BR112019012305A2 - trocador de calor anular. - Google Patents
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Abstract
um trocador de calor anular que compreende pelo menos dois perfis de tubo circunferencialmente encerrados (1, 2) dispostos dentro um do outro para fluxo de meios e tendo uma estrutura condutora térmica (3) disposta no interior. a estrutura condutora térmica (3) compreende um par de bandas helicoidal e firmemente enroladas (4, 5) situadas uma sobre a outra, a primeira banda (4) sendo lisa, e a outra banda (5) sendo corrugada transversalmente à direção de enrolamento para criar canais de fluxo (6).
Description
TROCADOR DE CALOR ANULAR
Campo técnico [001] A invenção refere-se a um trocador de calor anular que compreende pelo menos dois perfis de tubo circunferencialmente encerrados dispostos dentro um do outro para fluxo de meios e tendo uma estrutura condutora térmica disposta no interior.
Técnica Anterior [002] Trocadores de calor compreendidos de pelo menos dois tubos para fluxo de meios dispostos dentro um do outro são às vezes referidos como trocadores “tubo-em-tubo”. O tubo em trocadores “tubo-em-tubo” tem duas funções principais - separar os meios e ao mesmo tempo serve como uma superfície de troca de calor. A convecção térmica a partir dos meios para o material do trocador de calor é decisiva para a troca de calor, enquanto a condução térmica está presente em uma extensão mínima, apenas pela parede de tubo.
[003] Aumentar a superfície de troca de calor aumenta a produção do trocador de calor. No trocador “tubo-em-tubo”, o comprimento de tubo precisa ser aumentado para aumentar a superfície de troca de calor. Como o tubo separa os meios ao mesmo tempo, toda a superfície de troca de calor deve ter uma tal espessura de parede para suportar as pressões dos meios e sua diferença de pressão. Isso faz com que o peso e o tamanho de tais trocadores sejam muito grandes.
[004] A superfície de troca de calor pode ser aumentada por afinação. As aletas são partes do tubo e têm uma espessura na ordem de mm. Nesse caso, ambas a convecção térmica e a condução térmica estão parcialmente presentes, mas a convecção térmica ainda é decisiva.
[005] A afinação (aumento da superfície de troca de calor) é usada unilateralmente - dentro ou fora.
[006] Para alcançar produção máxima com um peso mínimo de
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2/7 trocador, há um esforço para reduzir a espessura da parede separando os meios, que é restrito por limites tecnológicos, especialmente se os meios tiverem pressões altas ou diferentes. Em adição, essas paredes finas precisam ser unidas de uma forma - por exemplo, por soldagem ou caldeamento no caso de trocadores de placas. Isso também tem certos limites tecnológicos.
[007] Um tubo para trocadores, preenchido com uma superfície de troca de calor tendo o formato de aletas, é conhecido da patente US6533030.
[008] Adicionalmente, trocadores de calor são conhecidos que são preenchidos com uma estrutura com formato alveolar. As patentes japonesas JPH02150691 e JPS62288495 podem ser mencionadas como um exemplo.
[009] Adicionalmente, trocadores de calor regenerativos rotativos feitos, por exemplo, pela companhia KASST são conhecidos, que usam o princípio de condensador, o que significa que eles são ciclicamente carregados e depois que a parte carregada da superfície de troca de calor é girada para um local com uma temperatura mais baixa, eles são novamente descarregados. Este é um princípio funcional bastante diferente daquele dos trocadores “tubo-em-tubo” do ponto de vista técnico.
[0010] O objetivo da invenção é adaptar trocadores “tubo-em-tubo” conhecidos para alcançar uma redução de peso considerável e um aumento da produção de trocador.
Descrição da Invenção [0011] O dito objetivo é alcançado através de um trocador de calor anular que compreende pelo menos dois perfis de tubo circunferencialmente encerrados dispostos dentro um do outro para fluxo de meios e tendo uma estrutura condutora térmica disposta no interior de acordo com a invenção, o princípio da qual é que a estrutura condutora térmica compreende um par de bandas helicoidal e firmemente enroladas situadas uma sobre a outra, a primeira banda sendo lisa, e a outra banda sendo corrugada transversalmente à direção de enrolamento para criar canais de fluxo.
