PT1709382E

PT1709382E - Suporte para um feixe de tubos

Info

Publication number: PT1709382E
Application number: PT04804943T
Authority: PT
Inventors: Dominicus Fredericus Mulder; Stephen Wayne Johnston
Original assignee: Shell Int Research
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2009-07-16
Also published as: WO2005061982A1; ES2324351T3; DE602004020679D1; KR20060130131A; CA2550688C; CA2550688A1; EA007892B1; JP2007515615A; AU2004304015A1; US20090200004A1; CN1906456A; EP1709382A1; US20050161204A1; EA200601213A1; AU2004304015B2; EP1709382B1; ATE428900T1

Description

PE1709382 1 DESCRIÇÃO "SUPORTE PARA UM FEIXE DE TUBOS"

Campo do invento O presente invento diz respeito a um suporte para um feixe de tubos, em particular a um suporte tal como é definido na reivindicação 1 compreendendo uma pluralidade de placas de suporte transversais conhecidas como chicanas segmentares, as quais estão espaçadas entre si ao longo da direcção dos tubos a serem suportados. Um tal suporte é conhecido, por exemplo, do documento JP-05296680.

Antecedentes do invento A maior área de aplicação do feixe de tubos está nos permutadores de calor (do inglês - “shell and tube"). Um permutador de calor compreende um vaso cilíndrico dotado internamente com um feixe de tubos que se estende na direcção longitudinal do vaso. O feixe de tubos pode, em particular, ser um feixe de tubos paralelos, e é também referido como um feixe de tubos.

Tal como é bem conhecido, o permutador de calor é um permutador de calor indirecto no qual o calor é transferido entre um fluido que passa através dos tubos do 2 PE1709382 feixe de tubos (lados dos tubos) e um fluido que passa através do espaço exterior aos tubos (lado do invólucro). Podem ser encontrados detalhes dos permutadores de calor, por exemplo, no Perry's Chemical Engineers' Handbook, 6a edição, 1984, Mc Graw-Hill Inc. Páginas 11-13 a 11-21. O feixe de tubos é a parte mais importante do permutador de calor. As extremidades dos tubos estão fixadas a uma chapa de tubos. O permutador de calor pode incluir duas placas de tubos, uma em cada extremidade do vaso cilíndrico, ou uma só placa de tubos numa extremidade do vaso cilíndrico no caso de o permutador de calor ser um permutador de calor com tubos em U.

Será entendido que as partes intermédias dos tubos têm que ser adequadamente suportadas, por exemplo para impedir a deterioração dos tubos devido à vibração causada pelo escoamento do fluido. Para suportar as partes intermédias dos tubos, um suporte de tubos compreende normalmente placas de suporte transversais separadas axialmente entre si. Uma placa de suporte é por vezes também referida como um prato de suporte ou uma chicana de suporte. O presente invento diz respeito a permutadores de calor compreendendo as chamadas chicanas segmentares como placas de suporte. Diversas espécies de chicanas segmentares são discutidas no Perry's. As chicanas segmentares convencionais são feitas de uma placa de metal circular a partir da qual é cortado um segmento de círculo 3 PE1709382 ("janela"), e através da parte restante da placa é furada a punção ou cortada uma pluralidade de aberturas através das quais os tubos podem passar. Por vezes, são cortados dois segmentos de círculo em lados opostos, por exemplo para usar nos chamados arranjo de chicanas segmentares duplas, ou em arranjos (do inglês - "no-tube-in-windom").

As chicanas segmentares não só suportam os tubos, como também influenciam o escoamento do fluido através do lado do invólucro. Por isso, a concepção de uma chicana é também determinada por considerações de transferência de calor. Os suportes de tubos de chicanas segmentares são usados quando é desejada uma certa quantidade de fluxo cruzado de fluido no invólucro que envolve o feixe de tubos por razões de optimização da transferência de calor. A concepção de uma chicana segmentar pode ser adaptada, dentro de certos limites, aos requisitos específicos de uma aplicação prática particular. Por exemplo, pode ser escolhido o chamado corte de chicana, que é a percentagem do diâmetro de círculo que foi cortado para formar a chicana segmentar. Um corte de chicana maior numa simples chicana segmentar fornece uma queda de pressão relativamente baixa, embora uma parte relativamente grande dos tubos que correm através da janela se mantenha não suportada. Normalmente, tenta-se suportar um tubo por pelo menos uma segunda chicana segmentar, de maneira que o corte de chicana máximo que é normalmente adoptado é 45%. 4 PE1709382

