PT1965165E

PT1965165E - Permutador de calor

Info

Publication number: PT1965165E
Application number: PT08011359T
Authority: PT
Inventors: Bashir I Master; Krishnan S Chunangad; Venkateswaran Pushpanathan
Original assignee: Lummus Technology Inc
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2011-11-10
Also published as: PL1965165T3; ES2315706T3; CN1584482B; DK1668306T3; ATE527512T1; ES2373797T3; KR20060090972A; EP1668306B1; CN2791574Y; CA2535395C; MXPA06001731A; CN101598509A; PT1668306E; CN101598510A; EP1965165A2; JP4401388B2; EP1965165B1; WO2005019758A1; KR101016858B1; EP1965165A3

Description

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DESCRIÇÃO "PERMUTADOR DE CALOR"

SUMÁRIO DA INVENÇÃO 1. Campo técnico

Esta invenção refere-se a um permutador de calor e, mais particularmente, mas não exclusivamente, a um permutador de calor de corpo e tubo configurado para fornecer uma velocidade uniforme de fluxo de fluido ao longo de uma trajetória helicoidal e uma transferência de calor maximizada. 2. Sumário da invenção

Uma batalha constante para maximizar a produção por montagens de transferência de calor e/ou geração de calor como principal objectivo a alcançar o seguinte:

Maior eficiência de transferência de calor;

Inferior queda de pressão;

Maior desempenho;

Protecção eficaz contra vibrações; e Redução de custos de instalação e manutenção.

Se é o offshore, refinaria, energia, petroquímica ou indústrias de papel e alimentar, permutadores de calor são frequentemente o núcleo dos objectivos acima enumerados. Inúmeras configurações do permutador de calor são conhecidos e usados para uma variedade de aplicações. Uma das configurações amplamente utilizada do permutador de calor, um permutador de calor de corpo e tubo da Fig.l compreende um corpo cilíndrico 10 que aloja um feixe de tubos paralelos 12, que se estendem entre duas placas 14 2 finais de modo que um primeiro fluido 16 possa passar pelos tubos 12. Enquanto isso, um segundo fluido 18 flui dentro e através do espaço entre as duas placas finais, de modo a entrar em contacto com os tubos. Para fornecer uma melhor transferência de calor entre os dois fluidos, o fluxo do segundo fluido 18 é definido por defletores intermediários 20 formando passagens respectivas, que são dispostas de modo a que o segundo fluxo de fluido mude de direção ao passar de uma passagem para a seguinte. Os defletores 20, configurados como anéis anelares e discos, estão instalados perpendicularmente a um eixo longitudinal 22 do corpo 10 para fornecer um fluxo em ziguezague 24 do segundo fluido 18.

Desvantajosamente, o segundo fluido tem que bruscamente mudar a direção do seu fluxo várias vezes ao longo do comprimento do corpo. Isto provoca uma redução na pressão dinâmica do segundo fluido e velocidade de fluxo não uniforme, mesmo que, em combinação, afeta adversamente o desempenho do permutador de calor. A comunidade científica tem tido conhecimento de que uma posição perpendicular dos defletores em relação ao eixo longitudinal do corpo é em grande parte responsável por uma taxa relativamente ineficiente de transferência de calor/queda de pressão. Defletores adjacentes estendendo-se paralelamente entre si e num ângulo reto em relação ao eixo longitudinal do corpo definem um caminho de fluxo cruzado caracterizado por inúmeras curvas fechadas entre canais adjacentes. A eficiência da transferência de calor pode ser melhorada através da redução do espaçamento ou janela entre os defletores. No entanto, diminuindo a janela resulta em alta velocidade do fluxo ao longo das laterais exteriores dos defletores, que são justapostos com o corpo, e 3 velocidade de fluxo baixa mais próximo do centro do corpo. A não uniformidade da distribuição do fluxo dentro de cada segmento definido entre os defletores adjacentes provoca numerosos redemoinhos, regiões de estagnação como também expansão/contração de extensões de tubagem, que diminuem as taxas de transferência de calor por convecção. Outro fator que contribui para uma diminuição da taxa de transferência de calor é atribuído ao fato de que os tubos atravessados pelo primeiro fluido têm que ser posicionados a uma certa distância radial do corpo. Consequentemente, o fluxo cruzado em torno dos tubos localizados perifericamente é mais rápido que em torno de tubos montados centralmente.

