PT1709382E - Support for a tube bundle - Google Patents
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Abstract
Description
PE1709382 1 DESCRIÇÃO "SUPORTE PARA UM FEIXE DE TUBOS"DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Description " HOLDER FOR A PIPE BEAM "
Campo do invento O presente invento diz respeito a um suporte para um feixe de tubos, em particular a um suporte tal como é definido na reivindicação 1 compreendendo uma pluralidade de placas de suporte transversais conhecidas como chicanas segmentares, as quais estão espaçadas entre si ao longo da direcção dos tubos a serem suportados. Um tal suporte é conhecido, por exemplo, do documento JP-05296680.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a carrier for a bundle of tubes, in particular to a carrier as defined in claim 1 comprising a plurality of transverse support plates known as segmental baffles, which are spaced apart along direction of the tubes to be supported. Such a carrier is known, for example, from JP-05296680.
Antecedentes do invento A maior área de aplicação do feixe de tubos está nos permutadores de calor (do inglês - “shell and tube"). Um permutador de calor compreende um vaso cilíndrico dotado internamente com um feixe de tubos que se estende na direcção longitudinal do vaso. O feixe de tubos pode, em particular, ser um feixe de tubos paralelos, e é também referido como um feixe de tubos.BACKGROUND OF THE INVENTION The largest area of application of the tube bundle is in shell-and-tube heat exchangers. A heat exchanger comprises a cylindrical vessel internally provided with a bundle of tubes which extends in the longitudinal direction of the vessel. The bundle of tubes may in particular be a bundle of parallel tubes, and is also referred to as a bundle of tubes.
Tal como é bem conhecido, o permutador de calor é um permutador de calor indirecto no qual o calor é transferido entre um fluido que passa através dos tubos do 2 PE1709382 feixe de tubos (lados dos tubos) e um fluido que passa através do espaço exterior aos tubos (lado do invólucro). Podem ser encontrados detalhes dos permutadores de calor, por exemplo, no Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6a edição, 1984, Mc Graw-Hill Inc. Páginas 11-13 a 11-21. O feixe de tubos é a parte mais importante do permutador de calor. As extremidades dos tubos estão fixadas a uma chapa de tubos. O permutador de calor pode incluir duas placas de tubos, uma em cada extremidade do vaso cilíndrico, ou uma só placa de tubos numa extremidade do vaso cilíndrico no caso de o permutador de calor ser um permutador de calor com tubos em U.As is well known, the heat exchanger is an indirect heat exchanger in which heat is transferred between a fluid passing through the tubes of the tube bundle (sides of the tubes) and a fluid passing through the outer space to the tubes (housing side). Details of heat exchangers can be found, for example, in Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6th edition, 1984, McGraw-Hill Inc. Pages 11-13 to 11-21. The tube bundle is the most important part of the heat exchanger. The ends of the tubes are attached to a tube plate. The heat exchanger may include two tube plates, one at each end of the cylindrical vessel, or a single tube plate at one end of the cylindrical vessel in case the heat exchanger is a U-tube heat exchanger.
Será entendido que as partes intermédias dos tubos têm que ser adequadamente suportadas, por exemplo para impedir a deterioração dos tubos devido à vibração causada pelo escoamento do fluido. Para suportar as partes intermédias dos tubos, um suporte de tubos compreende normalmente placas de suporte transversais separadas axialmente entre si. Uma placa de suporte é por vezes também referida como um prato de suporte ou uma chicana de suporte. O presente invento diz respeito a permutadores de calor compreendendo as chamadas chicanas segmentares como placas de suporte. Diversas espécies de chicanas segmentares são discutidas no Perry's. As chicanas segmentares convencionais são feitas de uma placa de metal circular a partir da qual é cortado um segmento de círculo 3 PE1709382 ("janela"), e através da parte restante da placa é furada a punção ou cortada uma pluralidade de aberturas através das quais os tubos podem passar. Por vezes, são cortados dois segmentos de círculo em lados opostos, por exemplo para usar nos chamados arranjo de chicanas segmentares duplas, ou em arranjos (do inglês - "no-tube-in-windom").It will be understood that the intermediate parts of the pipes have to be suitably supported, for example to prevent deterioration of the pipes due to the vibration caused by the flow of the fluid. To support the intermediate portions of the tubes, a tube holder usually comprises transverse support plates axially spaced apart from each other. A backing plate is sometimes also referred to as a backing plate or a support baffle. The present invention relates to heat exchangers comprising the so-called segmental baffles as carrier plates. Several species of segmental baits are discussed at Perry's. Conventional segmental baffles are made of a circular metal plate from which a circle segment 3 is cut (" window "), and through the remainder of the plate puncturing or severing a plurality of apertures through the which tubes can pass. Sometimes two segments of circle are cut on opposite sides, for example to be used in the so-called arrangement of double segmental baffles, or in arrangements (" no-tube-in-windom ").
