PT1723375E

PT1723375E - Processo para aquecimento de água potável

Info

Publication number: PT1723375E
Application number: PT05706492T
Authority: PT
Inventors: Gerald W E Van Decker; Colin M Watts
Original assignee: Renewability Energy Inc
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2012-07-04
Also published as: US20080017361A1; CA2600265C; SI1723375T1; PL1723375T3; WO2005078369A1; CA2600265A1; DK1723375T3; EP1723375B1; ATE553347T1; HRP20120551T1; CA2600265F; US20130025836A1; US8251133B2; US20190212062A1; US7322404B2; RS52341B; ES2385488T3; US20050189094A1; EP1723375A4; EP1723375A1

Description

ΡΕ1723375 1 DESCRIÇÃO "PROCESSO PARA AQUECIMENTO DE ÁGUA POTÁVEL"

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se genericamente a um processo para aquecimento de água potável usando o calor da água de drenagem. 0 documento EP-A-0513705 pode ser considerado como a tecnologia anterior mais próxima, uma vez que se refere a um tal processo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Dispositivos de permuta de calor, ou permutadores de calor, são dispositivos para a transferência de calor a partir de um meio para outro, normalmente a partir de um fluido para outro ou para o ambiente, sem permitir que os fluidos se misturem. Alguns exemplos são: radiadores de automóveis; aparelhos de ar condicionado, que utilizam quer um condensador quer um evaporador; e radiadores de vapor e de água quente, que são utilizados para produzir calor. 0 documento WO 99/24765 (Quantum Energy Systems Pty Ltd) descreve um permutador de calor para aquecimento de água usando uma bomba de calor. 0 calor da condensação de um liquido refrigerante que circula através de um sistema de bomba de calor pode ser transferido para a água contida num 2 ΡΕ1723375 tanque . A fim de evitar a mistura dos fluidos, ou líquidos, uma barreira é proporcionada entre os dois líquidos ou meios. Muitos modelos diferentes de barreira dos permutadores de calor são utilizados. Num modelo "placas e armação", que é muito compacto, dois fluxos líquidos passam em lados opostos de uma ou mais placas. A superfície total de transferência de calor pode ser aumentada, aumentando a área das placas e o número de placas. Num modelo "casco e feixe tubular", uma corrente de fluxo de líquido passa através do(s) tubo(s) e a outra através do espaço restante no interior de um casco que rodeia os tubos. Uma subcategoria especial do modelo casco e feixe tubular seria um modelo do tipo serpentina de imersão, tal como uma serpentina de aquecimento num tanque. No entanto, ambos os modelos, o de "placas e armação" e o de "casco e feixe tubular", são susceptíveis a incrustações e entupimentos. Estes inconvenientes são consideráveis quando se consideram aplicações relacionadas com o tratamento de águas residuais.

Uma aplicação particular de permutadores de calor é na área do aproveitamento ou da "recuperação" do calor das águas residuais. Há muitos exemplos de ambos os sistemas, de "casco e feixe tubular" e de "placas e armação", de águas residuais. No entanto, muitos destes sistemas requerem frequentemente um filtro, porque eles são susceptíveis de entupimento e/ou incrustações devido à 3 ΡΕ1723375 natureza da sua concepção. Além disso, em adição ao permutador de calor em si, é muitas vezes necessário ter um elaborado aparelho para realizar o tratamento efectivo das águas residuais. Alguns destes sistemas incluem serpentinas, mas estas serpentinas são frequentemente uma parte de um modelo de casco e feixe tubular, tal como uma serpentina de imersão.

Permutadores de calor de serpentina helicoidal sobre tubo têm estado em uso há algum tempo. Este tipo de permutador de calor consiste tipicamente de uma única serpentina que é enrolada em torno de um tubo. Os anteriores permutadores de calor de serpentina sobre tubo têm sido utilizados como aquecedores de água de queima directa, nos quais a combustão tem lugar no interior do tubo, aquecendo o liquido na serpentina. Permutadores de calor de serpentina sobre tubo são também utilizados para a recuperação do calor de águas residuais.

Os caudais típicos de líquido têm sido tradicionalmente modestos usando o modelo de serpentina única. Aplicações mais recentes desta classe de permutadores de calor, tais como recuperação de calor de águas residuais, resultaram em caudais de líquido muito mais elevados. Permutadores de calor do tipo tubo de serpentina têm uma vantagem significativa em aplicações de águas residuais dado que o tubo central permite que a água residual passe através dele facilmente sem entupimentos. Os custos de produção de permutadores de calor de serpentina 4 ΡΕ1723375 única sobre tubo sao baixos e proporcionam uma boa performance.

No entanto, em muitas aplicações, os caudais desejados resultam numa grande perda de pressão nos modelos de serpentina única. A perda é geralmente proporcional à distância percorrida na serpentina, a segunda condição do caudal, e é inversamente proporcional à área da secção transversal. Quando grandes comprimentos de serpentina são requeridos, a perda de pressão resultante não é aceitável para muitas aplicações.

