"CONJUNTO DE DEFLETORES E VEDAÇÕES PARA MONTAGEM EM UM CASCO DE TROCADOR DE CALOR, E, MÉTODO DE MONTAGEM DE UM TROCADOR DE CALOR"
Campo da invenção
A invenção atual refere-se a um conjunto de defletores e vedações, e a sua utilização em um método de montagem de um trocador de calor.
Fundamentos da invenção
Um trocador de calor de casco-e-tubos é um trocador de calor indireto. O calor é transferido entre um fluido passando através dos tubos de um feixe de tubos (lado do tubo) que se estendem dentro do casco do trocador de calor, e um fluido passando através do espaço fora dos tubos (lado do casco). Detalhes dos trocadores de calor casco-e-tubos pode ser encontrado, por exemplo, no "Peny's Chemical Engineers Handbook", 6th edition, 1984, McGraw-Hill Inc., pág. 11-3 a 11-21.
Um tipo especial de trocador de calor conhecido como trocador de calor de dois passes no casco foi desenvolvido para a transferência melhorada do calor em um determinado tamanho de casco. Neste tipo de trocador de calor, um tubo externo geralmente cilíndrico contém internamente um defletor . divisório que se estende axialmente e longitudinalmente. Tais tipos de casco incluem um casco de dois passes com defletores longitudinais, um casco de fluxo dividido, e um casco duplo de fluxo dividido no Perry. O defletor longitudinal subdivide o interior do casco em dois compartimentos separados que se estendem longitudinalmente, que normalmente se comunicam em uma extremidade do casco, de forma que o fluxo de fluido no casco passa duas vezes ao longo do comprimento do casco.
Para uma troca de calor mais eficiente, o defletor deve formar uma vedação relativamente firme ao longo de ambas as extremidades longitudinais, de forma que o fluxo entre os compartimentos seja possível somente nas regiões pretendidas, isto e, na extremidade ou extremidades do casco.
Tipicamente, tal estrutura foi formada utilizando-se uma placa de divisão retangular tendo uma largura ligeiramente menor do que o diâmetro interno da parede do casco, de forma que os aros externos longitudinais desta placa sejam ligeiramente separadas radialmente para dentro da superfície da parede interna do casco, quando a placa é colocada em um plano diametral.
Vários tipos de vedações longitudinais foram desenvolvidos no passado. Exceto para uma vedação suficiente, também é desejado que uma vedação longitudinal permita a montagem fácil em um casco de trocador de calor, e seja eficiente em custo. Um compromisso bom, por exemplo, foi descoberto em perfis de vedação de defletor desenvolvidos e comercializados com o nome T4 pela Kempchen & Co. GmbH de Oberhausen, Alemanha. Os princípios destas vedações também são descritas na especificação da patente americana de número 4215745, que também discute outras vedações da técnica anterior.
As vedações longitudinais conhecidas são compostas de um flange com a forma em U5 virado para dentro do trocador de calor e que é dimensionado para receber com folga apertada o defletor longitudinal. Um membro de vedação no lado oposto da vedação é composto de um par de flanges que se estendem para fora, que são pressionados elasticamente contra a parede interna do casco.
Em muitos casos, um trocador de calor com dois passes no casco não é um arranjo ótimo. Por exemplo, quando um trocador de calor existente de um só passe deve ser reformado com partes novas internas, as posições de entrada e saída do fluido do casco são localizadas nas extremidades opostas longitudinalmente ao longo do casco do trocador de calor, e isso normalmente não pode ser alterado. Para um arranjo com dois passe, no entanto, a entrada e a saída do casco devem ser colocadas na mesma extremidade longitudinal do casco.
Um arranjo de três passes no casco, no qual dois defletores longitudinais são colocadas de forma que o fluxo de fluido no casco passe três vezes para a frente e para atrás do comprimento do casco, resolveria este problema. Todavia, existe uma hesitação considerável contra a instalação de tal arranjo, porque o projeto só obterá a sua capacidade elevada de troca de calor se as vedações longitudinais forem confiáveis o suficiente para evitar vazamento de fluido entre os passes no lado do casco. Apesar das vedações Kempchen serem bons, eles não podem garantir que o vazamento seja evitado.
Um objetivo da invenção atual é apresentar um arranjo de defletores longitudinais e vedações que permitam uma vedação melhorada em trocadores de calor com passes múltiplos no casco, especialmente, também para a reforma dos trocadores de calor.
Um objetivo adicional é apresentar um método para a montagem de um trocador de calor com dois ou mais defletores longitudinais.
