam linhas de fluxo não uniforme no lado de casco e desse modo uma carga mecânica mais elevada. Além disso, as perdas de pressão no caso desses trocadores de calor são muito grandes.

[005] A etapa seguinte no desenvolvimento de trocador de calor de casco e tubo era um assim chamado aparelho com fluxo radial. Um permutador de calor desse tipo aparece ilustrado na figura 2 em um corte longitudinal. Na figura acima um corte longitudinal aparece ilustrado através de trocador de calor de casco e tubo operado na contracorrente. Na figura abaixo é mostrada uma ilustração em perspectiva aberta do espaço de casco com feixe de tubos e segmentos de desvio sendo que o respectivo espaço de topo para a alimentação e descarga do fluido no lado de tubo e no lado de casco não aparece ilustrado.

[006] Com um permutador de calor de casco e tubo com fluxo radial podem ser reduzidos pontos e enfraquecimento do trocador de calor de casco e tubo convencional. Através da circulação uniforme do canal central para fora em sentido radial ou do espaço entre o casco do trocador de calor em torno do feixe de tubos até o canal central obtém-se tanto cargas mecânicas mínimas como também perdas menores de pressão no espaço de casco do trocador de calor. Com isso obtém-se não apenas liberdade na seleção do dispositivo no lado de casco da tubuladura de alimentação e de descarga como também um modo construtivo mais compacto do feixe de tubos.

[007] O arranjo radial dos tubos apresenta a desvantagem de que se limita o número das séries de tubos. Como "séries de tubo"são designadas neste caso aquelas que ficam dispostas adjacentes entre si basicamente sobre uma pista circular em torno do eixo longitudinal do feixe de tubos. O feixe de tubos apresenta várias séries de tubos desse tipo com raio diferente. A distância dos tubos entre si em cada série de tubos assim como a distância de séries de tubos adjacentes é selecionada de tal modo que ocorra uma circulação o mais uniforme possível pelo feixe de tubos na direção radial através do fluído de espaço de casco para que a transferência de calor pretendida possa ser feita de modo seguro.

[008] Problemas podem ocorrer com permutador de calor de casco e tubo especialmente se forem realizadas áreas grandes de transferência de calor. Conforme mostrado na figura 3A, no caso de dimensões predefinidas do permutador de calor de casco e tubo de acordo com um número pequeno de séries de tubos, as séries de tubos se aproximam de tal forma que essa construção se torna desvantajosa em termos econômicos ou impraticável. No exemplo mostrado, não pode ser feito mais um aumento de três para quatro séries. Além disso, a circulação ruim de tais gargalos entre os tubos resulta em uma redução da área de troca de calor efetiva. Através da colisão dos tubos é restringida a acomodação do espaço requerido para a troca de calor o que apresenta os limites do projeto de trocador de calor de um permutador de calor de casco e tubo.

[009] Como contramedida é selecionado um diâmetro maior do espaço central do feixe. Na figura 3B, é ilustrada essa solução. Através da seleção de dimensões maiores podem ser acomodadas em comparação com a lâmina tubular mostrada na figura 3A agora quatro séries de tubos o que resulta por sua vez em um diâmetro total maior do trocador de calor.

[0010] Por essa razão é tarefa da invenção disponibilizar um permutador de calor de casco e tubo que supera as desvantagens de permutador de calor de casco e tubo. Principalmente é tarefa da invenção criar uma possibilidade de elevar a área de trocador de calor sem ter que aumentar o diâmetro total do trocador de calor de casco e tubo. Exatamente no caso de dimensões constantes do trocador de calor de casco e tubo pode ser possibilitado um aumento da área de trocador de calor área de trocador de calor.

[0011] Essas tarefas são solucionadas de modo surpreendentemente simples com um permutador de calor de casco e tubo, de acordo com a reivindicação 1. Aperfeiçoamentos vantajosos são objeto das reivindicações dependentes.

[0012] A invenção disponibiliza um permutador de calor de casco e tubo no qual fica disposto em um espaço de casco um feixe de casco composto de vários tubos com pelo menos uma base de tubo sendo que o permutador de calor de casco e tubo é delimitado para fora de uma área de casco e apresenta um eixo longitudinal que passa centralmente no espaço de casco em torno do qual é projetado um canal interno livre de tubos, e sendo que no lado interno a área de casco é projetada adjacente a um canal externo livre de tubos sendo que o feixe de tubos compreende entre canal interno e canal externo pelo menos dois componentes de feixe de tubos que se diferenciam quanto ao número dos tubos por área e/ou no diâmetro externo dos tubos e/ou na distância dos tubos.

[0013] Desse modo a invenção concretiza a vantagem de que a área de trocador de calor do permutador de calor de casco e tubo com dimensões constantes do casco pode ser adaptada a diferentes exigências. O permutador de calor de casco e tubo de acordo com a invenção também pode ser designada como trocador de calor radial de feixe múltiplo.

[0014] Com um trocador de calor radial de feixe múltiplo deste tipo existe a flexibilidade de selecionar primeiramente diâmetro de feixe de tubos menor possível e em caso de necessidade ou para fins de otimização trocar por um feixe de tubos de nova orientação. Isso se aplica tanto para feixe de tubos de trocador de calor para feixe de trocador de calor equipado com tubos totalmente no perímetro de cada série de tubo como também para os assim chamados trocadores de calor semi-radiais, sobre os quais mais abaixo abordaremos mais detalhadamente em conexão com o aperfeiçoamento da invenção através de uma zona de conexão.

[0015] O número dos tubos por área dos componentes de feixe de tubos perpendicularmente à extensão longitudinal dos tubos define a espessura de tubo espessura de tubo.