As chicanas segmentares não só suportam os tubos, como também influenciam o escoamento do fluido através do lado do invólucro. Por isso, a concepção de uma chicana é também determinada por considerações de transferência de calor. Os suportes de tubos de chicanas segmentares são usados quando é desejada uma certa quantidade de fluxo cruzado de fluido no invólucro que envolve o feixe de tubos por razões de optimização da transferência de calor. A concepção de uma chicana segmentar pode ser adaptada, dentro de certos limites, aos requisitos específicos de uma aplicação prática particular. Por exemplo, pode ser escolhido o chamado corte de chicana, que é a percentagem do diâmetro de círculo que foi cortado para formar a chicana segmentar. Um corte de chicana maior numa simples chicana segmentar fornece uma queda de pressão relativamente baixa, embora uma parte relativamente grande dos tubos que correm através da janela se mantenha não suportada. Normalmente, tenta-se suportar um tubo por pelo menos uma segunda chicana segmentar, de maneira que o corte de chicana máximo que é normalmente adoptado é 45%. 4 PE1709382Segmental baffles not only support the tubes, but also influence the flow of fluid through the casing side. Therefore, the design of a baffle is also determined by heat transfer considerations. Segmental baffle tube supports are used when a certain amount of cross-flow of fluid is desired in the casing surrounding the bundle of tubes for reasons of heat transfer optimization. The design of a segmental baffle can be adapted, within certain limits, to the specific requirements of a particular practical application. For example, the so-called chicane cut, which is the percentage of the circle diameter that has been cut to form the segmental chicane, can be chosen. A larger baffle cut on a single segment baffle provides a relatively low pressure drop, although a relatively large portion of the tubes running through the window remains unsupported. Typically, it is attempted to support a tube by at least a second segmental baffle, so that the maximum baffle cut that is normally adopted is 45%. 4 PE1709382
Quando os tubos correm através das janelas, o comprimento não suportado máximo de um tubo ("comprimento de tubo não suportado") é de pelo menos duas vezes o espaçamento entre chicanas segmentares. Por isso, é inerente aos suportes de tubo de chicanas segmentares que o número de placas de suporte seja pelo menos duas vezes o que seria requerido apenas sob o ponto de vista de suporte mecânico. As chicanas segmentares contribuem substancialmente para o custo do permutador de calor, de modo que se tenta maximizar o espaço entre chicanas. Quando o comprimento de tubo não suportado fica demasiado grande, isto pode conduzir a problemas de vibração.When tubes run through the windows, the maximum unsupported length of a tube (" unsupported tube length ") is at least twice the spacing between segmental baffles. Therefore, it is inherent in the segmental baffle tube supports that the number of support plates is at least twice what would be required only from the point of view of mechanical support. The segmental baffles contribute substantially to the cost of the heat exchanger, so that attempts are made to maximize the space between baffles. When the length of unsupported pipe becomes too large, this can lead to vibration problems.
Noutras concepções de permutadores de calor nao correm tubos através das janelas. Por exemplo, em permutadores de calor verticais muito altos (tais como os que sao referidos como "torres do Texas", usados, por exemplo, como permutadores de calor alimentação/efluente em processos industriais de grande escala), as chicanas segmentares simples estão geralmente dispostas a um certo espaçamento, com as janelas alternativamente em lados opostos com o fim de alcançar o padrão de fluxo cruzado do fluido desejado no feixe de tubos ao longo do invólucro. Dado que o espaçamento que é desejado por razões de escoamento de fluido óptimo e rendimento hidráulico óptimo (em particular perda de carga minima) pode ser muito maior que o espaçamento requerido para bom suporte mecânico contra vibrações, um certo número de chicanas de suporte segmentares adicionais, mas com duas janelas cada, é 5 PE1709382 colocado entre as chicanas segmentares simples. Estes elementos adicionais representam um elemento de custo considerável do suporte de tubos total. O requerimento de patente Japonesa com o n° de publicação 05-296680 descreve uma placa de chicana de suporte em que uma pluralidade de tiras de chapa de metal cooperantes está colocada na janela para suprimir a vibração. Devido à forma especial requerida para todas as tiras de chapa de metal individuais, os custos de fabrico são elevados.In other designs of heat exchangers there are no pipes running through the windows. For example, in very high vertical heat exchangers (such as those referred to as " Texas towers ", used, for example, as feed / effluent heat exchangers in large-scale industrial processes), the simple segmental baffles are generally arranged at a certain spacing, with the windows alternately on opposite sides in order to achieve the cross-flow pattern of the desired fluid in the bundle of tubes along the shell. Since the spacing that is desired for optimum fluid flow and optimal hydraulic yield (particularly minimum head loss) reasons may be much greater than the spacing required for good mechanical vibration support, a number of additional segmental baffles , but with two windows each, is placed between the simple segmental baffles. These additional elements represent a considerable cost element of the total tube holder. Japanese Patent Application Publication No. 05-296680 discloses a carrier baffle plate in which a plurality of cooperating sheet metal strips is placed in the window to suppress vibration. Due to the special shape required for all individual sheet metal strips, the manufacturing costs are high.
