PT2156128E - Conjunto de carcaça de permutador de calor e método de montagem - Google Patents

Description

ΡΕ2156128 1

DESCRIÇÃO

"CONJUNTO DE CARCAÇA DE PERMUTADOR DE CALOR E MÉTODO DE MONTAGEM"

Campo do Invento 0 presente invento diz respeito a um conjunto de permutador calor de carcaça e a um método de montagem de uma estrutura de carcaça de permutador de calor.

Antecedentes do Invento

Um permutador de calor de carcaça e tubos é um permutador de calor indirecto. 0 calor é transferido entre um fluido que passa através dos tubos de um feixe tubular (o lado dos tubos) que se estende numa carcaça de permutador de calor, e um fluido que passa através do espaço no exterior dos tubos (o lado da carcaça). Detalhes de permutadores de calor de carcaça e tubos podem, por exemplo, ser encontrados no Perry's Chemical Engineers' Handbook, 7a edição, 1997, McGraw-Hill Inc., páginas 11-33 a 11-46.

Os permutadores de calor de carcaça e tubos podem ser caracterizados de acordo com o número de passagens para o fluido no lado da carcaça e no lado dos tubos. Em cada passagem, o respectivo fluido escoa-se essencialmente ao 2 ΡΕ2156128 longo de todo o comprimento do permutador de calor, o qual é tipicamente alongado horizontalmente. Nas múltiplas passagens na carcaça, o fluxo de fluido percorre uma pluralidade de vezes para trás e para diante o comprimento da carcaça. A carcaça do permutador de calor tem bocais de entrada e de saida para o fluido do lado da carcaça. Para um permutador de calor de carcaça de uma só passagem, é tipicamente colocado um bocal de entrada numa extremidade da carcaça, em particular no topo da carcaça, e é colocado um bocal de saida na extremidade oposta, em particular no fundo. 0 mesmo é verdade para um número impar de passagens. No caso de duas passagens (ou de facto de um número par) os bocais de entrada e de saida são adequadamente dispostos na mesma extremidade.

Quando se readapta um permutador de calor tal como para uso modificado ou para desempenho melhorado, pode ser desejado adaptar o número de passagens. Por exemplo, se está para ser instalado um feixe tubular com suportes transversais compreendendo chicanas de metal expandido, pode ser preferido um número mais elevado de passagens do lado da carcaça para desempenho óptimo. 0 metal expandido é produzido de chapa de metal que é cortada e expandida. Chicanas de metal expandido são por exemplo conhecidas de pedidos de patente Internacional com as publicações Nos. WO 2003/067170, W02005/015107e W02005/061982, aqui incorporadas a titulo de referência, e produzidas para 3 ΡΕ2156128 terem vantagens significativas na prática, tais como uma menor tendência para incrustações, menor queda de pressão, e transferência de calor melhorada devido à turbulência criada no fluido da carcaça. Em chicanas de metal expandido abarcando a secção transversal da passagem disponível da carcaça, o escoamento do fluido na carcaça é longitudinal. Num permutador de calor convencional usando chicanas segmentárias, o fluido serpenteia mesmo com uma passagem na carcaça ao longo da trajectória de escoamento principal na carcaça, de modo que o comprimento efectivo do fluxo do lado da carcaça é maior do que a extensão longitudinal da carcaça. Quando são usadas chicanas de metal expandido, é preferido usar um número mais elevado de passagens do lado da carcaça para optimizar o comprimento da trajectória de escoamento na carcaça, e isto pode particularmente ser feito tendo em vista a baixa queda de pressão causada pelas chicanas de metal expandido. É encontrado um problema quando o número de passagens do lado da carcaça é para mudar entre um número par e um número ímpar, visto que então um dos bocais fica localizado de maneira desadequada. Em princípio, pode ser considerado preparar uma trajectória de escoamento interna para o fluido do lado da carcaça de uma extremidade da carcaça para a outra. É um objectivo do invento fornecer um arranjo da carcaça de permutador de calor que permita modificar o número de passagens do lado da carcaça. 4 ΡΕ2156128

Sumário do Invento

Para este fim o invento fornece um arranjo de carcaça de permutador de calor compreendendo uma carcaça exterior tendo um bocal na sua parte inferior; um elemento de carcaça interior dentro da carcaça exterior e formando um espaço intermédio com a carcaça exterior, o elemento de carcaça interior tendo uma abertura na sua parte inferior; em que o arranjo ainda compreende um elemento de vedação preparado para se adaptar o espaço intermédio, o elemento de vedação fornecendo um caminho de passagem selado para fluido entre a abertura e o bocal.