[0016] A distância dos tubos entre si e a distância mais curta entre a parede externa de um tubo para a parede externa do tubo adjacente seguinte.

[0017] Pelo menos por dois componentes de feixe de tubos de formato anular circula durante o funcionamento o fluido de espaço de casco como feixe de tubos radialmente sequencial. Eles são dispostos principalmente concentricamente em relação ao eixo longitudinal. Assim, a invenção cria um permutador de calor de casco e tubo com componentes de feixe de tubos dispostos sequencialmente no espaço de casco em uma direção perpendicular ao eixo longitudinal.

[0018] Em uma configuração vantajosa do permutador de calor de casco e tubo de acordo com a invenção pelo menos dois componentes de feixe de tubos apresentam basicamente respectivamente uma seção transversal de formato anular em sentido perpendicular ao eixo longitudinal. Com isso é criada uma possibilidade especialmente simples em termos construtivos, de poder empilhar componentes de feixe de tubos por assim dizer em sentido radial em relação a um feixe de tubos. Especialmente, o permutador de calor de casco e tubo pode compreender um feixe de tubos com entre dois e dez componentes de feixe de tubos.

[0019] Para poder já disponibilizar dependendo do caso de aplicação um feixe de tubos assim ajustado a invenção prevê além disso que pelo menos dois componentes de feixe de tubos sejam conectados entre si de modo removível. Especialmente, o feixe de tubos pode ser estruturado em módulos a partir de pelo menos dois componentes de feixe de tubos.

[0020] Em uma forma de concretização preferida da invenção visto do eixo longitudinal radialmente para fora segue-se ao canal interno um primeiro componente de feixe de tubos e a este um segundo componente de feixe de tubos, sendo que o raio da delimitação interna que aponta para o eixo longitudinal do segundo componente de feixe de tubos é formado correspondentemente ao raio da delimitação externa do primeiro componente de feixe de tubos.

[0021] O raio da delimitação interna que aponta para o eixo longitudinal do segundo componente de feixe de tubos é projetado na prática maior do que o raio da delimitação externa do primeiro componente de feixe de tubos, pelo menos com um tamanho que o segundo componente de feixe de tubo possa ser montado sobre as primeiras componentes de feixe de tubos.

[0022] Desse modo podem conectar-se aos segundos componentes de feixe de tubos outros componentes de feixe de tubos. Neste caso também podem dentro de um componente de feixe de tubos serem formadas zonas de diferentes números de tubos por área e/ou diferentes diâmetros externos dos tubos e/ou diferentes distâncias dos tubos de modo que um componente de feixe de tubos possa compreender vários níveis de feixe de tubos.

[0023] O arranjo dos tubos no feixe de tubos ou nos componentes de feixe de tubos define a assim chamada lâmina tubular. A lâmina tubular pode apresentar a princípio um formato radialmente disposto ou reproduzir com auxílio de vários segmentos um formato radial. O número dos segmentos pode ser aleatório. Os segmentos são executados na prática como módulos de feixe de tubos. Se pelo menos um componente de feixe de tubos for composto de pelo menos dois, preferivelmente três ou quatro ou cinco módulos de feixe de tubos, será possibilitada uma estrutura de um feixe de tubos desejada sob realização da zona de conexão de acordo com a invenção com módulos pré-fabricados de acordo com o princípio de construção modular.

[0024] Os módulos de feixe de tubos neste caso podem ser de mesmo tipo.

[0025] Especialmente, n-1 (por exemplo três) módulos de feixe de tubos podem ser conectados com lâminas tubulares basicamente de formato 1/na circular (por exemplo de formato semicircular) visto na seção transversal perpendicularmente ao eixo longitudinal sendo que a zona de conexão se forma através do módulo n-te (por exemplo quarto) que falta para o círculo completo. A conexão dos módulos de feixe de tubos é feita preferivelmente de modo simples pela inserção em pelo menos uma base de tubo. Em uma outra configuração da invenção pelo menos um módulo de feixe de tubos é projetado de tipo diferente em relação a pelo menos um outro módulo de feixe de tubos.

[0026] De acordo com um aperfeiçoamento vantajoso da invenção o permutador de calor de casco e tubo apresenta uma única câmara.

[0027] Especialmente, o permutador de calor de casco e tubo com uma câmara é projetado como um módulo para um permutador de calor de casco e tubo de múltiplas peças em que a saída para fora de uma câmara é projetada para a conexão à entrada da câmara seguinte. Desse modo, é possível uma conexão de vários permutadores de calor de casco e tubo a um tipo de torre ou de pilha na qual durante o funcionamento o fluido de espaço de casco depois de deixar um módulo de permutador de calor entra no módulo seguinte.

[0028] Para poder realizar vias de circulação mais longas no caso de gradiente de acionamento o mais elevado possível para a transferência de calor, o permutador de calor de casco e tubo apresenta em um aperfeiçoamento da invenção duas ou mais câmaras, preferivelmente até vinte câmaras em torno de um único feixe de tubos, sendo que entre câmaras adjacentes fica disposto pelo menos um segmento de desvio para o fluido de espaço de casco.

[0029] Durante o funcionamento do permutador de calor de casco e tubo o fluido de espaço de casco entra na primeira câmara que é externamente delimitada pela área de casco por uma base de tubo e um segmento de desvio. O segmento de desvio é composto de uma arruela com uma área perpendicular ao eixo longitudinal, que corresponde inversamente à lâmina tubular, sendo que dessa área é removida por recorte uma área interna ou uma área externa é isolada por recorte. Especialmente a área interna em sua seção transversal corresponde praticamente àquela do canal interno e área externa em sua seção transversal correspondente praticamente àquela do canal externo.

