BRPI0906068B1 - trocador de calor compreendendo tubos com aletas ranhuradas - Google Patents

Abstract

trocador de calor compreendendo tubos com aletas ranhurada um trocador de calor tubular compreende tubos aletados (2). os tubos se estendem em uma determinada direção radial e são dotados de aletas de troca de calor (4). cada aleta tem uma superfície de troca de calor envolvendo um tubo que se estende em uma determinada direção radial em relação ao tubo e a qual é uma estrutura em relevo para formar ranhuras espaçadas umas das outras na referida direção radial. as ranhuras de uma aleta têm diferentes dimensões, tais como largura e profundidade, que diminuem à medida que se distanciam do tubo na referida direção radial, de modo a formar um guia para um fluido em torno do tubo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: "TROCADOR DE CALOR COMPREENDENDO TUBOS COM ALETAS RANHURADAS". A invenção se refere a um trocador de calor tubular compreendendo tubos aletados, em que os tubos se estendem em uma determinada direção axial e são dotados de aletas de troca de calor, cada aleta tendo uma superfície de troca de calor envolvendo um tubo que se estende em uma determinada direção radial em relação ao tubo e a qual tem uma estrutura em relevo para formar ranhuras espaçadas umas das outras na referida direção radial.

Mais especificamente, a invenção se aplica a um trocador de calor tubular empregando ar como fluido de troca secundário, tal como um equipamento do tipo refrigerador de ar, condensador de ar, aquecedor de ar ou evaporador de ar, usado, respectivamente, para refrigeração, condensação, aquecimento e evaporação de um fluido, particularmente em processos de refino, unidades de tratamento e compressão de gás, unidades de liquefação de gás, unidades de síntese de carvão e gás, instalações de produção de eletricidade, unidades de re-gasificação ou qualquer outra instalação de tratamento de fluido.

De um modo geral, tal equipamento compreende um trocador de calor principal dotado de um feixe de tubos com aletas externas nas quais o fluido a ser refrigerado, condensado, aquecido ou evaporado circula, bem como coletores para distribuição e divisão do fluido entre os tubos. Em particular, a refrigeração do fluido ocorre nos tubos aletados externos mediante troca de calor com um segundo fluido que circula em torno dos tubos e aletas externas, particularmente ar ambiente. Para fazer isso, uma circulação ou ventilação forçada de ar ambiente é assegurada pelas aletas posicionadas abaixo (a qual é conhecida como corrente de ar) ou acima (a qual é conhecida como corrente induzida) dos tubos do trocador.

Em geral, o ar ambiente flui através do feixe de tubos aletados em uma velocidade frontal relativamente baixa entre 1,5 e 4 metros por segundo (m/s). Em tais velocidades e para as configurações geométricas consideradas (particularmente seções de passagem de ar, espaço entre duas aletas ou dois tubos consecutivos), o regime de fluxo do ar ambiente é globalmente laminar, com algumas turbulências locais, o qual é caracterizado por trocas de calor relativamente baixas com as aletas externas. As áreas do trocador onde as trocas de calor são maiores são as bordas dianteiras das aletas e os tubos na direção do fluxo de ar. Assim, em virtude da estrutura do fluxo e do trocador, as áreas dos tubos localizadas na parte de trás dos tubos na direção do fluxo de ar são praticamente inexploradas para a troca de calor. As referidas áreas do trocador, conhecidas como zonas de recirculação, são caracterizadas por uma recirculação do ar, as quais geram quedas de pressão e as quais não permitem uma boa refrigeração da aleta. 0 documento US-2008023180 revela uma aleta para um tubo refrigerado a ar que tem, sobre sua superfície, um relevo com cavidades ou ranhuras formadas por meio de deformação mecânica das aletas. Tais recessos ou ranhuras tornam possível aumentar a troca de calor entre o ar e a aleta graças à criação de turbulências, ao mesmo tempo em que aumenta as quedas de pressão. Em particular, ranhuras concêntricas 42 de seção semi-cilíndrica são formadas sobre cada aleta. 0 documento WO 2007/147754 também revela uma aleta para um tubo trocador de calor equipado com defletores de fluxo de ar na forma de superfícies salientes que modificam a estrutura do fluxo de ar de forma a aprimorar as trocas de calor entre o ar e a aleta. As referidas superfícies estão na forma de cortes retangulares ou triangulares na aleta. Contudo, uma vez que trocadores de calor são usualmente externos e uma vez que o ar ambiente não é filtrado, os cortes formados na aleta podem atuar como fontes de incrustação em virtude de poeira, insetos, etc., as quais obstruem os cortes. 0 objetivo da invenção é propor uma estrutura de aleta ranhurada para um tubo trocador de calor que torna possível obter um aumento nas trocas de calor entre o ar e o fluido que circula no tubo, sem deterioração da queda de pressão.

