BR112019020564B1 - Placa de transferência de calor, e, trocador de calor. - Google Patents

Placa de transferência de calor, e, trocador de calor. Download PDF

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Abstract

Uma placa de transferência de calor (8) e um trocador de calor (2) compreendendo uma pluralidade de tais placas de transferência de calor são providos. A placa de transferência de calor inclui uma área de transferência de calor (22) provida com um padrão de corrugação que compreende cristas (36) e vales arranjados alternadamente (38) em relação a um plano de extensão central (C) da placa de transferência de calor. As cristas formam setas compreendendo primeiras setas (58), cujas primeiras setas compreendem, cada uma, duas pernas arranjadas em lados opostos, e uma cabeça (59) arranjada sobre, um respectivo um primeiro número de linhas retas imaginárias (60) estendendo-se ao longo de toda a área de transferência de calor paralela a um eixo geométrico central longitudinal (I) da placa de transferência de calor. Cada uma das linhas retas imaginárias (60) compreende pelo menos uma porção primária (66) ao longo da qual pelo menos três das primeiras setas (59) são arranjadas, uniformemente espaçadas. A placa de transferência de calor (8) é distinguida pelo fato de que pelo menos uma maioria das linhas retas imaginárias (60) compreende pelo menos uma porção secundária (68), cada uma, ao longo da qual uma extensão das cristas (36) e vales (38) em um lado da linha reta imaginária (60) é paralela à extensão das cristas e vales no lado oposto da linha reta imaginária.

Description

CAMPO TÉCNICO
[001] A invenção refere-se a uma placa de transferência de calor e seu projeto. A invenção refere-se também a um trocador de calor de placas que compreende uma pluralidade de tais placas de transferência de calor. FUNDAMENTOS DA TÉCNICA
[002] Trocadores de calor de placas, TCPs (PHEs), consistem tipicamente em duas placas de extremidade entre as quais um número de placas de transferência de calor é arranjado de maneira alinhada, isto é, em uma pilha ou conjunto. Canais de fluxo paralelos são formados entre as placas de transferência de calor, um canal entre cada par de placas de transferência de calor adjacentes. Dois fluidos de temperaturas inicialmente diferentes podem escoar alternadamente através de cada segundo canal para transferir calor de um fluido para o outro, cujos fluidos entram e saem dos canais através dos orifícios de abertura de entrada e de saída nas placas de transferência de calor.
[003] Tipicamente, uma placa de transferência de calor compreende duas áreas de extremidade e uma área intermediária de transferência de calor. As áreas de extremidade compreendem os orifícios de abertura de entrada e de saída e uma área de distribuição pressionada com um padrão de distribuição de projeções e depressões, tais como cristas e vales, em relação a um plano de extensão central da placa de transferência de calor. Similarmente, a área de transferência de calor é pressionada com um padrão de transferência de calor de projeções e depressões, tais como cristas e vales, em relação ao dito plano de extensão central. Em um trocador de calor de placas, as cristas e vales dos padrões de distribuição e transferência de calor de uma placa de transferência de calor podem ser arranjados para contactar, em áreas de contato, cristas e vales de distribuição e padrões de transferência de calor de placas de transferência de calor adjacentes.
[004] A tarefa principal da área de distribuição das placas de transferência de calor é espalhar um fluido que ingressa no canal ao longo de uma largura da placa de transferência de calor antes que o fluido atinja a área de transferência de calor, e coletar o fluido e guiar o mesmo para fora do canal depois de ter passado pela área de transferência de calor. Ao contrário, a tarefa principal da área de transferência de calor é a transferência de calor. Uma vez que a área de distribuição e a área de transferência de calor têm diferentes tarefas principais, o padrão de distribuição normalmente difere do padrão de transferência de calor. O padrão de distribuição pode ser tal que oferece uma resistência ao fluxo relativamente fraca e baixa queda de pressão que é tipicamente associada com um desenho de padrão mais “aberto”, tal como um chamado padrão de chocolate, oferecendo relativamente poucas, mas grandes, áreas de contato entre placas de transferência de calor adjacentes. O padrão de transferência de calor pode ser tal que oferece uma resistência de fluxo relativamente forte e alta queda de pressão que é tipicamente associada com um desenho de padrão mais “denso” que oferece mais áreas de contato, mas menores, entre placas de transferência de calor adjacentes.
[005] Um padrão de transferência de calor bem conhecido é o chamado padrão de espinha de peixe ou chevron que compreende cristas e vales formando setas com cabeças arranjadas em fileiras que se estendem ao longo da área de transferência de calor paralelas a um eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor, cujo eixo geométrico central longitudinal se estende através de ambas as áreas de extremidade da placa de transferência de calor. A figura 1a, que se origina da GB 1468514, ilustra tal padrão de transferência de calor do tipo espinha de peixe. Este padrão pode dar uma placa de transferência de calor uma boa capacidade de transferência de calor, mas pode também tornar a placa de transferência de calor dimensionalmente instável e difícil de manusear, especialmente se a placa de transferência de calor for grande. A US 6702005 apresenta uma solução para este problema. A figura 1b se origina da US 6702005 e ilustra uma placa de transferência de calor provida com um padrão de transferência de calor compreendendo setas com cabeças arranjadas em fileiras, ilustradas por linhas tracejadas, estendendo-se ao longo da área de transferência de calor paralela a um eixo geométrico central longitudinal I da placa de transferência de calor. As setas tendo cabeças arranjadas em uma e no mesmo ponto da fileira em direções opostas dentro de diferentes porções da fileira, isto é, o padrão de transferência de calor é variado ao longo do eixo geométrico central longitudinal I da placa de transferência de calor. Assim, a placa de transferência de calor torna-se dimensionalmente mais estável, ou mais rígida, e, assim, mais fácil de manusear. Entretanto, onde o padrão de transferência de calor muda e as setas apontam uma em direção à outra, isto é, dentro das áreas circundadas a da área de transferência de calor, as concentrações de tensão podem ser formadas, o que pode resultar na formação de rachaduras na placa de transferência de calor. Adicionalmente, em relação à placa de transferência de calor de acordo com a figura 1a exatamente como a placa de transferência de calor de acordo com a figura 1b, as fileiras de cabeças de seta podem encerrar os fluidos que fluem através dos canais do TCP e obstruir a distribuição dos fluidos que fluem ao longo da área de transferência de calor, o que poderia afetar a capacidade de transferência de calor do TCP. SUMÁRIO
[006] Um objetivo da presente invenção é prover uma placa de transferência de calor que resolve, ou pelo menos reduz grandemente, os problemas acima mencionados. O conceito básico da invenção é o de prover à placa de transferência de calor uma área de transferência de calor com um padrão de corrugação definindo fileiras descontínuas de cabeças de seta ao longo da área de transferência de calor, isto é, um padrão de corrugação mais aberto. Outro objetivo da presente invenção é prover um trocador de calor que compreende uma pluralidade de tais placas de transferência de calor. A placa de transferência de calor e o trocador de calor para atingir os objetivos acima são definidos nas reivindicações anexas e discutidos abaixo.