[0030] De acordo com um aperfeiçoamento vantajoso da invenção o arranjo dos tubos define no feixe de tubos uma lâmina tubular, que apresenta pelo menos uma zona de conexão através da qual durante o funcionamento do permutador de calor de casco e tubo o fluido entra no espaço de casco e/ou sai para fora do espaço de casco. Neste caso o número dos tubos por área de seção transversal perpendicular ao eixo longitudinal na zona de conexão é menor do que fora da zona de conexão ou de que a zona de conexão é totalmente livre de tubos. Através de um permutador de calor de acordo com a invenção com zona de conexão, é possível dispensar a princípio uma cúpula no sentido convencional em conexão com a base de tubo em sentido longitudinal do trocador de calor. Desse modo, com auxílio da invenção é possível uma construção mais compacta e, portanto, também menor.

[0031] Sinteticamente falando, com o permutador de calor de casco e tubo com zona de conexão é possível realizar um "fluxo semiradial". Um permutador de calor de acordo com a invenção por essa razão é também chamado de "Semi RF Heat Exchanger". Neste caso, a expressão "semi" deve ser entendida pelo fato de apenas uma parte - não necessariamente a metade - da lâmina tubular é equipada com tubos.

[0032] Se pelo menos um componente de feixe de tubos for composto de módulos de feixe de tubos e se pelo menos um módulo de feixe de tubos for projetado de tipo diferente em relação a pelo menos um outro módulo de feixe de tubos a zona de conexão poderá ser executado de modo simples em termos de projeto. Um módulo de feixe de tubos compreende por exemplo um recorte da lâmina tubular com a zona de conexão e tubos adjacentes enquanto um outro ou os outros módulos de feixe de tubos contribuem com os tubos restantes em relação à lâmina tubular.

[0033] A fenda de entrada e/ou de saída criada pela zona de conexão para o fluido de espaço de casco pode assumir qualquer geometria. Para tanto a zona de conexão apresenta em uma configuração vantajosamente simples uma primeira e uma segunda área de penetração assim como duas delimitações laterais sendo que a primeira área de penetração é a passagem entre o canal externo e a zona de conexão, a segunda área de penetração é a passagem entre a zona de conexão e o canal interno, a primeira delimitação lateral se estende desde a borda que passa em sentido longitudinal do espaço de casco, da primeira área de penetração para a borda correspondente que passa em sentido longitudinal do espaço de casco da segunda área de penetração e a segunda delimitação lateral se estende desde a borda que passa em sentido longitudinal do espaço de casco, da primeira área de penetração até a borda correspondente que passa em sentido longitudinal do espaço de casco da segunda área de penetração.

[0034] As duas delimitações laterais da zona de conexão passam basicamente paralelamente entre si quando a zona de conexão deve realizar o trecho mais curto entre o canal interno e o canal externo. No âmbito da invenção, as delimitações laterais da zona de conexão podem criar em um sentido perpendicular ao eixo longitudinal ou a uma paralela do eixo longitudinal também por segmentos diferentes formas de seção transversal da zona de conexão. A seção transversal da zona de conexão é a área pela qual passa o fluido de espaço de casco quando este circula entre o canal interno e o canal externo.

[0035] A invenção cria uma pluralidade de possibilidades de ajustar através da configuração da geometria da zona de conexão, o perfil de fluxo desejado durante o funcionamento, do fluido de espaço de casco e desse modo também a cinética da transferência de calor. As delimitações laterais da zona de conexão podem passar por exemplo pelo menos por alguns segmentos basicamente paralelamente entre si.

[0036] As duas delimitações laterais podem incluir visto do eixo longitudinal pelo menos por alguns segmentos entre si um ângulo (CC) na faixa de aproximadamente 180° a aproximadamente 10°. Uma outra possibilidade no âmbito da invenção é que as duas delimitações laterais incluem na direção desde o canal externo para o canal interno pelo menos por alguns segmentos entre si um ângulo (CC) na faixa de cerca de 180° a cerca de 10°.

[0037] Além disso, a invenção oferece a possibilidade de que a primeira ou a segunda delimitação lateral ou ambas as delimitações laterais da zona de conexão pelo menos por alguns segmentos passem radialmente visto do eixo longitudinal. Uma possibilidade adicional é que a primeira ou a segunda delimitação lateral ou ambas as delimitações laterais da zona de conexão passa ou passam na seção transversal perpendicular ao eixo longitudinal pelo menos por alguns segmentos basicamente tangencialmente ao raio do canal interno.

[0038] Uma outra forma de concretização da invenção prevê que a primeira ou a segunda delimitação lateral ou ambas as delimitações laterais da zona de conexão na seção transversal perpendicular ao eixo longitudinal passe ou passem pelo menos por alguns segmentos encurvadas sendo que a primeira ou a segunda delimitação lateral ou ambas as delimitações laterais define ou definem pelo menos por alguns segmentos especialmente um segmento em arco circular ou um segmento de uma espiral. Com relação a uma descrição ainda mais detalhada da zona de conexão em diferente possibilidade de configuração é feita referência ao pedido de patente alemão encaminhado na mesma data pela depositante intitulado " Permutador de calor de casco e tubo ", e ali especialmente às figuras 12 a 30 e à sua descrição, que é incorporada por referência no presente pedido de patente.

[0039] A invenção também disponibiliza um feixe de tubos para um permutador de calor de casco e tubo acima descrito assim como um componente de feixe de tubos para um feixe de tubos desse tipo. Um feixe de tubos desse tipo ou cada componente de feixe de tubos pode ser fabricado e comercializado separadamente. A montagem final de todo o trocador de calor pode ser feita por exemplo primeiramente no local de aplicação pela instalação no casco e colocação das linhas de alimentação e de descarga nas conexões para a zona de conexão.