Sumário do Invento É um objectivo do presente invento fornecer um suporte para um feixe de tubos o qual permite um suporte mecânico mais simples (mais barato) contra vibrações em suportes de tubos de chicana segmentar.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a support for a bundle of tubes which allows for a simpler (cheaper) mechanical support against vibrations on supports of segmental baffle tubes.
Para este fim, o presente invento fornece um suporte para um feixe de tubos, o qual suporte compreende uma pluralidade de placas de suporte transversais conhecidas como chicanas segmentares espaçadas entre si ao longo da direcção dos tubos a serem suportados, e as quais placas são dotadas com aberturas para receber os tubos, em que a pluralidade de placas de suporte compreende elementos de suporte de chicana segmentar e elementos de suporte de metal expandido. 6 ΡΕ1709382 0 requerente teve consciência de que parte da função do suporte mecânico num suporte de tubo de chicana segmentar não tem que ser fornecida por elementos de chicana segmentar convencionais, mas pode, com vantagem, ser providenciada por elementos de suporte de metal expandido. 0 metal expandido pode ser fabricado consideravelmente mais barato do que as chicanas segmentares, porque é usado menos material, são produzidos menos cortes, e é necessário menos trabalho. 0 presente invento permite a concepção de um suporte de tubos tal que as chicanas segmentares são colocadas onde elas são necessárias por razões de escoamento de fluido, onde elas também proporcionam suportagem mecânica. Suportagem mecânica adicional, em particular para evitar vibrações, pode ser providenciada por elementos de metal expandido. 0 metal expandido influencia muito menos o escoamento do fluido do que uma chicana segmentar. 0 invento permite, deste modo, mais flexibilidade na concepção de permutadores de calor de chicanas segmentares. Os parâmetros de concepção básica do permutador de calor tais como a dimensão dos tubos e o tipo de arranjo (por exemplo de passo triangular ou quadrado), diâmetro do invólucro, dimensão e espaçamento das chicanas segmentares, podem ser escolhidos para um escoamento de fluido, performance da transferência de calor e perda de carga óptimos, não comprometidos por considerações de vibração. Um problema de vibração que pode ser encontrado pode, de acordo com o invento, ser resolvido através da 7 PE1709382 colocaçao de elementos de suporte de metal expandido. A expressão "elemento de suporte" é usada na descrição e nas reivindicações para se referir a uma parte de uma placa de suporte, ou a uma placa de suporte completa.To this end, the present invention provides a support for a bundle of tubes, which support comprises a plurality of transverse support plates known as segmental baffles spaced apart along the direction of the tubes to be supported, and which plates are provided with openings for receiving the tubes, wherein the plurality of support plates comprises segmental baffle support members and expanded metal support elements. The Applicant has been aware that part of the function of the mechanical support in a segmental baffle tube support does not have to be provided by conventional segmental baffle elements but may advantageously be provided by expanded metal support elements. The expanded metal can be manufactured considerably cheaper than the segmental baffles, because less material is used, fewer cuts are produced, and less work is required. The present invention allows the design of a tube carrier such that the segment baffles are placed where they are needed for fluid flow reasons, where they also provide mechanical back-up. Additional mechanical support, in particular to avoid vibrations, may be provided by expanded metal elements. The expanded metal influences much less the flow of the fluid than a segmental baffle. The invention thus allows more flexibility in the design of segmental baffle heat exchangers. The basic design parameters of the heat exchanger such as the size of the tubes and the type of arrangement (for example triangular or square pitch), shell diameter, size and spacing of the segmental baffles, may be chosen for a fluid flow, optimum heat transfer performance and loss of load, not compromised by vibration considerations. A vibration problem that can be encountered may, according to the invention, be solved by placing expanded metal support elements. The expression " support element " is used in the disclosure and claims to refer to a portion of a backing plate, or to a complete backing plate.
Elementos de suporte de metal expandido e de chicana segmentar podem formar uma placa de suporte combinada. Para este fim, o metal expandido pode ser colocada para se estender sobre a(s) janela(s) do elemento de suporte de chicana segmentar. Desta maneira, pode ser proporcionada suportagem mecânica ao longo de toda a secção transversal da placa de suporte, mas o fluido pode apenas escoar-se através da janela. Dado que o metal expandido também impõe alguma restrição ao escoamento, embora ela seja pequena, pode ser desejável aumentar ligeiramente a dimensão da janela em comparação com uma chicana de suporte segmentar convencional. É também possível que elementos de suporte de metal expandido sob a forma de placas de suporte de metal expandido sejam dispostas entre dois elementos de suporte de chicana segmentar, como um suporte mecânico adicional.Expanded metal and segmental baffle support members may form a combined support plate. To this end, the expanded metal may be positioned to extend over the window (s) of the segmental baffle support member. In this manner, mechanical backing may be provided along the entire cross-section of the backing plate, but the fluid may only flow through the window. Since the expanded metal also imposes some flow restriction, although it is small, it may be desirable to slightly increase the window size compared to a conventional segmental baffle. It is also possible that expanded metal support elements in the form of expanded metal support plates are disposed between two segmental baffle support members as an additional mechanical support.
