PT2176616E - Permutador de calor - Google Patents

Description

1

DESCRIÇÃO "PERMUTADOR DE CALOR" A presente invenção refere-se a um permutador de calor para troca de calor entre fluidos. 0 documento US-A-3.648.768 divulga elementos de um permutador de calor feitos de um material de plástico compreendendo uma pluralidade de tubos paralelos que apresentam telas de ligação que mantêm os tubos espaçados transversalmente, elementos esses que podem ser fabricados numa peça única. Refere-se neste documento que os elementos devem apresentar uma estabilidade estática inerente para todas as finalidades práticas, mais especificamente uma resistência suficiente à flexão para permitir que os elementos suportados nas respectivas extremidades transponham uma distância de vários metros sem se flectirem. Quando múltiplos elementos deste tipo são combinados de maneira a formar um bloco de permutador de calor de maior dimensão, são utilizados elementos espaçadores cujos lados opostos se ajustam aos contornos de um lado de cada um de dois elementos adjacentes do permutador de calor. Estes elementos de espaçamento podem ser, por exemplo, colados ou soldados aos respectivos elementos. Podem também ser utilizados meios de ligação mecânicos, como rebites, parafusos e tirantes. Os elementos podem ser ligados a cabeçotes, cortando as extremidades das telas de ligação de modo que extremidades curtas de tubos individuais se projectam do corpo principal remanescente das telas de ligação. Estas extremidades de tubo podem ser inseridas em orifícios do cabeçote ou fixadas no mesmo utilizando bicos curtos. Devido ao desenho, este permutador de calor conhecido apresentando um bloco de troca de calor que compreende múltiplos elementos deste tipo é um permutador de calor de fluxo cruzado.

Uma desvantagem significativa deste dispositivo conhecido é a de que, embora alguns elementos sejam designados 2 como de paredes finas, são necessárias paredes relativamente espessas nos permutadores de calor à escala industrial, limitando deste modo seriamente a transferência de calor entre os fluidos. Além disso, apesar de os elementos poderem ser fabricados numa peça única, é necessária uma operação laboriosa, quer através de meios (físico)químicos, quer através de meios mecânicos, para montar vários elementos de maneira a formar um bloco de troca de calor de grande dimensão.

Além disso, um permutador de calor em contracorrente compacto é por exemplo conhecido através do documento US 2005/0217837. Neste permutador de calor conhecido, uma pluralidade de tubos de transporte de fluido paralelos estendendo-se longitudinalmente estão dispostos em contacto térmico entre si. De acordo com esta publicação, cada tubo apresenta pelo menos uma curvatura coincidente com uma curvatura num tubo imediatamente adjacente. Todos os tubos são fabricados separadamente e são depois montados em conjunto utilizando, por exemplo, uma liga de prata para brasagem. Durante a utilização, um primeiro fluido de troca de calor flui através de um qualquer tubo numa direcção oposta a uma direcção de um segundo fluido de troca de calor que flui através de um tubo imediatamente adjacente. Deste modo, obtém-se uma relação de troca de calor em contracorrente entre o primeiro e o segundo fluidos de troca de calor. No âmbito do contexto da especificação, torna-se evidente que um tal permutador de calor em contracorrente compacto se destina obviamente a utilização em sistemas aeroespaciais de potência dinâmica. Neste dispositivo conhecido os tubos do permutador de calor são fabricados em aço inoxidável.

