BRPI0514615B1

BRPI0514615B1 - Dispositivo de feixe de tubos e método de fabricar um dispositivo de feixe de tubos

Info

Publication number: BRPI0514615B1
Application number: BRPI0514615-1A
Authority: BR
Inventors: S. Wanni Amar; Michael Rudy Thomas; Anthony Curcio Louis; Iii
Original assignee: Exxonmobil Research And Engineering Company
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2018-05-02
Also published as: US20060048925A1; US20060237179A1; CN101014823A; MY137194A; DE602005010594D1; JP4625844B2; CA2731411C; BRPI0514615A; CA2578480A1; CA2578480C; WO2006031346A1; CA2731411A1; CN100485304C; US7073575B2; US7219718B2; KR101197895B1; EP1787081B1; KR20070106970A; JP2008512637A; EP1787081A1

Abstract

dispositivo de feixe de tubos e método de fabricar um dispositivo de feixe de tubos um dispositivo de feixe de tubos (10) utilizável em trocadores de calor, condensadores e outros dispositivos que têm um número de gaiolas de suporte de tubo (tsc-v, tsc-h) dispostas em posições estendidas ao longo da extensão dos tubos (11). após a construção inicial do feixe no qual os tubos são inseridos no interior de gaiolas de suporte, o feixe de tubos é enrijecido inserindo conjuntos de montantes de tubos (tss-v, tss-h) entre as gaiolas de tubos, de preferência no ponto central da extensão de tubo entre as gaiolas. os tubos (11) são suportados por hastes ou barras (20) em cada pista de tubos (12) nas posições de gaiola de suporte de tubo e a barras em cada gaiola são giradas axialmente com respeito aos montantes no conjunto seguinte axialmente adjacente.

Description

(54) Título: DISPOSITIVO DE FEIXE DE TUBOS E MÉTODO DE FABRICAR UM DISPOSITIVO DE FEIXE DE TUBOS (51) Int.CI.: F28F 9/013 (30) Prioridade Unionista: 09/09/2004 US 10/937,531 (73) Titular(es): EXXONMOBIL RESEARCH AND ENGINEERING COMPANY (72) Inventor(es): AMAR S. WANNI; THOMAS MICHAEL RUDY; LOUIS ANTHONY CURCIO, III

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“DISPOSITIVO DE FEIXE DE TUBOS E MÉTODO DE FABRICAR UM DISPOSITIVO DE FEIXE DE TUBOS”

Campo da Invenção

A presente invenção trata de dispositivos que incluem feixes de tubos, tais como trocadores de calor, condensadores e equipamento de manuseio de fluido similar com coleções de tubos ou de elementos similares, por exemplo, em dispositivos tais como reatores elétricos, aquecedores elétricos ou qualquer coleção de perfis cilíndricos paralelos, aquecedores elétricos, ou qualquer coleção de perfis cilíndricos paralelos que tem um fluxo de fluido passando através dos tubos ou outros elementos.

Fundamentos da Invenção

Equipamento envolvendo feixes de tubos tais como trocadores de calor de casco e tubo e artigos similares de dispositivos manipuladores de fluidos tais como registros de tiragem e retificadores de fluxo utilizam tubos organizados em feixes pra conduzir os fluidos através do equipamento. Ns ditos feixes de tubos existe tipicamente fluxo de fluido tanto através do interior dos tubos como através do exterior dos tubos. A configuração dos tubos no feixe é determinada pelas chapas de tubos no interior das quais os tubos são assentados. Uma configuração comum para os tubos é a formação retangular ou quadrada com os tubos assentados em fileiras alinhadas com as pistas de tubo (os trajetos retilíneos entre os tubos) entre cada par de fileiras, alinhados ortogonalmente entre si. Nesta formação, cada tubo é adjacente a oito outros tubos exceto na periferia do feixe de tubos e é diretamente oposta a um correspondente tubo através da pista de tubos separando sua fileira das duas fileiras adjacentes. Na formação de tubo triangular, os tubos em fileiras alternadas são alinhados entre si de maneira que cada tubo é adjacente a seis outros tubos (os dois tubos adjacentes na mesma fileira e quatro tubos nas duas fileiras adjacentes).

Aumentos em produtividade em trocadores existentes são

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Um número de diferentes construções de equipamento foi desenvolvido para tratar do problema de vibração de tubos. Um exemplo é a construção de defletores hastiformes. Trocadores de calor com defletores /3

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hastiformes são trocadores de calor do tipo de casco e tubo utilizando defietores hastiformes para suportar os tubos e sua fixação contra vibrações. Adicionalmente, defietores hastiformes podem ser usados para reduzir as más distribuições de fluxo do lado do casco e criar um fluxo do lado do casco mais uniforme. O termo “defletor” reporta-se a anéis tubulares, dispostos a cada 15 cm ou aproximadamente ao longo da extensão do feixe de tubos, em que as extremidades de barras de apoio são conectadas para formar estruturas de suporte de tubo em forma de gaiola; assim o termo “defletor hastiformes”. Trocadores de calor com defietores hastiformes, todavia, tendem a ser aproximadamente 30 a 40% mais dispendiosos que os trocadores de calor de casco e tubo convencionais e tem se apresentado situações em que os dispositivos de feixe de tubos deste tipo falharam devido às vibrações induzidas por fluxo, Trocadores de calor com defietores hastiformes são descritos, por exemplo, nas patentes US n° 4 342 360; 5 3S8 638; 5 553 665; 5 642 778.