Num outro modo de realização, a placa de suporte de metal expandido pode ter ela própria forma segmentar, isto é, podem ser cortados um ou mais segmentos de modo que são formadas uma ou mais janelas. Isto pode ser vantajoso PE1709382 nas concepções em que não corram tubos através das janelas das chicanas segmentares, e onde seja desejada suportagem mecânica adicional com o mínimo de perturbação no escoamento do fluido.In another embodiment, the expanded metal support plate may itself be segmental, i.e., one or more segments may be cut so that one or more windows are formed. This may be advantageous in designs where no tubes run through the windows of the segment baffles, and where additional mechanical support with minimal disturbance in the flow of the fluid is desired.
Suportes de tubos consistindo somente de elementos de suporte de metal expandido são revelados na Publicação de Requerimento de Patente internacional N° WO 03/067170. Todavia, esta publicação não se refere a problemas de vibração nos permutadores de calor de chicana segmentar convencionais e não se refere ou sugere uma combinação de chicanas segmentares convencionais e elementos de suporte de metal expandido.Tube carriers consisting only of expanded metal support elements are disclosed in International Patent Application Publication No. WO 03/067170. However, this publication does not relate to vibration problems in conventional segmental baffle heat exchangers and does not refer to or suggest a combination of conventional segment baffles and expanded metal support elements.
Breve Descrição dos Desenhos O invento será agora descrito com maior detalhe e fazendo referência aos desenhos anexos, em que A Figura 1 mostra esquematicamente um corte longitudinal através de um primeiro modo de realização de um permutador de calor com suportagem de acordo com o presente invento; A Figura 2 mostra esquematicamente um corte ao longo da linha II-II na Figura 1; A Figura 3 mostra esquematicamente um corte ao longo da linha III-III na Figura 1; 9 PE1709382 A Figura 4 mostra esquematicamente uma chicana de suporte segmentar; A Figura 5 mostra esquematicamente uma chicana de suporte combinada formada por um elemento de suporte de chicana segmentar e por um elemento de suporte de metal expandido. A Figura 6 mostra esquematicamente um corte longitudinal através de um segundo modo de realização de um permutador de calor com suportagem de acordo com o presente invento; A Figura 7 mostra esquematicamente um corte ao longo da linha VII-VII na Figura 6; A Figura 8 mostra esquematicamente um corte ao longo da linha VIII-VIII na Figura 6; A Figura 9 mostra esquematicamente outra chicana de suporte segmentar; A Figura 10 mostra esquematicamente uma chicana de segmentar convencional para uso como placa de suporte intermédia numa torre Texas; A Figura 11 mostra esquematicamente uma placa de suporte de metal expandido intermédia de acordo com o invento; 10 PE1709382 A Figura 12 mostra esquematicamente um corte longitudinal através de um terceiro modo de realização de um permutador de calor com suportagem de acordo com o presente invento; e A Figura 13 mostra esquematicamente um outro elemento de suporte de metal expandido de acordo com o invento. São usadas referências similares nas Figuras para se referirem aos mesmos ou a objectos similares.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will now be described in more detail and with reference to the accompanying drawings, in which Figure 1 shows schematically a longitudinal section through a first embodiment of a supported heat exchanger in accordance with the present invention; Figure 2 shows schematically a section along the line II-II in Figure 1; Figure 3 shows schematically a section along the line III-III in Figure 1; Figure 4 schematically shows a segmental support baffle; Figure 5 schematically shows a combined support baffle formed by a segmental baffle support member and an expanded metal support member. Figure 6 shows schematically a longitudinal section through a second embodiment of a back-up heat exchanger in accordance with the present invention; Figure 7 shows schematically a section along the line VII-VII in Figure 6; Figure 8 shows schematically a section along line VIII-VIII in Figure 6; Figure 9 schematically shows another segmental support baffle; Figure 10 schematically shows a conventional segment baffle for use as an intermediate support plate in a Texas tower; Figure 11 schematically shows an intermediate expanded metal support plate according to the invention; Figure 12 shows schematically a longitudinal section through a third embodiment of a heat exchanger with backing according to the present invention; and Figure 13 schematically shows another expanded metal support member according to the invention. Similar references are used in the Figures to refer to the same or similar objects.