Os permutadores de calor fabricados em metal, conforme descrito no documento US 2005/0217837, estão sujeitos a incrustação. Além disso, a corrosão do metal com o qual são fabricados os canais do permutador de calor pode causar problemas consoante a natureza dos fluidos entre os quais se dá a troca de calor. Pode obter-se uma melhoria relativamente 3 à corrosão utilizando ligas ou metais mais dispendiosos ou mais resistentes à corrosão, como o aço inoxidável. A patente norte-americana US n.° 4.733.718 divulga corpos de permutadores de calor ou corpos de acumuladores de calor para aplicação de acordo com os princípios de recuperação ou regeneração. Um tal corpo compreende uma pilha de painéis de câmara oca extrudidos, fabricados em plástico e apresentando paredes exteriores planas e lisas, e telas gue se unem às paredes exteriores numa peça única. Refere-se que o plástico deve ser resistente aos meios que, em utilização, irão fluir através das câmaras dos painéis de câmara oca. A temperatura de deformação do plástico deve ser superior à temperatura mais alta de operação. As vantagens reivindicadas deste corpo de permutador de calor conhecido, composto por uma pilha de painéis de câmara oca individuais, são os baixos custos e despesas de construção. Os exemplos de painéis de câmara oca individuais mostrados neste documento compreendem um corpo de plástico de uma fila de quatro câmaras ocas adjacentes. Vários destes painéis podem ser empilhados para formar o corpo do permutador de calor. A união destes painéis na zona das superfícies frontais dos mesmos pode ser produzida por soldadura, colagem ou mecanicamente, utilizando, por exemplo, elementos de aperto. São preferidos elementos com mecanismo de interligação cooperantes com elevações e/ou depressões nas superfícies exteriores das superfícies frontais dos painéis. As desvantagens deste permutador de calor conhecido estão relacionadas com a dupla espessura das paredes que afecta a transferência de calor, sendo a secção transversal quadrada uma fonte de dificuldades e problemas de estanqueidade surgidos ao alimentar as câmaras separadamente. Além disso, embora os painéis únicos possam ser fabricados facilmente, a montagem de múltiplos elementos numa configuração empilhada é laboriosa. 0 processo de produção dos painéis pode tornar-se mais complicado se estiverem presentes partes com mecanismo de interligação nos próprios painéis. 4 0 documento WO 2005/071339 divulga um permutador de calor para troca de calor entre óleo e água. Uma modalidade deste dispositivo conhecido compreende filas de módulos ligados entre si. Cada módulo compreende um tubo longitudinal com aletas e dois conectores dispostos diametralmente, permitindo a montagem de múltiplos módulos para formar uma fila de módulos. Uma placa de separação é providenciada como suporte entre filas de módulos ligados entre si. Um primeiro fluido flui através dos tubos longitudinais, enquanto um segundo fluido flui no espaço entre os módulos e a caixa e/ou as placas de separação do permutador de calor. O documento FR 1 259 288 descreve um conjunto para manter os tubos de um reaquecedor ou de um permutador de calor a uma distância adequada entre si. Um combustível e ar são introduzidos numa caldeira. O combustível é submetido a combustão na caldeira e o gás de combustão produzido é expelido através de uma abertura. Um reaquecedor é suspenso dentro da caldeira. O reaquecedor compreende uma série de painéis constituídos por tubos. Os tubos podem ser considerados como módulos de troca de calor compreendendo pelo menos um tubo oco longitudinal. Os tubos estão ligados entre si por meio de elementos macho e elementos fêmea. O documento DE 835 612 descreve um permutador de calor com uma pluralidade de tubos de refrigeração. Os tubos são atravessados por um líquido refrigerante, enquanto que um fluido a refrigerar flui nos espaços em torno dos tubos. Cada tubo está provido de uma pluralidade de aletas de refrigeração longitudinais, as quais são extrudidas integralmente com o tubo a partir de metal dúctil, como chumbo, alumínio, cobre ou afins. As aletas de refrigeração dos tubos de refrigeração estão dispostas entre si de tal maneira que servem para apoiar os tubos de refrigeração e formam também canais quase fechados com as aletas de tubos adjacentes através dos quais o fluxo longitudinalé possível. Uma parte das aletas longitudinais que se tocam estão unidas por soldadura ao longo do comprimento da 5 referida parte. Por outras palavras, as aletas não estão ligadas entre si ao longo de todo o comprimento dos tubos. É evidente que os desenhos e os processos de montagem descritos anteriormente são complicados, onerosos, laboriosos, morosos e, consequentemente, dispendiosos, oferecendo um produto final inferior ao ideal relativamente às suas propriedades de transferência de calor final. É um objecto da presente invenção eliminar um ou mais destes problemas.

Mais especificamente, é um objecto providenciar um permutador de calor, preferencialmente feito de um material de plástico devido às suas propriedades favoráveis de anti-incrustação e anti-corrosão e apesar das suas fracas propriedades de transferência de calor, permitindo uma melhoria da resistência total de modo a manter uma espessura reduzida das paredes tendo em conta a transferência de calor. É outro objecto providenciar um permutador de calor que apresente uma configuração estável e resistente, no qual a estabilidade e resistência sejam alcançadas principalmente devido ao desenho geral e sejam dependentes em menor medida da natureza dos materiais de construção e da espessura do que do desenho geral. É ainda outro objecto providenciar um permutador de calor que seja fácil de fabricar, mais especificamente para montar a partir de partes modulares e para desmontar, se necessário. É outro objecto providenciar um permutador de calor que apresente uma elevada razão entre o volume e a área (m2/m3) de transferência de calor. É ainda outro objecto providenciar um permutador de calor de escala industrial que permita a utilização de meios corrosivos como fluidos de troca de calor, como a água do mar, e que reduza o risco de incrustação.

