BRPI0706413A2 - placa de topo - Google Patents

Abstract

PLACA DE TOPO. A presente invenção refere-se a uma placa de tipo (4), que fixa pela extremidade e fecha de modo vedante um feixe de tubos (1) com uma série de tubos (2) especialmente porosos e que apresentam uma membrana, é previsto que a placa de topo (4) seja constituída de um metal ou de uma liga metálica com temperatura de fundição mais baixa do que a menor temperatura de falha de um material de tubo e/ou da membrana.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PLACA DETOPO".

A presente invenção refere-se a uma placa de topo, que fixa pe-la extremidade um feixe de tubos com uma série de tubos, especialmenteporosos, que apresentam uma membrana e os fecha de modo vedante.

Tubos desse tipo mencionado, por exemplo provetas, capilaresou similares de um material sintético, de um composto de material sintético,eventualmente também com uma construção em camadas, de uma cerâmicaou de um metal, encontram empregos multíplices.

Por exemplo, no caso de células de combustível, o transporte deum componente de combustível ocorre nesses tubos de um feixe de tubos, epor isso, um tubinho desse tipo dimensionado como microrreator geralmentetambém é munido de uma membrana, através da qual são separados oscomponentes de combustível que reagem entre si.

Um outro campo de aplicação desse tipo de feixe de tubos é orefino de combustível de materiais a partir de materiais desenvolvidos biolo-gicamente, como por exemplo, de bioetanol. Quando o bioetanol percorrerum tubo que forme uma membrana semipermeável, a água existente no bio-etanol será retirada através da membrana.

Nesses feixes de tubos, ocorre basicamente o problema de a-garrar estes pelas extremidades e de fechá-los. O assim chamado "potting',isto é, encaixar entre si as extremidades desse feixe de tubos, especialmen-te também para um fechamento vedante em relação a uma caixa, a umatubulação ou similar, ocorre geralmente por meio de técnicas de fundiçãocom resina sintética, por exemplo com resina de epóxi, as quais, no entanto,não deixam de ser problemáticas. Nesse sentido, coeficientes de dilataçãotérmica diferentes, a uma temperatura de trabalho de até 150SC no caso decélulas de combustível de baixa temperatura, respectivamente até 250-C nocaso de células de combustível de temperatura média, levam a considerá-veis esforços térmicos que podem causar rupturas, permeabilidade e simila-res, mais na região da placa de topo, o que geralmente tem como conse-qüência uma falha de todo o dispositivo.Perante esse plano de fundo técnico, a invenção tem como obje-tivo disponibilizar uma placa de topo que possa ser sujeitada mecanicamen-te a cargas elevadas, que possa fixar com segurança cada um dos tubos dofeixe de tubos e que possa ser projetada de modo a manter a vedação.

Surpreendentemente, foi comprovado que essa problemáticatécnica é resolvida por meio de uma placa de topo segundo a reivindicação1, na qual consta que a placa de topo é constituída por um metal ou por umaliga metálica de uma temperatura de fundição mais baixa do que a tempera-tura de falha de um material de tubo e/ou da membrana.

Metais, soldas ou ligas metálicas de baixa fundição geralmentesão extremamente frágeis e apresentação granulação grossa depois do enri-jecimento de sua massa fundida. Geralmente isso é acompanhado de umagrande instabilidade mecânica. Por isso, esses materiais geralmente sãoinadequados para fixar pela extremidade os tubos individuais, especialmenteos de diâmetros menores, de um feixe de tubos e fechá-los de modo vedado.

No entanto, por meio da invenção é possível disponibilizar me-tais e/ou ligas metálicas de baixa temperatura de fundição que consigamalcançar isso. Isso especialmente também no que se refere a diâmetros in-teiramente diferentes de um tubo do feixe de tubos, diâmetros estes que ge-ralmente podem se mover desde menos que 1 mm até a faixa de centíme-tros.

Na seleção do metal ou da liga metálica é considerável a suatemperatura de fundição, que por sua natureza tem que ser menor do que atemperatura de falha de um material de tubo, respectivamente de umamembrana, e por outro lado, porém, tem que ser mais elevada do que atemperatura de operação de um dispositivo pronto. Geralmente isso podeser conseguido quando a temperatura de fundição se situar entre 1009C,especialmente 120°C, e 250°C.

