PT1672304E - Permutador de calor - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "PERMUTADOR DE CALOR" A invenção refere-se a um permutador de calor destinado a obter uma transferência de calor entre dois fluidos distintos.

Permutadores de calor são em muitos casos utilizados na técnica para realizar uma transferência de calor entre dois fluidos. Deste modo os fluidos a tratar por meio dos permutadores de calor ou são aquecidos ou então são refrigerados.

Um dos campos de aplicação dos permutadores de calor é o arrefecimento de gases quentes. Assim, por exemplo, na área das máquinas de combustão interna são expelidos das câmaras de combustão gases de escape a temperaturas de 1000 °C ou superiores. Em alguns casos é desejável arrefecer estes gases quentes a temperaturas de 50 °C e menos. Para esse efeito utilizam-se tipicamente permutadores de calor. Em determinadas situações, nas quais o espaço é apertado ou nas quais por outros motivos se torna necessário realizar a permuta de calor ao longo de um trajecto tão curto quanto possível, é desejável dispor de permutadores de calor de reduzidas dimensões ou com um pequeno comprimento de construção.

No estado actual da técnica não são conhecidos permutadores de calor que se prestam em especial para criar um elevado gradiente de temperatura ao longo de uma distância tão curta 1 quanto possível (por exemplo para arrefecer gases quentes a partir de uma temperatura de entrada de 1000 °C e superior até uma temperatura de saída situada abaixo de 80 °C, de um modo preferido no entanto abaixo de 50 °C, e isto ao longo de um comprimento de construção de cerca de 30 cm).

Por esse motivo o objectivo da invenção é o de revelar um permutador de calor que, sendo de construção compacta, permite obter uma elevada eficiência de permuta de calor.

Este objectivo atinge-se pela adopção de um permutador de calor com as características enunciadas na reivindicação 1. Outras formas de configuração vantajosas em termos de construção do permutador de calor encontram-se indicadas nas reivindicações 2 a 6. Na reivindicação 7 encontra-se referida uma utilização preferencial do permutador de calor de acordo com a invenção, que não representa no entanto uma potencial utilização exclusiva. O permutador de calor de acordo com a invenção distingue-se pela existência de um tubo interior localizado dentro de um tubo de invólucro, tubo interior esse que está tapado de um dos lados. A extremidade tapada do tubo interior está situada do lado da entrada do tubo de invólucro, para dentro da qual flúem por exemplo gases quentes a arrefecer ou outros fluidos quentes. Um agente refrigerante é primeiro conduzido para dentro do tubo interior, arrefecendo tanto o lado frontal tapado como também o fluido a refrigerar que passa pelo lado de fora da parede do tubo. A partir do tubo interior o agente refrigerante entra numa conduta em espiral enrolada em torno do tubo interior, produzindo também aí um ulterior efeito de arrefecimento, antes de abandonar o permutador de calor. 2

Deste modo é antes de mais criada uma superfície de contacto nitidamente aumentada em relação à dos permutadores de calor convencionais, superfície na qual se verifica separadamente através das paredes do tubo interior e da conduta em espiral um contacto entre o agente refrigerante e o fluido a arrefecer. Além disso, em termos de construção, esta configuração faz com que no fluido a arrefecer, ao esbarrar primeiro contra a extremidade tapada de um dos lados do tubo interior e seguidamente fluir lateralmente ao longo do tubo interior através da conduta em espiral que se estende em torno desse tubo interior, produza turbilhões no fluido a arrefecer, movendo-se este fluido também em parte por turbilhões no sentido contrário ao da corrente principal propriamente dita. Em virtude disso obtém-se um tempo de permanência especialmente longo ou um caminho de migração longo do fluido a arrefecer no interior do permutador de calor, de modo que a curta extensão de construção do permutador de calor permite um contacto íntimo entre o fluido a arrefecer e os elementos percorridos pelo fluido, que são o tubo interior e a conduta em espiral. Este facto faz finalmente com que se consiga obter um considerável efeito de refrigeração ao longo de uma extensão longitudinal restrita do permutador de calor. 0 permutador de calor de acordo com a invenção presta-se no entanto evidentemente também para inversamente aquecer um fluido frio, que flúi para dentro do tubo de invólucro, por acção de um fluido de aquecimento que flúi para dentro da entrada de "agente refrigerante". Nesta medida os termos "entrada de agente refrigerante", "saída de agente refrigerante" e "escoamento de agente refrigerante" não devem ser entendidos como estando limitados a um agente refrigerante, podendo do mesmo modo ser 3 empregues para um fluido que é usado para aquecer um fluido que percorre o tubo de invólucro, tratando-se portanto de um "agente esquentador". 0 tubo de saída previsto no interior do tubo interior tem a vantagem de o agente refrigerante que flúi para dentro do tubo interior ter de se espalhar por todo o tubo interior antes de poder passar através do tubo de saída para a conduta em espiral. Deste modo consegue-se incrementar o efeito de refrigeração obtido junto da parede do tubo interior, o que permite obter uma capacidade de refrigeração ou uma capacidade de transferência de calor globalmente melhorada do permutador de calor. Raciocínios semelhantes são evidentemente também válidos quando o permutador de calor for operado para aquecer um fluido. A configuração do lado tapado do tubo interior sob a forma de uma placa de esbarro permite obter um primeiro turbilhão do fluido que entra, que ocorre logo junto desta geometria, turbilhão esse que globalmente contribui para um longo tempo de permanência do fluido que entra no permutador de calor e para o elevado rendimento de permuta de calor assim obtido pelo permutador de calor.