Como explanado na patente US n- 5 553 665, determinadas aplicações da construção de defietores hastiformes tais como condensadores de superfície e aplicações em geradores de energia podem se beneficiar aumentando o espaçamento dos defietores hastiformes, ou decrescendo o numero de tubos aumentando a dimensão do passo dos tubos, isto é, a distância entre duas fileiras adjacentes de tubos conforme medida a partir do centro dos tubos. O aumento do espaçamento dos defietores usualmente não é uma opção atraente, uma vez que o espaçamento aumentado de defietores aumenta a probabilidade de ocorrência de vibração de tubos induzida por fluxo. O decréscimo da contagem de tubos aumentando a dimensão do passo dos tubos produz perda de pressão do lado do casco decrescida para fluxo longitudinal entre defietores de haste, porém requer diâmetros de barras de apoio superdimensionados, levando à perda de pressão de defietores de barras aumentada, que podem anular qualquer decréscimo em fluxo longitudinal, a

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··· · · ··· · · ··· · perda de pressão do lado do casco resultante da contagem de tubos reduzida. Isto resultaria também em um trocador mais dispendioso devido ao diâmetro de casco aumentado para uma contagem de tubos especificada. A construção de defletores hastiformes descrita na US 5 553 665 representa uma tentativa de tratar dos problemas de queda de pressão da configuração de defletores hastiformes.

Uma configuração de construção alternativa é a construção “Eggerate”. Esta, todavia, é ainda mais dispendiosa que a construção de defletores hastiformes enquanto também permite a trepidação de tubos que poderia levar à falha dos tubos. Trepidação é o movimento de tubos colidindo com os suportes de tubo devido ao intervalo entre o suporte e o diâmetro externo do tubo. O intervalo é requerido para permitir a inserção dos tubos através do suporte “eggerate” quando o feixe está sendo construído. Dos pontos de vista econômico e operacional, por conseguinte, a construção de defletores hastiformes representa um ponto de partida mais esperançoso.

Além de uma construção de equipamento satisfatória, outras medidas também podem ser tomadas para reduzir a vibração dos tubos. Dispositivos de suporte de tubos ou ‘montantes’ de tubos foram propostos e são comercialmente disponíveis. US 4 648 442 (Williams); US 4 919 199 (Hahn) e US 6 401 803 (Hahn), por exemplo, descrevem diferentes tipos de montantes de tubo ou suportes de tubo que podem ser inseridos no feixe de tubos para reduzir a vibração. Montantes aperfeiçoados podem ser inseridos no feixe de tubos para reduzir a vibração. Montantes de tubos aperfeiçoados são mostrados no pedido de patente US SN 10/848 903, depositado em 24 de junho de 2003, intitulado “Anti-Vibration Tube Support” de A.S. Wanni, M. M. Calanog, T. M. Rudy, e R. C. Tomotaki (Publicação n° 20050006075A1) e pedido US SN 11/128 844 depositado em 13 de maio de 2005, que reivindica prioridade do pedido de patente US SN 60/580 984, depositado em 18 de junho de 2004.

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Concebemos agora um dispositivo de feixe de tubos, por exemplo, um trocador de calor que se acredita ser mais eficaz, mais confiável, mais fácil de fabricar e menos dispendioso que um trocador de calor convencional do tipo de defletores hastiformes. De acordo com a presente invenção, uma gaiola de suporte de tubos (TSC) similar a um defletor hastiforme é disposta em posições estendidas ao longo da extensão de tubos, e.g.a intervalos de cada 60-100 cm, desse modo tomando a fabricação de um feixe de tubos deste tipo muito mais fácil e menos dispendiosa, quando comparada com dispositivos defletores hastiformes convencionais, em que os suportes defletores hastiformes são tipicamente colocados a intervalos não maiores que aproximadamente 15 cm entre si. O feixe de tubos é enrijecido pela inserção de montantes de tubos entre as gaiolas de suporte de tubo, de preferência no ponto central da extensão do tubo entre as gaiolas. O tipo preferencial de montante de tubo é do tipo descrito no pedido pendente US SN 10/848 903 (Publicação n“200500006075Al) acima mencionado, porém outros montantes também podem ser usados.

De acordo com a presente invenção, os tubos são suportados por hastes ou barras planas em cada pista de tubos nos sítios TSC, comparado com as gaiolas previstas em pista de tubos alternativas na construção do defletor hastiforme, tanto horizontalmente como verticalmente, porém a presente invenção é mais simples requerendo somente dois tipos: um com hastes horizontais (ou barras planas) e outro com hastes verticais (ou barras planas). Como outra vantagem, a presente invenção previne ou reduz a trepidação de tubos resultante de suporte de tubo insuficiente assim como a possibilidade de vibrações induzidas por fluxo exacerbadas pela trepidação. A trepidação é com freqüência considerada ser essencialmente inevitável nos trocadores do tipo de defletor hastiforme salvo se o diâmetro de haste é muito estreitamente igual ao espaçamento entre os tubos adjacentes. Todavia, tanto menor o intervalo entre as hastes e os tubos adjacentes, tanto mais difícil e

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dispendiosa a montagem do feixe.

Em termos genéricos, o dispositivo de feixe de tubos de acordo com a presente invenção utiliza gaiolas de suporte de tubo que alternam com as séries de montantes de suporte de tubo axialmente ao longo dos tubos. A orientação dos membros de suporte de tubo de cada gaiola é girada axialmente com respeito aos membros de suporte de tubo de cada gaiola axialmente adjacente e a orientação dos cravadores de suporte de tubo de cada conjunto é girada em tomo do eixo geométrico com respeito aos montantes de suporte de tubo de cada conjunto axialmente adjacente. Um número de diferentes tipos de montantes de suporte de tubo pode ser usado, de preferência do tipo que desvia os tubos ligeiramente para se engatar com os membros de suporte das gaiolas, compreendendo tiras longitudinalmente extensas com sucessivas carreiras transversais de zonas de engate com tubo salientes sobre cada face da tira que se estendem lateralmente para o exterior de ambas as faces da tira para se engatar com os tubos sobre lados opostos da pista de tubos em que o montante é inserido.

