BRPI0614910A2

BRPI0614910A2 - trocador de calor enrolado com diferentes diámetros de tubos

Info

Publication number: BRPI0614910A2
Application number: BRPI0614910-3A
Authority: BR
Inventors: Manfred Steinbauer; Manfred Schinberger; Markus Hammerdinger; Christiane Kerber
Original assignee: Linde Ag
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2011-04-19
Also published as: CN101233378A; NO20081063L; AU2006275171A1; AU2006275171B2; CN101233378B; RU2008107273A; RU2402733C2; US20080271880A1; WO2007014618A1

Abstract

TROCADOR DE CALOR ENROLADO COM DIFERENTES DIáMETROS DE TUBOS. A presente invenção refere-se a um trocador de calor enrolado com uma pluralidade de tubos que estão enrolados em torno de um tubo central, com um invólucro que delimita um espaço externo em torno dos tubos, sendo que os tubos de um primeiro grupo de tubos (7) apresentam um primeiro diâmetro interno e um primeiro diâmetro externo e que os tubos de um segundo grupo de tubos (8, 9) apresentam um segundo diâmetro interno e um segundo diâmetro externo. O segundo diâmetro interno é diferente do primeiro diâmetro interno e/ou o segundo diâmetro externo é diferente do primeiro diâmetro externo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TROCADORDE CALOR ENROLADO COM DIFERENTES DIÂMETROS DE TUBOS".

A presente invenção refere-se a um trocador de calor enroladocom uma pluralidade de tubos que estão enrolados em torno de um tubocentral, com um invólucro que delimita um espaço externo em torno dos tubos.

Em instalações de LNG Baseload, o gás natural é continuamen-te liqüefeito em grandes quantidades. Em trocadores de calor enrolados, aliquefação do gás natural, na maioria das vezes, é feita através de troca decalor com um portador de frio. Porém, também são conhecidas muitas outrasaplicações de trocadores de calor enrolados.

Em um trocador de calor enrolado, várias camadas de tubos es-tão enroladas em forma de espiral em um tubo central. O interior de pelomenos uma parte dos tubos é atravessado por um primeiro meio que execu-ta uma troca de calor com um segundo meio que corre no espaço externoentre os tubos e um invólucro circundante. Os tubos são juntados nas ex-tremidades do trocador de calor para formarem vários grupos, e saem doespaço externo em feixes.

Trocadores de calor enrolados deste tipo e seu uso, por exem-pio, para a liquefação de gás natural, são descritos em cada uma das se-guintes publicações:

- Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2§ edição 1985, páginas471 a 475;

- W. Scholz, "Gewickelte Rohrwármetauscher", Linde-Berichteaus Technik undWissenschaft, Nq 33 (1973), páginas 34 a 39;

- W. Bach "Offshore-Erdgasverflüssigung mit Stickstoffkàlte -Prozessauslegung und Vergleich von gewickelten Rohr- und Platten-wãrmetauschern" Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Ne 64(1990), páginas 31 a 37.

- W. Forg et al., "Ein neuer LNG Baseload Prozess und die Hers-tellung der Hauptwârmetauscher" Linde-Berichte aus Technik und Wissens-chaft, Ne 78 (1999), páginas 3 a 11 (versão inglês: W. Forg et al., "A NewLNG Baseload process and manufacturing of the Main Heat Exchanger",Linde Reports on Science and Technology, nr. 61 (1999), páginas 3 a 11).

- DE 1501 519 A

-DE 1912 341 A

-DE 1951 7114A

-DE 1970 7475 A

-DE 1984 8280 A

Nos trocadores de calor enrolados conhecidos são usados tuboscom a mesma seção transversal.

A presente invenção tem a tarefa de aperfeiçoar estes trocado-res de calor enrolados, especialmente visando o peso, o número de tubos,as condições do processo e/ou a segurança operacional.

Esta tarefa é solucionada pelo fato de que os tubos de pelo me-nos dois grupos de tubos apresentam diâmetros externos diferentes e/oudiâmetros internos diferentes. Nisso, um "grupo de tubos" consiste em pelomenos um, de preferência, de uma pluralidade de tubos. Os tubos de umgrupo de tubos podem, porém não precisam obrigatoriamente ser adjacentesem direção tangencial e/ou radial. Os dois grupos de tubos encontram-sepreferencialmente no mesmo feixe de tubos. Um "feixe de tubos" significa atotalidade de um componente interno de um trocador de calor enrolado for-mado pelo tubo central, camadas de tubos enrolados ao redor dele e com-ponentes auxiliares situados entre estes, como nervuras etc., que é feito a-través de um processo de enrolamento. Um trocador de calor enrolado apre-senta dentro de um invólucro um ou vários desses feixes de tubos.

