” “TUBO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR PARA TROCADORES DE CALOR” Campo Técnico da Invenção A presente invenção está correlacionada a um tubo de transferência de calor para trocadores de calor, mais particularmente, a um tubo de transferência de calor com raias helicoidais ou dentes principais helicoidais.
Antecedentes da Invenção Um trocador de calor é um aparelho que possibilita a troca de energia entre dois ou mais fluidos, com a finalidade de aquecer, resfriar, etc.
Em um trocador de calor normalmente usado atualmente, os fluidos sob troca de calor são separados entre si por meio de uma parede 15º divisória sólida ou um terceiro fluido.
O modelo do tubo de transferência de calor para o trocador de calor tem grande influência na eficiência de operação do dito trocador de calor.
A figura 1 mostra um típico aparelho de transferência de calor (100), o qual compreende uma pluralidade de aletas (101) e uma pluralidade de tubos trocadores de calor (102). Linhas de furos são providas nas aletas (101) e os tubos trocadores de calor são inseridos nesses furos.
Durante a operação, um primeiro fluido entra dentro do sistema do tubo de transferência de calor, que compreende a pluralidade de tubos trocadores de calor (102), conforme indicado pela seta (Al), depois, passa através dos tubos trocadores de calor (102), ao mesmo tempo em que se submete à troca de calor e, após isso, circula para fora na direção indicada pela seta (A2); um segundo fluido entra dentro de um espaço entre as aletas (101), conforme indicado pela seta (Bl), depois, se submete à troca de calor com o primeiro fluido nos tubos trocadores
” de calor (102) e, após isso, circula para fora na direção indicada pela seta (B2).
Em um aparelho designado para resfriamento, condicionamento, congelamento ou refrigeração, o primeiro fluido (fluido interno) é normalmente um meio frio, enquanto o segundo fluido (fluido externo) é ar. O meio frio se submete à mudança de fase quando circula nos tubos trocadores de calor (102), e o calor liberado ou adsorvido dos mesmos é transferido para oO ar através dos tubos trocadores de calor (102) e aletas (101). A configuração da superfície interna de um tubo de transferência de calor (102) exige um projeto especial para aumentar a transferência de calor por mudança de fase, de modo a efetivamente auxiliar a troca de energia entre os fluidos interno e externo.
Um convencional tubo de transferência de calor normalmente usa um tubo de cobre sem costura, cuja superfície interna é provida de dentes helicoidais para aumentar a área da superfície interna, para manter a 2 o 20 superfície interna umeêdecida ou coberta com um filme fino de líquido, para aumentar a turbulência do líquido, para destruir a camada limite de circulação, e para proporcionar o efeito de troca de calor. Com base nisso, alguns tubos de transferência de calor são providos com, além dos dentes principais, dentes intermitentes secundários, com alturas menores e dispostos entre os dentes principais, Oo que resulta em um adicional aumento da aspereza dentro dos tubos de transferência de calor. Desse modo, é possível a provisão de mais núcleos para condensação ou vaporização, para aumentar a turbulência de líquido e, desse modo, aperfeiçoar o efeito da transferência de calor por convecção.
Por outro lado, apesar do exposto acima, com a ausência de uma disposição bem construída dos dentes
” secundários, a resistência ao fluxo de um fluido em um tubo de transferência de calor será aumentada, e o sistema deve aumentar a inclusão de energia para garantir que o fluido passe através do trocador de calor na velocidade de projeto, enquanto uma inclusão de energia extra significa uma mais baixa eficiência de operação de todo O sistema.
Além disso, a modelagen e posicionamento dos dentes secundários não é otimizada com relação à cinética do fluido, desse modo, sendo inconveniente para fabricação, O que, de fato, eleva o custo de fabricação.
Resumo da Invenção A invenção, idealizada para solucionar os problemas “acima mencionados, proporciona um tubo de transferência de calor para trocadores de calor, que pode melhorar a eficiência de transferência de calor, ao mesmo tempo em que não aumenta de forma significativa a resistência à transferência para um fluido, apresentando uma estrutura simples, assim como, um baixo custo de NA 2 -.- 20 - fabricação.” o ASSES MS Ú De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é provido um tubo de transferência de calor para trocadores de calor, em que uma superfície interna do tubo de transferência de calor é provida alternadamente com uma pluralidade de dentes principais helicoidais e uma pluralidade de fendas, cada fenda sendo disposta entre dentes adjacentes principais, em que um conjunto de saliências é provido em pelo menos uma fenda, o conjunto de saliências compreendendo uma pluralidade de saliências, dispostas sequencialmente e intermitentemente numa direção de extensão dos dentes principais, cada saliência apresentando uma altura radial menor que as alturas radiais dos dentes principais, e em que pelo menos uma fenda não tendo o conjunto de saliências é provida entre as fendas
. : adjacentes às fendas que apresentam o conjunto de saliências. Preferivelmente, 4 ou 5 fendas que não apresentam o conjunto de saliências são dispostas entre as fendas adjacentes às fendas que apresentam o conjunto de saliências.
