BR102012000881A2

BR102012000881A2 - Tubo de troca de calor e método de uso do mesmo.

Info

Publication number: BR102012000881A2
Application number: BRBR102012000881-5A
Authority: BR
Inventors: Aroon K Viswanathan; Thomas A Hunzinger; Rifaquat Cheema
Original assignee: Modine Mfg Co
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2015-05-12
Also published as: CN102589337B; CN102589337A; US20120180991A1; DE102012000549A1; US9243851B2

Abstract

Tubo de troca de calor e método de uso do mesmo. Um tubo trocador de calor inclui saílências estendendo para dentro do volume interno para turbulência de um fluxo de fluido para transferência de calor melhorada. As sailências são dispostas para proporcionar regiões onduladas e não onduladas, a fim de proporcionar a transferência de calor aumentada juntamente com a queda de pressão reduzida. Um método de transferência de calor por um fluir um fluido em um tubo, turbulência do fluido em uma primeira seção de tubo ondulada, desenvolver uma camada limite térmica em uma segunda seção não ondulada, e turbulência do fluido em uma segunda seção de tubo ondulada é também apresentado.

Description

TUBO DE TROCA DE CALOR E MÉTODO DE USO DO MESMO

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

Este pedido reivindica prioridade para Pedido de Patente Provisório No. US 61/432,282, depositado em 13 de janeiro de 2011, seu inteiro conteúdo é aqui incorporado por referência.

FUNDAMENTO

Estruturas tubulares (ou "tubos") podem ser usadas para transmitir um fluido através de um trocador de calor durante a transferência de energia térmica (calor) para ou a partir de outro fluido passando sobre as superfícies exteriores dos tubos, efetuando assim uma transferência de calor, enquanto mantém uma separação física dos dois fluidos. A título de exemplo, tais estruturas encontram utilidade particular na geração de vapor industrial ou processo de troca de calor de fluido, componentes de troca de calor automotivos, e espaço de aquecimento e arrefecimento, entre outras aplicações de transferência de calor. A geometria dos tubos em si varia de aplicação para aplicação, e inclui forma cilíndrica, oval, retangular, bem como outras formas que podem ser desejáveis para uma dada utilização.

Em muitos casos é desejável aumentar a taxa de transferência de calor entre o fluido que flui através dos tubos e as superfícies de parede interior dos tubos7-— reduzindo assim o tamanho total necessário do equipamento de transferência de calor. Este aumento pode ser conseguido através da incorporação de características para turbulência no fluido à medida que flui através dos tubos, assim eliminando ou reduzindo a formação de uma camada limite de fluido sobre as superfícies de parede interior. Sabe-se que uma camada limite de fluido inibe a transferência eficiente de calor entre o volume de fluido e a parede, devido à necessidade de transferência de energia de calor via condução através das camadas relativamente lentas de fluido adjacentes às paredes.

Embora muitos métodos de turbulência do fluxo sejam conhecidos na arte, um método normalmente utilizado em certas aplicações (radiadores de automóveis, por meio de um exemplo) inclui o fornecimento de saliências múltiplas que se estendem a partir da parede do tubo para dentro do volume de fluido. Estas saliências interrompem a formação de uma camada limite de fluido e promovem a turbulência no fluxo de fluido, a fim de melhorar a taxa de transferência de calor. Saliências deste tipo são muitas vezes referidas como "ondulações", e tais tubos são referidos como tubos "ondulados".

Como um efeito colateral geralmente indesejável, a turbulência produzida por tais saliências também tende a resultar em um aumento na potência de bombeamento necessária para mover o fluido através dos tubos. Isto exige uma troca entre as vantagens de desempenho de transferência de calor aumentado, por um lado, e as desvantagens da queda de pressão aumentada, por outro. As tentativas dos projetistas de trocadores de calor para otimizar essa troca resultou no desenvolvimento continuo de novas geometrias e padrões de ondulação.

SUMÁRIO

Algumas modalidades da presente invenção fornecem um tubo para transmitir um fluido através de um trocador de calor. O tubo compreende dois lados amplos opostos e substancialmente planos que se estendem na direção longitudinal a partir de uma primeira extremidade do tubo para uma segunda extremidade do tubo para definir, pelo menos parcialmente, um volume de fluido entre as mesmas. O tubo inclui uma primeira pluralidade de saliências localizada entre a primeira e segunda extremidades e estendendo para o volume de fluido a partir de um dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos. As saliências são alinhadas ao longo da direção longitudinal e têm um primeiro espaçamento centro a centro na direção longitudinal entre as saliências adjacentes da primeira pluralidade de saliências. O tubo inclui ainda uma segunda pluralidade de saliências localizada entre a primeira pluralidade de saliências e a segunda extremidade e estendendo para o volume de fluido a partir do lado amplo e substancialmente plano. A segunda pluralidade de saliências é alinhada com a primeira pluralidade de saliências ao longo da direção longitudinal e têm um segundo espaçamento centro a centro na direção longitudinal entre as saliências adjacentes da segunda pluralidade de saliências. O espaçamento centro a centro na direção longitudinal entre a primeira pluralidade de saliências localizada mais afastada da primeira extremidade e a segunda pluralidade de saliências locali-zada mais perto da primeira extremidade é, pelo menos, 2.5 vezes o primeiro espaçamento centro a centro, e referida a primeira pluralidade de saliências e referida a segunda pluralidade de saliências são separadas por uma porção do lado amplo e substancialmente plano, que é substancialmente isento de saliências.

