PT2165143E

PT2165143E - Permutador de calor

Info

Publication number: PT2165143E
Application number: PT08762795T
Authority: PT
Inventors: Veronika Bognarne Fejes
Original assignee: Wts Kereskedelmi Es Szolgaltato Kft
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2011-01-28
Also published as: DE102007033166A1; ES2355016T3; EP2165143B1; UA97285C2; CN101796364B; SI2165143T1; HK1146648A1; WO2009010834A1; US20100181045A1; DK2165143T3; CN101796364A; ZA201000973B; PL2165143T3; DE502008001668D1; ATE486259T1; EP2165143A1

Description

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DESCRIÇÃO

PERMUTADOR DE CALOR A invenção refere-se a um permutador de calor, principalmente para piscinas, com um corpo oco alongado com ligações para fornecer e descarregar um primeiro e um segundo fluido, sendo o primeiro fluido guiado, em contracorrente ou corrente continua em relação ao segundo fluido, por um corpo oco alongado e percorrendo o segundo fluido um tubo em espiral, que se estende axial e longitudinalmente entre os lados extremos do corpo oco, e em que vários elementos deflectores projectam para dentro do corpo oco a partir do revestimento interior do corpo oco, desviando o fluxo do primeiro fluido.

Os permutadores de calor para piscinas são utilizados para aquecer a água de banho como primeiro fluido, com a ajuda de um meio de aquecimento como segundo fluido. Normalmente utilizam-se para isso permutadores de calor essencialmente constituídos por um grande conduto para água de banho e uma bobina de aquecimento aí inserida para um meio de aquecimento. Com a passagem dos dois fluidos nas suas respectivas tubagens, a água de banho absorve o calor do meio de aquecimento, que fica consequentemente mais fria. A bobina de aquecimento pode assumir qualquer forma dentro do permutador de calor. A eficácia de habituais permutadores de calor depende, entre outros, do tamanho da superfície da bobina de aquecimento dentro do permutador de calor. Quanto maior a superfície da bobina de aquecimento, mais eficazmente funciona o permutador de calor. Normalmente, a bobina de aquecimento é colocada em espiral 2 dentro do permutador de calor para aumentar a superfície. No caso de permutadores de calor do tipo anteriormente descrito, o fluido por aquecer passa pelo meio da bobina de aquecimento em espiral ou o fluido percorre a espiral de aquecimento por fora. Aplica-se também o mesmo princípio em esquentadores, nos quais a bobina de aquecimento é uma bobina de aquecimento que pode ser electricamente aquecida. A diferença para com um permutador de calor consiste em que num esquentador é essencialmente emitido mais calor para a água de passagem. Todas as versões mencionadas na descrição e nas reivindicações do permutador de calor em conformidade com a invenção podem ser, em princípio, aplicadas a um esquentador do mesmo tipo.

Um permutador de calor deste tipo é, por exemplo, descrito no documento DE 100 51 756 B4. Introduz-se um meio de aquecimento na caixa do permutador de calor, através de condutas de admissão verticalmente dispostas na caixa do permutador de calor, percorrendo esse meio de aquecimento a bobina de aquecimento. Simultaneamente, é introduzida água de banho - longitudinal e axialmente - no permutador de calor, que percorre a bobina de aquecimento e absorve consequentemente calor. As direcções do fluxo de ambos os fluidos pelo permutador de calor são seleccionadas no sentido contrário uma da outra. O documento US 5.309.987 descreve um permutador de calor com placas de impacto, que se estendem circularmente, com excepção de alguns orifícios, sobre o revestimento interior de uma caixa cilíndrica e pretendem obter um fluxo turbulento do fluido de passagem. Com a disposição oblíqua das chapas de impacto em relação ao eixo longitudinal da caixa corre-se o risco, devido à ocorrência de turbulências 3 em áreas individuais, de formar zonas de estagnação, . das quais o primeiro fluido utilizado apenas corre insuficientemente, de modo a obter também apenas uma transferência insuficiente de calor. O documento US 1.893.484 descreve um permutador de calor, que possui uma caixa cilíndrica, em cujo revestimento interior estão previstas pás propulsoras dispostas em espiral. Esta disposição tipo espiral das pás propulsoras permite obter, ao contrário da área central do interior da caixa, onde se encontra o tubo em espiral, uma corrente laminar visivelmente maior, correndo-se o risco do primeiro fluido estagnar na área do tubo em espiral e não passar. A presente invenção tem por objectivo melhorar conhecidos permutadores de calor, de modo a optimizar a eficiência energética, mantendo a construção do permutador de calor compacta e de modo a ocupar pouco espaço.