Ao aumentar o número de percursos do liquido, no lado da serpentina do permutador de calor, a perda de pressão pode ser reduzida. Existem permutadores de calor de serpentina sobre tubo com múltiplas serpentinas, em que modelos diferentes são tipicamente utilizados para diferentes aplicações. 0 número de serpentinas usadas depende do caudal máximo desejado. Quanto maior for o caudal desejado, mais serpentinas são necessárias para manter as perdas de pressão num valor razoável. Por exemplo, numa única instalação residencial, tal como a maioria das casas, um tubo de 1/2 polegada nominal é usado para uma serpentina, e 1 a 2 serpentinas são utilizadas. Para prédios de apartamentos, 2 a 4 serpentinas são tipicamente utilizadas, e em ambientes comerciais (tais como ginásios ("health clubs") , etc), várias serpentinas são tipicamente utilizadas por permutadores de calor de colector. Cada modelo não é necessariamente limitado a uma 5 ΡΕ1723375 dada aplicação (uma unidade de 4 serpentinas poderia ser utilizada numa aplicação comercial ou residencial). 0 importante é que o número de serpentinas seja suficiente para manter a perda de pressão suficientemente baixa para o caudal numa dada aplicação.

A Fig. 1 ilustra um permutador de calor convencional com múltiplas serpentinas, cada uma provida como uma única serpentina helicoidal. Num tal modelo conhecido de um permutador de calor 10, é proporcionado um tubo central 12 tendo uma extremidade de entrada 14 do tubo central e uma extremidade de sarda 16 do tubo central. No permutador de calor de duas serpentinas 10 da Fig. 1, uma primeira serpentina 18 está localizada em torno de uma primeira porção do tubo 12 e uma segunda serpentina 20 está localizada em torno de uma segunda porção do tubo 12. A primeira serpentina 18 tem uma primeira extremidade de entrada da serpentina 22 que se encontra perto da extremidade de saída 16 do tubo central e uma primeira extremidade de saída da serpentina 24 que se encontra próxima do ponto médio do comprimento do tubo central 12. A segunda serpentina 20 tem uma extremidade de entrada 26 que se encontra próxima do ponto médio do comprimento do tubo central 12 e uma extremidade de saída 28 perto da extremidade de entrada 14 do tubo central. 0 uso, acima feito, dos termos extremidades de entrada e de saída presume que um fluxo de líquido no tubo central 12 está numa direcção diferente da direcçao do fluxo de líquido nas primeira e segunda serpentinas 18 e 20. 6 ΡΕ1723375 0 fluxo total de entrada de líquido nas serpentinas é assim dividido em dois de modo que uma porção dos fluxos líquidos de entrada, para cada uma das duas serpentinas 18 e 20, entra numa extremidade da entrada das mesmas. Isto reduz a perda de pressão total de líquido através das serpentinas em comparação com o modelo de serpentina única. No entanto, para conseguir isto, é necessário um colector ou tubo de distribuição para ligar as múltiplas serpentinas umas às outras, uma vez que os pontos de entrada e os pontos de saída do permutador de calor estão espalhados ao longo do comprimento do tubo central. As diferentes serpentinas não irão desempenhar a sua função sem o colector, uma vez que sem o colector o fluxo de entrada só poderia atingir a primeira serpentina, e o fluxo de saída da primeira serpentina não podia sair na extremidade de saída do tubo central. O colector pode incluir um colector de entrada do fluxo 30 e um colector de saída do fluxo 32, que liga as extremidades da entrada do fluxo e da saída do fluxo nas serpentinas, respectivamente.

Embora as serpentinas sejam capazes de tratar os fluxos de líquido em paralelo uns com os outros, as serpentinas são elas próprias colocadas em distintas secções longitudinais subsequentes do tubo central. Como mencionado acima, o tratamento de fluxos paralelos de líquido requer que o permutador de calor inclua o colector. A necessidade de um colector requer um tempo de produção adicional, bem como um tempo de instalação adicional. 7 ΡΕ1723375

Alguns modelos de permutadores de calor mostraram ser mais eficientes do que o permutador de calor de múltiplas serpentinas sobre tubo mostrado na Fig.l. Permutadores de calor de "contrafluxo" (ou "contracorrente") são conhecidos por ser uma das classes mais eficiente, ou eficaz, de permutadores de calor. Num permutador de calor contrafluxo com uma pluralidade de serpentinas, a diferença de temperatura entre os líquidos é substancialmente constante ao longo do seu comprimento. Geralmente, um fluxo de água fria entra numa serpentina numa extremidade do permutador de calor, e um fluxo de água quente entra noutra serpentina na outra extremidade do permutador de calor. 0 fluxo de água quente proporciona o calor ao fluxo de água fria, e o fluxo de água quente fica mais frio à medida que se desloca ao longo do permutador de calor, enquanto o fluxo de água fria aquece à medida que se desloca ao longo do permutador de calor. Se os fluxos de água quente e fria entrarem no permutador de calor pela mesma extremidade, haveria uma grande diferença de temperatura nessa extremidade, e uma diferença de temperatura muito menor na outra extremidade. Este caso de fluxo paralelo está limitado a uma eficiência máxima do permutador de calor de cerca de 50%.