[007] Uma placa de transferência de calor de acordo com a presente invenção inclui uma área de transferência de calor. A área de transferência de calor é provida com um padrão de corrugação compreendendo cristas e vales alternadamente arranjados em relação a um plano de extensão central da placa de transferência de calor. As cristas formam setas compreendendo primeiras setas. As primeiras setas são as setas que compreendem, cada uma, duas pernas arranjadas em lados opostos, e uma cabeça arranjada sobre, um respectivo número de linhas retas imaginárias estendendo-se ao longo de toda a área de transferência de calor paralela a um eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor. Cada uma das linhas retas imaginárias compreende pelo menos uma porção primária ao longo da qual pelo menos três das primeiras setas são arranjadas, uniformemente espaçadas. A placa de transferência de calor é distinguida pelo fato de que pelo menos uma maioria das linhas retas imaginárias compreende pelo menos uma porção secundária cada, ao longo das quais uma extensão das cristas e vales em um lado da linha reta imaginária é paralela à extensão das cristas e vales em outro lado oposto da linha reta imaginária. Adicionalmente, a área de transferência de calor é dividida em um segundo número de faixas transversais que se estendem transversais ao eixo geométrico central longitudinal do motor placa de transferência de calor e a partir de um primeiro a um segundo lado oposto da área de transferência de calor. Dentro das faixas transversais mais externas, o padrão de corrugação é similar
[008] Assim, o padrão de corrugação no interior da área de transferência de calor é, pelo menos parcialmente, de um tipo espinha de peixe ou chevron. As cristas e vales se estendem paralelos entre si, porque não apenas as cristas, mas também os vales, formas as setas. As setas compreendem primeiras setas como definidas acima. As setas podem também compreender segundas setas que podem compreender, cada uma, duas pernas arranjadas em lados opostos, e uma cabeça arranjada sobre, um respectivo de um terceiro número de linhas retas imaginárias estendendo-se ao longo de toda a área de transferência de calor paralela a um eixo geométrico central transversal da placa de transferência de calor.
[009] Assim, cada ponto de extremidade de cada uma das porções primárias das linhas retas imaginárias é definido por, isto é, coincide com, a cabeça de uma das primeiras setas, e pelo menos uma primeira cabeça de seta adicional é arranjada entre os pontos de extremidade de cada uma das porções primárias. Adicionalmente, uma distância entre duas adjacentes das primeiras cabeças de seta é uniforme ao longo de cada uma das porções primárias, mas pode variar entre porções primárias.
[0010] Ao longo das porções secundárias completas das linhas retas imaginárias, a extensão das cristas e vales em lados opostos das, e imediatamente adjacentes às, linhas retas imaginárias é paralela. Ao longo de cada uma das porções secundárias, pelo menos três cristas uniformemente espaçadas podem ser arranjadas em cada lado da linha reta imaginária correspondente. A distância entre cristas adjacentes em um lado da linha reta imaginária pode ou não ser igual à distância entre cristas adjacentes no outro lado da linha reta imaginária.
[0011] As partes primária e secundária de cada linha reta imaginária não são sobrepostas. Adicionalmente, duas porções primárias de uma linha reta imaginária nunca são sucessivamente arranjadas, o que é verdadeiro também para duas porções secundárias de uma linha reta imaginária.
[0012] Uma primeira seta pode ser formada por uma crista inclinada ou flexionada, a flexão definindo a cabeça da primeira seta. Alternativamente, uma primeira seta pode ser formada por duas cristas inclinadas uma em relação à outra, ponto de extremidade a ponto de extremidade, os pontos de extremidade definindo a cabeça da primeira seta. Os pontos de extremidade podem estar em contato um com o outro, ou estar ligeiramente separados um do outro ao longo do eixo geométrico central transversal, e/ou estar ligeiramente deslocados um em relação ao outro ao longo do eixo geométrico central longitudinal,.
[0013] Ao longo das porções secundárias das linhas retas imaginárias, as cristas e vales em um lado da linha reta imaginária podem ser integrais, ou separados de cristas e vales no outro lado oposto da linha reta imaginária.
[0014] Naturalmente, o plano de extensão central é imaginário.
[0015] Crista, refere-se a uma elevação contínua alongada, reta ou curva, que pode se estender, com referência ao eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor, obliquamente ao longo da área completa, ou uma porção da área de transferência de calor. Similarmente, vale, refere-se uma trincheira contínua alongada, reta ou curva, que pode se estender, com referência ao eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor, obliquamente ao longo da área completa, ou uma porção da área de transferência de calor.
[0016] Naturalmente, o primeiro número de linhas retas imaginárias determina quanto “pelo menos uma maioria” é. O primeiro número de linhas retas imaginárias pode ser três ou mais. No caso de três linhas retas imaginárias, “pelo menos uma maioria” é dois ou três. No caso de cinco linhas retas imaginárias, “pelo menos uma maioria” é três, quatro ou cinco
[0017] O segundo número de faixas transversais é > 2 e mais preferido > 3.