Este objectivo é resolvido pelo permutador de calor segundo a reivindicação 1, caracterizado pelo facto dos elementos deflectores projectarem, numa sequência alternada dos lados do corpo oco respectivamente opostos, para o interior do corpo oco até à área do tubo em espiral, de modo a terminarem entre duas espirais e de modo que o revestimento interior do corpo oco apresente, secção a secção, várias constrições côncavas.

As subreivindicações descrevem mais desenvolvimentos da invenção. 0 permutador de calor em conformidade com a invenção destina-se sobretudo a aquecer água de piscina, mas também se podem aquecer outros líquidos. Podia também utilizar-se o permutador de calor para, por exemplo, aquecer água de 4 aquário. 0 permutador de calor em conformidade com a invenção adequa-se, principalmente, a ser utilizado como permutador de frio. A acção do permutador térmico em conformidade com a invenção consiste principalmente em fazer com que os elementos deflectores existentes guiem, de forma objectiva, a água para consumo por aquecer na direcção do tubo em espiral. Além disso, pretende-se comandar a velocidade de fluxo do primeiro fluido (água para consumo), de modo a obter ao longo da bobina de tubo em espiral um maior tempo de permanência e, consequentemente, uma maior transferência térmica. 0 primeiro fluido a chegar é objectivamente orientado pelo elemento deflector entre os tubos em espiral, observando-se uma aceleração de fluxo na área da constrição do corpo oco alongado e, descargas de pressão (por conseguinte também menores velocidades de fluxo) nas áreas de expansão entre as constrições do interior do corpo oco.

Segundo uma versão especial da invenção, o corpo oco alongado tem um corte transversal oval ou alongadamente redondo, encontrando-se os elementos deflectores preferencialmente junto aos lados estreitos do corpo de forma oval. Também esta medida optimiza tanto o tempo de permanência do primeiro fluido na área das bobinas de tubo em espiral, como também, a estabilidade da caixa do permutador térmico.

Estão ainda preferencialmente dispostos, entre dois elementos deflectores adjacentes, dois a três enrolamentos 360" do tubo em espiral. Verificou-se que esta optimização proporciona a maior transferência de calor possível entre o tubo em espiral e o primeiro fluido. Com a mesma 5 finalidade, a versão do tubo em espiral serve de tubo ondulado que, ao contrário de um tubo de parede lisa, possui uma superfície maior. 0 revestimento interior do corpo oco apresenta uma superfície lisa, o que permite evitar depósitos e turbulências indesejadas do fluxo de passagem do primeiro fluido.

Também para optimizar o fluxo da corrente do primeiro fluido, os elementos deflectores são corpos planos com um bordo interior curvado preferencialmente côncavo.

Seja por razões técnicas de fabrico ou para impedir a emanação indesejada de calor da caixa para o ambiente, o corpo oco alongado, preferencialmente inclusive os elementos deflectores, são em plástico, sobretudo em poliamida. A caixa em plástico pode ser especialmente fabricada por moldagem por injecção.

Numa outra versão da invenção, o corpo oco alongado é composto por várias secções de tubo encaixáveis umas nas outras, que estão reciprocamente ligadas de modo removível. Obtém-se, deste modo um permutador térmico de construção modular, que é composto por uma variedade de peças individuais em plástico resistente ao calor e, principalmente, anticorrosivo com um elevado efeito isolante e elevada segurança contra a calcificação.