Portanto, olhando para o permutador de calor de múltiplas serpentinas sobre tubo da Fig. 1, ele não é um verdadeiro permutador de calor de "contrafluxo" (ou "contracorrente"). O motivo porque não é um verdadeiro permutador de contrafluxo é porque o fluxo frio de entrada ΡΕ1723375 é dividido de modo que parte do mesmo começa a meio do caminho, e parte dele termina a meio do caminho. Para ser um verdadeiro permutador de calor de contrafluxo, todo o primeiro fluxo tem de se deslocar numa direcção substancialmente oposta ao segundo fluxo ao longo de todo o comprimento do permutador de calor para ambos os fluxos, de modo a proporcionar uma diferença de temperatura constante ao longo do comprimento do permutador de calor. Para isso, a entrada do fluxo frio é geralmente na extremidade oposta do permutador de calor à da entrada do fluxo quente num permutador de calor contrafluxo.

Em resumo, embora os permutadores de calor de serpentina única do tipo de serpentina helicoidal sobre tubo tenham custos de produção razoáveis e um bom desempenho, uma vez que podem ser implementados como permutadores de calor de contrafluxo, eles também podem incorrer em perdas de pressão significativas. Os permutadores de calor de múltiplas serpentinas sobre tubo são capazes de superar alguns dos problemas de perda de pressão dos modelos de serpentina única, mas requerem colectores adicionais para tratar os líquidos, e a sua performance não é tão eficaz como poderia ser, uma vez que eles não são verdadeiros permutadores de calor de contrafluxo.

RESUMO DA INVENÇÃO É um objectivo da presente invenção proporcionar um processo eficiente para aquecimento de água potável 9 ΡΕ1723375 usando água de drenagem.

As reivindicações dependentes definem modelos de realização preferidos da invenção. A presente invenção proporciona um processo para aquecimento de água potável usando calor recuperado a partir da água de drenagem, o método compreende: proprocionar um tubo central para receber a água de drenagem; proporcionar uma pluralidade de condutas para receber a água potável, sendo a pluralidade de condutas enroladas helicoidalmente numa relação paralela ao longo da mesma/co-localizada porção de pelo menos uma porção do comprimento do tubo central para permitir a transferência de calor entre os mesmos. A água de drenagem é impelida a fluir através do tubo central para desse modo fazer com que o calor da água de drenagem seja transferido para a pluralidade de condutas através do tubo central e a água potável é impelida a fluir através da pluralidade de condutas, para desse modo aquecer a água potável.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

As figuras seguintes divulgam permutadores de calor, onde: A Fig. 1 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor de serpentina sobre tubo convencional de acordo com o estado da tecnologia; 10 ΡΕ1723375 a Fig. 2 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor de acordo com um exemplo de tubos múltiplos, canais múltiplos para uso no processo da presente invenção; a Fig. 3 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor de acordo com um outro exemplo de tubos múltiplos, canais múltiplos para uso no processo da presente invenção; a Fig. 4 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor ainda de acordo com um outro exemplo de tubos múltiplos, canais múliplos para uso no processo da presente invenção incluindo uma pluralidade de hélices; a Fig. 5 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor de acordo com um outro exemplo de tubos múltiplos, canais múltiplos para uso no processo da presente invenção, incluindo um colector de entrada e um colector de saída; a Fig. 6 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor de acordo com um exemplo de tubo único, canais múltiplos para uso no processo da presente invenção; a Fig. 7 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor de acordo com um outro exemplo de tubo único, canais múltiplos para uso no processo da presente invenção; 11 ΡΕ1723375 a Fig. 8 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor de acordo com ainda um outro exemplo de tubo único, canais múltiplos para uso no processo da presente invenção, incluindo uma pluralidade de hélices; a Fig. 9 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor de acordo com um outro exemplo de tubo único, canais múltiplos para uso no processo da presente invenção, incluindo um colector de entrada e um colector de sarda.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Geralmente, um permutador de calor de serpentina sobre tubo utiliza múltiplos canais helicoidais paralelos para limitar as perdas de pressão de liquido enquanto proporciona performance e tempos de produção, pelo menos, semelhantes aos anteriores modelos de serpentina e tubo. Dois ou mais canais da serpentina são enrolados conjuntamente de uma forma helicoidal em torno de um tubo, permitindo que o permutador de calor seja usado numa implementação de "contrafluxo" (ou "contracorrente"). 0 sistema inclui de preferência um colector (ou tubo de distribuição) para ligar dois ou mais dos canais uns aos outros no inicio e/ou no final do tubo. No entanto, cada canal individual pode ser ligado a uma carga separada e mantido independente. A pluralidade de canais pode ser implementada num único tubo ou através de tubos múltiplos, 12 ΡΕ1723375 ou uma combinação destes. Modelos de realização da presente invenção proporcionam perda de pressão reduzida, melhor performance e são geralmente mais rápidos de fabricar do que permutadores de calor anteriores. 0 termo "contrafluxo" (ou "contracorrente") é aplicado a um permutador de calor em que os fluxos líquidos são em direcções opostas. Isto é desejável, pois resulta nas classes mais eficientes (ou "efectivas") de permutador de calor. Num permutador de calor de contrafluxo tendo uma pluralidade de serpentinas, a diferença de temperatura entre os líquidos é substancialmente constante ao longo do comprimento do permutador de calor. Em geral, para ser um verdadeiro permutador de calor de contrafluxo, todo o fluxo de um primeiro líquido tem de se deslocar numa direcção substancialmente oposta ao fluxo de um segundo liquido. Deve notar-se que um permutador de calor pode ser concebido e destinado como um permutador de calor de contrafluxo, mas pode não ser necessariamente instalado desta maneira se um lado das ligações são instaladas invertidas ao que é pretendido.

