BRPI0915430B1

BRPI0915430B1 - Processo e dispositivo para a detecção e/ou a medida de sujeira em trocadores

Info

Publication number: BRPI0915430B1
Application number: BRPI0915430-2A
Authority: BR
Inventors: José Veau; Marc Petit; Patrice Tochon; Patrice Clement
Original assignee: Electricite De France; Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2019-07-02
Also published as: FR2932886B1; EP2324338A1; US8672537B2; JP2011524981A; JP5312579B2; US20110080182A1; FR2932886A1; ZA201009169B; EP2324338B1; WO2009153323A1; BRPI0915430A2

Abstract

patente de invenção: "processo e dispositivo para a detecção e/ou a medida de sujeira em trocadores". a presente invenção refere-se a um processo para a detecção e a medida da sujeira em trocador segundo o qual se mede em dois instantes diferentes o valor resistivo (r1, r2) de uma resistência (r) disposta no nível de uma parede (p) desse trocador e se determina um valor das medidas (r2, r 1) correspondente a uma função dos valores resistivos medidos nesses dois instantes, caracterizado pelo fato de que a resistência (r) é subme- tida sucessivamente a dois níveis de potência (p1, p2) que se mantém cada um durante um certo período, o primeiro nível de potência (p1) sendo inferior ao segundo (p2), as medidas dos dois valores resistivos (r 1, r2) sendo respectivamente efetuadas quando da aplicação desses dois níveis de potência. ela se refere também a um dispositivo para a detecção e/ou a medi- da de sujeira em trocador, caracterizado pelo fato de que comporta uma resistência (r) disposta no nível de uma parede (p) desse trocador, meios (16) para alimentar com uma potência constante essa resistência (r), assim como meios de tratamento (17), esses diferentes meios estando aptos a aplicarem o processo, de acordo com uma das reivindicações precedentes. ela se refere, enfim, à aplicação desse processo ou desse dispositivo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para PROCESSO E DISPOSITIVO PARA A DETECÇÃO E/OU A MEDIDA DE SUJEIRA EM TROCADORES.

DOMÍNIO TÉCNICO GERAL E TÉCNICA ANTERIOR 5 A presente invenção refere-se à detecção e/ou à medida sujeira nos trocadores.

A problemática de sujeira nos trocadores reveste uma importância crescente na indústria. Numerosos estudos foram realizados, a fim de reduzir essa sujeira, mas nenhum teve saída no momento atual sobre um ganho significativo.

Duas grandes classes de aplicação industriais representam, em particular, apostas maiores.

A primeira é aquela da indústria agro-alimentícia, na qual a redução e na qual o melhor controle da sujeira representam um ganho em tempo de operação e, portanto, um ganho em produtividade. Por exemplo, uma redução de 2 horas entre dois ciclos de limpeza corresponde a um ganho mínimo de produtividade de 10 %. Além disso, uma diminuição da sujeira acarreta uma diminuição do consumo de detergentes e outros produtos de manutenção. Enfim, um melhor controle da sujeira implica um melhor contro20 le do processo e, portanto, uma qualidade superior para o produto.

A segunda classe de aplicações é aquela do resfriamento industrial, notadamente para a indústria química, petroquímica, ou a produção de energia (centrais térmicas e nucleares). As potências unitárias desses sistemas são, com efeito, muito importantes, de modo que uma baixa de desempenho impacte diretamente os rendimentos de produção. Por outro lado, uma sujeira gera necessariamente uma baixa da capacidade de troca térmica e cria, portanto, um risco potencial de superaquecimento nesses sistemas. É o caso notadamente do resfriamento das centrais nucleares, em caso de canícula.

Esses dois exemplos de classes de aplicação não são natural30 mente limitativos, a detecção e/ou a medida de sujeira podendo naturalmente ser também essenciais para outras indústrias.

Assim, a invenção se aplica a todos os tipos de indústrias.

2/9

Ela tem por finalidade geral propor uma solução de detecção e/ou de medida de sujeira para trocadores de qualquer tipo.

Conhecem-se numerosas técnicas destinadas a permitir detectar uma eventual sujeira sobre um trocador.

A maior parte dos dispositivos existentes se baseia na medida de um fluxo de calor parietal e sobre a observação da variação de seu valor temporal, a qual pode ser mais ou menos bem correlacionada à sujeira que se produz no nível da sonda de medida.