De preferência, pode ser empregado como metal o bismuto,também chamado de wismut, símbolo químico Bi, ou então a liga apresentabismuto.Bismuto é um metal pesado vermelho e amarelo, brilhante emoderadamente duro. Similar à água, o bismuto revela na fundição umacontração de volume e se expande no enrijecimento em torno de 3,32 %.Devido a isso, ao ocorrer um resfriamento, o bismuto e massas fundidascontendo bismuto penetram excepcionalmente também nos mínimos espa-ços intermediários entre os tubos de um feixe de tubos. Além disso, o bismu-to é bastante resistente quimicamente. Nesse sentido, por exemplo, ele nãoé solúvel em ácidos não oxidáveis.

No entanto, o ponto de fundição do bismuto puro situa-se em271,3 -C e, portanto, demasiadamente elevado para muitas aplicações. Porisso, é preferível o emprego de uma liga de bismuto, cujo ponto de fundiçãopossa ser nitidamente reduzido, quando uma liga desse tipo contiver cercade 14 % a 60 % de bismuto, 20 % a 30 % de chumbo ou até 40 % de esta-nho ou também antimônio, cádmio, índio, zinco, telúrio, mercúrio ou tálio.

Especialmente no caso das finalidades de aplicação explicadasdetalhadamente ao início, é preferível, no entanto, que a liga ou o metal sejalivre de chumbo.

Uma liga preferida é uma liga eutética de bismuto-estanho, cujoponto de fundição se situe em 138 °C e que apresente uma densidade de8,58 g/cm3.

De modo vantajoso, os metais de uma liga eutética no estadolíquido são totalmente misturáveis e uma massa fundida enrijece como umasubstância pura no caso de uma temperatura uniforme. Ao ocorrer o enrije-cimento, os componentes se desagregam e se cristalizam um ao lado dooutro sob uma forma cristalina fina, isto é, na estrutura eutética. Também évantajoso o fato de que um eutético apresenta o mais baixo ponto de enrije-cimento ou de fundição possível no sistema de substâncias considerado,designado de temperatura eutética ou de ponto eutético no diagrama de fun-dição correspondente.

Geralmente, um material de tubo é um material sintético, especi-almente um polímero, sendo que se pensa especialmente em que tambémuma membrana é uma membrana de polímero. A temperatura de falha, naqual não é dada mais uma funcionalidade do tubo, respectivamente damembrana, situa-se muitas vezes pouco abaixo de 200 0C, de tal modo queesse tubo de polímero, respectivamente essa membrana de polímero, segu-ramente não seja danificado pela massa fundida de metal, respectivamentepela massa fundida da liga.

Alternativamente, um tubo especialmente poroso pode ser cons-tituído de uma cerâmica e/ou de um metal, especialmente de um sinterizadode metal. Tais tubos são os mais apropriados para receber uma camada dezeólito, que forma uma membrana. Devido à sua estrutura porosa cristalina,essas camadas de membrana são apropriadas para a separação por tama-nho e por forma de misturas de substâncias líquidas e gasosas. Além disso,por meio da seleção da proporção Si/Al no cristal zeolítico é possível ajustara característica de hidrófilo/hidrófobo. Com isso, é possível disponibilizaruma membrana zeolítica hidrófoba para uma separação seletiva de solven-tes orgânicos, tais como etanol em relação à água, com a ajuda da pervapo-ração a cerca de 100 qC.

Especialmente no caso de tubos de diâmetro pequeno, estespodem ser enfeixados caoticamente e tocando-se uns aos outros, como porexemplo, no refino de bioetanol. Mesmo assim, devido às propriedades par-ticulares especialmente do bismuto, ocorre uma fixação vedante e segurados tubos. No entanto, por razões de segurança, o comprimento axial deuma massa fundida deve ser dimensionado mais longo do que o diâmetro deuma curva envolvente do feixe de tubos. Ao longo do comprimento axial o-correrá, portanto, com segurança uma fixação vedada de cada um dos tubos.

Naturalmente, os tubos do feixe de tubos também podem seralinhados alternativamente distanciados em uma rede pré-determinável, talcomo é usual, por exemplo, no caso de células de combustível.

A invenção será explicada detalhadamente com base no dese-nho, no qual são representados tão apenas esquematicamente exemplos deexecução. No desenho mostra-se:

figura 1: em uma vista lateral, uma massa fundida das extremi-dades de tubo de tubos de um feixe de tubos;

figura 2: um recorte ampliado ao longo da linha II, Il na figura 1.