Os termos "canal", "tubo" ou "tubo de serpentina" como usados neste documento significam qualquer tubo, cano ou canal fixo, de qualquer material que pode ser usado para o transporte de líquidos. Os tubos podem ser de forma cilíndrica, mas também podem ser usados tubos de qualquer secção transversal. Em modelos de realização de tubos múltiplos, de canais múltiplos, cada canal pode ser provido 13 ΡΕ1723375 num tubo separado, tal como um tubo de serpentina. Em modelos de realização de tubo único, canais múltiplos, uma pluralidade de canais (não necessariamente todos os canais) pode ser provida dentro de um único tubo. Os modelos de realização de tubo único, canais múltiplos podem ser implementados usando uma configuração do tipo "fita" ("ribbon"), em que uma fita é fornecida com uma pluralidade de canais. Deve ser entendido que a referência a uma implementação de "um único tubo, canais múltiplos" significa simplesmente que existe pelo menos um conjunto de uma pluralidade de canais que é proporcionada num único tubo. Claro que, modelos de realização hibridos podem ser proprocionados em que alguns canais são, cada um, proprocionados em tubos separados, enquanto outros grupos de canais são proprocionados num único tubo. Além disso, o termo "serpentina sobre tubo" como aqui usado representa qualquer arranjo de canais, tubo em fita, ou outros tubos sobre tubo central, e não é necessariamente restringido a serpentinas. 0 termo "divisão do fluxo", ou outras referências ao fluxo de liquido ser dividido como usado aqui significa a divisão do fluxo, de forma igual ou desigual, a partir de um ou mais tubos de entrada para uma pluralidade de tubos de saida. 0 resultado final é que o fluxo é dividido por múltiplos tubos de modo que um maior volume de fluxo pode ser tratado com uma perda de pressão modesta, em oposição ao uso de um único tubo maior. Por exemplo, num colector ou tubo de distribuição, o fluxo de entrada é dividido em dois 14 ΡΕ1723375 ou mais fluxos de saída. 0 termo "líquido" como é aqui usado, significa qualquer líquido, tal como água, uma substância química, ou qualquer outra solução aquosa, uma substância líquida ou semi-líquida, tal como a água de drenagem, águas residuais ou outros resíduos líquidos, lamas, águas residuais domésticas ("grey water"), águas pretas ("black water") ou qualquer outro líquido com componentes sólidos e/ou semi-sólidos. 0 termo "numa relação paralela", tal como aqui usado em relação aos tubos de serpentina que são helicoidalmente enrolados numa relação paralela ao longo do comprimento do tubo central, significa os tubos da serpentina estarem localizados lado a lado e enrolados em conjunto ao longo do tubo central. A relação paralela refere-se à localização física dos tubos uns em relação aos outros. 0 termo "substancialmente co-localizados", tal como aqui usado em relação às extremidades dos tubos de serpentina serem substancialmente co-localizados, significa cada uma das extremidades ser localizada substancialmente na mesma região do tubo central em torno do qual eles são enrolados. Eles podem estar numa determinada extremidade do tubo central, mas podem, alternativamente, estar em qualquer ponto ao longo do comprimento do tubo central. 15 ΡΕ1723375 A Fig. 2 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor de serpentina sobre tubo. 0 permutador de calor 100 inclui um tubo central 102 para o fluxo de um primeiro liquido, tal como o fluxo de água de drenagem, tendo uma extremidade de entrada do fluxo 104 no tubo central e uma extremidade de saida do fluxo 106 no tubo central. Neste modelo de realização de canais múltiplos, tubos múltiplos, uma pluralidade de canais são proporcionados como uma pluralidade de serpentinas, ou tubos helicoidais, 108 para um segundo fluxo de liquido, tal como o fluxo de água potável, tendo cada um uma extremidade de entrada do fluxo 110 no tubo de serpentina e uma extremidade de saida do fluxo 112 no tubo de serpentina. A pluralidade de tubos de serpentina 108 são helicoidalmente enrolados em paralelo uns com os outros ao longo do comprimento do tubo central, de preferência ao longo de substancialmente todo o comprimento do tubo central. Em contraste com conhecidos permutadores de calor de contrafluxo e serpentina sobre tubo, cada um da pluralidade de tubos de serpentina 108 está em contacto com o tubo central 102. Cada um da pluralidade de tubos de serpentina 108 também se estende substancialmente ao longo do mesmo comprimento do tubo central, de preferência ao longo de substancialmente todo o comprimento do tubo central. A presente invenção é usado para recuperar calor dos fluxos quentes de águas residuais. Por exemplo, o calor a partir de águas residuais no tubo central 102 que flui 16 ΡΕ1723375 numa direcção Fl é de preferência utilizado para aquecer água potável que flui numa direcção F2 na pluralidade de tubos de serpentina 108. Por esta razão, de acordo com modelos de realização da presente invenção cada um da pluralidade de tubos de serpentina 108 está em contacto com o tubo central 102, de modo que o beneficio dos fluxos quentes de águas residuais pode ser aplicado ao liquido que flui em cada um da pluralidade dos tubos de serpentina 108. Embora o liquido flua nos tubos de serpentina 108 numa direcção que parece ser um tanto perpendicular a Fl, o liquido nos tubos de serpentina 108 progride ao longo do permutador de calor numa direcção F2 e, portanto, cria um permutador de calor de contrafluxo.