Sondas ativas foram, por exemplo, desenvolvidas, utilizando conjuntamente uma resistência elétrica e uma medida de temperatura, a fim de determinar a variação do coeficiente de troca de calor local, superpondose ao fluxo naturalmente veiculado.

O pedido WO 0194876 propõe notadamente um método para seguir a sujeira do trocador de um forno à combustão.

Segundo o método descrito nesse pedido de patente, avalia-se um valor de resistência de uma rede que é, por exemplo, constituído pelos tubos das paredes de um trocador. Para isso, essa rede é submetida a um ou vários sinais elétricos determinados. O valor de resistência assim calculado é ele próprio comparado a um valor de resistência nominal determinada sobre o mesmo circuito a um instante de referência anterior. O valor de resistência assim obtido é, por exemplo, comparado a um valor limite acima do qual se considera que há sujeira.

A solução proposta nesse pedido WO 0194876 tem, todavia, o inconveniente de só poder ser utilizada com um funcionamento do reator a uma vazão e a uma temperatura determinadas, e, em particular, à vazão e à temperatura de funcionamento do reator, quando da medida do valor de resistência de referência.

Devido a esse inconveniente, essa solução é relativamente inadaptada pra um bom número de aplicações.

APRESENTAÇÃO GERAL DA INVENÇÃO.

Uma finalidade da invenção é de propor uma solução de detecção e/ou de medida de sujeira em um trocador apto a ser utilizado indepen3/9 dentemente das variações de condições, notadamente de vazão ou de temperatura, às quais este é submetido.

Uma outra finalidade ainda é de propor uma solução de detecção e/ou de medida de sujeira simples e não intrusa.

Para isso, a invenção propõe um processo para a detecção e/ou a medida da sujeira em um trocador segundo o qual se mede em dois instantes diferentes o valor resistivo de uma resistência disposta a nível de uma parede desse trocador e se determina o valor de medida correspondente a uma função dos valores resistivos medidos nesses dois instantes, caracterizado pelo fato de a resistência ser submetida sucessivamente a dois níveis de potência que se mantém, cada um, por uma certa duração, o primeiro nível de potência sendo inferior ao segundo, as medidas dos dois valores resistivos sendo respectivamente feitas, quando da aplicação desses dois níveis de potência.

Notadamente, o primeiro nível de potência pode ser escolhido, com a duração durante a qual é aplicado, para que o fluxo de calor provocado pelo efeito Joule tenha uma influência sobre a superfície do trocador e não sobre a camada de sujeira, quando ela existe.

O segundo nível de potência pode ser escolhido, de forma que o fluxo de calor provocado pelo efeito Joule tenha um impacto ao mesmo tempo sobre o trocador e sobre o depósito de sujeira, quando este existe.

A invenção propõe também um dispositivo para a detecção e/ou a medida de sujeira em um trocador, caracterizado pelo fato de comportar uma resistência disposta a nível de uma parede desse trocador, meios para alimentar com uma potência constante essa resistência (R), assim como meios de tratamento, esses diferentes meios estando aptos a aplicar o processo pré-citado.

Enfim, a invenção se refere também à utilização desse processo ou desse dispositivo para a detecção e/ou a medida de sujeira na indústria agro-alimentícia ou em aplicações de térmica industrial.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Outras características e vantagens da invenção sobressairão a4/9 inda da descrição que se segue, a qual é puramente ilustrativa e não limitativa, e deve ser lida com relação às figuras anexadas, nas quais:

- a figura 1 é uma representação esquemática de uma placa de trocador sujo, equipado com uma resistência surfácica, conforme um modo de aplicação possível da invenção;

- a figura 2 é um esquema bloco que dá diferentes etapas de um tratamento conforme um modo de aplicação da invenção;

- as figuras 3A a 3C ilustram respectivamente um exemplo de curva temporal de potência elétrica injetada sobre a resistência surfácica utilizada no dispositivo de detecção, assim como as curvas temporais de valores de resistência correspondentes nos casos em que a placa está não suja e no qual ela está suja;

- a figura 4 ilustra esquematicamente um exemplo de resistência surfácica que pode ser utilizada para uma aplicação do processo proposto;

- a figura 5 ilustra diferentes evoluções de variações de resistência em função da temperatura para diferentes materiais possíveis para esta;

- a figura 6 representa um esquema em bloco, ilustrando um exemplo de dispositivo de sujeira;

- a figura 7, enfim, ilustra um exemplo de eletrônica de aquisição e de alimentação para esse dispositivo.