A invenção é basicamente aplicável aos conjuntos de tubos retangulares, porém, pode ser aplicada também à configuração triangular com a rotação axial das sucessivas gaiolas e conjuntos de montantes sendo realizada de acordo com o tipo de disposição. Em conjuntos retangulares, os membros de suporte nas gaiolas serão girados em 90° da horizontal para a vertical para a horizontal sucessivamente e de maneira similar para o alinhamento dos sucessivos montantes. Na disposição triangular de tubos a rotação será de 60° ou 120° em sucessivas posições. O emprego da disposição triangular permite a fabricação de trocadores (de calor) menos dispendiosos decrescendo o diâmetro do casco para um número especificado de tubos ainda que desvantagem resida no fato da estrutura de suporte não ser tão robusta quanto para a disposição em linha.

No presente relatório descritivo e nas reivindicações os termos

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“vertical” e “horizontal” são usados no sentido relativo com respeito às orientações dos elementos das gaiolas de suporte de tubos e dos montantes, isto é, para designar uma orientação relativa dos elementos de gaiola de suporte ou dos montantes entre si e com relação ao eixo geométrico do dispositivo. Assim, referências à orientação ‘vertical’ significam que a orientação é ortogonal a uma orientação “horizontal” especificada, sem implicar em as orientações serem verdadeiramente vertical ou verdadeiramente horizontal. Isto se aplicar especialmente quando o eixo geométrico do trocador de calor propriamente dito é vertical ou horizontal, de forma que todas as gaiolas de suporte e montantes será na verdade horizontal. Assim, as menções a “vertical” e “horizontal” em relação à orientação dos elementos das gaiolas de suporte de tubos e dos montantes devem ser tomadas com a presunção de que o eixo geométrico longitudinal do dispositivo de feixe de tubos é ele próprio verdadeiramente horizontal e de que as orientações especificadas são entre si não verdadeiramente exatas. Por exemplo, em um trocador de calor com um eixo geométrico longitudinal efetivamente horizontal, os elementos das gaiolas de suporte de tubo podem estar a ângulos de 45° com relação à verdadeira horizontal/vertical, porém, ainda serem “vertical” e “horizontal” entre si. Em um trocador de calor com um eixo geométrico longitudinal vertical, todos os elementos de todas as gaiolas de suporte de tubo serão na verdade horizontais, porém, não obstante devem ser consideradas como “verticais” e “horizontais” se suas orientações recíprocas em tomo do eixo geométrico longitudinal são ortogonais.

Normalmente, as gaiolas alternarão ao longo da extensão dos tubos com os conjuntos de montantes de tubos: Conjunto Montante 1, Gaiola 1; Conjunto Montante 2, Gaiola 2, Conjunto Montante 3, Gaiola 3, Conjunto Montante 4, e assim por diante. As orientações das gaiolas serão giradas em tomo do eixo geométrico longitudinal em sucessivas posições axiais de forma que a Gaiola 2 é girada com respeito à Gaiola 1 e a Gaiola 3 com respeito á

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Gaiola 2; na disposição retangular com duas sucessivas rotações de 90°, a Gaiola 3 reverterá ao mesmo alinhamento da Gaiola 1. Na disposição de tubos triangular, uma rotação de um múltiplo de 60° (isto é, 60° ou 120° cm outras sucessivas rotações restaurando prévios alinhamentos) é efetuada em cada posição axial. De modo similar, as orientações dos conjuntos de cravação de preferência serão giradas em tomo do eixo geométrico longitudinal em sucessivas posições axiais com os elementos de cravação inseridos paralelos às barras de apoio de uma gaiola de suporte adjacente seguinte ao longo do eixo geométrico do feixe. Assim, em uma disposição de tubos retangular, o Conjunto de Cravação 2 é girado em 90° com respeito ao Conjunto de Cravação 1 e Conjunto de Cravação 3 com respeito ao Conjunto de Cravação 2 e com duas sucessivas rotações de 90°, o Conjunto Montante 3 reverterá ao mesmo alinhamento do Conjunto Montante 1. Na disposição de tubos triangular, três sucessivas rotações de 60° virão a restaurar o alinhamento original.

Na fabricação do feixe de tubos, os tubos são inseridos através de cada gaiola de suporte de tubos e no interior de uma ou de ambas as chapas de tubos para formar o feixe com pistas de tubos definidas entre fileiras de tubos adjacentes. Neste ponto, existe, convenientemente, determinada folga entre os tubos e os membros de suporte quando os membros de suporte de cada gaiola são mutuamente espaçados uns dos outros para permitir a folga ou jogo entre os tubos e os membros de suporte; Devido aos tubos se encaixarem no interior das gaiolas de suporte de tubo com alguma folga, é possível inserir os tubos mais facilmente do que com a construção de defletor e barra de ajuste hermético convencional. Os montantes de tubos são então inseridos no interior das pistas de tubo definidas em cada posição ao longo dos tubos a partir das gaiola(s). As cravações são inseridas de modo que elas sejam alinhadas paralelas aos membros de suporte de tubo de uma gaiola de suporte axialmente adjacente para imprimir uma separação aumentada entre os tubos /9

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para que eles sejam compelidos contra os membros de suporte de uma gaiola adjacente para absorver a folga e manter cada tubo contra um ou outro membro de suporte. Desta maneira, a fabricação do feixe de tubos é facilitada enquanto um feixe de tubos resistente à vibração, rígido, final é realizado. Desenhos

A figura 1 é uma vista esquemática simplificada de um feixe de tubos com os tubos suportados pelas gaiolas de suporte de tubos e cravadores de tubos de acordo com a invenção;

A figura 2 é uma vista esquemática simplificada das gaiolas de suporte de tubo vertical e horizontal que podem ser usadas de acordo com a invenção;

A figura 3 é uma vista parcialmente seccional de uma cravação de tubos que pode ser usada de acordo com a invenção.

