BRPI0618970A2 - trocador de calor com enrolamento - Google Patents
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Abstract
TROCADOR DE CALOR COM ENROLAMENTO. A presente invenção refere-se a um trocador de calor enrolado que apresenta uma variedades de tubos que estão enrolados em uma ou em várias camadas de tubos (4, 7) concêntricas e em forma helicoidal ao redor do tubo nuclear, formando um feixe em forma de um cilindro oco, bem como uma camisa que limita um compartimento externo ao redor dos tubos. Está configurado de tal maneira que na operação é transferido calor ao menos entre duas correntes de fluído, uma das quais flui pela parte interna do tubo e outra pelo compartimento externo. Dentro da camisa e em posição radial fora do feixe está previsto ao menos um elemento construído (la, lb) elástico não transferidor de calor que apresenta um material metálico.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TROCADOR DE CALOR COM ENROLAMENTO".
A presente invenção refere-se a um trocador de calor com um enrolamento com uma variedade de tubos enrolados ao redor de um tubo nuclear com uma camisa que limita um compartimento externo ao redor dos tubos.
Nas instalações LNG-Baseload, gás natural é continuamente liqüefeito em grandes quantidades. A liquefação do gás natural verifica-se geralmente por troca de calor com um veículo de frigorígeno em trocadores de calor enrolados. Todavia, são também conhecidos outros empregos de trocadores de calor com enrolamento, tanto em temperatura abaixo da tem- peratura ambiente até as mais baixas temperaturas, como também no caso de temperaturas elevadas muito acima da temperatura ambiente. Basica- mente trocadores de calor com enrolamento podem ser empregados a qual- quer temperatura, para o qual está adaptado o seu material.
No caso de um trocador de calor com enrolamento, várias ca- madas de tubos estão enroladas sobre um tubo nuclear. Através dos tubos individuais é conduzido um agente, que estabelece troca de calor com um agente que flui nos compartimentos entre os tubos e uma camisa circundan- te. Os tubos serão unidos nas extremidades inferior e superior do trocador de calor em um ou vários grupos.
Trocadores de calor enrolados deste tipo e o seu emprego, por exemplo, para liquefação de gás natural, são descritos em cada uma das seguintes publicações:
- Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Aufl. 1985, S.471-475
- W. Scholz, "Gewickelte Rohrwármeaustauscher", Linde- Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 33 (1973), S. 34-39
- W. Bach, "Offshore-Erdgasverflüssigung mit Stickstofkálte- Prozessauslegung und Vergleich von Gewickelten Rohr- und Plattenwãrmetauschern", Lindè-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Nr. 64(1990), S. 31-37
- W. Forg et al., "Ein neuer LNG Baseload Prozess und die Hers- tellung der Hauptwãrmeaustauscher, Linde-Berichte aus Technik und Wis- senschaft", Nr. 78 (1999), S. 3-11 (englische Fassung: W. Forg et al., "A New LNG Baseload Process and Manufacturing of the Main Heat Exchanger", Linde Reports on Science and Technology, Nr. 61 (1999), S. 3-11)
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Trocadores de calor com enrolamentos são conhecidos a sua grande elasticidade. Pelos tubos configurados como mola espiral são bas- tante elásticos, sendo especialmente adequado para compensação de ten- sões induzidas por expansões térmicas ou contrações, possibilitando desta maneira maior segurança operacional.
Portanto, a presente invenção tem como objetivo aumentar ain- da mais a confiabilidade de um trocador de calor com enrolamento.
Esta tarefa será solucionada pelo fato de que no trocador de ca- lor enrolado é integrado ao menos um elementos construído elástico que não transfere calor, o qual está disposto dentro da camisa e em posição ra- dial fora do feixe, apresentando um material metálico.
Até agora partiu-se do pressuposto que a elasticidade específica dos tubos enrolados, eventualmente em conexão com uma montagem elás- ticas dos tubos nas suas extremidades, atribui a um trocador de calor enro- lado uma capacidade tão surpreendente para compensar tensões térmicas que outras medidas nesta direção se tornam desnecessárias. No contexto da invenção ficou, todavia, revelado que as tensões térmicas também nos trocadores de calor com enrolamento pode reduzir a confiabilidade na ope- ração. A invenção não se baseia nas condições convencionais, por exemplo, em um aumento da elasticidade específica dos tubos ou em uma modifica- ção da montagem das extremidades dos tubos, porém soluciona a tarefa acima mencionada pelo emprego de elementos construídos não transferido- res de calor posicionados em sentido radial fora do feixe. Desta maneira tor- na-se possível não apenas compensar tensões incidentes para modificações da temperatura, mais também são compensadas maiores diferenças de temperaturas estacionárias e gradientes do feixe como um todo em relação ao compartimento externo ou interno.