Assim, a disposição convencional dos defletores, como descrito acima resulta num desvio de f luxo através das folgas defletor-a-corpo e tubo-a-defletores. Desvio do fluxo reduz a transferência de calor de fluxo cruzado, enquanto a má distribuição do fluxo causada por variações significativas de velocidade aumenta o refluxo e redemoinhos nas zonas mortas, e consequentemente maior taxa de sujidade na lateral do corpo. Tal má distribuição de fluxo leva a altas temperaturas e à corrosão dos tubos periféricos causando a sua deterioração rápida e, como consequência, o reduzido papel no processo de transferência de calor. Desde que o desenho do permutador de calor é baseado na contribuição uniforme de cada tubo da totalidade do feixe para o processo de transferência de calor, os tubos que tenham sido danificados não podem atender a este requisito e devem ser substituídos. Custos associados com tal substituição são elevados tornando o custo de manutenção do permutador de calor proibitivo.

Além disso, a disposição convencional pode causar grandes perdas por vibrações induzidas pelo fluxo desde que tubos 4 de longo alcance, muitas vezes de 24 pés de comprimento são suportados por uma sucessão de defletores que, a fim de resolver o problema associado com a velocidade não uniforme, são espaçados numa distância substancial. Como resultado do elevado gradiente térmico e fluxo cruzado não uniforme, riscos de vibração são significativos. US-A-1 525 094 divulga um permutador de calor tendo lâminas não perpendiculares.

Assim, é desejável configurar um conjunto de defletores que podem atingir os seguintes objectivos:

Uniformidade de fluxo cruzado através de um corpo levando a uma melhoria da taxa de convecção de transferência de calor;

Estabilidade e correção do posicionamento real de múltiplos defletores relativos a múltiplos tubos apoiados por um conjunto de defletores ou caixa; e

Facilitação da instalação de um conjunto de defletores. SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Estes objectivos foram alcançados através da substituição de defletores convencionais de placas segmentadas com uma sucessão de defletores em forma de quadrante espaçados entre eles, cada um posicionado num ângulo para um eixo longitudinal de um corpo para criar um caminho de fluxo pseudo helicoidal na lateral do corpo. Uma das vantagens da estrutura inventiva é que os defletores posicionados angularmente atuam como palhetas guia para o fluxo cruzado, que tem velocidade substancialmente uniforme ao longo dos lados opostos de cada defletor, evitando assim o refluxo e redemoinhos. 5

Assim, em vez de apertar o fluxo cruzado como feito no desenho convencional acima discutido, uma sucessão de defletores inclinados direciona o segundo fluido ao longo de um percurso de fluxo helicoidal mais natural, fornecendo uma taxa de fluxo substancialmente uniforme e minimização das fugas. Uma vez que a velocidade do fluxo é substancialmente uniforme em ambos os lados de cada defletor, um gradiente de pressão através do último é insignificante. Por isso, não há fugas indesejáveis sobre ou através dos defletores, e o fluxo, como teoricamente desenhado, ocorre principalmente ao longo da superfície dos defletores, que estão virados para a parede interior do corpo e formam os picos da trajetória helicoidal. Assim, enquanto o segundo fluido pode percorrer toda a extensão do corpo mais rápido ou mais lento, dependendo do ângulo dos defletores em relação à normal ao eixo longitudinal do corpo, a velocidade do fluxo permanece constante.