Para fixar o corpo oco alongado a uma parede, a sua caixa possui no seu revestimento exterior braçadeiras salientes com uma perfuração para passar um parafuso de fixação.

Além disso, está preferencialmente previsto, para a fixação do corpo oco alongado a uma parede, um estribo cujas extremidades estão curvadas em 180° e apresentam, 6 observado a partir de uma vista de cima, orifícios dispostos de forma congruente para passar uma haste de perno ou de parafuso. A curvatura de 180° das extremidades do estribo permite apertar o perno ou o parafuso, de modo a formar na peça curvada em U uma tensão de pressão, que evita desde logo um alívio da união roscada.

Segundo uma outra versão da invenção, o estribo da invenção possui uma secção central de forma côncava, que apresenta preferencialmente o mesmo percurso de curvatura do corpo oco alongado que aí se encontra.

Segundo outra versão, os elementos deflectores são partes de parede individuais, dispostas na vertical ou inclinadas em 2o a 3o relativamente à perpendicular, que projectam para o interior da caixa. No caso de uma inclinação relativamente à perpendicular, o ângulo entre o sentido de fluxo do primeiro fluido e os elementos deflectores é, por conseguinte, aprox. 88°.

Os elementos deflectores projectam para o interior do corpo oco, numa sequência alternada dos lados do interior do corpo oco respectivamente opostos, numa medida de bordo de 113 até 117, preferencialmente 115 do diâmetro interior do corpo oco. O revestimento interior do corpo oco possui no sentido do eixo longitudinal, pelo menos parcialmente, um perfil ondulado, em que as constrições do diâmetro comportam preferencialmente 5% a 10% do interior do corpo oco. As ligações para o primeiro e o segundo fluido encontram-se no lado frontal numa versão privilegiada. O permutador térmico é composto por vários elementos individuais, o que permite escolher qualquer comprimento do 7 permutador térmico, pois é possível ligar qualquer quantidade de elementos. Cada um dos elementos possui uma braçadeira de fixação, de modo a poder também fixar com segurança caixas de permutadores térmicos de maior dimensão. A fixação do permutador térmico pode ser numa alvenaria existente, ou seja uma parede, ou pode ser como suspensão num tecto, como também pode ser numa paleta para integração dentro de um sistema. Se o permutador térmico for utilizado para aquecer água de piscina, o aquecimento pode ser efectuado por água de aquecimento como também por calor solar. 0 fluido de aquecimento como segundo fluido é guiado por um tubo em espiral disposto em forma de nervura. Este tubo em espiral serve como tubo de água de aquecimento, que é percorrido, vertical e horizontalmente, pelo primeiro fluido no permutador térmico, de modo a possibilitar uma recolha uniforme de calor. 0 modelo convexo-côncavo da caixa do permutador térmico com elementos deflectores internos aumenta o tempo de permanência do primeiro fluido na caixa do permutador térmico, o que garante uma forte transferência de calor. 0 fluido de aquecimento pode ser arrefecido com mais intensidade, resultando daqui uma menor perda de calor no percurso de retorno e, consequentemente, uma maior poupança em energia de aquecimento. Os tubos nervurados de água de aquecimento em espiral são, preferencialmente, em aço inoxidável extremamente anticorrosivo e resistente à pressão e estão aparafusados com um bocal duplo no lado frontal.

Os elementos deflectores preferencialmente seleccionados projectam 20mm a 30mm, de preferência 25mm, para dentro do interior do corpo oco, nomeadamente sob um 8 ângulo de 90° ou ligeiramente inclinado em relação ao sentido da corrente em 2o a 3o para dentro do permutador térmico. Os elementos deflectores são tipo segmento circular e possuem um bordo superior côncavo, mas que também pode ter outra forma. Os elementos deflectores colocados alternadamente em lados opostos do interior do permutador térmico, permitem guiar frequentemente o fluido por aquecer pela bobina de aquecimento disposta no centro, o tubo em espiral. Com esta construção especial dos elementos deflectores altera-se constantemente o sentido de fluxo do primeiro fluido por aquecer, de modo a passar, de forma aperfeiçoada, no principio de contracorrente junto à bobina de aquecimento em espiral. As sucessivas constrições e as expansões no interior da caixa resultam ainda numa compressão alternada e alivio do primeiro fluido e curso, aumentando o tempo de permanência do primeiro fluido na área da bobina de aquecimento e melhorando, assim, a emanação de calor. A forma oval do permutador térmico permite elevadas tensões interiores, sem formar tensões de material. Os elementos deflectores, integrados nos lados estreitos, melhoram ainda a estática da caixa do permutador térmico.

