BRPI0614593A2 - distribuidor para um meio fluido em um trocador de calor, e trocador de calor - Google Patents

Abstract

DISTRIBUIDOR PARA UM MEIO FLUIDO EM UM TROCADOR DE CALOR, E TROCADOR DE CALOR E provido um distribuidor (10) de um meio fluido para um trocador de calor que possui um elemento carcaça e pelo menos um elemento tubular (10) orientado de modo substancialmente vertical disposto no elemento carcaca. O distribuidor possui um corpo oco (12, 14, 16) disposto para ser sustentado na ou em uma extremidade do elemenro tubular. Um elemento núcleo (22) em forma de um funil de cabeça para baixo é formado no corpo oco, resultando numa passagem anular de fluxo (26) entre o corpo e o ciernento núcleo. O corpo possui uma seção superior (12) com uma entrada (18), uma seção inferior (14) com uma saída (20), e uma seção intermediária (16) entre as secos superior e inferior. A passagem de fluxo se estende desde a entrada na seção superior até a saída na seçao inferior, e está configurada para se estreitar progressivamente desde a entrada na direção da seção intermediária, e se alargar progressivamente desde a seção intermediária na direção da saída para modificar uma ou mais características de fluxo de um meio fluido que flui através da passagem.características de fluxo incluem uma velocidade de fluxo a uma direção de fluxo do meio fluido. Elementos guia de influxo (28) são providos na seção superior para guiar o meio fls a fluir em corres desde a referida entrada na direção da seção intermediária. Elementos guia de ejeção (30) são providos na saída para direcionar o meio fluido ria referida saída para ejetar numa direção rio sentido de uma superfície interna da parede (104) do elemento tubular.

Description

DISTRIBUIDOR PARA UM MEIO FLUIDO EM UM TROCADOR DE CALOR, ETROCADOR DE CALOR

Fundamentos da Invenção

Os conhecidos trocadores de calor de queda depelícula possuem um número de tubos orientadosverticalmente situados numa carcaça. rJm primeiro meiofluido para a troca térmica é disposto para cair sobgravidade ao longo dos tubos, enquanto que um segundo meiofluido é alimentado ao interior da carcaça. Devido aodiferencial de temperatura entre o primeiro meio e osegundo meio, o calor é transferido de um meio ao outromeio através das paredes do tubo. Tais trocadores de calorsão tipicamente usados em um evaporador e/ou um condensadorem processos para a obtenção de água potável a partir daágua do mar ou de água salobra.

Foi notado que o primeiro meio fluido contata umaporção relativamente pequena da superfície interna daparede de cada tubo enquanto flui através dele.

Conseqüentemente., apenas uma pequena porção da áreasuperficial disponível de transferência térmica de cadatubo está em transferência térmica direta com o primeiromeio. Os trocadores de calor conhecidos são, portanto,relativamente ineficientes.

0 primeiro meio fluido contém geralmente impurezase/ou minerais que provocam resíduos ou incrustação atravésdo depósito de parte das impurezas e/ou minerais sobre assuperfícies internas das paredes dos tubos. Osresíduos/incrustação reduz a taxa de transferência da trocatérmica através das paredes do tubo. 0 nível deresíduos/incrustação aumenta progressivamente com aquantidade do meio fluido através dos tubos. Com o tempo,as impurezas e/ou minerais depositados podem aumentar atéum nível em que os trocadores de calor se tornemineficazes. Desse modo, as impurezas e/ou minerais nassuperfícies internas das paredes dos tubos precisam serremovidas. A remoção das impurezas e/ou minerais requerem aretirada dos trocadores de calor de serviço tal que ostubos possam ser limpos mecanicamente e/ou quimicamente.

Consideráveis custos e tempo são requeridos para amanutenção de uma unidade de processo industrial queemprega os trocadores de calor conhecidos num ordenamentooperacional razoavelmente eficiente. Adicionalmente,durante a manutenção, a unidade industrial não estáprodutiva.

