BR102012029873A2 - Tubo de trocador de calor, conjunto de tubo de trocador de calor e métodos de fabricação dos mesmos - Google Patents

Abstract

TUBO DE TROCADOR DE CALOR, CONJUNTO DE TUBO DE TROCADOR DE CALOR E METODOS DE FABRICAÇAO DOS MESMOS. Um tubo para uso em um con:unto de tubo para um trocador de calor inclui uma seção achatada com lados de tubo amplos e achatados opostos. Estruturas de aleta são ligadas aos lados de tubo amplos e achatados na seção achatada, e folhas laterais são ligadas às extremidades opostas das estruturas de aleta. A seção achatada do tubo está localizada entre as seções de extremidade cilíndricas adaptadas para serem inseridas em anéis de isolamento. A construção do conjunto de tubo provê uma estrutura rígida para sobreviver à inserção e à remoção de conjuntos de tubo para e a partir de um trocador de calor, por exemplo, um radiador para um equipamento de carga pesada.

Description

TUBO DE TROCADOR DE CALOR, CONJUNTO DE TUBO DE TROCADOR DE CALOR Ξ MÉTODOS DE FABRICAÇÃO DOS MESMOS

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção se refere, geralmente, a tubos, e a conjuntos de aleta e de tubo e para trocadores de calor, e a métodos para a fabricação dos mesmos.

ANTECEDENTES

Trocadores de calor de escala grande incorporando conjuntos de tubo substituíveis individualmente tendo um tubo para o transporte de um primeiro fluido e uma área superficial de transferência de calor secundária para um segundo fluido transferindo calor para ou a partir do primeiro fluido são bem conhecidos. Como um exemplo, os trocadores de calor deste tipo funcionando como radiadores de equipamento de carga pesada para a transferência de calor residual de um arrefecedor de motor para o ar foram descritos na Patente U.S. N° 3.391.732 de Murray, e na Patente U.S. N° 4.236.577 de Neudeck. Os conjuntos de tubo usados nestes trocadores de calor têm uma seção com aleta central para a troca de calor e seções de extremidade cilíndrica sem aleta para inserção em anéis isolantes de vedação.

Os conjuntos de tubo de trocador de calor do tipo descrito acima tipicamente são construídos em cobre, com as superficies de lado de ar estendidas na região com aleta sendo soldadas ao tubo. O cobre provê as vantagens de alta condutividade térmica, fácil capacidade de fabricação, e boa resistência e durabilidade. Contudo, o preço permanentemente crescente do cobre levou a uma demanda por materiais alternativos de custo mais baixo. O alumínio substituiu o cobre como o material preferido de construção em outros trocadores de calor (radiadores para automóveis e comerciais, por exemplo), mas não substituiu de forma bem sucedida o cobre em trocadores de calor de carga pesada deste tipo. O alumínio tem resistência substancialmente menor do que o cobre, levando a questões de durabilidade. Isto é especialmente problemático em aplicações em que os conjuntos de tubo individuais precisam ser removidos e inseridos no campo, já que danos podem ocorrer durante esse manuseio. Mais ainda, a ligação de componentes de alumínio requer temperaturas substancialmente mais altas do que a soldagem de cobre, levando a dificuldades de fabricação. Assim, ainda há espaço para melhoramento.

SUMÁRIO

De acordo com uma modalidade da invenção, um conjunto de tubo para um trocador de calor inclui um tubo que tem uma seção achatada com lados de tubo amplos espaçados unidos por lados de tubo estreitos opostos. O conjunto de tubo ainda inclui duas estruturas de aleta, cada uma tendo cristas onduladas e cavados conectados por flancos, e duas folhas laterais geralmente planas. Os cavados de onda de uma estrutura de aleta são unidos a um dos lados de tubo amplo, e as cristas de onda daquela estrutura de aleta são unidas a uma face de uma folha lateral. Os cavados de onda da outra estrutura de aleta são unidos ao outro lado de tubo amplo, e as cristas de onda daquela estrutura de aleta são unidas a uma face da outra folha lateral.

Em algumas modalidades, o tubo inclui seções cilíndricas nas extremidades no sentido do comprimento do tubo, com a seção achatada disposta entre as seções cilíndricas. Em algumas modalidades, o tubo, as estruturas de aleta e as folhas laterais são unidos por juntas de brasagem, e, em algumas modalidades, eles são formados em uma ou mais ligas de alumínio. De acordo com algumas modalidades, a espessura dos lados de tubo amplos é de pelo menos duas vezes a espessura das folhas laterais.

De acordo com uma outra modalidade a invenção, um conjunto de tubo para um trocador de calor inclui um conduto de fluxo de fluido que se estende em uma direção no sentido do comprimento por pelo menos uma porção do conjunto de tubo. O conduto de fluxo de fluido tem uma dimensão maior e uma dimensão menor, ambas perpendiculares à direção no sentido do comprimento, a dimensão menor sendo substancialmente menor do que a dimensão maior. Uma parede de tubo contínua circunda o conduto de fluxo. Duas folhas laterais geralmente planas são espaçadas de forma equidistante da parede de tubo contínua na direção da dimensão menor, e são conectadas à parede de tubo por almas finas.

Em algumas dessas modalidades, a parede de tubo contínua define um momento de inércia de centroide de parede de tubo com respeito a um eixo geométrico na direção de dimensão maior. Em algumas modalidades, o momento de inércia de centroide do conjunto de tubo com respeito àquele eixo geométrico é de pelo menos cinco vezes o momento de inércia de centroide de parede de tubo, e, em algumas modalidades, de pelo menos dez vezes.

Em algumas modalidades, uma primeira seção de tubo cilíndrica é unida à parede de tubo contínua em uma primeira extremidade do conduto de fluxo, e uma segunda seção de tubo cilíndrica é unida à parede de tubo continua em uma segunda extremidade do conduto de fluxo. Em algumas dessas modalidades, o perímetro externo definido pela parede de tubo contínua é maior do que o perímetro externo de pelo menos uma das seções de tubo cilíndricas.