Sumário da invenção
Para este fim, a invenção atual apresenta um conjunto de defletores e vedações para montagem em um casco de trocador de calor, cuja montagem é composta de uma quantidade de defletores longitudinais, cada uma delas tendo seus aros longitudinais; uma quantidade de vedações longitudinais para a montagem de forma vedada dos aros longitudinais dos defletores longitudinais contra o casco do trocador de calor após a montagem, onde a montagem é ainda composta de um membro de parede que é colocado para se estender entre as vedações longitudinais dos defletores longitudinais adjacentes para formar uma parede dupla com o casco do trocador de calor, após a montagem.
O requerente percebeu que a confiabilidade das vedações pode ser melhorada significativamente se um membro da parede é fornecido para formar uma parede dupla com o casco do trocador de calor. Se então, durante a operação normal o fluido de um compartimento vazar ao longo de uma vedação longitudinal, o fluido entrará no espaço interno da parede dupla, e portanto não diretamente no outro compartimento. Para vazar para um outro compartimento, um fluido necessitará vazar através ainda de outra vedação longitudinal. O membro de parede atua como uma barreira contra vazamento.
Adequadamente, a vedação longitudinal é composta de um flange com a forma de U para receber os aros longitudinais, e além disso, um membro de vedação de parede. O membro de vedação de parede, adequadamente, é formado de flanges elásticos que se estendem para fora em lados opostos. Uma vedação longitudinal adequado é a vedação de defletores T4 da Kempchen & Co. GmbH.
Adequadamente, o membro da parede tem um aro longitudinal dobrado, de preferência, ambos os aros longitudinais são dobrados. Então, o flange com a forma de U pode ser colocado para receber o aro longitudinal dobrado do, ou cada membro de parede que se estende daquela vedação longitudinal, além do aro longitudinal do defletor longitudinal. De preferência, um flange com a forma de U tem uma largura que é escolhida de tal forma que a espessura total dos aros longitudinais do defletor longitudinal e um membro da parede sejam recebidos com folga apertada.
Em realizações especiais, o defletor longitudinal pode ser fornecido com aros longitudinais dobrados. Isto poderá ser vantajoso se o defletor deve ser colocado relativamente longe de um plano diametral de um casco cilíndrico, porque naquele caso, o defletor forma um ângulo finito com o normal do casco no local da vedação longitudinal. Dobrando- se os aros longitudinais, aquele ângulo pode ser trazido, ou ficar próximo de 0 graus.
Adequadamente, o conjunto é ainda composto de uma quantidade de defletores transversais para suporte de um feixe de tubos. Os defletores transversais podem ser compostos de elementos de metal expandido, conforme descrito nos pedidos de patentes internacionais de número WO/ 2005/067170; WO/2005/015107; WO/2005/ 015108, que são incorporadas como referência.
Alternativamente, a invenção também pode ser utilizada com outros tipos de trocadores de calor tendo um padrão longitudinal de fluxo, sendo exemplos os trocadores de calor com suportes de tubos com defletor, ou trocadores de calor com tubos torcidos.
Quando o conjunto com os defletores longitudinais n-1 é feito para formar um trajeto para o fluxo do fluido em meandros de η passes entre uma entrada e uma saída após a montagem do casco do trocador de calor, onde n>2, os defletores transversais são formados adequadamente de η segmentos. Os segmentos dos defletores transversais entre os defletores longitudinais adjacentes então têm adequadamente uma seção transversal correspondendo à seção transversal entre as paredes duplas opostas dos defletores longitudinais adjacentes.
Em uma realização especial, os tubos se estendem de uma folha de tubos através dos defletores transversais e um defletor de extremidade transversal para uma folha de extremidade de tubos, e os membros da parede são ligados em uma extremidade no folha de tubos e na outra extremidade, no defletor de extremidade. De preferência, então, o defletor de extremidade é equipado com uma vedação para evitar o desvio de fluido entre os passes do casco ao redor do defletor de extremidade.
O conjunto pode ser fabricado previamente, opcionalmente, juntamente com os feixes de tubos e os tubos passam através dos defletores transversais, e deslizam para dentro do casco do trocador de calor, especialmente durante uma operação de substituição. Ele pode, é claro, também ser montado diretamente em um casco de trocador de calor.