Para essa finalidade, a invenção fornece um trocador de calor tubular compreendendo tubos aletados, em que os tubos se estendem em uma determinada direção axial e são dotados de aletas de troca de calor, cada aleta tendo uma superfície de troca de calor envolvendo um tubo que se estende em uma determinada direção radial em relação ao tubo e a qual tem uma estrutura em relevo para formar ranhuras espaçadas umas das outras na referida direção radial e na qual as ranhuras de uma aleta têm diferentes dimensões que diminuem à medida que se distanciam do tubo na referida direção radial de modo a formar um guia para um fluido em torno do tubo. A principal vantagem de tal conformação enfileirada do relevo das aletas é que isso torna possível orientar melhor o fluxo de ar para a parte de trás dos tubos na direção radial dos tubos (na direção do fluxo que chega sobre os tubos). Usando tubos com aletas externas de acordo com a invenção é possível, desse modo, reduzir consideravelmente uma zona de recirculação do ar para a parte de trás dos tubos na direção do fluxo de ar, normalmente considerável quando tubos aletados sem relevo (perfil plano) são usados.

Assim, a superfície em relevo enfileirada que orienta o ar para a parte de trás dos tubos torna possível reduzir as zonas de recirculação onde a troca de calor é pobre e, assim, tirar melhor vantagem da superfície das aletas.

Dessa forma, com uma aleta de acordo com a invenção, o ganho obtido em termos de desempenho térmico pode ser muito significativo.

De acordo com algumas características do trocador de calor da invenção, as ranhuras de uma aleta podem ter diferentes profundidades e larguras que diminuem à medida que se distanciam do tubo na referida direção radial. Cada aleta pode ter uma espessura que diminui à medida que se distancia do tubo na referida direção radial. As ranhuras de uma aleta podem ser espaçadas umas das outras de acordo com um padrão em formato concêntrico ou mesmo de acordo com um padrão em formato elíptico. As ranhuras de uma aleta podem estar muito próximas umas das outras, sendo espaçadas umas das outras de uma maneira unida em suas bases. As ranhuras podem estar dispostas sobre as duas faces da aleta. Cada aleta pode ser enrolada de uma maneira helicoidal em torno do tubo ou mesmo as aletas podem estar na forma de discos. A presente invenção será mais bem entendida e outras vantagens se tornarão evidentes quando de leitura da descrição detalhada a seguir de várias modalidades fornecidas à guisa de exemplos não limitativos e ilustradas pelos desenhos em anexo, nos quais: A figura 1 mostra esquematicamente uma seção do trocador de calor; A figura 2 é uma vista superior de uma aleta de acordo com a invenção; A figura 3 é uma vista em seção radial parcial ao longo do eixo III-III da figura 2 de um tubo com duas aletas de acordo com a invenção; A figura 4 é uma vista em seção radial parcial ao longo do eixo III-III da figura 2 de um tubo com duas aletas de acordo com a invenção; A figura 5 é uma vista superior de uma aleta de acordo com a invenção em ainda outra modalidade; A figura 6 é uma vista em seção radial ao longo do eixo III-III da figura 2 de um tubo dotado de várias aletas de acordo com a invenção; A figura 7 é uma vista em seção radial de uma série de tubos com aletas de perfil plano mostrando linhas de corrente em um plano entre duas aletas obtida através de simulação digital; Ά figura 8 é uma vista em seção radial de uma série de tubos com aletas de acordo com a invenção mostrando linhas de corrente obtidas através de simulação digital; A figura 9 representa esquematicamente um gráfico que mostra a queda de pressão como uma função da velocidade frontal do ar que chega sobre uma aleta de acordo com a invenção e sobre uma aleta de perfil plano; e A figura 10 representa esquematicamente um gráfico mostrando o calor trocado como uma função da velocidade frontal do ar que chega sobre uma aleta de acordo com a invenção e sobre uma aleta de perfil plano.