DESCRIÇÃO DE UM OU VÁRIOS MODOS DE APLICAÇÃO E DE REALIZAÇÃO.

Representou-se na figura 1 uma placa P de trocador sobre a qual se depositou com o passar do tempo uma sujeira E.

Esse trocador pode ser de qualquer tipo, notadamente um trocador de convecção interna ou externa líquido/gás, gás/gás ou líquido/líquido.

Uma resistência elétrica surfácica R com coeficiente de temperatura positivo ou negativo é disposta ao longo da parede de troca que constitui essa placa P. Naturalmente, o trocador pode não ser um trocador com placa, mas um trocador com tubos, a resistência sendo disposta ao longo de um ou vários tubos.

Conforme ilustra a figura 2, submete-se sucessivamente essa

5/9 resistência elétrica surfácica a dois níveis de potência P1 e P2, e determinam-se os valores R1 e R2 da resistência R, quando da aplicação desses dois níveis de potência (etapas 1 e 2).

A potência P1 é escolhida a um nível que seja, ao mesmo tempo, suficiente para criar um aquecimento significativo da resistência R (da ordem de alguns décimos de graus), mas que, ao mesmo tempo, é suficientemente baixa para que o fluxo de calor local provocado por efeito Joule tenha - durante o tempo em que essa potência P1 é aplicada à resistência R apenas um impacto sobre a placa P (ou o tubo do trocador) e não sobre o depósito E, o baixo nível de calor não permitem a difusão até este. Na prática, nesse nível de potência, os fenômenos convectivos são confinados à parede.

A potência P2 é mais importante e é escolhida de forma que o fluxo de calor local provocado por efeito Joule tenha um impacto ao mesmo tempo sobre a placa P (ou o(s) tubo(s)) e sobre o depósito E, quando este existe.

A figura 3A ilustra a curva temporal da potência assim aplicada sobre a resistência R, essa potência estando no nível P1 entre um tempo T1 e um tempo T2, depois passando a um nível P2 mais importante a partir do instante T2.

A potência P1 é tipicamente de alguns décimos de watt (de 0,1 a 1 watt, tipicamente compreendida entre 0,2 a 0,8 watt), enquanto que a potência P2 é tipicamente de vários watts (de 1 a 10 watts, por exemplo compreendida entre 2 e 6 watts).

A duração entre o instante T2 e o instante T1 durante a qual a potência P1 é aplicada é tipicamente de algumas dezenas de segundos, a potência P2 sendo tipicamente aplicada por uma duração de algumas centenas de segundos.

Essas durações e seu encadeamento são escolhidos de maneira a permanecerem na mesma unidade de tempo para assegurar a estabilidade das condições de funcionamento e atingir um regime térmico estabilizado no fim da aplicação das potências P1 e P2, a obtenção desse regime térmico

6/9 estabilizado estando facilmente ao alcance do versado na técnica.

Devido ao baixo valor da potência P1 aplicada para que o fluxo de calor provocado pelo efeito Joule tenha uma influência limitada à placa P sozinha, o valor R1 da resistência R depende apenas das condições de funcionamento que a placa P esteja ou não suja pelo depósito E. Ao contrário, quando da aplicação da potência P2 mais elevada, o valor de R2 dessa resistência R depende ao mesmo tempo das condições de funcionamento e devido à placa P estar ou não suja (figuras 3B e 3C).

Uma vez os valores R1 e R2 da resistência R determinados, determina-se uma função desses dois valores, tipicamente a subtração de uma à outra (etapa 3). Os fluxos térmicos que transitam através da resistência R achando-se afetados pela troca convectiva de calor à parede e sendo, portanto, dependentes do nível de sujeira da superfície considerada e das condições de funcionamento, o valor da função das resistências assim obtida constitui um valor característico do nível de sujeira dessa superfície. Além disso, esse valor tem a vantagem de se livrar das condições em torno dessa superfície e notadamente das condições de variação de vazão ou detecção.

Esse valor função de R1 e R2 assim calculada constitui em seguida o objeto de um pós-tratamento (etapa 4), por exemplo, de acompanhamento no tempo, filtragem e comparação a valores limites.

