BRPI0712792A2 - comutador de calor com placas de troca soldadas - Google Patents
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Abstract
COMUTADOR DE CALOR COM PLACAS DE TROCA SOLDADAS. O comutador de calor compreende as placas de metal (6, 7) que foram formadas por prensagem e montadas em pares soldando dois lados opostos para fazer os elementos modulares (2) que são empilhados e que definem dois circuitos independentes para um primeiro e um segundo líquido. As duas placas de metal (6, 7) do elemento modular (2) são ajustadas planamente uma contra a outra sobre uma largura pré-definida (L> e são unidas pela solda (12) ao longo desta largura e destinamùse a assegurar a coesão mecânica da montagem e por uma outra solda (13) executada ao longo das bordas externas das placas e asseguram sua impermeabilidade. As extremidades das placas (6, 7) são soldadas às divisórias opostas da conexão que dão forma a um bloco de troca que é montado nos quatro cantos do corpo do comutador de calor.
Description
COMUTADOR DE CALOR COM PLACAS DE TROCA SOLDADAS
A presente invenção refere-se a um comutador de calor com placas de troca de calor soldadas, para a realização de uma troca de calor entre um primeiro liquido e um segundo liquido.
Já conhecido, notavelmente pela patente européia N° EP 0639258 Bl do mesmo inventor, o comutador de calor com placas de troca de calor soldadas, de estrutura compacta, designada pela denominação comercial "HEATEX" (marca registrada), compreende placas metálicas previamente acopladas, montadas duas a duas por soldagem em dois lados opostos, e formam assim elementos modulares sobrepostos que definem dois circuitos independentes respectivamente para um primeiro liquido e para um segundo liquido. Todas as placas, assim reunidas, formam um bloco de troca de calor de seção horizontal retangular, por conseguinte geralmente em forma de paralelepipedo, que é montado em quatro postes ou pilares dos cantos da estrutura do comutador de calor. As extremidades abertas dos elementos modulares sobrepostos são soldadas posicionadas ao lado uma da outra nas bordas das aberturas nas paredes de ligação verticais opostas ao bloco de troca de calor. O comutador de calor é fechado por quatro portas laterais aparafusadas sobre os pilares da estrutura, e facilmente desmontáveis para a manutenção.
Em especial, a patente européia N0 EP 0639258 Bl oferece uma solução que suprime as tensões de dilatação diferenciais, entre o bloco de troca de calor constituído por todas as placas sobrepostas, por um lado, e a estrutura por outro, isto graças às "calhas dos cantos" que são protegidas das paredes de ligação supracitadas, e que cercam parcialmente os pilares da estrutura, com possibilidade de deslizamento relativo.
Graças a estas disposições, o comutador de calor, de acordo com a patente européia N0 EP 0639258 BI, possui características vantajosas, em termos de comportamento em temperatura, em relação às configurações anteriores, também conhecidas dos comutadores de calor com placas soldadas, como as descritas nos pedidos de patentes européias EP 0165179 A e EP 0186592 A.
Contudo, o comutador de calor com placas soldadas de acordo com a patente européia N0 EP 0639258 Bl ainda impõe certos problemas e, por isso, continua a ser perfectivel, para utilizações sob tensões termomecânicas consideráveis.
Em especial, quando o bloco de troca de calor for configurado em temperatura, por causa do gradiente de temperatura existente no serviço, as placas de troca de calor tendem a dilatar-se sobre no seu comprimento, de acordo com uma direção perpendicular às paredes de ligação situadas nas suas extremidades. A tensão de dilatação correspondente é calculada pela taxa F/S, F sendo a força de dilatação e S a seção da soldadura que suporta este tensão.
Quando a dilatação for considerável, a tensão também é e isto pode resultar em uma ruptura das soldas que vinculam as duas placas associadas a um elemento modular, ruptura que ocorre particularmente no nivel da zona onde as placas de troca de calor e adjacentes ligadas à parede estão lado a lado.
Convém, portanto, reduzir o nivel das tensões neste local, para conduzi-las a um valor inferior ao limiar de ruptura, por uma diminuição da força de dilatação e/ou um aumento da seção de solda.
O objeto da presente invenção é então proporcionar melhoramentos aos comutadores de calor com placas soldadas, como descritas na patente européia NO EP 0639258 BI, em vista de melhorar o seu comportamento sob temperatura, e particularmente de evitar o risco de ruptura sob o efeito das tensões de dilatação.