Na figura 1, o trocador de calor 1 foi representado compreendendo um feixe de tubos 2 de seção circular com aletas dispostas em várias fileiras sobrepostas substancialmente paralelas se estendendo em uma direção radial A na qual um fluido a ser refrigerado circula entre uma entrada B e uma saída C do fluido e em torno do qual circula uma corrente de fluxo de ar ambiente extraído de baixo para cima na direção indicada pelas setas D, de uma maneira transversal aos tubos 2, pelas aletas 3 posicionadas acima do trocador de calor 1. A circulação do fluido é aqui dividida em três seções de passagens ou passes sucessivos 2a, 2b, 2c esquematicamente representados na figura 1, os quais tornam possível aprimorar a refrigeração do fluido. Assim, um trocador de calor 1, em geral, compreende entre três e oito fileiras de tubos 2 sobrepostos depositados de uma maneira escalonada ou alinhada em relação à direção de circulação do fluido nos tubos 2, conforme indicado pelas setas F.

Os tubos 2 são dotados de aletas anulares radiais externas 4 substancialmente perpendiculares ao tubo 2 e substancialmente paralelas umas às outras, favorecendo a troca de calor entre o ar ambiente e o fluido, bem como orientando o fluxo de ar em direção à parte de trás dos tubos 2 na direção axial, conforme será descrito aqui posteriormente. De modo geral, as aletas externas 4 tornam possível aumentar a superfície de troca de calor externa em um fator de entre 15 e 25 comparado com a superfície de um tubo 2 similar sem aletas. Tal aumento de superfície torna possível aumentar a troca de calor, mas também gera quedas de pressão as quais são, em particular, compensadas pelo uso de aletas eficientes 3.

Para melhor clareza, na figura 1 são mostradas várias aletas 4 espaçadas umas das outras sobre um tubo 2; é óbvio que as aletas 4 estão dispostas, de preferência, ao longo de todo o comprimento de todos os tubos 2 do trocador 1.

Além disso, o formato e dimensão das aletas externas 4 podem variar de um tubo para o próximo no feixe de tubos 2.

As configurações de tubos 2 com aletas externas 4 não são necessariamente uniformes dentro de um feixe de tubos 2, particularmente os diâmetros dos tubos 2 podem variar. A Figura 2 mostra, em torno de um tubo 2, uma aleta 4 de acordo com a invenção com uma superfície radial em relevo 5 estruturada para formar ranhuras 5a, 5b, 5c, espaçadas umas das outras em uma determinada direção radial E por uma porção de aletas anulares substancialmente planas 8. As ranhuras 5a, 5b, 5c da aleta 4 têm diferentes dimensões que diminuem à medida que se distanciam do tubo 2, de modo a formar um guia para o fluxo de ar ambiente em torno do tubo 2 na direção axial A. Mais especificamente, as ranhuras 5a, 5b, 5c de uma aleta 4, respectivamente, têm diferentes respectivas profundidades pi, p2, p3 na direção axial A e diferentes respectivas larguras 11, 12, 13 na direção radial E, a largura e a profundidade das ranhuras diminuindo à medida que se distanciam do tubo 2, a partir da borda interna 4b da aleta 4 fixada ao tubo 2 em direção a uma borda periférica externa livre 4a da aleta 4.