Quando os tubos correm através das janelas, o comprimento não suportado máximo de um tubo ("comprimento de tubo não suportado") é de pelo menos duas vezes o espaçamento entre chicanas segmentares. Por isso, é inerente aos suportes de tubo de chicanas segmentares que o número de placas de suporte seja pelo menos duas vezes o que seria requerido apenas sob o ponto de vista de suporte mecânico. As chicanas segmentares contribuem substancialmente para o custo do permutador de calor, de modo que se tenta maximizar o espaço entre chicanas. Quando o comprimento de tubo não suportado fica demasiado grande, isto pode conduzir a problemas de vibração.

Noutras concepções de permutadores de calor nao correm tubos através das janelas. Por exemplo, em permutadores de calor verticais muito altos (tais como os que sao referidos como "torres do Texas", usados, por exemplo, como permutadores de calor alimentação/efluente em processos industriais de grande escala), as chicanas segmentares simples estão geralmente dispostas a um certo espaçamento, com as janelas alternativamente em lados opostos com o fim de alcançar o padrão de fluxo cruzado do fluido desejado no feixe de tubos ao longo do invólucro. Dado que o espaçamento que é desejado por razões de escoamento de fluido óptimo e rendimento hidráulico óptimo (em particular perda de carga minima) pode ser muito maior que o espaçamento requerido para bom suporte mecânico contra vibrações, um certo número de chicanas de suporte segmentares adicionais, mas com duas janelas cada, é 5 PE1709382 colocado entre as chicanas segmentares simples. Estes elementos adicionais representam um elemento de custo considerável do suporte de tubos total. O requerimento de patente Japonesa com o n° de publicação 05-296680 descreve uma placa de chicana de suporte em que uma pluralidade de tiras de chapa de metal cooperantes está colocada na janela para suprimir a vibração. Devido à forma especial requerida para todas as tiras de chapa de metal individuais, os custos de fabrico são elevados.

Sumário do Invento É um objectivo do presente invento fornecer um suporte para um feixe de tubos o qual permite um suporte mecânico mais simples (mais barato) contra vibrações em suportes de tubos de chicana segmentar.

Para este fim, o presente invento fornece um suporte para um feixe de tubos, o qual suporte compreende uma pluralidade de placas de suporte transversais conhecidas como chicanas segmentares espaçadas entre si ao longo da direcção dos tubos a serem suportados, e as quais placas são dotadas com aberturas para receber os tubos, em que a pluralidade de placas de suporte compreende elementos de suporte de chicana segmentar e elementos de suporte de metal expandido. 6 ΡΕ1709382 0 requerente teve consciência de que parte da função do suporte mecânico num suporte de tubo de chicana segmentar não tem que ser fornecida por elementos de chicana segmentar convencionais, mas pode, com vantagem, ser providenciada por elementos de suporte de metal expandido. 0 metal expandido pode ser fabricado consideravelmente mais barato do que as chicanas segmentares, porque é usado menos material, são produzidos menos cortes, e é necessário menos trabalho. 0 presente invento permite a concepção de um suporte de tubos tal que as chicanas segmentares são colocadas onde elas são necessárias por razões de escoamento de fluido, onde elas também proporcionam suportagem mecânica. Suportagem mecânica adicional, em particular para evitar vibrações, pode ser providenciada por elementos de metal expandido. 0 metal expandido influencia muito menos o escoamento do fluido do que uma chicana segmentar. 0 invento permite, deste modo, mais flexibilidade na concepção de permutadores de calor de chicanas segmentares. Os parâmetros de concepção básica do permutador de calor tais como a dimensão dos tubos e o tipo de arranjo (por exemplo de passo triangular ou quadrado), diâmetro do invólucro, dimensão e espaçamento das chicanas segmentares, podem ser escolhidos para um escoamento de fluido, performance da transferência de calor e perda de carga óptimos, não comprometidos por considerações de vibração. Um problema de vibração que pode ser encontrado pode, de acordo com o invento, ser resolvido através da 7 PE1709382 colocaçao de elementos de suporte de metal expandido. A expressão "elemento de suporte" é usada na descrição e nas reivindicações para se referir a uma parte de uma placa de suporte, ou a uma placa de suporte completa.

