BRPI1003318A2

BRPI1003318A2 - trocador de calor do tipo envoltório-e-tubo e tubo interno e/ou com capa de um trocador de calor do tipo envoltório-e-tubo

Info

Publication number: BRPI1003318A2
Application number: BRPI1003318-1A
Authority: BR
Inventors: Jirg Zacharias; Roland Feilner
Original assignee: Krones Ag
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2012-05-29
Also published as: EP2299227A2; CN102012177A; EP2299227A3; EP2299227B1; US20110056663A1; DE102009040558A1; ES2691257T3; HUE041374T2; PL2299227T3

Abstract

TROCADOR DE CALOR DO TIPO ENVOLTóRIO-E-TUBO E TUBO INTERNO E/OU COM CAPA DE UM TROCADOR DE CALOR DO TIPO ENVOLTóRIO - E - TUBO. Trocador de calor de carcaça e tubos (W) para o tratamento de sucos e de produtos de gêneros alimentícios do tipo suco com viscosidade média a alta, com pelo menos um tubo com capa (1) que contém pelo menos um tubo interno (2) com o que o tubo interno (2) e/ou o tubo com capa (1) são formados como um tubo de espiral com espirais de partida múltipla que funcionam como uma rosca em um ângulo (<225>, <225>1) em relação ao eixo do tubo (X), um tubo cruzado e torcido com espirais cruzadas (D1, D2) pelo menos essencialmente simétricas ao eixo do tubo, cada uma com um ângulo de incidência (<244>, <244>1) entre 67<198> e 72<198> em relação ao eixo do tubo (X), isto é, com um ângulo de torção (<225>, <225>1) de 23<198> a 18<198> em relação ao eixo do tubo, que é utilizado como um tubo interno e/ou externo (1, 2). A profundidade da espiral (T) é de aproximadamente 0,8 mm a 1,2 mm.

Description

TROCADOR DE CALOR DO TIPO ENVOLTÓRIO-E-TUBO E TUBO INTERNO E/OU COM CAPA DE UM TROCADOR DE CALOR DO TIPO ENVOLTÓRIO-E-TUBO

A invenção refere-se a um trocador de calor de envoltório-e-tubo do tipo que está de acordo com a parte de pré-caracterização da reivindicação 1 da patente e a um tubo interno e/ou com capa de um trocador de calor de envoltório- e-tubo desse tipo.

Um trocador de calor de envoltório-e-tubo para tratamento de sucos com fibras e/ou partículas em que são utilizados tubos internos e/ou externos simplesmente torcidos é apresentado no documento DE 600 19 635° T2 . No tubo interno, o ângulo de torção é mostrado como sendo de aproximadamente 45°, ao passo que o ângulo de torção no tubo com capa é ilustrado como sendo de aproximadamente 75°, em referência ao eixo do tubo em cada caso. Com este trocador de calor de envoltório-e-tubo, uma desvantagem é que, para aumentar a transferência de calor, uma perda de pressão muito substancial é aceita para uma área constante apresentada ao fluxo e a camada limite do fluxo é induzida a uma rotação forte nas espirais., que funcionam com o mesmo ângulo de torção do eixo do tubo. Isto requer a provisão de uma pressão muito alta, o que pode ser desvantajoso para o produto, para o tratamento do produto no trocador de calor de envoltório-e- tubo.

O documento DE 102 56 232 B4 apresenta um trocador de calor de envoltório-e-tubo para tratamento de UHT de leite e produtos lácteos para pasteurização. O tubo com capa é um tubo liso. Somente os tubos internos podem ser cruzados, e nos tubos torcidos as espirais de partida múltipla, mutuamente opostas, se cruzam em ângulos de incidência entre 25° e 35° longitudinalmente ao eixo do tubo, isto é, em ângulos de torção entre 65° e 55°. Esta faixa angular é especialmente combinada com o leite e os produtos lácteos, que têm uma tendência muito forte de formar depósitos na superfície em contato. Portanto, as espirais também são polidas eletroquimicamente. A combinação das duas medidas resulta em uma inibição ideal da formação de depósito do leite e dos produtos lácteos, permitindo um período de serviço mais longo do trocador de calor de envoltório-e-tubo antes que um ciclo de limpeza seja necessário. Um ângulo de torção de 45° também é mencionado, e é considerado como ideal para a transferência de calor, mas, no entanto, acarreta uma grande formação inadmissível de depósitos do leite e dos produtos lácteos. Os ângulos de incidência entre 25° e 35° e o tratamento adicional da superfície são consequentemente ideais para o leite e os produtos lácteos no que diz respeito à inibição da formação de depósitos específicos de um produto, mas, com o ângulo atual de 45° em relação ao eixo do tubo, há um relacionamento desfavorável entre o aumento na transferência de calor obtida e o aumento excessivo na perda de pressão no fluxo.