Objetivo da Invenção

É um objetivo dessa invenção proporcionar umdistribuidor para um meio fluido num equipamento de trocatérmica que alivie ou reduza até um certo nível uma ou maisdas desvantagens conhecidas no estado da arte.

Sumário da Invenção

Em um aspecto, portanto, a presente invenção estárelacionada a um distribuidor de um meio fluido para umtrocador de calor que possui um elemento carcaça e pelomenos um elemento tubular orientado de modosubstancialmente vertical disposto no elemento carcaça. 0distribuidor inclui um corpo oco disposto para sersustentado na ou em uma extremidade do elemento tubular, umelemento núcleo formado no corpo, e uma passagem anular defluxo formada entre o corpo e o elemento núcleo. 0 corpo éformado com uma seção superior que possui uma entrada, umaseção inferior que possui uma saída, e uma seçãointermediária entre as seções superior e inferior. Apassagem do fluxo se estende desde a entrada na seçãosuperior até a saida na seção inferior, e está configuradapara modificar uma ou mais características de fluido de ummeio fluido que flui através da passagem.

Preferivelmente, as características de fluxoincluem uma velocidade de fluxo e uma direção de fluxo domeio fluido.

Preferentemente, a passagem é configurada para seestreitar progressivamente a partir da entrada no sentidoda seção intermediária, e se alargar progressivamente apartir da seção intermediária no sentido da saída.

Um ou mais elementos de guia de injeção podemestar dispostos na referida saída para orientar o meio-fluido na referida saída para ejetar numa direção nosentido de uma superfície interna da parede do elementotubular.

O elemento núcleo pode estar configurado na formade um funil de cabeça para baixo com uma partesubstancialmente cônica na ou adjacente à referida seçãoinferior e uma parte pescoço substancialmente reta na ouadjacente à referida seção superior. Desse modo, a passagemde fluxo possui uma rota de fluxo relativamente ampla nareferida seção superior e uma rota de fluxo relativamenteestreita na referida seção intermediária e/ou seçãoinferior. A forma da passagem anular de fluxo induz o meiofluido a fluir uma velocidade de fluxo relativamente maiorquando fluindo na passagem nas referidas seçõesintermediária e/ou inferior.

Um ou mais elementos guia de influxo pode tambémestar disposto na seção superior para direcionar o meiofluido a fluir em correntes a partir da referida entrada nadireção da parte intermediária.

O corpo pode ter um arranjo suporte na referidaseção superior para sustentar o distribuidor no elementotubular. Preferivelmente, o arranjo suporte é um flangeperiférico que se estende radialmente desde a referidaseção superior e configurado para ficar sobre uma bordaextrema do elemento tubular.

Em um outro aspecto, entretanto, a presenteinvenção está relacionada a um trocador de calor que incluium elemento carcaça, um número de elementos tubularesorientados de forma substancialmente vertical dispostos noelemento carcaça e um distribuidor como descrito acima queé sustentado em cada elemento tubular.

Preferivelmente, uma placa de tubos é provida noelemento carcaça e os distribuidores são formados de modointegral com ou fixos à referida placa.

Breve Descrição da Invenção

A fim de que a presente invenção possa ser maisfacilmente entendida e colocada em prática será feitareferência agora aos desenhos que a acompanhara os quaisilustram modalidades preferidas da invenção e onde:

A Figura 1 é uma vista em perspectiva de umamodalidade do distribuidor de acordo com a presenteinvenção;

a Figura 2 é uma vista em seção transversal dodistribuidor mostrado na Figura 1;

A Figura 3 mostra esquematicamente o distribuidormostrado na Figura 1 em um elemento tubular; e

A Figura 4 mostra a rota de fluxo de um meiofluido através do distribuidor mostrado na Figura 1.

Descrição Detalhada da Invenção

Referindo aos desenhos e inicialmente às Figuras 1e 2, é mostrado um distribuidor 10 de acordo com umamodalidade da presente invenção. O distribuidor 10 tem umcorpo oco com uma seção superior 12, uma seção inferior 14e uma seção intermediária 16 entre as seções superior einferior. 0 corpo forma uma entrada 18 na referida seçãosuperior e uma saida na referida seção inferior. A seçãointermediária 16 é relativamente estreita. A seção superior12 é relativamente ampla na entrada 18 e se estreitaprogressivamente no sentido da seção intermediária 16, e aseção inferior 14 se alarga progressivamente desde a seçãointermediária 16 no sentido da saida 20.