Elementos de suporte de metal expandido e de chicana segmentar podem formar uma placa de suporte combinada. Para este fim, o metal expandido pode ser colocada para se estender sobre a(s) janela(s) do elemento de suporte de chicana segmentar. Desta maneira, pode ser proporcionada suportagem mecânica ao longo de toda a secção transversal da placa de suporte, mas o fluido pode apenas escoar-se através da janela. Dado que o metal expandido também impõe alguma restrição ao escoamento, embora ela seja pequena, pode ser desejável aumentar ligeiramente a dimensão da janela em comparação com uma chicana de suporte segmentar convencional. É também possível que elementos de suporte de metal expandido sob a forma de placas de suporte de metal expandido sejam dispostas entre dois elementos de suporte de chicana segmentar, como um suporte mecânico adicional.

Num outro modo de realização, a placa de suporte de metal expandido pode ter ela própria forma segmentar, isto é, podem ser cortados um ou mais segmentos de modo que são formadas uma ou mais janelas. Isto pode ser vantajoso PE1709382 nas concepções em que não corram tubos através das janelas das chicanas segmentares, e onde seja desejada suportagem mecânica adicional com o mínimo de perturbação no escoamento do fluido.

Suportes de tubos consistindo somente de elementos de suporte de metal expandido são revelados na Publicação de Requerimento de Patente internacional N° WO 03/067170. Todavia, esta publicação não se refere a problemas de vibração nos permutadores de calor de chicana segmentar convencionais e não se refere ou sugere uma combinação de chicanas segmentares convencionais e elementos de suporte de metal expandido.

Breve Descrição dos Desenhos O invento será agora descrito com maior detalhe e fazendo referência aos desenhos anexos, em que A Figura 1 mostra esquematicamente um corte longitudinal através de um primeiro modo de realização de um permutador de calor com suportagem de acordo com o presente invento; A Figura 2 mostra esquematicamente um corte ao longo da linha II-II na Figura 1; A Figura 3 mostra esquematicamente um corte ao longo da linha III-III na Figura 1; 9 PE1709382 A Figura 4 mostra esquematicamente uma chicana de suporte segmentar; A Figura 5 mostra esquematicamente uma chicana de suporte combinada formada por um elemento de suporte de chicana segmentar e por um elemento de suporte de metal expandido. A Figura 6 mostra esquematicamente um corte longitudinal através de um segundo modo de realização de um permutador de calor com suportagem de acordo com o presente invento; A Figura 7 mostra esquematicamente um corte ao longo da linha VII-VII na Figura 6; A Figura 8 mostra esquematicamente um corte ao longo da linha VIII-VIII na Figura 6; A Figura 9 mostra esquematicamente outra chicana de suporte segmentar; A Figura 10 mostra esquematicamente uma chicana de segmentar convencional para uso como placa de suporte intermédia numa torre Texas; A Figura 11 mostra esquematicamente uma placa de suporte de metal expandido intermédia de acordo com o invento; 10 PE1709382 A Figura 12 mostra esquematicamente um corte longitudinal através de um terceiro modo de realização de um permutador de calor com suportagem de acordo com o presente invento; e A Figura 13 mostra esquematicamente um outro elemento de suporte de metal expandido de acordo com o invento. São usadas referências similares nas Figuras para se referirem aos mesmos ou a objectos similares.

Descrição detalhada do Invento E feita referência às Figuras 1-5. A Figura 1 mostra parte de um permutador de calor "shell and tube" vertical 1 em corte longitudinal, e as Figuras 2 e 3 mostram dois cortes ao longo das linhas II-II e III-III, respectivamente. O permutador de calor 1 tem um invólucro 3 e um feixe de tubos 5, do qual os tubos 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 são visíveis na Figura 1. O suporte para o feixe de tubos 5 compreende as quatro placas de suporte 18, 19, 20, 21 mostradas na Figura 1. As placas estão espaçadas entre si de uma distância fixa Li ao longo da direcção do comprimento dos tubos 8-14.