Passamos a descrever outras versões da invenção, por meio dos desenhos. Nomeadamente: a Fig. la mostra um corte axial longitudinal pelo permutador térmico com bobina de aquecimento em espiral integrada, a Fig. lb mostra um corte axial transversal pelo permutador térmico, 9 a Fig. lc mostra um corte axial longitudinal pelo permutador térmico com possivel curso da corrente, a Fig. ld mostra um corte axial longitudinal pelo permutador térmico com outro possivel curso da corrente, a Fig. 2a mostra um permutador térmico sem peça intermédia, a Fig. 2b mostra um permutador térmico com uma peça intermédia, a Fig. 2c mostra um permutador térmico com duas peças intermédias, a Fig. 3 mostra um corte axial transversal com dispositivo de fixação numa representação explosiva, a Fig. 4 mostra um corte axial longitudinal por um esquentador, a Fig. 5 mostra um corte axial transversal por um permutador térmico. A Fig. la mostra um permutador térmico 10 com um tubo em espiral integrado 11 como bobina de aquecimento. No presente caso, está prevista água quente como meio de aquecimento, que é conduzida pelo tubo em espiral. Em alternativa, é porém também possivel constituir o tubo em espiral como uma bobina de aquecimento aquecida com 10 corrente eléctrica (princípio de aquecedor de imersão) . 0 tubo em espiral 11 pode possuir uma superfície lisa, mas é preferencialmente constituído como tubo ondulado. O tubo em espiral 11 é fixado por meio de um bocal duplo 13, 13' respectivamente no lado frontal na caixa do permutador térmico.

As ligações de abastecimento de água apresentadas 12, 12' em forma de uma bucha flangeada e uma porca de capa, que é preferencialmente fabricada em ABS, servem para fornecer e descarregar o primeiro fluido que pretende aquecer. 0 primeiro e o segundo fluido fluem, preferencialmente, em sentidos opostos. 0 permutador térmico 10 possui uma caixa com corte transversal oval. 0 sentido de fluxo do primeiro fluido é representado pela seta 14 e o sentido de fluxo do segundo fluido é representado pela seta 15. No presente caso, o permutador térmico possui duas peças finais 16, 16' e duas peças intermédias 17, 17, que juntamente com as peças finais encaixam para formar um permutador térmico 10. As peças finais e as peças intermédias 16, 16', 17, 17' estão respectivamente encaixadas, sendo as peças adjacentes fixadas por uma união composta por pernos e parafusos. Para esse efeito, as peças finais e intermédias 16, 16' possuem respectivamente braçadeiras do lado de fora com orifícios, pelos quais se pode encaixar uma haste de perno ou de parafuso.

Em princípio, pode-se escolher livremente a quantidade de peças intermédias 17, 17'.

No revestimento interior, as peças intermédias 17, 17' possuem elementos deflectores 18, que projectam verticalmente para dentro do interior do corpo oco. Em 11 alternativa, pode escolher, em vez do alinhamento vertical, também um alinhamento ligeiramente inclinado, nomeadamente em 2° a 3o contra o sentido da corrente 14. 0 elemento deflector 18 encontra-se, observado a partir do sentido da corrente de chegada 14, na área onde o diâmetro interior estreita. Observado a partir do sentido da corrente, encontra-se distanciado um elemento deflector 18 no lado oposto do revestimento interior do corpo oco. Os elementos deflectores projectam para dentro do interior da caixa do permutador térmico até terminarem na área do tubo ondulado 11. Entre dois elementos deflectores adjacentes em lados opostos encontram-se dois a três enrolamentos do tubo em espiral 11.

