BRPI0611565A2 - arranjo e método para transporte de calor e uso em conjunto com equipamento submarino - Google Patents

Abstract

ARRANJO E METODO PARA TRANSPORTE DE CALOR E USO EM CONJUNTO COM EQUIPAMENTO SUBMARINO. A invenção se refere a um arranjo (1) para transporte de calor usado para isolar ou arrefecer termicamente um ou vários elementos, compreendendo um invólucro (2) disposto para encerrar um meio tendo capacidade de armazenamento ou arrefecimento de calor, referido invólucro tendo um espaço interno (3) para recebimento de referido elemento ou elementos, e referido fluido com o meio circundando o elemento ou elementos. O arranjo compreende meio de guia (5a, 5b) disposto no espaço interno (3) do invólucro (2), de modo a guiar o meio no referido espaço interno de tal maneira que uma circulação e mistura do fluido serão geradas essencialmente através de todo referido espaço interno sob a ação das diferenças de temperatura que ocorrem no meio, pelas quais a tendência natural da estratificação da temperatura do meio é neutralizada ou eliminada. A invenção também se refere a um método correspondente, ao uso de um a arranjo da invenção para proteger uma instalação submarina ou uma parte desta de arrefecimento, e ao uso de um arranjo da invenção para arrefecimento eficiente de um utensílio elétrico.

Description

"ARRANJO E MÉTODO PARA TRANSPORTE DE CALOR E USO EMCONJUNTO COM EQUIPAMENTO SUBMARINO"

CAMPO DA INVENÇÃO E TÉCNICA ANTERIOR

A presente invenção se refere a um arranjo paratransporte de calor usado para isolar termicamente um ouvários elementos, de acordo com o preâmbulo dareivindicação 1, e a um arranjo para arrefecimento de um ouvários elementos, de acordo com o preâmbulo dareivindicação 2. A invenção também se refere a um método,de acordo com o preâmbulo da reivindicação 6. Além disso, ainvenção se refere ao uso de um arranjo da invenção pararetardar substancialmente o arrefecimento de equipamentosubmarino, ou uma parte deste, tal como uma tubulação, umaseção de tubulação, uma válvula, ou uma seção de válvula deuma instalação de produção de óleo e/ou gás, bem como aouso de um arranjo da invenção para arrefecimento maiseficiente de um utensílio elétrico, tal como umtransformador de energia, ou um comutador devoltagem/corrente alta, ou interruptor de circuito.

Em conjunto com instalações de produção de óleo e gás,é bem conhecido que arrefecimento rápido do fluido deprodução durante produção normal e, particularmente,durante uma interrupção temporária da produção poderesultar na formação de hidratos, que pode causarentupimento de tubulações, ou conexões de tubulações. Pararetardar o arrefecimento do fluido de produção no caso deuma interrupção da produção, alguma forma de isolamentotérmico e meio de armazenamento de calor tem que serprovida ao elemento através do qual o fluido de produçãoescoa. Referido elemento pode, por exemplo, ser umatubulação, um tubo de distribuição, uma válvula, umconector, etc.

0 documento WO 01/63088 Al revela o uso de uminvólucro para isolar termicamente um ou vários elementosque formam parte de uma instalação submarina. 0 invólucro édisposto para encerrar um fluido tendo capacidade dearmazenamento de calor, por exemplo, na forma de água domar, e tem um espaço interno para recebimento de referidoelemento ou elementos e referido fluido com o fluido quecircunda o elemento ou elementos, de modo a permitir que ofluido proteja, por meio de calor armazenado no fluido, oelemento ou elementos de arrefecimento muito rapidamente.

Um problema encontrado com esta solução é que um elementoquente localizado na parte média de um volume de águaencerrado em um invólucro causará estratificação detemperatura na água devido ao fato que a água fria tem umadensidade mais alta do que a água quente e, portanto,assentará na parte de fundo do invólucro, que limitará aconvecção natural para a seção superior do espaço encerradoconcedendo, desse modo, a eficiência de armazenamento decalor do fluido. Ά alta temperatura e fluxo de fluido deconvecção natural sob estas circunstâncias estão limitadosà camada limítrofe que circunda o elemento em questão, euma coluna vertical concentrada acima deste. Devido amistura de fluido quente e frio estar limitada às seçõessuperiores, a temperatura média do fluido será mais baixado que se fluido arrefecedor nas seções inferiores fossetambém aquecido e misturado com o fluido superior.