As placas de suporte 18, 19 e 21 são chicanas segmentares convencionais tal como é mostrado de maneira alargada na Figura 4. Estas chicanas segmentares são 11 PE1709382 fabricadas a partir de uma placa circular 25 da qual foi cortado um segmento de modo que são formadas janelas quando montada no permutador de calor, por exemplo, a janela 28. Na chapa restante 25 foram coradas aberturas 30. A placa de suporte 20 é uma placa de suporte combinada tal como é mostrado na Figura 5 em maior detalhe. A placa de suporte combinada 35 é formada por um elemento de suporte de chicana segmentar 38 e por um elemento de suporte de metal expandido 40 que se estende sobre a janela 42 deixada aberta pelo elemento de suporte de chicana segmentar 38. O elemento de metal expandido 40 pode, por exemplo, estar soldado ao elemento de suporte de chicana segmentar 38 e à tira 45 em redor da janela 42. A própria tira 45 pode também ser soldada ao elemento de chicana segmentar 38, mas pode também ser uma parte restante da placa circular original a partir da qual o elemento de chicana segmentar 38 foi formado, por exemplo por fresagem. O metal expandido é um material bem conhecido, o qual pode ser obtido através do fornecimento de uma folha de metal com uma estrutura de fendas seguida por um alongamento do metal de folha fendida. É formada uma estrutura de ripas cruzadas formada pelos chamados "fios e nós"?'. O arranjo e comprimento das fendas assim como a extensão do alongamento determinam a dimensão, forma e arranjo relativo dos interstícios, os quais podem, por isso, ser concebidos de maneira que os tubos possam passar através deles e serem suportados optimamente. 12 PE1709382

Normalmente, os fios entre nós adjacentes são torcidos para fora do plano do metal em folha original, o que resulta numa diminuição da restrição ao normal escoamento do fluido para a folha de metal expandido. A placa de suporte 20 suporta mecanicamente os tubos ao longo de toda a secção transversal do invólucro 3, isto é, também na janela 42. Por isso, o comprimento de tubo não suportado 8, por exemplo, entre as placas de suporte 19 e 21 é Li. Por comparação, o comprimento de tubo não suportado, por exemplo 14, entre as placas de suporte 18 e 20 é 2Li. O invento pode, desta maneira, servir para diminuir o comprimento de tubo não suportado com o fim de suprimir as vibrações. Se mais ou todas as placas de suporte no permutador de calor 1 puderem ser placas de suporte combinadas 35, será possível aumentar o espaçamento entre placas de suporte de um ponto de vista mecânico. É agora feita referência às Figuras 6-11, e será agora discutido um segundo modo de realização do presente invento. A Figura 6 mostra parte de um permutador de calor de torre Texas 101 em corte longitudinal, e as Figuras 7 e 8 mostram dois cortes ao longo das linhas VII-VII e VIII-VIII, respectivamente. O permutador de calor 101 tem um invólucro cilíndrico vertical 103 e um feixe de tubos 105 que correm através da parte central do invólucro 103. Os tubos 108, 109 e 110 são visíveis na Figura 6. A torre 13 PE1709382

Texas pode, por exemplo, ter uma altura de 24 m e um diâmetro de 2,5 m. O suporte para o feixe de tubos 105 compreende as cinco placas de suporte 117, 118, 119, 120, 121 mostradas na Figura 6 como elementos de suporte. As placas são espaçadas entre si ao longo da direcção do comprimento dos tubos 108-110.