Descrição detalhada do Invento E feita referência às Figuras 1-5. A Figura 1 mostra parte de um permutador de calor "shell and tube" vertical 1 em corte longitudinal, e as Figuras 2 e 3 mostram dois cortes ao longo das linhas II-II e III-III, respectivamente. O permutador de calor 1 tem um invólucro 3 e um feixe de tubos 5, do qual os tubos 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 são visíveis na Figura 1. O suporte para o feixe de tubos 5 compreende as quatro placas de suporte 18, 19, 20, 21 mostradas na Figura 1. As placas estão espaçadas entre si de uma distância fixa Li ao longo da direcção do comprimento dos tubos 8-14.Detailed Description of the Invention Reference is made to Figures 1-5. Figure 1 shows part of a shell & tube " heat exchanger " vertical 1 in longitudinal section, and Figures 2 and 3 show two cuts along lines II-II and III-III, respectively. The heat exchanger 1 has a housing 3 and a bundle of tubes 5, of which the tubes 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 are visible in Figure 1. The support for the tube bundle 5 comprises the four support plates 18, 19, 20, 21 shown in Figure 1. The plates are spaced from each other by a fixed distance Li along the length direction of the tubes 8-14.
As placas de suporte 18, 19 e 21 são chicanas segmentares convencionais tal como é mostrado de maneira alargada na Figura 4. Estas chicanas segmentares são 11 PE1709382 fabricadas a partir de uma placa circular 25 da qual foi cortado um segmento de modo que são formadas janelas quando montada no permutador de calor, por exemplo, a janela 28. Na chapa restante 25 foram coradas aberturas 30. A placa de suporte 20 é uma placa de suporte combinada tal como é mostrado na Figura 5 em maior detalhe. A placa de suporte combinada 35 é formada por um elemento de suporte de chicana segmentar 38 e por um elemento de suporte de metal expandido 40 que se estende sobre a janela 42 deixada aberta pelo elemento de suporte de chicana segmentar 38. O elemento de metal expandido 40 pode, por exemplo, estar soldado ao elemento de suporte de chicana segmentar 38 e à tira 45 em redor da janela 42. A própria tira 45 pode também ser soldada ao elemento de chicana segmentar 38, mas pode também ser uma parte restante da placa circular original a partir da qual o elemento de chicana segmentar 38 foi formado, por exemplo por fresagem. O metal expandido é um material bem conhecido, o qual pode ser obtido através do fornecimento de uma folha de metal com uma estrutura de fendas seguida por um alongamento do metal de folha fendida. É formada uma estrutura de ripas cruzadas formada pelos chamados "fios e nós"?'. O arranjo e comprimento das fendas assim como a extensão do alongamento determinam a dimensão, forma e arranjo relativo dos interstícios, os quais podem, por isso, ser concebidos de maneira que os tubos possam passar através deles e serem suportados optimamente. 12 PE1709382The carrier plates 18, 19 and 21 are conventional segmental baffles as shown broadly in Figure 4. These segment baffles are fabricated from a circular plate 25 from which a segment has been cut so that windows are formed when mounted on the heat exchanger, for example window 28. On the remaining plate 25, openings 30 have been colored. The support plate 20 is a combined support plate as shown in Figure 5 in more detail. The combined support plate 35 is formed by a segmental baffle support member 38 and an expanded metal support member 40 extending over the window 42 left open by the segmental baffle support member 38. The expanded metal member 40 may, for example, be welded to the segmental baffle support member 38 and the strip 45 around the window 42. The strap itself 45 may also be welded to the segmental baffle member 38, but may also be a remaining part of the plate circular shape from which the segmental baffle member 38 has been formed, for example by milling. The expanded metal is a well known material, which can be obtained by providing a sheet of metal having a crack structure followed by an elongation of the split sheet metal. A cross-slat structure formed by so-called " wires ". ". The arrangement and length of the slots as well as the extent of the elongation determine the size, shape and relative arrangement of the interstices, which may therefore be designed so that the tubes can pass therethrough and be optimally supported. 12 PE1709382
Normalmente, os fios entre nós adjacentes são torcidos para fora do plano do metal em folha original, o que resulta numa diminuição da restrição ao normal escoamento do fluido para a folha de metal expandido. A placa de suporte 20 suporta mecanicamente os tubos ao longo de toda a secção transversal do invólucro 3, isto é, também na janela 42. Por isso, o comprimento de tubo não suportado 8, por exemplo, entre as placas de suporte 19 e 21 é Li. Por comparação, o comprimento de tubo não suportado, por exemplo 14, entre as placas de suporte 18 e 20 é 2Li. O invento pode, desta maneira, servir para diminuir o comprimento de tubo não suportado com o fim de suprimir as vibrações. Se mais ou todas as placas de suporte no permutador de calor 1 puderem ser placas de suporte combinadas 35, será possível aumentar o espaçamento entre placas de suporte de um ponto de vista mecânico. É agora feita