De acordo com a presente invenção, é providenciado um permutador de calor para troca de calor entre fluidos, 6 compreendendo uma caixa com uma entrada e uma saída para cada fluido, estando a entrada e a saída para cada fluido ligadas entre si por um caminho de fluxo, compreendendo o caminho de fluxo de um primeiro fluido múltiplos módulos de troca de calor compreendendo pelo menos um tubo oco longitudinal, no qual os módulos estão dispostos numa configuração de matriz que compreende pelo menos duas colunas de tubos longitudinais e pelo menos duas filas de tubos longitudinais, no qual é providenciado um módulo com pelo menos um conector para ligar a um conector encaixável de um módulo adjacente, tal que o espaço compreendido entre módulos adjacentes define um caminho de fluxo para um segundo fluido, paralelo ao caminho de fluxo para o primeiro fluido, no qual cada módulo está provido de conectores integrados para ligar a um conector encaixável de cada módulo adjacente, e no qual um conector se estende substancialmente ao longo de todo o comprimento de um módulo paralelo ao eixo longitudinal de um tubo longitudinal do mesmo, e no qual os módulos são feitos de material de plástico, os conectores dos módulos estão ligados entre si substancialmente ao longo de todo o comprimento do módulo, tal que a configuração de matriz é uma disposição autoportante, e um módulo apresenta pelo menos um conector macho e pelo menos um conector fêmea, no qual o conector macho encaixa no conector fêmea de um módulo adjacente por meio de um encaixe por pressão ou um encaixe deslizante. No permutador de calor de acordo com a invenção, uma pluralidade de módulos está disposta numa caixa que apresenta uma entrada e uma saída para cada fluido. Um módulo compreende pelo menos um tubo oco longitudinal. Em conjunto, os tubos estabelecem um caminho de fluxo para um primeiro fluido da respectiva entrada para a saída cooperante em comunicação do fluido com a mesma. Um módulo está também provido de pelo menos um conector macho/fêmea para ligar a um módulo adjacente que está também provido de um conector macho/fêmea adequado que encaixa no primeiro conector macho/fêmea referido por meio de um encaixe por pressão ou um encaixe deslizante. Uma vez que 7 estes conectores macho/fêmea encaixam por meio de um encaixe por pressão ou um encaixe deslizante, o permutador de calor de acordo com a invenção pode ser facilmente fabricado a partir de uma pluralidade de módulos. Além disso, permite a substituição fácil em caso de avaria. De acordo com a invenção, cada módulo está provido de um ou mais conectores, integrados no tubo longitudinal, para ligar a um conector encaixável de cada módulo adjacente. Nesta modalidade, a configuração de matriz resultante é uma disposição autoportante. Os módulos estão dispostos numa configuração de matriz, tal gue as paredes exteriores dos tubos longitudinais e os conectores de dois ou mais módulos, preferencialmente quatro, delimitam um espaço que se estende na direcção dos tubos longitudinais dos módulos. Devido às ligações tridimensionais entre os módulos na matriz, a resistência e a estabilidade dos mesmos são elevadas. Consequentemente, a espessura das paredes dos tubos longitudinais pode ser reduzida, mantendo-se deste modo as propriedades de transferência de calor num nivel favorável, mesmo que os módulos sejam fabricados a partir de um material inicial com um baixo coeficiente de transferência de calor, como o plástico. Os conectores encaixáveis de módulos diferentes são partições que separam espaços adjacentes formando o caminho de fluxo para um segundo fluido. Um tal caminho de fluxo liga de maneira fluida a entrada e a saída para o referido segundo fluido. Uma vez que durante a utilização o mesmo segundo fluido flui em diferentes lados dos conectores, essencialmente sob as mesmas condições de fluxo, estes conectores não necessitam de meios de vedação na direcção longitudinal. As paredes exteriores dos tubos longitudinais formam uma barreira impermeável que separa o primeiro e o segundo fluidos entre os quais se dá a troca de calor. Devido ao desenho, no qual um tubo longitudinal para um primeiro fluido está cercado por todos os lados longitudinais pelo (s) espaço (s) para um segundo fluido, obtém-se um permutador de calor compacto que apresenta uma elevada razão entre o volume e a área 8 (m2/m3) de transferência de calor. Além disso, os custos de produção podem ser mantidos num nivel baixo comparado com os permutadores de calor que requerem um método laborioso para acoplar vários módulos.

Vantajosamente, os módulos utilizados no permutador de calor de acordo com a invenção são feitos numa peça única num plástico, preferencialmente num material termoplástico, mais preferencialmente por extrusão.

Aqui deve observar-se que, normalmente, os permutadores de calor fabricados com materiais de plástico são utilizados principalmente em sistemas de ar condicionado, e não com tanta frequência na indústria para a troca de calor entre correntes de processo, em que, por exemplo, uma corrente quente (de produto) é refriqerada pela áqua do mar. 0 plástico é menos sensível à incrustação e à escamação, as quais afectariam de outro modo a transferência de calor. Uma vez que os conectores e a configuração de matriz contribuem para a resistência e a estabilidade, a espessura das paredes dos tubos longitudinais pode manter-se reduzida, permitindo deste modo uma transferência de calor razoavelmente elevada não obstante o facto de a condutividade térmica dos plásticos ser reduzida quando comparada com materiais condutores de calor, como os metais. Deste modo, é possível um desenho compacto de um permutador de calor. Nos casos em que a resistência à corrosão é menos importante, o permutador de calor pode também ser fabricado com metais, ligas metálicas e carbono, uma vez que estes tipos de materiais são preferidos para a transferência de calor. Devido ao desenho geral do permutador de calor conforme descrito anteriormente e à resultante estabilidade e resistência, a espessura das paredes dos tubos longitudinais pode manter-se reduzida para materiais de plástico tendo em conta as propriedades de transferência de calor, enquanto que para materiais dispendiosos como o titânio, o preço de custo dos tubos longitudinais pode ser reduzido porque a quantidade de material necessário é baixa. 9

Um tubo longitudinal faz parte do caminho de fluxo para um primeiro fluido . Um "espaço" delimitado por módulos montados providencia um caminho de fluxo para um segundo fluido. Por uma questão de conveniência, o adjectivo "primeiro" será utilizado na presente especificação para indicar partes do permutador de calor destinados a um primeiro fluido durante a utilização. Do mesmo modo, o adjectivo "segundo" será utilizado na presente especificação para indicar partes do permutador de calor destinados a um segundo fluido durante a utilização.