Assim sendo, a geometria dos tubos pode ser mais bem-adap-tada às necessidades técnicas específicas do processo. Estas necessidadesespecíficas podem ser, por exemplo, propriedades térmicas diferentes dasdiversas frações do processo que atravessam os grupos de tubos corres-pondentes, ou também o comprimento diversificado de tubos nas diversascamadas de tubos. Uma outra vantagem consiste no fato de que as espes-suras das paredes podem ser adaptadas a diferentes pressões de processodos meios que atravessam os tubos o que traz uma economia de peso.No contexto da presente invenção são possíveis as seguintescombinações dos parâmetros geométricos dos tubos dos dois grupos de tubos:

Diâmetro externo Diâmetro interno Espessura da paredeigual diferente diferentediferente igual diferentediferente diferente igual ou diferente

"Diferente" significa uma divergência na respectiva medida que éclaramente maior do que a tolerância de fabricação valendo para o caso. Emparticular, um parâmetro difere do outro quando seu valor difere por pelomenos 2%, de preferência, pelo menos 5%.

No contexto da presente invenção pode ser variado especial-mente o diâmetro interno, de preferência, com o diâmetro externo permane-cendo constante.

Em virtude da variação do diâmetro interno, por exemplo, podeser influenciada a queda de pressão ao longo dos tubos. Em virtude disso,dois diferentes grupos de tubos podem ser otimizados independentementeum do outro para duas frações de processo diferentes. A princípio, isto podeocorrer com espessuras de paredes iguais, isto é, os dois grupos de tubosapresentam também diferentes diâmetros externos. Como alternativa, todosos tubos podem apresentar o mesmo diâmetro externo, variando somente aespessura de parede e o diâmetro interno.

No contexto da presente invenção, portanto, é favorável em mui-tos casos, dotar os dois grupos de tubos com o mesmo diâmetro externo econfigurar o diâmetro interno por meio do uso de diferentes espessuras deparede. Assim sendo, dois grupos de tubos com um diâmetro interno diferen-te podem ser enrolados na mesma camada de tubos e ser atravessado porduas frações de processo diferentes. Em comparação com uma conjugaçãodas diversas frações de processo a camadas de tubos diferentes resultauma eqüipartição melhor da corrente de calor no trocador de calor.

Uma diferença na espessura de parede pode ser realizada, u-sando-se o mesmo material ou também se usando materiais diferentes (porexemplo, alumínio ou aço) para os dois grupos de tubos. O uso de diferentesmateriais é descrito detalhadamente no pedido de patente alemão102005036413.6 depositado simultaneamente com o presente pedido depatente (referência interna P05164 DE/AVA do titular) e os pedidos corres-pondentes.

Os dois grupos de tubos podem estar dispostos na mesma ouem diferentes camadas de tubos. É lógico que também podem ser previstosmais do que dois grupos de tubos com dimensões diferentes. Por exemplo,um primeiro e um segundo grupo de tubos podem estar dispostos dentro deuma primeira camada de tubos, e um terceiro grupo de tubos pode estar dis-posto em uma segunda camada.

Em particular para a adaptação a frações do processo de pres-sões diferentes para as quais os dois grupos de tubos são destinados, é a-propriado que dois grupos de tubos possuam espessuras de paredes dife-rentes. Para os grupos de tubos com a pressão de dimensionamento menoré usada uma espessura de parede menor, economizando peso. Em depen-dência da perda de pressão desejada e das possibilidades técnicas de pro-dução, ou o diâmetro interno ou o diâmetro externo dos dois grupos de tubospodem ser diferentes; como alternativa para isto, ambos os diâmetros po-dem ser diferentes.

A princípio também é possível, variar o diâmetro interno e/ou odiâmetro externo do mesmo tubo dentro do trocador de calor, por exemplo, afim de obter uma adaptação melhor ao volume de uma corrente de processoem evaporação ou em condensação. Neste caso, o primeiro grupo de tuboscompreende, por exemplo, um primeiro segmento de tubos, e o segundogrupo de tubos compreende um outro, por exemplo, que segue o primeirosegmento dos mesmos tubos.

A presente invenção refere-se ainda à aplicação de tal trocadorde calor para a realização de uma troca de calor indireta entre um fluxo con-tendo hidrocarboneto e pelo menos um fluido de calor ou de frio.

O fluxo contendo hidrocarboneto é, por exemplo, o gás natural.

O fluxo contendo hidrocarboneto é liqüefeito, esfriado, aquecidoe/ou evaporado na troca de calor indireta. O trocador de calor é usado depreferência para a liquefação de gás natural ou para a evaporação de gásnatural.

A presente invenção e demais detalhes da presente invençãoserão explicados detalhadamente a seguir com a ajuda de um exemplo deexecução mostrado no desenho de modo esquematizado. No caso, é mos-trado um trocador de calor enrolado 1 de acordo com a presente invençãopara a liquefação de um fluxo de gás natural 2 para se tornar gás naturalliqüefeito 3 (LNG - Iiquid natural gás) através da troca de calor indireta comtrês fluxos de agentes de refrigeração, um agente de refrigeração de baixapressão 4, um primeiro agente de refrigeração de alta pressão 5 e um se-gundo agente de refrigeração de alta pressão 6.