Descrição Detalhada

A fig. 1 mostra uma vista esquemática de um feixe de tubos que poderia ser usado em um trocador de calor, condensador, dispositivos de barra combustível nuclear ou qualquer outro tipo de disposição ordenada de tubos paralelos com fluido circulando através dos mesmos. Por conveniência e brevidade a invenção será descrita com referência ao dispositivo como um trocador de calor embora dispositivos de feixe de tubos diferentes também possam ser construídos de acordo com os presentes princípios. O feixe de tubos será montado no interior do casco circundante de uma maneira convencional, por exemplo, com duas chapas de tubos fixas se o trocador deve operar com somente um pequeno diferencial de temperatura ou, mais comumente, com uma chapa de tubos fixa, ou com um feixe de tubos em U tendo somente uma chapa de tubos fixa.

O feixe de tubos 10 compreende um número de tubos paralelos (dois indicados) na configuração retangular, isto é, com fileiras de tubos ortogonais de tubos se estendendo em duas direções com pistas de tubos 12

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(uma indicada) entre as fileiras de tubos. Os tubos são fixados no interior das chapas de tubos 13, 14 em cada extremidade do feixe de tubos de maneira convencional e as chapas de tubos, por sua vez, serão instaladas no interior do casco do trocador.

Os tubos são suportados por gaiolas de suporte de tubo a intervalos ao longo da extensão dos tubos. As gaiolas de suporte de tubo são de dois tipos, isto é, gaiola de suporte de tubo vertical (TSC-V) e gaiola de suporte de tubo horizontal (TSC-H). As gaiolas de suporte de tubo vertical e horizontal são suportadas por sua vez verticalmente e a seguir horizontalmente. As gaiolas de suporte de tubo são similares em construção a um defletor de hastes convencional, com barras de suporte de tubo ou barras planas 20 atravessando o anel tubular no sentido cordal com suas extremidades recebidas no anel tubular 21. Normalmente, as barras de suporte de tubo terão uma seção transversal circular ou retangular (de preferência quadrada); barras de seção transversal retangular podem, ser designadas de barras, porém, por conveniência e brevidade, os membros que atravessam o anel tubular serão designados de “hastes” indiferentemente ao seu perfil em seção transversal. As hastes podem ser diretamente soldadas aos lados dos anéis (transversalmente à espessura de sua parede) ou, com uma construção mais complicada, recebidas em reentrâncias ou aberturas no anel tubular, configurado apropriadamente com a seção transversal das barras, e.g., reentrâncias ou aberturas circulares para barras circulares formadas por perfuração com as barras fixadas nas reentrâncias ou aberturas por soldagem, solda forte ou outros recursos de fixação. As gaiolas de suporte de tubos normalmente serão localizadas aproximadamente a cada 50-200 cm ao longo da extensão dos tubos, na maioria dos casos, cerca de cada 60-150 cm. Esta distância entre gaiolas de suporte/cravações pode ser decrescida nas duas extremidades e aumentada na parte central do trocador devido à velocidade axial na parte central do feixe ser paralela aos tubos e, por conseguinte, está <Ζ/

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menos sujeita a causar vibração.

As barras se estendendo através das gaiolas de suporte de tubo são colocadas em cada pista de tubos, porém, em cada gaiola todas as barras ou hastes são dispostas somente em uma direção, quer horizontalmente quer verticalmente, para formar um TSC-H ou TSC-V, respectivamente, como mostrado na figura 1. Os dois tipos de gaiola de suporte de tubo alternam axialmente ao longo da extensão dos tubos: TSC-V, TSC-H, TSC-V, TSC-H, etc.

A espessura das barras nos TSC’s pode ser ligeiramente menor (medida no plano da gaiola) que o espaçamento entre tubos para que os tubos possam ser facilmente inseridos no interior das gaiolas pré-fabricadas. Isto toma o carregamento dos feixes uma tarefa bastante fácil. Nos feixes de grande diâmetro, pequenas barras podem ser defletidas pelo fluxo e por esta razão, pode ser desejável o uso de barras de apoio na forma de barras planas para um módulo maior resultando em maior resistência axial. A ausência de suporte completo das barras, todavia, não diminui a eficácia do sistema de suporte total, porque apoio adicional é proporcionado pelos fueiros de tubos que são inseridos no interior do feixe de tubos. No conjunto de tubos retangular, a disposição alternada vertical/ horizontal das barras de suporte resultará nas cravações em cada conjunto serem paralelas às barras de apoio de uma das gaiolas adjacentes para que os tubos sejam mantidos pelas cravações firmemente contra as barras de apoio com as quais elas são paralelas. De maneira similar, na disposição triangular de tubos, é preferível para a orientação das cravações em uma posição dada ser paralela às barras de apoio de uma das gaiolas adjacentes de maneira a manter os tubos firmemente contra as barras daquela gaiola.

Os montantes de tubos que podem ser usadas podem ser de qualquer tipo comumente usado para aquela finalidade, contanto que seja dimensionadas para conferir a separação de tubos aumentada com a inserção

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no interior do feixe de tubos para manter os tubos firmemente contra as barras de apoio das gaiolas. Assim, por exemplo, os montantes de tubos descritos em: US 4 64S 448 (Williams), US 4 919 199 (Hahn); e US 6 401 803 (Hahn) podem ser usados contanto que suas dimensões sejam satisfatórias para a finalidade. O tipo preferencial de cravação de tubos, todavia, é do tipo mostrado no pedido de patente US n- 10/848.903, ao qual referência é feita para uma descrição destes montantes de tubos preferenciais. Outra forma preferencial de montante de tubo que pode ser usada da mesma maneira é descrita no pedido de patente US n^fi 11/128.884 depositado em 13 de maio de 2005, que reivindica a prioridade do pedido de patente US 60/580 984, depositado em 18 de junho de 2004 (correspondente ao EP 05076348.1) ao qual referência também é feita.

