BR102018012654A2

BR102018012654A2 - Trocador de calor e coletor para um trocador de calor

Info

Publication number: BR102018012654A2
Application number: BR102018012654-7A
Authority: BR
Inventors: Allison Kirklin; Simon Zielinski; John Kis; Matthew Hernigle; James Prochniak; Peter Kottal; Thomas Shields; Zachary Ouradnik
Original assignee: Modine Manufacturing Company
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2018-06-20
Publication date: 2019-04-09
Also published as: US20190316852A1; CN109099752A; EP3475641A1; EP3475641A4; US20170370658A1; BR112018076724A2; US11460256B2; WO2017223166A1; MX2018016040A; CN109416231A; MX2018007544A

Abstract

trata-se de um coletor para um trocador de calor que inclui uma primeira e uma segunda tubulações de fluido cilíndricas que se estendem paralelas. cada uma dentre a primeira e a segunda tubulações tem fendas de tubo que se estendem através de uma seção de parede arqueada da tubulação. uma seção de parede espessada do coletor que tem uma seção de parede geralmente triangular é ligada pela primeira e pela segunda tubulações de fluido e por uma superfície externa plana do coletor. uma abertura se estende através da seção de parede espessada para fornecer uma trajetória de comunicação fluida entre a primeira e a segunda tubulações de fluido cilíndricas.

Description

[001] Este pedido reivindica prioridade do Pedido de Patente Provisório n° US 62/353.618, depositado em 23 de junho de 2016, cujo conteúdo integral é incorporado ao presente documento a título de referência.

ANTECEDENTES [002] Os trocadores de calor são usados para transferir energia térmica de uma corrente de fluido em uma primeira temperatura mais alta para uma outra corrente de fluido em uma segunda temperatura mais baixa. Frequentemente, tais trocadores de calor são usados para remover calor de refugo de um fluido de processo como óleo, agente refrigerante ou semelhantes transferindo-se esse calor para um fluxo de ar mais frio direcionado para passar através do trocador de calor.

[003] Em determinadas aplicações, o fluido de processo a ser resfriado também está em uma pressão operacional que é substancialmente maior que a pressão atmosférica ambiente dos arredores do trocador de calor. Como resultado, torna-se necessário que o trocador de calor seja projetado para suportar as forças de pressão que resultam do fluido de processo que passa através do trocador de calor. Isso se torna desafiador, especialmente nos casos em que o trocador de calor deve ser usado em grandes sistemas e maquinários como, por exemplo, equipamento de construção, máquinas agrícolas e semelhantes. À medida que o tamanho da máquina ou do sistema aumenta, a taxa de fluxo do fluido de processo também aumenta, precisando de trocadores de calor maiores para acomodar tanto os requisitos de transferência de calor quanto as taxas de fluxo de fluido.

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2/19 [004] Em alguns estilos de trocadores de calor específicos, o fluido a ser resfriado é direcionado através de um arranjo de tubos planos que se estende entre dois tanques ou coletores. À medida que tais trocadores de calor se tornam maiores, os mesmos podem ter áreas de superfície substancialmente grandes expostas à pressão do fluido de processo, especialmente nas áreas do tanque ou coletor, e a força da pressão de fluido que age nessas superfícies grandes pode levar às tensões mecânicas destrutivas na estrutura do trocador de calor. A habilidade de suportar tais pressões pode ser aprimorada através do uso de perfis de coletor circulares, mas os coletores circulares podem ser difíceis de embalar dentro de um espaço compacto visto que o tamanho necessário do trocador de calor aumenta.

DESCRIÇÃO RESUMIDA [005] De acordo com uma modalidade da invenção, um coletor para um trocador de calor inclui uma primeira e uma segunda tubulações de fluido cilíndricas que se estendem paralelas. Cada um dentre a primeira e a segunda tubulações tem fendas de tubo que se estendem através de uma seção de parede arqueada da tubulação. Uma seção de parede espessada do coletor que tem uma seção de parede geralmente triangular é ligada pela primeira e pela segunda tubulações de fluido e por uma superfície externa plana do coletor. Uma abertura se estende através da seção de parede espessada para fornecer uma trajetória de comunicação fluida entre a primeira e a segunda tubulações de fluido cilíndricas.

[006] Em algumas modalidades, o coletor inclui um plugue que é inserido em uma abertura que se estende através da superfície externa plana até a abertura. Em algumas de tais

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3/19 modalidades, o plugue é soldado à superfície externa plana. Em algumas modalidades, o plugue inclui um pino de montagem integral que se estende para fora do coletor em uma direção perpendicular à superfície externa plana. Em algumas modalidades, a seção de parede arqueada de uma das tubulações define uma espessura de parede mínima do coletor, e a profundidade de inserção do plugue através da abertura é aproximadamente igual àquela espessura de parede mínima.

[007] Em algumas modalidades, o coletor inclui uma terceira tubulação de fluido cilíndrica adjacente e paralela à segunda tubulação de fluido. Uma segunda seção de parede espessada do coletor que tem uma seção de parede geralmente triangular é ligada pela terceira e pela segunda tubulações de fluido e pela superfície externa plana do coletor. Em algumas de tais modalidades, uma abertura se estende através da segunda seção de parede espessada para fornecer uma trajetória de comunicação fluida entre a segunda e a terceira tubulações de fluido.