[0040] A invenção cria além disso através de outros parâmetros a possibilidade de influenciar a circulação especialmente do fluido de espaço de casco, seletivamente e adaptar ás respectivas exigências práticas. Desse modo, é previsto por um lado que o arranjo dos tubos no feixe de tubos defina uma lâmina tubular na qual os tubos pelo menos por algumas áreas fiquem dispostos alinhados entre si e/ou pelo menos por algumas áreas deslocados entre si. Além disso, o feixe de tubos também pode ser disposto excentricamente em relação ao eixo longitudinal no espaço de casco.

[0041] O permutador de calor de casco e tubo de acordo com a invenção pode ser empregado a princípio para meios fluidos e gasosos assim como para fluidos, o componente líquido e gasoso contém por exemplo aerossóis ou vapor úmido. Através da área de troca de calor relativamente elevada obtenível com a invenção é especialmente vantajoso empregar o permutador de calor de casco e tubo como permutador de calor gás-gás, também para a troca de calor entre dois fluidos basicamente gasosos. Por exemplo, o permutador de calor de casco e tubo de acordo com a invenção pode ser utilizado para recuperação de calor a partir de fluxos de gás de escape quentes. Uma área de aplicação especial resulta da aplicação no âmbito de método para a síntese de ácido sulfúrico (H2SO4).

[0042] A invenção será a seguir mais detalhadamente esclarecida sob referência aos desenhos anexos com base em exemplos de concretização. Componentes iguais e semelhantes são assinalados neste caso com os mesmos sinais de referência sendo que as características dos diferentes exemplos de concretização podem ser combinadas entre si onde:

[0043] A figura 1 mostra uma ilustração esquemática de uma seção longitudinal através de um trocador de calor de casco e tubo operado na contracorrente de acordo com o estado da técnica (acima) assim como uma ilustração em perspectiva aberta esquemática dop espaço de casco correspondente com feixe de tubos e segmento de desvio em (abaixo) ,

[0044] A figura 2 é uma ilustração esquemática de uma seção longitudinal através de um trocador de calor de casco e tubo operado na contracorrente radial de acordo com o estado da técnica (acima) assim como uma ilustração em perspectiva aberta esquemática do espaço de casco correspondente com feixe de tubos e segmentos de desvio (abaixo), sendo que o respectivo espaço de topo não aparece ilustrado para a alimentação e descarga do fluido no lado de tubo e no lado de casco,

[0045] A figura 3 mostra uma ilustração esquemática de uma seção transversal através de um feixe de tubo no casco com tubos que colidem (figura 3A) e com dimensões ampliadas (figura 3B) para a acomodação de quatro ao invés de três séries de tubos,

[0046] A figura 4 mostra uma ilustração esquemática de uma seção transversal através de um feixe de tubos no casco de acordo com uma primeira forma de concretização da invenção,

[0047] A figura 5 mostra uma ilustração esquemática de arranjo de tubos alinhado ou deslocado (figura 5A) assim como uma ilustração esquemática de uma seção transversal através de um feixe de tubos (figura 5B) no casco (à esquerda) e sem casco (à direita) com arranjo de tubos deslocado,

[0048] A figura 6 mostra uma ilustração em perspectiva aberta esquemática de um trocador de calor de casco e tubo de acordo com a invenção com duas câmaras com um feixe de tubos de acordo com uma outra forma de concretização da invenção,

[0049] A figura 7 mostra uma ilustração esquemática de uma seção transversal através de um feixe de tubos no casco de acordo com uma outra forma de concretização da invenção,

[0050] A figura 8 mostra uma ilustração esquemática de uma seção transversal através de um feixe de tubos no casco de acordo com uma outra forma de concretização da invenção,

[0051] A figura 9 mostra uma ilustração em perspectiva aberta esquemática de um trocador de calor de casco e tubo de acordo com a invenção com duas câmaras com um feixe de tubos de acordo com uma outra forma de concretização da invenção,

[0052] A figura 10 mostra uma ilustração esquemática de uma seção transversal através de um feixe de tubos no casco de acordo com uma outra forma de concretização da invenção,

[0053] A figura 11 mostra uma ilustração esquemática de uma seção transversal através de um feixe de tubos no casco de acordo com uma outra forma de concretização da invenção,

[0054] A figura 12 mostra uma ilustração esquemática de uma seção transversal através de um feixe de tubos no casco de acordo com uma outra forma de concretização da invenção.

[0055] Nas figuras para fins de simplificação parcialmente a direção de fluxo do fluido de espaço de casco e do fluido de espaço de tubo é sugerida por setas como é feita a princípio durante o funcionamento do permutador de calor de casco e tubo de acordo com a invenção. Além disso, linhas parcialmente pontilhadas são desenhadas que devem servir para fins de simplificação da subdivisão do feixe de tubos em componentes de feixe de tubos (figuras 4 e 8) ou do feixe de tubos e da zona de conexão (figura 10).

[0056] As tubuladuras de entrada e tubuladuras de saída de fluido 13, 14 para o fluido de espaço de casco podem assumir no âmbito da invenção a princípio uma configuração aleatória, por exemplo com uma seção transversal retangular, oval ou circular. A faixa de temperatura de trabalho do trocador de calor de casco e tubo de acordo com a invenção pode a princípio se situar entre -270 °C a 2000 °C, especialmente entre -80°C e 2000°C, sobretudo entre -50 °C e 1300 °C. É preferido um círculo de trabalho entre 0 a 600 °C.