De acordo com uma outra modalidade da invenção, um método de fabricação de um conjunto de tubo de troca de calor inclui a provisão de um tubo, de primeira e segunda estruturas de aleta corrugada e de primeira e segunda folhas laterais geralmente planas. A primeira estrutura de aleta corrugada é disposta entre a primeira folha lateral e o primeiro lado amplo e achatado do tubo, e a segunda estrutura de aleta corrugada é disposta entre a segunda folha lateral e um segundo lado amplo e achatado do tubo. Uma força de compressão é aplicada a lados opostos das folhas laterais para a substituição de cristas e cavados das estruturas de aleta em contato com as folhas laterais e os lados amplos e achatados, e juntas de brasagem são criadas entre a primeira estrutura de aleta e a primeira folha lateral, a primeira estrutura de aleta e o primeiro lado amplo e achatado, a segunda estrutura de aleta e a segunda folha lateral, e a segunda estrutura de aleta e o segundo lado amplo e achatado.

Em algumas dessas modalidades, o tubo, as estruturas de aleta e as folhas laterais têm a temperatura elevada em um ambiente de vácuo, para a criação de juntas de brasagem. Em outros ambientes, eles têm a temperatura elevada em um ambiente de gás inerte controlado. Em algumas modalidades, a provisão de um tubo, estruturas de aleta e folhas laterais inclui a provisão de um material revestido com um metal de preenchimento de brasagem.

Em algumas modalidades, a força de compressão é transmitida através de uma primeira folha separadora adjacente à primeira folha lateral, e através de uma segunda folha separadora adjacente à segunda folha lateral. Em algumas dessas modalidades, as folhas separadoras têm um coeficiente de expansão térmica que é geralmente combinado com aquele do tubo, das folhas laterais e das estruturas de aleta. Em algumas modalidades, a primeira folha lateral é uma de várias folhas separadoras adjacentes à primeira folha lateral.

De acordo com uma outra modalidade da invenção, um método de fabricação de conjuntos de tubo de troca de calor inclui a provisão de vários tubos, várias estruturas de aleta corrugada e várias folhas laterais geralmente planas. Cada um dos tubos é disposto entre pares de estruturas de aleta corrugada, e cada uma das estruturas de aleta corrugada é disposta entre um dos tubos e uma das folhas laterais. Os tubos, as estruturas de aleta corrugada e as folhas laterais são dispostos em uma pilha. As folhas separadoras são dispostas entre pares adjacentes das folhas laterais, e adjacente às folhas laterais nas extremidades mais externas da pilha. Uma carga de compressão é aplicada à pilha na direção de empilhamento. Juntas brasadas são criadas nos pontos de contato entre as estruturas de aleta corrugada e os tubos, e entre as estruturas de aleta corrugada e as folhas laterais, e os conjuntos de tubo brasados são removidos das folhas separadoras.

Em algumas dessas modalidades, os tubos, as estruturas de aleta e as folhas laterais têm a temperatura elevada em um ambiente de vácuo para a criação de juntas brasadas. Em outros ambientes, eles têm a temperatura elevada em um ambiente de gás inerte controlado. Em algumas modalidades, a provisão dos tubos, das estruturas de aleta e das folhas laterais inclui a provisão de um material revestido com um metal de preenchimento de brasagem.

De acordo com uma outra modalidade da invenção, um tubo para um trocador de calor inclui uma primeira seção cilíndrica se estendendo a partir de uma primeira extremidade do tubo, uma segunda seção cilíndrica se estendendo a partir de uma segunda extremidade do tubo, e uma seção achatada localizada entre as extremidades e tendo dois lados paralelos amplos e achatados espaçados unidos por dois lados relativamente curtos. As regiões de transição estão localizadas entre cada uma das seções cilíndricas e a seção achatada. As interseções das regiões de transição e cada um dos lados amplos e achatados do tubo definem percursos curvilíneos.

Em algumas dessas modalidades, os dois lados relativamente curtos são de perfil arqueado. Em algumas modalidades, cada um dos percursos curvilíneos inclui um vértice localizado em um plano central do tubo, e, em algumas dessas modalidades, um segmento de percurso arqueado está localizado no vértice.

Em algumas modalidades, a região de transição adjacente a uma das seções cilíndricas se estende por um comprimento que é pelo menos igual ao diâmetro daquela seção. Em algumas modalidades, o perímetro externo da seção achatada do tubo é maior do que o perímetro externo de pelo menos uma das seções cilíndricas, e, em algumas modalidades, é pelo menos vinte e cinco por cento maior.

Em algumas modalidades, a seção de tubo achatado define uma dimensão maior de tubo entre pontos mais externos dos dois lados relativamente curtos, e os percursos curvilíneos são, cada um, mais longos do que a dimensão maior de tubo. Em algumas modalidades, o tubo é feito a partir de uma liga de alumínio.

De acordo com uma outra modalidade da invenção, um tubo de troca de calor é formado a partir de um tubo redondo pela redução de um diâmetro do tubo redondo em uma primeira seção do tubo redondo, e achatando-se uma segunda seção adjacente à primeira seção para a definição de dois lados amplos e achatados espaçados na segunda seção. Em algumas modalidades, a primeira seção termina em uma extremidade do tubo. Em algumas modalidades, a segunda seção é achatada após a redução do diâmetro da primeira seção.

Em modalidades, o diâmetro da primeira seção é reduzido por uma operação de forjamento rotativo. Em algumas modalidades, a segunda seção é achatada pelo impacto daquela seção em uma matriz de estampagem. Em algumas modalidades, o tubo é feito a partir de uma liga de alumínio.

Em algumas modalidades, um mandril é inserido no tubo, antes do achatamento da segunda seção, e é removido do tubo após o achatamento da segunda seção.