[008] Em algumas modalidades, o coletor inclui um primeiro e um segundo flange de montagem que se estende a partir do coletor. O primeiro flange de montagem define um primeiro plano de montagem e o segundo flange de montagem define um segundo plano de montagem, sendo que tanto o primeiro quanto o segundo planos de montagem são orientados paralelos entre si e perpendiculares à superfície externa plana do coletor. Um primeiro furo de montagem se estende através do primeiro flange de montagem e é alinhado com um segundo furo de montagem que se estende através do segundo flange de montagem. Em algumas de tais modalidades, todas as tubulações de fluido estão inteiramente localizadas entre o primeiro e o

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4/19 segundo planos de montagem.

[009] De acordo com uma outra modalidade, um método de produção de um coletor para um trocador de calor inclui fornecer uma seção extrudada com dois volumes cilíndricos não conectados dispostos na mesma e com uma superfície externa plana, e usinar através da superfície externa plana para definir uma abertura entre os dois volumes cilíndricos. O ato de usinar através da superfície externa plana cria uma abertura nessa superfície, e um plugue é inserido na abertura. Em algumas modalidades, o plugue é soldado à seção extrudada a fim de prender a mesma dentro da abertura. Em algumas modalidades, uma série de fendas de tubo é formada nas seções de parede arqueada dos dois volumes cilíndricos opostas à superfície externa plana.

[010] Em algumas modalidades da invenção, um trocador de calor inclui uma primeira série de tubos planos dispostos paralelos para conduzir um primeiro fluido através do trocador de calor, e uma segunda série de tubos planos dispostos paralelos para conduzir um segundo fluido através do trocador de calor. O primeiro e o segundo fluidos são, por exemplo, dois fluidos usados dentro de um sistema de geração de potência (como um sistema de motor de combustão interna, por exemplo) que são resfriados dentro do trocador de calor por um fluxo de ar que passa através do trocador de calor sobre as superfícies externas dos tubos planos. Tais fluidos podem incluir, mas sem limitação, agentes agente refrigerantes líquidos, água, refrigerante, óleo e outros.

[011] A primeira e a segunda séries de tubos planos se estendem entre um primeiro e um segundo coletores dispostos em extremidades opostas do trocador de calor. Cada

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5/19 um dos coletores tem pelo menos duas tubulações de fluido cilíndricas, cada uma das quais é dotada de fendas de tubo que se estendem através de uma seção de parede arqueada do coletor. As extremidades dos tubos são recebidas dentro das fendas de tubo.

[012] Em algumas modalidades, os coletores são dotados de mais de duas tubulações de fluido cilíndricas e o trocador de calor inclui uma série adicional correspondente de tubos planos dispostos paralelos. Em algumas de tais modalidades, a série adicional de tubos carrega um terceiro fluido que é distinto do primeiro e do segundo fluidos. Por distinto significa que não há conexão hidráulica dentro do trocador de calor entre os fluidos. Os fluidos poderiam, no entanto, ser hidraulicamente conectados em qualquer lugar dentro do sistema. Em outras modalidades, no entanto, uma terceira série de tubos planos é hidraulicamente conectada dentro do trocador de calor a uma dentre a primeira e a segunda série de tubos planos, para que o correspondente dentre o primeiro e o segundo fluidos também flua através dessa terceira série de tubos planos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [013] A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um trocador de calor que inclui coletores de acordo com uma modalidade da invenção.

[014] A Figura 2 é uma vista em perspectiva parcial de uma seção de um núcleo de trocador de calor usado no trocador de calor da Figura 1.

[015] A Figura 3 é uma vista em perspectiva explodida de um dos coletores da Figura 1.

[016] A Figura 4 é uma vista em corte transversal

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6/19 do coletor da Figura 3.

[017] A Figura 5 é uma vista em corte transversal plana de um componente do coletor da Figura 3.

[018] A Figura 6 é uma vista em perspectiva parcial de um trocador de calor que inclui coletores de acordo com uma outra modalidade da invenção.

[019] A Figura 7 é uma vista plana parcial do trocador de calor da Figura 6.

[020] A Figura 8 é uma vista plana parcial de um componente de um dos coletores da Figura 6.

[021] A Figura 9 é uma vista plana que mostra dois circuitos de fluido separados dentro de um trocador de calor de acordo com algumas modalidades da invenção.

[022] A Figura 10 é uma vista plana que mostra três circuitos de fluido separados dentro de um trocador de calor de acordo com algumas modalidades da invenção.

[023] A Figura 11 é uma outra vista plana que mostra dois circuitos de fluido separados dentro de um trocador de calor de acordo com algumas modalidades da invenção.

[024] A Figura 12 é uma outra vista plana que mostra dois circuitos de fluido separados dentro de um trocador de calor de acordo com algumas modalidades da invenção.

[025] A Figura 13 é uma vista frontal que mostra dois circuitos de fluido separados dentro de um trocador de calor de acordo com algumas modalidades da invenção.