Pela disposição do elemento de carcaça interior, é possível dirigir o fluido do lado da carcaça de uma extremidade da carcaça para a outra, usando o espaço intermédio. 0 espaço da carcaça interior, no qual a permuta de calor actual com um feixe tubular deve ter lugar, necessita ser vedado contra o espaço intermédio, de outro modo o fluido do lado da carcaça pode escoar-se ao longo de um trajecto de curto-circuito, baixando a eficiência da transferência de calor. Um elemento de vedação entre o elemento de carcaça interior e a carcaça exterior é fornecido para este fim. Preferivelmente, o elemento de vedação é um elemento de vedação por gravidade, em que a força de vedação é fornecida pela força da gravidade exercida no elemento de vedação pelo elemento de carcaça interior. Em particular, o elemento de vedação não está ligado a pelo menos um dos elementos de carcaça exterior e 5 ΡΕ2156128 de carcaça interior, preferivelmente não está ligado a ambos os elementos de carcaça exterior e de carcaça interior. Isto permite uma instalação particularmente fácil do arranjo da carcaça, visto que o elemento de vedação pode ser empurrado para o interior do espaço intermédio após o elemento de carcaça interior estar colocado no elemento de carcaça exterior, e a vedação é simplesmente realizada baixando a carcaça interior de maneira que o seu peso, adequadamente em conjunto com o peso do feixe tubular, exerce uma força de vedação para o elemento de vedação. Além do mais, por não ligar as carcaças interior e exterior por via do elemento de vedação, a expansão de temperatura diferente entre os elementos de carcaça exterior e de carcaça interior pode ser harmonizada.

Permutadores de calor tais como os definidos no preâmbulo da reivindicação 1 são conhecidos dos documentos BE-A-449817, US-A-2006/0289153, DE-A-102005049067 e NL-A-7212921, nenhum destes descreve um elemento de vedação dotado com um caminho de passagem selado de acordo com o presente invento.

Num modo de realização adequado, o elemento de vedação é um prato tendo uma superfícies superior e inferior que estão dispostas para se conformar com os elementos de carcaça exterior e de carcaça interior que rodeiam o bocal e a abertura, preferivelmente compreendendo um empanque na superfície superior e/ou inferior. 6 ΡΕ2156128

Num modo de realização particular, o bocal forma um primeiro bocal da carcaça exterior e a abertura forma uma primeira abertura do elemento de carcaça interior, a carcaça interior compreendendo ainda um segundo bocal e o elemento de carcaça interior compreende uma segunda abertura, e o segundo bocal e a segunda abertura estão dispostos para estar em comunicação fluida por via do espaço intermédio. 0 invento fornece ainda um método de montagem de um permutador de calor, compreendendo: o fornecimento de uma carcaça exterior tendo um bocal na sua parte inferior e um elemento de carcaça interior tendo uma abertura; deslizamento do elemento de carcaça interior para dentro da carcaça exterior para formar um espaço intermédio com a carcaça exterior e para atingir uma posição na qual a abertura está acima do bocal; disposição do elemento de carcaça interior numa posição elevada na carcaça exterior; deslizamento de um elemento de vedação para o interior do espaço intermédio, o elemento de vedação fornecendo um caminho de passagem para fluido entre a abertura e o bocal; e abaixamento do elemento de carcaça exterior de maneira que a força da gravidade exercida no elemento de vedação actue como força de vedação. 0 método é particularmente útil para 7 ΡΕ2156128 reacondicionar um permutador de calor, em que a carcaça exterior é mantida e um novo feixe tubular é disposto no interior do elemento de carcaça interior.

Breve Descrição dos Desenhos 0 invento será agora descrito em maior detalhe e com referência aos desenhos anexos, em que: A Figura 1 mostra esquematicamente um permutador de calor com um conjunto de carcaça de permutador de calor de acordo com o invento; A Figura 2 mostra o permutador de calor da Figura 1 em corte ao longo da linha II-II; A Figura 3 mostra esquematicamente uma vista de topo do elemento de vedação 25 nas Figuras 1 e 2.

Onde os numerais de referência quando usados em Figuras diferentes, referem-se aos mesmos objectos ou objectos similares.