As placas de suporte 117 e 121 são chicanas segmentares convencionais 124 tal como são mostradas em modo alargado na Figura 9. Estas chicanas segmentares são fabricadas a partir de uma placa circular 125 a partir da qual foi cortado um segmento ao longo da linha 126 de maneira que as janelas 127, 128 são formadas quando as respectivas placas são montadas no permutador de calor 101. Na parte restante da placa 125, são cortadas aberturas 130 de acordo com a dimensão e arranjo dos tubos 105. Não são praticadas aberturas na parte 131 oposta à janela, visto que a concepção do permutador de calor 101 tal como é mostrado na figura 6 é a chamada concepção "no-tube-in-windows". O espaçamento L2 entre chicanas segmentares é escolhido de maneira que seja obtido um escoamento de fluido optimizado, em que o fluido passa através das janelas 127 e 128 cruzando, por isso, o feixe de tubos 105. Um valor típico para L2 é 1,5 m. Se o espaçamento L2 é demasiado grande para impedir vibrações nos tubos, são 14 PE1709382 montadas placas de suporte intermédias adicionais numa torre Texas convencional, tal como a placa 133 mostrada na Figura 10. A placa 133 é uma chicana de suporte segmentar que tem duas secções cortadas em lados opostos, e que é dotada com aberturas 134 para os tubos. Essas placas de suporte segmentares adicionais serão montadas, por exemplo, nas mesmas localizações que foram mostradas para as placas 118, 119, 120, e tal como o registo de janelas com as janelas 127 e 128.

No modo de realização de acordo com o invento tal como mostrado nas Figuras 6-8, todavia, as placas de suporte intermédio 118, 119, 120 são placas de suporte de metal expandido, tal como a placa 135 mostrada esquematicamente na Figura 11. A placa 135 é formada por uma folha de metal expandido segmentar dupla, a qual está soldada ao anel de suporte 138 e às tiras de suporte 140 de maneira a formar as janelas 142 e 143. A placa de suporte 135 pode ser fabricada muito mais barata que uma placa intermédia convencional 134 tal como é mostrado na Figura 10. É agora feita referência às Figuras 12-13 e, com referência a estas Figuras, será discutido um terceiro modo de realização do invento. O permutador de calor horizontal 201 com o 15 PE1709382 invólucro 203 através do qual corre o feixe de tubos 205 é um exemplo desta concepção. A Figura 12 mostra parte de um corte longitudinal, e será entendido que o permutador de calor pode ser muito mais comprido, e que podem ser colocadas muitas mais placas de suporte. O feixe de tubos 205 inclui os tubos 208, 209, 210, 211, 212, 213 e 214.

Esta Figura não mostra as partes de extremidade dos tubos com a chapa de tubos.

Os tubos são suportados por chicanas segmentares 218, 219 220. Como suporte adicional contra as vibrações dos tubos, são colocadas placas de suporte de metal expandido 221, 222. Os elementos de suporte de chicana segmentar e os elementos de suporte de metal expandido são colocados alternativamente a um espaçamento fixo ao longo da direcção dos tubos 205. O espaçamento entre chicanas segmentares adjacentes, por exemplo 218 e 219, é L3.

Os elementos de suporte de chicana segmentar 218, 219 220 são similares aos que são mostrados e descritos quando é feita referência à Figura 4. A meio caminho entre chicanas segmentares adjacentes é colocada uma placa de suporte de metal expandido tal como a placa 235 mostrada na Figura 13. A placa 235 pode ser fabricada a baixo custo, por exemplo por corte de uma folha de metal expandido para forma circular, por exemplo por corte a laser, e soldadura a um anel de suporte 245.

As placas de suporte de metal expandido 221, 222 16 PE1709382 servem para evitar vibrações entre chicanas segmentares. O máximo comprimento de tubo não suportado, por exemplo, do tubo 214 é L3, igual ao espaçamento entre chicanas segmentares adjacentes. Sem os elementos de suporte de metal expandido, o comprimento de tubo não suportado seria duas vezes o espaçamento entre chicanas segmentares adjacentes. Deste modo, o presente invento permite escolher o espaçamento entre chicanas segmentares adjacentes mais comprido do que quando a suportagem do tubo era feita apenas com chicanas segmentares. As chicanas segmentares podem então ser colocadas de maneira que sejam atingidos um escoamento de fluido e uma transferência de calor óptimos no lado do invólucro, e que o custo global da suportagem de tubo possa ser minimizado.