[026] A Figura 14 é uma vista frontal que mostra um único circuito de fluido dentro de um trocador de calor de acordo com algumas modalidades da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA [027] Antes de quaisquer modalidades da invenção

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7/19 serem explicadas em detalhes, será compreendido que a invenção não se limita, em sua aplicação, aos detalhes de construção e à disposição de componentes estabelecidos na descrição a seguir ou ilustrados nos desenhos anexos. A invenção tem a capacidade de outras modalidades e de ser praticada ou de ser realizada de várias maneiras. Além disso, deve-se compreender que a fraseologia e a terminologia usadas no presente documento são para o propósito de descrição e não devem ser entendidas como limitantes. O uso de incluir, compreender ou ter” e variações dos mesmos no presente documento pretende abranger os itens listados em seguida e equivalentes dos mesmos assim como itens adicionais. A menos que seja especificado ou limitado de outro modo, os termos montado, conectado, suportado e acoplado e variações dos mesmos são usados amplamente e abrangem montagens, conexões, suportes e acoplamentos tanto diretos quanto indiretos. Ademais, conectado e acoplado não são restritos às conexões, ou acoplamentos, físicas ou mecânicas.

[028] Um trocador de calor 1 de acordo com uma modalidade da invenção é retratado na Figura 1, e inclui um núcleo de troca de calor 2 ligado entre duas placas laterais 4. O núcleo de troca de calor 2 é construído como uma montagem empilhada e soldada de camadas alternantes de tubos planos 5 e aletas corrugadas 6, conforme mostrado no detalhe do núcleo da Figura 2. Os tubos 5 e as aletas 6 são, de preferência, formadas de uma liga de alumínio para que o trocador de calor 1 possa ser construído para ser leve e altamente eficaz na transferência de calor entre um primeiro fluido que flui através dos interiores dos tubos 5 e um segundo fluido (ar, por exemplo) que passa através das corrugações das aletas 6.

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Tal trocador de calor 1 pode ser usado como, por exemplo, um trem de potência veicular que resfria o trocador de calor para resfriar o óleo do motor, óleo da transmissão, agente refrigerante de motor, ou algum outro fluido do qual a dissipação de calor é desejada.

[029] As extremidades abertas dos tubos 5 são recebidas nos coletores 3 dispostos nas extremidades opostas do trocador de calor 1. Cada coletor 3 é uma montagem de partes, mostrada na vista explodida na Figura 3. O coletor 3 inclui uma seção extrudada 7 que se estende sobre geralmente toda a altura empilhada do núcleo de troca de calor 2, e fornece várias tubulações de fluido cilíndricas 8 que distribuem o primeiro fluido para o arranjo de tubos 5, ou recebe o primeiro fluido do mesmo. As várias tubulações de fluido cilíndricas 8 que são fornecidas por cada seção extrudada 7 corresponde ao número de tubos 5 fornecido em cada fileira de tubos do núcleo 2 (por exemplo, duas modalidades exemplificativas das Figuras 1 a 5).

[030] Conforme melhor observado na vista em corte transversal da Figura 5, cada uma das tubulações de fluido cilíndricas 8 é ligada por uma seção de parede arqueada 9 sobre uma maior parte da periferia circular da tubulação, sendo que essa seção de parede arqueada 9 tem uma espessura de parede geralmente constante (indicada pelo número de referência 20). No lado voltado para o núcleo do coletor 3, as seções de parede arqueada 9 das duas tubulações adjacentes 8 se fundem. No lado oposto (isto é, o voltado para o núcleo) do coletor 3, é fornecida uma superfície externa plana 14 do coletor. A superfície externa plana 14, juntamente com as tubulações cilíndricas 8, liga uma seção de parede espessada

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9/19 da seção extrudada 7. A seção de parede espessada 21 tem um corte transversal geralmente triangular, conforme indicado na Figura 5 pelo triângulo tracejado 22) , com uma espessura de parede que é substancialmente maior do que a espessura de parede 20 das seções de parede arqueada 9. Conforme indicado pela Figura 5, o corte transversal da seção de parede espessada 21 pode se desviar um pouco de um formato verdadeiramente triangular enquanto ainda exibe um corte transversal geralmente triangular.

[031] As fendas de tubo 13 são fornecidas ao longo do comprimento dos coletores 3 para receber as extremidades dos tubos 5 nas tubulações de fluido cilíndricas correspondentes 8. As fendas de tubo 13 podem ser formadas na seção extrudada 7 por meio de, por exemplo, corte de serra ou perfuração. Cada uma das fendas de tubo 13 se estende através de uma das seções de parede arqueada 9, e tem uma largura e altura que correspondem, em geral, às dimensões maior e menor dos tubos planos 5. As extremidades dos tubos planos 5 são, de preferência, inseridas nas fendas de tubo 13 após os tubos planos 5 e as aletas 6 terem sido empilhadas para formar o núcleo 2, para que os tubos 5 possam ser soldados aos coletores 3 na mesma operação de soldagem conforme é usada para unir os tubos planos 5 às aletas 6 criando, desse modo, uniões livres de vazamento nas interfaces entre tubo e coletor.