Além disso, como o fluxo de energia consumido em expansão e contração de elementos de fluxo de transporte é mínima, as perdas de pressão são meramente uma fração das perdas observadas nos permutadores de calor de defletores convencionais. Assim, a geometria helicoidal dos defletores oferece uma conversão muito superior de queda de pressão disponível para transferência de calor.

De acordo com um aspecto da invenção, quadrantes defletores helicoidais refletem os segmentos das placas elípticas. Configuração das superfícies exteriores de forma elíptica justapostas com a parede interna do corpo prevê apertadas folgas entre as mesmas e, como consequência, minimiza fugas quando o feixe de tubos defletor helicoidal é inserido no corpo. 6

Para garantir o posicionamento desejado dos múltiplos defletores em relação uns aos outros e a um feixe de tubos posteriormente montado através desses defletores, a invenção fornece diversas configurações de elementos reforçados interligando uma sucessão de defletores. De acordo com uma forma de realização, bandas de vedação separadas longitudinalmente são soldadas às laterais do defletor dos defletores adjacentes. Alternativamente, bandas espaçadoras podem ligar tirantes, que são configurados para garantir a distância entre defletores. Finalmente, os flancos radialmente opostos de cada defletor podem ter um alargado rebordo angular fornecido com furos completamente formados que são atravessados por aqueles tubos que de outra maneira seriam seguros em furos semiabertos formados ao longo de laterais opostas dos defletores adjacentes.

Ainda um outro aspecto da invenção prevê uma disposição helicoidal do defletor incluindo duas sequências de defletores, que formam um padrão de dupla hélice. Tal estrutura é particularmente vantajoso para o reforço de longas extensões de tubos, sem, contudo, afetar a velocidade uniforme do fluxo. A estrutura inventiva é igualmente vantajosa para as instalações existentes, bem como para aplicações de base. Para as primeiras, a vantagem da estrutura inventiva é que ajuda a aumentar a capacidade enquanto reduz os custos de manutenção. De fato, a percentagem de tubos necessários a serem substituídos devido à corrosão e à falha mecânica é substancialmente reduzida como resultado da eliminação de redemoinhos ou refluxo. Para as aplicações de base, a estrutura inventiva ajuda a reduzir o espaço de terreno, custos de energia e investimento. 7 É, portanto, um objetivo da invenção fornecer uma disposição melhorada do defletor no permutador de calor de corpo e tubo configurado para minimizar a não uniformidade da velocidade de fluxo cruzado e para maximizar a taxa de transferência de calor;

Ainda mais um objetivo da invenção é fornecer uma placa deflectora de quadrante de forma a minimizar distâncias entre a disposição do defletor e a lateral interior do corpo;

No entanto, outro objetivo da invenção é fornecer uma série de defletores quadrantes com disposições reforçadas configuradas para facilitar a inserção e garantir a posição desejada dos tubos nos defletores quadrantes;

Outro objetivo da invenção é fornecer uma disposição de dupla hélice dos defletores quadrantes configurada para melhorar a integridade do feixe contra vibrações induzidas pelo fluxo; e

Ainda mais um objetivo da invenção é configurar os defletores quadrantes para que a instalação da disposição da dupla hélice seja de trabalho eficaz.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS 0 exposto e outros objetivos, caracteristicas e vantagens irão tornar-se facilmente perceptíveis a partir da descrição que se segue acompanhada por um conjunto de desenhos, em que: FIG.l é uma vista esquemática da distribuição do fluxo num permutador de calor convencional de corpo e tubo; 8 FIG.2 é uma vista esquemática em perspectiva do permutador de calor inventivo; FIG.3 é uma vista em perspectiva de uma caixa defletora; FIG.4 é uma vista isométrica de alçado de um conjunto de defletores de quatro quadrantes; FIG.5 é uma vista de um único defletor configurado de acordo com a invenção; FIG.6 é uma vista lateral de alçado do permutador de calor inventivo da FIG.2 ilustrando bandas de vedação longitudinais; FIG.7 é uma vista de alçado do permutador de calor inventivo ilustrando bandas de reforço; FIG.8 é uma vista de alçado dos defletores de quadrante inventivos configurados de acordo com outra forma de realização da invenção; FIG. 9 é uma vista esquemática de uma configuração de dupla hélice da invenção da distribuição do defletor de quadrante helicoidal.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA FORMA. DE REALIZAÇÃO PREFERENCIAL

