BR202013029639U2 - Dispositivo recuperador de calor - Google Patents

Abstract

Dispositivo recuperador de calor. O presente modelo de utilidade provê um dispositivo recuperador de calor, compreendendo pelo menos um circuito de base fechado para capturar calor por radiação térmica, termossifões tubulares, cada um tendo uma parte extrema aberta conectada ao circuito de base e uma parte extrema de topo fechada, e um duto para livremente escoar fluido, que se estende transversalmente em relação aos termossifões e que recebe as partes extremas de topo dos termossifões, o circuito de base e os termossifões formando um circuito evacuado contendo um fluido de trabalho de transferência de calor, adequado para evaporar sob o efeito da radiação e para elevar-se termossifões acima, para condensar na parte extrema do topo, após transferir calor por convecção para o fluido presente no duto de topo. Também é descrita uma instalação de armazenagem incluindo pelo menos um tal dispositivo.

Description

"DISPOSITIVO RECUPERADOR DE CALOR E UMA INSTALAÇÃO PARA ARMAZENAR ITENS QUENTES” A presente invenção refere-se a recuperação de calor em um meío-ambiente industrial e, em particular, a recuperação de calor desprendido por itens quentes, p. ex., enquanto eles estão sendo armazenados. Como exemplo, o calor que é recuperado é usado para aquecer um fluido e para reduzir o consumo de energia de uma instalação.

Numerosas instalações industriais e, em particular, instalações de tratamento térmico, consomem uma quantidade relativamente grande de energia, a fim de operar. Tal energia é obtida principalmente por combustão de combustíveis fósseis, tais como hulha, hidrocarbonetos ou gás ou pode ser de origem nuclear quando é consumida na forma de eletricidade. Na indústria, a energia constitui o custo principal de consumo que continua a aumentar, tanto em termos de produzir a energia como porque o consumo daquela energia dá origem a poluição que deve ser tratada, desse modo aumentando mais os custos associados com a produção de energia. Isto conduz a um desejo crescente de reduzir o consumo de energia das instalações industriais.

As linhas de pesquisa mais comumente investigadas para esta finalidade incluem otimizar o consumo de energia e diminuir as perdas de energia, recorrendo a energias renováveis, ....

Tomando como um exemplo um método de realizar tratamento térmico por meio de um forno operando por combustão de gás natural, o seguinte foi imaginado: - reduzir o consumo de gás natural pela melhoria da eficiência dos queimadores, transferindo calor para os itens que têm que ser aquecidos, e termicamente retardando o forno; - recuperar calor da vizinhança dos queimadores, em cujo caso os queimadores são ditos serem “regenerativos”, ou do gás de combustão vindo do forno; e - utilizar o calor que é recuperado, p. ex., para pré-aquecer o ar dentro do forno.

Provisões deste tipo servem para obterem-se substanciais economias, porém dão origem a outros custos associados, em particular, com compra e manutenção de dispositivos recuperadores de calor. Tais dispositivos recuperadores de calor são geralmente constituídos por um trocador de calor tendo um fluido de transferência de calor fluindo em um circuito que é conectado com uma bomba circuladora que é controlada por uma unidade reguladora.

Um objetivo da invenção é propor uma solução que possibilite recuperação de calor em instalações industriais a serem melhoradas, em particular quando os itens aquecidos são deixados ao ar livre a fim de esfriar.

Para este fim, a invenção provê um dispositivo recuperador de calor compreendendo pelo menos um circuito de base fechado para capturar calor por radiação térmica, termossifões tubulares, cada um tendo uma parte extrema aberta conectada ao circuito de base e uma parte extrema de topo fechada, e um duto para livremente fluir fluido que se estende transversalmente em relação aos termossifões e que recebe as partes da extremidade de topo dos termossifões, do circuito de base e dos termossifões formando um circuito evacuado contendo um fluido de trabalho de transferência de calor, adequado para evaporação sob o efeito da radiação e para elevar-se termossifões acima para condensar na parte extrema do topo após transferir calor por convecção para o fluido presente no duto de topo.