No permutador de calor as principais direcções dos fluxos do primeiro e do segundo fluxos são paralelas entre si, preferencialmente em direcções opostas, como num permutador de calor em contracorrente, apresentando um melhor desempenho global do que um permutador de calor de fluxo cruzado, ou alternadamente paralelo e contracorrente, como num permutador de calor multipasse.

De acordo com a invenção um módulo é fabricado com um material de plástico, reduzindo deste modo o risco de corrosão, assim como a ocorrência de incrustação. Estas caracteristicas são significativas nos casos em que um ou mais dos fluidos entre os quais se dá a troca de calor são agressivos, por exemplo corrosivos em si, por exemplo, quando o líquido refrigerante para uma corrente quente numa instalação química é um líquido que compreende um ou mais sais, como a água do mar. Os módulos utilizados no permutador de calor de acordo com a invenção podem ser facilmente produzidos por extrusão do material (metal ou plástico, sendo este último preferencial) num comprimento desejado. Na prática, um permutador de calor de escala industrial pode apresentar um comprimento de até 10 metros ou mais. Preferencialmente, um módulo apresenta um comprimento adequado correspondente à dimensão longitudinal da caixa, não sendo necessário deste modo montar mais do que um módulo atrás de outro na direcção longitudinal do permutador de calor. Quando o comprimento de um módulo é limitado pela técnica de produção, uma série de tais módulos podem ser dispostos uns 10 atrás dos outros na direcção de um caminho de fluxo utilizando meios de acoplamento adequados.

Comparado com os permutadores de calor conforme divulgado no estado anterior da técnica descrito anteriormente, o número de soldaduras e afins para montar a pluralidade de módulos é reduzida, o que torna a produção mais fácil e menos dispendiosa.

No permutador de calor de acordo com a invenção, os módulos estão dispostos numa configuração de matriz compreendendo pelo menos duas colunas de tubos longitudinais e pelo menos duas filas de tubos longitudinais. Mais preferencialmente, uma coluna e uma fila podem compreender dezenas a centenas de tubos longitudinais tendo em conta a capacidade e a área de transferência de calor.

Preferencialmente, um tubo longitudinal apresenta uma secção transversal circular providenciando uma elevada razão entre o volume e a área de transferência de calor relativamente ao diâmetro hidráulico. Além disso, as extremidades dos tubos circulares são facilmente vedadas em orifícios de passagem e afins de painéis frontais/de distribuição/de recolha, a descrever abaixo no presente documento, devido à forma circular. Para além disso, se necessário pode ser providenciada uma extensão através de tubos de secções (circulares) com as dimensões correctas. Quanto à espessura das paredes, quanto mais finas melhor. São preferidos tubos compridos mas com diâmetro reduzido, com paredes finas, por exemplo tubos que apresentam uma espessura de parede na ordem de magnitude de 0, 1 mm, normalmente 0,01 a 1 mm mas, preferencialmente, menos de 0,1 mm.

De acordo com a invenção, um conector estende-se substancialmente ao longo de todo o comprimento de um módulo, paralelamente ao eixo longitudinal de um módulo. Desta forma, os conectores servem de apoio a outros módulos ao longo de todo o comprimento, providenciado deste modo um bloco de troca de calor estável e resistente. Tais conectores estendidos longitudinalmente podem também ser facilmente produzidos por 11 extrusão. Preferencialmente, um módulo compreendendo pelo menos um tubo e respectivos conectores é feito numa peça única.

De acordo com a invenção, um módulo apresenta pelo menos um conector macho e pelo menos um conector fêmea. Um encaixe por pressão é um exemplo adequado de conectores macho e fêmea encaixáveis. Uma aleta é um conector macho adequado, enquanto que duas aletas espaçadas estabelecem um conector fêmea adequado. Conforme referido anteriormente no presente documento, a vedação entre espaços adjacentes não é necessária. Se necessário, a superfície exterior de uma tal aleta que actua como um conector macho pode apresentar uma ou mais protrusões que correspondem a recessos correspondentes nas superfícies internas frente a frente das aletas que actuam como um conector fêmea.

Numa modalidade preferencial específica, um módulo compreende um tubo longitudinal e os respectivos conectores associados. Um tal módulo pode ser manuseado com relativa facilidade e permite uma troca fácil se necessário, sem distorção dos outros módulos empilhados e ligados.

Vantajosamente, o tubo longitudinal está provido de pelo menos dois conectores, sendo o ângulo entre conectores adjacentes inferior a 180 °C, preferencialmente quatro conectores a um ângulo de 90 °C. A última modalidade permite uma configuração de matriz principal rectangular particularmente estável apresentando uma elevada razão entre o volume e a área (m2/m3) de transferência de calor, enquanto que a periferia pode apresentar qualquer forma.