A expressão "não transferidores de calor" abrange aqui um ele- mento construído cuja superfícies em operação não estão em contato direto com os dois fluídos, entre os quais verifica-se a transição térmica intencio- nada. Naturalmente, cada elemento construído apresenta um efeito transfe- ridor térmico pela convecção de calor. Esta não está excluído no termo "não transferidor de calor".
O "Feixe" é aqui considerado como compartimento geométrico na forma de um cilindro oco que é formado pelo segmento simétrico cilíndri- co do enrolamento do tubo. Abrangem segmentos com enrolamento helicoi- dal dos tubos e estende-se até o interior da face da camisa do cilindro que toca o lado interno dos tubos das camadas de tubos mais interna - sem en- volver o próprio tubo e núcleo - e para o lado externo até uma superfície de camisa cilíndrica que toca os lados internos dos tubos da camada de tubos mais externa. Caso entre a camisa e a camada de tubos mais externa esteja previsto uma camisa, a expressão "Feixe" não mais inclui esta camisa.
"Em posição radial fora do feixe" estará então posicionado um elemento construído quando se encontra ao menos parcialmente em sentido radial externamente do cilindro oco formado pelo feixe, ou seja, em um dos compartimentos entre a camada de tubo mais externa e a camisa ou entre acamada de tubo mais interna e o tubo de núcleo, ou também no interior de tubo de núcleo. Elementos construídos que estão integrados exclusivamente acima ou abaixo das extremidades axiais dos feixe, ou seja, por exemplo, aqueles que servem para a montagem das extremidades dos tubos, não es- tão dispostos "radialmente fora do feixe". O elementos construídos elástico no sentido da invenção pode, por exemplo, estar integrado entre os dois fei- xes tubulares concêntricos (ver pedido de patente Alemã 102006033697 e pedidos correspondentes) entre a camada de tubo mais externa e a camisa e entre a camada de tubo mais interna e o tubo de núcleo. Um elemento construído é aqui designado como sendo "elástico" quando a sua rigidez molar (constante molar) for inferior àquela dos elemen- tos de construção transferidores de calor, especialmente dos tubos e do fei- xe de tubos. A constante molar de um ou de vários "elementos construídos elásticos não transferidores de calor" é especialmente inferior a 80%, de pre- ferência inferior a 50%, inferior a 10% ou a 1% do feixe tubular. A sua dispo- sição e elasticidade são configurados de tal maneira que na operação do trocador de calor, a tensão térmica produzida pela expansão de temperatura dentro dos tubos permanece abaixo do limite de estiramento dos tubos, es- pecialmente abaixo de 2/3 do limite de estiramento, de preferência abaixo de 5% do limite de estiramento dos tubos.
O elemento construído elástico não transferidor de calor apre- senta um material metálico, isto é que ao menos em parte é formado de um ou de vários materiais metálicos.
De preferência na invenção será utilizada uma variedade de e- lementos construídos elásticos não transferidores de calor previstos em po- sição radial externamente do feixe.
Um ou vários elementos construídos elásticos não transferidores de calor estão unidos de preferência com o elemento construído transferidor de calor, especialmente com ao menos um dos tubos, com fecho devido à forma, fecho devido à força ou de modo deslizante. A ligação pode ser de natureza direta, por exemplo, solda branda ou solda forte ou também através de um ou de vários segmentos intermediários que apresentam menor elasti- cidade. Por exemplo, o elementos construído elástico pode estar acoplado através de um ou de vários filetes em um ou vários tubos. Alternativamente o elemento construído elástico não transferidor de calor pode também ser par- te ou uma peça perfilada e anexada de um elemento construído transferidor de calor.
O "Filete" apresenta um elemento construído inelástico e está em contato indireto com ao menos um tubo em ao menos duas posições de contato que normalmente estão previstas em enrolamentos vizinhos do mesmo tubo. A ligação entre o filete e tubo nestes pontos é com feixe devido à forma e será formado especialmente por cavidades adequadas no filete que, por exemplo, tem o formato aproximado de um segmento de camisa de cilindro.
De modo alternativo, de preferência em caráter adicional, um ou vários elementos construídos elásticos não transferidores de calor podem estar unidos com um elemento construído transferidor de calor com fecho devido à forma, fecho devido à força ou de modo deslizante. Por exemplo, os elementos elásticos podem estar unidos com fecho devido à força em um lado com um ou vários tubos e no outro lado com a camisa. Desta maneira, por exemplo, será logrado um desacoplamento das alterações térmicas de comprimento de feixes de tubos por um lado e da camisa por outro lado.