referência às Figuras 6-11, e será agora discutido um segundo modo de realização do presente invento. A Figura 6 mostra parte de um permutador de calor de torre Texas 101 em corte longitudinal, e as Figuras 7 e 8 mostram dois cortes ao longo das linhas VII-VII e VIII-VIII, respectivamente. O permutador de calor 101 tem um invólucro cilíndrico vertical 103 e um feixe de tubos 105 que correm através da parte central do invólucro 103. Os tubos 108, 109 e 110 são visíveis na Figura 6. A torre 13 PE1709382Usually the wires between adjacent nodes are twisted out of the plane of the parent sheet metal, which results in a decrease in the restriction to the normal flow of the fluid to the expanded sheet metal. The support plate 20 mechanically supports the tubes along the entire cross-section of the enclosure 3, i.e. also in the window 42. Hence, the length of unsupported tube 8, for example between the support plates 19 and 21 is Li. By comparison, the length of unsupported tube, for example 14, between the carrier plates 18 and 20 is 2Li. The invention may thus serve to decrease the length of unsupported tube in order to suppress vibrations. If more or all of the carrier plates in heat exchanger 1 can be combined carrier plates 35, it will be possible to increase the spacing between carrier plates from a mechanical point of view. Reference is now made to Figures 6-11, and a second embodiment of the present invention will now be discussed. Figure 6 shows part of a Texas 101 tower heat exchanger in longitudinal section, and Figures 7 and 8 show two cuts along lines VII-VII and VIII-VIII, respectively. The heat exchanger 101 has a vertical cylindrical housing 103 and a bundle of tubes 105 which run through the central portion of the housing 103. The tubes 108, 109 and 110 are visible in Figure 6. The tower 13
Texas pode, por exemplo, ter uma altura de 24 m e um diâmetro de 2,5 m. O suporte para o feixe de tubos 105 compreende as cinco placas de suporte 117, 118, 119, 120, 121 mostradas na Figura 6 como elementos de suporte. As placas são espaçadas entre si ao longo da direcção do comprimento dos tubos 108-110.Texas can, for example, have a height of 24 m and a diameter of 2.5 m. The support for the tube bundle 105 comprises the five support plates 117, 118, 119, 120, 121 shown in Figure 6 as support elements. The plates are spaced apart along the length direction of the tubes 108-110.
As placas de suporte 117 e 121 são chicanas segmentares convencionais 124 tal como são mostradas em modo alargado na Figura 9. Estas chicanas segmentares são fabricadas a partir de uma placa circular 125 a partir da qual foi cortado um segmento ao longo da linha 126 de maneira que as janelas 127, 128 são formadas quando as respectivas placas são montadas no permutador de calor 101. Na parte restante da placa 125, são cortadas aberturas 130 de acordo com a dimensão e arranjo dos tubos 105. Não são praticadas aberturas na parte 131 oposta à janela, visto que a concepção do permutador de calor 101 tal como é mostrado na figura 6 é a chamada concepção "no-tube-in-windows". O espaçamento L2 entre chicanas segmentares é escolhido de maneira que seja obtido um escoamento de fluido optimizado, em que o fluido passa através das janelas 127 e 128 cruzando, por isso, o feixe de tubos 105. Um valor típico para L2 é 1,5 m. Se o espaçamento L2 é demasiado grande para impedir vibrações nos tubos, são 14 PE1709382 montadas placas de suporte intermédias adicionais numa torre Texas convencional, tal como a placa 133 mostrada na Figura 10. A placa 133 é uma chicana de suporte segmentar que tem duas secções cortadas em lados opostos, e que é dotada com aberturas 134 para os tubos. Essas placas de suporte segmentares adicionais serão montadas, por exemplo, nas mesmas localizações que foram mostradas para as placas 118, 119, 120, e tal como o registo de janelas com as janelas 127 e 128.The carrier plates 117 and 121 are conventional segment baffles 124 as are shown in broadened fashion in Figure 9. These segment baffles are fabricated from a circular plate 125 from which a segment has been cut along the line 126 in a manner that the windows 127, 128 are formed when the respective plates are mounted in the heat exchanger 101. In the remaining part of the plate 125, apertures 130 are cut according to the size and arrangement of the tubes 105. Apertures are not practiced in the opposite portion 131 to the window, since the design of the heat exchanger 101 as shown in Figure 6 is called " no-tube-in-windows " design. The L 2 spacing between segment baffles is chosen such that an optimized fluid flow is obtained, where the fluid passes through the windows 127 and 128 thereby crossing the bundle of tubes 105. A typical value for L2 is 1.5 m. If the spacing L2 is too large to prevent vibrations in the tubes, additional intermediate support plates are mounted in a conventional Texas tower, such as the plate 133 shown in Figure 10. The plate 133 is a segmental support baffle having two sections cut on opposite sides, and which is provided with apertures 134 for the tubes. Such additional segmental support plates will be mounted, for example, in the same locations as were shown for the plates 118, 119, 120, and such as the window register with the windows 127 and 128.