Um elemento núcleo interno 22 está disposto nocorpo. Ele está configurado como um funil substancialmentede cabeça para baixo que possui uma seção cônica 24 e umaseção de pescoço substancialmente reta 25. Uma passagemanular de fluxo 26 está definida entre o corpo e o elementonúcleo interno 22.

O distribuidor 10 possui um número de elementosguia de influxo 28 dispostos na passagem anular 26. Oselementos guia 28 se estendem entre a seção superior 12 e aseção pescoço 25. Um número de elementos guia de injeção 30está provido na saida 20.

Nessa modalidade, um flange suporte 32 é providona seção superior 12. Como mostrado na Figura 3, o flangesuporte está posicionado na borda na extremidade de influxo102 de um elemento tubular 100 que possui uma superfícieinterna de parede 104 para a evaporação de um meio fluidono elemento tubular. Sua superficie externa da parede 106 épara a condensação de um meio fluido.Referindo à Figura 4, era uso, os elementos guia deinfluxo 2 8 distribuem e orientam um meio fluido tal comoágua do mar a fluir como correntes em diversas rotasatravés da região da passagem 26 na seção superior 12 nosentido da estreita seção intermediária 16. A velocidade defluido das correntes do meio fluido aumenta à medida queelas se movimentam ao interior da região de passagem maisestreita na seção intermediária 16. A seção cônica 2 4 doelemento interno 22 induz as correntes a fluir radialmentepara fora num ângulo até que os elementos guia de ejeção 30na saida 20 induzam as correntes a turbilhonar por sobre asuperfície interna de parede 104 do elemento tubular 100.

O distribuidor 10 permite desse modo a um rápidoaumento na velocidade de fluxo do fluido na saída e o meioejetado a partir das saldas molha uma área superficialrelativamente grande sobre as superfícies de evaporação104.

Em uma modalidade, o diâmetro externo dodistribuidor é 49,0 mm, e está projetado para se adaptarnum elemento tubular 100 do trocador de calor de diâmetrointerno (ID) de 49,2 mm que faz parte da montagemevaporador/condensador (mostrado). Outros diâmetros dodistribuidor podem ser feitos para se adaptar a tubos detrocador de calor de outros diâmetros.

Essa modalidade do distribuidor 10 tem uma efetivacarga volumétrica de fluxo ativo de 65 mL. (isso se comparacom uma carga volumétrica de 11 mL, para um distribuidorconvencional construído de plástico resinoso rígido). Eletem uma área efetiva de seção transversal de fluxo de 54 0mm2, como medido no ponto intermediário do distribuidor(este se compara com uma área efetiva de seção transversalde fluxo de 270 mm2, para um distribuidor convencionalconstruído de plástico resinoso rígido).

O distribuidor 10 tem uma demonstrada taxa máximade fluxo de 1,08 L/s. (Esta se compara com uma taxa defluxo de 0,30 L/s, para um distribuidor convencionalconstruído de plástico resinoso rígido).

Onde distribuidores de diâmetros outros queaqueles descritos acima são usados, a carga volumétricaefetiva de fluxo ativo deles, área efetiva da seçãotransversal de fluxo e taxas de fluxo máximas irão variaraproximadamente na proporção do quadrado de seus diâmetros,como comparado à unidade de demonstração de diâmetro 49,0 mm.

O distribuidor de acordo com a presente invençãofacilita uma melhorada umectação das superfícies doevaporador (tubo interno) de uma unidade industrial dedestilação por compressão de vapor (também conhecido comore-compressão). Numa unidade industrial de dessalinização,o distribuidor está situado na extremidade superior dostubos do trocador de calor que formam a montagemevaporador/condensador. A salmoura que sai pela saída 20 dodistribuidor 10 é turbilhonada por sobre a superfície doevaporador.