A invenção apresenta ainda um método para montagem de um trocador de calor, o método sendo composto de
- fornecimento de um casco de trocador de calor;
- fornecimento de um conjunto de defletores e vedações composto de uma quantidade de defletores longitudinais, cada uma delas tendo dois aros longitudinais;
uma quantidade de vedações longitudinais; e
uma quantidade de membros de parede;
- a montagem do conjunto de defletores e vedações fora o casco do trocador de calor, de forma que seja obtido um arranjo de defletores longitudinais empilhados equipadas com vedações longitudinais nos seus aros longitudinais, onde os membros da parede se estendem entre as vedações longitudinais dos defletores longitudinais adjacentes;
- a introdução do arranjo no casco do trocador de calor de forma que cada membro de parede forme uma parede dupla com o casco do trocador de calor.
Durante uma reforma de um trocador de calor existente, a etapa de fornecimento de um casco de trocador de calor inclui a remoção prévia das partes internas do trocador de calor daquele casco. Breve descrição dos desenhos
A invenção será agora descrita em maiores detalhes com referência aos desenhos anexos, onde
A figura 1 mostra esquematicamente um conjunto de defletores e vedações de acordo com a invenção;
A figura 2 mostra esquematicamente um conjunto de defletores e vedações de acordo com a invenção, em um trocador de calor;
A figura 3 mostra esquematicamente uma seção transversal através do trocador de calor da figura 2; e
A figura 4 mostra esquematicamente o detalhe IV da figura 3 ampliado; A figura 5 mostra esquematicamente os defletores transversais expandidos metálicos de suporte dos tubos para uso com a invenção atual; e
A figura 6 mostra esquematicamente um feixe de tubos passando através do metal expandido.
Onde são utilizados os mesmos números de referência em figuras diferentes, eles se referem aos mesmos ou a objetos semelhantes.
Descrição detalhada da Invenção
A figura 1 mostra esquematicamente uma vista em três dimensões de um conjunto 1 de defletores e vedações de acordo com a invenção atual. Para fins de esclarecimento, parte de um casco do trocador de calor 4 é indicado ao redor do conjunto, mas ficará entendido que o casco 4 em geral não necessita ser parte do conjunto.
O conjunto é composto de 2 defletores longitudinais, 6, 7 cada uma delas tendo um par de aros longitudinais 11a, b; 12a,b. Além disso, uma quantidade de vedações longitudinais 14, 15, 16, 17 é fornecida para montar de forma vedada os aros longitudinais dos defletores longitudinais contra o casco do trocador de calor 4 após a montagem no casco. O conjunto é ainda composto de um membro de parede 21 que é colocado para se estender entre as vedações longitudinais 14, 16 dos defletores longitudinais adjacentes 6, 7, e um membro da parede 22 que é colocado para se estender entre as vedações longitudinais 15, 17 dos defletores longitudinais 6, 7. Os membros da parede formam uma parede dupla com o casco do trocador de calor 4 após a montagem. Os defletores longitudinais são fornecidos com aberturas substancialmente retangulares 26, 27, que permitem o fluxo de fluido em meandro entre os três compartimentos que são formados em um casco.
E feita referência a figura 2, mostrando esquematicamente o conjunto 1 montado em um trocador de calor 31 com o casco do trocador de calor 34. O casco do trocador de calor 34 tem uma entrada 36 no seu lado superior próximo de uma extremidade longitudinal, e uma saída 37 no lado inferior da extremidade longitudinal oposta. Os defletores longitudinais têm uma largura ligeiramente menor do que a largura do casco na sua posição de montagem, de forma que os aros externos longitudinais desta placa são ligeiramente espaçadas para dentro, tipicamente, 2 - 20 mm, da superfície da parede interna do casco. Os defletores longitudinais dividem o interior do casco 34 em 3 compartimentos 41, 42, 43 que estão em comunicação fluida através dos recortes 26,27.
O trocador de calor é ainda fornecido com um feixe de tubos, somente 4 tubos do qual, os tubos 45, 46, 47, e 48, são mostrados para fins de clareza. O lado do tubo do trocador de calor 31 é indicado com pontos. Nesta realização, o lado dos tubos tem um arranjo de dois passes no tubo. O lado dos tubos tem uma entrada 51 para uma câmara de entrada de tubos 53. A câmara de entrada dos tubos está em comunicação fluida com a parte inferior do feixe de tubos, os tubos 47, 48, que se estendem para a folha de extremidade de tubos 54 ligados na câmara de saída dos tubos 55, a qual por seu lado, está em comunicação fluida com a parte superior do feixe de tubos, os tubos 45, 46, que se estendem para dentro da câmara de saída de tubos 57, onde é colocada a saída 59 do lado dos tubos. As câmaras de entrada e saída de tubos 53, 57 são separadas por uma placa horizontal 61 que se estende horizontalmente ao longo do centro do casco 34 da extremidade do casco até o feixe de tubo 62 no qual os tubos são colocados. A folha de tubos é fixado no casco pelos flanges 63, através dos quais a extremidade de entrada do casco pode ser aberta para a inserção ou remoção das partes internas. O flange 64 através do qual a parte final do casco pode ser removida, é também colocado na extremidade traseira.