A estratificação de temperatura também resultará em ummeio de arrefecimento que é encerrado em um invólucro quecircunda um utensílio elétrico, tal como um transformadorde energia, ou um comutador de voltagem/corrente alta, ouarranjo de interruptor de circuito. Um transformador deenergia é freqüentemente arrefecido por ser imerso em ummeio dielétrico, tal como óleo. Aqui, a estratificação detemperatura no refrigerante concederá sua eficiência dearrefecimento porque o fluido mais frio estagnante na partede fundo do invólucro é ineficiente no transporte de calorpara fora do transformador. Um efeito similar ocorrerá emum encerramento contendo um comutador elétrico devoltagem/corrente alta, ou interruptor de circuito, imersosem um meio dielétrico, tal como gás nitrogênio.

RESUMO DA INVENÇÃO

0 objetivo da presente invenção é reduzir o problemaacima indicado de estratificação de temperatura no fluidode um arranjo para isolar ou arrefecer termicamente um ouvários elementos.

Referido objetivo é alcançado por um arranjo tendo ascaracterísticas da reivindicação 1 e reivindicação 2,respectivamente, e a um método tendo as características dareivindicação 6.

De acordo com a solução da invenção, o movimento dofluido no espaço interno do invólucro é estendido para aárea de fundo por um meio de guia de tal maneira que umacirculação e, desse modo, mistura do fluido serão geradasessencialmente através de todo referido espaço interno soba ação de diferenças de temperatura que ocorrem no fluido,referida circulação e mistura eliminam a estratificação detemperatura no fluido. Desse modo, a tendência natural paraestratificação de temperatura é neutralizada ou eliminadaem uma maneira automática e muito simples, sem requererquaisquer dispositivos ativos, mecânicos, ou de consumo deenergia, para proporcionar a circulação e mistura de fluidono espaço interno do invólucro.

Outras vantagens, bem como características vantajosasdo arranjo e do método de acordo com a presente invenção,tornar-se-ão aparentes a partir da descrição seguinte, edas reivindicações dependentes.

A invenção também se refere ao uso de um arranjo dainvenção para proteção de uma instalação submarina ou umaparte desta, tal como uma tubulação, uma seção detubulação, uma válvula, ou uma seção de válvula de umainstalação de produção de óleo e/ou gás, de arrefecimentomuito rápido, bem como ao uso de um arranjo da invençãopara arrefecimento de um utensílio elétrico, tal como umtransformador de energia elétrica, ou um comutador devoltagem/corrente alta, ou arranjo de interruptor decircuito.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSCom referência aos desenhos em anexo, uma descriçãoespecifica de concretizações especificas da invençãocitadas como exemplos seguem abaixo.

Nos desenhos:

A Figura 1 é uma vista em corte transversal de umarranjo de acordo com uma concretização da presenteinvenção; e

A Figura 2 é uma vista em perspectiva de um membro deguia incluído no arranjo ilustrado na Figura 1;

A Figura 3 mostra um exemplo de um sistema conectorsubmarino ao qual a presente invenção pode ser aplicada; e

A Figura 4 mostra uma vista explodida de uma metade deum conector constituindo uma parte externa do sistema deacordo com a Figura 3.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE CONCRETIZAÇÕES PREFERIDAS DA INVENÇÃO

Um arranjo 1, de acordo com uma concretização dapresente invenção, é ilustrado na Figura 1. 0 arranjo 1compreende um invólucro 2 disposto para encerrar um fluidode modo a impedir o fluido de escoar para fora nosarredores. O fluido é recebido em um espaço interno 3 doinvólucro. O invólucro 2 é preferivelmente de materialtermicamente isolante, e/ou provido com camadas de materialtermicamente isolante onde armazenamento de calor énecessário, ou de material termicamente não-isolado(material de condução), onde arrefecimento mais eficiente énecessário.O invólucro 2 pode, por exemplo, ter um desenho dotipo revelado no documento WO 01/63088 Al, no caso ondearmazenamento de calor é necessário.