Numa modalidade alternativa, um módulo compreende pelo menos dois tubos longitudinais ligados entre si numa configuração lado a lado por uma tela de material de interligação numa peça única. Um tal módulo oferece a vantagem de reduzir o trabalho de montagem, sendo particularmente adequado para um permutador de calor desenhado para pressões de operação baixas a moderadas. Preferencialmente, os tubos de extremidade do mesmo estão providos dos conectores apropriados 12 para ligar a cada módulo adjacente, permitindo, uma vez mais, uma configuração de matriz estável e resistente. 0 permutador de calor de acordo com a invenção compreende vantajosamente um distribuidor para ligar a entrada para um fluido ao respectivo caminho de fluxo e um colector para ligar o respectivo caminho de fluxo à saida para o referido fluido. Isto significa gue, durante a utilização, um primeiro fluido flui de uma primeira entrada normalmente única através do distribuidor compreendendo uma câmara em ligação fluida com a primeira entrada ao respectivo primeiro caminho de fluxo. Desta forma, o distribuidor distribui a primeira corrente de fluido que flui numa primeira direcção sobre os tubos longitudinais do permutador de calor. Na outra extremidade dos módulos esta primeira corrente de fluido é recolhida num colector compreendendo uma câmara de recolha, sendo descarregada através da respectiva primeira saida. Do mesmo modo, um distribuidor e um colector são providenciados para o segundo fluido.

Normalmente num permutador de calor de tipo contracorrente, a entrada para um fluido situa-se numa parede de extremidade da caixa, enquanto a saida em comunicação do fluido com esta entrada está presente numa secção de parede lateral, próximo da parede de extremidade oposta da caixa. Normalmente, as entradas para os fluidos situam-se em extremidades opostas da caixa.

Num permutador de calor de tipo multipasse pode ser aplicada a mesma configuração, desde que sejam providenciados meios adequados de retorno de fluido, por exemplo, placas de partição, no distribuidor e/ou no colector. Uma tal modificação de ligar uma parte das extremidades e/ou espaços dos tubos respectivamente a outra parte das extremidades e espaços dos tubos mantém intacto o desenho básico do permutador de calor de acordo com a invenção.

Numa modalidade preferencial de acordo com a invenção, a entrada e a saida do primeiro fluido que flui através dos tubos 13 longitudinais estão dispostas em paredes de extremidade opostas, enquanto a entrada e a saída do segundo fluido que flui através dos espaços em torno dos tubos longitudinais estão presentes na(s) parede(s) lateral(ais) da caixa. Esta configuração permite uma montagem favorável dos módulos, uma vez que a vedação é menos complexa.

Mais preferencialmente, numa tal modalidade um primeiro distribuidor para um primeiro fluido compreende uma câmara de distribuição numa extremidade da caixa definida por uma parede de extremidade da caixa, um painel de distribuição espaçado da referida parede de extremidade e as respectivas secções de paredes laterais da caixa, e no qual um primeiro colector para o primeiro fluido compreende uma câmara de recolha na extremidade oposta da caixa definida pela parede de extremidade oposta da caixa, um painel de recolha espaçado da referida parede de extremidade oposta e as respectivas secções de paredes laterais da caixa, e no qual o painel de distribuição e o painel de recolha estão providos de uma pluralidade de orifícios de passagem correspondentes ao número total e às posições dos tubos que definem o primeiro caminho de fluxo, estendendo-se os tubos longitudinais através dos orifícios de passagem do painel de distribuição e do painel de recolha em comunicação do fluido com a câmara de distribuição e a câmara de recolha. Nesta configuração preferencial, o distribuidor e o colector para um primeiro fluido estão posicionados nas extremidades opostas do permutador de calor.

Numa modalidade preferencial adicional do mesmo, um segundo distribuidor para um segundo fluido compreende uma câmara de distribuição na referida extremidade oposta da caixa definida pelo painel de recolha, as secções de conector dos módulos viradas para o painel de recolha e as respectivas secções de paredes laterais da caixa, e um segundo colector para o segundo fluido compreende uma câmara de recolha na referida primeira extremidade da caixa definida pelo painel de distribuição, as secções de conector dos módulos viradas para 14 o painel de distribuição e as respectivas secções de paredes laterais da caixa, estando estes segundo distribuidor e segundo colector em comunicação do fluido através do espaço compreendido entre módulos adjacentes definindo o caminho de fluxo para o segundo fluido. 0 colector e o distribuidor para um segundo fluido estão posicionados adjacentes longitudinalmente ao distribuidor e ao colector para o primeiro fluido respectivamente, enquanto os tubos, nos quais, durante a utilização, flui o primeiro fluido, se estendem através da câmara de distribuição e da câmara de recolha do segundo fluido. Para separar de forma eficaz as câmaras adjacentes no permutador de calor, os tubos estão vedados no painel de distribuição e no painel de recolha, respectivamente.

Normalmente está presente um painel de recolha que apoia as extremidades dos módulos, mais especificamente as extremidades dos tubos longitudinais dos mesmos. Este painel apresenta uma pluralidade de orifícios de passagem correspondentes ao número total e as posições dos tubos que definem o primeiro fluxo de fluido. Uma vez que a secção transversal de um espaço apresenta uma forma relativamente complicada comparado com a secção transversal circular preferencial dos tubos longitudinais, é mais fácil ter o mesmo tipo de disposição na extremidade oposta da caixa. Por outras palavras, a entrada e a saída do primeiro fluido situam-se em paredes de extremidade opostas da caixa, enquanto a entrada e a saída para o segundo fluido são providenciadas nas secções de parede laterais próximo das respectivas extremidades da caixa. Seguidamente apenas no distribuidor e no colector do segundo fluido ocorrerá algum tipo de troca de calor de fluxo cruzado. No entanto, a principal troca de calor ocorrerá numa disposição em contracorrente, conforme definido anteriormente.