O objetivo da invenção é apresentar um trocador de calor de envoltório-e-tubo do tipo mencionado na introdução, bem como um tubo com capa e/ou um tubo interno para um trocador de calor de envoltório-e-tubo dessa natureza, que, ao processar particularmente sucos ou produtos alimentícios do tipo suco com viscosidade baixa, média ou alta, promova, de modo ideal, tempos de residência curtos e superfícies de troca de calor pequenas, apesar de um suprimento de pressão apenas moderado. Isto se aplica a todos os gêneros alimentícios líquidos nesta faixa de viscosidade.

O objetivo estabelecido é atingido com as características da Reivindicação 1 da Patente e da Reivindicação 10 da Patente.

Com o uso de pelo menos um tubo cruzado e torcido no trocador de calor de envoltório-e-tubo (para o tubo com capa e/ou cada tubo interno) , um aumento substancial na transferência de calor é obtido devido às espirais cruzadas. No entanto, com o aumento da perda de pressão associada com o cruzamento/torção, o aumento que pode ser obtido na transferência de calor leva a uma relação ideal entre o fluxo passante ao restringir o ângulo de incidência α para 72° a 67° longitudinalmente ao eixo do tubo e o ângulo de torção resultante de 18° a 23° perpendicular ao eixo do tubo, isto é, a um ângulo relativamente agudo, que, apesar de um suprimento de pressão apenas moderado, resulta em uma superfície de troca de calor menor. Em outras palavras, devido ao uso de tubos cruzados e torcidos dessa natureza, o trocador de calor de envoltório-e-tubo precisa de uma superfície de troca de calor relativamente pequena e, portanto, de uma distância de transporte curta. Com sucos e produtos de gêneros alimentícios do tipo suco, a tendência de formar depósitos do produto é de importância secundária, porque com o uso de tubos cruzados e torcidos com ângulos

O rasos de torção indicados, o fator principal é que a polpa, as fibras ou as partículas como, constituintes de sucos ou de produtos de gêneros alimentícios do tipo suco não tendem a aderir e a acumular devido ao ângulo raso de torção, mas, em vez disso, fluem rapidamente. Além disso, desse modo, é possível a limpeza em uma condição higienicamente impecável.

Em uma realização apropriada, na seção axial do tubo, cada espiral tem uma reentrância em forma de calha com nervuras em ambos os lados, tendo um formato aproximado de cunha em seção transversal, entre as quais uma profundidade de espiral entre aproximadamente 0,8 mm a 1,2 mm está presente na reentrância. A interação entre os ângulos de torção relativamente rasos e a profundidade moderada das espirais resulta, mesmo com um suprimento de pressão moderado, em uma relação entre o aumento na transferência de calor e o aumento resultante na perda de pressão que é ideal para sucos e produtos de gêneros alimentícios do tipo suco de viscosidade baixa, média e alta. Preferivelmente, as reentrâncias e as nervuras são arranjadas na superfície que fica em contato com o produto.

Em uma realização apropriada, a largura da reentrância, vista na direção do eixo do tubo, é um múltiplo da profundidade da espiral. Deve estar entre aproximadamente 5,0 e 20,0 mm. As reentrâncias são cavidades relativamente largas, em cujas nervuras adjacentes as partes constituintes do produto fluem rapidamente, e facilitam também uma limpeza higienicamente impecável, por exemplo, para uma mudança de produto.

A fim de poder explorar de modo ideal o efeito das espirais cruzadas, as espirais de partida múltipla cobrem toda a superfície do tubo.

Em uma realização apropriada, o tubo com capa, como um tubo cruzado e torcido com múltiplos tubos internos cruzados e torcidos, forma um módulo do trocador de calor de envoltório-e-tubo. Este módulo pode se estender de uma maneira apropriada por 3,0, 6, 0 m ou mais, e é combinado de modo propício com vários módulos em série para o tratamento do produto no trocador de calor de envoltório-e-tubo.