De acordo com uma primeira alternativa, o fluidoencerrado no invólucro 2 é um fluido tendo capacidade dearmazenamento de calor, por exemplo, água do mar. Nestecaso, o arranjo 1 é designado para isolar termicamente umou vários elementos 4. Referido elemento 4 ou elementosestá junto com o fluido recebido no espaço interno 3 doinvólucro com o fluido que circunda o elemento 4 ouelementos, de modo a permitir que o fluido proteja, pormeio de calor armazenado no fluido, o elemento ou elementosde arrefecimento muito rápido. 0 fluido é pretendido paraser aquecido pelo calor emitido a partir do elemento 4 ouelementos durante operação normal. Se a admissão de calorao elemento 4 ou elementos e, desse modo, a temperaturadeste, seria aumentada por alguma razão, o calor armazenadono fluido encerrado reduzirá o arrefecimento do elemento 4ou elementos causado pelo meio, por exemplo, água do marfria, que circunda o invólucro 2. Neste caso, o arranjo 1pode, por exemplo, ser disposto para proteger um sistema naforma de uma instalação submarina, ou uma parte desta, talcomo uma tubulação, uma seção de tubulação, uma válvula, ouuma seção de válvula, de uma instalação de produção de óleoe/ou gás, de arrefecimento. Conseqüentemente, referidoelemento 4 pode, por exemplo, constituir uma parte de umsistema de tubulação submarina para processamento outransporte de óleo e/ou gás.De acordo com uma segunda alternativa, o meioencerrado no invólucro 2 é um meio dielétrico, por exemplo,óleo como um refrigerante. Neste caso, o arranjo 1 édesignado para arrefecimento eficiente de um ou várioselementos 4. Referido elemento 4 ou elementos está juntocom o meio recebido no espaço interno 3 do invólucro com omeio que circunda o elemento 4 ou elementos, de modo apermitir que o meio arrefeça o elemento ou elementos. Nestecaso, o arranjo 1 pode, por exemplo, ser disposto paraarrefecer um elemento na forma de um utensílio elétrico,tal como um transformador de energia, ou uma parte deste.

Outros exemplos podem ser comutadores de voltagem/correntealta, ou interruptores de circuito usando meio dielétrico,por exemplo, gás, como um refrigerante.

De acordo com a invenção, o arranjo 1 compreende meiode guia 5a, 5b disposto no espaço interno 3 do invólucro 2,de modo a guiar o fluido no referido espaço interno 3 detal maneira que uma circulação e, desse modo, mistura dofluido serão geradas essencialmente através de todoreferido espaço interno 3 sob a ação das diferenças detemperatura que ocorrem no fluido, pelas quaisestratificação da temperatura no fluido é substancialmenteneutralizada ou eliminada. O fluxo do fluido é causadopelas diferenças de temperatura prevalescentes entre ofluido mais quente e o fluido mais frio no espaço interno 3do invólucro. O meio de guia 5a, 5b é disposto para guiarpassivamente o fluxo de fluido entre as áreas quente e friano espaço interno 3 do invólucro 2, de modo que a misturade fluido mais quente na área superior do espaço internocom fluido mais frio na área inferior do espaço interno e,desse modo, uma equalização da temperatura do fluidoencerrado pode ocorrer. É compreendido que o meio de guia5a, 5b deve ser disposto de modo que o fluxo de fluido serádirecionado para alcançar essencialmente todas as partes doespaço interno 3 do invólucro que acomodam o fluido emquestão. 0 meio de guia 5a, 5b deve, particularmente, serdisposto de modo que o fluxo de fluido ligará as partessuperior e inferior do espaço interno 3 do invólucro.

O meio de guia 5a, 5b é disposto, pref erivelmente,para dividir o espaço interno 3 do invólucro 2 em zonasdiferentes 3a, 3b, 3c que estão em comunicação de fluidoumas com as outras. Na concretização ilustrada na Figura 1,o meio de guia 5a, 5b é disposto para formar um canal ouuma coluna 3a, que encerra pelo menos uma parte do elemento4 ou elementos, e através do qual fluido aquecido porreferido elemento ou elementos escoará para cima de modo aser acelerado e escoará para fora, formando jatos atravésda(s) descarga(s) 6a, 6b do canal 3a em uma zona adjacente3b, 3c que está em comunicação de fluido também com umaadmissão inferior 7a, 7b do canal 3a. Neste caso, o fluidoencerrado conseqüentemente será guiado pelo meio de guia5a, 5b de modo a fluir para cima sob aceleração através dereferido canal 3a, e para fora em uma zona adjacente 3b,3c, via uma descarga superior 6a, 6b do canal e, emseguida, escoa para baixo através de referida zonaadjacente 3b, 3c, e de volta no canal 3a, via uma admissãoinferior 7a, 7b do canal. Desse modo, uma circulação emistura do fluido essencialmente através de todo o espaçointerno 3 do invólucro serão geradas. Os redemoinhosconforme criados pelos jatos (conforme ilustrado pelassetas na Figura 1) superam a tendência do fluido estagnarcom um gradiente de temperatura. 0 fluido mais quente semistura com o fluido mais frio através de todo o espaçointerno 3 para alcançar uma temperatura uniforme que é maisalta do que a temperatura média sem o meio guia. Arespectiva descarga superior 6a, 6b do canal 3a estápreferivelmente localizada próxima à parte superior doespaço interno 3 do invólucro, e disposta para direcionar ofluxo de escoamento de tal maneira que fluxo de fluido develocidade relativamente alta (formação de jatos) ao longoda parede superior do invólucro 2 será gerado. A respectivaadmissão inferior 7a, 7b do canal 3a está preferivelmentelocalizada próxima ao fundo do espaço interno 3 doinvólucro, e moldada para proporcionar resistência mínima ainfluxo de modo a aumentar ou maximizar o influxo.