Em algumas modalidades o espaçamento centro a centro na direção longitudinal entre a primeira pluralidade de saliências localizada mais afastada da primeira extremidade e a segunda pluralidade de saliências localizada mais perto da primeira extremidade é pelo menos 2.5 vezes o segundo espaçamento centro a centro.

Em algumas modalidades da invenção, o tubo inclui ainda uma terceira pluralidade de saliências localizada entre a primeira e segunda extremidades e que se estendem para dentro do volume de fluido a partir do outro dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos. A terceira pluralidade de saliências é alinhada com a primeira pluralidade de saliências ao longo da direção longitudinal e tem um terceiro espaçamento centro a centro na direção longitudinal entre as saliências adjacentes da terceira pluralidade de saliências. Pelo menos uma da terceira pluralidade de saliências está localizada mais longe da primeira extremidade do que qualquer uma da primeira pluralidade de saliências e mais perto da primeira extremidade do que qualquer uma da segunda pluralidade de saliências.

De acordo com algumas modalidades da presente invenção, o tubo compreende dois lados amplos opostos e substancialmente planos que se estendem na direção longitudinal a partir de uma- primeira extremidade do—tubo — para uma segunda extremidade do tubo para definir, pelo menos parcialmente, um volume de fluido entre as mesmas. O tubo inclui uma primeira pluralidade de saliências disposta em pelo menos um dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos e estendendo para o volume de fluido. Um primeiro plano normal aos lados amplos e substancialmente planos passa através dos centroides de cada uma da primeira pluralidade de saliências, e tem um ângulo em relação â direção longitudinal de entre 15° e 75°. O tubo inclui ainda uma segunda pluralidade de saliências disposta em pelo menos um dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos para definir um segundo plano paralelo ao primeiro plano. O segundo plano passa através dos centroides de cada uma da segunda pluralidade de saliências. O tubo ainda inclui ainda uma terceira pluralidade de saliências disposta em pelo menos um dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos para definir um terceiro plano paralelo ao primeiro plano, o terceiro plano passando através dos centroides de cada uma da terceira pluralidade de saliências. O tubo é substancialmente ausente de saliências adicionais em pelo menos um dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos entre o primeiro e segundo plano e entre o segundo e terceiro plano, e o espaçamento entre o segundo plano e terceiro plano é de pelo menos duas vezes o espaçamento entre o primeiro plano e o segundo plano.

Em algumas modalidades o ângulo entre o primeiro plano e a direção longitudinal é entre 3 0 ° e 60 ° . Em algumas modalidades o espaçamento entre o segundo plano e terceiro plane é de pelo menos 2-, 5 vezes o espaçamento entre- o primeiro plano e o segundo plano.

Algumas modalidades da presente invenção fornecem um método de transferência de calor entre um primeiro fluido e um segundo fluido, incluindo: direcionar o primeiro fluido dentro de um tubo; turbulência do primeiro fluido em uma primeira seção ondulada do tubo, o desenvolver uma camada limite térmica do primeiro fluido em uma segunda seção não ondulada do tubo a jusante da primeira seção com respeito ao fluxo do primeiro fluido; turbulência do primeiro fluido em uma terceira seção ondulada do tubo a jusante da segunda seção com respeito ao fluxo do primeiro fluido, e fluir o segundo fluido ao longo do exterior do tubo para transferir calor entre o segundo fluido e o primeiro fluido na primeira, segunda e terceira seções do tubo.

Em algumas modalidades o primeiro fluido é um arrefecedor de motor e o segundo fluido é o ar. Em algumas tais modalidades o tubo é um de vários tubos de um radiador.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um tubo de acordo com uma modalidade da invenção. A Figura 2 é uma vista seccional ao longo das linhas II-II da Figura 1. A Figura 3 é um diagrama mostrando a formação de uma camada limite sobre uma seção de parede plana. A Figura 4 é um gráfico que mostra as magnitudes relativas do coeficiente de transferência de calor e a espessura da camada limite para a camada limite da Figura 3 .

As Figuras 5A-5C são vistas planas mostrando três variações possíveis de um tubo de acordo com a modalidade da Figura l A Figura 6 é uma vista em perspectiva de um tubo de acordo com uma modalidade alternativa da invenção. A Figura 7 é uma vista plana de um tubo de acordo com a modalidade da Figura 6. A Figura 8 é uma vista em perspectiva de um trocador de calor para o uso com algumas modalidades da presente invenção. A Figura 9 é uma vista em perspectiva de uma porção de um tubo e aletas para uso no trocador de calor da Figura 8.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Antes de quaisquer modalidades da invenção serem explicadas em detalhe, deve ser entendido que a invenção não estã limitada em sua aplicação aos detalhes de construção e do arranjo de componentes definidos na descrição que segue ou ilustrados nos desenhos anexos. A invenção é capaz de outras modalidades e de ser praticada ou de ser realizada de várias maneiras. Além disso, deve ser entendido que a fraseologia e a terminologia aqui utilizadas são para a finalidade de descrição e não devem ser consideradas como limitativas. O uso de "incluindo", "compreendendo", ou "tendo" e suas variações aqui se destina a abranger os itens listados em seguida e seus equivalentes, bem como itens adicionais. A menos que especificado de outra forma ou limitado, os termos "montado", "conectado", "suportado" e "acoplado" e suas variações são usados de forma ampla e abrangem tanto as montagens, conexões, suportes, e acoplamentos diretos e indiretos. Além disso, "conectado" e "acoplado" -não se restringem âs conexões ou acoplamentos físicos ou mecânicos.