Em outra realização, somente os tubos internos são tubos cruzados e torcidos com ângulos de torção relativamente rasos, por exemplo, se um meio de transferência de calor for usado no canal de fluxo entre o tubo com capa e os tubos internos.

Em outra realização, o tubo com capa tem as reentrâncias das duas espirais no lado interno do tubo, ao passo que o respectivo tubo interno cruzado e torcido tem as reentrâncias das espirais no lado externo ou no lado interno, por exemplo, dependendo de qual superfície do tubo o produto flui .

O trocador de calor de envoltório-e-tubo é particularmente apropriado para o tratamento de sucos ou de produtos de gêneros alimentícios do tipo suco com viscosidades > aproximadamente 5 mPas.

Para tratamento do produto pertinente, dois métodos diferentes são apresentados, isto é, tanto um método restaurador, em que o produto é processado com o produto separado pelo respectivo tubo cruzado e torcido, por exemplo, no contrafluxo, quanto um método com um meio de transferência de calor com o produto separado pelo respectivo tubo cruzado e torcido, com o que, então, preferivelmente, as reentrâncias das duas espirais do tubo cruzado e torcido ficam voltadas para o produto.

Os tubos cruzados e torcidos utilizados são tubos de aço inoxidável apropriados em que ambas as espirais agem no fluxo das superfícies interna e externa do tubo.

As realizações do objetivo da invenção são explicadas com base nos desenhos. O seguinte é mostrado:

A Figura 1 mostra um trocador de calor de envoltório-e-tubo para tratamento por calor de sucos ou produtos de gênero alimentício do tipo suco com um exemplo de um módulo com um tubo cruzado e torcido como um tubo com capa.

A Figura 2 mostra outra realização de um módulo com pelo menos um tubo interno como um tubo cruzado e torcido, por exemplo, um tubo com capa liso.

A Figura 3 é realização adicional de um módulo em que o tubo com capa e cada tubo interno são formados como tubos cruzados e torcidos.

A Figura 4 é um corte detalhado de uma parede de tubo de um tubo cruzado e torcido com as reentrâncias de ambas as espirais que ficam voltadas para o interior do tubo.

A Figura 5 e uma seção transversal de uma parede de tubo de um tubo cruzado e torcido com as reentrâncias de ambas as espirais situadas no lado externo do tubo.

A Figura 1 ilustra um módulo M de um trocador de calor do tipo envoltório-e-tubo W para o tratamento por calor de sucos ou produtos de gêneros alimentícios do tipo suco com viscosidade de média a alta, por exemplo, uma viscosidade de mais do que cerca de 5 mPas, que compreende um tubo com capa 1 e pelo menos um tubo interno aproximadamente coaxial 2 acomodado dentro do tubo com capa 1 e espaçado da parede interna do tubo com capa 1. No trocador de calor do tipo envoltório-e-tubo W o módulo M é, por exemplo, combinado- com outros módulos do mesmo tipo ou similares que não são ilustrados a fim de formar uma seção de tratamento de um certo comprimento apropriado. O produto é tratado de acordo com um método restaurador, isto é, produto separado do produto, por exemplo, pelo tubo interno 2, ou de acordo com um método em que um meio de transferência de calor (vapor ou água) é utilizado, com o que o meio de transferência de calor é separado do produto, por exemplo,, pelo tubo interno relevante 2. O método relevante é operado preferivelmente no contraíluxo ou no unifluxo.

O tubo com capa 1 da Figura 1 é formado como um tubo cruzado e torcido com as espirais de partida múltipla Dl, D2 cruzando uma a outra essencialmente simétricas ao eixo do tubo X, com o que o ângulo de incidência a ao eixo do tubo X está entre 67° e 72°, e o ângulo de torção β resultante é 18° a 23° perpendicular ao eixo do tubo. O tubo cruzado e torcido é, por exemplo, similar àquele ilustrado na Figura 4 com as reentrâncias 3 voltadas para o interior do tubo. Na Figura 1, o respectivo tubo interno 2 é um tubo liso ou, de modo semelhante, um tubo cruzado e torcido com espirais essencialmente de partida múltipla, que se cruzam mutuamente, simétricas ao eixo do tubo X e com ângulos de torção β1 entre 18° e 23°.