O distribuição 10 mantém as superfícies de trocatérmica 104 do lado de evaporação dos tubos doevaporador/condensador 100 em condições próximas dasoriginais na medida em que as correntes de taxa de fluxorelativamente maiores poderão induzir quaisquer depósitossobre a superfície da parede a se deslocar. Essa manutençãoda superfície 104 permite que a eficiência do processo dedessalinização seja mantida, com as* mais baixas entradas deenergia por unidade de água limpa produzida (como medido emkWh/kL).

A eficiência da dessalinização é também mantidamediante variar a taxa de recirculação da salmoura. Em umexemplo, a taxa de recirculação é ajustada num inicial de20:1, e pode ser permitida subir a 83:1, se requerido pararemover os acúmulos de incrustação. Os distribuidoresexistentes, que são feitos de plástico resinoso rígido,possuem uma taxa máxima de recirculação, como medida, de23:1.

Embora uma taxa de recirculação de 23:1 sejasatisfatória para operação normal com soluções de salmourade moderado potencial de formação de incrustação/resíduos,ela não proporciona significativa capacidade de escoriaçãopara a remoção da incrustação, para soluções de maiorpotencial incrustação/resíduos. O distribuidor de acordocom a presente invenção permite quanto a taxas derecirculação requeridas para a desencrustação dassuperfícies do evaporador.

As velocidades de fluxo no interior dos tubos deevaporação/condensação são comumentè consideradas comovelocidades limitantes, acima das quais a erosão podeocorrer; 3 m/s é comumente observado como o limite paratubos de aço inoxidável austenitico. Essas velocidades defluxo ocorrem para taxas de recirculação de 40:1, uma taxade recirculação que pode ser facilmente acomodada pelodistribuidor 10 da presente invenção. Se os tubos deevaporação/condensador que são para serem usados comdistribuidor da presente invenção são feitos de ligatitânio altamente resistente à erosão, velocidades de fluxomaiores podem ser empregadas, se a incrustação se torna umproblema. Essas altas velocidades de fluxo serãofacilitadas por taxas de recirculação de entre 40:1 e 83:1.

A equalização da pressão entre as seções superiore inferior do distribuidor 10 é facilitada pelo núcleo ocoou o elemento interno 22 transcorrendo ao longo da extensãodo centro do distribuidor. O núcleo possui um diâmetrointerno de 6 mm no topo, e flanges de um diâmetro de 30 mmna base. Essa equalização da pressão previne a formação deum vácuo parcial na cabeça dos tubosevaporador/condensador, um vácuo parcial que pode limitar ofluxo da salmoura.Onde distribuidores de diâmetros outros queaqueles descritos acima e demonstrados são usados, osdiâmetros do núcleo de equalização de pressão irá variaraproximadamente na proporção do quadrado de seus diâmetros(distribuidor), como comparado ao diâmetro de 49,0 mm daunidade distribuição de demonstração.

A direção do fluxo que emana da saida 20 dodistribuidor 10 é no sentido das superfícies internas dasparedes do tubo evaporador/condensador. Quanto mais baixa aseção de flange do núcleo oco de equalização de pressãoajuda a facilitar esse fluxo direcional, bem como ajuda naprevenção do movimento de formação do filme de salmouraafastando das paredes internas do tubo doevaporador/condensador.

O efeito de formação de incrustação/residuos é aprodução de um greve declínio na eficiência das unidadesindustriais de dessalinização por compressão de vapor. Ésabido que o coeficiente de transferência de calor de umsistema evaporador/condensador é comprometido pelaincrustação e deposição de resíduos. A remoção daincrustação é importante na redução da necessidade deenergia para produzir uma dada quantidade de condensado(água produzida) em unidade industrial de dessalinizaçãopor compressão de vapor.

O distribuidor 10 é uma parte efetiva de umsistema autolimpante para unidades industriais dedessalinização por compressão de vapor por queda depelícula. Ela fará parte de uma estratégia de manutenção dasuperfície de transferência de calor que pode incluirlimpeza por indução magnética e adição de antiincrustantequímico, bem como uma escoriação física provida pelas taxasde fluxo maiores que possam ser acomodadas pelodistribuidor.