Assim sendo, o assunto essencial desta invenção é um comutador de calor com placas de troca de calor soldadas, do tipo previamente considerado, o que significa compreendendo previamente placas metálicas acopladas, montadas duas a duas por solda sobre dois lados opostos para formar elementos modulares sobrepostos que definem dois circuitos independentes respectivamente para um primeiro liquido e para um segundo liquido, as extremidades das placas de troca de calor soldadas posicionadas lado a lado nas bordas das aberturas feitas nas paredes de ligação opostas, perpendiculares às placas citadas, para formar um bloco de troca de calor em forma de paralelepipedo, que é montado nos quatro postes ou pilares dos cantos da estrutura de um comutador de calor, este comutador é caracterizado pelo fato de que em seus lados a serem montados, as duas placas metálicas sobrepostas constituindo cada elemento modular estão prensadas em cada lado entre si a uma largura pré- definida, são unidas por uma primeira solda realizada nesta largura assegurando a coesão mecânica da montagem, e também são unidas ao longo das suas bordas externas por uma segunda solda que assegura a impermeabilidade.
Assim, a invenção substitui a montagem habitual "borda com borda" das duas placas sobrepostas com uma configuração especifica, consistindo em efetuar uma "depressão" de uma das placas ou mesmo das duas placas, para que as duas placas estejam justapostas em uma largura pré-definida, preferivelmente pelo menos igual a quinze milímetros, permitindo a realização de uma solda dupla.
A primeira solda, que é uma solda por pontos ou uma solda a laser ou uma solda com eletrodos, assegura o comportamento mecânico da montagem, o que significa sua resistência à pressão. A segunda soldagem, que é avantajadamente uma solda tipo "TIG" ou "plasma", para sua parte simplesmente garante a impermeabilidade. A seção total de soldagem é então aumentada fortemente, tornando a montagem das placas muito mais forte.
De acordo com outro aspecto da presente invenção, cada poste ou pilar dos cantos da estrutura de um comutador de calor com placas de troca soldadas possui uma borda interior oblíqua, a parede de ligação adjacente sendo conectada ao poste ou pilar do canto na região desta borda oblíqua. Assim, quando as placas de troca de calor tendem a dilatar-se, elas podem levar com elas as paredes de ligação que então comportam uma possibilidade de deformação suplementar, dobrando no espaço liberado pelas bordas oblíquas dos postes ou pilares dos cantos. A tensão de dilatação, por conseguinte é absorvida em grande parte pela inflexão, agora possível, da parede de ligação.
De acordo com uma disposição complementar vantajosa, cada parede de ligação comporta, nas suas duas zonas laterais, conformações em fole para a sua conexão ao poste ou pilar do canto, na região da borda oblíqua. As conformações em fole, que podem consistir cada uma de duas dobras simples invertidas que formam, juntas, uma espécie de onda sinuosa, facilitando, se for caso, uma dilatação ao longo de um eixo perpendicular à direção da dilatação longitudinal das placas de troca de calor. Como é facilmente entendido, as bordas obl íquas dos postes ou pilares oferecem um espaço livre explorado aqui não somente para a inflexão das paredes de ligação, mas também para o alojamento e a deformação das conformações em fole.
De qualquer modo, a invenção será compreendida melhor com a ajuda da descrição seguinte, com referência aos desenhos esquemáticos anexados representando, por exemplo, uma materialização deste comutador de calor com placas de troca soldadas.
Figura 1 é uma vista parcial e muito esquemática, em vista explodida, mostrando o princípio geral da montagem de um comutador de calor do tipo referido pela presente invenção;
Figura 2 é uma vista em corte transversal ilustrando o modo atual de montagem das placas de tal comutador, em um dos seus lados;
Figura 3 é uma vista em corte similar ao da figura 2, mas ilustrando o modo de montagem conforme a presente invenção;
Figura 4 é uma vista em corte passando por uma das zonas dos cantos de tal comutador, e ilustrando o modo de conexão atual entre uma parede de ligação e um poste ou pilar do canto;
Figura 5 é uma vista em corte similar ao da figura 4, mas ilustrando o modo de conexão conforme a presente invenção;
Figura 6 é uma vista em corte horizontal de um comutador de calor conforme a presente invenção;
Figura 7 é uma vista em perspectiva mostrando um detalhe da parte inferior de um comutador da figura 6.