Petição 870190055345, de 14/06/2019, pág. 10/20 ?>π [0012] Uma vantagem da invenção é que as estruturas condutoras térmicas individuais são separadas uma da outra pelos respectivos perfis de tubo que funcionam como uma superfície de troca de calor em trocadores padrões, mas no trocador inventivo eles predominantemente agem como separadores de meios. Os perfis de tubo não formam principalmente uma superfície de troca de calor, mas uma peça do trocador que separa os meios para que os perfis de tubo possam ser dimensionados à respectiva diferença de pressão, e o trocador de acordo com a invenção pode ser usado para praticamente qualquer diferença de pressão de meios. Já que a estrutura condutora térmica pode ter uma espessura de dezenas de micrômetros independente das pressões de meios, enquanto que a espessura da parede e aletas possíveis em tubos aletados de trocadores conhecidos é na ordem de milímetros, isto é, duas ordens mais espessa, o peso do trocador de acordo com a invenção é consideravelmente menor com a mesma produção.
[0013] Os perfis de tubo podem ter, a princípio, qualquer seção transversal, especialmente circular, oval ou retangular.
[0014] A estrutura condutora térmica preferencialmente preenche os perfis de tubo completamente.
Breve Descrição dos Desenhos [0015] A Figura 1 mostra esquematicamente uma seção transversal do primeiro exemplo de um trocador de calor anular de acordo com a invenção. A Figura 2 mostra um detalhe do projeto da estrutura condutora térmica na área do perfil interno. As Figuras 3, 4, 5 e 6 mostra outras modalidades do trocador de calor anular de acordo com a invenção.
Descrição das modalidades preferenciais [0016] Uma modalidade de um trocador de calor anular de acordo com a Figura 1 compreende três perfis de tubo dispostos concentricamente para fluxo de meios, nomeadamente o perfil externo 1, o perfil interno 2 e o perfil central 7. Nessa modalidade, os perfis de tubo 1, 2, 7 consistem em
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ΜΊ tubos com uma seção transversal circular. Os espaços intermediários entre esses perfis 1, 2, 7 são completamente preenchidos com uma estrutura condutora térmica 3 que é composta de um par de bandas helicoidal e firmemente enroladas 4, 5 de chapa de alumínio com a espessura de 0,05 mm, situadas uma sobre a outra. A primeira banda 4 é lisa enquanto a outra banda 5 é corrugada transversalmente na direção de enrolamento para produzir canais de fluxo 6 (ver a Figura 2).
[0017] A modalidade de um trocador de calor anular de acordo com a Figura 3 apenas difere da modalidade da Figura 1 pelo fato de que ele não tem um perfil central 7 e que todo o perfil interno 2 é completamente preenchido pela estrutura condutora térmica 3.
[0018] A modalidade de um trocador de calor anular de acordo com a Figura 4 compreende vários perfis centrais 7. Em um tal caso, pode haver dois meios, ou o trocador pode ser projetado para troca de calor entre mais meios.
[0019] As Figuras 5 e 6 mostram exemplos cujos perfis de tubo 1, 2 têm uma seção transversal retangular. Uma pessoa versada verificará que os perfis 1, 2, 7 podem virtualmente ter qualquer seção transversal com circunferência encerrada.
[0020] O trocador de calor anular de acordo com a presente invenção pode ser conectado como um trocador em contracorrente ou concorrente com qualquer número de perfis inseridos 1, 2, 7. O trocador também pode ser usado para meios líquido/líquido, mas seus benefícios se manifestam ao máximo quando usado para meios gás/gás e gás/líquido e em aplicações com uma alta diferença de pressão no lado quente e frio (geradores de vapor, recuperadores de turbinas de combustão, condensadores, evaporadores).
[0021] A função de um trocador de calor anular de acordo com a presente invenção será descrita usando a modalidade mostrada nas Figuras 1 e
2. As outras modalidades funcionam de uma maneira análoga.
[0022] O meio quente é fornecido ao espaço entre o perfil interno 2 e
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5/7 o perfil central 7 onde o meio transfere calor por convecção para a estrutura condutora térmica 3. A estrutura condutora térmica 3 conduz esse calor ao tubo que forma o perfil interno 2 e subsequentemente o calor é conduzido à estrutura condutora térmica 3 que preenche o espaço entre o perfil interno 2 e o perfil externo 1. Nesse espaço, a estrutura condutora térmica 3 transfere calor por convecção para o meio mais frio que flui nesse espaço. O movimento do calor é indicado por setas na Figura 2.