Conforme pode ser mais claramente observado na figura 3, a ranhura mais interna 5a é a maior e mais larga das ranhuras, enquanto que a ranhura mais externa 5c é a menor e mais estreita, enquanto que a ranhura mediana 5b é de uma altura e largura intermediárias.

De preferência, o número de ranhuras 5a, 5b, 5c sobre uma aleta 4 está entre dois e quatro, mas outras ranhuras podem ser adicionadas dependendo da aplicação. Na figura 3, a superfície em relevo 5 é constituída de três ranhuras circulares 5a, 5b, 5c feitas de acordo com um padrão em formato concêntrico e centradas em torno do tubo 2. Aletas adjacentes 4 podem ter ranhuras concêntricas 5a, 5b, 5c que estão, respectivamente, em alinhamento axial (as aletas 4 têm uma mesma superfície em relevo 5 e, assim, uma ranhura 5a, 5b, 5c de uma aleta 4 está em alinhamento axial com a ranhura correspondente das outras aletas 4 sobre o tubo 2).

Na figura 3, as ranhuras adjacentes concêntricas 5a, 5b, 5c de uma aleta 4 são separadas (desunidas) de uma maneira radial umas das outras por porções anulares planas 8 de aleta. As referidas porções anulares 8 podem ter, na direção radial E, uma mesma largura dl, d2 ou diferentes larguras dl, d2 de acordo com um padrão variável, dl, d2 sendo, por exemplo, entre 1 e 5 mm. Por exemplo, as larguras das porções diminuem do tubo 2 em direção à borda periférica externa 4A ou inversamente. Também podem ser fornecidas ranhuras adjacentes as quais são unidas em suas bases e, nesse caso, a largura das porções de separação 8 é muito pequena (menos de 1 mm).

Para simplicidade de fabricação, um tubo 2 tem aletas 4 da mesma configuração sobre todo seu comprimento. Mas em um trocador de calor 1, tubos 2 podem ser dotados de diferentes configurações de aletas 4. Por exemplo, é possível ter um tubo 2 no qual as aletas 4 têm ranhuras adjacentes 5a, 5b, 5c nas quais as larguras dl, d2 da porção de separação 8 aumentam em direção à borda periférica externa 4A e um tubo adjacente 2 no qual as aletas 4 têm ranhuras adjacentes 5a, 5b, 5c nas quais as larguras dl, d2 da porção de separação 8, inversamente, diminuem em direção à borda periférica externa 4A.

Sobre a aleta 4 da figura 3, as ranhuras 5a, 5b, 5c são formadas sobre uma mesma face 4c da aleta 4, em outras palavras, orientadas na mesma direção com relação à aleta 4. A figura 4 mostra outra modalidade da uma aleta 4 de acordo com a invenção em que as ranhuras 5d, 5e, 5f são orientadas sobre qualquer lado da aleta 4, em outras palavras, elas são dispostas alternadamente sobre duas faces opostas 4c, 4d da aleta 4, o que pode conferir uma melhor resistência mecânica comparado com as ranhuras 5a, 5b, 5c. A figura 5 mostra outra modalidade de uma aleta 4 de acordo com a invenção em que as ranhuras concêntricas 5a, 5b, 5c foram substituídas por ranhuras 6a, 6b, 6c feitas de acordo com um padrão em formato elíptico 4. Tais ranhuras elípticas 6a, 6b, 6c tornam possível tirar melhor vantagem do fenômeno de orientação do ar pelas ranhuras, ao mesmo tempo em que limita o aumento associado na queda de pressão. A vantagem dessa solução é um aumento no ganho de desempenho para condições de uso similares, em outras palavras, velocidade constante e mesma queda de pressão.