Descrição Detalhada do Invento É feita referência às Figuras 1-3 mostrando esquematicamente um permutador de calor 1 incluindo um conjunto ou estrutura de carcaça de permutador de calor 2 de acordo com o invento. 0 conjunto de carcaça de ΡΕ2156128 permutador de calor 2 compreende uma carcaça exterior 4 e um elemento de carcaça interior 5. A carcaça exterior 4 tem um bocal de entrada 8 (segundo bocal) na sua parte superior e um bocal de saida 9 (primeiro bocal) na sua parte inferior. 0 elemento de carcaça interior 5 estende-se cilindricamente entre um espelho 12 e uma cabeça livre 14, formando desse modo um espaço intermédio 16 com a carcaça exterior. 0 elemento de carcaça interior tem uma abertura de entrada (segunda abertura) 21 na fora de uma pluralidade de orificios em redor da sua parte superior perto da extremidade oposta ao bocal de entrada 8, e uma abertura de saida 23 (primeira abertura) na sua parte inferior na mesma extremidade. Para manuseamento durante a instalação, o elemento de carcaça interior 5 é preferivelmente dotado com barras de deslizamento longitudinal 24 nas quais o elemento de carcaça interior pode deslizar no interior da carcaça exterior 4.

Um elemento de vedação 25 é colocado no espaço intermédio 16, o elemento de vedação fornecendo um caminho de passagem selada 26 para fluido entre a abertura de saida 23 e o bocal de saida 9. 0 elemento de vedação 25 é mostrado apenas muito esquematicamente na Figura 1, e é visto melhor nas Figuras 2 e 3. A sua estrutura básica é formada por um prato arqueado 28 conformado com o elemento de carcaça exterior e o elemento de carcaça interior. Um manipulo 31 serve para manuseamento do elemento de vedação durante a instalação. 0 ΡΕ2156128 elemento de carcaça interior é dotado com um prato 30 que é soldado em redor da sarda 23, para formar uma superfície de contacto para o elemento de vedação.

Para vedação óptima, o elemento de vedação é dotado com anéis de vedação de topo e de fundo 32, 33, dispostos adequadamente numa sede em ranhura circular maquinada no prato 28 do elemento de vedação. Um material de vedação adequado é o politetrafluoretileno (PTFE) para resistência a temperaturas até 250 graus C. Foram obtidos bons resultados com PTFE expandido a 100% (e-PTFE), estrutura de fibra orientada multidireccional, tipo Gore-Tex Series 300. O intervalo de temperatura deste material está entre -240° C e +250 0 C, com temperaturas de ponta admissíveis até 315° C. Foi usada uma fita PTFE de 3 mm de espessura. Para a vedação da cabeça livre e da chicana foi usada uma fita de vedação com uma espessura de 2 mm. Antes da colocação dos anéis de vedação, o assento foi limpo com álcool e o empanque foi colado na base.

Assim, o elemento de vedação 25 é preparado para vedar por gravidade. Ele pode ser introduzido folgadamente no espaço intermédio 16 quando a carcaça interior é elevada. A força de vedação é fornecida pela força da gravidade exercida no elemento de vedação pelo elemento de carcaça interior, e a vedação é alcançada sem que o elemento de vedação seja apertado contra qualquer das carcaças 4, 5. Após a instalação do elemento de vedação, o elemento de carcaça interior não descansa nas faixas de 10 ΡΕ2156128 deslizamento 24 na vizinhança da abertura de saída 23. 0 elemento de carcaça interior aloja os tubos 35, 36 que se estendem desde a placa de tubos 12 até à cabeça livre 14, e os tubos contribuem para exercer pressão por acção do peso no elemento de vedação. O peso pode ser por exemplo mais de 1000 kg tal como 5000 kg. Uma chicana longitudinal 38 com uma abertura 39 serve para fornecer uma configuração de duas passagens do lado da carcaça. Para montar mecanicamente a chicana longitudinal, o elemento de carcaça interior pode ser construído por meias carcaças superior e inferior, entre as quais a chicana longitudinal é fixada.