Em algumas modalidades, o diâmetro de uma terceira seção do tubo redondo é reduzido, a terceira seção sendo adjacente à segunda seção. Em algumas dessas modalidades, a terceira seção termina em uma segunda extremidade do tubo. Em algumas modalidades, a segunda seção é achatada após a redução do diâmetro da terceira seção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A figura 1 é uma vista em perspectiva de um conjunto de tubo de troca de calor de acordo com uma modalidade da invenção. A figura 2 é uma vista em elevação do conjunto de tubo de troca de calor da figura 1. A figura 3 é uma vista detalhada da porção da figura 2 delimitada pela linha III-III. A figura 4 é uma vista plana do conjunto de tubo de troca de calor da figura 1. A figura 5 é uma vista em perspectiva explodida do conjunto de tubo de troca de calor da figura 1. A figura 6 é uma vista em elevação de uma pilha de conjuntos de tubo de troca de calor sendo feita de acordo com uma modalidade da invenção. A figura 7 é uma vista plana de certos componentes da pilha da figura 6. A figura 8 é uma vista em perspectiva de um tubo de troca de calor de acordo com uma modalidade da invenção. A figura 9 é uma vista em perspectiva parcial de um tubo de troca de calor da técnica anterior. A figura 10 é uma vista em corte parcial ao longo das linhas X-X da figura 8. A figura 11 é uma vista em corte ao longo das linhas XI-XI da figura 8. A figura 12 é uma vista em perspectiva parcial do tubo parcialmente formado da figura 8.

As figuras 13A e B são vistas diagramáticas de uma operação de formação para a produção do tubo da figura 8.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Antes de quaisquer modalidades da invenção serem explicadas em detalhes, é para ser entendido que a invenção não está limitada em sua aplicação aos detalhes de construção e ao arranjo de componentes estabelecidos na descrição a seguir ou ilustrados nos desenhos a seguir. A invenção é capaz de outras modalidades e de ser praticada ou de ser realizada de várias formas. Também, é para ser entendido que a fraseologia e a terminologia usadas aqui são para fins de descrição, e não devem ser consideradas como limitantes. 0 uso de "incluindo", "compreendendo" ou "tendo" e variações dos mesmos aqui tem por significado englobar os itens listados aqui adiante e equivalentes dos mesmos, bem como itens adicionais. A menos que especificado ou limitado de outra forma, os termos "montado", "conectado", "suportado" e "acoplado" e variações dos mesmos são usados amplamente e envolvem montagens diretas e indiretas, conexões, suportes e acoplamentos. Ainda, "conectado" e "acoplado" não estão restritos a conexões ou acoplamentos físicos ou mecânicos.

Um conjunto de tubo de troca de calor 1 de acordo com uma modalidade da invenção é mostrado nas figuras 1 a 5. Um conjunto de tubo 1 como esse pode ser usado como um de muitos tubos individuais de um trocador de calor, por exemplo, um radiador, em um equipamento de carga pesada grande, tal como uma escavadeira, um caminhão de mineração, um conjunto de gerador e motor, etc. Deve ser entendido, contudo, que o conjunto de tubo 1 pode ser usado em trocadores de calor de vários tipos e tamanhos. O conjunto de tubo 1 inclui um tubo 2 que se estende a partir de uma primeira extremidade 7 até uma segunda extremidade 8. O tubo 2 define um conduto de fluxo de fluido por meio do que um fluido (a titulo de exemplo, um arrefecedor de motor) pode ser transportado através do conjunto de tubo 1. Como um exemplo, o conjunto de tubo 1 pode ser usado em um radiador de arrefecedor de motor, de modo a rejeitar o calor residual de um fluxo de arrefecedor de motor, conforme aquele fluxo de arrefecedor de motor fluir através do tubo 2 a partir de uma das extremidades 7, 8 para as outras extremidades 7, 8. 0 tubo 2 inclui uma seção achatada 3 localizada entre as extremidades 7, 8. A seção achatada 3 (mais bem descrita com referência à figura 11) inclui primeiro e segundo lados amplos e achatados paralelos 12. Os lados amplos e achatados 12 são espaçados uns dos outros, e são unidos por dois lados de tubo estreitos espaçados opostos 15. Embora os lados de tubo estreitos 15 sejam mostrados como sendo de perfil arqueado na modalidade de exemplo, em outras modalidades, os lados de tubo estreitos 15 podem ser retos, ou eles podem ser de algum outro formato de perfil. Os dois lados amplos e achatados 12 e os dois lados estreitos 15 em conjunto definem uma parede de tubo continua 25 do conduto de fluxo de fluido, com espaços abertos definidos interiores à parede de tubo continua 25, de modo a se permitir o fluxo de fluido através do tubo 2. Embora nenhum seja mostrado na modalidade de exemplo, pode ser preferível, em alguns casos, prover um melhoramento de superfície ou recursos de turbilhonamento de fluxo no conduto de fluxo, de modo a melhorar a taxa de transferência de calor entre um fluido que passa através do tubo 2 e a parede de tubo 25.

Continuando com referência à figura 11, a seção achatada 3 do tubo 2 tem uma dimensão menor de tubo, dl, definida como a distância entre as superficies voltadas para fora dos dois lados amplos e achatados 12, e uma dimensão maior de tubo, d2, definida como a distância entre os pontos mais externos dos dois lados estreitos 15. Em algumas modalidades altamente preferíveis, a dimensão maior, d2, é várias vezes maior do que a dimensão menor, dl. Como um exemplo, a dimensão maior da modalidade de exemplo é nove vezes maior do que a dimensão menor. O conjunto de tubo 1 ainda inclui duas estruturas de aleta convolutas 10 dispostas ao longo da seção achatada 3. As estruturas de aleta 10 incluem múltiplos flancos 16 conectados de forma alternada por cristas 18 e cavados 17, de modo que cada uma das estruturas de aleta 10 seja de formato aproximadamente senoidal (mais bem visto na figura 3) . As estruturas de aleta 10 podem ser de um tipo plano, conforme mostrado na figura 3, ou elas podem incluir recursos adicionais para aumento da transferência de calor, resistência estrutura, durabilidade, ou combinações dos itens acima. A título de exemplo, em algumas modalidades, as estruturas de aleta 10 podem incluir venezianas, saliências, fendas, arpões ou outros recursos que sejam conhecidos para melhoria da transferência de calor e/ou da rigidez estrutural dos flancos 16. Em outras modalidades, uma bainha de borda pode ser provida em uma ou ambas as extremidades de uma estrutura de aleta 10 adjacente aos lados de tubo estreitos 15. Uma bainha de borda como essa pode ser especialmente benéfica na provisão de resistência a danos que podem ser causados pela impingidela de rochas ou outros resíduos.