Referindo-se à Fig.2, ao permutador de calor 30 de defletores helicoidais inventivo, é configurado com uma pluralidade de segmentos de placas defletoras 32 em forma de quadrante cada posicionada num ângulo λ em relação a uma normal N-N para um eixo longitudinal A-A de um corpo 34. As placas defletoras 32 de quadrante, (doravante referidas como defletores), portanto guiam um fluxo 36 cruzado 9 lateral do corpo num padrão helicoidal e numa redução sem apoio de extensões de tubos entre os defletores. 0 resultado é um fluxo verdadeiramente cruzado na lateral do corpo com a conversão eficaz da queda de pressão disponível para transferência de calor e risco reduzido devido à minimização da vibração dos tubos 40 atravessados por outro fluido. Não há pontos mortos ao longo do fluxo 36 cruzado para sujar, e o desperdício de energia dos redemoinhos ou o refluxo é substancialmente eliminado. Embora os defletores 32, como mostrado nos desenhos que acompanham, são planos, os lados opostos de cada defletor podem ser curvados para guiar o fluxo 36 cruzado ao longo do padrão helicoidal.

Como ilustrado nas Figs.3 e 4, uma caixa defletora 26, que é uma combinação de sucessivos defletores ou placas de quadrante 32 posicionadas no ângulo λ e interligados por uma pluralidade de tirantes 28, serve como um suporte para múltiplos tubos 40 e como um guia helicoidal para o fluxo cruzado 36. De preferência, a caixa tem um tubo central 38 (FIG.4) apoiando cada um dos defletores numa desejada posição angular respetivamente caracterizada por um alinhamento entre os buracos 50 dos defletores 32 sucessivos, que é necessário para a instalação eficiente de uma pluralidade de tubos 40 dentro do corpo. Para garantir a correta posição angular dos defletores 32 e, assim, a precisão estrutural da caixa 26, um vértice de cada defletor é perfurado com um entalhe angular único 42 formado de modo que os defletores 32 mantenham o ângulo λ ao serem deslocados ao longo do tubo central 38.

De acordo com uma forma de realização adicional da invenção, a instalação de bandas 44 de vedação longitudinais entre as os defletores 32, como ilustrado nas Figs. 3 e 6, reforça ainda mais a precisão da caixa 26. A 10 geometria dos defletores 32 é configurada para ter extremidades 48 arredondadas de laterais periféricas 46 dos defletores 32 opostas uma à outra. Se os defletores permanecem não suportados, então minimas irregularidades estruturais e descargas de fluxo podem causar desalinhamento dos furos do tubo 50 dos sucessivos defletores. Fazendo a ponte dessas regiões finais 48 não suportadas com bandas de vedação 44, cada acoplando uma linha respectiva de defletores paralelos, melhora o alinhamento entre os furos do tubo 50, e, mediante a fixação da posição desejada dos defletores, permite uma instalação eficiente dos tubos 40.

As bandas 44 de vedação fornecem uma estrutura simples, eficiente e custo-eficacia, assegurando a posição correta dos defletores adjacentes e da fixação fiável dos tubos comuns a esses defletores. Vantajosamente, as bandas de vedação 44 são posicionadas entre a folga das laterais exteriores 46 (Figs.4, 5) dos defletores e do interior do corpo para evitar interferências com o fluxo cruzado e podem ser de várias formas, incluindo uma forma poligonal ou anular. Cada uma das bandas 44 de vedação estende-se continuamente ao longo de todo o comprimento da caixa 26 e são soldadas por pontos ou soldadas por pingos às extremidades arredondadas 48.