De acordo com um segundo aspecto da invenção, é provido um tubo de transferência de calor para trocadores de calor, em que uma superfície interna do tubo de transferência de calor é provida alternadamente com uma pluralidade de dentes helicoidais principais e uma pluralidade de fendas, cada fenda sendo disposta entre dentes adjacentes principais, em que são providos conjuntos de saliências nas fendas em ambos os lados de pelo menos um dente principal, numa direção periférica do tubo de transferência de calor, em que cada conjunto de saliências compreende uma pluralidade de saliências, dispostas sequencialmente e intermitentemente numa direção que se estende a partir de pelo menos um dente principal, e cada saliência apresenta uma altura radial menor que aquela do o 20. dito pelo menos um dente principal, e em que pelo menos um dente principal, sem nenhum conjunto de saliências disposto em cada lado, é disposto entre dentes adjacentes aos dentes principais que apresentam conjunto de saliências dispostos em ambos os lados. Preferivelmente, 4 ou 5 dentes principais que não apresentam conjunto de saliências dispostos em cada lado são dispostos entre dentes adjacentes aos dentes principais que apresentam conjunto de saliências em ambos os lados.
Assim, por um lado, com a disposição do tubo de transferência de calor da invenção, a presença das saliências intensifica a turbulência do fluido (tal como, um agente de resfriamento ou um meio frio), provocada pelos alicerces dos dentes principais e ajuda na formação de mais núcleos para a presença de bolhas durante a evaporação,
O E A Rs dt A A A RR a a A A >» o oO 5/11 « x desse modo, melhora a eficiência da troca de calor; por outro lado, não de forma constante, mas, algumas vezes, fendas entre os dentes principais são providas com saliências, o que suprime de modo significativo a resistência ao fluxo de um fluido, evita de forma acentuada uma diminuição de pressão e, ao mesmo tempo, resulta em um baixo custo de fabricação.
Preferivelmente, a largura de cada saliência na direção periférica do tubo de transferência de calor é menor que a largura da fenda onde cada saliência se encontra localizada na direção periférica do tubo de transferência de calor. Isso reduz ainda a resistência das saliências a um fluido. Além disso, a saliência é somente provida na parte da largura de uma fenda na direção periférica, o que adicionalmente destrói a formação da camada-limite de um fluido, aumenta a turbulência e, desse modo, melhora o efeito da troca de calor.
Preferivelmente, o lado de cada saliência na direção periférica do tubo de transferência de calor é formado sobre uma superfície lateral de um dos dois dentes principais, adjacentes à fenda onde a dita saliência está localizada. Aqui, os lados das saliências de um dito conjunto de saliências podem ser formados sobre uma superfície lateral de um dito dente principal, e também podem ser formados sobre as superfícies laterais de diferentes dentes principais.
As saliências de acordo com as modalidades descritas acima podem ser moldadas através de um processo de fundição contínua.
Preferivelmente, a seção transversal de cada saliência que é perpendicular à direção periférica do tubo de transferência de calor é trapezoidal. As proporções da altura radial de cada saliência para as alturas radiais dos dentes principais podem se dispor entre 0,05-0,5. As a, “ xo saliências configuradas de acordo com essas modalidades preferidas são mais vantajosas para formação de núcleos para condensação ou vaporização e aumentam a turbulência.
Preferivelmente, as saliências em um dito conjunto de saliências são dispostas em intervalos iguais. Essa disposição é mais conveniente para a fabricação.
De acordo com uma modalidade, a altura radial de cada saliência é gradualmente diminuída a partir do lado da saliência que é formada sobre uma superfície lateral de um dente primário e na direção de prolongamento do dente principal. A saliência assim formada leva a uma menor resistência a um fluido e evita uma acentuada diminuição de pressão, o que melhor a eficiência de operação de todo o trocador de calor. Particularmente, as saliências podem ser formadas em formatos de foice, objetos tipo meia-lua, chifres ou similares.