Folhas laterais finas 11 também podem ser incluídas no conjunto de tubo 1. Estas folhas laterais 11 são paralelas aos lados amplos e achatados opostos 12 do tubo 2 e são espaçadas de forma equidistante de qualquer lado pelas estruturas de aleta 10. Assim sendo, os flancos 16, as cristas 18 e os cavados 17 das estruturas de aleta 10 proveem uma pluralidade de almas finas para espaçamento das folhas laterais 11 da parede de tubo contínua 25. As folhas laterais 11 são geralmente planas, mas podem incluir recursos, tais como, por exemplo, bordas flexionadas, de modo a se prover uma rigidez aumentada e/ou para ajudar na montagem.

Os espaços entre os flancos 16 proveem canais de fluxo para um fluido a ser colocado em uma relação de transferência de calor com o fluido passando através do tubo 2, de modo que o calor possa ser trocado entre os dois fluidos. Como um exemplo, o ar ambiente pode ser dirigido através dos canais de fluxo, de modo a se resfriar o arrefecedor de camisa do motor passando através do tubo 2. Deve ser entendido, contudo, que vários outros fluidos podem ser colocados em uma relação de transferência de calor usando o conjunto de tubo 1. Cada um dos canais de fluxo entre os flancos 16 é adicionalmente definido por um dos cavados 17 e das cristas 18, e por um dos lados achatados 12 do tubo 2 e as folhas laterais geralmente planas 11. Ao se delimitar completamente os canais de fluxo desta maneira, o fluido passando através daqueles canais é impedido de sair prematuramente dos canais, assim melhorando a capacidade de transferir calor. O tubo 2, as estruturas de aleta 10 e as folhas laterais 11 preferencialmente são ligados em conjunto para a formação de uma estrutura monolítica, de modo a se prover bom contato térmico entre os fluidos a serem colocados em uma relação de transferência de calor e boa integridade estrutural. Embora uma variedade de materiais possa ser usada para a construção do conjunto de tubo 1, em modalidades altamente preferíveis, o tubo 2, as estruturas de aleta 10 e as folhas laterais 11 são formados a partir de metais tendo uma alta condutividade térmica, tais como alumínio, cobre e similares. Os componentes podem ser ligados em conjunto para a formação do conjunto de tubo 1 por uma variedade de processos, incluindo brasagem, soldagem, colagem, etc.

De modo a promover uma boa transferência de calor entre os fluidos, pode ser vantajoso que as estruturas de aleta 10 e as folhas laterais 11 se estendam pela dimensão maior completa d2 da seção achatada 3. Em alguns casos, pode ser preferível estender as estruturas de aleta 10 e as folhas laterais 11 ligeiramente além das bordas externas dos lados de tubo estreitos 15, de modo a proteger o conduto de fluxo de fluido de danos pela impingidela de rochas ou outros resíduos. A inclusão de folhas laterais mesmo muito finas 11 mostrou enrijecer grandemente o conjunto de tubo 1, especialmente com respeito à flexão em torno do eixo geométrico de centroide na dimensão maior de tubo d2. As estruturas de aleta 10 proveem muito pouca rigidez nesta direção, devido a sua natureza convoluta, de modo que, na ausência das folhas laterais 11, a parede de tubo continua 25 provê apenas a resistência à flexão em torno daquele eixo geométrico de centroide. Devido à dimensão menor relativamente menor dl daquela seção de tubo achatado 3, à resistência à flexão em torno daquele eixo geométrico de centroide pela parede de tubo continua 25 apenas é razoavelmente pequena, e o espaçamento das folhas laterais 11 daquele eixo geométrico de centroide por uma distância substancialmente maior do que a dimensão menor dl provê um beneficio substancial. O impacto das folhas laterais 11 sobre a rigidez à flexão do conjunto de tubo 1 em torno do eixo geométrico de centroide na dimensão maior de tubo d2 pode ser quantificado pela comparação do momento de inércia de centroide em torno daquele eixo geométrico do conjunto de tubo 1 com aquele do tubo 2 sozinho (as estruturas de aleta 10 podem ser assumidas como não provendo uma contribuição para o momento de inércia de centroide além de pela manutenção do deslocamento das folhas laterais 11 dos lados achatados 12 do tubo 2) . Para uma modalidade de exemplo tendo uma espessura de parede de tubo de 0,8 mm, uma espessura de folha lateral de 0,25 mm, uma altura de estrutura de aleta de 6,55 mm, uma dimensão menor de 3,7 mm e uma dimensão maior de 23,27 mm, os momentos de inércia de centroide em torno do eixo geométrico de dimensão maior de tubo para o conjunto de tubo e o tubo sozinho são calculados como sendo de 925 mm4 e 76 mm4, respectivamente. Em outras palavras, o momento de inércia de centroide do conjunto de tubo em torno do eixo geométrico de dimensão maior de tubo é igual a aproximadamente doze vezes aquele do tubo em si. Em modalidades preferíveis, o momento de inércia de centroide do conjunto de tubo em torno do eixo geométrico de dimensão maior de tubo é igual a pelo menos cinco vezes aquela do tubo em si, e, em modalidades altamente preferíveis, pelo menos dez vezes. Isto é especialmente preferível quando o tubo 2 é construído de um material exibindo um módulo relativamente baixo de elasticidade, por exemplo, ligas de alumínio. O tubo 2 da modalidade de exemplo ainda inclui uma primeira seção cilíndrica 4 adjacente à primeira extremidade 7, e uma segunda seção cilíndrica 5 adjacente à segunda extremidade 8, com a seção achatada 3 disposta entre as primeira e segunda seções cilíndricas. Estas seções cilíndricas 4, 5 permitem uma inserção confiável e livre de vazamento do conjunto de tubo 1 em anéis de isolamento dispostos em coletores opostos de um trocador de calor (não mostrado) . De modo a maximizar a quantidade do tubo disponível para uma transferência de calor efetiva, o comprimento das seções de extremidade cilíndricas preferencialmente é mantido em um mínimo, e o comprimento da seção achatada 3 preferencialmente é de 90% ou mais do comprimento geral do tubo 2. Um friso circunferencial 9 é provido na seção cilíndrica 5 da modalidade de exemplo, de modo a limitar o movimento para baixo do conjunto de tubo 1, quando verticalmente disposto em um trocador de calor.