No presente caso, o trocador de calor apresenta um único feixede tubos com três grupos de tubos. Os tubos dos grupos de tubos estão en-rolados em diversas camadas alternadas, em forma de espiral, sobre umtubo central comum. (O enrolamento de tubos corresponde ao princípio ge-ralmente conhecido de um trocador de calor enrolado; portanto, a disposiçãogeométrica não é mostrada no desenho esquematizado). No presente e-xemplo, os grupos de tubos são divididos em fluxos de processo. Atravésdos tubos de um primeiro grupo de tubos 7 passa o gás natural 2; atravésdos tubos de um segundo ou um terceiro grupo de tubos 8, 9 passa respec-tivamente um dos dois agentes de refrigeração de alta pressão 5, 6. Os a-gentes de refrigeração de alta pressão são conduzidos de baixo para cima,isto é, na corrente igual à do gás natural. O agente de refrigeração de baixapressão 4 vai de cima para baixo, isto é, na contracorrente ao gás natural,através do espaço externo dos tubos, evaporando. O agente de refrigeraçãode baixa pressão evaporado 10 é novamente retirado do espaço externo naextremidade inferior do trocador de calor.

Em um exemplo de números concreto as pressões do processosão:

Gás natural 2 12 mPa (120 bar)

Agente de refrigeração de baixa pressão 4 1,5 mPa (15 bar)

Primeiro agente de refrigeração de alta pressão 5 6 mPa (60 bar)

Segundo agente de refrigeração de alta pressão 6 6 mPa (60 bar)Os tubos são produzidos de metal leve, por exemplo, alumínioou uma liga de alumínio e, dependendo do grupo de tubos, apresentam di-versas espessuras de parede. Nisso, os diâmetros externos dos tubos estãoiguais em todas as camadas de tubos.

Em uma primeira variação que é otimizada quanto ao peso, asespessuras das paredes são:

Grupo de tubos 7 1,4 mm

Grupos de tubos 8 e 9 0,9 mm.

Em uma outra variação, as espessuras das paredes são otimi-zadas no que se refere ao design térmico e hidráulico e quanto a um feixe detubos com uma construção mais homogênea possível, onde precisam sermantidos parâmetros de processo (por exemplo, quedas de pressão máxi-mas predefinidas nas diversas correntes do processo). Nesta segunda varia-ção as espessuras de parede são:

Grupo de tubos 7 1,4 mm

Grupos de tubos 8 e 9 1,2 mm

Na segunda variação foram obtidos comprimentos de tubos i-dênticos nos grupos de tubos individuais, e assim o trocador de calor foi oti-mizado tanto no que se refere à transmissão de calor como também no quese refere à viabilidade econômica.

Claims

1. Trocador de calor enrolado com uma pluralidade de tubos queestão enrolados em torno de um tubo central, com um invólucro que delimitaum espaço externo em torno dos tubos, sendo que os tubos de um primeirogrupo de tubos (7) apresentam um primeiro diâmetro interno e um primeirodiâmetro externo e os tubos de um segundo grupo de tubos (8, 9) apresen-tam um segundo diâmetro interno e um segundo diâmetro externo, caracteri-zado pelo fato de que o segundo diâmetro interno é diferente do primeirodiâmetro interno e/ou o segundo diâmetro externo é diferente do primeirodiâmetro externo.

2. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracteri-zado pelo fato de que o segundo diâmetro interno é diferente do primeirodiâmetro interno e o segundo diâmetro externo é igual ao primeiro diâmetroexterno.

3. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, ca-racterizado pelo fato de que o primeiro e o segundo grupos de tubo (7, 8, 9)estão dispostos dentro da mesma camada de tubos.

4. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, ca-racterizado pelo fato de que o primeiro e o segundo grupos de tubo (7, 8, 9)estão dispostos em diferentes camadas de tubo.

5. Trocador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que os tubos do primeiro grupo de tubos (7)apresentam uma primeira espessura de parede, e os tubos do segundo gru-po de tubos (8, 9) apresentam uma segunda espessura de parede, e a pri-meira espessura de parede é diferente da segunda espessura de parede.

6. Trocador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que os tubos do primeiro grupo de tubos (7) eos tubos do segundo grupo de tubos (8, 9) encontram-se no mesmo feixe detubos.

7. Uso do trocador de calor como definido em uma das reivindi-cações 1 a 6 para a realização de uma troca de calor indireta entre uma cor-rente contendo hidrocarbonetos (2) e pelo menos um fluido de calor ou defrio (4, 5, 6).

8. Uso de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fatode que a corrente contendo hidrocarbonetos (2) é o gás natural.

9. Uso de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelofato de que a corrente contendo hidrocarbonetos (2) é liqüefeita, esfriada,aquecida e/ou evaporada na troca de calor indireta.