Se necessário, um tubo longitudinal pode apresentar uma extensão. Numa modalidade preferencial do mesmo, um tubo longitudinal está provido de uma parte de extensão 15 compreendendo uma secção de tubo que apresenta uma extremidade regenerada inserida na extremidade aberta do tubo longitudinal. A extremidade regenerada providencia uma vedação hermética que inibe a fuga de fluidos.

Noutra modalidade, os conectores estão ausentes ou removidos em uma ou ambas as extremidades no tubo longitudinal. A outra extremidade da secção de tubo estende-se vantajosamente através do orifício de passagem no respectivo painel de uma maneira estanque. Preferencialmente, uma vedação, como uma anilha, é providenciada entre a parede exterior da secção de tubo e a parte de parede do respectivo painel que define o orifício de passagem. A soldadura e a colagem constituem outros tipos de vedação.

Uma vez que o material de plástico é um fraco condutor térmico, comparado, por exemplo, com metais como cobre, latão e aço inoxidável e carbono, a espessura das paredes entre câmaras adjacentes mantém-se reduzida tendo em conta os requisitos físicos a cumprir pela construção.

Para aumentar a transferência de calor, o material de plástico utilizado para a produção dos módulos pode compreender um agente de enchimento para melhorar a condutividade térmica, como partículas de carbono e afins. Para aumentar a resistência podem ser utilizados plásticos reforçados com fibras. 0 material inicial preferencial utilizado para a produção dos módulos é um material extrudível como o plástico, por exemplo polietileno, polipropileno, poliestireno, cloreto de polivinilo e poli(meta)acrilato, polímeros contendo flúor como PTFEx e biopolímeros. Outros materiais de plástico que permitem temperaturas de operação mais elevadas, por exemplo, superiores a 100 °C a aproximadamente 120 °C, são o policarbonato e a polissulfona, óxidos de polivinileno, polieterimidas, poli(éter sulfonas) e especialmente polímeros contendo flúor permitem temperaturas de operação ainda mais elevadas. A invenção será explicada adicionalmente com referência 16 aos desenhos em anexo, nos quais: A Figura 1 é uma vista esquemática de uma modalidade de um permutador de calor em contracorrente de acordo com a invenção; A Figura 2 mostra uma vista esquemática de um detalhe da modalidade de acordo com a Figura 1; a Figura 3 mostra esquematicamente as principais direcções de fluxo dos fluidos de troca de calor no permutador de calor de acordo com a reivindicação 1; as Figuras 4 a 6 mostram várias modalidades de encaixes por pressão como conectores; e a Figura 7 mostra uma modalidade de uma extensão de tubo.

As Figuras 1 a 3 mostram uma modalidade de um permutador de calor em contracorrente de acordo com a invenção. 0 permutador de calor é indicado na sua totalidade pelo número de referência 10. Este permutador de calor 10 compreende uma caixa 12 compreendendo as respectivas paredes de extremidade 14 e 16 e as paredes laterais 18. Uma primeira entrada 20 para um primeiro fluido (quente) é providenciada numa primeira parede de extremidade 14 numa primeira extremidade 22 do permutador de calor 10. Na extremidade oposta 24 uma primeira saída 26 é providenciada na segunda parede de extremidade 16. Uma segunda entrada 27 para um segundo fluido (frio) está posicionada numa parede lateral 18 próximo desta extremidade oposta 24, enquanto a segunda saída 28 para o segundo fluido se situa numa parede lateral 18 próximo da primeira extremidade 22. A entrada 20 está ligada a um distribuidor 30 compreendendo uma câmara de distribuição 32 na caixa 12. Esta câmara 32 está delimitada pela primeira parede de extremidade 14, as respectivas partes das paredes laterais 18 adjacentes à referida parede de extremidade 14 e um painel de distribuição 34. A câmara de distribuição 32 divide e alimenta o primeiro fluido sobre e para dentro de tubos longitudinais 36 associados, definindo um primeiro caminho de fluxo 38. Na extremidade oposta 24 um colector 40 compreendendo uma câmara 17 de recolha 42 delimitada pela segunda parede de extremidade 16, as respectivas partes das paredes laterais 18 adjacentes à referida parede de extremidade 16 e um painel de recolha 44. O painel de distribuição 34 e o painel de recolha 44 apresentam orifícios de passagem 46, correspondendo os números e posições dos mesmos aos dos tubos longitudinais 36. 0 primeiro fluido é introduzido no permutador de calor 10 através da entrada 20 para dentro do distribuidor 30. Seguidamente, o fluido flui para dentro das extremidades abertas dos tubos longitudinais 36. As extremidades abertas opostas dos mesmos fluem para fora, entrando na câmara de recolha 42, onde o primeiro fluido após a troca de calor é recolhido e depois descarregado através da saída 26. Os tubos longitudinais 36 apresentam um desenho modular. Nesta modalidade, cada tubo 36 apresentando uma secção transversal circular está provido de quatro conectores 50 espaçados circunferencialmente a 90°. Cada conector 50 apresenta a forma de faixa e estende-se essencialmente ao longo do comprimento do tubo longitudinal 36. Em ambas as extremidades do tubo longitudinal 36 as extremidades dos conectores 50 foram removidas ao longo de um determinado comprimento. Em primeiro lugar, isto permite que as extremidades de um tubo 36 sejam inseridas nos orifícios de passagem 46 do painel de distribuição 34 e do painel de recolha 44 de uma maneira estanque. Em segundo lugar, o comprimento entre o respectivo painel e o início (extremidade) de um conector 50 é suficiente para definir um segundo distribuidor 52 para o segundo fluido na extremidade oposta 24 e um segundo colector 54 na primeira extremidade. Os conectores 50 dos tubos adjacentes 36 estão ligados entre si, delimitando deste modo espaços 56 para o segundo fluido. Em conjunto, estes espaços 56 definem um segundo caminho de fluxo 58 para o segundo fluido. Este segundo fluido é introduzido através da entrada 27 no segundo distribuidor 52. Seguidamente, flui através destes espaços 56 em contracorrente ao primeiro fluido. Subsequentemente, o segundo fluido é descarregado do segundo 18 colector 54 através da segunda saída 28. Um tubo 36 e os respectivos conectores 50 é um módulo indicado pelo número de referência 60. Através da interligação destes módulos 60 por meio dos conectores 50 é estabelecida uma pilha de módulos estável. A Figura 2 mostra os módulos empilhados 60 numa matriz 9x9. Na Figura 3 a direcção de fluxo do primeiro fluido gue flui nos tubos 36 é indicada por setas verticais enquanto a direcção de fluxo do segundo fluido que flui nos espaços 56 é indicada por setas horizontais. Além disso, esta Figura 3 ilustra uma modalidade de um conector macho 50' compreendendo uma aleta longitudinal 62 que apresenta um bordo arredondado 64, o qual encaixa por pressão num conector fêmea 50" compreendendo uma aleta longitudinal 62 que apresenta um bordo complementar 54 em forma de copo.