Este dispositivo apresenta numerosas vantagens. Em particular, ele não necessita uma bomba para circular fluidos a fim de operar: não há necessidade de qualquer membro móvel nem qualquer fonte de energia externa e não há necessidade de qualquer regulação. Isto resulta em um alto nível de confiabilidade e em reduzida manutenção. O dispositivo também requer investimentos que são pequenos, tanto para compara como para manutenção. Além disso, uma vez que o dispositivo faz uso do calor latente associado com a mudança do estado do fluido de trabalho de transferência de calor, as quantidades de calor transferido para uma dada diferença de temperatura são relativamente elevadas. A invenção também provê uma instalação para armazenar itens quentes, a instalação compreendendo um recinto definindo uma zona de recepção para receber os itens quentes e pelo menos um dispositivo recuperador de calor do tipo acima, montado sobre a zona de recepção. A radiação de calor vinda dos itens quentes aquece o fluido de trabalho de transferência de calor do circuito de base. O fluido de trabalho evapora antes de recondensar-se nas partes extremas do topo dos termossifões, onde ele libera seu calor por convecção para o fluido presente no duto de topo. Pode ser entendido que a eficiência de recuperação do calor aumenta quando o circuito de base se aproxima dos itens quentes.

Outras características e vantagens da invenção são evidentes pela leitura da seguinte descrição de formas de realização particulares, não-limitantes da invenção.

Referência é feita aos desenhos acompanhantes, em que: - A Figura 1 é uma vista em perspectiva diagramática de um dispositivo recuperador de acordo com a invenção; - A Figura 2 é uma vista ampliada de uma zona II da Figura 1; e - A Figura 3 é uma vista diagramática de uma instalação de armazenagem de acordo com a invenção, conectada a jusante de uma instalação de tratamento de calor.

Com referência às figuras, o dispositivo recuperador de calor de acordo com a invenção é usado neste exemplo em uma instalação 100 para armazenar itens quentes. A instalação de armazenagem 100 tem um recinto 101 que define uma zona de recepção 102 para receber itens quentes. Os dispositivos recuperadores de calor que receberam referência global 1 são montados dentro do recinto 101 acima da zona de recepção 102. A instalação de armazenagem 100 é disposta a jusante de uma instalação de tratamento de calor 200 para aplicar tratamento de calor a itens metálicos, tais como chapas, vigas, lâminas, .... A instalação de tratamento térmico 200 é ela própria conhecida e compreende, por exemplo, um forno provido com queimadores que são alimentados com ar via um circuito de alimentação 201.

Cada dispositivo recuperador 1 inclui pelo menos um circuito de base fechado 2 para capturar calor por radiação térmica, termossifões tubulares 3 tendo as respectivas partes extremas de base abertas 3.1 conectadas ao circuito de base 2 e partes extremas de topo fechadas 3.2 e um duto de topo 4 que se estende transversalmente em relação aos termossifões 3 e que recebem as partes extremas de topo 3.2 dos termossifões. O duto de topo 4 tem uma seção transversal que é retangular, com uma parede de base que é plana e horizontal, através da qual os termossifões 3 passam. O duto de topo 4 tem suas extremidades providas com respectivos meios para conectá-las a uma admissão de ar externa e meios para conectá-as ao circuito de alimentação 201 para transportar o ar absorvido do lado externo e aquecido no duto de topo 4 para os queimadores do forno de tratamento de calor. O ar para mistura com gás para constituir a mistura que é queimada no forno de tratamento térmico é assim submetido a pré-aquecimento. Deve ser observado que as partes extremas de topo 3.2 dos termossifões 3 estendem-se sobre a inteira altura do duto de topo 4, de modo que o ar presente no duto 4 é necessariamente trazido em contato com ditas partes extremas de topo 3.2.

Neste exemplo, o dispositivo tem uma pluralidade de circuitos de base 2, cada um na forma de um tubo horizontal tendo os termossifões 3 derivados ao longo dele. Os termossifões 3 são presos aos tubos do circuito de base 2 de tal maneira a prover uma conexão selada entre cada termossifão 3 e o tubo para dentro do qual ele deriva. Os termossifões 3 estendem-se verticalmente e os tubos dos circuitos de base 2 estendem-se paralelos ao duto de topo 4.

As partes extremas de topo 3.2 dos termossifões 3 são providas no lado externo com aletas 3.3. Estas aletas 3.3 servem para aumentar a capacidade para troca de calor por convecção entre as partes extremas de topo 3.2 dos termossifões 3 e o ar fluindo no duto de topo 4. Para facilitar a montagem dos termossifões dentro do duto de topo 4, as partes extremas de topo 3.2 podem ser separadas das e encaixadas com as partes extremas de base 3.1. As aletas podem também ser encaixadas nas partes extremas de topo 3.2, após elas terem sido colocadas em posição através da parede de base de plano do duto de topo 4 e antes de dita parede de base de piano ser coberta pelas outras paredes que constituem o duto de topo 4.