Conforme terá sido compreendido, com o processo que é assim proposto, a medida é não intrusiva (já que distante da zona de sujeira e que não perturba a dinâmica de sujeira). Ela é global pelo fato de integrar toda a superfície ocupada pela resistência. Ela pode se adaptar a geometrias e a dimensões muito diversas.

O elemento de detecção que constitui o elemento sensível surfácico é, por exemplo, um circuito elétrico metálico 10 depositado sobre um suporte dielétrico 11 (por exemplo, poli-imida) de espessura estreita assegurando-lhe uma certa flexibilidade e, portanto, uma adaptação facilitada a quase qualquer tipo de suporte. Esse elemento de detecção 10 é de forma livre. Ele se estende sobre uma zona de sensibilidade planar de alguns milímetros quadrados a alguns centímetros quadrados, o tamanho dessa zona

7/9 sendo função do tamanho da amostra ou da zona a estudar.

A figura 4 dá um exemplo de configuração possível para esse elemento de detecção. Ele compreende um patch de forma quadrada (lado de largura L1 = 40 mm) sobre o qual um circuito de serpentina 12 é depositado e que alimentado por duas pistas 13 destinadas a serem conectadas a uma alimentação externa, duas outras pistas 14 - dispostas em paralelo à pistas 13 - permitindo , por outro lado, a medida da tensão de alimentação desse elemento de detecção 10.

Outras formas são naturalmente possíveis para essa resistência, que pode ser também retangular, oval, circular, até mesmo de forma mais complexa.

Essa resistência deve ser colocada em contato térmico com o trocador estudado, mais proximamente da face na qual se situa a sujeira. O circuito em serpentina pode, por exemplo, ser diretamente depositado sobre a superfície do trocador.

O circuito depositado pode ser o níquel, a platina ou o Cobre, ou qualquer liga à base desses metais, pois todos três possuem a propriedade de ter um coeficiente de temperatura (K¹) elevado. Outros tipos de metais podem ser utilizados, caso estes apresentem um bom coeficiente termoelétrico, seja uma boa variação de resistência proporcional à temperatura do circuito.

Curvas dessa variação de resistência ôhmica em função da temperatura para cobre, uma liga de Níquel, Níquel puro ou Platina são dadas pela figura 5.

Como variante ainda, a resistência R pode ser diretamente serigrafada sobre o suporte final (parede de troca); o sistema é tanto menos intrusivo e permite funcionar a temperaturas elevadas.

Conforme ilustra a figura 6, o elemento de detecção 10 que constitui a resistência surfácica aquecedora 10 é ligado eletronicamente por um cabo com 4 fios (os fios 13 e 14) a um módulo de alimentação e de aquisição 16.

Esse módulo eletrônico 16 alimenta eletricamente a sonda 10

8/9 com resistência variável, mantendo em tempo real uma potência dissipada constante no decorrer do tempo, e isto segundo o caso a um nível P1, seja a um nível P2. Para isso, ele adapta em tempo real a tensão U nos terminais dos fios 14 para que o produto tensão por intensidade permaneça constante.

Para isto uma microcalculadora 1, ligada em série ao módulo 16, por exemplo, por um cabo USB, analisa permanentemente o produto tensão por intensidade e o regula em torno da convenção fixada na partida. A convenção em potência é variável, pequenos valores (alguns décimos de watt a alguns watts). A baixa potência P1 permite medir a resistência sem produzir aquecimento significativo desta (princípio das termorresistências e outros PT100, PT1000). A forte potência P2 gera um aquecimento térmico implicando uma modificação significativa da resistência ôhmica da sonda.

Dessas duas medidas, a calculadora deduz o valor da função de R2 e R1, a qual é correlacionada à espessura de depósito.

O módulo eletrônico 16 possui para isso uma saída numérica, permitindo transferir a evolução das grandezas U e I em tempo real para a calculadora 17, o qual determina o valor da resistência ôhmica (relação de U por I). Como variante, a calculadora 17 pode ser uma microcalculadora integrada ao módulo eletrônico para realizar diretamente os cálculos de resistência e de valores diferenciais.

As características do módulo eletrônico são, por exemplo, as seguintes:

- tensão máxima 24Vdc corrente máxima 2Adc;

- potência regulável de 0,2 W a 10 W por passo de 0,01W para sondas cuja resistência varia entre 3 e 50 Ohms;

- medida de corrente/tensão com uma resolução de 18 bits e uma precisão melhor que 1 %;

- conexão da resistência em 4 fios;

- regulagem da potência melhor do que 1 %;

- velocidade de amostragem 10 Pts/s.