Breve Descrição dos Desenhos - A figura 1 é uma vista em perspectiva esquemática de um .. : - —.- -20 - trocador de calor convencional; i - a figura 2 é uma vista em perspectiva esquemática de uma parte do tubo de transferência de calor, de acordo com a primeira modalidade da invenção; - a figura 3 é uma vista em perspectiva em corte de uma parte do tubo de transferência de calor, de acordo com a primeira modalidade da invenção; - a figura 3A é uma vista ampliada de uma saliência no tubo de transferência de calor; e - a figura 4 é uma vista em perspectiva em corte de uma parte do tubo de transferência de calor, de acordo com uma primeira modalidade da invenção. Descrição Detalhada da Invenção vo Em seguida, modalidades específicas do tubo de transferência de calor para trocadores de calor de acordo com a invenção serão descritas em maiores detalhes fazendo- se referência aos desenhos anexos.
A figura 2 mostra uma vista em perspectiva esquemática de uma parte de um tubo de transferência de calor (1), de acordo com a primeira modalidade da invenção. Conforme mostrado na figura 2, o tubo de transferência de calor (1) apresenta a forma de um tubo cilíndrico, preferivelmente, de cobre. Alternativamente, o tubo de transferência de calor (1) pode ser feito de outros materiais de liga. Uma pluralidade de dentes principais helicoidais (2) são fabricados e formados na superfície interna do tubo de transferência de calor (1) (particularmente, mostrado pelas referências (21), (26) e (27) na figura 3). Consequentemente, são formadas fendas (3) entre dois dentes principais adjacentes (particularmente mostrado pelas referências (31), (32), (33), (34), (35) e (36) na figura 3). Além disso, : A 20. saliências * (41) dispostas de modo intermitente, apresentando alturas menores que os dentes principais são formadas em algumas das fendas (3). As saliências, além disso, aumentam a aspereza dentro do tubo de transferência de calor, proporcionam mais núcleos para condensação Ou —vaporização, constroem e mantêm uma camada fina de líquido da superfície interna, aumentam a turbulência de fluido na proximidade da superfície e, portanto, aumentam o coeficiente de transferência de calor por convecção.
Mais particularmente, a figura 3 mostra uma vista em perspectiva em corte de uma parte do tubo de transferência de calor (1) acima mencionado. Conforme mostrado na figura 3, um conjunto de saliências compreendendo uma linha de saliências (41) é formado na fenda (31) e outro conjunto de saliências é formado na
« x. fenda (36). Entre as fendas (31) e (36) são providas 4 fendas (32), (33), (34) e (35) que não apresentam nenhum conjunto de saliências.
Com as saliências (41) desse modo distribuídas, é possível a provisão de um ou mais núcleos para condensação ou vaporização, evitando uma acentuada diminuição de pressão e, ao mesmo tempo, reduzindo o custo de fabricação.
Deve ser entendido que a invenção, não sendo limitada ao exposto acima, pode apresentar 2, 3 ou mais de 4 fendas que não apresentam um conjunto de saliências disposto entre as fendas (31) e (36), que apresentam o dito conjunto de saliências.
Embora a figura mostre somente Oo caso em que um conjunto de saliências compreende 2 Ou 3 saliências (41), o número de saliências (41) em um conjunto de saliências pode ser arbitrariamente estabelecido, em conformidade com a extensão do tubo de transferência de calor e o espaçamento entre as saliências (41). Além disso, apesar de as saliências (41) em um conjunto de saliências conforme mostrado na figura 3 serem dispostas em intervalos eee e --20- iguais (o intervalo numa direção axial entre saliências (41) adjacentes é estabelecido por (L)), a invenção, não limitada a isso, pode apresentar as saliências (41) em um conjunto de saliências disposto em intervalos variáveis.
Conforme mostrado na figura 3, na direção periférica do tubo de transferência de calor (2), as larguras das saliências (41) são menores que as larguras das respectivas fendas.
Desse modo, comparado ao caso em que as larguras das saliências (41) são iguais aquelas das respectivas fendas, a área de passagem de um fluido se torna maior e as saliências (41) impõem uma menor resistência ao fluido.
Além disso, tal configuração pode ainda destruir a formação de uma camada-limite de um fluido, aumentar a turbulência e, desse modo, melhorar oO efeito da troca de calor.
s x.