[0018] Como mencionado acima, o padrão de corrugação dentro de uma das faixas transversais mais externas da área de transferência de calor é similar ao padrão de corrugação dentro da outra das faixas transversais mais externas. Aqui, “similar” não deve ser interpretado como necessariamente significando completamente, mas pelo menos essencialmente, idêntico. Ainda, aqui, “similar” significa que o padrão de corrugação tem a mesma orientação nas faixas transversais mais externas, isto é, que se o padrão de corrugação dentro de uma das faixas transversais mais externas pudesse ser deslocado ao longo do eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor, poderia coincidir com o padrão de corrugação dentro da outra das faixas transversais mais externas. Deve ser enfatizado que mesmo se o padrão de corrugação for similar dentro das faixas transversais mais externas, o padrão de corrugação dentro de uma das faixas transversais mais externas pode ser deslocado em relação ao padrão de corrugação dentro da outra das faixas transversais mais externas. Em outras palavras, uma localização do padrão de corrugação dentro de uma das faixas transversais mais externas, em relação às bordas da dita uma das faixas transversais mais externas, podem diferir de uma localização do padrão de corrugação dentro da outra das faixas transversais mais externas, em relação às bordas da outra das faixas transversais mais externas. A similaridade de padrão entre as faixas transversais mais externas é benéfica quando chega ao empilhamento de uma pluralidade de placas de transferência de calor em um trocador de calor de placas. Isto frequentemente envolve a rotação de cada segunda das placas de transferência de calor 180 graus em torno de um eixo geométrico que se estende paralelo a uma direção normal da placa de transferência de calor, em relação a uma orientação da placa de referência. A similaridade de padrão pode então permitir o cruzamento de padrões, resultando em uma densidade suficiente, e uma distribuição adequada, de pontos de contato entre duas placas de transferência de calor adjacentes
[0019] Assim, as primeiras cabeças de seta são arranjadas em fileiras que se estendem ao longo da área de transferência de calor paralela ao eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor. Estas fileiras coincidem com as linhas retas imaginárias. Uma vez que pelo menos uma maioria das linhas retas imaginárias compreendem pelo menos uma porção secundária, cada uma, pelo menos uma maioria das fileiras de primeiras cabeças de seta é descontínua. Consequentemente, a presente invenção torna possível variar o padrão de corrugação dentro da área de transferência de calor ao longo do eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor, de modo a tornar a placa de transferência de calor dimensionalmente estável e fácil de manusear. Adicionalmente, o padrão de corrugação pode ser variado sem criar, ou com a criação de apenas poucas (em comparação com a US 6702005), áreas onde o padrão de transferência de calor muda e as primeiras setas apontam uma em direção à outra. Assim, as concentrações de tensão na placa de transferência de calor, ao longo das linhas retas imaginárias, podem ser reduzidas, o que resulta em um risco diminuído de formação de rachaduras. Adicionalmente, as fileiras descontínuas das cabeças da primeira seta tornam o padrão de corrugação mais aberto de tal modo que um fluido que escoa ao longo da área de transferência de calor pode mais facilmente cruzar as linhas retas imaginárias para uma distribuição de fluxo mais uniforme ao longo da placa de transferência de calor.
[0020] A placa de transferência de calor pode ainda compreender duas áreas de extremidade entre as quais a área de transferência de calor é arranjada. Cada uma das áreas de extremidade pode compreender duas áreas de orifício de abertura, que podem ser abertas, isto é, orifícios de abertura, ou fechados, e uma área de distribuição arranjada entre a área de transferência de calor e as áreas de orifício de abertura e provida com um padrão de corrugação que difere do padrão de corrugação da área de transferência de calor. O eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor se estende através das áreas de extremidade e da área de transferência de calor.
[0021] A placa de transferência de calor pode ser tal que, ao longo das porções secundárias de pelo menos uma maioria das linhas retas imaginárias, a extensão das cristas e vales no lado oposto da linha reta imaginária é alinhada com a extensão das cristas e vales no lado oposto da linha reta imaginária. Isto torna possível ter o mesmo padrão de corrugação em ambos os lados, e/ou cristas e vales, com direção inalterada, da linha reta imaginária, que pode resultar em uma placa de transferência de calor mais rígida que é mais fácil de manusear.
[0022] A placa de transferência de calor pode ser tal que cada uma das linhas retas imaginárias, exceto por uma primeira das linhas retas imaginárias, compreende pelo menos uma porção secundária. Isto significa que todas as fileiras de primeiras cabeças de seta, menos uma é descontínua, o que permite uma placa de transferência de calor que é particularmente estável e fácil de manusear e que tenha um padrão de corrugação ainda mais aberto para uma distribuição de fluxo ainda mais uniforme ao longo da placa de transferência de calor.
[0023] A primeira linha reta imaginária pode coincidir com o eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor. Isto permite que a área de transferência de calor ao padrão de corrugação simétrico em relação ao eixo geométrico central longitudinal.
[0024] A placa de transferência de calor pode ser projetada de modo que pelo menos uma das linhas retas imaginárias em cada lado da primeira linha reta imaginária compreenda pelo menos duas porções primárias, e pelo menos uma outra das linhas retas imaginárias em cada lado da primeira linha reta imaginária compreende pelo menos duas porções secundárias, o que pode resultar em uma placa de transferência de calor dimensionalmente estável que é mais fácil de manusear.
[0025] Como mencionado acima, a área de transferência de calor é dividida em um segundo número de faixas transversais. O padrão de corrugação dentro de cada uma das faixas transversais pode variar a partir do padrão de corrugação dentro de uma das faixas transversais adjacentes. Também, o padrão de corrugação dentro de uma faixa transversal arranjada entre duas outras faixas transversais pode diferir do padrão de corrugação dentro de cada uma das duas outras faixas transversais. Adicionalmente, independentemente do padrão de corrugação dentro das faixas transversais adjacentes diferir ou não, cada uma das partes primária e secundária das linhas retas imaginárias pode se estender completamente ao longo de uma respectiva das faixas transversais
[0026] Cada uma das duas faixas transversais pode ser separada por uma ranhura respectiva que se estende no plano de extensão central da placa de transferência de calor a partir da primeira até o segundo lado longo da área de transferência de calor. Assim, pode ser facilitada a variação do padrão de corrugação ao longo da transferência de calor. Conforme discutido acima, tal variação pode tornar a placa de transferência de calor dimensionalmente mais estável, ou mais rígida, e mais fácil de manusear.