A calculadora 17 recupera os dados em tempo real sob a forma de arquivo numérico e utiliza um pós-tratamento dessas informações para

9/9 identificar a evolução da sujeira. Esse tratamento consiste, por exemplo, em analisar a evolução do valor diferencial da resistência elétrica R, a qual aumenta à medida que o depósito se forma.

Um exemplo de realização do módulo de aquisição de dados de 5 regulagem de potência que integra a calculadora 17 é apresentado na figura

7. A calculadora 17 é uma microcalculadora que recebe de dois conversores analógicos/numéricos 18 dos valores de tensão U e de intensidade I medidas sobre a resistência surfácica R. Essa calculadora 17 transmite, por intermédio de um conversor numérico/analógico 19 e de um amplificador A, a tensão aplicada à resistência surfácica R para manter a potência injetada sobre esta a nível P1 ou no nível P2.

É por outro lado ligado por uma ligação 20, por exemplo, de tipo RS232, a meios de tratamento externos (não representados). Meios de interface 21 são, se for o caso, previstos localmente para, por exemplo, permitir afixar as medidas realizadas a nível do módulo.

A técnica que acaba de ser descrita apresenta numerosas vantagens. Ela só necessita de uma eletrônica particularmente simples que pode ser realizada, de forma compacta, e pode ser fácil de embarcar.

Ela é, além disso, uma realização pouco onerosa.

Ela é de uma grande robustez e confiabilidade, sendo facilmente adaptável a qualquer forma e a qualquer tamanho de trocador.

Ela permite, além disso, uma medida global da sujeira para o conjunto da superfície instrumentada no meio do trocador e não pontual, e um acompanhamento no tempo sendo perfeitamente não intrusiva.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para a detecção e/ou a medida da sujeira em um trocador segundo o qual se mede em dois instantes diferentes um valor resistivo (R1, R2) de uma resistência (R) disposta no nível de uma parede (P)

5 desse trocador e se determina um valor de medida função dos valores resistivos medidos nesses dois instantes, caracterizado pelo fato de que a resistência (R) é disposta ao longo da parede (P) fora do trocador e em que a resistência (R) é submetida sucessivamente a dois níveis de potência (P1, P2) que se mantém cada um durante um certo período, a duração da aplica10 ção (T1) do primeiro nível de potência (P1) sendo menor do que a duração da aplicação (T2-T1) do segundo nível de potência (P2), o primeiro nível de potência (P1) sendo inferior ao segundo (P2), as medidas dos dois valores resistivos (R1, R2) sendo respectivamente efetuadas quando da aplicação desses dois níveis de potência.

15 2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro nível de potência (P1) é escolhido, com a duração na qual é aplicado para que o fluxo de calor provocado por um efeito Joule tenha uma influência sobre a parede de troca (P) e não sobre acamada de sujeira (E), quando ela existe.

20 3. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o segundo nível de potência (P2) é escolhido de modo que o fluxo de calor provocado pelo efeito Joule tenha um impacto ao mesmo tempo sobre a parede de troca (P) e sobre o depósito de sujeira (E), quando este existe.

25 4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a função dos valores resistivos é a diferença de valor resistivo medido em dois instantes sucessivos correspondentes aos dois níveis de potência.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pe30 lo fato de que a diferença nos valores de resistência (R2-R1) , assim obtida, é monitorada em tempo real.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pePetição 870190024480, de 14/03/2019, pág. 7/11
2/2 lo fato de que é adaptado em tempo real a tensão (U) aplicada à resistência (R) para que a potência (P1, P2) à qual se submete essa resistência permaneça constante durante um certo período.
7. Dispositivo para a detecção e/ou a medida de sujeira em um trocador, caracterizado pelo fato de que se comporta uma resistência (R) disposta no nível de uma parede (P) desse trocador, meios (16) para alimentar com uma potência constante essa resistência (R), assim como meios de tratamento (17), esses diferentes meios estando aptos a aplicar o processo como definido na reivindicação 1.
8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a resistência (R) é uma resistência superficial.
9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a resistência (R) superficial apresenta um suporte dielétrico (11) que lhe permite se adaptar à forma do trocador.
10. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que a resistência (R) superficial apresenta um circuito resistivo em serpentina (12).