Os lábios 101, um junto ao outro, das peças finais e intermédias são vedados por um O-ring 102, que se situa numa ranhura. A Fig. lb permite ver em detalhe que o permutador térmico 10 tem um corte transversal oval. Na periferia da caixa podem ver-se as uniões 103 compostas por parafuso e porca.

As Figuras 1C e ld mostram as linhas de corrente 104, 106, que podem ser ajustadas com diferentes pressões e velocidades de fluxo do primeiro fluido que entra. Em todo o caso pode reconhecer-se que o primeiro fluido a entrar, sobretudo água de piscina, choca contra os elementos deflectores 18 e dai é desviado para o sentido dos tubos em espiral, regressando porém a corrente num movimento anelar, onde choca contra uma nova água que vem a seguir. Os respectivos desvios ou 12 vorticidades, que estão identificados com 105 na Fig. lc, são maiores ou menores em função da pressão ajustada. É essencial que num tempo de permanência prolongado, a bobina de aquecimento, ou seja o tubo em espiral 11, seja percorrida pelo primeiro fluido a aquecer (sobretudo água de piscina) não apenas uma vez, mas sim várias vezes.

As Figuras 2a a 2c mostram o permutador térmico em conformidade com a invenção 20, 20' 20° em diferentes comprimentos, que são obtidos através da união directa de duas peças finais uma à outra ou através de uma ou duas ou várias peças intermédias unidas umas às outras. Dependendo da quantidade das peças intermédias inseridas entre duas peças finais, o comprimento do permutador térmico pode variar livremente e ser adaptado às condições pretendidas. A Fig. 3 mostra, numa apresentação explodida, a fixação da caixa do permutador térmico a uma parede 32. Para isso, o permutador térmico 30 possui no seu revestimento exterior braçadeiras 301 salientes com uma perfuração, como por exemplo um furo ou um orificio oblongo, para passar um parafuso de fixação 31. Para impedir que o permutador térmico se solte progressivamente da fixação, devido às vibrações durante o funcionamento do permutador térmico, está previsto um estribo 32 dobrado, nas suas extremidades 33, 34 em 180°. O estribo 32 é composto por uma chapa fina que tem, na área das curvaturas de 180°, dois orifícios em posição congruente, pelos quais passa a 13 haste do parafuso 31. Este parafuso intervém em cavilhas 35 que estão fixadas à parede 32.

Quando o parafuso 31 é apertado é, por fim, exercida uma pressão sobre o perfil em U do estribo nas suas extremidades 33, 34, que actua permanentemente sobre a cabeça do parafuso, após a fixação do parafuso 31, impedindo assim a sua rotação. Podem ainda ser utilizadas uma contraporca 36 e uma anilha 37 (por cada união roscada) para proteger adicionalmente contra rotações. 0 estribo 32 possui uma secção intermédia côncava 38, cuja constituição está adaptada ao contorno exterior ou ao respectivo raio de curvatura do permutador térmico. 0 sistema está equipado de modo a poderem instalar-se tanto meios que aquecem externamente, como também espirais de aquecimento eléctricos, que também podem ser operados com o calor solar. A Fig. 4 representa um esquentador 41 com bobinas de aquecimento electricamente aquecíveis 42, que se encontram na parte esquerda da caixa. A versão apresentada engloba unicamente um elemento intermédio, onde se encontram dois elementos deflectores. Pelo facto da ligação de corrente eléctrica se encontrar no lado frontal, o abastecimento de água 44 não fica no lado frontal, mas de lado no esquentador 41. Está ainda representado um possível percurso de corrente 45 centrífuga da água por aquecer. Pode naturalmente também ponderar-se um percurso de corrente ondulado, como está por exemplo representado na Fig. 1C. A Fig. 5 mostra uma versão exemplificativa dos elementos deflectores 18, que estão a sombreado. Os elementos deflectores formam um segmento, que se estende 14 desde o revestimento do permutador de calor para dentro. Desde o ponto mais fundo, a altura do elemento deflector relativamente ao maior diâmetro (aqui disposto na vertical) do permutador de calor situa-se entre 115 e %. 0 bordo superior dos elementos deflectores 18 é côncavo. 15