Embora as modalidades de exemplo mostradas nas figuras associadas incluam as seções de extremidade cilíndricas em ambas as extremidades do tubo, deve ser entendido que, em alguns casos, o conjunto de tubo 1 pode ser desprovido de uma ou ambas as seções de extremidade cilíndricas 4, 5. Quando essas seções de extremidade cilíndricas não são incluídas, os anéis de isolamento de recebimento correspondentes podem ser providos com aberturas de recebimento que corresponderíam ao perfil da parede de tubo contínua 25 na seção achatada 3.

Em certas modalidades preferíveis da invenção, um conjunto de tubo de troca de calor 1 é feito pela criação de juntas de brasagem entre um tubo de alumínio 2, primeira e segunda estruturas de aleta corrugada 10, e primeira e segunda folhas laterais de alumínio 11. A primeira estrutura de aleta corrugada 10 é disposta entre a primeira folha lateral 11 e um primeiro lado amplo e achatado 12 do tubo 2, enquanto a segunda estrutura de aleta corrugada 10 é disposta entre a segunda folha lateral 11 e um segundo lado amplo e achatado 12 do tubo 2. 0 conjunto é comprimido, de modo a se colocarem as cristas 18 e os cavados 17 das estruturas de aleta 10 em contato com partes adjacentes, de modo que as juntas de brasagem possam ser formadas nos pontos de contato.

Um metal de preenchimento de brasagem tendo uma temperatura de fusão que é menor do que as temperaturas de fusão do tubo 2, das estruturas de aleta 10 e das folhas laterais 11 é usado para a criação das juntas de brasagem. Um metal de preenchimento como esse tipicamente é alumínio com quantidades pequenas de outros elementos (silício, cobre, magnésio e zinco, por exemplo) adicionados para a redução da temperatura de fusão. O metal de preenchimento de brasagem vantajosamente pode ser provido como um revestimento em um ou mais dos componentes a serem brasados. Em algumas modalidades, ambos os lados do material em folha usado para a formação das estruturas de aleta corrugada 10 são revestidos com o metal de preenchimento de brasagem, desse modo provendo o metal de preenchimento de brasagem requerido em todos os pontos de contato em que as juntas de brasagem são desejadas, enquanto se evita ter o metal de preenchimento de brasagem em localizações em que as juntas não são necessárias ou são indesejáveis.

Embora muitos métodos possam ser usados para a elevação da temperatura do tubo 2, das estruturas de aleta 10 e das folhas laterais 11, de modo a se fundir o metal de preenchimento de brasagem e formar as juntas de brasagem, dois métodos especialmente preferíveis são brasagem a vácuo e brasagem com atmosfera controlada. Na brasagem a vácuo, as partes montadas são colocadas em um forno selado e substancialmente todo o ar é removido, de modo a se criar um ambiente com vácuo. Neste processo, o magnésio presente nas ligas é liberado, conforme as partes são aquecidas, e serve para romper a camada de óxido presente nas superfícies externas dos componentes, permitindo que o metal de preenchimento de brasagem fundido se ligue ao alumínio exposto. A camada de óxido é impedida de se formar de novo e interferir com a ligação metalúrgica pela ausência de oxigênio no ambiente de vácuo.

Em uma brasagem de atmosfera controlada, um fluxo é aplicado aos componentes, antes do aquecimento. O aquecimento das partes ocorre em um ambiente de gás inerte, de modo a evitar a reformação da camada de óxido após o fluxo reagir e deslocar a camada de óxido presente nas superficies de combinação das partes. Com a camada de óxido deslocada, o metal de preenchimento de brasagem fundido se liga ao alumínio exposto, de modo a criar as juntas brasadas.

Pode ser especialmente preferível brasar vários dos conjuntos de tubo 1 de uma vez, de modo a aumentar a taxa de produção em um ambiente de fabricação de produção. A figura 6 ilustra um método de acordo com uma modalidade da invenção, em que quatro conjuntos de tubo 1 são feitos simultaneamente. Deve ser entendido que o mesmo método pode ser usado para a fabricação de mais de quatro ou menos de quatro dos conjuntos de tubo de uma vez.

Na modalidade da figura 6, os tubos 2, as estruturas de aleta corrugada 10 e as folhas laterais geralmente planas 11 são providos. Cada um dos tubos 2 é disposto entre pares das estruturas de aleta corrugada 10, e cada uma das estruturas de aleta corrugada 10 é disposta entre um dos tubos 2 e uma das folhas laterais geralmente planas 11. As folhas separadoras 19 são dispostas entre pares adjacentes das folhas laterais geralmente planas 11. Os tubos 2, as estruturas de aleta corrugada 10 e as folhas laterais geralmente planas 11 são dispostos em uma pilha 26. As folhas separadoras adicionais 19 são dispostas adjacentes às folhas laterais geralmente planas 11 nas extremidades mais externas da pilha 26, e uma carga de compressão é aplicada à pilha 26 na direção de empilhamento, de modo a se colocarem as cristas 18 e as cavados 17 das estruturas de aleta convolutas em contato com as folhas laterais adjacentes 11 e os lados amplos e achatados 12 dos tubos 2.