Para uma elevada eficiência de permuta de calor contribui igualmente o aperfeiçoamento previsto na reivindicação 3, que consiste em a conduta em espiral ser conduzida em torno do tubo interior e pelo menos ao longo de todo o seu comprimento. Para tal as espiras da conduta em espiral estão de um modo preferido enroladas com afastamentos reduzidos entre si, mas sem se tocarem. Entre cada duas das espiras da conduta em espiral deve permanecer um afastamento para que também nesses pontos se possa verificar um contacto entre o fluido a refrigerar ou a aquecer e 4 a superfície da conduta em espiral que é percorrida pelo agente refrigerante ou pelo agente esquentador.

Uma configuração do género indicado na reivindicação 4, de acordo com a qual a conduta em espiral está instalada com um certo afastamento radial em relação à parede do tubo interior e também em relação à parede do tubo de invólucro, fomenta a turbulência dentro do fluido que passa através do tubo de invólucro, bem como a maior eficiência de permuta térmica associada a esse efeito. Neste particular constatou-se que um afastamento radial da conduta em espiral em relação à parede do tubo interior, que é aproximadamente igual ao afastamento radial da conduta em espiral em relação à parede do tubo de invólucro, permite obter resultados especialmente vantajosos (reivindicação 5).

De acordo com a reivindicação 6 será finalmente vantajoso que pelo menos a conduta em espiral do permutador de calor seja feita de um material com boas propriedades de condução térmica. Para esse efeito utiliza-se de um modo preferido o cobre, podendo no entanto imaginar-se também outros materiais com boas propriedades de condução térmica, como por exemplo a prata.

De um modo preferido o permutador de calor de acordo com a invenção é utilizado para arrefecer os gases de escape de máquinas de combustão interna, nomeadamente os gases de escape provenientes da combustão. Especialmente nos motores de viaturas automóveis ou no sistema de gases de escape de motores de viaturas automóveis um permutador de calor do género indicado deverá por um lado proporcionar uma elevada capacidade de refrigeração para poder arrefecer os gases de escape quentes que saem da câmara de combustão a uma temperatura de cerca de 5 1000 °C e mais até uma temperatura de 80 °C ou menos, de um modo preferido até uma temperatura inferior a 50 °C. O permutador de calor deverá no entanto ser também de construção compacta, uma vez que o espaço no sistema de gases de escape da viatura automóvel é limitado. É a estas condições que o permutador de calor de acordo com a invenção se adapta especialmente bem.

Outras vantagens e caracteristicas do permutador de calor de acordo com a invenção resultam da descrição que a seguir se efectua mediante a figura anexada. Nesta mostra-se:

Fig. 1 de uma forma esquemática, um corte de um permutador de calor de acordo com a invenção.

Na figura encontra-se representado esquematicamente, em corte, um permutador 12 de calor de acordo com a invenção. O permutador 12 de calor de acordo com a invenção possui um tubo 8 de invólucro que desemboca por intermédio de estrangulamentos radiais numa entrada 1 representada no desenho do lado de cima e numa saida 2 representada no desenho do lado de baixo. Este exemplo de realização do permutador 12 de calor está de um modo preferido concebido para o arrefecimento de gases quentes. O permutador de calor de acordo com a invenção pode no entanto ser utilizado num grande número de variantes possíveis, assim, por exemplo, também para arrefecer líquidos, para aquecer gases ou líquidos ou para efectuar quaisquer outras transferências de calor.