Os montantes de tubos são inseridos para enrijecer o feixe de tubos com os montantes inseridos no interior do feixe em tomo do ponto central da extensão de tubo entre duas gaiolas de suporte de tubos. Devido aos tubos receberem suporte das gaiolas, não é necessária a inserção de montantes no interior de cada pista de tubos. Embora a inserção dos montantes de tubos no interior das mesmas pistas de tubos em sucessivas posições tome o feixe mais robusto, é possível inserir os montantes somente em pistas de tubos alternadas com a pista de inserção alternando em cada posição sucessiva. Por exemplo, os montantes podem ser inseridos em pistas de tubos de número impar na primeira posição, no interior das pistas de número par na segunda posição e assim por diante ao longo da extensão do feixe de tubos em sucessivas posições de assento de montante. Esta inserção de montante alternada ainda que proporcione um feixe de tubos que é menos rígido é suscetível de prestar um benefício em termos de permitir fluxo de fluido mais livre através do feixe. A direção de inserção (alinhamento) para os montantes é levada a alternar da mesma maneira que as gaiolas, isto é, os montantes são inseridos em uma direção diferente em cada estação ou posição onde eles são

inseridos no interior do feixe: em uma posição eles são inseridos verticalmente (TSS-V) e na posição de montante de tubos seguinte, horizontalmente (TSS-H), de modo que as estações de montante de tubos podem ser descritas como TSS-V, TSS-H, TSS-V, TSS-H, e assim por diante, como mostrado na figura 1. O alinhamento paralelo dos montantes com as barras de apoio de uma gaiola adjacente compele os tubos contra um membro de suporte da gaiola para conferir ao feixe final a rigidez que ele requer para operação satisfatória. A inserção dos montantes de tubos no interior do feixe de tubos força os tubos a recuarem da superfície dos montantes e desta maneira, os tubos são ligeiramente (até 2 mm) defletidos de modo a conferir suporte de tubo não somente nas locações de montante de tubo porém igualmente nas estações de gaiola de apoio.

Cobertas de desvio 25 são de preferência previstas no topo e fundo do feixe de tubos 10 para prevenir desvio longitudinal do fluido do lado do casco. Estas cobertas podem convenientemente ser fabricadas de metais em chapa fina, de preferência, material de aço inoxidável. As cobertas de desvio são formadas com uma face plana 26 que se assenta contra os tubos extremos externos e um flange periférico 27 em cada extremidade. O flange é um segmento cordal de um círculo de diâmetro correspondente ao diâmetro interno do casco do trocador para que quando o feixe de tubos é inserido no interior do casco, o flange se amolde estreitamente ao interior do casco para prevenir entrada de fluido do lado do casco no interior da região protegida. As cobertas podem ser produzidas em comprimentos padrão e um número deles pode ser aparafusado ou de outro modo conjuntamente fixados extremidade com extremidade através dos flanges de modo a se estender sobre os tubos em todas as áreas exceto nas extremidades de entrada e saída onde fluxo para a entrada e saída do casco é requerido. As cobertas devem ser fixadas às gaiolas de suporte de tubo para adequada rigidez, por exemplo, tendo os flanes 27 aparafusados conjuntamente com uma gaiola de suporte de tubos

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intermediária.

Na disposição de tubos triangular, uma disposição similar das gaiolas de suporte de tubos e conjuntos de montantes pode ser realizada porém neste caso, o alinhamento das barras de apoio nas gaiolas em cada sucessiva posição axial é girado por um múltiplo de 60° de modo que o alinhamento original é restaurado na quarta posição (isto é, as barras de apoio são sucessivamente alinhadas a 0°, 60°, 120° e assim por diante), com os montantes inseridos em um padrão de alinhamento similar. Dada a conveniência de ter os montantes inseridos paralelos às barras de apoio de uma gaiola de suporte adjacente, uma modalidade típica de inserção seria como segue, com as posições angulares recíprocas das barras de apoio de gaiola e montantes indicadas a deslocamentos angulares de 0°, 60°, 120° em relação à primeira gaiola:

TSC-0°, TSS-O⁰, TSC-60° TSS-60⁰, TSC-120⁰, TSS-12O⁰, TSC-0°, TSS-0°

A montagem do feixe de tubos é normalmente realizada pela inserção dos tubos no interior das gaiolas, uma tarefa facilitada pela montagem relativamente fácil dos tubos entre as barras de apoio com algum jogo sendo admissível entre os tubos e as barras de apoio. A folga, entre os tubos e as barras de apoio da gaiola, tipicamente até cerca de 1 mm é então ocupada pela inserção dos montantes para apertar o feixe e produzir um feixe de tubos bem suportado, final, de construção muito rígida. Esta técnica de construção é notavelmente mais fácil do que com as construções de defletores de barra convencionais, uma vez que a rigidez é incorporada pela inserção dos montantes após os tubos serem inseridos no interior das gaiolas.

Durante a montagem, os tubos são inseridos através das gaiolas e no interior de uma ou de ambas as chapas de tubos. No caso de um feixe de tubos com tubos em forma de ‘U’ recebidos em uma chapa de tubos, as gaiolas serão aplicadas sobre as extremidades livres dos tubos e os tubos a seguir fixados na única chapa de tubos. No caso de um feixe com duas chapas

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de tubos, os tubos normalmente serão passados através das gaiolas e no interior de uma ou de ambas as chapas de tubos, os tubos normalmente serão passados através das gaiolas e no interior de uma ou de ambas as chapas de tubos, após o que, os tubos serão fixados em uma ou ambas as chapas de tubos, de acordo com a construção do trocador, e.g. por soldagem ou com uma junta expandida.