Voltando agora ao lado dos tubos do permutador de calor 1, só são mostrados poucos tubos 35, 36, por razões de clareza. O lado dos tubos do permutador de calor 31 é indicado com pontos. Neste modo de realização, o lado dos tubos tem um arranjo de dupla passagem. O lado dos tubos tem uma entrada 41 para um colector de entrada dos tubos 43. O colector de entrada dos tubos está em comunicação fluida com a parte inferior do feixe tubular, tubos 36 que se estendem até ao espelho de extremidade de tubos 44 ligada à cabeça livre 14 a qual por sua vez está em comunicação fluida com a parte superior do feixe de tubos, tubos 35 que se estendem até ao colector de saída de tubos 47 onde está situada a saída 49 do lado do tubos. As cabeças de entrada e de saída dos tubos 43, 47 são separadas por uma placa horizontal 51 que se estende 11 ΡΕ2156128 horizontalmente no sentido do comprimento no centro da carcaça exterior 4 desde a extremidade da carcaça até ao espelho 12 no qual os tubos são fixados. 0 espelho é fixado à carcaça por flanges (não mostradas), através das quais a extremidade de entrada da carcaça pode ser aberta para inserção ou remoção de elementos internos. As flanges através das quais a parte de extremidade da carcaça pode ser removida estão também dispostas na extremidade da retaguarda perto da cabeça livre 14. 0 espelho de extremidade 44 na extremidade oposta também fixa os tubos, mas diferentemente do espelho 12, o espelho de extremidade 44 e a cabeça livre 14 à qual está ligado, não estão ligados à carcaça 34, isto é, o colector de extremidade é flutuante. Isto permite a expansão térmica dos tubos no interior da carcaça. Em vez de um colector de extremidade, que recebe e distribui todo o fluido dos tubos, também podem ser aplicados tubos em U separados.

Os tubos são suportados por uma pluralidade de chicanas transversais 65. Elas podem em particular ser chicanas em metal expandido, mas chicanas de hastes ou outras chicanas podem também ser aplicadas. Na Figura 2, está ilustrada uma rede de metal 66 que suporta os tubos 35 na metade superior. São apenas mostrados poucos tubos que se estendem e são suportados através de janelas da estrutura de metal expandido. Adequadamente, os tubos 36 na metade inferior são suportados da mesma maneira. 12 ΡΕ2156128 0 funcionamento normal do permutador de calor instalado 1 será agora discutido. Quando o permutador de calor é usado num trem de pré-aquecimento de petróleo bruto numa unidade de destilação de petróleo bruto, o fluido do lado dos tubos pode ser petróleo bruto (frio) e o fluido do lado da carcaça podem ser depósitos longos (quentes) da unidade de destilação de petróleo bruto. Para uma tal aplicação com risco considerável de incrustações, as chicanas de metal expandido no lado da carcaça são vantajosas por que suprimem as incrustações. 0 fluido do lado dos tubos é passado por via de uma abertura 41 e do colector de entrada de tubos 43 ao longo dos tubos 36, e posteriormente por via da cabeça oscilante 14 através da parte superior do feixe tubular para o colector de saida 47 e saida 49. Durante essa passagem, ele é aquecido por permuta de calor com o fluido do lado da carcaça. 0 fluido quente do lado da carcaça é introduzido por via de um bocal de entrada 8 no interior da carcaça exterior, onde ele se escoa ao longo do espaço intermédio em direcção à entrada 21 do elemento de carcaça interior. Esta entrada é formada por uma pluralidade de orifícios espalhados em redor da parte superior do elemento de carcaça interior. Desta maneira é alcançada uma distribuição óptima do fluido da carcaça em redor dos tubos 35. 0 fluido do lado da carcaça escoa-se em direcção ao espelho 12, vira por via da abertura 39 e continua em direcção à saída 23 . Da saída 23 ele passa através do caminho de passagem 26 formado pelo elemento de vedação 13 ΡΕ2156128 para o bocal de saída 9, com uma temperatura menor que no bocal de entrada 8. A metade inferior do espaço intermédio (coroa circular) entre a carcaça exterior 4 e o elemento de carcaça interior 5 é cheio com um fluido da carcaça que não se escoa ou se escoa devagar. Este fluido adoptará uma temperatura algures perto da temperatura da entrada do lado dos tubos. Dado que o elemento de vedação não está interligado com a carcaça exterior 4 e o elemento de carcaça interior 5, ele pode expandir-se termicamente de maneira diferente em resposta a temperaturas diferentes que ele terá no decorrer do funcionamento.