[032] As tubulações de fluido cilíndricas 8 são hidraulicamente conectadas por meio de uma ou mais aberturas 15 que se estendem através da seção de parede espessada 21 em um ou mais locais ao longo do comprimento do coletor 3. Tal abertura 15 pode ser formada por uma operação de usinagem como perfuração ou moagem através da superfície plana 14 até uma

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10/19 profundidade predeterminada, em cujo caso a formação da abertura 15 pode definir uma abertura circular 40 na superfície plana 14, conforme mostrado na Figura 3. A profundidade predeterminada é selecionada para ser menor que a profundidade que seria necessária a fim de remover todo o material que separa as tubulações de fluido cilíndricas 8 nesse local. Conforme melhor visto na seção em corte transversal da Figura 4, a abertura 15 da modalidade exemplificativa tem o material na seção de parede espessada 21 removido até uma profundidade, conforme medido a partir da superfície plana 14, que é aproximadamente igual ao raio das seções de parede arqueada 9. Embora a modalidade exemplificativa represente uma abertura circular 40 formada na superfície externa plana 14, deve-se compreender que outros métodos de usinagem podem resultar em aberturas não circulares.

[033] Um plugue 12 pode ser inserido na abertura 40 definida pela formação da abertura 15 na superfície externa plana 14 a fim de fornecer uma vedação impermeável a fluido entre as tubulações de fluido 8 e o ambiente do lado de fora externo ao coletor 3. O plugue 12 inclui uma porção de inserção 18 com um perfil que geralmente é compatível com a abertura 40 criada na superfície plana 14, para que o plugue 12 possa ser parcialmente inserido nessa abertura 40 com folga mínima entre as superfícies laterais da porção de inserção 18 e da abertura 40. Uma porção de flange periférica 17 se estende além da periferia externa da porção de inserção 18 por uma quantidade suficiente para engatar e suportar a superfície plana 14 que circunda a abertura 40 limitando, desse modo, a profundidade de inserção do plugue 12. Em algumas modalidades especialmente preferenciais, como a modalidade exemplificativa da Figura 4,

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11/19 a altura da porção de inserção 18 (e, portanto, a profundidade de inserção do plugue 12 na abertura 40) é aproximadamente igual à espessura de parede 20 das seções de parede arqueada 9 .

[034] Uma ranhura 25 pode ser fornecida na face da porção de flange periférica 17 que é disposta contra a superfície plana 14, e pode ser usada para acomodar um anel de material de solda 16. O plugue 12, juntamente com o anel de material de solda 16, pode ser montado na seção extrudada 7 antes da solda do trocador de calor 1, para que o plugue 12 possa ser preso no coletor 3 durante a operação de solda. Em algumas modalidades, pode ser mais preferencial em vez de usar uma folha metálica de solda, pasta de solda ou camada de solda de argila no plugue 12 ou na seção extrudada 7, em cujo caso o anel de solda 16 e a ranhura 25 podem ser eliminados.

[035] Um ou mais dos plugues 12 podem ser dotados de um pino de montagem integral 19 que se estende para fora para longe do coletor em uma direção perpendicular à superfície externa plana 14. Os pinos de montagem integrais 19 podem ser acomodados em furos correspondentes de outros componentes aos quais o trocador de calor 1 deve ser montado a fim de, por exemplo, prender o trocador de calor 1 dentro de um módulo de resfriamento. Os isoladores de vibração anulares podem ser convenientemente montados sobre o pino de montagem 19 e podem suportar a porção de flange periférica 17 do plugue 12.

[036] Nas extremidades do coletor 3, os condutos de fluido cilíndricos 8 são vedados com tampas de extremidade 11 ou portas de fluido 10. Na modalidade exemplificativa da Figura 1, cada um dos coletores 3 é dotado de três tampas de extremidade 11 e uma porta de fluido 10, para que o fluido a

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12/19 ser resfriado dentro do trocador de calor 1 possa ser recebido em um dos coletores 3 (o coletor de entrada) através de sua porta de fluido 10 e possa ser removido do outro um dos coletores 3 (o coletor de saída) através de sua porta de fluido 10. Embora o fluido seja diretamente recebido em apenas uma das tubulações de fluido cilíndricas 8 do coletor de entrada 3, as aberturas 15 fornecidas nesse coletor 3 permitem que pelo menos alguma parte do fluido passe para a tubulação de fluido cilíndrica adjacente 8 para que os tubos planos 5 conectados a cada uma dessas tubulações de fluido 8 sejam colocadas hidraulicamente paralelas entre si. De maneira semelhante, o fluido recebido nessa uma das tubulações de fluido cilíndricas 8 do coletor de saída 3 pode ser transferida por meio das aberturas 15 na tubulação de fluido cilíndrica 8 que tem a porta de saída 10.

[037] Colocando-se múltiplas tubulações de fluido 8 paralelas hidraulicamente, a presente invenção tem capacidade de fornecer um projeto mais robusto para aplicações em que o fluido a ser resfriado está em uma pressão elevada. A habilidade de a tubulação de fluido suportar as pressões internas elevadas impostas pelo fluido é aumentada reduzindose o diâmetro de cada tubulação de fluido, sem sacrificar a área de fluxo total fornecida pelos tubos planos 5. Para esse fim, deve-se compreender que o número de tubulações de fluido cilíndricas 8 que pode ser fornecido em cada um dos coletores 3 não se limita a dois. As tubulações de fluido adicionais 8 podem ser fornecidas, e podem ser fluidamente conectadas às tubulações de fluido adjacentes através de aberturas adicionais 15. Deve-se entender que um trocador de calor de múltiplas passadas também pode ser fornecido colocando-se

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13/19 aberturas 15 entre algumas, mas não todas, as tubulações de fluido adjacentes 8.