Também é possível uma ligação com fecho devido à forma ou força em um lado combinado com uma ligação deslizante no outro lado.
Entre a camisa externa do recipiente e a camada tubular mais externa encontra-se normalmente uma fenda anelar maior. Caso uma parce- la do fluído que atravessa o compartimento externo atravessa-se esta fenda ao invés dos compartimentos intermediários dos tubos, esta parcela não par- ticiparia ou apenas em reduzida extensão, na troca de calor com o outro fluí- do que atravessa o interior dos tubos. Portanto é comum integrar uma cami- sa entre a camada tubular mais externa e a própria camisa. Neste caso será vantajoso que o elemento construído elástico não transferidor de calor esteja unido com a camisa com fecho devido à força ou de modo deslizante.
Especialmente quando elemento construído elástico não transfe- ridor de calor estiver unido no outro lado com um ou com vários tubos, será assim lograda por um lado um desacoplamento das alterações térmicas do diâmetro e tubos e da camisa por outro lado e, portanto, uma redução das tensões termicamente induzida.
A invenção será especialmente possível de ser empregada van- tajosamente quando os elementos construídos transferidores de calor, espe- cialmente os tubos, apresentarem um coeficiente de expansão térmica supe- rior a 8.10"6 1/K, especialmente superior a 16,1.10 6 1/K, especialmente su- perior a 20.10'6 1/K. O material do tubo pode, por exemplo, consistir de aço nobre, especialmente V2A ou de alumínio ou de uma liga de alumínio.
É vantajoso que o elemento construído elástico apresente um efeito elástico em ao menos duas direções reciprocamente opostas. Está configurado, portanto, para solicitações de tração como de pressão. De pre- ferência, o elemento construído elástico apresenta um efeito elástico em to- das as direções.
É vantajoso que ao menos dois especialmente ao menos quatro elementos construídos elásticos não transferidores de calor estejam dispos- tos ao longo do eixo do feixe. Desta maneira torna-se possível um acopla- mento elástico por toda a altura ou uma grande parte da expansão radial do feixe. Os locais dos elementos de construção elásticos com diferente dispo- sição axial podem ser previstos em direção tangencial (direção periférica) apresentando, portanto, componentes locais idênticos ou diversos, podendo, portanto, em sua seqüência axial estarem dispostos diretamente em sentido sobreposto ou reciprocamente defasados.
Em caráter adicional ou alternativo será vantajoso que ao menos dois, especialmente ao menos quatro elementos construídos elásticos não transferidores de calor estejam dispostos ao longo da circunferência do fei- xe. Desta maneira torna-se possível um acoplamento elástico por toda cir- cunferência ou uma grande parte da circunferência do feixe. Os locais dos elementos construídos elásticos com componente local tangencial variada podem apresentar em direção axial (altura) ou mesmos componentes locais ou diversos podendo, portanto, na circunferência estarem dispostas em altu- ras idênticas ou diversa.
De preferência uma variedade de elementos construídos elásti- cos não transferidores de calor estará distribuída por toda uma superfície de camisa cilíndrica fora ou dentro do cilindro oco do feixe.
A invenção bem como outros detalhes da invenção serão em seguida explicitados com base em exemplos de execução representados nos desenhos que apresentam esquematicamente um recorte de um troca- dor de calor enrolado de acordo com a invenção. As figuras mostra:
Figura 1 um primeiro exemplo de execução para elementos construídos elásticos não transferidores de calor consoante a in- venção e
Figura 2 um segundo exemplo de execução para o emprego da invenção em um trocador de calor enrolado.
No exemplo de execução da Figura 1 são representados cons- truídos 1a, 1b elásticos não transferidores de calor conforme a invenção. Conforme representado, podem ser configurados como molas espiraladas mais podem também ter outro formato que faz com que sua constante molar seja menor do que aquela dois elementos construídos transferidores de calor não representados na Figura 1 sendo especialmente inferior a 80%, de pre- ferência a 50% inferior a 10% ou inferior a 1% do feixe tubular do trocador de calor enrolado.
Os elementos construídos 1a, 1b não transferidores de calor es- tão ligados em um lado (abaixo na Figura 1) através de uma primeira peça intermediária 2 com fecho devido à força com elementos de construção transferidores de calor como, por exemplo, tubos (não representados), por exemplo, através de uma conexão de junção.