[0027] As faixas transversais mais externas, que definem dois primeiro e segundo lados curtos opostos da área de transferência de calor, podem ter recortes ou bordas similares. Aqui, “similar” não deve ser interpretado como necessariamente significando totalmente, mas pelo menos essencialmente, idêntico. Isto é benéfico quando chega ao empilhamento de uma pluralidade de placas de transferência de calor em um trocador de calor de placas, que frequentemente envolve a rotação de cada segunda das placas de transferência de calor 180 graus em torno de um eixo geométrico que se estende paralelo a uma direção normal da placa de transferência de calor, em relação a uma orientação da placa de referência. A similaridade de contorno pode então permitir uma densidade suficiente, e uma distribuição adequada, de pontos de contato entre duas placas de transferência de calor adjacentes.
[0028] Cada uma das faixas transversais pode ser delimitada por um primeiro e um segundo limites, pelo menos um dos quais é curvo. Isto significa que uma borda entre duas faixas transversais adjacentes, ou uma das faixas transversais externas e uma das áreas de extremidade, pode ser curva. Assim, uma força de flexão da placa de transferência de calor pode ser aumentada na borda em comparação com a borda se fosse reta, em cujo caso a borda poderia servir como uma linha de flexão da placa de transferência de calor.
[0029] Cada uma das faixas transversais mais externas pode ter uma largura variável como medida paralela ao eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor. A largura pode ser reduzida em uma direção do primeiro lado longo da área de transferência de calor em direção ao eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor, e em uma direção do segundo lado longo da área de transferência de calor em direção ao eixo geométrico longitudinal da placa de transferência de calor. Esta modalidade pode tornar possível que as áreas de extremidade da placa de transferência de calor tenham um limite voltado para a área de transferência de calor que é salientando-se para fora em direção a um centro da placa de transferência de calor. Como será adicionalmente discutido abaixo, tais áreas de extremidade podem envolver uma maior eficiência de distribuição.
[0030] Uma das faixas transversais arranjadas entre as faixas transversais mais externas pode ter uma largura variável como medida paralela ao eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor. A largura pode estar aumentando em uma direção a partir do primeiro lado longo da área de transferência de calor em direção ao eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor, e em uma direção do segundo lado longo da área de transferência de calor em direção ao eixo geométrico longitudinal da placa de transferência de calor. Desse modo, esta faixa transversal intermediária pode se ajustar junto com as faixas transversais mais externas o que pode tornar possível ter as faixas transversais ocupando toda a área de transferência de calor. Isto é benéfico com relação a uma capacidade de transferência de calor da placa de transferência de calor.
[0031] O padrão de corrugação da área de transferência de calor pode ser simétrico em relação ao eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor. Isto é benéfico quando chega ao empilhamento de uma pluralidade de placas de transferência de calor em um trocador de calor de placas, que frequentemente envolve a rotação de cada segunda das placas de transferência de calor 180 graus em torno de um eixo geométrico que se estende paralelo a uma direção normal da placa de transferência de calor, em relação a uma orientação da placa de referência. Esta simetria pode então permitir uma densidade suficiente, e uma distribuição adequada, de pontos de contato entre duas placas de transferência de calor adjacentes.
[0032] As primeiras setas arranjadas ao longo da mesma das linhas retas imaginárias podem apontar na mesma direção. Esta modalidade pode permitir que uma área de transferência de calor compreendendo um padrão de corrugação se, áreas onde o padrão de transferência de calor muda e as primeiras setas apontam uma em direção à outra. Por sua vez, isto permite uma placa de transferência de calor resistente à rachadura particularmente resistente.
[0033] As cristas e vales podem, em um lado externo de uma das linhas retas imaginárias, todos se estender em um menor ângulo que 0-90 graus em relação à linha reta imaginária mais externa, conforme medido a partir da linha reta imaginária mais externa em uma primeira direção. Esta primeira direção é uma direção horária ou anti-horária. Assim, um deslocamento de margem relativamente uniforme resultante da prensagem da placa de transferência de calor, e assim uma margem de placa de transferência de calor relativamente uniforme, pode ser obtida, o que é benéfico com relação à resistência da placa de transferência de calor. Naturalmente, a característica acima pode existir em um lado externo de ambas as linhas retas imaginárias mais externas.
[0034] Um trocador de calor de acordo com a presente invenção compreende uma pluralidade de placas de transferência de calor conforme descritas acima.
[0035] Ainda outros objetivos, características, aspectos e vantagens da invenção aparecerão a partir da seguinte descrição detalhada bem como a partir dos desenhos
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0036] A invenção será agora descrita em maiores detalhes com referência aos desenhos esquemáticos anexos, nos quais as figuras 1a-1b são vistas planas de placas de transferência de calor da técnica anterior, a figura 2 é uma vista lateral de um trocador de calor de placas de acordo com a invenção, as figuras 3-6 são vistas planas esquemáticas de uma placa de transferência de calor de acordo com quatro modalidades diferentes da invenção, e a figura 7 ilustra esquematicamente uma parte de uma seção transversal da placa de transferência de calor da figura 3, tomada ao longo da linha A-A.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0037] Com referência à Figura 2, um trocador de calor de placa em gaxeta 2 é mostrado. Compreende uma primeira placa de extremidade 4, uma segunda placa de extremidade 6 e várias placas de transferência de calor 8 arranjadas em um pacote de placas 10 entre a primeira e segunda placas de extremidade 4 e 6, respectivamente. As placas de transferência de calor são todas do tipo ilustrado na Figura 3.