A figura 1 mostra, em uma exposição lateral, um feixe de tubos 1com uma série de tubos 2, por exemplo membranas poliméricas de um diâ-metro externo de cerca de 0,5 mm. Os tubos 2 estão enfeixados caoticamen-te e se tocam. Por isso, o perfil externo do feixe de tubos 1 está indicadoapenas por uma curva envolvente 3 de traço-ponto. Mesmo assim é possívelproduzir uma placa de topo metálica 4, que fixe com segurança e de modovedante - cf. também a figura 2 - os tubos individuais 2 pela extremidadeentre si e, por exemplo, contra uma caixa.

Para isso, um metal ou uma liga metálica do tipo mencionado aoinício é liqüefeito em uma forma do tipo panela apropriada e o feixe de tubos1 é mergulhado, por uma extremidade, na massa fundida. Nesse caso, ostubos 2 podem ser fechados em uma extremidade de um modo em si co-nhecido. No entanto, geralmente isso não é necessário no caso de diâme-tros internos pequenos dos tubos 2, pois o metal liqüefeito, respectivamentea liga liqüefeita, penetra axialmente em um tubo 2 apenas em pequena me-dida.

Para garantir que todos os espaços intermediários pelo compri-mento axial da placa de topo 4 também sejam fechados, geralmente a ex-tensão axial de uma massa fundida 5 é dimensionada maior do que o seudiâmetro, respectivamente daquele da curva envolvente 3.

A finalização da placa de topo 4 ocorre através de um corte, porexemplo ao longo da linha II, II, através do qual, então, as extremidades detubo são descobertas.

A figura 2 mostra uma retificação reproduzida de um corte dessetipo, em exposição ampliada. Espaços intermediários maiores entre os tubosindividuais 2 são fechados com poros finos por um metal ou por uma ligametálica de acordo com a invenção e são fechados de modo homogêneonessa exposição de tamanho. Se os tubos 2 estiverem extremamente próxi-mos, inclusive eventualmente se tocando, permanece um pequeno espaçooco (cf. a seta 6). No entanto, esses espaços ocos são fechados com segu-rança ao longo da extensão axial por meio do comprimento da massa fundi-da 5, respectivamente da placa de topo 4.

Depois de um acabamento correspondente da área de coberturaradial 7 da placa de topo 4, o feixe de tubos 1 é, então, fixado de modo ve-dante e retido por uma extremidade para uma outra aplicação.

Claims (13)

1. Placa de topo que fixa pela extremidade e fecha de modo ve-dante um feixe de tubos com uma série de tubos especialmente porosos queapresentam uma membrana, caracterizada pelo fato de que a placa de topo(4) é constituída por um metal ou por uma liga metálica com temperatura defundição menor do que a mais baixa temperatura de falha de um material detubo e/ou da membrana.

2. Placa de topo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadapelo fato de que a temperatura de fundição se situa entre 100 9C e 250 eC.

3. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindicaçõesanteriores, caracterizada pelo fato de que o metal é bismuto (wismut; Bi) ouque a liga apresenta bismuto.

4. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindicaçõesanteriores, caracterizada pelo fato de que a liga é uma liga de bismuto.

5. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindicaçõesanteriores, caracterizada pelo fato de que o metal ou a liga não contémchumbo.

6. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindicaçõesanteriores, caracterizada pelo fato de que a liga é uma liga eutética de bis-muto-estanho.

7. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindicaçõesanteriores, caracterizada pelo fato de que um tubo (2) do feixe de tubos (1) éconstituído de polímero.

8. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindicaçõesanteriores, caracterizada pelo fato de que uma membrana é uma membranapolimérica.

9. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindicaçõesanteriores de 1 a 6, caracterizada pelo fato de que um tubo é constituído deuma cerâmica e/ou de um metal.

10. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindica-ções anteriores de 1 a 7 e 9, caracterizada pelo fato de que uma membranaé uma membrana de zeólito.

11. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindicações anteriores,caracterizada pelo fato de que os tubos (2) do feixe de tubos (1) estão enfei-xados de modo caótico e se tocando.

12. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindica-ções anteriores de 1 a 10, caracterizada pelo fato de que os tubos do feixede tubos estão alinhados distanciados em uma rede pré-determinável.

13. Placa de topo de acordo com uma ou mais das reivindica-ções anteriores, caracterizada pelo fato de que o comprimento axial de umamassa fundida (5) é dimensionado mais longo do que o diâmetro de umacurva envolvente (3) do feixe de tubos (1).