Embora o modelo de realização da Fig. 2 seja mostrado com os fluxos de liquido Fl e F2 de modo que o permutador de calor é um permutador de calor de contrafluxo, o mesmo dispositivo pode ser usado com os fluxos de liquido Fl e F2 em direcções substancialmente semelhantes, ou substancialmente paralelas. Ocasionalmente este é um método de instalação desejável, como é conhecido pelos técnicos especialistas.

Com o modelo de um permutador de calor 10 0 como mostrado na Fig. 2, a pluralidade de tubos de serpentina pode ser de dois ou mais tubos que são enrolados em conjunto em torno do tubo central para formar uma hélice. Um resultado deste modelo é que os fluxos de liquido através da pluralidade de tubos de serpentina 108 17 ΡΕ1723375 começam/acabam na mesma extremidade do tubo 102, formando um permutador de calor de contrafluxo. Por outras palavras, as extremidades de entrada de fluxo 110 dos tubos de serpentina são, de preferência, cada uma provida na ou perto da extremidade de entrada do fluxo 104 do tubo central. As extremidades de saída do fluxo 112 dos tubos de serpentina são, de preferência, cada uma provida na ou perto da extremidade de saída do fluxo 106 do tubo central. Isto proporciona uma menor perda de pressão de líquido através dos tubos de serpentina 108 em oposição a um permutador de calor que tenha uma única helicoidal em torno do tubo central, como é conhecido da tecnologia anterior.

Para resumir o exemplo geral mostrado na fig. 2, um permutador de calor da serpentina sobre tubo é proporcionado com um tubo central para o fluxo de um primeiro líquido. O permutador de calor inclui uma pluralidade de canais ou tubos de serpentina, para o fluxo de um segundo líquido. Os tubos de serpentina são helicoidalmente enrolados em paralelo uns com os outros ao longo do comprimento do tubo central. Cada um da pluralidade dos tubos de serpentina está em contacto com o tubo central e estende-se substancialmente ao longo do mesmo comprimento do tubo central, de preferência, substancialmente ao longo de todo o comprimento do tubo central. O permutador de calor é utilizado para a recuperação de calor de águas residuais, onde o fluxo do primeiro líquido é um fluxo de água de drenagem e o fluxo do segundo líquido é um fluxo de água potável. 18 ΡΕ1723375 A Fig. 3 ilustra um permutador de calor de serpentina sobre tubo. Como mencionado anteriormente, cada um da pluralidade dos tubos de serpentina estende-se substancialmente ao longo do mesmo comprimento do tubo central. No modelo de realização da Fig. 2, os canais ou tubos de serpentina, 108 estendem-se substancialmente ao longo de todo o comprimento do tubo central 102. No entanto, isto nem sempre é desejado. No modelo de realização da Fig. 3, a pluralidade de serpentinas estende-se substancialmente ao longo do mesmo comprimento do tubo central 102, mas não se estende substancialmente ao longo de todo o comprimento do tubo central. Este modelo de realização ilustra que a hélice formada pela pluralidade de tubos de serpentina 108 pode iniciar-se numa parte ao longo do tubo central 102, e pode terminar numa parte ao longo do tubo central 102.

Neste exemplo particular, a hélice de cinco tubos de serpentina estende-se ao longo de cerca de metade do comprimento do tubo central 102. As extremidades de entrada do fluxo 110 dos tubos da serpentina 108 são proporcionados substancialmente nas extremidades de saida do fluxo 106 do tubo central, e as extremidades de saída do fluxo 112 dos tubos da serpentina são proporcionados num ponto ao longo do comprimento do tubo central 102, tal como a cerca de metade do comprimento, no caso da Fig. 3.

Uma implementação tal como a da Fig. 3 é vantajosa para certas aplicações. Por exemplo, numa 19 ΡΕ1723375 situação em que um permutador de calor é para ser instalado numa casa tendo articulações de cotovelo abruptas, o permutador de calor da Fig. 3 pode ser preferencialmente utilizado. Tendo um tubo central 102 nu para unir com o cotovelo permite um melhor e mais uniforme revestimento da água de drenagem da parede interior do tubo central se for proporcionado um bordo de ataque ("leading edge"), em vez da hélice se estender ao longo daquela porção. Além disso, os tubos de serpentina 108 contribuiem para a maioria do peso e do custo do material de um permutador de calor de acordo com modelos de realização da presente invenção. Portanto, há situações em que ter a hélice estendida apenas ao longo de uma porção do comprimento do tubo central é necessário ou preferível, isto pode resultar numa poupança de custo em termos da produção do permutador de calor.

Os modelos de realização descritos em relação à Fig. 2 e Fig. 3 mostram um permutador de calor com uma hélice única formada pela pluralidade de tubos de serpentina 108. Outros permutadores de calor incluem uma pluralidade de tais hélices. A Fig. 4 ilustra um permutador de calor que inclui uma pluralidade de hélices. Uma primeira e segunda hélices 114 e 116 incluem uma primeira e segunda pluralidade de tubos de serpentina 118 e 120, respectivamente. Como ilustrado na Fig. 4, as hélices podem ser de comprimentos diferentes, e podem incluir um número diferente de tubos de serpentina. Por exemplo, a hélice 114 estende-se ao longo de aproximadamente 2/3 do comprimento do tubo central 102 e inclui quatro tubos de serpentina 20 ΡΕ1723375 118, enquanto a hélice 116 se estende ao longo de aproximadamente 1/3 do comprimento do tubo central 102 e inclui dois tubos de serpentina 120.