[0038] As placas de transferência de calor 8 estão separadas uma das outras por gaxetas (não mostradas). As placas de transferência de calor juntas com as gaxetas formam canais paralelos arranjados para receber alternativamente dois fluidos para transferir calor de um fluido para outro. Para este fim, um primeiro fluido está arranjado para escoar em cada segundo canal e um segundo fluido está arranjado para escoar nos canais restantes. O primeiro fluido entra e sai do trocador de calor de placa 2 através de uma entrada 12 e uma saída 14, respectivamente. Similarmente, o segundo fluido entra e sai do trocador de calor de placa 2 através de uma entrada e uma saída (não visível nas figuras), respectivamente. Para que os canais sejam à prova de vazamento, as placas de transferência de calor devem ser pressionadas uma contra a outra pelas quais as gaxetas vedam entre as placas de transferência de calor 8. Para este fim, o trocador de calor de placa 2 compreende vários meios de aperto 16 arranjados para pressionar a primeira e segunda placas de extremidade 4 e 6, respectivamente, uma em direção à outra.
[0039] O projeto e função de trocadores de calor de placa em gaxeta são bem conhecidos e não serão descritos em detalhes aqui.
[0040] Uma das placas de transferência de calor 8 será agora descrita adicionalmente com referência às figuras 3 e 7 que ilustram a placa de transferência de calor e uma seção transversal da placa de transferência de calor, respectivamente. A placa de transferência de calor 8 é uma folha essencialmente retangular de aço inoxidável prensado, de uma maneira convencional, em uma ferramenta de prensagem, para ser dada uma estrutura desejada. Isto define um plano de topo T, um plano de fundo B e um plano de extensão central C (ver também a Figura 2) que são paralelos uns aos outros e ao plano de figura da Figura 3. O plano de extensão central C se estende em sua metade entre os planos de topo e de fundo, T e B, respectivamente. A placa de transferência de calor tem adicionalmente um eixo geométrico central longitudinal I e um eixo geométrico central transversal t.
[0041] A placa de transferência de calor 8 compreende uma primeira área de extremidade 18, uma segunda área de extremidade 20 e uma área de transferência de calor 22 arranjada entre as mesmas. Por sua vez, a primeira área de extremidade 18 compreende uma área aberta de furo de orifício de entrada, isto é, um furo de orifício de entrada, 24 para o primeiro fluido e uma área aberta de furo de orifício de saída, isto é, um vão de saída, 26 para o segundo fluido arranjado para comunicação com a entrada 12 para o primeiro fluido e a saída para o segundo fluido, respectivamente, do trocador de calor de placa 2. Adicionalmente, a primeira área de extremidade 18 compreende uma primeira área de distribuição 28 provida com um padrão de distribuição na forma de um padrão chamado chocolate (não ilustrado na Figura 3, mas na Figura 6). Similarmente, por sua vez, a segunda área de extremidade 20 compreende uma área aberta de furo de orifício de saída, isto é, um furo de orifício de saída, 30 para o primeiro fluido e uma área aberta de furo de orifício de entrada, isto é, um furo de orifício de entrada, 32 para o segundo fluido arranjado para comunicação com a saída 14 do primeiro fluido e a entrada do segundo fluido, respectivamente, do trocador de calor de placa 2. Adicionalmente, a segunda área de extremidade 20 compreende uma segunda área de distribuição 34 provida com um padrão de distribuição na forma de um padrão chamado chocolate (não ilustrado na Figura 3, mas na Figura 6). As estruturas da primeira e segunda área de extremidade são as mesmas, mas como espelho invertido com relação ao eixo geométrico central transverso t.
[0042] A área de transferência de calor 22 é provida com um padrão de corrugação de tipo espinha de peixe que é simétrico com respeito ao eixo geométrico central longitudinal I da placa de transferência de calor. Isto compreende cristas arranjadas alternadamente 36 e vales 38 em relação ao plano de extensão central C que define a fronteira entre as cristas e vales. Isto fica claro a partir da Figura 7, que, entretanto, ilustra apenas uma crista completa e dois vales. Na Figura 3, as linhas em ziguezague ilustram as cristas enquanto o espaço entre as linhas em ziguezague ilustra os vales. Naturalmente, as cristas e vales como vistos de um lado da placa de transferência de calor são vales e cristas, respectivamente, como vistos de outro lado da placa de transferência de calor.
[0043] A área de transferência de calor 22 é dividida em três bandas transversais, duas bandas transversais mais externas 40 e 42 e uma banda intermediária transversal 44 arranjada entre as bandas transversais mais externas. Cada uma das bandas transversais se estende transversal ao eixo geométrico central longitudinal I da placa de transferência de calor 8 e a partir de um primeiro lado longo 46 para um segundo lado longo 48 da área de transferência de calor 22. As bandas transversais mais externas 40 e 42 são essencialmente similares e o padrão de corrugação no meio delas é então similar. Entretanto, o padrão de corrugação no meio da banda transversal mais externa 40 é deslocado em relação ao padrão de corrugação no meio da banda transversal mais externa 42 de modo que as posições dos vales na banda mais externa 40 correspondam às posições das cristas na banda mais externa 42. O padrão de corrugação no meio da banda intermediária transversal 44 é diferente do padrão de corrugação no meio das bandas mais externas 40 e 42. Deve-se enfatizar que apenas algumas das cristas e vales do padrão de corrugação estão ilustradas na Figura 3 (e nas Figuras 4 e 5). Na realidade, conforme está ilustrado na Figura 6, o padrão de corrugação cobre a área de transferência de calor 22 completa. Assim, algumas das cristas e vales serão conformadas em ziguezague, algumas serão conformadas em V e algumas serão retas.
[0044] Cada uma das bandas transversais é limitada por um primeiro e segundo limite que para a banda transversal mais externa 40 são denotados 50 e 52, respectivamente. O primeiro e segundo limites da banda intermediária transversal 44 coincidem com o segundo limite 52 da banda transversal mais externa 40, e o primeiro limite da banda transversal mais externa 42, respectivamente. Os limites coincidentes das bandas transversais coincidem com ranhuras 54 e 56 que se estendem no plano de extensão central C da placa de transferência de calor a partir do primeiro lado longo 46 ao segundo lado longo 48 da área de transferência de calor 22.