Referindo-se à figura 1, um comutador de calor com placas de troca soldadas compreende uma série de elementos modulares 2, geralmente de forma quadrada ou retangular, que são acoplados e montados entre duas paredes de ligação opostas 3, de forma retangular, perpendiculares aos elementos modulares 2.
Estes elementos modulares 2 possuem uma seção muito alongada, e as suas extremidades são soldadas, posicionadas lado a lado, nas bordas das aberturas paralelas 4 arranjadas nas paredes de ligação 3.
Estas paredes de ligação 3 são montadas, ao longo das suas bordas longitudinais (aqui verticais), dos postes ou pilares 5, que são quatro. As extremidades inferiores e superiores dos postes ou pilares 5 são montadas, respectivamente, em um pedestal inferior e um pedestal superior, não representados na figura 1, para constituir uma estrutura completa, geralmente na forma de paralelepipedo.
No interior desta estrutura, que é fechada nas suas faces laterais por portas não representadas, todos os elementos modulares 2 formam um bloco de troca de calor, normalmente na forma de paralelepipedo, que define dois circuitos de liquido independentes, ou seja um primeiro circuito de liquido constituído pelos elementos modulares 2, e um segundo circuito de líquido resultante dos espaços livres situados entre estes elementos modulares 2. Mangueiras de entrada e saída, para os dois circuitos de líquidos assim constituídos, também são fornecidas.
Para uma descrição mais detalhada deste tipo de comutador de calor, é feita uma referência à patente européia supracitada N0 EP 0.639.258 BI.
Com referência às figuras 2 e 3, cada elemento modular 2 resulta da montagem, nos dois lados opostos, de duas placas metálicas 6 e 7 com pelo menos uma delas sendo previamente acoplada.
Mais particularmente, a figura 2 ilustra o modo atual de montagem das duas placas 6 e 7, em um dos lados (o outro lado realizado de maneira simétrica) . As duas placas 6 e 7 são neste caso dobradas em 45°, uma em direção à outra, e uma única soldadura longitudinal 8, de tipo "TIG", junta estas duas placas 6 e 7 ao longo de suas bordas, conduzidas uma contra a outra.
Ainda considerando um lado do elemento modular 2, a montagem soldada da extremidade deste à parede de ligação faz-se, no exemplo ilustrado (para placas com espessura de 1, 5 mm), sobre uma seção de 2 χ 2,8 mm χ 1, 5 mm, ou 8,4 mm2, e esta montagem soldada apresenta uma concentração das tensões na ponta, no nível da solda longitudinal 8.
A figura 3 ilustra a solução aqui proposta pela presente invenção. Uma das placas 6 neste exemplo continua plana na região do lado do elemento modular 2, enquanto na outra placa 7 é feita uma "depressão", que significa dizer que apresenta uma primeira dobra 9, por exemplo à 45°, seguida de uma segunda dobra 10 por exemplo à 45° mas no sentido oposto do precedente, conduzindo à formação de uma banda lateral 11 de largura L, paralela ao plano principal da placa 7 em questão.
Por esta banda lateral 11 de largura L, a placa 7 é prensada contra a região lateral da placa 6. As duas placas 6 e 7 então são reunidas uma à outra, na largura L, por uma primeira solda 12 que pode ser uma solda por pontos ou uma soldadura a laser ou uma soldagem com roda de eletrodos, assegurando a força mecânica da montagem.
As duas placas 6 e 7 também são ligadas a uma outra, ao longo das suas bordas externas, por uma segunda solda 13 que é, em outras palavras, uma solda tipo "TIG", pela qual, neste caso, assegura simplesmente a impermeabilidade.
Avantajadamente, as duas placas 6 e 7 assim são justapostas na região lateral do elemento modular 2, sobre uma largura L igual pelo menos à quinze milímetros.
Supondo que esta largura L seja estritamente igual à 15 mm, e todas as outras coisas continuem iguais, a materialização de acordo com a invenção atinge, na montagem da extremidade do elemento modular 2 à parede de ligação, uma seção de solda igual:
[(2x15) +5,6+4] χ 1,5, ou seja, 59,4 mm2, em vez dos 8,4 mm2 obtidos com o modo atual de montagem. A seção de solda mecanicamente resistente é então multiplicada por mais de sete, em outras palavras, aumentada em mais de 600%.