Conforme mostrado na figura 3, um lado (411) (mostrado na figura 3A) da saliência (41) na direção periférica é formado sobre uma superfície lateral do dente principal adjacente (21) (na figura 3, a superfície lateral à direita). Essa configuração é conveniente para . fabricação.
Na modalidade mostrada na figura 3, um lado de cada saliência (41) em um dito conjunto de saliências é formado sobre uma superfície lateral do dito dente principal.
Como exemplo, um lado de cada saliência (41) do conjunto de saliências na fenda (31) é formado sobre uma superfície lateral (211) do dente principal (21), enquanto um lado de cada saliência (41) no conjunto de saliências na fenda (36) é formado em uma correspondente superfície lateral do dente primário (26). Entretanto, a invenção, que não está limitada ao exposto acima, pode ser provida de modo a que as saliências (41) adjacentes em um dito conjunto de saliências sejam formadas em superfícies laterais de diferentes dentes principais.
Como exemplo, como no caso do conjunto de , 20º saliências na fenda (36), uma primeira saliência (41) pode ser formada sobre uma superfície lateral do dente principal (26), enquanto uma segunda saliência (41) pode ser formada sobre uma superfície lateral do dente principal (27), e assim por diante, de modo alternado.
Mediante essa disposição das saliências (41), é possível ainda destruir a formação da camada-limite de um fluido e melhorar o efeito da troca de calor.
A seguir, será apresentada uma descrição com relação ao formato e tamanho de uma saliência, fazendo-se referência à figura 3A, que amplia a visão da saliência.
A seção da saliência (41) que é perpendicular à direção periférica é de formato substancialmente trapezoidal, cujas superfícies laterais (411) são de tal modo formadas a se adaptarem como apoio à superfície lateral de um dente
" x. principal. Se a altura radial do dente principal for (h), o tamanho da saliência (41) pode ser estabelecido como segue: h, = 0,05-0,5 h a = 0,05-0,5 h b=1-2h Cc = 0,05-0,85 w d = 1,5-2,5 ho ' Além disso, (h) pode ser estabelecido na faixa de 0,07-0,23 mm, (L) na faixa de 0,5-15 mm. Como é evidente, oO tamanho apresentado é simplesmente um exemplo, sendo possível se adotar outros adequados tamanhos de acordo com a aplicação prática.
Uma descrição de um tubo de transferência de calor (1º), de acordo com a segunda modalidade da invenção, é apresentada abaixo, fazendo-se referência à figura 4. O tubo de transferência de calor (1') difere do tubo de transferência de calor (1) de acordo com a primeira modalidade, principalmente, no formato e distribuição das - - .— . saliências (41). - AA o SS o Conforme mostrado na figura 4, as saliências (41') são formadas em ambos os lados de um dente principal (21º). Entre as fendas (21) e (26) que apresentam saliências, se dispõe uma pluralidade de dentes principais (227), (23'), (24") e (25º) (o número de dentes principais interposto pode variar). Mediante essa distribuição, é possível se obter um efeito similar ao da modalidade mostrada na figura 3. De modo similar, a distribuição das saliências (41') pode variar, conforme descrito acima, tendo como base a modalidade mostrada na figura 4.
A altura radial de uma saliência (41º) é gradualmente diminuída a partir do lado de uma superfície lateral (211') que é formada no dente principal (21') e na direção de prolongamento do dente principal (isto é, a a x. direção axial), que proporciona o formato de uma foice, conforme mostrado na figura 4. A saliência assim formada proporciona uma menor resistência a um fluido e evita uma demasiada diminuição de pressão, o que melhora a eficiência de operação de todo o trocador de calor e torna a fabricação conveniente.
Além disso, as saliências (41) podem ser proporcionadas nos formatos de objetos em meia- lua, chifres ou formas similares.
A invenção não está limitada às modalidades descritas acima, podendo ser variada e modificada sem que haja desvio do espírito e escopo da invenção.
As características na primeira modalidade e segunda modalidade podem ser combinadas e variadas de qualquer maneira adequada.
Como exemplo, a primeira modalidade pode ser adaptada para as saliências (41º) com os formatos mostrados na segunda modalidade, enquanto a segunda modalidade pode ser adaptada para as saliências (41) com os formatos mostrados na primeira modalidade.
Em outro exemplo, as saliências (41º) nos dois lados do dito dente principal o o... 20. (21!), nar segunda modalidade, podem apresentar diferentes formatos ou orientações.