Uma implementação tal como a da Fig. 4 é vantajosa para certas aplicações, tais como algumas aplicações industriais, em que um primeiro fluxo de liquido e um segundo fluxo de liquido podem ser vantajosamente mantidos a temperaturas diferentes. Por exemplo, um primeiro fluxo de liquido pode ser usado para a limpeza de pavimentos, e é desejado ser mantido a uma temperatura elevada. Um segundo fluxo de liquido pode ser usado para outro processo, tal como um processo químico, em que a temperatura do líquido deve ser mantida dentro de uma determinada gama de temperatura, por exemplo, inferior a 30 graus Celsius. Em tal caso, um exemplo como o ilustrado na Fig. 4, pode ser utilizado vantajosamente, proporcionando as vantagens da presente invenção, com alguma da flexibilidade de alimentar separadamente fluxos líquidos, como na Fig. 1. Além disso, a fabricação de hélices mais pequenas pode ser mais fácil, e pode ser preferível quando um elevado número de canais paralelos, ou serpentinas, é usado. Como ilustrado na Fig. 4, as hélices não precisam cobrir todo o comprimento do tubo central 102. Uma tal implementação pode ser útil em situações em que existem limitações físicas num local onde o permutador de calor está a ser instalado, e pode não ser necessário ter os canais ou tubos de serpentina, cobrindo uma porção particular do tubo central. 21 ΡΕ1723375

Os canais ou tubos de serpentina, 108 não estão limitados a tubos com a mesma secção transversal ou de qualquer secção transversal especifica. Qualquer número de tubos de diferentes formas/perfis transversais e diferentes tamanhos podem ser enrolados em paralelo para formar o permutador de calor. Num modelo de realização preferido, os canais ou tubos de serpentina 108 são de substancialmente igual, ou substancialmente semelhante, área de secção transversal, de modo a tratar um volume substancialmente semelhante de fluxo através de cada tubo. No entanto, cada canal ou tubo de serpentina 108 pode ser de diferente perfil e ter secção transversal de dimensão diferente. A pluralidade de canais ou tubos de serpentina pode ter, cada um, perfis da secção transversal substancialmente semelhantes, tal como um perfil da secção transversal que é substancialmente rectangular ou substancialmente circular. O perfil da secção transversal pode, alternativamente, ter uma superfície plana numa interface com o tubo central, e não ter necessariamente uma superfície plana nas partes que não fazem interface com o tubo central. Os perfis da secção transversal podem ser dimensionados de modo que cada tubo de serpentina pode receber um volume substancialmente semelhante do fluxo de líquido. A pluralidade de canais ou tubos de serpentina pode ser de tamanho e/ou comprimento substancialmente igual. A pluralidade de canais, ou tubos de serpentina, 108 podem ser referidos colectivamente como uma hélice. O passo da hélice pode, de preferência, ser ajustado de 22 ΡΕ1723375 acordo com o número de tubos de serpentina a ser utilizado, de modo que a distância entre espiras ("wraps") e tubos de serpentina é minimizada, embora este espaço possa variar e não necessita ser constante. Assim, a pluralidade de tubos de serpentina pode ser enrolada em torno do tubo central de forma mais eficiente, sem deixar espaço significativo entre espiras sucessivas de tubo e assim fazendo uso máximo da área de transferência do calor disponível. Por outras palavras, a pluralidade de tubos de serpentina é, de preferência, disposta numa hélice de tal modo que há um espaço mínimo entre cada um da pluralidade de tubos de serpentina. Em comparação com os permutadores de calor de serpentina única sobre tubo da tecnologia anterior, e com aqueles que utilizam serpentinas múltiplas cada uma cobrindo uma área longitudinal diferente do tubo central, os exemplos de permutadores de calor para uso no processo da presente invenção têm um maior passo. Por exemplo, quando cada um dos tubos de serpentina é da mesma largura, entre cada anel ou enrolamento de um determinado tubo de serpentina são providos o(s) outro (s) tubo(s) da pluralidade de tubos de serpentina.

Um exemplo particular é proporcionado na Fig. 5, que mostra uma vista em perspectiva de um permutador de calor de serpentina sobre tubo de contrafluxo, incluindo um colector ou tubo de distribuição. 0 exemplo na Fig. 5 ilustra um permutador de calor serpentina sobre tubo de contrafluxo com seis canais ou tubos de serpentina paralelos 108. O fluxo de líquido é dividido, neste modelo 23 ΡΕ1723375 de realização, numa extremidade de entrada de fluxo da hélice, utilizando um colector de entrada de fluxo 122, para a pluralidade de canais ou tubos de serpentina 108. O colector de entrada pode, assim, dividir o fluxo de líquido que entra numa pluralidade de fluxos paralelos para se deslocarem ao longo de um percurso substancialmente semelhante em torno da hélice na pluralidade de tubos de serpentina. Um colector de saída 124 semelhante mistura os fluxos múltiplos na pluralidade de tubos de serpentina 108 em apenas um fluxo único na extremidade de saída da hélice. Como mencionado anteriormente, a extremidade de entrada de fluxo da hélice é de preferência proporcionada na ou perto da extremidade de saída de fluxo 106 do tubo central, e a extremidade de saída do fluxo da hélice é de preferência proporcionada na ou perto da extremidade de entrada de fluxo 104 do tubo central. O fluxo de líquido de entrada é assim dividido numa pluralidade de fluxos paralelos que percorrem um percurso substancialmente semelhante em torno da hélice, numa direcção oposta à do fluxo através do tubo central. Em relação a modelos que têm uma única serpentina helicoidal, a perda de pressão com a deslocação do liquido através dos tubos da serpentina é muito menor.