De modo a prover uma carga compressiva uniforme à pilha 26, barras 21 tendo uma rigidez alta (por exemplo, canais de aço estrutural) podem ser usadas nas extremidades mais externas da pilha 26. A carga compressiva pode ser mantida após ter sido aplicada à pilha através do uso de bandas de metal 22 que circundam a pilha 26 em várias localizações. As bandas 22 são apertadas sobre as barras 21, enquanto a pilha 26 é comprimida, de modo que atração nas bandas 22 mantenha a carga compressiva. Após ter sido montada assim, a pilha 26 é colocada em um forno de brasagem, de modo a se criarem os conjuntos de tubo individuais 1. A pilha 26 é aquecida no interior do forno para uma temperatura adequada para a fusão do metal de preenchimento de brasagem, após o que a pilha 26 é resfriada de modo a se solidificar de novo o metal de preenchimento de brasagem fundido, desse modo se cirando juntas brasadas nos pontos de contato. Após o resfriamento, os conjuntos de tubo individuais 1, tendo sido brasados em estruturas monolíticas individuais, podem ser removidos das folhas separadoras 19. As folhas separadoras 19 podem ser providas com um revestimento, para se evitar qualquer ligação metalúrgica entre as folhas separadoras 19 e as folhas laterais 11, já que uma ligação indesejável como essa de outra forma pode ocorrer na temperatura de brasagem, mesmo sem a presença de um metal de preenchimento de brasagem.

Conforme a pilha 26 é aquecida para uma temperatura de brasagem, a expansão térmica dos materiais de metal na pilha 26 ocorrerá. Na brasagem de alumínio, os componentes tipicamente são aquecidos para uma temperatura de brasagem de 550 °C a 650 °C. Esta faixa de temperatura é substancialmente mais alta do que aquela usada para a soldagem de componentes de cobre, e, consequentemente, a expansão térmica experimentada pelos componentes dos conjuntos de tubo 1 durante o processo de ligação é substancialmente maior se os componentes forem de alumínio do que se eles forem de cobre.

Os inventores descobriram que se deve ter cuidado durante o processo de brasagem para garantir que as estruturas de aleta corrugada 10 não sejam distorcidas pelo aquecimento para uma temperatura de brasagem e resfriando de volta para a temperatura ambiente. Diferentemente de uma fabricação de radiador de alumínio brasado tradicional, envolvendo múltiplas fileiras de tubos e estruturas de aleta unidos em conjunto em um núcleo brasado monolítico, os flancos 16 das estruturas de aleta corrugada 10 são propensos a uma distorção por forças de cisalhamento introduzidas através de diferenças de expansão térmica entre os componentes dos conjuntos de tubo 1 e as folhas separadoras 19. Em algumas modalidades da invenção, este problema é remediado pela combinação geralmente do coeficiente de expansão térmica das folhas separadoras 19 combinando com aquele dos tubos 2, das estruturas de aleta corrugada 10 e das folhas laterais 11. Isto pode ser obtido pela formação das folhas separadoras 19 a partir de ligas de alumínio similares, ou a partir de um outro material exibindo uma taxa similar de expansão térmica.

De forma alternativa ou adicional, múltiplas folhas separadoras individuais 19 podem ser usadas entre cada conjunto de tubo adjacente 1, conforme mostrado na figura 7. Os espaços 20 são providos entre folhas separadoras individuais adjacentes 19. No caso em que as folhas separadoras 19 são construídas de um material tendo um coeficiente de expansão térmica substancialmente diferente daquele dos materiais a partir dos quais os tubos 2, as estruturas de aleta corrugada 10 e as folhas laterais 11 são construídas, os espaços 20 podem aumentar ou diminuir durante o aquecimento e o resfriamento da pilha 26, desse modo substancialmente aliviando a distorção das estruturas de aleta corrugada 10 que, de outra forma, poderíam resultar da não combinação dos coeficientes de expansão térmica. Os espaços 20 servem como rupturas para se evitar a acumulação da distorção induzida por expansão térmica, de modo que qualquer distorção como essa seja limitada às áreas de contato discretas abaixo de cada uma das folhas separadoras individuais 19. O método de montagem descrito na figura 7 pode ser especialmente benéfico quando um material mais resistente à temperatura, tal como aço inoxidável, é usado para as folhas separadoras 19, e os componentes dos conjuntos de tubo 1 são feitos de alumínio. 0 tubo 2 será discutido agora em maiores detalhes, com referência específica às figuras 8 a 13. Conforme descrito previamente, a modalidade do tubo 2 mostrada na figura 8 inclui uma seção de tubo achatado 3 localizada entre uma primeira seção de tubo cilíndrica 4 e uma segunda seção de tubo cilíndrica 5. A primeira seção de tubo cilíndrica 4 se estende a partir da primeira extremidade 7 do tubo 2, enquanto a segunda seção de tubo cilíndrica 5 se estende a partir da segunda extremidade 8 do tubo 2. As regiões de transição 6 estão localizadas entre a seção achatada 3 e cada uma das seções cilíndricas 4 e 5. As regiões de transição 6 proveem um percurso de fluxo continuo suave para um fluido passando através do tubo 2, bem como evitando localizações de concentração de tensão mecânica no material de tubo.

Conforme mostrado em detalhes na vista em corte parcial da figura 10, uma região de transição 6 se estende por um comprimento L, que cobre de uma localização 27 proximal à extremidade 7 do tubo 2 até uma localização 14 distai da extremidade 7. O comprimento L preferencialmente é pelo menos igual ao diâmetro da seção de extremidade cilíndrica 4, embora em algumas modalidades alternativas possa ser menor no tamanho do que o diâmetro da seção de extremidade correspondente. Conforme visto na figura 8, o lado amplo e achatado 12 se estende diante das localizações 14 em qualquer extremidade, de modo que pelo menos uma porção do lado amplo e achatado 12 esteja localizada ao longo do tubo 2 entre as localizações 27 e 14 que definem o começo e o fim de uma região de transição 6.