Na realização da Figura 2 do módulo Μ, o tubo com capa 1 é um tubo liso. Por outro lado, cada tubo interno 2 contido no tubo com capa 1 é um tubo cruzado e torcido com as espirais de partida múltipla que se cruzam mutuamente Dl, D2 essencialmente simétricas ao eixo do tubo X e com ângulos de incidência al entre 67° e 72° ao eixo do tubo. As espirais Dl, D2 são de partida múltipla, de modo que, apesar do ângulo de incidência relativamente agudo al (ângulo de torção β1 entre 18° e 23°), a superfície do tubo completa é oferecida ao produto, principalmente às macroestruturas, que intensificam a transferência de calor, e o ideal é obtido entre o aumento na transferência de calor e a perda de pressão devido às espirais.

Na realização da Figura 3 do módulo M, tubos cruzados e torcidos com espirais de partida múltipla que se cruzam mutuamente Dl, D2 essencialmente simétricas ao eixo do tubo X são utilizados para o tubo com capa 1 e cada tubo interno 2, com o que aqui também o ângulo -de torção β, β1 está entre 18° e 23° perpendicular ao eixo do tubo X.

Um ângulo de torção β, β1 de 18° a 23° ao eixo do tubo significa um ângulo de incidência a, al de cada espiral de β, βΐ = 90° - ângulo de torção = a, al = 67° a 72° indicado como um plano longitudinal ao eixo do tubo X.

A Figura 4 ilustra as macroestruturas formadas como um tubo com capa e/ou tubo interno 1, 2 pelas espirais cruzadas Dl, D2 do respectivo tubo cruzado e torcido, que estão presentes no lado interno e no lado externo do tubo. Na Figura 4 as reentrâncias do tipo cavidade 3, que estão em cada caso limitadas pelas nervuras essencialmente em forma de cunha 5 e têm uma profundidade de espiral T entre 0,8 mm e 1,2 mm, são providas voltadas para o eixo do tubo X e seguindo uma a outra na direção axial. A largura B de cada reentrância 3 é um múltiplo da profundidade da espiral T, preferivelmente entre 5,0 mm e 20,0 mm. No lado externo do tubo e correspondente à reentrância 3, é provida uma cúpula arredondada 4 que é limitada na direção axial por sulcos aproximadamente em formato de V 6. Em uma alternativa que não é ilustrada, as nervuras 5 e os sulcos 6 podem ser arredondados, por exemplo, com uma vista para facilitar a limpeza do tubo. As nervuras 5 ou os sulcos 6, bem como as reentrâncias 3 e as cúpulas 4, passam por cima da superfície do tubo completa interna, respectivamente externa, a um ângulo de incidência a, ai como uma rosca e cruzam uma a outro periodicamente.

Na realização da Figura 5 um tubo cruzado e torcido é mostrado como um tubo com capa ou interno 1, 2 em que as reentrâncias 3 estão presentes no lado externo do tubo (isto é, não ficam voltadas para o eixo do tubo X) . A esse respeito, as cúpulas arredondadas 4 e os sulcos 6 ficam voltados para o eixo do tubo X. A profundidade da espiral T está entre 0,8 mm e 1,2 mm. O ângulo de torção β, β1 fica compreendido entre 18° e 23° em relação ao eixo X. O tubo cruzado e torcido ilustrado na Figura 5 pode ser apropriadamente utilizado como o tubo interno 2 se, por exemplo, o produto fluir entre o tubo com capa, que é projetado tal como na Figura 4, e o lado externo do tubo interno 2. Se um meio de transferência de calor estiver sendo utilizado, o qual flui no canal de fluxo entre o tubo com capa Ieo tubo interno 2, o tubo cruzado e torcido do tubo interno 1, 2 é formado apropriadamente análogo a Figura 4.

Do uso de tubos cruzados e torcidos com um ângulo de incidência a, al de 67° a 72° e uma profundidade de espiral T entre 0,8 mm e 1,2 mm para uma largura de espiral B entre aproximadamente 5,0 mm e 2 0,0 mm resulta uma relação ideal entre o aumento na transferência de calor que pode ser obtida pela técnica de espiral cruzada ou o coeficiente de transferência de calor e o aumento na perda de pressão que tem de ser aceito para o fluxo passante para sucos ou produtos de gêneros alimentícios do tipo suco com viscosidade média ou alta, de tal modo que o método respectivamente aplicado (restaurador ou com um meio de transferência de calor) requer uma superfície de troca de calor relativamente pequena para um suprimento de pressão apenas moderado com tempos de residência curtos no trocador de calor de envoltório-e-tubo, ou uma seção de transporte relativamente curta é suficiente para o trocador de calor do tipo envoltório-e-tubo W.