As Figuras 4 a 6 mostram outros exemplos de conectores macho 50' e fêmea 50" adequados, mais especificamente ligações de encaixe por pressão. Na Figura 4 os conectores macho 50' são uma aleta plana 62 que se estende radialmente, estendendo-se também na direcção longitudinal do tubo 36. Um conector fêmea 50" compreende um par de aletas paralelas 62 espaçadas ao longo de uma largura correspondente à espessura da aleta 62 de um conector macho 50' . A Figura 5 mostra uma aleta 62 que apresenta uma protrusão 64 ao centro da altura da aleta 62 como um conector macho 50', enquanto as aletas 70 do conector fêmea 50" apresentam um recesso 72 que apresenta uma forma complementar numa posição correspondente nas superfícies das aletas 74 situadas frente a frente. A Figura 6 mostra uma configuração em dente de serra. Outros conectores adequados seriam ligações de encaixe deslizante e de fecho de correr.

Na Figura 7 uma extensão compreendendo uma secção de tubo 80 com uma extremidade regenerada 82 é inserida na extremidade aberta 84 de um tubo longitudinal 36, enquanto a outra extremidade aberta da secção de tubo 80 se estende através de um orifício 46 num painel 34, 44. Uma anilha 92 veda a câmara de distribuição/recolha para o primeiro fluido da câmara de 19 distribuição/recolha para o segundo fluido.

Será evidente para as pessoas especializadas que muitos desvios e modificações das modalidades mostradas nos desenhos podem ser facilmente produzidos. Estas modificações e desvios situam-se no âmbito das reivindicações em anexo. 20

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • US 3648768 A [0002] • US 20050217837 A [0004] [0005] • US 4733718 A [0006] • WO 2005071339 A [0007] • FR 1259288 [0008] • DE 835612 [0009]

Claims (14)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Permutador de calor (10) para troca de calor entre fluidos, compreendendo uma caixa (12) com uma entrada (20, 27) e uma saída (26, 28) para cada fluido, estando a entrada (20, 27) e a saída (26, 28) para cada fluido ligadas entre si por um caminho de fluxo (38, 58) , compreendendo o caminho de fluxo (38) de um primeiro fluido múltiplos módulos de troca de calor (60) compreendendo pelo menos um tubo oco longitudinal (36), no qual os módulos (60) estão dispostos numa configuração de matriz que compreende pelo menos duas colunas de tubos longitudinais (36) e pelo menos duas filas de tubos longitudinais (36), e no qual um módulo (60) está provido de pelo menos um conector (50) para ligar a um conector encaixável (50) de um módulo adjacente (60), tal que o espaço (56) compreendido entre módulos adjacentes (60) define um caminho de fluxo (58) para um segundo fluido, paralelo ao caminho de fluxo (38) para o primeiro fluido, no qual cada módulo (60) está provido de conectores integrados (50) para ligar a um conector encaixável (50) de cada módulo adjacente (60), e no qual um conector (50) se estende substancialmente ao longo de todo o comprimento de um módulo (60) paralelo ao eixo longitudinal de um tubo longitudinal (36) do mesmo, caracterizado por os módulos (60) serem feitos de material de plástico, os conectores (50) dos módulos (60) estarem ligados entre si substancialmente ao longo de todo o comprimento do módulo (60) tal que a configuração de matriz é uma disposição autoportante, e um módulo (60) apresentar pelo menos um conector macho (50') e pelo menos um conector fêmea (50") , no qual o conector macho (50') encaixa no conector fêmea (50") de um módulo adjacente (60) por meio de um encaixe de pressão ou de um encaixe deslizante.