0 meio de guia compreende adequadamente um ou váriosmembros de guia 5a, 5b, preferivelmente na forma de placasde guia. Na concretização ilustrada na Figura 1, o meio deguia consiste de dois membros de guia opostamente dispostos5a, 5b. Um de referidos membros guia 5b é ilustrado emmaiores detalhes na Figura 2.

Deve ser compreendido que o meio de guia deve sercoberto por outros componentes em um conjunto de placastransversais, ou outros elementos, ou, de outro modo,encerrado para impedir o fluido aquecido de escapartransversalmente para fora do arranjo de guia.

Por exemplo, os membros de guia 5a e 5b, conformeilustrado na concretização de acordo com a Figura 1, sãopreferivelmente dispostos dentro de um conjunto com camadasde placas transversais (componentes de aperto, placas dedissipação de calor, etc), ou na forma de um duto encerradoque isola uma coluna vertical de fluido aquecido (água) defluido circundante arrefecedor (água) e é aberta no topo eno fundo para ligar o fluido mais frio no fundo do espaçointerno 3 com o fluido mais frio perto do topo.

Conforme ilustrado nas Figuras 3 e 4, por meio deexemplo, a presente invenção pode ser usada em um sistemaconector submarino no interior de um invólucro 2 de Bancode Calor que isola conectores mecânicos operadosremotamente em tubulação submarina. O sistema conectorcompreende um pórtico interno 8 montado em uma estruturapermanente (não mostrada) no leito do mar, e um pórticoexterno 9 (removível) fixado a uma bobina de tubulação (nãomostrada), por exemplo. A Figura 4 mostra uma vistaexplodida da parte externa do sistema conector isolado naFigura 3, que traz duas partes centrais de tubulação emengatamento. 0 meio de guia 5 está encerrado entre umdispositivo de aperto 10 e uma placa 11, de modo a impediro fluido de escapar do arranjo de guia.

O dispositivo de aperto 10 é disposto para agarrarduas partes centrais de tubulação juntas para produzir umavedação de alta pressão. O conector é isolado de modo aimpedir um ponto frio que se desenvolve no fluido deprodução que pode formar hidratos e, desse modo, umobturador de hidrato. Devido ao dispositivo de aperto 10necessitar de liberdade de movimento, um Banco de Calorisolado encerra o conjunto e aprisiona um volume de fluidode armazenamento de calor, por exemplo, água do mar. Estevolume aprisionado pode, por exemplo, conter alguns 200litros de fluido que é aquecido pela produção dehidrocarboneto que escoa através da bobina de tubulação 4.

Tipicamente pode levar até 24 horas de modo que ovolume de fluido aprisionado alcance temperatura de estadoconstante total, muito mais longo do que para uma tubulaçãoisolada típica. Para a melhor performance deste sistema deisolamento, é importante que o fluido de armazenamento decalor seja aquecido o mais rápido e uniformemente possívelno caso que uma interrupção inesperada deve ocorrer.

Estimulando-se a circulação de fluido aquecido, eminimizando-se a estratificação de temperatura, o arranjo eo método, de acordo com a presente, invenção, aceleram oprocesso de aquecimento para proteger um ou maiscomponentes, por exemplo, um conector submarino, contraarrefecimento muito rápido devido a interrupção inesperadada produção.

A invenção não é, naturalmente, restrita àsconcretizações preferidas descritas acima. Ao contrário,muitas possibilidades para modificações destas tornar-se-ãoaparentes a um técnico no assunto sem fugir da idéia básicada invenção, tal como definida nas reivindicações em anexo.