[0057] Para poder variar a área de trocador de calor de um trocador de calor de casco e tubo sem alterar as dimensões externas do feixe de tubos ou do trocador de calor, a invenção cria um feixe de tubos 2 com vários componentes de feixe de tubos, que são combinados entre si e cujos tubos determinam conjuntamente toda a área de transferência de calor.

[0058] Na figura 4 aparece ilustrado um feixe de tubos 2 de acordo com a invenção na seção transversal. Ele se estende ao longo do eixo longitudinal 33 e apresenta um canal interno 21.

[0059] Entre a série de tubos mais externa do feixe de tubos 2 e do lado interno da área de casco passa o canal externo 23. No exemplo de concretização mostrado o feixe de tubos 2 compreende três componentes de feixe de tubos 50, 51, 52. Esses ficam posicionados concentricamente entre si em torno do eixo longitudinal 33.

[0060] Os componentes de feixe de tubos 50, 51, 52 possuem respectivamente uma área de seção transversal de formato circular. Perpendicularmente a essa área de seção transversal nos componentes de feixe de tubos 50 externos passam tubos 27 em seis séries de tubos concêntricas em torno do eixo longitudinal 33.

[0061] O componente de feixe de tubos 51 possui uma extensão em dimensão radial em relação ao eixo longitudinal 33, que é aproximadamente a metade da extensão correspondente dos componentes de feixe de tubos 51 externos. Os tubos 22 dos componentes de feixe de tubos 51 centrais possuem um diâmetro maior do que o dos tubos 27 dos componentes de feixe de tubos 50 externos.

[0062] Os tubos 27 passam nas três séries de tubos concêntricas em relação ao eixo longitudinal 33.

[0063] O componente de feixe de tubos 52 interno apresenta tubos 20 que passam também em três séries de tubos concêntricas em relação ao eixo longitudinal 33. Os tubos 20 possuem um diâmetro maior do que o dos tubos 22 dos componentes de feixe de tubos 51 centrais. Seus tubos 22 apresentam um diâmetro, que também é maior do que o diâmetro dos tubos 27 dos componentes de feixe de tubos 52 externos. Dependendo da necessidade de processo essa relação de diâmetro é realizada de modo preciso na sequência inversa ou pode ser visto no sentido radial uma mistura feita de diâmetros sucessivos e decrescentes dos componentes de feixe de tubos.

[0064] Os tubos 20, 22, 27 ficam dispostos nos componentes de feixe de tubos 50, 51, 52 de acordo com o tipo de um compósito de parede, ou seja, por assim dizer em lacunas entre si. A distância de dois tubos adjacentes 20, 22, 27 em um componente de feixe de tubos 52, 51, 50 apresenta uma distância mínima do diâmetro de tubo de 1,05 vezes do centro de um tubo em relação ao centro do tubo adjacente. Este dependendo do processo assim como do projeto pode ser ampliado.

[0065] A distância dos tubos 20 dos componentes de feixe de tubos internos 52 é de aproximadamente 1,8- a 2,0 vezes o diâmetro de tubo. A distância dos tubos 22 dos componentes centrais de feixe de tubos 51 é de aproximadamente 1,1- a 1,3 vezes o diâmetro de tubo. A distância dos tubos 27 dos componentes de feixe de tubos 50 externos é de aproximadamente 1,8 a 2 vezes o diâmetro de tubo.

[0066] Foi descrito acima um feixe de tubos feito de componentes de feixe de tubos sendo que cada componente de feixe de tubos apresenta um arranjo deslocado dos tubos para centro livre de tubos e anel externo livre de tubos (compósito de parede). Uma outra possibilidade para o arranjo dos tubos com relação um ao outro no âmbito da invenção é uma variante especial do arranjo deslocado a saber o arranjo de - visto do eixo longitudinal - séries de tubos posicionados sucessivamente de tal modo que os tubos ficam dispostos sobre uma pista encurvada. Esse arranjo é obtido quando um compósito de parede é construído com tubos, cujos pontos centrais ficam posicionados em círculos concêntricos em torno do eixo longitudinal. Na figura 4 são marcadas como linhas pontilhadas aquelas pistas encurvadas 28 para os componentes de feixe de tubos internos e externos.

[0067] O componente de feixe de tubos de acordo com a invenção apresenta em uma forma de concretização preferida pelo menos um componente de feixe de tubos no qual ficam dispostos tubos com seus pontos centrais em pelo menos três círculos longitudinais concêntricos ao eixo longitudinal de tal forma que a linha de conexão dos pontos centrais de um tubos de um círculos em relação a um tubo do círculo com o segundo maior diâmetro quando da condução até um tubo adjacente de um círculo seguinte com diâmetro maior resulte em uma posta encurvada 28. Desse modo a invenção oferece a possibilidade de comprimir os tubos em círculos adjacentes entre si pois a distância dos círculos, sobre os quais os pontos centrais dos tubos ficam dispostos, pode ser selecionada também no caso de distância de tubo adequadamente dimensionada, menor do que a do raio de tubo. Arranjos de tubo desse tipo são concretizados nos feixes de tubos que aparecem ilustrados nas figuras 7 a 12.

[0068] No âmbito da invenção, os tubos podem ser dispostos em um componente de feixe de tubos, porém também alinhados entre si. Também faz parte do âmbito da invenção, combinar arranjos de tubo alinhados e deslocados entre si. Uma combinação desse tipo pode estar presente entro de um único componente de feixe de tubos. Além disso, componentes de feixe de tubos com arranjo de tubos deslocado podem ser combinados com aqueles com arranjo de tubo alinhado em um feixe de tubos. Neste caso, as distâncias de tubos podem se diferenciar em cada componente de feixe de tubos.