As aletas externas 4 podem ser produzidas a partir de uma tira 7 feita de alumínio ou, ao invés disso, outro material condutor de calor, enrolada de uma maneira helicoidal na direção axial A em torno de cada tubo 2, conforme esquematicamente representado na figura 6. Deve ser notado que as aletas 4 são aqui muito ligeiramente inclinadas com relação ao tubo 2 e a direção A, conforme indicado pela seta 4e, essa inclinação sendo baixa levando- se em conta o fato de que as aletas 4 estão muito próximas umas das outras, de modo que pode se considerar que as aletas 4 são virtualmente perpendiculares ao tubo 2. Um tubo 2 pode também ser formado com aletas 4 mais inclinadas em relação à direção axial A do tubo 2. Outro meio de formação de uma aleta externa 4 é formação por meio de uma série de discos em rotação. A fixação entre a aleta 4 e o tubo 2 pode ser obtida embutindo a aleta 4, por exemplo, em uma ranhura formada previamente sobre a periferia do tubo 2 (não representada) ou enrolando a aleta 4 na base da qual uma dobra é feita, então, prendendo sobre o tubo 2, por exemplo, por meio de dentes. A aleta 4 pode também ser obtida mediante formação ou deformação de um tubo de alumínio extra que cobre o tubo 2. A aleta 4 pode também ser formada por meio de discos empilhados.

Conforme pode ser observado na figura 3, a aleta 4 tem uma espessura que diminui à medida que se distancia do tubo a partir da borda interna 4b da aleta 4 em direção à sua borda externa 4a. Vantajosamente, a espessura ei da aleta 4 em sua borda externa 4a pode estar entre em torno de 0,15 e 0,4 milímetros (mm) e a espessura e2 da aleta 4 em sua borda interna 4b pode estar entre em torno de 0,4 e 1 mm.

As ranhuras 5a, 5b, 5c têm respectivas profundidades pl, p2, p3 entre em torno de 0,4 e 1,5 mm e respectivas larguras 11, 12, 13 na base da ranhura entre em torno de 1 e 4 mm, as ranhuras 5a, 5b, 5c tendo diferentes alturas e larguras de modo a obter o relevo enfileirado que diminui à medida que se distanciam do tubo 2, de modo que pl>p2>p3 e 11>12>13. A aleta 4 de acordo com a invenção tem um comprimento H entre em torno de 10 e 20 mm e, de preferência, entre em torno de 12 e 18 mm. O espaço P entre duas aletas consecutivas ao longo do tubo 2 tem entre em torno de 2,2 e 3,5 mm e, de preferência, entre em torno de 2,5 e 3,2 mm ou, em geral, menos do que o espaçamento convencional entre duas aletas de perfil plano consecutivas.

Geralmente, um trocador de calor 1 compreende um feixe de tubos 2 sustentado por uma estrutura de aço (não mostrada) e formada de cerca de 50 a 300 tubos 2 com diâmetro entre em torno de 15 milímetros e 55 milímetros, a largura do trocador de calor 1 estando entre 0,3 metros e 5 metros e seu comprimento entre 8 metros e 18 metros.

Os tubos 2 podem ser compostos de aço, por exemplo, aço inoxidável ou aço carbono ou um aço de liga superior, tal como Incoloy, a escolha do material dos tubos 2 sendo dependente do fluido de transporte, o qual pode ser agressivo, e das condições de operação. As aletas externas 4 são, em geral, feitas de alumínio, mas também podem ser feitas de aço inoxidável ou qualquer outro material condutor de calor.

As Figuras 7 e 8 mostram linhas de corrente (obtidas por meio de simulação digital) do ar ambiente em circulação na direção D em torno de vários tubos 2 do trocador de calor 1 em um plano M substancialmente perpendicular aos tubos 2 e localizadas no centro entre duas aletas 4 consecutivas, conforme indicado na figura 1 e na figura 3.