Dentro do tubo 8 de invólucro encontra-se disposto um tubo interior 3, concêntrico em relação ao anterior, que está tapado do seu lado frontal voltado para a entrada 1, que no desenho se encontra representado do lado de cima. O lado frontal tapado do 6 tubo interior 3 forma uma placa 11 de esbarro para o fluido admitido no permutador 12 de calor através da entrada 1, tratando-se nomeadamente de um gás. Do lado do tubo interior 3 que está voltado para a saida 2 esse tubo comporta uma entrada 5 de agente refrigerante que atravessa o tubo 8 de invólucro e que está ligada a uma admissão 9 de agente refrigerante. Dentro do tubo interior 3 encontra-se disposto um tubo 6 de saida que é levado até pouco antes da placa 11 de esbarro, estando ai dotado uma abertura. Esta abertura está posicionada de maneira a ficar centrada aproximadamente sobre o eixo central do tubo interior 3. 0 tubo de saida 6 sai do tubo interior 3 e faz a transição para uma conduta 7 em espiral que é conduzida por meio de espiras bastante juntas, mas mantendo um certo afastamento entre essas espiras, ao longo de todo o comprimento do tubo interior 3, bem como em torno do mesmo. No fim da conduta em espiral esta faz a transição para uma saida 10 de agente refrigerante, que atravessa o tubo 8 de invólucro.

Numa aplicação preferida, que é a do arrefecimento de gases de escape quentes provenientes de máquinas de combustão interna, os gases de escape quentes entram através da entrada 1 no tubo 8 de invólucro. Ai incidem sobre a placa 11 de esbarro, o que faz com que a corrente de gases seja dividida e se criem primeiros turbilhões. Esta situação encontra-se esboçada esquematicamente na figura mediante correspondentes setas. Nessa placa 11 de esbarro verifica-se desde logo um primeiro contacto indirecto com o agente refrigerante que percorre o tubo interior 3, de modo que se consegue obter logo à partida um efeito inicial de refrigeração. O fluido quente admitido, que será de um modo preferido um gás, depois de ter sido deflectido pela placa 11 de esbarro, entra no espaço anular formado entre o tubo 8 de invólucro e o tubo interior 3. Neste espaço anular está situada 7 uma conduta em espiral que no presente exemplo de realização está posicionada, visto na direcção radial, aproximadamente a meio entre a parede do tubo interior 3 e a parede do tubo exterior 8. Por acção das perdas em carga que por um lado se verificam na conduta 7 em espiral, bem como também por acção da convecção que ocorre entre a parede relativamente fria do tubo interior 3, devido ao agente refrigerante que acaba de afluir, e as paredes mais quentes da conduta 7 em espiral percorrida por agente refrigerante já aquecido, o fluido que entra para o tubo 8 de invólucro, tratando-se de um modo preferido de gás, é obrigado a formar turbilhões. Esta situação encontra-se esboçada mediante correspondentes setas do lado superior direito da figura, junto das duas espiras mais altas da conduta 7 em espiral. Em virtude destes turbilhões o fluido que entra, tratando-se de um modo preferido de gás, percorre no interior do tubo 8 de invólucro um trajecto nitidamente mais longo e tem um contacto mais intensivo com as superfícies dos elementos percorridos pelo agente refrigerante, que são o tubo interior 3 e a conduta 7 em espiral.

Depois de percorrer todo o comprimento do tubo 8 de invólucro ou da conduta 7 em espiral, trajecto durante o qual foi sujeito a fortes turbilhões, o fluido arrefecido, tratando-se de um modo preferido de gás, sai através da saída 2. 0 fluxo do agente refrigerante, desde a entrada 9 de agente refrigerante, passando pelo tubo interior 3 e pela conduta 7 em espiral, até à saída 10 de agente refrigerante, encontra-se igualmente indicado por meio de setas.

No exemplo de realização de um permutador de calor de acordo com a invenção que se mostra o tubo interior 3 tem um diâmetro d de 60 mm, sendo o diâmetro da conduta dg em espiral, medido entre o exterior de uma parede e o exterior da outra parede, de 110 mm, sendo o diâmetro D do tubo de invólucro de 150 mm, o comprimento L do tubo de invólucro de 200 a 300 mm, o diâmetro da entrada 1 e da saida 2 (não referenciados na figura) de cerca de 50 a 60 mm. Para servir de conduta 7 em espiral utiliza-se uma conduta de cobre com uma secção transversal circular e um diâmetro de 15 mm.

Este permutador de calor é utilizado para arrefecer os gases de escape que saem de um motor de combustão interna a temperaturas de cerca de 1.000 °C ou superiores até temperaturas de cerca de 50 °C. Para esse efeito introduz-se n-butano à temperatura ambiente (cerca de 25 °C) na entrada de agente refrigerante, saindo o n-butano seguidamente pela saida de agente refrigerante a uma temperatura de cerca de 120 °C. Para bombear o agente refrigerante n-butano utilizou-se uma bomba de 30 bar. Em alternativa pode utilizar-se em vez do n-butano, para servir de agente refrigerante, água ou um outro liquido ou ainda uma mistura liquida.