[0069] Exemplos para arranjos de tubos alinhado deslocado aparecem ilustrados na figura 5. Na figura 5A aparece ilustrado no lado esquerdo um arranjo de tubos 20, no qual os pontos centrais de tubos adjacentes em uma série de tubos em uma linha reta. Também, os pontos centrais de tubos adjacentes de séries de tubos imediatamente sucessivas respectivamente se situam em uma linha reta. Cada tubo é, portanto, o ponto central de uma cruz com braços ortogonais em cujos braços se situam os tubos adjacentes.

[0070] No caso do arranjo de tubos deslocado na figura 5A no lado direito dois tubos adjacentes entre si de uma série de tubos definem uma distância sendo que na série de tubos subsequente os tubos ficam dispostos no ponto que fica posicionado uma meia distância longe de um tubo da série de tubos anteriores e subsequentes em série. Os tubos ficam dispostos também de acordo com o tipo de compósito de parede em lacunas.

[0071] Na figura 6 aparece ilustrada uma ilustração em perspectiva aberta de uma câmara de um permutador de calor de casco e tubo com um feixe de tubos que apresenta três componentes de feixe de tubos 50, 51, 52. Cujos tubos apresentam o mesmo diâmetro de tubo, porém o número dos tubos é menor por área de seção transversal dos componentes de feixe de tubos 52.

[0072] Durante o funcionamento, o fluido de espaço de casco entra através do canal central 21 e circula pelos tubos sucessivamente dos componentes de feixe de tubos 52 internos, dos componentes de feixe de tubos 51 centrais e dos componentes de feixe de tubos 50 externos. Então, o fluido de espaço de casco circula pelo canal externo 23 pelo defletor 32 e em seu trajeto de volta para o canal interno 21 circula pelos tubos dos referidos componentes de feixe de tubos em sequência inversa antes de ele sair do canal interno 21.

[0073] Na figura 7, aparece ilustrada uma outra forma de concretização do feixe de tubos 2 de acordo com a invenção na seção transversal. Ele se estende ao longo do eixo longitudinal 33 e apresenta um canal interno 21. Entre a série de tubos mais externa do feixe de tubos 2 e o lado interno da área de casco passa o canal externo 23. O feixe de tubos 2 compreende dois componentes de feixe de tubos 50, 51. Esses são posicionados concentricamente entre si em torno do eixo longitudinal 33.

[0074] Os componentes de feixe de tubos 50, 51 apresentam respectivamente uma área de seção transversal de formato circular. Perpendicularmente a essa área de seção transversal passam os tubos 20.

[0075] Os tubos 20 dos componentes de feixe de tubos 51 internos passam nas três séries de tubos concêntricas em relação ao eixo longitudinal 33. A distância dos tubos 20 dos componentes de feixe de tubos 51 internos é de aproximadamente 0,95 a 1,05 vezes do diâmetro de tubo.

[0076] Em seguida à terceira série de tubos dos componentes de feixe de tubos internos visto do sentido radial na direção para fora encontra-se uma área sem tubos. Esta corresponde em sua dimensão radial a uma serie de tubos. Um espaço livre desse tipo pode ser utilizado para estrutura modular do feixe de tubos composto de componentes de feixe de tubos conectáveis entre si de forma removível como área de montagem na qual meios de fixação tais como por exemplo conexões de flange podem ser colocadas (nas figuras não representadas). Em seguida ao espaço livre fica disposto o componente externo de feixe de tubos 50. Neste os tubos 20 ficam empacotados de forma bem mais hermética do que no componente interno de feixe de tubos 51. A distância dos tubos 20 nos componentes externos de feixe de tubos 50 é de aproximadamente 0,05 a 0,1 vezes o diâmetro de tubo.

[0077] Na figura 8 aparece ilustrada uma outra forma de concretização do feixe de tubos 2 de acordo com a invenção na seção transversal que compreende cinco componentes de feixe de tubos 50, 51, 52, 53, 54 dispostos radialmente sequencialmente com respectivamente área de seção transversal de forma circular. A distância das séries de tubo entre si é a mesma nos componentes de feixe de tubos internos, externos e centrais 50, 52, 54.

[0078] No entanto, o número dos tubos 20 por série nos componentes de feixe de tubos 54 centrais é bem menor do que nos componentes de feixe de tubos 50 externos.

[0079] Na forma de concretização mostrada na figura 8 do feixe de tubos 2 zonas com tubos e zonas sem tubos se alternam radialmente visto do eixo longitudinal 33. Desse modo, entre os componentes de feixe de tubos 50, 52 externos e centrais assim como entre os componentes de feixe de tubos 52, 54 centrais e internos criam zonas livres de tubo que também podem ser assinalados como componentes de feixe de tubos 51, 53. Estes possuem uma espessura de tubo de zero. Essas zonas ajudam em caso de uma estrutura modular e montagem modular do trocador de calor assim como para melhor manutenção e um posterior fortalecimento da instalação.

[0080] Na figura 9 aparece ilustrada uma representação em perspectiva aberta de uma câmara de um permutador de calor de casco e tubo com bases de tubo 25, 26 para um feixe de tubos 2 de acordo com a forma de concretização ilustrada na figura 6 com dois componentes de feixe de tubos 50, 51. Porém não são utilizados tubos em todas as aberturas, antes uma área é mantida livre de tubos. Essa área representa uma zona de conexão 4 através da qual durante o funcionamento o fluido de espaço de casco pode ser introduzido ou retirado por tubuladuras de alimentação e de descarga correspondentes (não ilustrados) no canal interno em torno do eixo longitudinal 33.