[0045] Conforme está claro a partir da Figura 3, o primeiro e segundo limites 50 e 52 da banda transversal mais externa 40, e assim também a banda transversal mais externa 42, estão curvados e para dentro arqueado ou côncavo como visto de dentro da respectiva banda transversal mais externa. Isto dá para as bandas transversais mais externas 40 e 42 uma largura variável, a largura sendo medida paralelamente ao eixo geométrico central longitudinal I, mais particularmente uma largura diminuindo a partir dos primeiro e segundo lados longos 46 e 48 da área de transferência de calor 22 em direção ao eixo geométrico central longitudinal I da placa de transferência de calor 8. Adicionalmente, o primeiro e segundo limites da banda intermediária transversal 44 são curvados e para fora arqueado ou convexo conforme visto de dentro da banda intermediária transversal. Isto dá para a banda intermediária transversal 44 uma largura variável, mais particularmente uma largura que aumenta a partir dos primeiro e segundo lados longos 46 e 48 em direção ao eixo geométrico central longitudinal II.
[0046] As cristas conformadas em ziguezague e V dentro das bandas transversais formam primeiras setas 58 com respectivos desníveis 59. Uma vez que os vales se estendem entre, e paralelos às cristas, estes também formam setas com respectivos desníveis. Os primeiros desníveis das setas dentro de cada uma das bandas transversais estão arranjados em sequências que se estendem a partir do primeiro para o segundo limite das bandas transversais, com primeiros desníveis de seta 59 arranjados ao longo das sequências completas com uma distância uniforme entre primeiros desníveis de seta adjacentes. As sequências formam fileiras contínuas ou descontínuas que coincidem com linhas retas imaginárias 60, aqui cinco, se estendendo através da área de transferência de calor completa, de um primeiro lado curto 62 para um segundo lado curto 64, portanto. As linhas retas imaginárias 60 se estendem paralelas ao eixo geométrico central longitudinal I da placa de transferência de calor 8 em uma distância uma da outra.
[0047] As primeiras setas 58 ao longo da mesma das linhas retas imaginárias apontam todas na mesma direção. Adicionalmente, conforme está claro a partir da Figura 3, todas as primeiras setas têm o mesmo ângulo y. Portanto, todas as cristas 36 e os vales 38 se estendem em paralelo em um lado de fora de linhas retas imaginárias mais externas 60a e 60b. Mais particularmente, no lado de fora da linha reta imaginária mais externa 60a, as cristas 36 e os vales 38 todos se estendem com o mesmo ângulo menor α = y/2 = 60 graus em relação à linha reta imaginária mais externa 60a conforme medida a partir da linha reta imaginária mais externa 60a em uma direção no sentido horário. Similarmente, no lado de fora da linha reta imaginária mais externa 60b, as cristas 36 e os vales 38 todos se estendem com o mesmo ângulo menor β = y/2 = 60 graus em relação à linha reta imaginária mais externa 60b conforme medida a partir da linha reta imaginária mais externa 60b em uma direção no sentido anti-horário.
[0048] As porções das linhas retas imaginárias 60 ocupadas pelas sequências dos primeiros desníveis de seta 59, isto é, ao longo do qual uma pluralidade de primeiras setas é arranjada uniformemente espaçada, estão aqui referidas como porções primárias 66. Como é evidente a partir da figura 3, existem três porções primárias 66 dentro de cada uma das faixas transversais 40, 42 e 44 da área de transferência de calor 22. Adicionalmente, cada uma das linhas retas imaginárias 60 compreende uma, duas ou três porções primárias 66. As porções das linhas retas imaginárias 60 fora das porções primárias são aqui referidas como porções secundárias 68. Ao longo das porções secundárias 68, as cristas 36 e vales 38 cruzam as linhas retas imaginárias 60 não flexionadas, isto é, com direção inalterada, tal que uma extensão das cristas e vales imediatamente em um lado da linha reta imaginária é alinhada com uma extensão das cristas e vales imediatamente em um lado oposto da linha reta imaginária. Como é claro a partir da figura 3, existem duas porções secundárias 68 dentro de cada uma das faixas transversais 40, 42 e 44 da área de transferência de calor 22. Adicionalmente, todas as linhas retas imaginárias 60, exceto por um primeiro centro 60’ coincidindo com o eixo geométrico central longitudinal I, compreendem uma ou duas porções secundárias 68. A primeira linha reta imaginária 60’ precisa de uma porção secundária.
[0049] Assim, como é evidente a partir da figura 3, as linhas retas imaginárias mais externas 60a e 60b compreendem, cada uma, uma porção primária e duas porções secundárias, enquanto as linhas retas imaginárias intermediárias arranjadas entre o primeiro centro e cada uma das linhas retas imaginárias mais externas compreendem, cada uma, uma porção secundária e duas porções primárias.
[0050] Conforme descrito acima, os limites das faixas transversais 40, 42 e 44 da área de transferência de calor 22 são curvados. Adicionalmente, como é evidente a partir da figura 3, também um respectivo primeiro limite 70 e 72 das áreas de extremidade 18 e 20 é curvada e arqueado ou convexo para fora, conforme visto a partir das respectivas áreas de extremidade. Os primeiros limites 70 e 72 das áreas de extremidade 18 e 20, respectivamente, coincidem com o primeiro limite 50 da faixa transversal mais externa 40, e o segundo limite da faixa transversal mais externa 42, respectivamente, e com as ranhuras 74 e 76, respectivamente. As ranhuras se estendem no plano de extensão central C da placa de transferência de calor 8 e a partir do primeiro lado longo 46 até o segundo lado longo 48 da área de transferência de calor 22.
[0051] Os limites das faixas transversais e as áreas de extremidade são todos uniformes. Assim, a compressão da placa de transferência de calor com uma ferramenta modular, que é usada para fabricar placas de transferência de calor de diferentes tamanhos contendo diferentes números de faixas transversais pela adição/remoção de faixas transversais adjacentes às áreas de extremidade, é habilitada.
[0052] Devido ao fato de que os primeiros limites 70 e 72 são abaulados para fora, estes são mais longas do que os primeiros limites retos correspondentes. Isto resulta em “saídas” maiores das áreas de extremidade que é benéfico em relação à distribuição de fluido ao longo de uma largura da área de transferência de calor.