No modo de realização de acordo com o invento tal como mostrado nas Figuras 6-8, todavia, as placas de suporte intermédio 118, 119, 120 são placas de suporte de metal expandido, tal como a placa 135 mostrada esquematicamente na Figura 11. A placa 135 é formada por uma folha de metal expandido segmentar dupla, a qual está soldada ao anel de suporte 138 e às tiras de suporte 140 de maneira a formar as janelas 142 e 143. A placa de suporte 135 pode ser fabricada muito mais barata que uma placa intermédia convencional 134 tal como é mostrado na Figura 10. É agora feita referência às Figuras 12-13 e, com referência a estas Figuras, será discutido um terceiro modo de realização do invento. O permutador de calor horizontal 201 com o 15 PE1709382 invólucro 203 através do qual corre o feixe de tubos 205 é um exemplo desta concepção. A Figura 12 mostra parte de um corte longitudinal, e será entendido que o permutador de calor pode ser muito mais comprido, e que podem ser colocadas muitas mais placas de suporte. O feixe de tubos 205 inclui os tubos 208, 209, 210, 211, 212, 213 e 214.In the embodiment according to the invention as shown in Figures 6-8, however, the intermediate support plates 118, 119, 120 are expanded metal support plates, such as the plate 135 shown schematically in Figure 11. A plate 135 is formed of a dual segmental expanded metal foil which is welded to the support ring 138 and the support strips 140 so as to form the windows 142 and 143. The support plate 135 can be manufactured much cheaper than a conventional intermediate plate 134 as shown in Figure 10. Reference is now made to Figures 12-13 and, with reference to these Figures, a third embodiment of the invention will be discussed. The horizontal heat exchanger 201 with the housing 203 through which the tube bundle 205 runs is an example of this design. Figure 12 shows part of a longitudinal section, and it will be understood that the heat exchanger may be much longer, and that many more support plates may be placed. The tube bundle 205 includes the tubes 208, 209, 210, 211, 212, 213 and 214.
Esta Figura não mostra as partes de extremidade dos tubos com a chapa de tubos.This Figure does not show the end portions of the tubes with the tube sheet.
Os tubos são suportados por chicanas segmentares 218, 219 220. Como suporte adicional contra as vibrações dos tubos, são colocadas placas de suporte de metal expandido 221, 222. Os elementos de suporte de chicana segmentar e os elementos de suporte de metal expandido são colocados alternativamente a um espaçamento fixo ao longo da direcção dos tubos 205. O espaçamento entre chicanas segmentares adjacentes, por exemplo 218 e 219, é L3.The tubes are supported by segment baffles 218, 219-220. As further support against tube vibrations, expanded metal support plates 221, 222 are placed. The segmental baffle support members and the expanded metal support members are placed alternatively a fixed spacing along the direction of the tubes 205. The spacing between adjacent segment baffles, for example 218 and 219, is L3.
Os elementos de suporte de chicana segmentar 218, 219 220 são similares aos que são mostrados e descritos quando é feita referência à Figura 4. A meio caminho entre chicanas segmentares adjacentes é colocada uma placa de suporte de metal expandido tal como a placa 235 mostrada na Figura 13. A placa 235 pode ser fabricada a baixo custo, por exemplo por corte de uma folha de metal expandido para forma circular, por exemplo por corte a laser, e soldadura a um anel de suporte 245.The segmental baffle support members 218, 219 220 are similar to those shown and described when referring to Figure 4. Midway between adjacent segment baffles is placed an expanded metal support plate such as plate 235 shown on Figure 13. The plate 235 may be manufactured at low cost, for example by cutting from a sheet of expanded metal to a circular shape, for example by laser cutting, and welding to a support ring 245.
As placas de suporte de metal expandido 221, 222 16 PE1709382 servem para evitar vibrações entre chicanas segmentares. O máximo comprimento de tubo não suportado, por exemplo, do tubo 214 é L3, igual ao espaçamento entre chicanas segmentares adjacentes. Sem os elementos de suporte de metal expandido, o comprimento de tubo não suportado seria duas vezes o espaçamento entre chicanas segmentares adjacentes. Deste modo, o presente invento permite escolher o espaçamento entre chicanas segmentares adjacentes mais comprido do que quando a suportagem do tubo era feita apenas com chicanas segmentares. As chicanas segmentares podem então ser colocadas de maneira que sejam atingidos um escoamento de fluido e uma transferência de calor óptimos no lado do invólucro, e que o custo global da suportagem de tubo possa ser minimizado.The expanded metal support plates 221, 222 16 serve to avoid vibrations between segmental baffles. The maximum unsupported tube length, for example, of the tube 214 is L3, equal to the spacing between adjacent segmental baffles. Without the expanded metal support elements, the length of unsupported tube would be twice the spacing between adjacent segmental baffles. Thus, the present invention allows to choose the spacing between adjacent segmental baffles longer than when the tube support was made only with segment baffles. The segment baffles may then be positioned so that optimum fluid flow and heat transfer is achieved at the side of the housing, and that the overall cost of tube support can be minimized.