Vale a pena notar que um colector, ou tubo de distribuição, ou uma pluralidade destes podem ser proporcionados em qualquer dos exemplos descritos. Por exemplo, um par de colectores de entrada e de saída pode ser adequadamente utilizado com o modelo de realização mostrado na Fig. 4. - 24 - ΡΕ1723375

Claro que, um permutador de calor aqui descrito não precisa de um colector para operar. Por exemplo, a pluralidade de tubos de serpentina pode ter muitas entradas diferentes de liquido. Como tal, cada uma dessas entradas diferentes de liquido pode beneficiar do permutador de calor, sem terem de ser processados em conjunto. Os diferentes fluxos de liquido na pluralidade de tubos de serpentina podem, cada um, ser processados separadamente nas extremidades de entrada e de saída da hélice. Além disso, pode haver qualquer combinação de colectores (de zero a muitos) na entrada e na saída.

As Figs. 6-9 ilustram exemplos alternativos relacionados com os exemplos mostrados nas Figs. 2-5. Embora números de referência adicionais sejam indicados, a descrição dos números e caracteres de referência previamente utilizados é omitida da presente discussão, por uma questão de brevidade, uma vez que são utilizados para representar peças semelhantes. A Fig. 6 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor 200 de acordo com um exemplo de tubo único, canais múltiplos. A Fig. 6 é semelhante à Fig. 2, mas com três canais 108 a ser implementados num único tubo, ou tubo de fita, 208. A Fig. 7 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor 200 de acordo com um outro exemplo de tubo único, canais múltiplos. A Fig. 7 é semelhante à Fig. 25 ΡΕ1723375 3, com seis canais 108 num tubo único, ou o tubo de fita, 208 . A Fig. 8 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor 200 de acordo ainda com outro exemplo de tubo único, canais múltiplos incluindo uma pluralidade de hélices. A Fig. 8 é semelhante à Fig. 4, mas com dois conjuntos diferentes de canais que são proporcionados na forma de tubo único. Uma primeira e uma segunda hélice, ou tubo único, 214 e 216 incluem uma primeira e uma segunda pluralidade de canais 218 e 220, respectivamente. Como ilustrado na Fig. 8, as hélices podem ser de comprimentos diferentes, e podem incluir um número diferente de tubos de serpentina. Por exemplo, a hélice 214 estende-se ao longo de aproximadamente 2/3 do comprimento do tubo central 102 e inclui quatro canais 218, enquanto a hélice 216 se estende ao longo de aproximadamente 1/3 do comprimento do tubo central 102 e inclui dois canais 220. No exemplo da Fig. 8, os dois canais 220 são mostrados como tendo tamanhos diferentes, enquanto que os quatro canais 218 são mostrados como tendo tamanhos semelhantes. A Fig. 9 ilustra uma vista em perspectiva de um permutador de calor 200 de acordo com um outro exemplo de tubo único, canais múltiplos, incluindo um colector de entrada e um colector de saída. A Fig. 9 é semelhante à Fig. 5, sendo proporcionados seis canais num único tubo 208, e colectores anexos. O fluxo de líquido é dividido, neste exemplo, numa extremidade de entrada de fluxo da 26 ΡΕ1723375 hélice, utilizando um colector de entrada de fluxo 222, e um colector semekhante de saida de fluxo 224 mistura outra vez os vários fluxos num único fluxo na extremidade de saida de fluxo da hélice. Como mencionado anteriormente, a extremidade de entrada de fluxo da hélice é de preferência proporcionada na ou perto da extremidade de saida do fluxo 106 do tubo central, e a extremidade de saida de fluxo da hélice é de preferência proporcionada na ou perto da extremidade de entrada de fluxo 104 do tubo central.

Por conveniência, os permutadores de calor podem usar tubos de cobre de tamanho e diâmetros Standard. Claro que, qualquer tubo com outro diâmetro, outra forma ou de outro material pode ser utilizado para o tubo central ou tubos de serpentina. Como áreas maiores de contacto entre cada um da pluralidade de tubos de serpentina 108 e tubo central 102 ajudam a transferência de calor, tubos de serpentina helicoidais com um perfil de secção transversal substancialmente achatado, ou rectangular, estão incluídos. A fim de limitar as perdas de pressão de líquido a uma quantidade modesta para diferentes tamanhos de permutadores de calor, os permutadores de calor usam diferentes números de tubos de serpentina, como 2 a 6 tubos de serpentina. Por exemplo, eles podem ter uma multiplicidade de tubos de serpentina que é o número máximo que pode ser enrolado em torno do tubo central, de modo que, essencialmente, o permutador de calor tem uma série de "anéis" sobre o tubo, uma vez que cada tubo de serpentina 27 ΡΕ1723375 só completa uma única volta do tubo central.