Contudo, em algumas aplicações pode também acontecer que considerações de vibração de tubos coloquem uma limitação no espaçamento minimo entre chicanas segmentares. Este pode ser o caso quando é desejado maximizar o fluxo cruzado do fluido no invólucro, com o fim de maximizar a transferência de calor num dado volume de permutador de calor. Neste caso, são usadas chicanas segmentares de corte de chicana reduzido, e deseja-se minimizar o espaçamento entre as chicanas. Isto resulta numa perda de carga elevada, mas também pode gerar vibrações dos tubos não obstante o espaçamento relativamente curto entre chicanas segmentares. Nessa situação, deveria ter sido previamente necessário aumentar o espaçamento das chicanas e possivelmente aumentar a 17 PE1709382 dimensão do permutador de calor. Com o presente invento, porém, placas de suporte de metal expandido adicionais podem resolver o problema da vibração. Embora o custo da suportagem de tubos no permutador de calor aumente ligeiramente devido ao uso de elementos de suporte de metal expandido adicionais, o custo total do permutador de calor pode ser inferior porgue pode ser usado um invólucro mais pegueno.

Será claro gue o presente invento pode ser aplicado igualmente tanto a permutadores de calor horizontais como verticais.

As placas de suporte podem ser montadas de qualquer maneira adequada no invólucro. Um método convencional de montar chicanas segmentares é usar tirantes de espaçamento colocados paralelamente aos tubos, os quais são soldados ao invólucro e às chicanas segmentares. Esses tirantes podem também ser soldados ao anel de suporte dos elementos de suporte de metal expandido.

Para muitas aplicações do presente invento, os elementos de suporte de metal expandido adequadamente têm interstícios com uma dimensão apenas grande o suficiente para que os tubos possam passar através, de maneira que cada tubo é suportado de quatro locais essencialmente sem folga. Tipicamente neste caso, a dimensão será tal que, no máximo, uma medida de um diâmetro 10% maior que o do tubo passe através dos interstícios. Esta dimensão dos 18 ΡΕ1709382 interstícios é, por exemplo, preferida para os modos de realização discutidos quando é feita referência às Figuras 1 e 12, em que cada elemento de suporte de metal expandido preferencialmente suporta suficientemente os tubos.

Será claro, todavia, que é também possível usar metal expandido com interstícios tão grandes que podem passar através diversos tubos Neste caso, serão adequadamente colocadas diversas folhas de metal expandido para cooperar de maneira que os tubos são suportados por todos os lados, por exemplo os elementos de suporte de metal expandido intermédios do modo de realização que foi discutido com referência à Figura 6. Adequadamente esses arranjos de diversas folhas de metal expandido são discutidos no documento WO 03/067170. Outros arranjos adequados, tipos de metal expandido e arranjos e formas de interstícios de metal expandido são descritos no requerimento de patente Europeia N° 03077463.2, não publicado na primeira data de carregamento?' (prioridade) do presente invento.

Lisboa, 10 de Julho de 2009

Claims

PE1709382 1 REIVINDICAÇÕES 1. Suporte para um feixe de tubos (5), o qual suporte compreende uma pluralidade de placas de suporte transversais (18, 19, 20, 21) espaçadas entre si ao longo da direcção dos tubos a serem suportados, e as quais placas de suporte são dotadas com aberturas (30) para receber os tubos, em que a pluralidade de placas de suporte compreende elementos de suporte de chicana segmentar (38) e caracterizado por a pluralidade de placas de suporte compreende elementos de suporte de metal expandido (40).
2. Suporte de acordo com a reivindicação 1, em que a pluralidade de placas de suporte (18, 19, 20, 21) inclui uma placa de suporte combinada formada por um elemento de suporte de chicana segmentar e um elemento de suporte de metal expandido (40).
3. Suporte de acordo com a reivindicação 2, em que o elemento de suporte de metal expandido (40) está disposto para se estender sobre a janela que é formada entre o elemento de suporte de chicana segmentar e um circulo do respectivo diâmetro.
4. Suporte de acordo com a reivindicação 1, em que pelo menos um dos elementos de suporte de metal expandido (40) forma uma placa de suporte situada numa posição intermédia entre duas placas de suporte de chicana 2 PE1709382 segmentar.
5. Suporte de acordo com a reivindicação 4, em que o elemento de suporte de metal expandido forma uma placa de suporte segmentar (135). Lisboa, 10 de Julho de 2009