Mais especificamente, a figura 7 mostra o caso de uma aleta de perfil plano e a figura 8 mostra o caso de uma aleta 4 de acordo com a invenção compreendendo ranhuras concêntricas 5a, 5b, 5c. Conforme pode ser observado na figura 7, uma zona de recirculação de fluido Z1 está localizada na parte de trás dos tubos 2 na direção do fluxo de ar D na qual a troca de calor é pobre. Por outro lado, conforme pode ser observado na figura 8, uma diminuição muito considerável pode ser notada na recirculação do fluido em uma zona Z2 localizada na parte de trás dos tubos 2 na direção do fluxo de ar D. Isso é em virtude das ranhuras 5a, 5b, 5c das aletas 4, as quais orientam o fluxo de ar em direção à parte de trás dos tubos 2 na direção axial, tornando possível reduzir as zonas onde a troca de calor é pobre e, assim, tirar melhor vantagem das aletas 4. A figura 9 mostra a queda de pressão como uma função da velocidade frontal do ar sobre os tubos 2 para tubos 2 com aletas de perfil plano (curva 9A) e para tubos 2 com aletas 4 de acordo com a invenção com ranhuras concêntricas 5a, 5b, 5c (curva 9B) . De modo geral, um aumento na queda de pressão é notado, o qual é induzido pela superfície em relevo 5 ou pelas ranhuras 5a, 5b, 5c das aletas 4. Esse aumento na queda de pressão pode ser compensado pelo espaçamento das aletas 4 umas das outras ao longo do tubo 2. Para esses e para os cálculos a seguir, o espaço P entre duas aletas consecutivas é, desse modo, diferente, dependendo se a superfície das aletas está em relevo ou não: 2,54 mm no caso da aleta de perfil plano e 3 mm para a aleta 4 de acordo com a invenção com ranhuras concêntricas 5a, 5b, 5c. Dessa forma, conforme pode ser observado na figura 9, o aumento na queda de pressão induzido pela superfície em relevo 5 permanece muito pequeno. A figura 10 mostra o calor trocado como uma função da velocidade frontal do ar sobre os tubos 2 para tubos 2 com aletas de perfil plano (curva 10A) e para tubos 2 com aletas 4 de acordo com a invenção com ranhuras concêntricas 5a, 5b, 5c (curva 10B) e para espaços P entre as aletas conforme definido acima. O calor trocado do trocador de calor 1, em outras palavras, o ganho obtido, aumenta em torno de 10 a 25% de acordo com a velocidade frontal do ar, o que corresponde a um aumento de desempenho por unidade de comprimento do trocador entre 2 e 10%.

Além disso, o espaçamento das aletas 4 ao longo do tubo 2 torna possível reduzir a quantidade de material usado para formar as aletas, o que compensa o aumento no material obtido pela formação da superfície em relevo 5 sobre a aleta 4 mediante modificação da superfície da aleta e reduz a quantidade de material usado para obter uma economia em torno de 3 a 6% por metro.

REIVINDICAÇÕES

Claims (9)

1. Trocador de calor tubular (1) compreendendo tubos aletados (2) em que os tubos se estendem em uma determinada direção axial (A) e são fornecidos com aletas de troca de calor (4), cada aleta tendo uma superfície de troca de calor envolvendo um tubo que se estende em uma determinada direção radial (E) em relação ao tubo e a qual é uma estrutura em relevo para formar ranhuras (5a, 5b, 5c; 6a, 6b, 6c) espaçadas umas das outras na referida direção radial caracterizado pelo fato de que as ranhuras de uma aleta têm diferentes dimensões que diminuem à medida que se distanciam do tubo na referida direção radial de modo a formar um guia para um fluido em torno do tubo.

2. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ranhuras de uma aleta têm diferentes profundidades e larguras que diminuem à medida que se distanciam do tubo na referida direção radial.

3. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada aleta tem uma espessura que diminui à medida que se distancia do tubo na referida direção radial.

4. Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as ranhuras de uma aleta são espaçadas umas das outras de acordo com um padrão em formato concêntrico.

5. Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as ranhuras de uma aleta são espaçadas umas das outras de acordo com um padrão em formato elíptico.

6. Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que as ranhuras de uma aleta são espaçadas umas das outras de uma maneira unida em suas bases.

7. Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de que cada aleta tem duas faces opostas (4c, 4d) que atuam como superfície de troca de calor, as referidas ranhuras estando dispostas sobre as duas faces da aleta.

8. Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que os tubos são, cada um, fornecidos com uma aleta de troca de calor enrolada de uma maneira helicoidal em torno do tubo.

9. Trocador de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que os tubos são, cada um, fornecidos com aletas na forma de discos.