[0023] Assim, o trocador de calor anular de acordo com a presente invenção é com base na troca de calor combinada quando convecção térmica tem a mesma importância que condução térmica. Sua superfície de transferência de calor é maximizada por inserção da estrutura condutora térmica 3 descrita acima. A transferência de calor para esta estrutura condutora térmica 3 e a condução térmica subsequente por esta estrutura condutora térmica 3 para a parede de separação do perfil respectivo 1, 2, 7 são igualmente usadas para a troca de calor. Assim, a condução térmica pela estrutura condutora térmica 3 é aplicada a uma extensão consideravelmente maior, sendo igualmente importante quanto convecção térmica no trocador com base na presente invenção.
[0024] As estruturas condutoras térmicas individuais 3 são separadas uma da outra pelos respectivos perfis de tubo 1, 2, 7, que funcionam como uma superfície de troca de calor em trocadores padrões, mas no trocador inventivo eles predominantemente agem como separadores de meios.
[0025] A medida que os meios são separados pelos perfis de tubo 1, 2, 7 que são projetados para a diferença de pressão respectiva, o trocador com base na presente invenção pode ser usado para virtualmente qualquer diferença de pressão de meios. Assim, os perfis de tubo 1, 2, 7 não formam principalmente uma superfície de troca de calor, mas sim uma parte separadora de meios do trocador. Já que a estrutura condutora térmica pode ter uma espessura de dezenas de micrômetros independente das pressões de
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6/7 meios, enquanto que a espessura da parede e aletas possíveis em tubos aletados de trocadores conhecidos é na ordem de milímetros, isto é, duas ordens mais espessa, o peso do trocador de acordo com a invenção é consideravelmente menor com a mesma produção.
[0026] Um cálculo de comparação utilizando um modelo numérico no programa ANSYS CFD foi usado para comparar a produção de calor transferido por um tubo de alumínio de 50 mm com o diâmetro de 20 mm em quatro versões, simulando 4 tipos diferentes de trocadores:
tubo liso tubo aletado padrão tubo aletado de acordo com a patente US6533030 trocador de acordo com a invenção [0027] Condições de cálculo: um tubo aquecido do exterior até a temperatura constante de 100°C; ar entrando no tubo tendo a temperatura de 20°C e velocidade de fluxo de 31,87 m/s.
[0028] Um trocador ideal tendo 100% de eficiência teria a produção de 604 W. Usando o modelo numérico, os seguintes valores foram calculados:
tubo liso - 32 W (5% do trocador ideal) tubo aletado padrão - 146 W (24% do trocador ideal) tubo aletado de acordo com a patente US6533030 - 252 W (42% do trocador ideal) trocador de acordo com a invenção - 375 W (62% do trocador ideal) [0029] A partir do exposto, é óbvio que o trocador inventivo tem, claramente, a maior produção.
Lista de sinais de referência:
perfil externo perfil interno estrutura condutora térmica
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7/7 primeira banda segunda banda canal de fluxo perfil central
Claims (3)
1. Trocador de calor anular que compreende pelo menos dois perfis de tubo circunferencialmente encerrados (1, 2) dispostos dentro um do outro para fluxo de meios e tendo uma estrutura condutora térmica (3) disposta no interior, caracterizado pelo fato de que a estrutura condutora térmica (3) compreende um par de bandas helicoidal e firmemente enroladas (4, 5) situadas uma sobre a outra, a primeira banda (4) sendo lisa, e a outra banda (5) sendo corrugada transversalmente à direção de enrolamento para criar canais de fluxo (6).
2. Trocador de calor anular de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os perfis de tubo (1, 2) têm uma seção transversal circular, oval ou retangular.
3. Trocador de calor anular de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a estrutura condutora térmica (3) completamente preenche os perfis de tubo (1,2).
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