Devido às suas dimensões o permutador de calor de acordo com a invenção pode ser integrado no sistema de escape de uma viatura automóvel, por exemplo para servir de substituto de um catalizador ou de um silenciador de escape. O efeito positivo do arrefecimento drástico dos gases de escape fez com que os poluentes contidos nos gases de escape, que de outra forma se tornaria necessário extrair da corrente de gases de escape mediante complexas técnicas de catalizador, sejam precipitados no permutador de calor. Isto explica-se pelo facto de em consequência do rápido arrefecimento dos gases de 9 escape desde as temperaturas às quais esses gases saem do motor de combustão interno até ao ponto de orvalho da água, se verificar a formação de água. Esta água extrai quase por completo, por lavagem, os demais componentes nocivos contidos na corrente de gases de escape. A água originada pelo arrefecimento dos gases de escape até ser atingido o ponto de orvalho da água faz com que seja criado um efeito suplementar de refrigeração, dado que também a água pode escoar uma parcela de calor.

Além disso, dado que todos os gases se expandem de 1/126 do seu volume por cada grau centígrado de aquecimento e se contraem quando a temperatura diminuir, o gás de escape irá ocupar um volume menor após o arrefecimento, dado que a diferença de temperaturas será de várias centenas de graus centígrados. Em consequência disso a utilização do permutador de calor de acordo com a invenção para refrigerar os gases de escape originados num motor de combustão interna de uma viatura automóvel consegue anula quase por completo a emissão de ruídos, pelo que se pode prescindir dos vulgares silenciadores de escape, à excepção de um silenciador de gases de escape final. A utilização do permutador de calor de acordo com a invenção que foi descrito no presente exemplo de realização não se limita ao exemplo de realização apresentado, podendo também ser utilizado para o arrefecimento ou o aquecimento de diversos fluidos. Assim, por exemplo, será pensável utilizar um permutador equivalente, com maiores dimensões mas com proporções semelhantes, para o arrefecimento dos gases de escape de centrais termoeléctricas ou de instalações industriais, conseguindo-se também neste caso obter um efeito de depuração dos gases, que é provocado pelo arrefecimento brusco dos mesmos. 10

Mas mesmo sem proporcionar um efeito de depuração o permutador de calor pode ser utilizado unicamente para obter uma transferência de calor.

Neste sentido remete-se, no que se refere à envergadura e ao volume da invenção, para as reivindicações que se seguem, que só elas limitam o campo de aplicação da invenção.

Lista de indices de referência: 1 entrada 2 saída 3 tubo interior 4 extremidade inferior do tubo 5 entrada de agente refrigerante 6 tubo de saída 7 conduta em espiral 8 tubo de invólucro 9 admissão de agente refrigerante 10 descarga de agente refrigerante 11 placa de esbarro 12 permutador de calor D diâmetro d diâmetro ds diâmetro L comprimento

Lisboa, 14 de Setembro de 2007 11

Claims (7)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Permutador de calor destinado à transferência de calor entre dois fluidos, com um tubo (8) de invólucro que está provido de uma entrada (1) e de uma saída (2) para um agente refrigerante, com um tubo interior (3) instalado dentro do tubo (8) de invólucro, tubo aquele que do lado voltado para a entrada (1) está tapado e que do lado voltado para a saída (2) está ligado a uma entrada (5) de agente refrigerante e comporta uma saída de agente refrigerante que conduz ao lado do tubo interior (3) que está voltado para a saída (2) e faz a transição para uma conduta (7) em espiral que a partir daquela saída se estende em torno do tubo interior (3) na direcção da entrada (1) , conduta em espiral que finalmente desemboca numa descarga (10) de agente refrigerante, caracterizado por a saída (7) de agente refrigerante do tubo interior (3) estar ligada a um tubo (6) de saida que dentro do tubo interior (3) é levado até ao lado do tubo interior que está voltado para a entrada (1).
2. 2. Permutador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o lado tapado do tubo interior formar uma placa (11) de esbarro para o fluido a refrigerar que através da entrada (1) flúi para dentro do tubo (8) de invólucro.
3. 3. Permutador de calor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a conduta (7) em espiral ser conduzida em torno do tubo interior (3) pelo menos ao longo de todo o comprimento do mesmo. 1
4. 4. Permutador de calor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por a conduta (7) em espiral estar disposta com um certo afastamento radial em relação à parede do tubo interior (3) e também em relação à parede do tubo (8) de invólucro.
5. 5. Permutador de calor de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o afastamento radial da conduta (7) em espiral em relação à parede do tubo interior (3) ser aproximadamente igual ao afastamento radial da conduta (7) em espiral em relação à parede do tubo (8) de invólucro.
6. 6. Permutador de calor de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por pelo menos a conduta (7) em espiral ser feita de um material com boas propriedades de condução térmica, sendo de um modo preferido feita de cobre.
7. 7. Utilização de um permutador de calor de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6 para o arrefecimento dos gases de escape de combustão provenientes de máquinas de combustão interna, tratando-se nomeadamente dos gases de escape de combustão de motores de viaturas automóveis. Lisboa, 14 de Setembro de 2007 2