[0053] As placas de transferência de calor 8 do trocador de calor de placas 2 são empilhadas entre a primeira e a segunda placas de extremidade 4 e 6 com um lado frontal (visível na figura 3) e um lado traseiro de uma placa de transferência de calor voltada para um lado traseiro e um lado frontal, respectivamente, de placas de transferência de calor adjacentes. Adicionalmente, cada segunda placa de transferência de calor é rotada em 180 graus, em relação a uma orientação de referência, em torno de um eixo geométrico central (X) das placas de transferência de calor que se estendem através de um centro, e perpendicularmente ao plano de extensão central (C), das placas de transferência de calor. Assim, as cristas e vales da dita placa de transferência de calor irão cruzar e entrar em contato, em pontos, com os vales e cristas, respectivamente, das ditas placas de transferência de calor adjacentes. Uma vez que as placas de transferência de calor não compreendem somente fileiras contínuas de primeiras setas igualmente espaçadas estendendo-se ao longo de toda a área de transferência de calor paralela ao eixo geométrico central longitudinal das placas de transferência de calor, o canal formado entre duas placas adjacentes das placas de transferência de calor será relativamente aberto de modo que se permita um espalhamento eficaz de fluido ao longo das áreas de transferência de calor das placas de transferência de calor. Adicionalmente, devido à falta de áreas compreendendo uma mudança de padrão com as primeiras setas apontando uma para a outra, as placas de transferência de calor serão resistentes à formação de rachaduras.
[0054] As figuras 4 e 5 ilustram exemplos de outros projetos possíveis de uma placa de transferência de calor de acordo com a invenção. Obviamente, a maior parte da descrição acima é válida também para as placas de transferência de calor das figuras 4 e 5. No entanto, existem três linhas retas imaginárias para as placas de transferência de calor, de acordo com as figuras 4 e 5, em vez de cinco. Duas das três linhas retas imaginárias para a placa de transferência de calor de acordo com a figura 4 compreendem duas porções secundárias cada uma, enquanto duas das três linhas retas imaginárias para a placa de transferência de calor de acordo com a figura 5 compreendem uma porção secundária cada uma. Adicionalmente, ao longo da primeira linha reta imaginária centralizada para ambas as placas de transferência de calor, as primeiras setas dentro da faixa transversal intermediária e as primeiras setas dentro das faixas transversais mais externas apontam em direções opostas. Portanto, ambas as placas de transferência de calor compreendem uma área, cada uma, centralizada na borda entre a superfície superior (conforme visto nas figuras 4 e 5) mais externa e a faixa transversal intermediária, dentro das quais o padrão de corrugação muda e as primeiras setas apontam uma em direção à outra.
[0055] A figura 6 ilustra um exemplo de um outro projeto possível de uma placa de transferência de calor de acordo com a invenção. A placa de transferência de calor na figura 6 é essencialmente similar à placa de trocador de calor na figura 3, exceto pelo fato de que uma área de transição 78 é arranjada entre cada uma das áreas de distribuição 28 e 34 e a área de transferência de calor 22. O projeto, a função e a finalidade dessas áreas de transição são descritas na publicação WO 2014/067757.
[0056] Naturalmente, muitos outros projetos de placa de transferência de calor são possíveis dentro do escopo da presente invenção.
[0057] As modalidades acima descritas da presente invenção devem ser vistas como exemplos. Uma pessoa versada na técnica percebe que as modalidades discutidas podem ser variadas e combinadas de diversas maneiras, sem se desviar da concepção inventiva.
[0058] Como exemplo, o padrão de corrugação dentro das áreas de distribuição não precisa ser um padrão chocolate, mas pode ser de outros tipos.
[0059] Adicionalmente, a placa de transferência de calor não precisa compreender três faixas transversais e cinco ou três linhas retas imaginárias, mas pode compreender um outro número de faixas transversais e linhas retas imaginárias, e assim, outros números e combinações, dentro do escopo da presente invenção, de porções primária e secundária. Como um exemplo, a placa de transferência de calor pode compreender cinco faixas transversais nas quais as faixas mais externas e a faixa central são côncavas, e as faixas entre a faixa central e cada uma das faixas mais externas são convexas.
[0060] Um ou todos os limites de topo das faixas transversais e os primeiros limites de extremidade das áreas de extremidade poderiam ser retos ao invés de curvos. Consequentemente, as faixas transversais poderiam ter larguras uniformes.
[0061] As primeiras setas dentro da área de transferência de calor não precisam ter o mesmo primeiro ângulo de seta como acima, mas podem ter um corte variado. Adicionalmente, α e β não precisam ser iguais ou iguais a 60 graus. Adicionalmente, as linhas retas imaginárias poderiam ser distribuídas uniformemente ao longo da área de transferência de calor.
[0062] No trocador de calor de placas, as placas de transferência de calor não precisam ser empilhadas conforme descrito acima, mas poderiam, em vez disso, ser empilhadas com um lado frontal e um lado traseiro de uma placa de transferência de calor voltada para um lado frontal e um lado traseiro, respectivamente, das placas de transferência de calor adjacentes, e com cada segunda placa de transferência de calor girada em 180 graus.
[0063] As cristas e vales não precisam ter uma seção transversal como ilustrado na figura 7, mas podem ter qualquer seção transversal, tal como uma seção transversal compreendendo um ou mais ressaltos ou flancos que ligam as cristas e vales.
[0064] O trocador de calor de placas acima descrito é do tipo de contrafluxo paralelo, isto é, a entrada e a saída para cada fluido são arranjadas na mesma metade do trocador de calor da placa e os fluidos escoam em direções opostas através dos canais entre as placas de transferência de calor. Naturalmente, o trocador de calor de placas pode, em vez disso, ser do tipo de fluxo diagonal e/ou do tipo de cofluxo.
[0065] O trocador de calor de placas acima compreende apenas um tipo de placa. Naturalmente, o trocador de calor de placas poderia, em vez disso, compreender dois ou mais tipos diferentes de placas de transferência de calor arranjadas alternadamente. Adicionalmente, as placas de transferência de calor poderiam ser feitas de outros materiais do que o aço inoxidável.