Um tubo trocador de calor 1 de acordo com uma modalidade da presente invenção está representado nas Figuras 1 e 2. O tubo trocador de calor 1 inclui lados amplos opostos e substancialmente planos 3 e 4, juntados pelos lados mais curtos ou estreitos 5 para definir um volume de fluido 12 no interior do tubo 1. Os lados mais curtos 5 podem ser arqueados em forma como mostrado, ou alternativamente eles podem ser de alguma outra forma, tal como, por exemplo, reta. O tubo 1 se estende na direção longitudinal (paralela aos lados estreitos 5) indicada pela seta de ponta dupla 8, entre uma primeira extremidade 6 do tubo 1 e uma segunda extremidade 7 do tubo 1. O tubo 1 inclui ainda saliências múltiplas 2 dispostas nas faces amplas e substancialmente planas 3, 4 e que se estendem para dentro do volume de fluido 12. As saliências 2 servem para turbulência de um fluxo de fluido viajando através do volume de fluido 12, aumentando assim a taxa de transferência de calor entre o fluido e as paredes do tubo, como será explicado com referência às Figuras 3 e 4. A Figura 3 ilustra a formação de uma camada limite de fluido 23 na superfície de uma parede 24 quando um fluido 20 flui sobre a parede 24 na direção x. A parede 24, neste caso, pode representar uma porção de uma parede ampla e substancialmente plana de um tubo trocador de calor, com a direção "x" correspondente à direção longitudinal do tubo. O movimento do fluido diretamente para a parede 24 é inibido por efeitos de atrito e, devido à viscosidade do fluído, a velocidade do fluido 20 aumenta gradualmente—com a distância normal à parede (a direção y na Figura 3) até tal distância onde os efeitos viscosos são totalmente dissipados, ponto no qual o fluido se desloca a sua velocidade de fluxo livre. A espessura da camada limite, representada pela linha 23, é tipicamente definida como sendo a distância a partir da parede onde a velocidade do fluido na direção longitudinal "x" é equivalente em magnitude a 99% da velocidade de fluxo livre. A distribuição de magnitude de velocidade através da camada limite na localização xl é indicada na Figura 3 como ux(y).

Com referência continuada â Figura 3, a uma certa distância a partir da borda de condução da parede 24 a camada limite começa a transição a partir de fluxo laminar para o fluxo turbulento. Flutuações no fluido começam a desenvolver, tal como indicado pelas setas onduladas na camada limite. Eventualmente essas flutuações transitam para fluxo turbulento completamente, como representado pelas setas que representam um padrão de fluxo de rotação. Uma vez que a camada limite tornou-se turbulenta, ela pode ser vista para ser composta por três camadas distintas: uma subcamada laminar localizada imediatamente adjacente à parede 24, em que o transporte é dominado por efeitos de difusão, uma região turbulenta localizada mais distante a partir da parede 24, em que transporte é dominado por mistura turbulenta, e uma camada de tampão entre as duas, em que mistura e difusão turbulenta substancial ocorrem simultaneamente.

Voltando agora à Figura 4 (adaptada a partir dos livro texto "Fundamentais of Heat Transfer" por Frank P. Incropera e David P. DeWitt, publicado por John Wiley and Sons de Nova York, 1981), a variação da espessura da camada limite "δ" e o coeficiente de película convectiva "h" ao longo da direção x são exibidos. Como pode ser visto, uma redução no coeficiente de película convectiva é concomitante com o aumento da espessura da camada limite na região laminar. No entanto, uma vez que a camada limite começa a transição de laminar para turbulenta, o coeficiente de película convectiva aumenta, embora a espessura da camada limite também continue a aumentar. Este efeito resulta da taxa aumentada de transporte de energia no fluido causada pelas flutuações de fluido. Uma vez que o fluxo é totalmente turbulento, o coeficiente de película convectiva atinge o seu valor máximo. Continuando a jusante da região turbulenta, a espessura da camada limite continua a aumentar, mas o coeficiente de película convectiva diminui, devido ao crescimento da subcamada laminar. Eventualmente, em uma localização a jusante suficientemente longe o suficiente, a subcamada laminar irá aumentar em espessura para o ponto em que ela, também, transita para turbulência, e o ciclo inteiro se repete.

Reconhecendo que a taxa de transferência de calor ê maximizada através da operação com o maior coeficiente de película realizável, projetistas de equipamento trocador de calor utilizando tubos planos vulgarmente adicionam saliências para os tubos, a fim de induzir (ou "viajar") o fluxo em turbulência substancialmente mais cedo do que a turbulência ocorrería se a parede do tubo fosse lisa. Tais tubos são comumente referidos na arte como tubos ondulados. A fim de impedir a reconstrução de uma subcamada laminar relativamente espessa, e a diminuição resultante.. . em________ coeficiente de película convectiva, saliências múltiplas são tipicamente dispostas em um padrão regular, a fim de manter a condição de fluxo turbulenta. Como um efeito secundário indesejável, a redução na área de fluxo causada pelas saliências e os efeitos de dissipação de energia dos turbilhões turbulentos também resultam em um aumento substancial na queda de pressão em relação a fluir em um tubo liso e não ondulado.