Será agora discutido um método de montagem da estrutura da carcaça 2 do permutador de calor da Figura 1. Em primeiro lugar, é fornecida a carcaça exterior, não incluindo as partes de extremidade dos colectores de tubos de entrada/saída e da cabeça livre, de modo que adequadamente ambas as extremidade longitudinais são abertas. No caso de um reacondicionamento, é mantida a carcaça exterior do permutador de calor original, e são fornecidos novos elementos interiores, tipicamente o feixe tubular e a carcaça interna Os espelhos, os colectores de entrada/saída, e a cabeça livre podem necessitar ser substituídos. 0 elemento de carcaça interior 5, incluindo adequadamente o feixe tubular, é feito deslizar nas barras de deslizamento 24 no interior da carcaça exterior até que a abertura 23 esteja directamente acima do bocal de saída 14 ΡΕ2156128 9. Então o elemento de carcaça interior é elevado suficientemente de modo que o elemento de vedação possa ser passado para o interior do espaço intermédio ente a abertura de saída 23 e o bocal de saída 3. 0 elemento de carcaça interior é baixado, de maneira que a força da gravidade exercida no elemento de vedação actua como força de vedação. Então o permutador de calor pode ser completado pela ligação das partes de extremidade com flanges.

Se é requerido limpar o permutador de calor, ele pode ser desmanchado pela ordem inversa, limpo, e montado de novo.

Lisboa, 26 de Junho de 2012

Claims (6)

1. ΡΕ2156128 1 REIVINDICAÇÕES 1. Conjunto de carcaça de permutador de calor (2) compreendendo uma carcaça exterior (4) tendo um bocal (9) na sua parte inferior; um elemento de carcaça interior (5) no interior da carcaça exterior e formando um espaço intermédio (16) com a carcaça exterior (4), o elemento de carcaça interior (5) tendo uma abertura (23) na sua parte inferior; em que o conjunto de carcaça de permutador de calor compreende ainda um elemento de vedação (25) preparado para se adaptar no espaço intermédio (16), caracterizado pelo facto de que o elemento de vedação (25) fornece um caminho de passagem selado (26) para um fluido entre a abertura (23) e o bocal (9).
2. 2. Conjunto de carcaça (2) de permutador de calor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de que o elemento de vedação (25) é um elemento de vedação por gravidade, em que a força de vedação é fornecida pela força da gravidade exercida no elemento de vedação (25) pelo elemento de carcaça interior (5).
3. 3. Conjunto de carcaça de permutador de calor de acordo com a reivindicação 1 ou 3, caracterizado pelo facto de que o elemento de vedação (25) não está, durante o funcionamento normal, ligado a pelo menos um de entre o elemento de carcaça exterior (4) e o elemento de carcaça 2 ΡΕ2156128 interior (5), preferivelmente nao está ligado tanto ao elemento de carcaça exterior (4) como ao elemento de carcaça interior (5).
4. 4. Conjunto de permutador de calor de carcaça de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3, caracterizado pelo facto de que o elemento de vedação (25) é um prato (28) tendo umas superfícies superior e inferior que estão preparadas para se conformarem com os elementos de carcaça exterior e de carcaça interior que rodeiam o bocal e a abertura, preferivelmente compreendendo uma empanque na superfície superior e/ou na superfície inferior.
5. 5. Conjunto de carcaça de permutador de calor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-4, caracterizado pelo facto de que o bocal forma um primeiro bocal (9) e em que a abertura forma uma primeira abertura (23), a carcaça exterior (4) compreendendo ainda um segundo bocal (8) e o elemento de carcaça interior (5) compreendendo uma segunda abertura (21), e em que o segundo bocal (8) e a segunda abertura (21) estão preparados para estar em comunicação fluida por via do espaço intermédio (16) .
6. 6. Método de montagem de uma estrutura de carcaça de permutador de calor, compreendendo: fornecimento de uma carcaça exterior (4) tendo um bocal (9) na sua parte inferior e de um elemento de 3 ΡΕ2156128 carcaça interior (5) tendo uma abertura (23); deslizamento do elemento de carcaça interior (5) para dentro da carcaça exterior (4), para formar um espaço intermédio (16) com a carcaça exterior (4) e atingir uma posição na qual a abertura (23) está acima do bocal (9); disposição do elemento de carcaça interior (5) numa posição elevada na carcaça exterior (4); deslizamento de um elemento de vedação (25) para o interior do espaço intermédio (16) ) , o elemento de vedação (25) fornecendo um caminho de passagem para fluido entre a abertura (23) e o bocal ( 9); e abaixamento do elemento de carcaça interior (5) de maneira que a força da gravidade exercida no elemento de vedação (25) actue como força de vedaçao. Lisboa, 26 de Junho de 2012