A folha de extremidade de tubos 54 na extremidade oposta também fixa os tubos, mas de forma diferente da folha de tubos 62, a folha de extremidade de tubos 54 e a câmara de saída dos tubo final 55 na qual eles são ligados não são ligadas no casco 34, i.e., a câmara final é flutuante. Isto permite uma extensão térmica dos tubos dentro do casco. Ao invés de uma câmara final que recebe água e distribui todo o fluido dos tubos, poderiam também ser utilizados tubos em U separados.
Os tubos são suportados por uma quantidade de defletores transversais 65. O defletor transversal 66 que é mais afastado da entrada/saída de tubos, é diferente dos outros. Primeiramente, ele é formado de uma placa sólida que é fabricada com tolerâncias estreitas na seção transversal do casco, e é fornecida apenas com aberturas através das quais os tubos podem passar, mas os tubos não são ligados nesta placa de defletores. O defletor de extremidade 66 serve para evitar o vazamento do fluido do casco do compartimento 41 diretamente para o compartimento 43, através do escoamento ao redor da câmara de recebimento de tubos 55. Através desse vazamento, o fluido do casco do primeiro passe faria um atalho para alcançar diretamente a saída do casco 37, impulsionada pela pequena queda de pressão que existe entre os passes diferentes. Para evitar isto, é colocado uma vedação na forma de um perfil 67, que pressiona o material de vedação 68 contra o casco 34, pelo menos na parte inferior da circunferência do defletor de extremidade 66 até acima do defletor 7, conforme indicado de forma pontilhada em 69. Através desta vedação, é evitado o vazamento do espaço livre 70 ao redor da câmara final de tubos 55 para o terceiro passe, compartimento 43. A vedação pode se estender ao redor de toda a circunferência do defletor de extremidade 67, mas isto não é estritamente requerido porque o vazamento para dentro do segundo passe, compartimento 43, não é um problema porque ele não constitui um atalho, como em trocadores de calor com dois passes no casco. Os defletores transversais, adequadamente, são interconectados para estabilidade mecânica, por exemplo, através de hastes longitudinais (não mostradas).
A figura 3 mostra uma seção transversal do casco do trocador de calor com o arranjo montado de defletores e vedações ao longo da linha III-III na figura 2, mas sem os tubos e defletores transversais. As paredes duplas que são formadas pelo casco 34 e os membros de parede em 21, 22, definindo os espaços internos 71, 72, são claramente visíveis. Os suportes laterais 21, 22 se estendem da folha de tubos 62 até a placa do defletor de extremidade 66, e são ligados de forma vedável a esta. Estes flanges da extremidade (não mostradas) são soldados nas extremidades dos suportes laterais 21, 22, que são aparafusados, utilizando-se material adequado de vedação, no folha de tubos e na placa de defletor de extremidade, respectivamente.
Uma realização da vedação longitudinal 14 é mostrada como uma porção ampliada IV em mais detalhes na figura 4, e as outras vedações longitudinais 15,16,17, são construídos de forma análoga.
A vedação longitudinal 14 é composto de um flange 75 com a forma de U que é formado pelos flanges internos 76 e 77 ligados através de um flange de fundo 78, todos feitos de uma peça de metal em tiras. O metal em tiras é dobrado para formar as dobras 79 e 80. As dobras são colocadas para suportar os membros de vedação da parede, na forma de flanges elásticos que se estendem para fora, as placas metálicas 82, 83, 84, 85. Quatro placas são mostradas no desenho, duas em cada lado, mas podem ser colocados mais ou menos vedações das placas. Um número típico é de 4 placas em cada lado.
O ranhura formada pelo perfil 75 na forma de U tem uma largura tal que a espessura combinada do aro longitudinal lia do defletor 6 e do aro dobrado 88 do membro da parede 21 são recebidos sem folga. Se desejado, um material de vedação adequado para as temperaturas de operação, como o teflon, pode ser utilizado. As partes podem ser aparafusadas juntamente ao longo da linha tracejada 89. Ficará entendido que os espaçamentos entre as partes no desenho são mostrados de forma exagerada para fins de clareza.