Claims (11)

1.- Arranjo para transporte de calor usado para isolartermicamente um ou vários elementos, compreendendo uminvólucro (2) disposto para encerrar um fluido tendocapacidade de armazenamento de calor, referido invólucrotendo um espaço interno (3) para recebimento de referidoelemento ou elementos, e referido fluido com o fluidocircundando o elemento ou elementos de modo a permitir queo fluido retarde o arrefecimento do elemento ou elementos,por meio de calor armazenado no fluido, caracterizado pelofato de que o arranjo (1) compreende dispositivos de guia(5a, 5b) dispostos no espaço interno (3) do invólucro (2),de modo a guiar o fluido no referido espaço interno (3) detal maneira que uma circulação e mistura do fluido serãogeradas essencialmente através de todo referido espaçointerno (3) sob a ação das diferenças de temperatura queocorrem no fluido, pelas quais a tendência natural daestratificação da temperatura do fluido é neutralizada oueliminada.

2.- Arranjo para arrefecimento de um ou várioselementos, compreendendo um invólucro (2) disposto paraencerrar um meio de arrefecimento, referido invólucro tendoum espaço interno (3) para recebimento de referido elementoou elementos, e referido meio com o meio circundando oelemento ou elementos de modo a permitir que o meioarrefeça o elemento ou elementos, caracterizado pelo fatode que o arranjo (1) compreende dispositivos de guia (5a,-5b) disposto no espaço interno (3) do invólucro (2), demodo a guiar o meio no referido espaço interno (3) de talmaneira que uma circulação e mistura do meio serão geradasessencialmente através de todo referido espaço interno (3)sob a ação das diferenças de temperatura que ocorrem nomeio, pelas quais a estratificação da temperatura do fluidoé neutralizada ou eliminada.

3.- Arranjo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que o dispositivo de guia (5a,-5b) é disposto para dividir o espaço interno (3) doinvólucro (2) em zonas diferentes (3a, 3b, 3c) que estão emcomunicação de fluido umas com as outras.

4.- Arranjo, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato de que o dispositivo de guia (5a,-5b) é disposto para formar um canal (3a) , que encerra pelomenos uma parte do elemento ou elementos, e através doqual o fluido aquecido por referido elemento ou elementosescoará para cima de modo a escoar para fora através de umadescarga superior (6a, 6b) do canal (3a) em uma zonaadjacente (3b, 3c) que está em comunicação de fluido tambémcom uma admissão inferior (7a, 7b) do canal (3a).

5.- Arranjo, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de que odispositivo de guia consiste de um ou vários membros deguia (5a, 5b), preferivelmente na forma de placas de guia.

6.- Método para neutralizar ou eliminar estratificaçãode temperatura em um meio que está encerrado em um espaçointerno (3) de um invólucro (2), e que circunda um ouvários elementos (4) recebidos no referido espaço interno(3) de modo a aumentar o arrefecimento do elemento ouelementos, ou de modo a retardar o arrefecimento doelemento ou elementos por meio de calor armazenado no meio,caracterizado pelo fato de que o meio no referido espaçointerno (3) é guiado por dispositivos de guia (5a, 5b) detal modo que uma circulação e mistura do meio serão geradasessencialmente através de todo referido espaço interno (3)sob a ação das diferenças de temperatura que ocorrem nomeio, referidas circulação e mistura neutralizando oueliminando estratificação de temperatura no meio.

7.- Método, de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que o espaço interno (3) doinvólucro (2) é dividido pelos dispositivos de guia (5a,-5b) em zonas diferentes (3a, 3b, 3c) que estão emcomunicação de fluido umas com as outras.

8.- Método, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de que pelo menos uma parte doelemento ou elementos é encerrada em um canal (3a) que éformado pelos dispositivos de guia (5a, 5b) e através doqual meio aquecido por referido elemento ou elementos estáfluindo para cima de modo a fluir com uma velocidaderelativamente alta de modo a formar um ou mais jatos quesaem através de uma descarga superior (6a, 6b) do canal(3a) em uma zona adjacente (3b, 3c) que está em comunicaçãode fluido também com uma admissão inferior (7a, 7b) docanal (3a).

9.- Método, de acordo com a reivindicação 8,caracterizado pelo fato de que a admissão inferior (7a, 7b)do canal (3a) é formada de modo a aumentar o influxo do meio.

10.- Uso de um arranjo de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 3, 4 e 5, caracterizado pelo fato de serpara projeção de uma instalação submarina ou uma partedesta, tal como uma tubulação, uma seção de tubulação, umaválvula ou uma seção de válvula de uma instalação deprodução de óleo e/ou gás, de arrefecimento.

11.- Uso de um arranjo de acordo com qualquer uma dasreivindicações 2-5, caracterizado pelo fato de ser paraarrefecimento de um utensílio elétrico, tal como umtransformador de energia, ou um comutador decorrente/voltagem, ou interruptor de circuito.