Claims

1. TROCADOR DE CALOR DO TIPO ENVOLTÓRIO-E-TUBO, para tratamento de sucos e de produtos de gêneros alimentícios do tipo suco com viscosidade média a alta, com pelo menos um tubo com capa (1) que contém pelo menos um tubo interno (2) , sendo que o tubo interno (2) e/ou o tubo com capa (1) são formados como um tubo em espiral com espirais de partida múltipla (Dl, D2) que funcionam como uma rosca em um ângulo de torção em relação ao eixo do tubo (X) , caracterizado pelo fato de que, como um tubo interno e/ou externo (1, 2) , um tubo cruzado e torcido é provido com espirais que se cruzam mutuamente (Dl, D2) pelo menos essencialmente simétricas ao eixo do tubo (X) , e cada uma com um ângulo de incidência (a, al) entre 67° e 72° em relação ao eixo do tubo (X) e o ângulo de torção (β, βΐ) resultante do mesmo de 18° a 23° perpendicular ao eixo do tubo.

2. TROCADOR DE CALOR DE ENVOLTÓRIO-E-TUBO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada espiral (Dl, D2) tem na seção transversal uma reentrância tipo cavidade (3) com nervuras (5) em ambos os lados e aproximadamente em forma de cunha na seção transversal, entre as quais, na reentrância (3) , uma profundidade de espiral (T) entre aproximadamente 0,8 mm a -1,2 mm está presente, e de que pref erivelmente as reentrâncias e as nervuras são arranjadas na superfície do tubo com capa e/ou do tubo interno (1, 2) em contato com o produto.

3. TROCADOR DE CALOR DE ENVOLTÓRIO-E-TUBO, de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a largura (B) da reentrância (3) vista na direção do eixo do tubo (X) é um múltiplo da profundidade da espiral (T) , preferivelmente entre cerca de -5,0 e 20,0 mm.

4. TROCADOR DE CALOR DE ENVOLTÓRIO-E-TUBO, de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que ambas as espirais de partida múltipla (Dl, D2) cobrem inteiramente a superfície do tubo.

5. TROCADOR DE CALOR DE ENVOLTÓRIO-E-TUBO, de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o tubo com capa (1) contém uma pluralidade de tubos internos cruzados e torcidos (2) como o tubo cruzado e torcido e forma um módulo (M) do trocador de calor de envoltório-e-tubo (W).

6. TROCADOR DE CALOR DE ENVOLTÓRIO-E-TUBO, de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o tubo com capa (1) tem as reentrâncias das espirais (Dl, D2) no lado interno do tubo e que o respectivo tubo interno cruzado e torcido (2) tem as reentrâncias das espirais (Dl, D2) no lado externo ou no lado interno.

7. TROCADOR DE CALOR DE ENVOLTÓRIO-E-TUBO, de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de que os sucos e os produtos do tipo suco com viscosidades > aproximadamente 5 mPas podem ser processados no trocador de calor do tipo envoltório-e-tubo (W) .

8. TROCADOR DE CALOR DE ENVOLTÓRIO-E-TUBO, de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o suco ou o produto do tipo suco é processado de acordo com um método restaurador com o produto separado do produto pelo respectivo tubo cruzado e torcido.

9. TROCADOR DE CALOR DE ENVOLTÓRIO-E-TUBO, de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o suco ou o produto do tipo suco é processado de acordo com um método com um meio de transferência de calor separado do produto pelo respectivo tubo cruzado e torcido, preferivelmente com reentrâncias (3) que ficam voltadas para o produto.

10. TUBO INTERNO E/OU COM CAPA DE UM TROCADOR DE CALOR DO TIPO ENVOLTÓRIO-E-TUBO, para o tratamento de sucos ou produtos de gêneros alimentícios do tipo suco com uma viscosidade aproximadamente > que 5 rapas, caracterizado pelo fato de que um tubo cruzado e torcido com espirais de partida múltipla que se cruzam mutuamente (de Dl, D2) pelo menos essencialmente simétricas ao eixo do tubo (X) é utilizado como um tubo interno ou com capa (1, 2) , e de que o ângulo de incidência (a, al) em relação ao eixo do tubo (X) está entre 67° e 72° e a profundidade da espiral (T) nas reentrâncias (3) formadas pelas espirais (Dl, D2) está entre cerca de 0,8 mm a 1,2 mm.