[0066] A presente invenção pode ser usada em conjunto com outros tipos de trocadores de calor de placas do que aqueles em gaxeta, tais quais trocadores de calor de placas soldados integralmente, semissoldados e com solda forte.
[0067] Deve ser enfatizado que uma descrição dos detalhes não relevantes para a presente invenção foi omitida e que as figuras são apenas esquemáticas e não desenhadas de acordo com a escala. Também deve ser dito que algumas das figuras foram mais simplificadas do que outras. Portanto, alguns componentes podem ser ilustrados em uma figura, mas deixados em outra figura.

Claims (15)

1. Placa de transferência de calor (8) que inclui uma área de transferência de calor (22) provida com um padrão de corrugação que compreende cristas arranjadas alternadamente (36) e vales (38) em relação a um plano de extensão central (C) da placa de transferência de calor, cujas cristas formam setas compreendendo primeiras setas (58), cujas primeiras setas compreendem duas pernas arranjadas em lados opostos de, e uma cabeça (59) arranjada sobre, um respectivo de um primeiro número de linhas retas imaginárias (60) estendendo-se ao longo de toda a área de transferência de calor paralela a um eixo geométrico central longitudinal (I) da placa de transferência de calor, cada uma das linhas retas imaginárias (60) compreendendo pelo menos uma porção primária (66) ao longo da qual pelo menos três das primeiras cabeças de seta (59) são arranjadas, uniformemente espaçadas, em que pelo menos uma maioria das linhas retas imaginárias (60) compreende pelo menos uma porção secundária (68) cada uma das quais uma extensão das cristas (36) e vales (38) em um lado da linha reta imaginária (60) é paralela com a extensão das cristas e vales em um outro lado oposto da linha reta imaginária, em que a área de transferência de calor (22) é dividida em um segundo número de faixas transversais (40, 42, 44) estendendo-se transversalmente ao eixo geométrico central longitudinal (I) da placa de transferência de calor (8) e a partir de um primeiro para um segundo lado longo oposto (46, 48) da área de transferência de calor (22), caracterizada pelo fato de que, dentro das faixas transversais mais externas (40 a 42), o padrão de corrugação é similar.
2. Placa de transferência de calor (8) de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que, ao longo de ditas porções secundárias (68) da dita pelo menos uma maioria das linhas retas imaginárias (60), a extensão das cristas (36) e vales (38) no dito um lado da linha reta imaginária é alinhada com a extensão das cristas e vales no dito lado oposto da linha reta imaginária.
3. Placa de transferência de calor (8) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que cada uma das linhas retas imaginárias (60), exceto uma primeira (60’) das linhas retas imaginárias, compreende pelo menos uma porção secundária (68).
4. Placa de transferência de calor (8) de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de que a dita primeira linha reta imaginária (60’) coincide com o eixo geométrico central longitudinal da placa de transferência de calor.
5. Placa de transferência de calor (8) de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizada pelo fato de que pelo menos uma das linhas retas imaginárias (60) em cada lado da primeira linha reta imaginária (60’) compreende pelo menos duas porções primárias (66), e pelo menos uma outra das linhas retas imaginárias (60) em cada lado da primeira linha reta imaginária (60’) compreende pelo menos duas porções secundárias (68).
6. Placa de transferência de calor (8) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o padrão de corrugação dentro de cada uma das faixas transversais (40, 42, 44) varia a partir do padrão de corrugação dentro de uma das faixas transversais adjacentes, e cada uma das porções primária e secundária (66, 68) das linhas retas imaginárias (60) se estendem completamente ao longo de uma respectiva das faixas transversais (40, 42, 44).
7. Placa de transferência de calor (8) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que cada duas faixas transversais adjacentes são separadas por uma respectiva ranhura (54, 56) estendendo-se no plano de extensão central (C) da placa de transferência de calor (8) desde o primeiro até o segundo lado longo (46, 48) da área de transferência de calor (22).
8. Placa de transferência de calor (8) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que os contornos das faixas transversais mais externas (40, 42) são similares.
9. Placa de transferência de calor (8) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que cada uma das faixas transversais (40, 42, 44) é delimitada por um primeiro e um segundo limites (50, 52), pelo menos um dos quais é curvado.
10. Placa de transferência de calor (8) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que cada uma das faixas transversais mais externas (40, 42) tem uma largura variável como medida paralela ao eixo geométrico central longitudinal (I) da placa de transferência de calor, a largura diminuindo em uma direção do primeiro lado longo (46) da área de transferência de calor (22) em direção ao eixo geométrico central longitudinal (I) da placa de transferência de calor (8), e em uma direção a partir do segundo lado longo (48) da área de transferência de calor (22) em direção ao eixo geométrico longitudinal (I) da placa de transferência de calor (8).
11. Placa de transferência de calor (8) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que uma das faixas transversais (44) arranjada entre as faixas transversais mais externas (40, 42) tem uma largura variável como medida paralela ao eixo geométrico central longitudinal (I) da placa de transferência de calor (8), a largura aumentando em uma direção do primeiro lado longo (46) da área de transferência de calor (22) em direção ao eixo geométrico central longitudinal (I) da placa de transferência de calor, e em uma direção a partir do segundo lado longo (48) da área de transferência de calor (22) em direção ao eixo geométrico longitudinal (I) da placa de transferência de calor (8).
12. Placa de transferência de calor (8) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o padrão de corrugação da área de transferência de calor (22) é simétrico em relação ao eixo geométrico central longitudinal (I) da placa de transferência de calor (8).
13. Placa de transferência de calor (8) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que as primeiras setas (58) são arranjadas ao longo do mesmo ponto das linhas retas imaginárias (60) na mesma direção.
14. Placa de transferência de calor (8) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que as cristas (36) e vales (38), em um lado externo de uma fileira mais externa (60a, 66b) das linhas retas imaginárias (60), todas estendendo-se com um menor ângulo (α, β) de 0-90 graus em relação à dita linha reta imaginária mais externa (60a, 60b), conforme medido a partir da linha reta imaginária mais externa em uma primeira direção.
15. Trocador de calor (2), caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de placas de transferência de calor (8) como definidas em qualquer uma das reivindicações anteriores.
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