De acordo com uma forma de realização mostrada na Fig.7, a folga desejada entre os defletores adjacentes pode ser alcançada através de bandas espaçadoras ou placas de reforço 56 através dos tirantes 28, cada um dos quais está ligado respectivamente a um dos defletores 32 adjacentes, como visto melhor na Fig.3. Esta disposição reforçada tem parcialmente a mesma deformação que a forma de realização divulgada imediatamente acima e permite o desejado 11 alinhamento entre os furos 50 do tubo dos defletores 32. Uma outra vantagem decorrente da instalação de placas de reforço 56 permite o seguro acoplamento dos tubos comuns 80 aos defletores adjacentes 32 (Figs.3 e 9) . Entalhes semicirculares 52 (Figs.4, 5) formados ao longo dos flancos 54 dos defletores adjacentes envolve os tubos comuns 80 de lados opostos. Tendo sido reforçados pelas placas 56, os defletores 32 são reforçados angularmente em relação um ao outro de modo que os entalhes 52 formados sobre os defletores adjacentes envolvam de forma segura os tubos 80 entre eles mesmos.

De acordo com ainda mais forma de realização alternativa do elemento reforçado da invenção, as regiões 49 finais dos defletores 32 adjacentes podem ser apoiadas por uma linha ou linhas de tubo comum, como mostrado na Fig. 8. Especificamente, a região final 49 do defletor 32 é formada como uma saliência ou secção estendida 58 tendo pelo menos uma abertura 60. Secções sobrepostas 58 dos defletores adjacentes são assim posicionadas que as aberturas 60 estão alinhadas em relação uma à outra e atravessadas pelos tubo(s) 50. Esta forma de realização é particularmente vantajosa, pois não há necessidade de outros elementos de reforço para alinhar os defletores adjacentes, que, se utilizados como mostrado nas Figs. 6 e 7, aumentam os custos de fabrico, instalação e manutenção.

Em conformidade com as particularidades estruturais do permutador de calor de configuração de corpo e tubo, cada defletor 32 termina a uma distância radial a partir de uma parede 62 interna do corpo 34 (Fig.2). Convencionalmente, uma placa defletora tem uma lateral periférica em conformidade com um arco circular do corpo. Posicionando os defletores circulares no ângulo λ fornecia necessariamente 12 uma folga não uniforme entre a parede 62 interior circular do corpo e a lateral periférica exterior do defletor, se este ultima for em forma complementar à parede interior 62. Assim, a velocidade do fluxo através da folga não uniforme seria não uniforme também. Para remediar isso, os defletores inventivos 32, como mostrado nas Figs. 4 e 5, cada um tem a lateral periférica exterior 46 com a forma de um segmento de superfície elíptica, que, quando os defletores 32 são posicionados num ângulo λ, são uniformemente espaçados da parede interior 62 do corpo.

Fig.9 ilustra uma distribuição de defletor dupla hélice 90 configurado de acordo com a invenção. Aumentando a frequência dos defletores 32, uma distância não suportada dos tubos 40 (Fig.3) é reduzida para metade, sem, contudo, afetar a velocidade do fluxo cruzado, que permanece substancialmente uniforme.

Aumentar a frequência dos defletores 32 coloca um problema de posicionamento dos defletores adjacentes na caixa 26 por causa do défice de espaço. Como mostrado nas Figs. 4 e 9, defletores 94 e 94' de primeira hélice 96 e segunda hélice 98, respectivamente, cada um tem um buraco 100 perfurado no ângulo λ desejado e dimensionado para cercar e deslizar ao longo do tubo central 38 (Fig.4). Assim, girando estes defletores sobre o tubo central 38 permite a sua desejada posição angular e, quando a posição é estabelecida, defletores diretamente opostos 92' e 92, cada uma formado com um vértice do entalhado 42 (Fig.4), podem ser facilmente deslocados ao longo o tubo central 38 para evitar a interferência com os vértices dos defletores 94 e 94' . 13

Será entendido que várias modificações podem ser feitas nas formas de realização divulgadas neste documento. Portanto, a descrição acima não deve ser interpretado como uma restrição, mas apenas como exemplificações de formas de realização preferenciais. Aqueles especilizados na arte irão prever outras modificações no âmbito das reivindicações aqui anexadas.