2. Permutador de calor de acordo com a reivindicação 1, no qual um módulo (60) compreende um tubo longitudinal (36) 2 provido de quatro conectores (50) a um ângulo de 90°.

3. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações anteriores, mais especificamente para a troca de calor entre fluidos, sendo pelo menos um dos quais um fluido indutor de corrosão e/ou incrustação, no qual o material de plástico compreende um agente de enchimento para melhorar a condutividade térmica, e é preferencialmente reforçado com fibras.

4. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual um tubo longitudinal (36) apresenta uma secção transversal circular.

5. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual os tubos (36) apresentam uma espessura de parede de 0,01 a 1 mm, preferencialmente menos de 0,1 mm.

6. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual em ambas as extremidades do tubo longitudinal (36) as extremidades dos conectores (50) foram removidas ao longo de um determinado comprimento, e no qual, preferencialmente, o comprimento entre um painel de distribuição (34) e a extremidade de um conector (50) é suficiente para definir um colector (54) para o segundo fluido numa primeira extremidade, e no qual o comprimento entre um painel de recolha (44) e a extremidade de um conector (50) é suficiente para definir um distribuidor (52) para o segundo fluido na extremidade oposta (24) .

7. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual os conectores encaixáveis (50) de módulos diferentes (60) são partições que separam espaços adjacentes formando o caminho de fluxo para o segundo fluido.

Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 3 anteriores, no qual um módulo (60) compreende um tubo longitudinal (36) provido de pelo menos dois conectores (50), sendo o ângulo entre conectores adjacentes inferior a 180°.

9. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual um módulo (60) compreende pelo menos dois tubos longitudinais (36) ligados entre si numa configuração lado a lado através de uma tela de material de interligação numa peça única, no qual pelo menos os tubos de extremidade do mesmo estão providos de conectores para ligar a outro módulo adjacente.

10. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações anteriores, compreendendo adicionalmente um distribuidor (30, 52) para ligar a entrada (20, 27) para um fluido ao respectivo caminho de fluxo (38, 58), e um colector (40, 54) para ligar o respectivo caminho de fluxo (38, 58) à saída (26, 28) para o referido fluido.

11. Permutador de calor de acordo com a reivindicação 10, no qual um primeiro distribuidor (30) para um primeiro fluido compreende uma câmara de distribuição (32) numa extremidade (22) da caixa (12) definida por uma parede de extremidade (14) da caixa (12), um painel de distribuição (34) espaçado da referida parede de extremidade (14) e as respectivas secções de paredes laterais da caixa (12), e no qual um primeiro colector (40) para o primeiro fluido compreende uma câmara de recolha (42) na extremidade oposta (24) da caixa (12) definida pela parede de extremidade oposta (16) da caixa (12) , um painel de recolha (44) espaçado da referida parede de extremidade oposta (16) e as respectivas secções de paredes laterais da caixa (12), e no qual o painel de distribuição (34) e o painel de recolha (44) estão providos de uma pluralidade de orifícios de passagem (46) correspondentes ao número total e às posições dos tubos (36) que definem o primeiro caminho de fluxo (38), 4 estendendo-se os tubos longitudinais (36) através dos orifícios de passagem (46) do painel de distribuição (34) e do painel de recolha (44) em comunicação do fluido com a câmara de distribuição (32) e a câmara de recolha (42).

12. Permutador de calor de acordo com a reivindicação 11, no gual um segundo distribuidor (52) para um segundo fluido compreende uma câmara de distribuição na referida extremidade oposta (24) da caixa definida pelo painel de recolha (44), as secções de conectores dos módulos (60) viradas para o painel de recolha (44) e as respectivas secções de paredes laterais da caixa (12), e um segundo colector (54) para o segundo fluido compreende uma câmara de recolha na referida primeira extremidade (22) da caixa definida pelo painel de distribuição (34), as secções de conectores dos módulos (60) viradas para o painel de distribuição (34) e as respectivas secções de paredes laterais da caixa (12), estando estes segundo distribuidor (52) e segundo colector (54) em comunicação do fluidodo fluido através dos espaços (56) compreendidos entre módulos adjacentes (60) definindo o caminho de fluxo (58) para 0 segundo fluido.

13. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações anteriores, no qual um tubo longitudinal (36) está provido de uma parte de extensão compreendendo uma secção de tubo (80) com uma extremidade regenerada (82) inserida na extremidade aberta (84) do tubo longitudinal (36), e no qual, preferencialmente, a outra extremidade da secção de tubo (80) se estende de uma maneira estanque através do orifício de passagem (46) num painel (34, 44).

14. Permutador de calor de acordo com uma das reivindicações 1 a 13, no qual o permutador de calor é do tipo multipasse, e no qual meios de retorno de fluido são providenciados num colector e/ou distribuidor.