[0081] Durante o funcionamento, o fluido de espaço de casco entra através da zona de conexão 4 no canal central 21 e circula sucessivamente pelos tubos dos componentes de feixe de tubos 51 internos e dos componentes de feixe de tubos 50 externos. Então o fluido de espaço de casco passa no canal externo 23 pelo defletor 32 e em seu trajeto de volta para o canal central 21 circula pelos tubos dos referidos componentes de feixe de tubos na sequência inversa antes de ele sair novamente para fora do canal interno através da zona de conexão 4.

[0082] Na figura 10 aparece ilustrada uma outra forma de concretização do feixe de tubos 2 de acordo com a invenção na seção transversal que compreende quatro componentes de feixe de tubos 51, 52, 53, 54 com respectivamente área de seção transversal de formato anular de um semicírculo. A área que falta para o círculo completo forma a zona de conexão 4, que conecta o canal interno 21 e o canal externo 23 diretamente entre si. A distância dos tubos 20 entre si diminui de dentro para fora de um componente de feixe de tubos para o imediatamente subsequente. A espessura de tubo máxima possui o componente de feixe de tubos 51 externo.

[0083] Os componentes de feixe de tubos das formas de concretização acima descritas permitem em sentido radial com relação ao eixo longitudinal uma estrutura do feixe de tubos de acordo com o princípio modular. Isso no âmbito da invenção é também possibilitado no sentido paralelo ao eixo longitudinal o que permite exatamente em relação a formas de concretização com zona de conexão uma construção especialmente simples. Além disso, é criada através da configuração de um feixe de tubos de acordo com a invenção com vários módulos de feixe de tubos um grau de liberdade maior quanto à estrutura e à provisão de tubos do feixe de tubos.

[0084] Na figura 11 aparece ilustrado um feixe de tubos 2 no espaço de casco 3 de uma outra forma de concretização do permutador de calor de acordo com a invenção na seção transversal. Com relação à subdivisão radial em componentes de feixe de tubos este feixe de tubos corresponde ao feixe de tubos ilustrado na figura 6. O feixe de tubos 2 é composto por quatro módulos de feixe de tubos 200 que se estendem paralelamente ao eixo longitudinal 33. Os quatro módulos de feixe de tubos são montados de tal forma na base de tubos que eles se complementam formando um feixe de tubos fechado no sentido circunferencial. No exemplo mostrado cada um dos quatro módulos de feixe de tubos apresenta uma seção transversal de formato semicircular basicamente. No âmbito da invenção também módulos de feixe de tubos podem ser combinados entre si, com área de seção transversal, que cobrem respectivamente em sentido circunferencial com relação ao eixo longitudinal diferentes porções de um anel totalmente circular, formando um feixe de tubos.

[0085] No âmbito da invenção, por exemplo também três módulos de feixe de tubos 200 da forma de concretização ilustrada na figura 11 são conectados formando um feixe de tubos 2, que apresenta ao invés do quarto módulo de feixe de tubos, uma zona de conexão. Essa forma construtiva corresponde a princípio à forma de concretização ilustrada na figura 10. A subdivisão em quatro módulos de feixe de tubos 200 ou a forma de concretização com uma zona de conexão com seção transversal de formato semicircular deve ser entendia a título de exemplo; no âmbito da invenção podem ser selecionadas subdivisões maiores ou menores da área de seção transversal de anel de círculo do feixe de tubos 2 e/ou dispostas várias zonas de conexão no feixe de tubos.

[0086] Além disso é possível no âmbito da invenção, ter influência sobre o fluxo do fluido de espaço de casco pelo fato de o feixe de tubos 2 ser disposto deslocado com seu eixo longitudinal em relação ao eixo longitudinal do es paço de casco 3. Um arranjo excêntrico desse tipo do feixe de tubos 2 no espaço de casco aparece ilustrado na figura 12.

[0087] A distância da borda externa 24 do feixe de tubos em relação ao lado interno da área de casco 31 aumenta sem sentido horário no caso da forma de concretização ilustrada na figura 12 vistos em cima na metade primeiramente até ela atingir novamente seu nível máximo embaixo na metade e diminuir correspondentemente novamente até o nível mínimo em cima na metade. Com um arranjo excêntrico do feixe de tubos em relação ao eixo central 33 a distribuição de fluido pode ser otimizada especialmente se não circular gás como fluido de espaço de casco pelo canal central, mas sim diretamente pelo casco no feixe de tubos. Desse modo a invenção cria a possibilidade de poder também abordar particularidades construtivas.

[0088] Ficará evidente ao versado na técnica que a invenção não está restrita aos exemplos acima descritos, mas antes pode ser variada de múltiplas maneiras. Especialmente, as características dos exemplos individualmente ilustrados também são combinadas entre si ou mutuamente trocadas. Isso se aplica especialmente para a espessura de tubo, o diâmetro externo dos tubos e a distância dos tubos ente si em componentes de feixe de tubos ilustrados combinados entre si. Exatamente com relação a esses parâmetros existe no âmbito da invenção liberdade na configuração de um feixe de tubos estruturados por vários componentes de feixe de tubos de modo que para cada caso de aplicação de interesse na prática possa ser selecionada a provisão ideal de tubos. Isso se aplica tanto para formas de concretização com como também sem zona de conexão. Listagem de Referência