Os inventores perceberam que em algumas aplicações, pode ser preferível fornecer um tubo trocador de calor que não se esforça para manter o coeficiente de película de pico, como está descrito acima. Em contraposição a um tubo tendo saliências espaçadas regularmente, o tubo 1 exemplar das Figuras 1 e 2 inclui várias pluralidades de saliências 2, cada pluralidade compreendendo duas saliências alinhadas com uma outra ao longo da direção longitudinal 8 e tendo um espaçamento entre as mesmas, que é menor do que o espaçamento entre pluralidades adjacentes ao longo da direção longitudinal 8. As duas saliências são alinhadas com uma outra de tal modo que um plano geralmente perpendicular ao lado amplo e plano 3 passa através de um centroide de cada uma das duas saliências. Além disso, na modalidade ilustrada, o plano passando através do centroide de cada uma das duas saliências é paralelo aos lados estreitos ou curtos 5 do tubo 1.

Uma vista plana do tubo exemplar 1 das Figura 1 e 2 é mostrada na Figura 5A. As saliências 2 situadas na parede 3 do tubo 1 estão representadas por círculos eclodidos, enquanto que as saliências 2 localizadas na parede oposta 4 do tubo 1 estão representadas por círculos não eclodidos. --- Tal como mostrado na Figura 5A, o tubo 1 inclui uma pluralidade 2a das saliências 2 localizada na parede ampla e substancialmente plana 3 entre a primeira extremidade do tubo 6 e a segunda extremidade do tubo 7. As saliências 2 no interior da pluralidade 2a são alinhadas com uma outra ao longo da direção longitudinal 8 do tubo 1, e têm um espaçamento d2a na direção longitudinal 8 entre saliências adjacentes da pluralidade 2a. As duas saliências são alinhadas com uma outra tal que um plano geralmente perpendicular aos lados amplos e planos 3 e 4 passa através de um centroide de cada uma das duas saliências. Além disso, na modalidade ilustrada, o plano passando através do centroide de cada uma das duas saliências é paralelo aos lados estreitos ou curtos 5 do tubo 1.

Continuando com referência à Figura 5A, o tubo 1 inclui adicionalmente uma segunda pluralidade 2b das saliências 2 localizada na parede 3 entre a primeira pluralidade 2a e a extremidade 7. A pluralidade 2b está em alinhamento com a pluralidade 2a ao longo da direção longitudinal 8, e as saliências adjacentes da pluralidade de saliências 2b têm um espaçamento d2b na direção longitudinal 8 . O número de saliências 2 em uma segunda pluralidade 2b pode ser o mesmo que o número de saliências 2 em uma primeira pluralidade 2a (como é na modalidade exemplar da Figura 5A}, ou pode alternativamente ser maior ou menor do que o número de saliências 2 em uma primeira pluralidade 2a. As saliências 2b são alinhadas com uma outra tal que um plano geralmente perpendicular ao lado amplo e plano 3 passa através de um centroide de cada uma das saliências 2b. Além disso, as saliências 2b estão alinhadas com as saliências 2a tal que o plano passando através do centroide de cada uma das saliências 2b é co-planar com o plano passando através do centroide de cada uma das 2a saliências. O espaçamento d2b pode ser igual ao espaçamento d2a (como é na modalidade exemplar da Figura 5A) , ou pode alternativamente ser maior ou menor do que o espaçamento d2a. A primeira pluralidade 2a e a segunda pluralidade 2b de saliências 2 são afastadas uma da outra tal que a distância d2a-2b é maior do que o espaçamento d2a · A distância d2a.2b é o espaçamento entre a saliência 2 na pluralidade 2a que estã mais afastada da extremidade 6, e a saliência 2 na pluralidade 2b que está mais próxima da extremidade 6.

Como pode ser adicionalmente visto na Figura 5A, o tubo exemplar 1 inclui uma terceira pluralidade 2c de saliências localizada ao longo da parede 4 e alinhada ao longo da direção longitudinal 8 com a primeira e segunda pluralidades 2a e 2b. As saliências 2 no interior da terceira pluralidade 2c têm um espaçamento d2c entre as saliências adjacentes da pluralidade 2c. A terceira pluralidade 2c é deslocada ao longo da direção longitudinal 8 em relação â segunda pluralidade 2b de modo que, pelo menos, uma da terceira pluralidade 2c é localizada entre duas saliências adjacentes da segunda pluralidade 2b ao longo da direção longitudinal 8. O número de saliências 2 dentro da terceira pluralidade 2c pode variar de forma independente a partir do número de saliências 2 tanto na primeira pluralidade 2a quanto na segunda pluralidade 2b.

Quando um tubo 1 é utili-zado em um trocador -de calor,— um fluxo de fluido pode ser dirigido para o volume de fluido 12 na primeira extremidade de tubo 6 para fluir através do tubo 1 na direção longitudinal 8, e pode ser removido a partir do volume de fluido 12 na segunda extremidade de tubo 7. Como uma porção do fluxo encontra uma das pluralidades de saliências 2 (por exemplo, a pluralidade 2a) , estas saliências podem fazer com que a camada limite transite para a turbulência, desse modo efetuando um alto coeficiente de película convectiva.