Em modalidades preferíveis, as interseções das regiões de transição 6 e dos lados amplos e achatados 12 da seção de tubo achatado 3 definem percursos curvilíneos 13. Estes percursos curvilíneos 13 proveem um enrijecimento benéfico da seção achatada 3 do tubo 2 com respeito a um momento à flexão em torno do eixo geométrico de dimensão maior de tubo. Para fins de comparação, um tubo da técnica anterior 102 é mostrado na figura 9, e inclui uma seção achatada 103 unida a uma seção cilíndrica 104 por meio de uma região de transição 106. A interseção da região de transição 106 e da seção achatada 103 define um percurso reto 113 no lado amplo e achatado 112 da seção achatada 103. O percurso reto 113 se estende na dimensão maior de tubo, e uma flexão em torno do eixo geométrico de dimensão maior é razoavelmente fácil. Isto pode ser especialmente prejudicial durante a instalação e/ou a remoção de um conjunto de tubo contendo o tubo 102 de um trocador de calor, já que essa instalação e essa remoção frequentemente aplicam momentos à flexão deste tipo ao tubo. Este problema é especialmente exacerbado quando o tubo é construído de um material de resistência razoavelmente baixa, tal como alumínio recozido.

Os inventores descobriram que o percurso curvilineo 13 provê um efeito substancial de enrijecimento para resistência a um momento à flexão do tipo mencionado, e evita uma flambagem ou outro dano ao tubo 2 durante a instalação, a remoção e qualquer outro manuseio do tubo 2 ou de um conjunto de tubo 1 contendo um tubo 2. Embora um benefício possa ser derivado de qualquer percurso não linear, pode ser especialmente benéfico que o percurso 13 seja definido por uma série de segmentos de percurso arqueado conectados.

Na modalidade de exemplo, cada um dos percursos curvilíneos 13 inclui um vértice localizado no plano central aproximado do tubo, de modo que o vértice esteja localizado no ponto 14 ao longo do percurso 13 que é mais distante da extremidade 7 (no caso de a região de transição entre a seção achatada 3 e a primeira extremidade cilíndrica 4) ou a extremidade 8 (no caso da região de transição entre a seção achatada 3 e a segunda extremidade cilíndrica 5) . O percurso 13 preferencialmente inclui um segmento de percurso arqueado no vértice, de modo que concentrações de tensões sejam evitadas no vértice.

Em algumas modalidades preferíveis, o perímetro externo (isto é, a circunferência) de pelo menos uma das duas seções cilíndricas 4, 5 é menor do que o perímetro externo da parede de tubo contínua 25 na seção achatada 3. Isto vantajosamente permite uma área superficial de transferência de calor relativamente grande por comprimento unitário na seção achatada 3, sem requerer um diâmetro correspondentemente grande em uma ou ambas as extremidades 7, 8. Um diâmetro menor nas extremidades pode ser preferível, já que pode permitir um espaçamento mais próximo de conjuntos de tubo adjacentes e requer menos superfície de vedação nas extremidades, por exemplo. Em algumas modalidades preferíveis, o perímetro externo da seção achatada 3 excede ao perímetro externo de pelo menos uma das duas seções de extremidade cilíndricas em pelo menos 25%.

Os trocadores de calor incluindo tubos portando fluido tendo um perfil achatado pela totalidade de seu comprimento são bem conhecidos na técnica, tendo sido usados por décadas como radiadores e similares. Os tubos achatados deste tipo usualmente são construídos de uma de duas formas. Eles são extrudados e/ou estirados no formato achatado a partir de um tarugo de material e cortados em comprimentos discretos, ou eles são criados em uma laminação de tubo a partir de uma folha em bobina pela formação da forma de folha em um formato redondo, por soldagem de costura, achatamento com rolo para o formato de tubo achatado e corte em comprimentos discretos de tubo.

No caso de tubos, tal como o tubo da técnica anterior 102 (figura 9) tendo uma seção achatada 103 e uma seção de extremidade cilíndrica 104, as extremidades do tubo achatado são formadas em um formato cilíndrico para a formação da seção de extremidade cilíndrica 104, e da região de transição 106. Esta operação pode ser realizada de forma rápida e fácil, quando o tubo for construído a partir de um material altamente maleável, tal como cobre, e apenas requer que as extremidades extremas do tubo 2 sejam formadas. Contudo, este método não é capaz de obter uma seção de transição 6 conforme descrito previamente.

As regiões de transição 6 podem ser formadas pela formação inicial do tubo 2 em uma forma redonda tendo um diâmetro externo igual ao perímetro externo desejado de parede de tubo contínua 25 na seção achatada 3. Em seguida, com referência específica à figura 12, as extremidades do tubo redondo 2 são reduzidas no diâmetro para a formação das extremidades cilíndricas 4 e 5, bem como uma região de transição afunilada 6' entre as extremidades 4, 5 e a seção central 3', o que retém o formato arredondado original. Esta redução no diâmetro pode ser realizada, por exemplo, pelo forjamento rotativo das extremidades de tubo. Em algumas modalidades preferíveis, as extremidades são de diâmetro reduzido em pelo menos 20%, de modo a se obter a relação desejada de perímetros externos entre a seção achatada 3 e as seções de extremidade cilíndricas 4, 5.

Conforme descrito nas figuras 13A e 13B, o perfil da seção achatada 3 do tubo 2 pode ser definido pela formação daquela porção 3' do tubo 2 entre uma primeira metade de matriz de formação 22 e uma segunda metade de matriz de formação 23. O tubo 2 é inserido entre as metades de matriz 22, 23, quando a matriz estiver em uma posição aberta, isto é, quando duas metades de matriz forem separadas uma da outra, como na figura 13A. Com o tubo 2 assim localizado, a matriz se fecha, de modo a estar na posição fechada da figura 13B, desse modo formando a seção achatada 3 do tubo 2 para a dimensão menor dl e a dimensão maior d2. Opcionalmente, um mandril 24 pode ser posicionado no tubo 2, antes da operação de formação, de modo a evitar uma flambagem ou outra deformação indesejável das paredes de tubo amplo e achatado 12, durante a operação de formação. O mandril 24, quando usado, pode ser removido do tubo 2, após a operação de formação ser completada. A geometria das regiões de transição 6 pode ser produzida pela inclusão de representações negativas complementares da geometria das faces de contato das metades de matriz 22 e 23, de modo que a geometria desejada das regiões de transição 6 seja formada no tubo 2 durante a operação de formação. Várias alternativas para certos recursos e elementos da presente invenção são descritas com referência às modalidades especificas da presente invenção. Com exceção dos recursos, elementos e maneiras de operação que são mutuamente exclusivas de ou são inconsistentes com cada modalidade descrita acima, deve ser notado que os recursos alternativos, os elementos e as maneiras de operação descritos com referência a uma modalidade em particular são aplicáveis às outras modalidades.