A fig. 3 mostra a modalidade preferencial de montante de tubos descrita no pedido de patente n~ 10/848.903 (Publicação n20050006075A1). Este tipo de montante de tubos inclui corrugaçõçs ao longo da parte interna (no interior do feixe de tubos) que deflete os tubos ligeiramente para conferir apoio resiliente para os tubos enquanto, ao mesmo tempo, habilitando os montantes a serem facilmente inseridos no interior do feixe; na sua extremidade externa, cada montante tem covinhas que defletem os tubos ligeiramente da mesma maneira que as corrugações, porém, que se travam mais firmemente sobre os tubos extremos externos de modo a minimizar a probabilidade de deslocamento indesejável das tiras dos montantes durante o manuseio ou em funcionamento.

O montante de tubos 40 é formado de uma tira de metal que se estende na pista de tubos L definida pelos tubos sobre os dois lados da pista. No feixe de tubos completo, haverão tubos adicionais se estendendo na fileira formada por uma continuação das carreiras de tubos, com outras carreiras de tubos dispostas de uma maneira convencional similar perfazendo o feixe de tubos. As pistas de tubos entre estas duas carreiras adjacentes e outras carreiras adjacentes de tubos serão de maneira similar extensivas através do feixe de tubos. O montante de tubos 40 tem seis carreiras transversais 41, 42, 43, 44, 45,46 de zonas de engate de tubos salientes na forma de covinhas genericamente circulares salientes se estendendo de um lado a outro da tira, com a carreira 46 fundindo-se com a primeira fileira de corrugações 47 de modo que as covinhas/corrugações se fundindo formam uma zona de engate

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• · « * ·· de tubos em forma de buraco de fechadura que tem uma covinha quase circular no sentido da extremidade externa do montante e uma corrugação linear no sentido da extremidade interna. Esta forma de montante é formada nas figuras 6 e 7 do pedido US SN 10/848.903 (Publicação ηθ 200500006075A1), ao qual referência é feita para uma descrição detalhada desta forma de montante.

As carreiras transversais de covinhas são dispostas em sucessivas posições longitudinais ao longo da extensão (eixo geométrico longitudinal) da tira: cada par de sucessivas carreiras é posicionado para prestar apoio para um par de tubos que são adjacentes entre si sobre um lado da pista de tubos L, com cada carreira (exceto a carreira extrema externa) proporcionando apoio para um par de tubos que são adjacentes entre si porém um lado oposto da pista de tubos. Assim, as carreiras 41 e 42 prestam apoio para o tubo 50A e num lado da pista de tubos L e tubo 50B no outro lado da pista. De maneira similar as carreiras 43 e 44 prestam apoio para os tubos 51Ae51Bem lados opostos da pista de tubos por intermédio das covinhas se estendendo para fora em cada lado da tira. As covinhas nas carreiras 45 e 46 prestam apoio para o tubo 52A e 52B com as covinhas na carreira 46 se fundindo com a primeira carreira transversal de corrugações 47 que prestam apoio resiliente para os tubos 53A e 53B. A carreira seguinte de corrugações 38 presta apoio para os tubos 54A e 54B.

As covinhas nas carreiras 41 e 42 são formadas como mostrado nas seções X-X e Y-Y e as corrugações como mostrado nas seções P-P e Q-Q. Os comprimentos das corrugações (longitudinalmente) podem ser estabelecidos de forma que cada carreira de corrugações quer se engate (como mostrado na figura 3) com um par de tubos adjacentes em lados opostos de uma carreira de tubos ou em uma disposição aninhada com um par de tubos adjacentes em lados opostos da pista na depressão formada entre as extremidades de duas carreiras de corrugações.

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A disposição mostrada na fig. 3 com três zonas de engate com tubo salientes em cada carreira transversal é conveniente e típica para um montante de tubos com uma largura de aproximadamente 4-6 cm, conveniente para muitas aplicações. Todavia, a largura do montante poderia ser maior, por exemplo, de até cerca de 20 cm e neste caso um número maior de áreas de engate com tubo saliente poderia ser previsto em cada carreira transversal, por exemplo, 5 covinhas salientes dispostas 3 e 2 em lados alternados da tira, conforme descrito no pedido 10/848.903 (Publicação η- 20050006075A1).

As colocações das carreiras transversais de zonas de engate com tubo salientes sobre o montante de tubos são para prestar o engate desejado entre o montante de tubos e os tubos no feixe de tubos com o qual elas estão sendo usadas. Para acomodar pistas de passagem nos feixes de tubos, as distâncias entre sucessivas carreiras transversais de zonas de engate com tubo salientes (covinhas, corrugações) podem ser aumentadas de maneira correspondente, consentaneamente com a disposição de tubos no feixe.

Cada montante de tubos se engata com tubos e lados opostos de uma pista de tubos na qual é inserido de modo que a inserção de um montante na pista de tubos alternada presta apoio para duas carreiras de tubos dentro da periferia externa do feixe de tubos. Na periferia do feixe alguns tubos podem receber suporte de um montante que não suporta um tubo sobre o outro lado como um resultado da extensão variável das pistas de tubos através do feixe. Isto reduz o suporte eficaz prestado aqueles tubos porém uma vez que o comprimento do montante se estendendo do último par de tubos dentro do feixe é relativamente curto, algum apoio efetivo é prestado a estes tubos externos num lado pelo menos, pela extremidade em cantilever do montante.