A capacidade para aumentar a distribuição dasalmoura e a velocidade de fluxo por sobre as superfíciestubulares tem um impacto sobre as propriedades dinâmicas defluido do fluxo de salmoura. As aperfeiçoadas propriedadesdinâmicas de fluido do fluxo de salmoura permitem aumentadocontato da superfície tubular, e portanto, propriedadestermodinâmicas mais eficientes do evaporador/condensador.

Embora tenham sido dados acima exemplos a títuloilustrativos da presente invenção, muitas variações emodificações podem ser feitas a ela por aqueles usualmenteversados na técnica sem se afastar do amplo espírito eescopo da invenção como apresentados pelas reivindicaçõesseguintes.

Claims (10)

1. DISTRIBUIDOR PARA UM MEIO FLUIDO EM UM TROCADORDE CALOR, que possui um elemento carcaça e pelo menos umelemento tubular orientado de modo substancialmentevertical disposto no elemento doença, o distribuidorcaracterizado por compreender um corpo oco associado com oou cada elemento tubular e disposto para ser sustentado naou em uma extremidade do elemento tubular associado, umelemento núcleo formado no corpo, e uma passagem anular defluxo formada entre o corpo e o elemento núcleo; o corposendo formado com uma seção superior que possui umaentrada, uma seção inferior que possui uma saida, e umaseção intermediária entre as seções superior e inferior; ea passagem de fluxo sendo formada para se estender desde aentrada na seção superior até a saida na seção inferior, eestando configurada para modificar uma ou maiscaracterísticas de fluxo de um meio fluido que flui atravésda passagem.

2. Distribuição, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por as características de fluido incluíremuma velocidade de fluxo e uma direção de fluxo do meiofluido que flui através da passagem.

3. Distribuidor, de acordo com a reivindicação 1ou 2, caracterizado por' a passagem ser configurada para seestreitar progressivamente desde a entrada na direção daseção intermediária, e se alargar progressivamente desde aseção intermediária na direção da saida.

4. Distribuidor, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 3, caracterizado por um ou maiselementos guia de ejeção estarem dispostos na referidasaida para direcionar o meio fluido na referida saida paraejetar numa direção no sentido de uma superfície interna daparede do elemento tubular associado.

5. Distribuidor de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 4, caracterizado por o elemento núcleoser configurado na forma de um funil de cabeça para baixocom uma parte substancialmente cônica na ou adjacente àreferida seção inferior e uma parte pescoçosubstancialmente reta na ou adjacente à referida seçãoinferior, por meio do que a passagem de fluxo possuindo urnarota de fluxo relativamente ampla na referida seçãosuperior e uma rota de fluxo relativamente estreita nareferida seção intermediária e/ou seção inferior induz omeio fluido a fluir numa velocidade de fluxo relativamentemaior quando fluindo na passagem nas referidas seçõesintermediária e/ou inferior.

6. Distribuidor de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 5, caracterizado por um ou maiselementos guia de influxo estar disposto na seção superiorpara direcionar o meio fluido a fluir em correntes desde areferida entrada na direção da seção intermediária.

7. Distribuidor, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 6, caracterizado por o corpo ter umarranjo suporte na referida seção superior para suportar ocorpo no ou dentro do elemento tubular.

8. Distribuidor, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado por o arranjo suporte ser um flangeperiférico que se estende radialmente desde a referidaseção superior e configurado para pousar sobre uma borda deextremidade do elemento tubular.

9. TROCADOR DE CALOR, caracterizado porcompreender um elemento carcaça, um número de elementostubulares orientados de modo substancialmente vertical noelemento carcaça e um distribuidor de acordo com qualqueruma das reivindicações 1 a 8 sendo suportado em cadaelemento tubular.

10. Trocador de calor, de acordo com areivindicação 9, caracterizado por o elemento carcaça terem seu interior uma placa de tubos e o(s) distribuidor(s)serem formados integralmente com ou fixos à referida placa.