No outro lado (a parte de cima na Figura 1) os elementos cons- truídos 1a, 1b elásticos não transferidores de calor, através de uma segunda peça intermediária 3 estão unidos com fecho devido à força com um elemen- to construído não transferidor de calor como seja, por exemplo, uma camisa integrada entre a camada de tubos mais externa e a camisa do trocador de calor enrolado.
A Figura 2 apresenta um exemplo de execução semelhante, que analogamente a figura 1 apresenta dois dos elementos de construção 1a, 1b elástico não transferidor de calor mostrado na Figura 1 e apresentando um primeiro e um segundo segmento intermediário 2, 3. O primeiro segmento intermediário 2 está unido com fecho devido à força com os tubos da cama- da tubular 4 mais externa, por exemplo, através de uma ligação de solda forte. A segunda peça intermediária 3 está unido com fecho devido à força com uma camisa 5, por exemplo, por uma solda forte.
A construção dos elementos construídos 1a, 1b, 2, 3 será repeti- do em outros pontos (por exemplo, 6) de preferência a distâncias regulares.
A Figura 2 apresenta além disso uma outra camada tubular 7 bem como filetes 8 inelásticos integrados entre as duas camadas tubulares 4 e 7.
Basicamente a idéia da invenção abrangendo o emprego de um elemento construído elástico não transferidor de calor para a diminuição de tensões termicamente induzidas poderá também ser integrado em todos os demais tipos de trocadores de calor, por exemplo, um trocador de tubo em U, trocadores de tubos retos ou trocadores de paredes de placas.
Claims (13)
1. Trocador de calor enrolado com uma variedade de tubos, en- rolados em uma ou várias camadas tubulares (4, 7) concêntricas e em forma helicoidal ao redor de um tubo nuclear formando um feixe na forma de um cilindro oco, com uma camisa que limita um compartimento externo ao redor dos tubos configurado de tal maneira que na operação é transferido o calor ao menos entre duas correntes de fluído, uma das quais atravessa o interior de ao menos um dos tubos e o outro pelo compartimento externo, caracteri- zado pelo fato de que ao menos um elemento construído 1a, 1b elástico não transferidor de calor, integrado dentro da camisa e em posição radial fora do feixe e que apresenta material metálico.
2. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que o elemento construídos elástico não transferidor de calor está unido com ao menos um elemento construído transferidor de ca- lor, especialmente com um dos tubos, com fecho devido à forma, fecho de- vido à força ou deslizante.
3. Trocador de calor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, ca- racterizado pelo fato de que o elemento construído elástico não transferidor de calor está unido com um elemento não construído não transferidor de calor com fecho devido à forma, com fecho devido à força ou de modo desli- zante.
4. Trocador de calor de acordo com uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que entre a camisa e camada tubular mais externa (4) está integrada uma camisa (5) e o elemento construídos elástico não transferidor de calor está unido com a referida camisa com fecho devido à forma, fecho devido à força ou de modo deslizante.
5. Trocador de calor de acordo com uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o elemento construído elástico transferi- dor ou não de calor está unido com o tubo nuclear com fecho devido à for- ma, fecho devido à força ou de modo deslizante.
6. Trocador de calor de acordo com uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que os elementos construídos transferido- res de calor apresentam um coeficiente de dilatação térmica superior a 8.10" -6 1/K, especialmente superior a 16,1.106 1/K, especialmente superior a -20.106 1/K.
7. Trocador de calor de acordo com uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o elementos construído elástico apresen- ta um efeito elástico em ao menos duas direções opostas.
8. Trocador de calor de acordo com uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que ao menos dois, especialmente ao menos quatro elementos construídos elásticos não transferidores de calor estão montados ao longo do eixo do feixe.
9. Trocador de calor de acordo com uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que ao menos dois, especialmente ao menos quatro elementos construídos elásticos não transferidores de calor estão dispostos ao longo da circunferência do feixe.
10. Emprego de um trocador de calor como definido em uma das reivindicações de 1 a 6, a uma temperatura de serviço inferior à temperatura ambiente, especialmente inferior a -40eC.
11. Emprego de um trocador de calor como definido em uma das reivindicações de 1 a 6, para a realização de uma troca de calor indireta en- tre uma corrente contendo hidrocarboneto fica liqüefeito na troca de calor indireta, sendo resfriado, aquecido e/ou evaporado.
12. Utilização de acordo com a reivindicação II, caracterizado pe- lo fato de que a corrente contendo hidrocarbonetos, é formada por gás natu- ral.
13. Utilização de acordo com a reivindicação Il ou 12, caracteri- zado pelo fato de que a corrente, contendo hidrocarbonetos, é liqüefei- ta,resfriada, aquecida e/ou evaporada na troca de calor indireta.
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