[038] Como um exemplo não limitante de um trocador de calor que tem mais de duas tubulações de fluido cilíndricas dentro dos coletores, uma porção de um trocador de calor 1' é representada nas Figuras 6 e 7. O trocador de calor 1' inclui um núcleo de troca de calor 2' que é substancialmente semelhante ao núcleo de troca de calor 2 representado na Figura 2, exceto que três fileiras de tubos planos 5 são fornecidas em cada camada de tubos. Semelhantemente, um coletor 3' fornecido em qualquer extremidade do núcleo 2' (apenas um único coletor é mostrado) inclui uma seção extrudada 7' que inclui três tubulações de fluido cilíndricas 8 dispostas lado a lado para receber as extremidades dos tubos 5 de maneira semelhante conforme foi descrito anteriormente com referência à modalidade da Figura 1.

[039] A seção extrudada 7', mostrada em mais detalhes na Figura 8, é semelhante à seção extrudada 7 descrita anteriormente em que a mesma inclui uma seção de parede arqueada 9 sobre uma maior parte da periferia circular de cada tubulação 8, sendo que as seções de parede arqueada 9 têm uma espessura de parede geralmente constante. As extremidades dos tubos 5 são recebidas na tubulação de fluido através fendas fornecidas nessas seções de parede arqueada 9. Uma superfície externa plana 14 é novamente fornecida no lado oposto (isto é, não voltado para o núcleo) do coletor 3'.

[040] A seção de coletor extrudada 7' pode ser opcionalmente dotada de flanges de montagem 33, conforme mostrado nas Figuras 6 a 8. Os flanges de montagem 33 se estendem em uma direção que é perpendicular à superfície plana

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14/19 e é direcionada para longe do núcleo de troca de calor 2 definindo, desse modo, um par de planos de montagem 35 (isto é, um primeiro plano de montagem 35 e um segundo plano de montagem 35) para o trocador de calor 1' que são igualmente dispostos perpendiculares à superfície plana 14. Em algumas modalidades preferenciais, as tubulações de fluido cilíndricas 8 fornecidas pelo coletor 3' estão, todas, localizadas inteiramente entre o par de planos de montagem 35. Embora os flanges de montagem 33 sejam representados conforme se estendem a partir das seções de parede arqueada 9, deve-se compreender que os mesmos podem, alternativa ou adicionalmente, se estender a partir da superfície plana 14.

[041] Os flanges de montagem 33 podem ser usados para montar estruturalmente o trocador de calor 1' em um módulo de resfriamento ou outra montagem, conforme mostrado nas Figuras 6 e 7. Um canal em U 23 que forma parte do módulo de resfriamento ou outra montagem inclui pernas distanciadas paralelas 27 unidas por uma seção de conexão 26, com o espaço entre as pernas 27 dimensionadas para serem suficientemente grandes para permitir que o coletor 3' seja recebido entre os mesmos. As montagens de conexão 24 conectam estruturalmente o coletor 3' ao canal em U 23, e incluem isoladores de borracha compressíveis 32 que são inseridas nos furos colocados dentro do canal em U 23 para que uma porção de cada isolador 32 seja disposta dentro do canal em U 23 e uma outra porção do isolador 32 seja disposta fora do canal em U 23. Os isoladores 32 são fornecidos em pares em locais que se alinham com furos de montagem correspondentes 34 fornecidos nos flanges 33, para que uma cavilha 28 ou outro prendedor semelhante pode ser inserido através dos isoladores emparelhados 32 e os furos de

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15/19 montagem correspondentes 34 nos flanges 33. As arruelas 31 são fornecidas entre uma cabeça 2 9 da cavilha 2 8 e um dos isoladores emparelhados e entre uma porca 30 que é rosqueada na extremidade da cavilha 28 e o outro dos isoladores emparelhados. Cada uma das montagens de conexão inclui, desse modo, uma cavilha 28, porca 30, par de arruelas 31 e par de isoladores 32. Apertando-se as porcas 30 das montagens de conexão 24, o trocador de calor 1' pode ser preso ao canal em U 23. Deve-se entender que as montagens de conexão 24 podem ser usadas como uma alternativa, ou adição, aos pinos de montagem 19 que foram anteriormente descritas.

[042] Em algumas modalidades, como aqueles mostrados nas Figuras 9 a 12, pode ser desejável incorporar circuitos de fluido para múltiplos fluidos a serem resfriados dentro de um único trocador de calor 1, 1'. Em tal modalidade, uma primeira série 41 dos tubos planos 5 é usada para conduzir um primeiro dos fluidos a serem resfriados, enquanto uma segunda série 42 dos tubos planos 5 é usada para conduzir um segundo dos fluidos a serem resfriados. Conforme mostrado na Figura 9, cada um dos coletores 3 disposto em extremidades opostas do trocador de calor 1 inclui novamente um par de tubulações de fluido cilíndricas 8. No entanto, as tubulações de fluido 8 dentro de um coletor 3 podem ser hidraulicamente isoladas entre si fornecendo, desse modo, uma tubulação de fluido para o primeiro fluido em cada coletor 3 (as tubulações 43, 45) e adicionalmente uma tubulação de fluido para o segundo fluido em cada coletor 3 (as tubulações 44, 46).