As modalidades descritas acima e ilustradas nas figuras são apresentadas a titulo de exemplo apenas, e não são pretendidas como uma limitação sobre os conceitos e os princípios da presente invenção. Como tal, será apreciado por alguém tendo um conhecimento comum na técnica que várias mudanças nos elementos e na sua configuração e no arranjo são possíveis, sem que se desvie do espírito e do escopo da presente invenção.

Claims (16)

1. Conjunto de tubo para um trocador de calor, caracterizado pelo fato de compreender: um tubo que tem uma seção achatada compreendendo primeiro e segundo lados de tubo amplos espaçados unidos por lados de tubo estreitos espaçados opostos; uma primeira estrutura de aleta compreendendo uma primeira pluralidade de cristas de onda e cavados conectados por flancos; uma segunda estrutura de aleta compreendendo uma segunda pluralidade de cristas de onda e cavados conectados por flancos; e primeira e segunda folhas laterais geralmente planas, em que os cavados de onda da primeira estrutura de aleta são unidos ao primeiro lado de tubo amplo, as cristas de onda da primeira aleta são unidas a uma face da primeira folha lateral geralmente plana, os cavados de onda da segunda estrutura de aleta são unidos ao segundo lado de tubo amplo, e as cristas de onda da segunda aleta são unidas a uma face da segunda folha lateral geralmente plana.

2. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o tubo ainda incluir uma primeira seção cilíndrica disposta em uma primeira extremidade no sentido do comprimento do tubo, e uma segunda seção cilíndrica disposta em uma segunda extremidade no sentido do comprimento do tubo, a seção achatada sendo disposta entre as primeira e segunda seções cilíndricas.

3. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o tubo, a primeira estrutura de aleta, a segunda estrutura de aleta e as primeira e segunda folhas laterais geralmente planas serem unidos por juntas de brasagem.

4. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o tubo, a primeira estrutura de aleta, a segunda estrutura de aleta e as primeira e segunda folhas laterais geralmente planas serem formados em uma ou mais ligas de aluminio.

5. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os primeiro e segundo lados de tubo amplos espaçados terem uma primeira espessura de material, as primeira e segunda folhas laterais geralmente planas terem uma segunda espessura de material, e a primeira espessura de material ser igual a pelo menos duas vezes a segunda espessura de material.

6. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as primeira e segunda estruturas de aleta e as primeira e segunda folhas laterais geralmente planas se estenderem a partir de um primeiro lado dos lados de tubo estreitos espaçados opostos até o outro dos lados de tubo estreitos espaçados opostos.

7. Conjunto de tubo para um trocador de calor, caracterizado pelo fato de compreender: um conduto de fluxo de fluido se estendendo em uma direção no sentido do comprimento por pelo menos uma porção do conjunto de tubo e tendo uma dimensão maior em uma primeira direção perpendicular à direção no sentido do comprimento, e uma dimensão menor substancialmente menor do que a dimensão maior em uma segunda direção perpendicular à direção no sentido do comprimento; uma parede de tubo continua que se estende em torno da periferia do conduto de fluxo de fluido; primeira e segunda folhas laterais geralmente planas igualmente espaçadas a partir de e em lados opostos da parede de tubo continua na segunda direção; e uma pluralidade de almas finas conectando as primeira e segunda folhas laterais geralmente planas à parede de tubo continua.

8. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a parede de tubo continua definir um momento de inércia de centroide de parede de tubo com respeito a um eixo geométrico que se estende na primeira direção, o momento de inércia de centroide do conjunto de tubo com respeito ao referido eixo geométrico sendo de pelo menos cinco vezes o momento de inércia de centroide de parede de tubo.

9. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o momento de inércia de centroide do conjunto de tubo com respeito a um eixo geométrico que se estende na primeira direção ser de pelo menos dez vezes o momento de inércia de centroide de parede de tubo.

10. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o momento de inércia de centroide do conjunto de tubo com respeito a um eixo geométrico se estendendo na primeira direção ser de pelo menos doze vezes o momento de inércia de centroide de parede de tubo.

11. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de ainda compreender: uma primeira seção cilíndrica de tubo unida à parede de tubo contínua em uma primeira extremidade do conduto de fluxo de fluido; e uma segunda seção cilíndrica de tubo unida à parede de tubo contínua em uma segunda extremidade do conduto de fluxo de fluido, as primeira e segunda seções cilíndricas de tubo definindo uma entrada e uma saída, respectivamente, para o conduto de fluxo de fluido.

12. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de a parede de tubo contínua definir um primeiro perímetro externo de tubo, a primeira seção cilíndrica de tubo definir um segundo perímetro externo de tubo, a segunda seção cilíndrica de tubo definir um terceiro perímetro externo de tubo, e o primeiro perímetro externo de tubo ser maior do que pelo menos um dentre os segundo e terceiro perímetros externos de tubo.

13. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a parede de tubo contínua, as primeira e segunda folhas laterais geralmente planas e a pluralidade de almas finas serem unidas por juntas de brasagem.

14. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a parede de tubo contínua, as primeira e segunda folhas laterais geralmente planas e a pluralidade de almas finas serem formadas em uma ou mais ligas de alumínio.

15. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a pluralidade de almas e as primeira e segunda folhas laterais geralmente planas se estenderem através da dimensão maior do conduto de fluxo de fluido.

16. Conjunto de tubo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a parede de tubo continua ter uma primeira espessura de material, as primeira e segunda folhas laterais geralmente planas terem uma segunda espessura de material e a primeira espessura de material ser de pelo menos duas vezes a segunda espessura de material.