Claims

1. Permutador de calor de casco e tubo (1), no qual em um espaço de casco (3) fica disposto um feixe de tubos (2) consistindo em uma pluralidade de tubos (20, 22, 27) com pelo menos uma base de tubo (25; 26), sendo que o permutador de calor de casco e tubo (1) é delimitado pelo lado externo por uma superfície de casco (31) e possui um eixo longitudinal (33) que passa centralmente no espaço de casco em torno do qual é formado um canal interno livre de tubos (21), e sendo que no lado interno da superfície de casco (31) é formado de modo adjacente um canal externo (23) livre de tubos, sendo que o feixe de tubos (2) entre o canal interno (21) e o canal externo (23) compreende pelo menos dois componentes de feixe de tubos (50, 51, 52, 53, 54) que se diferenciam entre si quanto à quantidade dos tubos por área e/ou quanto ao diâmetro externo dos tubos e/ou quanto à distância dos tubos caracterizado pelo fato de que os componentes de feixe de tubos (50, 51, 52, 53, 54) vistos em sentido perpendicular em relação ao eixo longitudinal (33) cada apresentam uma seção transversal substancialmente anular e são sequencialmente dispostas no espaço do casco em uma direção perpendicular ao eixo longitudinal, com o qual pelo menos dois componentes de feixe de tubos (50, 51, 52, 53, 54) são conectados entre si de modo removível.

2. Permutador de calor de casco e tubo (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o feixe de tubos (2) compreende entre dois e dez componentes de feixe de tubos (50, 51, 52, 53, 54).

3. Permutador de calor de casco e tubo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que, em pelo menos um componente de feixe de tubos (50, 51, 52, 53, 54), os tubos (20, 22, 27) ficam dispostos com seus pontos centrais em pelo menos três círculos concêntricos em relação ao eixo longitudinal (33), de modo que a linha de conexão dos pontos centrais de um tubo de um círculo a um tubo do círculo com o próximo maior diâmetro durante a condução a um tubo adjacente do próximo círculo com diâmetro maior resulte um uma trajetória curvada (28).

4. Permutador de calor de casco e tubo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o feixe de tubos é construído de modo modular composto de pelo menos dois componentes de feixe de tubos (50, 51,52, 53, 54).

5. Permutador de calor de casco e tubo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos um componente de feixe de tubos (50, 51,52 53, 54) é composto de pelo menos dois, preferivelmente três ou quatro ou cinco módulos de feixe de tubos (200).

6. Permutador de calor de casco e tubo (1) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os módulos de feixe de tubos (200) são projetados do mesmo tipo ou que pelo menos um módulo de feixe de tubos é de tipo diferente em relação a pelo menos um outro módulo de feixe de tubos.

7. Permutador de calor de casco e tubo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o permutador de calor de casco e tubo apresenta uma única câmara (11).

8. Permutador de calor de casco e tubo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o permutador de calor de casco e tubo apresenta dois ou mais, preferivelmente até vinte câmaras (11, 12) e pelo menos um único feixe de tubos (2), sendo que entre câmaras adjacentes entre si fica disposto um segmento de desvio (32) para o fluido de espaço de casco (M).

9. Permutador de calor de casco e tubo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o arranjo dos tubos (20) no feixe de tubos (2) define uma placa de tubo que apresenta pelo menos uma zona de conexão (4), através da qual, durante o funcionamento do permutador de calor de casco e tubo (1), entra fluido (M) para dentro do espaço de casco (3) e/ou sai do espaço de casco (3).

10. Permutador de calor de casco e tubo (1) de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a quantidade dos tubos (20) por área de seção transversal perpendicularmente em relação ao eixo longitudinal (33) na zona de conexão (4) é menor do que fora da zona de conexão, ou de que a zona de conexão é livre de tubos.

11. Permutador de calor de casco e tubo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o arranjo dos tubos (20) no feixe de tubos (2) define uma placa de tubo, na qual os tubos (20) ficam dispostos, pelo menos por áreas, alinhadas entre si e/ou pelo menos por áreas deslocadas entre si.

12. Permutador de calor de casco e tubo (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o feixe de tubos (2) fica disposto excentricamente m relação ao eixo longitudinal (33) no espaço de casco (3).

13. Feixe de tubos (2) que se destina a um permutador de calor de casco e tubo (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, em que em um espaço de casco (3) em estado montado, fica disposto um feixe de tubos (2) consistindo em uma pluralidade de tubos (20, 22, 27) com pelo menos uma base de tubo (25; 26), sendo que o permutador de calor de casco e tubo (1) é delimitado pelo lado externo por uma superfície de casco (31) e possui um eixo longitudinal (33) que passa centralmente no espaço de casco em torno do qual é formado um canal interno livre de tubos (21), e sendo que no lado interno da superfície de casco (31) é formado de modo adjacente um canal externo (23) livre de tubos, sendo que o feixe de tubos (2) entre o canal interno (21) e o canal externo (23) compreende pelo menos dois componentes de feixe de tubos (50, 51, 52, 53, 54) que se diferenciam entre si quanto à quantidade dos tubos por área e/ou quanto ao diâmetro externo dos tubos e/ou quanto à distância dos tubos caracterizado pelo fato de que os componentes de feixe de tubos (50, 51, 52, 53, 54) perpendiculares em relação ao eixo longitudinal (33) cada apresentam uma seção transversal substancialmente anular e são sequencialmente dispostos no espaço do casco em uma direção perpendicular ao eixo longitudinal, com o qual pelo menos dois componentes de feixe de tubos (50, 51,52, 53, 54) são conectados entre si de modo removível.

14. Uso de um permutador de calor de casco e tubo (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que se destina como permutador de calor gás-gás, principalmente para a recuperação de calor.

15. Uso de um permutador de calor de casco e tubo (1) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que se destina como permutador de calor gás-gás, principalmente para a recuperação de calor, sendo que o permutador de calor gás-gás é empregado em um processo para a síntese de ácido sulfúrico.