A figura 5 mostra um defletor transversal 65 que é formado de três segmentos 91a, 91b, 91c, dessa forma sendo adaptado para operar em conjunto com os dois defletores longitudinais 6, 7, em um trocador de calor com três passes no casco. Os segmentos desta realização são feitos de feixes metálicos expandidos 92a,b, c que são cortados no tamanho e soldados em um suporte 93a,b, c, cujo suporte pode ser ligado no casco e/ou nos defletores longitudinais, conforaie requerido para a estabilidade mecânica.
O metal expandido 92 suporta os tubos conforme mostrado esquematicamente na figura 6.
Se o defletor longitudinal é colocado relativamente longe de um diâmetro do casco, pode ser vantajoso dobrar-se os aros longitudinais, conforme indicado para o defletor tracejado 6 na figura 4, na direção do raio do casco 34.
Para a fabricação de um trocador de calor, é fornecida um casco de trocador de calor, se necessário, após a remoção das partes internas originais. O conjunto de defletores e de vedações de acordo com a invenção, de preferência, é montado fora do casco, de forma que seja obtido um arranjo de defletores longitudinais empilhados equipadas com vedações longitudinais nos seus aros longitudinais, onde os membros da parede se estendem entre as vedações longitudinais dos defletores longitudinais adjacentes. O conjunto pode ser adicionalmente completado com defletores transversais e tubos, e adequadamente, com a folha de tubos e a folha de extremidade de tubos, e o conjunto completo pode ser deslizado para dentro do casco. Para este fim, a câmara de entrada/saída de tubo é removida, e adequadamente, também a parte extrema (flanges 63 e 64 na figura 2). A extremidade do feixe de tubo 54 tem um diâmetro menor do que o folha de tubos 62, porque ele deve passar através do casco. A câmara de tubos 55, adequadamente, é montada após o conjunto montado ter sido movido através do casco. Adequadamente, são utilizadas tiras deslizantes sobre a circunferência dos defletores transversais.
Será agora descrito um exemplo de operação normal de um trocador de calor com partes internas, de acordo com a invenção atual. O trocador de calor deste exemplo é utilizado em um conjunto de pré- aquecimento de uma unidade de destilação de cru, onde foi feita uma reforma prévia de um trocador de calor de um só passe, instalando-se um conjunto conforme mostrado na figura 2 - 6. O comprimento total dos tubos é de ca. 6 m, o diâmetro interno do casco cilíndrica é de ca. 1,2 m. Os defletores horizontais longitudinais são colocados simetricamente com relação ao diâmetro do casco, e formam um ângulo de 18 0 com o normal (i.e., um raio no ponto de vedação) do casco. Verificou-se que neste caso não é necessária nenhum aro longitudinal dobrado quando são utilizados as vedações de defletores Kempchen T4, onde as vedações elásticas das placas finais são feitos de aço inoxidável 316 TI. A parede dupla formou um espaço interno de 50 mm de largura,cf. os números de referência 71 na figura 3. Não puderam ser colocados tubos ao longo da linha de centro horizontal do casco, por causa da placa horizontal 61 que separa as câmaras de entrada e saída dos tubos. Foram instalados um total de 866 tubos.
O fluido passando através dos lados do tubo é cru, o qual é pré-aquecido, digamos de 155°C a 180°C, contra resíduos longos aquecidos que são passados através do lado do casco e resfriados de 270°C até 220°C. O uso de defletores de metal expandido é especialmente vantajoso neste caso, porque ele reduz os custos de incrustação e de manutenção/limpeza no lado do casco. O projeto de casco com três passes aumenta a velocidade de fluxo no lado do casco, o que é benéfico para uma transferência de calor de serviço pesado em um casco compacto. Ele também faz uso da queda de pressão disponível. Uma particularidade do esquema deste exemplo com três passes no casco e duas passes nos tubos é que os fluxos no casco e nos tubos são em contracorrente no compartimento 41, parcialmente em contracorrente e parcialmente na mesma direção no compartimento 42, e na mesma direção no compartimento 43. Deve ser entendido que a invenção pode também ser utilizada com mais de 2 defletores longitudinais. Por exemplo, com 3 defletores longitudinais, adequadamente 4 membros da parede são fornecidos de forma a se colocar 4 paredes duplas, duas entre a primeira e a segunda, e dois entre o segundo e o terceiro defletores longitudinais. As vedações longitudinais do segundo defletor longitudinal (do meio), de preferência, suportam os aros longitudinais dobrados dos dois membros de parede que se estendem para cima e para baixo daquela vedação. Em tal projeto de 4 passes no casco, a entrada e a saída do casco normalmente estão na mesma extremidade do casco. Como em tal projeto um defletor longitudinal corre ao longo de um diâmetro horizontal do casco, não existe conflito com a placa de separação horizontal entre a câmara de entrada/saída de tubos.