A figura 4 representa, em corte horizontal, uma das zonas de canto de um comutador de calor, indicando uma porção de um elemento modular 2 montado em uma parede de ligação 3, e um poste ou pilar do canto 5 pertencendo à estrutura do comutador. Mais particularmente, esta figura 4 ilustra o modo atual de conexão entre a parede de ligação 3 e o poste ou pilar do canto 5, este último possuindo uma seção habitual quadrada. Neste caso, a conexão apresenta uma rigidez nos dois pontos Pl e P2, uma rigidez que se opõe à livre dilatação longitudinal das placas de troca, na direção da seta F.
A figura 5 ilustra a solução proposta pela presente invenção. Esta consiste de chanfrar a borda interna do poste ou pilar do canto 5. Mais particularmente, é realizado um corte à 45 das duas faces adjacentes 14 e 15 do poste ou pilar 5, em uma largura de pelo menos dez milímetros, de maneira a formar uma inclinação 16 que libera um espaço livre 17 da seção triangular.
Assim, quando o elemento modular 2 tende a dilatar-se, de acordo com a seta F, ele pode provocar que a parede de ligação adjacente 3 dilate-se também, a qual poderá dobrar penetrando em um espaço livre 17, com o primeiro ponto de rigidez Pl sendo removido. A tensão de dilatação assim é absorvida em grande parte pela inflexão da parede de ligação 3.
Além disso, como também mostrado na figura 5, a parede de ligação 3 é conectada ao poste ou pilar 5 do canto, em cada zona lateral, por uma conformação em fole, resultante de duas dobras invertidas 18 e 19, dando localmente à esta parede 3 (visto em seção horizontal) uma aparência sinuosa. Esta conformação em fole introduz uma zona de flexibilidade suplementar, facilitando se for caso, para o bloco de troca de calor a dilatação ao longo do eixo perpendicular na direção da seta F.
A figura 6, e a figura 7 que representa um detalhe, também ilustram disposições complementares previstas na base e a no topo do comutador de calor, para permitir a dilatação do bloco de troca de calor em dois lados opostos. O suporte inferior da estrutura marcada aqui com 20, cada parede de ligação 3 tem, em sua base, uma parte 21 desprovida de aberturas 4 e dobradas horizontalmente acima do suporte inferior 20, sobre o qual é fixado. Na porção 21 é formada uma dobra longitudinal 22 que permite a absorvência da dilatação neste lugar. Naturalmente, disposições similares estão previstas na parte superior do comutador de calor.
Deve notar-se que o comutador de calor, previamente descrito, pode ser produzido igualmente por placas acopladas fornecidas com uma rede de saliências, ou pratos, ou com placas acopladas que apresentam nervuras ou ranhuras paralelas, ou ainda com placas lisas fornecidas com blocos de montagem instalados, de acordo com todas as configurações conhecidas. Estas placas de troca de calor podem ser constituídas por simples chapas de metal, por exemplo, em aço inoxidável. Em aplicações específicas, elas também podem ser chapas metálicas chamadas de "sanduíche", feitas em um lado com uma camada de apoio de aço inoxidável, suficientemente espessa para assegurar a resistência à pressão, e na outra face por uma camada fina de metal ou liga nobre, particularmente à base de níquel, de tântalo ou de zircônio. Notar-se-á que as disposições da presente invenção particularmente são adaptadas para a montagem de tais chapas "sanduíche" entre elas. Especificamente, com a técnica usual, durante a soldagem borda a borda de tais chapas metálicas, existe um risco evidente de aumentar a ferrita no núcleo metálico derretido, por efeito de migração. O risco de corrosão é então considerável, a solda produzida não tem as características do metal nobre. Por outro lado, neste caso, aplicando a técnica da presente invenção, como ilustrada na figura 3, com a utilização de chapas 6 e 7 do tipo "sanduíche" a camada de metal nobre ultrapassa a camada de apoio de aço inoxidável, e é possível produzir em uma parte a solda por pontos 12 que asseguram o a coesão da montagem, e em outra parte a solda impermeabilizante 13 do tipo "TIG" apenas pela sobreposição das duas camadas de metal ou liga nobre que ultrapassa as respectivas camadas de apoio em aço inoxidável.