[043] O número de circuitos de fluxo de fluido separados fornecidos em um dado trocador de calor não é limitado. Fileiras adicionais de tubos podem ser adicionadas,

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16/19 como com o uso de coletores 3' anteriormente descritos tendo três tubulações de fluido cilíndricas 8 para fornecer um trocador de calor de três fluidos 1', conforme mostrado na Figura 10. Tal trocador de calor inclui uma terceira série 47 dos tubos planos 5, que se estende entre tubulações de fluido 48, 49 adicionais fornecidas dentro dos coletores 3'. Incorporar múltiplas funções de troca de calor dentro de um único trocador de calor dessa maneira pode fornecer vantagens reduzindo-se os requisitos de espaço, simplificando a integração e montagem do sistema, e reduzindo-se o custo geral, dentre outros. Deve-se entender que a invenção não se limita ao número de fluidos e/ou séries de tubos mostradas, e que o número pode ser adicionalmente aumentado de uma maneira semelhante àquela mostrada.

[044] Conforme mostrado nas Figuras 11 e 12, o número de fileiras de tubos ou séries também pode ser aumentado sem aumentar o número de fluidos discretos que são resfriados dentro do trocador de calor. Na modalidade da Figura 11, a série adicional 47 é usada para fornecer tubos planos adicionais 8 para conduzir o primeiro fluido através do trocador de calor. As aberturas 15 anteriormente descritas são fornecidas entre as tubulações cilíndricas 43, 48 em um dos coletores 3' e entre as tubulações cilíndricas 45, 49 no outro coletor 3' a fim de colocar a série 41 de tubos planos 5 fluidamente em paralelo com a série 47 de tubos planos 5. Tal disposição pode ser especialmente desejável quando a área de fluxo necessária para o primeiro fluido for substancialmente maior que a área de fluxo necessária para o segundo fluido.

[045] Conforme mostrado na Figura 12, em alguns casos, pode ser desejável fornecer as aberturas 15 em apenas

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17/19 um dos coletores 3 colocando, desse modo, a série 41 de tubos planos 5 fluidamente em série com a série 47 de tubos planos 5. Conforme indicado pela seta na Figura 12, o primeiro fluido é, primeiro, recebido na tubulação de fluido cilíndrica 48, passa através da série 47 de tubos para a tubulação de fluido cilíndrica 49, transfere por meio de uma ou mais aberturas 15 para a tubulação de fluido cilíndrica 45 e passa através da série 41 de tubos para a tubulação de fluido cilíndrica 43. A transferência de calor mais eficaz entre o ar que passa através do trocador de calor e o primeiro fluido pode ser obtido com tal disposição.

[046] As opções de circuito de fluxo adicionais também podem ser obtidas através do uso de defletores 53 inseridos em um ou ambos os coletores 3, 3', conforme mostrado nas Figuras 13 e 14. Tal defletor de fluido 53 pode servir para separar uma única tubulação de fluido cilíndrica 8 em duas tubulações de fluido separadas (por exemplo, 43 e 51, 45 e 52), conforme retratado. Uma série 41 de tubos planos 5 e uma série 50 de tubos planos 5 são, desse modo, dispostas dentro da mesma fileira de tubos do trocador de calor. Tal disposição pode fornecer ainda um outro método alternativo por meio da qual múltiplos fluidos podem ser acomodados dentro de um único trocador de calor de uma maneira otimizada quando os requisitos de área de fluxo para cada um dos fluidos é amplamente diferente. Especificamente, o local dos defletores 53 ao longo do comprimento dos coletores 3, 3' pode ser selecionado para que o número total de tubos 5 dentro da fileira é adequadamente dividido entre a série 41 e a série 50. Adicionalmente, uma ou mais fileiras de tubos planos adicionais podem ser fornecidas para um ou mais fluidos

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18/19 adicionais, conforme foi descrito com referência às Figuras 9 e 10.

[047] Além disso, o circuito de fluxo da Figura 9, Figura 11 e Figura 13 pode ser combinado dentro de um único trocador de calor 1 para fornecer flexibilidade ainda maior. A título de exemplo, tal trocador de calor pode ter dois ou mais conjuntos de tubos como os conjuntos 41 e 42, dispostos em fileiras sendo que as extremidades do tubo de cada se estendem através de uma parede arqueada de um coletor 3 disposta em cada extremidade do trocador de calor para se comunicar com tubulações de fluido cilíndricas 8. Um terceiro conjunto de tubos pode ser disposto em uma fileira comum com um dos dois primeiros dois conjuntos de tubos, como é mostrado na Figura 13 para os conjuntos 50 e 41. Os defletores 53 são colocados nos coletores para separar as câmaras cilíndricas que corresponde àqueles dois conjuntos de tubos, a fim de fornecer isolamento hidráulico entre os mesmos. As tubulações para um desses conjuntos de tubos (por exemplo, as tubulações 51, 52 para o conjunto 50) podem ser fluidamente acopladas às tubulações cilíndricas para uma fileira de tubos adjacente por aberturas 15, para que o mesmo fluido flua em paralelo através de dois conjuntos diferentes de tubos, sendo que um dos conjuntos de tubos é disposto em uma fileira comum como um outro conjunto de tubos para um outro fluido. Dessa maneira, um dos fluidos pode ser transportado através do trocador de calor por todos os tubos planos 5 de um dos conjuntos de tubos, e por alguns, não todos, os tubos planos 5 de um outro dentre os conjuntos de tubos. Tal disposição pode ser especialmente desejável quando o número de tubos necessário (por exemplo, devido às considerações de transferência de calor ou

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19/19 considerações de queda de pressão ou ambas) para um dentre os fluidos for substancialmente maior que o número de tubos necessário para um outro dentre os fluidos.