Cada circuito de base 2 e os termossifões associados 3 formam um circuito evacuado contendo um fluido de trabalho de transferência de calor adequado para evaporação sob o efeito da radiação e elevar-se termossifões 3 acima para condensar-se nas partes extremas de topo 3.2 após transferir calor por convecção para o ar presente no duto de topo 4. Para um fluido de transferência de calor que é usado através de uma faixa de temperatura de 20°C a 350°C, a água provê as melhores propriedades para transferência de calor por ebulição e condensação e é de posicionamento barato. O uso de outros fluidos de transferência, tais como óleos térmicos, é também possível, porém limitado por suas temperaturas de degradação térmica, que são diretamente associadas com a quantidade de calor recebido por radiação. A escolha de um fluido de transferência de calor adequado depende de sua temperatura de utilização e, assim, da intensidade da radiação térmica entre o sistema e os itens quentes. O uso de água torna possível diminuir o custo total de fabricar o sistema e é recomendado neste exemplo. A configuração de referência usada para dimensionar o sistema faz uso de água em uma pressão de 2,5 MPa (25 bars) e em uma temperatura de 226°C. As partes dos termossifões 3 que se estendem entre o duto de topo 4 e o circuito de base 2 são atrasadas, de modo que o fluido de trabalho de transferência de calor pode ser submetido a transformação adiabática. Os circuitos de base 2 incluem pontos de derivação (não mostrados) para possibilitar que os circuitos de base 2 sejam enchidos com o fluido de trabalho de transferência de calor e para possibilitar que os circuitos de base 2 sejam evacuados. A pressão de trabalho nos circuitos de base 2 e nos termossifões 3 pode ser até 2 MPa a 2,5 MPa (20 bars a 25 bars) ou mesmo mais, dependendo da radiação térmica a que os circuitos de base 2 são submetidos. Os meios provendo selagem para os circuitos devem ser capazes de suportar tal pressão.

Os circuitos de base 2, os termossifões 3 e o duto de topo 4 são preferivelmente retilíneos a fim de reduzir o custo de fabricação do dispositivo. Válvulas de segurança são providas para evitar pressões em excesso nos circuitos de base 2 e nos termossifões 3. O duto de topo 4 é vantajosamente provido com uma exaustão, de modo que, no evento do forno ser parado, um fluxo de ar possa ser mantido ao longo do duto de topo 4.

Naturalmente, a invenção não é limitada às formas de realização descritas, porém cobre qualquer variante situando-se no âmbito da invenção, como definido pelas reivindicações.

Em particular, o dispositivo recuperador de calor pode ser de um formato que é diferente daquela mostrado nas figuras. Por exemplo, o dispositivo pode ser feito utilizando-se tubos curvos.

Os termossifões podem ser providos sem aletas.

Embora a invenção seja descrita mais particularmente em aplicação no campo de produção de aço, ela pode ser usada em qualquer ambiente industrial.

Claims (7)

1. Dispositivo recuperador de calor, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um circuito de base fechado para capturar calor por radiação térmica, termossifões tubulares, cada um tendo uma parte extrema aberta conectada ao circuito de base e uma parte extrema de topo fechada, e um duto para livremente escoar fluido que se estende transversalmente em relação aos termossifões e que recebe as partes extremas de topo dos termossifões, o circuito de base e os termossifões formando um circuito evacuado contendo um fluido de trabalho de transferência de calor adequado para evaporar sob o efeito da radiação para elevar os termossifões para condensar na parte extrema de topo, após transferir calor por convecção para o fluido presente no duto de topo.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as partes extremas de topo dos termossifões são providas com aletas externas.

3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que tem uma pluralidade de circuitos de base, cada um na forma de um tubo horizontal tendo os termossifões derivados ao longo deles.

4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os tubos dos circuitos de base estendem-se paralelos ao duto de topo.

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o duto de topo tem uma seção transversal que é retangular.

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o circuito de base, os termossifões e o duto de topo são retilíneos.

7. Instalação para armazenar itens quentes, caracterizada pelo fato de que compreende um recinto definindo uma zona de recepção para receber os itens quentes e na qual há montado pelo menos um dispositivo como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6 que se estende sobre a zona de recepção.