Contudo, em algumas aplicações pode também acontecer que considerações de vibração de tubos coloquem uma limitação no espaçamento minimo entre chicanas segmentares. Este pode ser o caso quando é desejado maximizar o fluxo cruzado do fluido no invólucro, com o fim de maximizar a transferência de calor num dado volume de permutador de calor. Neste caso, são usadas chicanas segmentares de corte de chicana reduzido, e deseja-se minimizar o espaçamento entre as chicanas. Isto resulta numa perda de carga elevada, mas também pode gerar vibrações dos tubos não obstante o espaçamento relativamente curto entre chicanas segmentares. Nessa situação, deveria ter sido previamente necessário aumentar o espaçamento das chicanas e possivelmente aumentar a 17 PE1709382 dimensão do permutador de calor. Com o presente invento, porém, placas de suporte de metal expandido adicionais podem resolver o problema da vibração. Embora o custo da suportagem de tubos no permutador de calor aumente ligeiramente devido ao uso de elementos de suporte de metal expandido adicionais, o custo total do permutador de calor pode ser inferior porgue pode ser usado um invólucro mais pegueno.However, in some applications it may also happen that tube vibration considerations place a limitation on the minimum spacing between segmental baffles. This may be the case where it is desired to maximize the cross flow of the fluid in the housing in order to maximize heat transfer in a given heat exchanger volume. In this case, segmental baffles of reduced baffle cut are used, and the spacing between baffles is to be minimized. This results in a high head loss, but can also generate tube vibrations despite the relatively short spacing between segmental baffles. In such a situation, it should have previously been necessary to increase the spacing of the baffles and possibly increase the size of the heat exchanger. With the present invention, however, additional expanded metal support plates can solve the problem of vibration. Although the cost of tube support in the heat exchanger increases slightly due to the use of additional expanded metal support members, the total cost of the heat exchanger may be lower so a lighter casing may be used.
Será claro gue o presente invento pode ser aplicado igualmente tanto a permutadores de calor horizontais como verticais.It will be clear that the present invention can be applied equally to both horizontal and vertical heat exchangers.
As placas de suporte podem ser montadas de qualquer maneira adequada no invólucro. Um método convencional de montar chicanas segmentares é usar tirantes de espaçamento colocados paralelamente aos tubos, os quais são soldados ao invólucro e às chicanas segmentares. Esses tirantes podem também ser soldados ao anel de suporte dos elementos de suporte de metal expandido.The backing plates may be mounted in any suitable manner in the housing. A conventional method of assembling segmental baffles is to use spacing rods placed parallel to the tubes, which are welded to the shell and to the segmental baffles. These rods may also be welded to the support ring of the expanded metal support members.
Para muitas aplicações do presente invento, os elementos de suporte de metal expandido adequadamente têm interstícios com uma dimensão apenas grande o suficiente para que os tubos possam passar através, de maneira que cada tubo é suportado de quatro locais essencialmente sem folga. Tipicamente neste caso, a dimensão será tal que, no máximo, uma medida de um diâmetro 10% maior que o do tubo passe através dos interstícios. Esta dimensão dos 18 ΡΕ1709382 interstícios é, por exemplo, preferida para os modos de realização discutidos quando é feita referência às Figuras 1 e 12, em que cada elemento de suporte de metal expandido preferencialmente suporta suficientemente os tubos.For many applications of the present invention, the expanded metal support members suitably have interstices having a size just large enough so that the tubes can pass through, so that each tube is supported from four essentially essentially no-gap locations. Typically in this case, the size will be such that at most one measurement of a diameter 10% greater than that of the tube passes through the interstices. This dimension of the intersecting 18β-1709382 is, for example, preferred for the embodiments discussed when referring to Figures 1 and 12, wherein each expanded metal support element preferably sufficiently supports the tubes.
Será claro, todavia, que é também possível usar metal expandido com interstícios tão grandes que podem passar através diversos tubos Neste caso, serão adequadamente colocadas diversas folhas de metal expandido para cooperar de maneira que os tubos são suportados por todos os lados, por exemplo os elementos de suporte de metal expandido intermédios do modo de realização que foi discutido com referência à Figura 6. Adequadamente esses arranjos de diversas folhas de metal expandido são discutidos no documento WO 03/067170. Outros arranjos adequados, tipos de metal expandido e arranjos e formas de interstícios de metal expandido são descritos no requerimento de patente Europeia N° 03077463.2, não publicado na primeira data de carregamento?' (prioridade) do presente invento.It will be clear, however, that it is also possible to use expanded metal with such large interstices that it may pass through several tubes. In this case, several sheets of expanded metal will suitably be placed to cooperate so that the tubes are supported on all sides, e.g. intermediate expanded metal support elements of the embodiment which has been discussed with reference to Figure 6. Suitably such arrangements of several expanded metal sheets are discussed in WO 03/067170. Other suitable arrangements, types of expanded metal and arrangements and shapes of expanded metal interstices are described in European patent application No. 03077463.2, not published on the first loading date? (priority) of the present invention.
Lisboa, 10 de Julho de 2009Lisbon, July 10, 2009
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