Os montantes de suporte de tubo assim como as gaiolas são convenientemente construídas de um metal que resista à corrosão no ambiente do feixe de tubos em deve ser usado. Normalmente, para resistir à corrosão

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tanto em água como em outros ambientes aço inoxidável será satisfatório, embora outros metais tal como titânio também possam ser usados. O inoxidável SS 304 é adequando exceto quando corrosão por completo seja esperada quando aço inoxidável duplex tem preferência. Os aços inoxidáveis duplex que contém várias proporções dos elementos de liga como cromo, níquel e opcionalmente molibdênio sejam caracterizados por uma microestrutura mista com proporções aproximadamente iguais de ferrita e austenita (daí o designador comum “Duplex”). A composição química baseada sobre altos teores de cromo, níquel e molibdênio proporciona um alto nível de resistência à corrosão intergranular e por micro físsuração. Adições de nitrogênio promovem endurecimento estrutural por mecanismo de solução sólida intersticial, que aumenta o limite convencional de elasticidade e valores de resistência final sem enfraquecer a tenacidade. Outrossim, a microestrutura bifásica garante resistência mais alta à microfissuração e trincamento atribuível à corrosão sob tensão em comparação com aços inoxidáveis convencionais Eles também são notáveis para alta condutividade térmica, baixo coeficiente de expansão térmica, boa resistência à corrosão sob tensão por sulfeto e condutividade térmica mais alta que a dos aços austeníticos assim como boa trabalhabilidade e soldabilidade. Os aços inoxidáveis duplex constituem uma família de categorias, que varia em desempenho de corrosão dependendo de seu teor de liga. Normalmente, os tipos duplex tais como 2304, 2205 serão adequados para serviço em trocadores de calor com a seleção final a ser feita consentânea com requisitos de resistência à corrosão reconhecidos.

Os membros de tira que compõem os montantes de suporte podem ser constituídos de duas ou mais tiras se aninhando estreitamente entre si se espessura ou módulo adicional é requerida. Pode se tomar desejável em determinados casos, por exemplo, se formar as tiras de titânio que resistem às operações de formação profunda, conferir a profundidade requerida sobre a

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tira (a partir do fundo de uma sela para o fundo da sela oposta) formando as selas ligeiramente menos profundamente da tira de seção mais delgada e a seguir superpor duas tiras conjuntamente para conferir a espessura total desejada ou profundidade de sela. Assim, no caso da formação do montante em duas tiras ilustrada no pedido η- 11/128.884 depositado em 13 de maio de 2005 (baseado sobre o pedido n—60/580 984), poderíam haver quatro tiras efetivas com duas tiras superpostas se aninhando entre si sobre cada lado do dispositivo de suporte final, inteiramente montado. No caso da modificação de tira única mostrada na fig. 3 do pedido n- 11/128 884 depositado em 13 de maio de 2005 (baseado sobre o n^fi 60/580 984), havería um total de duas tiras em disposição aninhada superpostas entre si. Dispositivos de suporte construídos desta maneira podem ter as tiras aninhadas conjuntamente fixadas pelas extremidades e possivelmente intermediariamente por recursos tais como soldagem ou rebitagem.

Os montantes podem ser inseridos no interior do feixe de tubos como descrito no pedido n-10/848 903 (Publicação n0050006075Al), e pedido n^fi 11/128 8984 depositado em 12 de maior de 2005 (baseado sobre o pedido n- 60/580 984), isto é, utilizando uma barra para separar os tubos a um determinado grau para facilitar a inserção dos montantes ou altemativamente, utilizando uma mangueira de pressão para expandir os tubos e efetuar o seu afastamento mútuo para permitir a fácil inserção do montante após a qual, a mangueira pode ser desinflada e removida do feixe.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo de feixe de tubos compreendendo tubos dispostos em relação paralela entre si e com um eixo geométrico longitudinal do feixe de tubos em carreiras com pistas de tubo separando as carreiras de tubos, caracterizado pelo fato de que os tubos são sustentados por:

(i) uma primeira gaiola de suporte de tubos compreendendo membros de suporte de tubo paralelos alongados mutuamente espaçados e fixados a um anel circundante, cada um dos membros paralelos se estendendo transversalmente com respeito aos tubos através de uma pista de tubos entre carreiras adjacentes de tubos;

(ii) uma segunda gaiola de suporte de tubos compreendendo membros de suporte de tubos paralelos alongados mutuamente espaçados um do outro e fixados a um anel circundante, cada um dos membros de suporte de tubo paralelos se estendendo transversalmente com respeitos aos tubos através de uma pista de tubos entre carreiras adjacentes de tubos, os membros sendo girados em tomo do eixo geométrico de feixe de tubos da primeira gaiola de suporte de tubo;

(iii) um primeiro conjunto de montantes de suporte de tubo inserido em uma primeira posição ao longo do eixo geométrico do feixe de tubos em pistas de tubos entre carreiras de tubos, os montantes compreendendo membros alongados se engatando com os tubos de cada lado da carreira na qual cada montante é inserido.

(iv) um segundo conjunto de montantes de suporte de tubo inserido em uma segunda posição ao longo do eixo geométrico do feixe de tubos em pistas de tubos entre carreiras de tubos, os montantes compreendendo membros alongados se engatando com os tubos de cada lado da carreira no interior da qual cada montante é inserido, os montantes sendo girados em tomo do eixo geométrico do feixe de tubos com respeito aos montantes do primeiro conjunto de montantes de suporte de tubo,

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2. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação

1, caracterizado pelo fato de que os tubos são dispostos em uma formação retangular compreendendo carreiras ortogonais de tubos paralelos, a primeira e segunda gaiolas de suporte de tubo são dispostas com os membros de suporte de tubo de cada gaiola sendo girados ortogonalmente em tomo do eixo geométrico de feixe de tubos com respeito aos membros de suporte de tubo da outra gaiola e os primeiro e segundo conjuntos de montantes- de tubo são dispostos com os montantes de cada conjunto sendo girados ortogonalmente em tomo do eixo geométrico com respeito aos montantes de suporte de tubo do outro conjunto.
3. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação

2, caracterizado pelo fato de que um conjunto de montantes de suporte de tubos fica localizado axialmente ao longo do feixe de tubos entre a primeira e segunda gaiolas de suporte de tubo.
4. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que uma gaiola de suporte de tubos fica localizada axialmente ao longo do feixe de tubos entre os primeiro e segundo conjuntos de montantes de suporte de tubos.
5. Dispositivo de feixe de tubos compreendendo tubos dispostos em relação paralela entre si e a um eixo geométrico longitudinal do feixe de tubos em carreiras com pistas de tubos separando as carreiras de tubos, caracterizado pelo fato de que os tubos são suportados por:

(i) uma pluralidade de gaiolas de suporte de tubo em uma pluralidade de posições axialmente espaçadas ao longo dos tubos, cada gaiola compreendendo membros de suporte de tubo paralelos alongados mutuamente espaçados e fixados em um anel circundante, cada um dos membros paralelos se estendendo transversalmente com respeito aos tubos através de uma pista de tubos entre carreiras adjacentes de tubos;

(ii) uma pluralidade de conjuntos de montantes de suporte de

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dá ♦ · · tubo em uma pluralidade de posições axialmente espaçadas ao longo dos tubos, cada conjunto compreendendo uma pluralidade de membros alongados paralelos inseridos no interior das pistas de tubos entre carreiras de tubos para se engatar com os tubos de cada lado da carreira no interior da qual cada

5 montante é inserido;

os membros de suporte de tubo de cada gaiola sendo girados em torno do eixo geométrico do feixe de tubos com respeito aos membros de suporte de tubo de uma gaiola axialmente adjacente, os montantes de suporte de tubo de cada conjunto de montantes de suporte sendo girados em tomo do

10 eixo geométrico do feixe de tubos com respeito aos montantes de suporte de tubo de um conjunto axialmente adjacente.
6. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que um conjunto de montantes de suporte de tubo fica localizado axialmente ao longo do feixe de tubos entre duas gaiolas

15 de suporte de tubo e uma gaiola de suporte de tubo ser localizada axialmente ao longo do feixe de tubos entre dois conjuntos de montantes de suporte de tubo.
7. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os tubos ficam dispostos em uma formação

20 retangular compreendendo carreiras ortogonais de tubos paralelos, as gaiolas de suporte de tubo sendo dispostas com os membros de suporte de tubo de cada gaiola sendo girados ortogonalmente em tomo do eixo geométrico com respeito aos membros de suporte de tubo de cada gaiola axialmente adjacente e os conjuntos de montantes de suporte de tubo de cada gaiola sendo girados

25 ortogonalmente em tomo do eixo geométrico do feixe de tubos com respeito aos montantes de suporte de tubo de cada conjunto axialmente adjacente.
8. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as gaiolas de suporte de tubo alternam com os conjuntos de montantes de suporte de tubo axialmente ao longo dos tubos.

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9. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os montantes de suporte de tubo de cada conjunto são paralelos aos membros de suporte de tubo de uma gaiola de suporte de tubo adjacente.
10. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os montantes de suporte de tubo de cada conjunto de montantes de suporte de tubo se estendem através de pistas de tubos alternadas entre carreiras adjacentes de tubos.
11. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os tubos são dispostos em uma formação triangular compreendendo carreiras de tubos paralelos e os membros de suporte de tubo de cada gaiola são girados em tomo do eixo geométrico do feixe de tubos com respeito aos membros de suporte de tubo de cada gaiola adjacente e montantes de suporte de tubo de cada conjunto são girados em tomo do eixo geométrico do feixe de tubos com respeito aos montantes de suporte de tubo do outro conjunto.
12. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os tubos são dispostos em uma formação triangular compreendendo carreiras de tubos paralelos e os membros de suporte de tubo de cada gaiola são girados por um múltiplo de 60° em tomo do eixo geométrico do feixe de tubos com respeito aos membros de suporte de tubo de cada gaiola axialmente adjacente e os montantes de suporte de tubo de cada conjunto são girados por um múltiplo de 60° em tomo do eixo geométrico do feixe de tubos com respeito aos montantes de suporte de tubo do outro conjunto.
13. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a espessura dos membros de suporte de tubo no plano da gaiola é menor que a • ··· · ··· · ·

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separação entre os tubos.
14. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 1 ou a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os tubos são apertadamente retidos contra os membros de suporte pela ação dos montantes de suporte.
15. Dispositivo de feixe de tubos de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que cada montante de suporte de tubos compreende uma tira longitudinalmente estendida tendo uma pluralidade de sucessivas carreiras transversais, localizadas em sucessivas posições longitudinais ao longo da tira de uma pluralidade de zonas de engate com tubo saliente sobre cada face da tira se estendendo lateralmente para o exterior de ambas as faces da tira para se engatarem com tubos em lados opostos da pista de tubos no interior da qual o montante é inserido.
16. Método de fabricar um dispositivo de feixe de tubos, caracterizado pelo fato de que os tubos são inseridos em pelo menos uma chapa de tubos que recebe uma extremidade de cada tubo e no interior de uma gaiola de suporte de tubo para formar um feixe de tubos dispostos em carreiras paralelas entre si e com um eixo geométrico longitudinal do feixe de tubos com pistas de tubos separando as carreiras de tubos, pelo menos uma gaiola de suporte de suporte de tubo compreendendo membros de suporte de tubo paralelos alongados fixados a um anel circundante, cada um dos membros paralelos se estendendo transversalmente com respeito aos tubos para definir uma pista de tubos entre carreiras adjacentes de tubos, os membros de suporte sendo mutuamente espaçados para permitir folga entre os tubos e os membros de suporte, inserindo pelo menos um conjunto de montantes de suporte de tubo no interior do feixe de tubos em uma posição ao longo dos tubos espaçada de cada gaiola de suporte de tubo nas pistas de tubo definidas entre carreiras de tubos, alinhado paralelo aos membros de suporte de tubo de uma gaiola de suporte de tubo adjacente, os montantes

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··· · · ··· · · ··· · compreendendo membros alongados se engatando com os tubos sobre cada lado da carreira em que cada montante é inserido, para compelir cada tubo contra um membro de suporte de tubo de uma gaiola de suporte.
17. Método de acordo com a reivindicação 16, caracterizado

5 pelo fato de que o dispositivo de feixe de tubos tem uma construção de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15.

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