[048] Deve-se entender que as várias modalidades representadas nas Figuras 9 a 14 são representadas na forma simplificada, e que os detalhes estruturais dos trocadores de calor que foram excluídos daquelas Figuras ainda podem estar presentes. Particularmente, deve-se compreender que qualquer um ou todos os recursos anteriormente descritos, incluindo os plugues 12, pinos de montagem 19 e flanges de montagem 33, podem estar incluídos em qualquer uma dessas modalidades.

[049] Várias alternativas para os determinados recursos e elementos da presente invenção são descritas com referência às modalidades específicas da presente invenção. Com a exceção de recursos, elementos e maneiras de operação que são mutuamente exclusivas ou são inconsistentes com cada modalidade descrita acima, deve-se notar que os recursos, elementos e maneiras de operação alternativos descritos com referência a uma modalidade específica são aplicáveis às outras modalidades.

[050] As modalidades descritas acima e ilustradas nas Figuras são apresentadas por meio de exemplo apenas e não se destinam a serem uma limitação aos conceitos e princípios da presente invenção. Desse modo, será observado por uma pessoa que tem habilidade comum na técnica que várias alterações nos elementos e sua configuração e disposição são possíveis sem que se desvie do espírito e escopo da presente invenção.

Claims

1. TROCADOR DE CALOR, caracterizado por compreender: uma primeira pluralidade de tubos planos para conduzir um primeiro fluido através do trocador de calor;

uma segunda pluralidade de tubos planos para conduzir um segundo fluido através do trocador de calor;

um primeiro coletor disposto em uma extremidade do trocador de calor, sendo que o primeiro coletor inclui uma primeira tubulação de fluido cilíndrica que tem uma pluralidade de fendas de tubo que se estendem através de uma primeira seção de parede arqueada do primeiro coletor, uma segunda tubulação de fluido cilíndrica que se estende paralela e adjacente à primeira tubulação de fluido cilíndrica que tem uma pluralidade de fendas de tubo que se estendem através de uma segunda seção de parede arqueada do primeiro coletor, e uma seção de parede espessada ligada pela primeira tubulação de fluido cilíndrica, pela segunda tubulação de fluido cilíndrica e por uma superfície externa plana do primeiro coletor, sendo que a seção de parede espessada tem um corte transversal geralmente triangular; e um segundo coletor disposto em uma extremidade oposta do trocador de calor, sendo que o segundo coletor inclui uma terceira tubulação de fluido cilíndrica que tem uma pluralidade de fendas de tubo que se estendem através de uma primeira seção de parede arqueada do segundo coletor, uma quarta tubulação de fluido cilíndrica que se estende paralela e adjacente à terceira tubulação de fluido cilíndrica que tem uma pluralidade de fendas de tubo que se estendem através de uma segunda seção de parede arqueada do segundo coletor, e uma seção de parede espessada ligada pela terceira tubulação de

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2/7 fluido cilíndrica, pela quarta tubulação de fluido cilíndrica e por uma superfície externa plana do segundo coletor, sendo que a seção de parede espessada tem um corte transversal geralmente triangular;

em que as extremidades do tubo da primeira pluralidade de tubos são recebidas através das fendas de tubo que se estendem através das primeiras seções de parede arqueada tanto do primeiro quanto do segundo coletor, e em que as extremidades do tubo da segunda pluralidade de tubos planos são recebidas através das segundas seções de parede arqueada tanto do primeiro quanto do segundo coletor.

2. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente uma terceira pluralidade de tubos planos para conduzir o primeiro fluido através do trocador de calor, sendo que o primeiro coletor inclui adicionalmente uma quinta tubulação de fluido cilíndrica que se estende paralela e adjacente à primeira tubulação de fluido cilíndrica que tem uma pluralidade de fendas de tubo que se estende através de uma terceira seção de parede arqueada do primeiro coletor, e o segundo coletor inclui adicionalmente uma sexta tubulação de fluido cilíndrica que se estende paralela e adjacente à terceira tubulação de fluido cilíndrica que tem uma pluralidade de fendas de tubo que se estende através de uma terceira seção de parede arqueada do segundo coletor, sendo que o primeiro coletor tem uma outra seção de parede espessada com um corte transversal geralmente triangular ligado pela primeira tubulação de fluido, pela quinta tubulação de fluido, e pela superfície externa plana do primeiro coletor, e o segundo coletor tem uma outra seção de parede espessada com um corte transversal geralmente

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3/7 triangular ligado pela terceira tubulação de fluido, pela sexta tubulação de fluido e pela superfície externa plana do segundo coletor.

3. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação

2, caracterizado pela primeira e a terceira pluralidades de tubos definirem duas passagens de fluxo sequencialmente dispostas através do trocador de calor para o primeiro fluido.

4. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo segundo coletor incluir uma abertura que se estende através da seção de parede espessada entre a terceira tubulação de fluido e a sexta tubulação de fluido a fim de acoplar fluidamente a primeira e a terceira pluralidades de tubos.

5. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação

4, caracterizado pelo primeiro coletor incluir uma abertura que se estende através da seção de parede espessada entre a primeira tubulação de fluido e a quinta tubulação de fluido a fim de acoplar fluidamente a primeira e a terceira pluralidades de tubos.

6. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação

2, caracterizado pelos tubos da primeira pluralidade de tubos estarem hidraulicamente paralelos com os tubos da terceira pluralidade de tubos.

7. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente uma terceira pluralidade de tubos planos para conduzir um fluido através do trocador de calor, sendo que o primeiro coletor inclui adicionalmente uma quinta tubulação de fluido cilíndrica que se estende concentricamente com a primeira tubulação de fluido cilíndrica que tem uma pluralidade de fendas de tubo que se

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4/7 estende através da primeira seção de parede arqueada do primeiro coletor, e o segundo coletor inclui adicionalmente uma sexta tubulação de fluido cilíndrica que se estende concentricamente com a terceira tubulação de fluido cilíndrica que tem uma pluralidade de fendas de tubo que se estende através da primeira seção de parede arqueada do segundo coletor, sendo que o primeiro coletor tem uma outra seção de parede espessada com um corte transversal geralmente triangular ligado pela quinta tubulação de fluido, pela segunda tubulação de fluido, e pela superfície externa plana do primeiro coletor, e o segundo coletor tem uma outra seção de parede espessada com um corte transversal geralmente triangular ligado pela sexta tubulação de fluido, pela quarta tubulação de fluido e pela superfície externa plana do segundo coletor.

8. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pela terceira tubulação de fluido e a sexta tubulação de fluido estarem em comunicação fluida direta entre si para que o primeiro fluido flua sequencialmente através da primeira e da terceira pluralidades de tubos.

9. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo segundo coletor incluir uma abertura que se estende através da seção de parede espessada entre a quarta tubulação de fluido e a sexta tubulação de fluido a fim de acoplar fluidamente a segunda e a terceira pluralidades de tubos.

10. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por compreender adicionalmente um plugue inserido em uma abertura que se estende através da superfície externa plana até a abertura.

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11. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação

9, caracterizado pelo primeiro coletor incluir uma abertura que se estende através da seção de parede espessada entre a segunda tubulação de fluido e a quinta tubulação de fluido a fim de acoplar fluidamente a segunda e a terceira pluralidades de tubos.

12. TROCADOR DE CALOR, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por compreender adicionalmente um primeiro plugue inserido em uma abertura que se estende através da superfície externa plana do primeiro coletor até a abertura no primeiro coletor, e um segundo plugue inserido em uma abertura que se estende através da superfície externa plana do segundo coletor até a abertura no segundo coletor.

13. COLETOR PARA UM TROCADOR DE CALOR, caracterizado por compreender:

uma pluralidade de tubulações de fluido cilíndricas dispostas paralelas;

uma pluralidade de seções de parede arqueada que têm uma espessura de parede constante, sendo que cada uma das seções de parede arqueada corresponde a uma dentre a pluralidade de tubulações de fluido cilíndricas e cada uma tem uma pluralidade de fendas de tubo que se estende através da espessura de parede constante até a tubulação de fluido correspondente; e uma ou mais seções de parede espessada ligadas por duas adjacentes dentre a pluralidade de tubulações de fluido cilíndricas e uma superfície externa plana do coletor, sendo que a uma ou mais seções de parede espessada têm, cada uma, um corte transversal geralmente triangular.

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14. COLETOR, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente uma ou mais aberturas que se estendem através da uma ou mais seções de parede espessada para fornecer uma trajetória de comunicação fluida entre aquelas tubulações de fluido cilíndricas que ligam a uma ou mais seções de parede espessada.

15. COLETOR, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por compreender adicionalmente um ou mais plugues em correspondência de um para um com a uma ou mais aberturas, em que cada plugue é inserido em uma abertura que se estende através da superfície externa plana até a abertura correspondente.

16. COLETOR, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por uma porção de cada um dentre o um ou mais plugues ser soldada à superfície plana externa.

17. COLETOR, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por pelo menos alguns dos ditos plugues incluírem um pino de para fora superfície montagem integral com o plugue e que se estende perpendicular até a do coletor em uma direção externa plana.

18. COLETOR, de acordo com caracterizado por uma profundidade de dentre o um ou mais plugues ser igual a reivindicação 15, inserção de cada um à espessura de parede constante das seções de parede arqueada.

19. COLETOR, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente:

um primeiro flange de montagem que se estende do coletor e que define um primeiro plano de montagem;

um primeiro furo de montagem que se estende através do primeiro flange de montagem;

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7/7 um segundo flange de montagem que se estende a partir do coletor e que define um segundo plano de montagem paralelo ao primeiro plano de montagem; e um segundo furo de montagem que se estende através do segundo flange de montagem e alinhado com o primeiro furo de montagem, em que o primeiro e o segundo planos de montagem são orientados perpendiculares à superfície externa plana do coletor.

20. COLETOR, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pela pluralidade de tubulações de fluido cilíndricas dispostas paralelas ser inteiramente localizada entre o primeiro e o segundo planos de montagem.