Dependendo das características do fluido e o tubo especifico 1 e geometria de saliência 2, múltiplas saliências sucessivas 2 em proximidade relativamente estreita podem ser necessárias a fim de transitar totalmente a camada limite para um regime de fluxo turbulento. Na modalidade exemplar da Figura 5A, a primeira pluralidade 2a de saliências 2 consiste em duas das saliências 2, mas deve ser entendido que outras modalidades podem incluir saliências adicionais 2 em um primeira pluralidade 2a. Por exemplo, o tubo 1 mostrado na Figura 5B é semelhante ao tubo 1 da Figura 5A, mas tem três saliências 2 em cada pluralidade de saliências. O número de saliências 2, dentro do pluralidade 2a, e o espaçamento d2a entre as referidas saliências 2, podem ser vantajosamente selecionados a fim de realizar o efeito desejado de um fluxo turbulento totalmente transitado, assim correspondendo com o coeficiente de película convectiva máximo como mostrado na Figura 4.

Se as saliências 2 eram para continuar com um espaçamento semelhante ao longo do comprimento do tubo 1, então a subcamada laminar mostrada na Figura 4 não seria capaz de desenvolver, e o coeficiente de película pode ser mantido no nível máximo. Tal operação pode ser desejável a fim de maximizar a taxa de transferência de calor, mas tem o indesejável efeito colateral de aumentar a queda de pressão sofrida pelo fluido na passagem através do tubo 1.

Como indicado anteriormente, esta queda de pressão é, muitas vezes, um fator critico na concepção de um trocador de calor empregando tais tubos ondulados, uma vez que a potência de bombeamento necessária para a propulsão do fluido através dos tubos irá aumentar com a queda de pressão, e a potência de bombeamento tem, muitas vezes, uma quantidade limitada. A fim de reduzir a queda de pressão, tubos adicionais podem precisar ser adicionados em paralelo, mas isso tenderá, em seguida, a diminuir o coeficiente de película, bem como a adição de tamanho e custos adicionais.

Os inventores descobriram que um compromisso vantajoso entre transferência de calor e potência de bombeamento pode ser conseguido por ter a região d2a_2b da parede 3, imediatamente a jusante da primeira pluralidade 2a de saliências 2, ausente de saliências adicionais. Um fluxo de fluido passando através de tal tubo 1 é disparado em turbulência, por passar através da primeira pluralidade 2a de saliências 2, mas a subcamada laminar é então permitida a desenvolver ao longo da região d2a-2b* O coeficiente de película irá diminuir ligeiramente ao longo desta região não ondulada, mas a queda de pressão associada com o fluxo do fluido também diminuirá. Quando o fluxo de fluido atinge a segunda pluralidade 2b de saliências, o fluxo é novamente disparado em turbulência, a fim de restabelecer temporariamente o alto coeficiente de transferência de calor desejável. Pluralidades adicionais de saliências 2 separadas por regiões não onduladas podem continuar, como exigido, para baixo do comprimento do tubo 1.

Os inventores descobriram que, com seleção adequada do espaçamento entre uma pluralidade de saliências 2, o desempenho de transferência de calor de um trocador de calor utilizando tal tubo 1 é apenas ligeiramente diminuído, mas a queda de pressão é substancialmente diminuída. Por exemplo, os inventores descobriram que, em radiadores veiculares, um espaçamento não ondulado d2a-2b, isto é no intervalo de 2 a 6 vezes o espaçamento entre saliências d2a pode proporcionar uma especialmente favorável troca entre o desempenho de transferência de calor e queda de pressão. Em algumas modalidades especialmente preferidas, o espaçamento não ondulado d2a-2b é de pelo menos 2.5 vezes o espaçamento d2a- Como pode ser visto nas várias modalidades das Figuras 5A-5C, pluralidades múltiplas de saliências 2 podem ser dispostas ao longo da direção transversal 41 do tubo 1, 1' , 1". As saliências 2 podem ser dispostas de modo que o fluxo é disparado em turbulência em aproximadamente os mesmos locais na direção longitudinal 8 ao longo de toda a direção transversal 21 do tubo 1, 1' , como mostrado nas Figuras 5A e 5B. Alternativamente, as pluralidades de saliências podem ser escalonadas, como mostrado no tubo 1" da Figura 5C.

As Figuras 6 e 7 mostram uma modalidade alternativa de um tubo 101 com outro padrão de escalonamento para as saliências 2. Como antes, no que diz respeito às Figuras 5A-SC, -na Figura - 7 as sal-iências 2 localizadas na parede-3 do tubo 101 são representadas por círculos eclodidos, enquanto que as saliências 2 localizadas na parede oposta 4 do tubo 101 são representadas por círculos não eclodidos. No tubo de exemplar 101, as saliências 2 são dispostas em grupos que se estendem ao longo da direção transversal 21, com saliências sucessivas 2 dentro de cada grupo sendo localizadas progressivamente mais distantes ao longo do tubo 101 na direção longitudinal 8.