Comutadores de calor com placas de troca soldadas, produzidos de acordo com a invenção, podem encontrar aplicações industriais em vários campos: indústria química e farmacêutica, indústria do agronegócio, instalações térmicas, etc.
Como é evidente, e como surge do que precede, a invenção não se limita unicamente à materialização de um comutador de calor que foi descrito acima, como um exemplo; pelo contrário este engloba todas as variantes de materialização e aplicação respeitando os mesmos princípios. Desta forma, em particular, um usuário poderia não se afastar do contexto da invenção:
produzindo as placas de troca em todas as formas e dimensões, em especial com formas geralmente quadradas ou retangulares, e feitas de todos os materiais soldáveis;
- realizando as soldas destas placas usando todos os métodos adequados, quando eles fo rem soldados pela primeira vez ou segunda, por exemplo, realizando a segunda soldagem por um método "plasma";
- alterando a conexão das paredes de ligação com os pilares ou postes da estrutura, as paredes de ligação não necessariamente soldadas sobre a estrutura, mas podendo também ser soldadas sobre peças intermédias, elas mesmas aplicadas ao redor de um poste, que notavelmente passam pela borda oblíqua e pelas faces adjacentes à inclinação e que podem ultrapassar as faces próximas;
utilizando o comutador de calor não em uma posição vertical, mas em posição horizontal, de acordo com a aplicação contemplada, os termos "pilar" e "poste" neste caso com o significado meramente estrutural, mas não implicando em uma orientação vertical.
Claims (9)
1. Comutador de calor com placas de troca soldadas, compreendendo placas metálicas acopladas previamente (6, 7), montadas em dois pela solda dos dois lados opostos para formar elementos modulares (2) definindo dois circuitos independentes respectivamente para um primeiro liquido e para um segundo liquido, as extremidades das placas de troca (6, - 7) são soldadas posicionadas lado a lado uma à outra na borda das aberturas (4) arranjadas em paredes de ligação (3) opostas, perpendiculares às placas citadas, para formar um bloco de troca de calor geralmente na forma de um paralelepipedo, que é montado em quatro postes ou pilares nos cantos (5) pertencendo à estrutura de um comutador de calor, caracterizado pelo fato de que as placas metálicas acopladas (6, 7) formam cada elemento modular (2) que são prensados um contra o outro em uma largura pré-definida (L), são unidos um ao outro por uma primeira solda (12) realizada nesta largura (L) e proporcionando a coesão mecânica da montagem, e também são ligados um ao outro, pelas bordas externas, por uma segunda solda (13) que assegura a impermeabilidade.
2. Comutador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as duas placas (6, 7) são justapostas em uma largura pré-definida (L) pelo menos igual à quinze milímetros.
3. Comutador, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a primeira solda (12) é uma solda por pontos ou uma solda à laser ou uma soldagem com roda de eletrodos.
4. Comutador, de acordo com qualquer umas das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a segunda solda (13) é do tipo "TIG" ou "de plasma".
5. Comutador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que cada poste ou pilar do canto (5) da sua estrutura possui uma borda interna oblíqua (16) em relação a parede de ligação (3) adjacente que é conectada ao poste ou pilar do canto (5) na região desta borda oblíqua (16).
6. Comutador, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a inclinação (16) de cada poste ou pilar do canto (5) é produzida por um corte à 45° das duas faces adjacentes (14,15), sobre uma largura de pelo menos dez milímetros.
7. Comutador, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que cada parede de ligação (3) comporta, nas suas duas zonas laterais, conformações em fole (18, 19) para a sua conexão ao poste ou pilar do canto (5), na região da borda oblíqua (16).
8. Comutador, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que as conformações em fole das paredes de ligação (3) que consistem cada uma em duas dobras invertidas (18, 19) formam juntas uma espécie de onda sinuosa.
9. Comutador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que as placas de troca (6, 7) constituídas por chapas "sanduíche", postas sobre uma face por uma camada de apoio de aço inoxidável e sobre a outra face por uma camada de metal ou liga nobre, de fraca espessura, a solda de impermeabilidade (13) sendo feita apenas pela sobreposição das duas camadas de metal ou liga nobre que ultrapassam as respectivas camadas de apoio em aço inoxidável.
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