Lisboa, 27 de Outubro de 2011

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um permutador de calor compreendendo: um corpo (34) tendo um eixo longitudinal (A-A) e configurado para receber um primeiro fluido; e uma pluralidade de defletores (32) em forma de quadrante cada um montado no corpo (34) num ângulo (λ) para o eixo longitudinal (A-A) para guiar um primeiro fluxo de fluido num padrão helicoidal através do corpo (34) a uma velocidade substancialmente uniforme, onde os defletores em forma de quadrante (32) cada um tem um respetivo par de lados opostos configurados para serem planos ou curvos e uma pluralidade de buracos espaçados (50) configurados para serem atravessados por uma pluralidade de tubos (40) estendidos axialmente transportando um segundo fluido numa desejada posição dos defletores (32) em forma de quadrante, no qual o ângulo (λ) difere de um ângulo reto, caracterizado por os lados opostos de cada defletor (32) em forma de quadrante definem entre os mesmos uma lateral elíptica exterior (46) virada para o interior do corpo (34) e daí espaçada a uma distância radial uniforme, enquanto o primeiro fluido gera uma pressão substancialmente uniforme ao longo de lados opostos de cada defletor (32) como o primeiro fluido flui entre a lateral elíptica exterior dos defletores (32) em forma de quadrante e o interior do corpo (34) a uma velocidade substancialmente uniforme, cada um dos vértices dos defletores em forma de quadrante têm um entalhe (42) angular respectivo de forma a se adaptar a uma 2 superfície exterior de um tubo central (38) centrado ao longo do eixo longitudinal do corpo (34).

2. 0 permutador de calor da reivindicação 1, caracterizado por o entalhe (42) ser assim formado para posicionar os defletores em forma de quadrante (32) no ângulo apropriado (λ), onde (λ) não é igual a 90 graus.

3. 0 permutador de calor da reivindicação 1, caracterizado por o permutador de calor compreender ainda uma outra pluralidade de defletores em forma de quadrante (32) montados no corpo (34) no ângulo (λ) para orientar o primeiro fluxo do fluido para o padrão helicoidal.

4. 0 permutador de calor da reivindicação 3, caracterizado por pelo menos uma parte da pluralidade dos defletores em forma de quadrante (32), cada um tem um vértice respectivo fornecido com um buraco respectivo percorrido pelo tubo central (38) e configurado de modo que o defletor (32) em forma de quadrante é girável sobre um tubo central (38), centrado em torno do eixo longitudinal, para a posição desejada.

5. 0 permutador de calor da reivindicação 3, onde a pluralidade dos defletores em forma de quadrante (32) e a pluralidade dos outros defletores (32) em forma de quadrante formam um arranjo de dupla hélice, e no qual cada um dos defletores (32) em forma de quadrante têm um vértice fornecido com um entalhe em ângulo, em que o ângulo não é igual a 90 graus, para permitir o posicionamento angular de cada um dos defletores (32) 3 em forma de quadrante em relação ao eixo longitudinal numa desejada forma sequencial antes de garantir a pluralidade dos defletores em forma de quadrante (32) e a pluralidade dos outros defletores em forma de quadrante (32) em relação uns aos outros.

6. 0 permutador de calor da reivindicação 5, com um arranjo de dupla hélice, onde os vértices (42) de todos os defletores (32) quadrantes são fornecidos com furos perfurados angularmente com ranhuras para facilitar o posicionamento das duas cadeias de defletores (32) quadrantes para uma distribuição de dupla hélice. Lisboa, 27 de Outubro de 2011