Com referência continuada às Figuras 6 e 7, as saliências 2 são dispostas de modo que uma primeira pluralidade das saliências 2 localizada na parede 3 (a pluralidade numerando quatro saliências na modalidade exemplar) encontra-se em um plano 9 passando através dos centroides dessas saliências, em que o plano 9 é perpendicular às paredes planas amplas 3 e 4, mas não é perpendicular tanto à direção longitudinal 8 e a direção transversal 21. Uma segunda pluralidade de saliências 2 também localizada na parede encontra-se em um plano 10 (isto é, o plano 10 passa através dos centroides da segunda pluralidade de saliências 2) que é paralelo e espaçado a partir do plano 9. A parede 3 é ausente de saliências entre os planos 9 e 10. A terceira pluralidade das saliências 2 do mesmo modo encontra-se em um terceiro plano 11 paralelo para, e espaçado de, planos 9 e 10. Novamente, a seção da parede 3, entre o plano 10 e o plano 11 é ausente de saliências. A distância dio,n entre os planos 10 e 11 é substancialmente maior do que a distância d9ji0 entre os planos 9 e 10.

Como um fluxo de fluido passa através do tubo 101, o espaçamento relativamente perto dg.io entre- as saliências na-primeira e segunda pluralidades de saliências 2 pode viajar o fluxo para um regime turbulento, resultando em um coeficiente de transferência de calor favoravelmente alto. Como o fluxo depois encontra a seção não ondulada entre os planos 9 e 10, é permitido desenvolver uma subcamada laminar, a fim de efetuar a referida troca entre a queda de pressão de fluido e desempenho de transferência de calor.

Os inventores descobriram que ter a distância di0,n em um intervalo de aproximadamente 2.5 a aproximadamente 6 vezes a distância d9,i0 pode fornecer um equilíbrio especialmente favorável entre as preocupações concorrentes de maximizar a transferência de calor e minimizar a queda de pressão. Em outras modalidades, a distância di0,n é de pelo menos 2 vezes a distância d9ri0.

Por ter os planos 9, 10, 11 orientados em um ângulo não perpendicular à direção longitudinal S (o ângulo indicado como "a" na Figura 7) , os inventores descobriram que certos benefícios adicionais podem ser alcançados, especialmente em aplicações em que o calor está sendo transferido entre um primeiro fluido passando através do tubo 101 na direção longitudinal 8, e um segundo fluido passando sobre as superfícies exteriores do tubo na direção transversal 21 (isto é, uma orientação de fluxo cruzada). O coeficiente de transferência de calor interno é esperado para pouco, mas constantemente diminuir entre os planos 10 e 11, devido â formação da subcamada laminar. Por conseguinte, o coeficiente de transferência de calor local, na região não ondulada entre os planos 10, 11, é esperado para ser no seu máximo valor imediatamente a jusante a partir de~ uma—sairiência- 2 da plural idade.de salirênciars que- definem o plano 10, e no seu valor mínimo imediatamente a montante a partir de uma saliência 2 da pluralidade de saliências que definem o plano 11. Por orientar os planos a um ângulo não perpendicular a, estes valores máximos e mínimos locais são escalonados em relação à direção transversal 21. Como resultado, um fluido passando sobre as superfícies exteriores do tubo 101 em relação de transferência de calor de fluxo cruzado com um fluido passando através do tubo 101 irá experimentar uma taxa mais uniforme de transferência de calor. Os inventores descobriram que um ângulo α que varia entre 15 0 e 75 ° pode proporcionar resultados favoráveis em algumas aplicações, e que um ângulo α que varia entre 3 0 0 e 60 ° pode ser especialmente favorável.

Como melhor se vê na Figura 7, as saliências 2 podem ser dispostas de modo que essas saliências 2 localizadas na parede 4 formam uma imagem de espelho dessas saliências 2 localizadas na parede 3. Em outras palavras, as saliências 2 na parede 4 são dispostas de modo a encontrarem-se em vários planos paralelos que são orientados em um ângulo de 2a para os planos em que as saliências 2 sobre a parede 3 encontram-se. Em algumas outras modalidades, no entanto, os planos em que as saliências 2 na parede 4 estão localizadas podem ser orientados em outros ângulos. Por exemplo, os planos em que as saliências 2 sobre a parede 4 encontram-se podem ser orientados para ser paralelos aos planos em que as saliências 2 sobre a parede 3 encontram-se.

Na modalidade exemplar da Figura 7, as saliências 2 também são dispostas de modo que as regiões onduladas e não onduladas da parede de- tubo 3 e da parede de tubo 4—se encontram em locais coincidentes ao longo da direção longitudinal 8. Deve ser reconhecido, no entanto, que as regiões onduladas e não onduladas também podem, ou alternativamente, ser escalonadas ao longo da direção longitudinal 8 em algumas modalidades.

Tal como discutido com referência às Figuras 5A-5C, pode ser desejável proporcionar saliências adicionais 2 nas regiões onduladas, a fim de viajar o fluido em turbulência.

Em algumas modalidades alternativas, tais saliências adicionais podem ser dispostas para encontrarem-se em planos paralelos aos planos adicionais 9 e 10.