DOCUMENTOS APRESENTADOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista dos documentos apresentados pelo requerente foi exclusivamente recolhida para informação do leitor e não faz parte do documento europeu da patente. Foi elaborada com o máximo cuidado; o IEP não assume, porém, qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos da patente apresentados na descrição

DE 10051756 B4 US 1893484 A

US 5309987 A

Lisboa, 20/01/2011

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Permutador de calor (10), principalmente para piscinas, com um corpo oco alongado com ligações para fornecer e descarregar um primeiro e um segundo fluido, sendo o primeiro fluido guiado, em contracorrente ou corrente continua em relação a um segundo fluido, por um corpo oco alongado e percorrendo o segundo fluido um tubo em espiral (11), que se estende axial e longitudinalmente entre os lados extremos do corpo oco, e em que vários elementos deflectores (18) projectam para dentro do corpo oco a partir do revestimento interior do corpo oco, desviando o fluxo do primeiro fluido, caracterizado por os elementos deflectores (18) projectarem, em sequência alternada dos lados respectivamente opostos do corpo oco, para o interior do corpo até à área do tubo em espiral (11), de modo a apresentarem, entre duas espirais e o revestimento interior do corpo oco, várias constrições (17) côncavas, secção a secção.

2. Permutador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o corpo oco alongado ser, em corte transversal, de forma oval ou eliptica, em que os elementos deflectores (18) se encontram preferencialmente montados nos lados estreitos do corpo de forma oval.

3. Permutador de calor de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por entre dois elementos deflectores (18) adjacentes se encontrarem dois a três enrolamentos de 360 0 do tubo em espiral (11). 2

4. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o tubo em espiral (11) ser um tubo ondulado.

5. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o revestimento interior do corpo oco possuir uma superfície lisa.

6. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por os elementos deflectores (18) serem corpos planos, que possuem preferencialmente um bordo interior curvo e côncavo.

7. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por o corpo oco alongado, preferencialmente com inclusão dos elementos deflectores, ser em plástico, especialmente poliamida, sendo o corpo oco alongado preferencialmente composto por várias secções de tubo encaixáveis umas nas outras, que estão ligadas entre si de modo removível.

8. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o corpo oco alongado apresentar, no seu revestimento exterior, braçadeiras (301) salientes com uma perfuração para passar um parafuso de fixação (31).

9. Permutador de calor de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por estar previsto, para fixação do corpo oco alongado numa parede (32), um estribo (39), cujas 3 extremidades (33, 34) estão curvadas a 180° e que, observadas por cima, apresentam orifícios congruentemente dispostos para passar uma haste de pernos ou parafusos.

10. Permutador de calor de acordo com a reivindicação, caracterizado por o estribo (39) apresentar uma secção intermédia côncava (38), que possui preferencialmente o mesmo raio, ou seja, percurso de curvatura que o corpo oco alongado (30) .

11. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por os elementos deflectores (18) serem partes de parede individuais, verticais ou inclinadas em 2" a 3" em relação à perpendicular, que projectam para dentro do interior do corpo oco.

12. Permutador de calor de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por os elementos deflectores projectarem, em sequência alternada dos lados respectivamente opostos, para o interior do corpo oco, preferencialmente numa medida de 113 a 117, sobretudo 115, do diâmetro interior do corpo oco.

13. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por o revestimento interior do corpo oco apresentar no sentido do eixo longitudinal, pelo menos parcialmente, um perfil ondulado, situando-se as constrições do diâmetro preferencialmente entre os 5% e os 10% do interior da caixa. 4

14. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado por as ligações para o primeiro e o segundo fluido se encontrarem no lado frontal.

15. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado por o tubo em espiral (11) ser uma bobina de aquecimento electricamente aquecivel ou pelo facto do permutador de calor ser constituído como esquentador. Lisboa 20/01/2011