Devido ao processo de produção, os tubos de serpentina são enrolados em torno do tubo central num sentido anti-horário. 0 enrolamento dos tubos de serpentina num sentido horário ainda está no âmbito da presente invenção. Os tubos de serpentina são de preferência ancorados ao tubo central em cada extremidade por uma âncora. As âncoras podem ser proporcionadas na extremidade de entrada e/ou na extremidade de saída de cada um dos tubos de serpentina. A âncora pode ser proporcionada por quaisquer meios adequados, tal como brasagem ou soldadura, de forma a manter a tensão nos tubos que vai mantê-los enrolados firmente em torno do tubo e, assim, assegurar um bom contacto térmico.

Em resumo, é proporcionado um permutador de calor de canal sobre tubo que utiliza múltiplos canais helicoidais paralelos para limitar as perdas de pressão de líquido, proporcionando pelo menos uma performance e tempos de produção semelhantes aos anteriores modelos de serpentina e tubo. Uma pluralidade de canais, que podem ser implementados dentro de um ou mais tubos de serpentina, são helicoidalmente enrolados conjuntamente em torno de um tubo central em paralelo uns com os outros, formando assim um permutador de calor de contrafluxo. 0 sistema pode incluir um colector, ou tubo de distribuição, para ligar dois ou mais dos canais uns aos outros no início e/ou no final do tubo. No entanto, cada canal individual pode, 28 ΡΕ1723375 alternativamente, ser ligado a uma carga separada e mantido independente e, portanto, não é necessário um colector para o funcionamento da invenção. Estes permutadores de calor proporcionam vantajosamente uma perda de pressão reduzida, melhor performance e são geralmente mais rápidos e mais fáceis de fabricar do que outros permutadores de calor.

Lisboa, 28 de Junho de 2012

Claims

ΡΕ1723375 1 REIVINDICAÇÕES 1. Um processo para aquecimento de água potável usando calor recuperado a partir de água de drenagem, o processo compreende: proporcionar um tubo central (102) para receber a água de drenagem; proporcionar uma pluralidade de condutas (108) para receber a água potável, em que a pluralidade de condutas são helicoidalmente enroladas, num relação paralela, ao longo de pelo menos uma porção do comprimento do tubo central (102), estando cada uma da pluralidade de condutas (108) em contacto com o tubo central (102) para permitir a transferência de calor entre os mesmos; fazer com que a água de drenagem flua através do tubo central (102), para desse modo fazer com que o calor da água de drenagem seja transferido para a pluralidade de condutas (108) através do tubo central (102), e fazer com que a água potável flua através da pluralidade de condutas (108), para desse modo aquecer a água potável.
2. O processo da reivindicação 1 em que: a água de drenagem é levada a fluir numa primeira direcção e a água potável é levada a fluir numa segunda direcção; e a primeira direcção é substancialmente oposta à segunda direcção. 2 ΡΕ1723375 3. 0 processo da reivindicação 1 em que: a água de drenagem é levada a fluir numa primeira direcção e a água potável é levada a fluir numa segunda direcção; e a primeira direcção é substancialmente a mesma que a segunda direcção. 4. 0 processo da reivindicação 1 em que: cada uma da pluralidade das condutas (108) inclui uma entrada única disposta numa primeira extremidade da dita conduta para a recepção da água potável e uma saída única disposta na extremidade oposta à primeira extremidade para a descarga de água potável aquecida; o processo inclui ainda a etapa de proporcionar um colector de entrada (122, 222) em comunicação fluida com a entrada única disposta na primeira extremidade de cada respectiva conduta; a etapa de proporcionar um colector de saída (124, 224) em comunicação fluida com a saída na extremidade de cada conduta; a etapa de fazer com que a água potável flua inclui permitir que a água potável flua a partir do colector de entrada para a entrada de cada conduta e em que o processo inclui ainda a etapa de descarga da água potável desde a saída na extremidade de cada conduta para o colector de saída (124, 224).
5. O processo da reivindicação 1 em que a dita pluralidade de condutas compreende seis condutas e em que: 3 ΡΕ1723375 cada conduta inclui uma entrada única disposta numa primeira extremidade da dita conduta para a recepção da água potável e uma única saida disposta na extremidade oposta à primeira extremidade para a descarga da água potável aquecida, as ditas extremidades das condutas têm as ditas saídas co-localizadas e unidas, em comunicação fluida, com um colector de saída cilíndrico (124); e as primeiras extremidades das condutas têm as ditas entradas co-localizadas e unidas, em comunicação fluida, com um colector de entrada cilíndrico (122), em que o processo inclui ainda a etapa de misturar a água potável aquecida descarregada a partir das extremidades das condutas que têm as ditas saídas, estando o dito colector de saída cilíndrico (124) preparado para realizar a dita mistura. 6. 0 processo da reivindicação 1 ou da reivindicação 5 em que a pluralidade de condutas (108) se estende substancialmente ao longo de todo o comprimento do tubo central (102).
7. O processo da reivindicação 1 em que a pluralidade das condutas (108) são enroladas helicoidalmente em torno do tubo central (102), de uma tal forma que minimize o espaçamento entre condutas adjacentes. Lisboa, 28 de Junho de 2012