As saliências 2 das modalidades acima descritas podem ser produzidas por formação do material de parede de tubo a partir de uma ou mais tiras planas de material. Em algumas modalidades, pares de rolos podem ser equipados com características para deformar o material de parede de tubo, a fim de criar as saliências 2, após o que o material de parede de tubo pode ser formado para criar o tubo. As características podem ser dispostas sobre os rolos em agrupamentos, de modo que as seções onduladas do tubo são criadas ao longo de determinados graus de revolução dos rolos, e seções não onduladas do tubo são criadas sobre certos outros graus de revolução dos rolos. A geometria específica das saliências 2 pode ser de muitas formas diferentes, como pode ser requerido pelas aplicações de transferência de calor específicas nas quais o tubo se destina a ser aplicado. A título de exemplo apenas, as saliências 2 podem ter pegadas que incluem formas circulares, ovais, triangulares, quadradas, retangulares,- divisórias, ou outras formas podem--------ser--- desejáveis. Além disso, o perfil das saliências 2 pode ser liso ou afiado, dependendo da quantidade de turbulência que é desejável para a aplicação dada. A Figura 8 ilustra um trocador de calor 13 que pode derivar benefício especial a partir da utilização de qualquer um dos tubos acima mencionados (1, 1’ , 1", 101) como descrito anteriormente. O trocador de calor 13 inclui um núcleo de trocador de calor 14 compreendendo tubos intercalados 1 e aletas de ar torcidas 15. A disposição dos tubos 1 e aletas de ar 15 pode ser vista mais claramente na Figura 9. O trocador de calor 13 inclui ainda as placas de cabeçalho 16 localizadas em cada extremidade do núcleo de trocador de calor 14 para receber as extremidades dos tubos 1. Tanques de fluido 17 são unidos às placas de cabeçalho 16 para definir um ou mais volumes múltiplos de fluido em cada extremidade do núcleo de trocador de calor 14, com as passagens internas dos tubos 1 fluidicamente conectando esses volumes.

Um fluxo de fluido 20 entra um dos tanques 17 por meio de uma porta de entrada 18, flui através dos canais internos dos tubos 1 para o outro dos tanques 17, e é removido do trocador de calor 13 através de uma porta de salda 19 localizada em um dos tanques 17. Em algumas modalidades, todos os tubos 1 podem ser arranjados para serem fluidicamente em paralelo com um outro, enquanto que em outras modalidades os tubos 1 podem ser agrupados em dois ou mais grupos de tubos 1, com os tubos em cada grupo arranjados para serem fluidicamente em paralelo com um outro e os grupos em si dispostos f luidicamente em série com um outro. Por conseguinte, o fluxo de fluido 20 pode ter múltiplas passagens através do núcleo de trocador de calor 14 entre uma entrada na porta 18 e salda na porta 19, e as portas 18 e 19 podem ser localizadas em tanques opostos 17 (como mostrado) ou com o mesmo tanque 17. Um segundo fluxo de fluido 22 passa através do núcleo de trocador de calor 14 na direção transversal 21, passando ao longo dos tubos 1 e aletas 15 em relação de transferência de calor com o fluido 2 0.

Tal trocador de calor 13 pode encontrar uma variedade de usos, incluindo, mas não limitado a, radiadores, resfriadores de carga de ar, condensadores, evaporadores, resfriadores de óleo, e assim por diante. Em muitos casos, mas nem sempre, o fluxo 22 é um fluxo de ar utilizado para aquecer ou resfriar o fluido 20. O trocador de calor 13 pode encontrar utilidade especialmente favorável como um radiador para rej eitar o calor a partir da água de arrefecimento de um motor de combustão interna. Várias alternativas para as características e elementos determinados da presente invenção são descritas com referência a modalidades especificas da presente invenção. Com a exceção de características, elementos, e modos de operação que são mutuamente exclusivos ou são incompatíveis com cada modalidade descrita acima, deve notar-se que as características alternativas, elementos, modos de operação descritos com referência a uma modalidade particular, são aplicáveis para as outras modalidades.

As modalidades acima descritas e ilustradas nas figuras são apresentadas a título de exemplo apenas e não se destinam como uma limitação sobre os conceitos e os princípios da presente invenção. Como tal, será apreciado por uma pessoa com conhecimentos normais na arte que várias alterações nos elementos e sua configuração e disposição são possíveis sem afastamento do espírito e do âmbito da presente invenção.

Claims

1. Tubo para transmitir um fluido através de um trocador de calor, caracterizado pelo fato de que compreende: dois lados amplos opostos e substancialmente planos que se estendem na direção longitudinal do tubo a partir de uma primeira extremidade do tubo para uma segunda extremidade do tubo para definir pelo menos parcialmente um volume de fluido entre as mesmas; uma primeira pluralidade de saliências localizada entre a primeira e segunda extremidades e estendendo para o volume de fluido a partir de um dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos, a referida primeira pluralidade de saliências sendo alinhada ao longo da direção longitudinal e tendo um primeiro espaçamento centro a centro na direção longitudinal entre as saliências adjacentes da referida primeira pluralidade de saliências, e uma segunda pluralidade de saliências localizada entre a primeira pluralidade de saliências e a segunda extremidade e estendendo para o volume de fluido a partir do lado amplo e substancialmente plano, a segunda pluralidade de saliências sendo alinhada com a primeira pluralidade de saliências ao longo da direção longitudinal e tendo um segundo espaçamento centro a centro na direção longitudinal entre as saliências adjacentes da referida segunda pluralidade de saliências, em que um espaçamento centro a centro no sentido longitudinal entre a primeira pluralidade de saliências localizada mais afastada da primeira extremidade e a segunda pluralidade de saliências localizada mais próxima da primeira extremidade é de pelo menos 2.5 vezes o primeiro espaçamento centro a centro, e em que a referida uma da primeira pluralidade de saliências e referida uma da segunda pluralidade de saliências são separadas por uma porção do um lado amplo e substancialmente plano que é ausente de saliências.

2. Tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaçamento centro a centro na direção longitudinal entre a primeira pluralidade de saliências localizada mais afastada da primeira extremidade e a segunda pluralidade de saliências localizada mais próxima da primeira extremidade é de pelo menos 2.5 vezes o segundo espaçamento centro a centro.

3. Tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma terceira pluralidade de saliências localizada entre a primeira e segunda extremidades e estendendo para o volume de fluido a partir do outro dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos, referida terceira pluralidade de saliências sendo alinhada com a primeira pluralidade de saliências ao longo da direção longitudinal e com um terceiro espaçamento centro a centro na direção longitudinal entre as saliências adjacentes da referida terceira pluralidade de saliências, pelo menos uma-da terceira pluralidade de saliências sendo localizada mais distante a partir da primeira extremidade do que qualquer uma da primeira pluralidade de saliências e mais perto da primeira extremidade do que qualquer uma da segunda pluralidade de saliências.

4. Tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira pluralidade de saliências é alinhada de tal modo que um primeiro plano estende-se através de um centroide de cada uma da primeira pluralidade de saliências, e em que a segunda pluralidade de saliências é alinhada de tal modo que um segundo plano estende-se através de um centroide de cada um da segunda pluralidade de saliências.

5. Tubo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o primeiro plano e o segundo plano são normais ao lado amplo e substancialmente plano.

6. Tubo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o primeiro plano e o segundo plano são co-planares.

7. Tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os dois lados amplos opostos e substancialmente planos são unidos por dois lados estreitos opostos, e em que a direção longitudinal é paralela aos dois lados estreitos opostos.

8. Tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o espaçamento centro a centro na direção longitudinal entre a uma da primeira pluralidade de saliências localizada mais afastada da primeira extremidade e a uma da segunda pluralidade de saliências localizada mais próxima da primeira extremidade é menor do que 6 vezes o primeiro espaçamento centro a centro.

9. Tubo para transmitir um fluido através de um trocador de calor, caracterizado pelo fato de que compreende: dois lados amplos opostos e substancialmente planos estendendo na direção longitudinal do tubo a partir de uma primeira extremidade do tubo para uma segunda extremidade do tubo para definir pelo menos parcialmente um volume de fluido entre as mesmas; uma primeira pluralidade de saliências disposta em pelo menos um dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos e estendendo para o volume de fluido, e repousando em um primeiro plano perpendicular para os dois lados amplos opostos e substancialmente planos que passam através de um centroide de cada uma da primeira pluralidade de saliências, o primeiro plano tendo um ângulo em relação à direção longitudinal de entre 15 ° e 75 °; uma segunda pluralidade de saliências disposta em pelo menos um dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos e repousando em um segundo plano paralelo ao primeiro plano, o segundo plano passando através de um centroide de cada uma da segunda pluralidade de saliências, e uma terceira pluralidade de saliências disposta em pelo menos um dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos e repousando em um terceiro plano paralelo ao primeiro plano, o terceiro plano passando através de um centroide de cada uma da terceira pluralidade de saliências; em que o tubo é ausente de saliências adicionais em pelo menos um dos dois lados amplos opostos e substancialmente planos entre o primeiro e segundo planos e entre o segundo e terceiro planos, e o espaçamento entre o segundo plano e terceiro plano é de pelo menos duas vezes o espaçamento entre o primeiro plano e o segundo plano.

10. Tubo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o ângulo entre o primeiro plano e a direção longitudinal é entre 30 graus e 60 graus.

11. Tubo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o espaçamento entre o segundo plano e o terceiro plano é de pelo menos 2.5 vezes o espaçamento entre o primeiro plano e o segundo plano.

12. Tubo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o espaçamento entre o segundo plano e o terceiro plano é inferior a 6 vezes o espaçamento entre o primeiro plano e o segundo plano.

13. Tubo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os dois lados amplos opostos e substancialmente planos são unidos por dois lados estreitos opostos, e em que a direção longitudinal é paralela aos dois lados estreitos opostos.

14. Tubo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o espaçamento entre o segundo plano e o terceiro plano é inferior a 6 vezes o espaçamento entre o primeiro plano e o segundo plano.

15. Método de transferência de calor entre um primeiro fluido e um segundo fluido, caracterizado pelo fato de que compreende: direcionar o primeiro -fiuido dentro de um tubo;—...- turbulência do primeiro fluido em uma primeira seção ondulada do tubo; desenvolver uma camada limite térmica do primeiro fluido em uma segunda seção não ondulada do tubo a jusante da primeira seção ondulada com respeito a um fluxo do primeiro fluido; turbulência do primeiro fluido em uma terceira seção ondulada do tubo a jusante da segunda seção não ondulada com respeito ao fluxo do primeiro fluido, e fluir o segundo fluido ao longo do exterior do tubo para transferência de calor entre o segundo fluido e o primeiro fluido na primeira e terceira seções onduladas do tubo e da terceira seção não ondulada do tubo.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, carac teri zado pelo fato de que o primeiro fluido é um arrefecedor de motor e o segundo fluido é o ar.