BR112017007157B1

BR112017007157B1 - Tubo de transferência de calor e método de formação de um tubo de transferência de calor

Info

Publication number: BR112017007157B1
Application number: BR112017007157-6A
Authority: BR
Inventors: Scot Reagen; Matt Baker; Dave W. Skrzypchak; Gary Wolfe; Chen-yu Lin; Jared Lee Myers
Original assignee: Brazeway, Inc
Priority date: 2014-10-06
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2021-09-08
Also published as: CN107110615A; CN107110615B; JP2017531152A; PL3204710T3; US10551130B2; BR112017007157A2; US20160097604A1; EP3204710A1; MX2017004461A; EP3204710B1; WO2016057448A1; EP3204710A4; JP6640206B2

Abstract

tubo de transferência de calor com uma multiplicidade de melhoramentos. um tubo de transferência de calor incluindo uma superfície interna incluindo uma multiplicidade de sulcos. a multiplicidade de sulcos inclui pelo menos sulcos primários e sulcos secundários, estendendo-se os sulcos primários axialmente ao longo do comprimento do tubo e interceptando os sulcos secundários os sulcos primários.

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS CORRELATOS

[001] O presente pedido reivindica a prioridade ao Pedido de Utilidade U.S. No. 14/874.708, depositado em 5 de outubro de 2015 e também reivindica o benefício do Pedido Provisório U.S. No. 62/060.051, depositado em 6 de outubro de 2014. O conteúdo integral dos pedidos acima é incorporado ao presente documento a título de referência.

CAMPO

[002] A presente invenção se refere a um tubo de transferência de calor incluindo sulcos axiais e não axiais neles.

ANTECEDENTES

[003] Esta seção fornece informações de antecedents relacionados com a presente invenção que não constituem necessariamente técnica anterior.

[004] A tubulação de cobre é geralmente usada para tubulação de condensador em equipamentos de ar condicionado, refrigeradores e bombas de calor, por exemplo. Embora o cobre proporcione uma transferência excelente de calor, o cobre é um material custoso. Portanto, materiais tais como o alumínio estão agora sendo usados para formar tubulação de condensadores.

SUMÁRIO

[005] Esta seção apresenta um sumário geral da presente invenção e não é uma descrição abrangente do seu âmbito total ou de todas as suas características.

[006] A presente invenção fornece um tubo de transferência de calor. O tubo de transferência de calor inclui uma superfície interna que inclui uma multiplicidade de sulcos. A multiplicidade de sulcos inclui pelo menos sulcos primários e sulcos secundários, estendendo-se os sulcos primários ao longo de um comprimento do tubo e interceptando os sulcos secundários os sulcos primários.

[007] O tubo de transferência de calor pode incluir sulcos secundários que são formados helicoidalmente.

[008] O tubo de transferência de calor pode também incluir sulcos terciários que interceptem pelo menos os sulcos primários.

[009] Os sulcos terciários podem interceptar os sulcos secundários.

[0010] Os sulcos terciários podem ser formados helicoidalmente.

[0011] O tubo de transferência de calor pode incluir alumínio.

[0012] A presente invenção também propõe um método de formação de um tubo de transferência de calor. O método inclui a extrusão de um tubo que inclui uma multiplicidade de sulcos primários axiais em uma superfície interna sua; e a formação de uma multiplicidade de sulcos secundários na superfície interna usando uma primeira ferramenta de formação, interceptando os sulcos secundários os sulcos primários. No processo de formação, as cristas entre os sulcos primários podem ser deformadas para bloquear parcial ou completamente os sulcos primários.

[0013] A primeira ferramenta de formação pode incluir uma multiplicidade de roscas com um primeiro passo e uma primeira altura. Alternativamente, a primeira ferramenta de formação pode incluir ferramentas de expansão ou ressaltos que comprimam os sulcos secundários para dentro do tubo.

[0014] A primeira ferramenta de formação pode formar os sulcos secundários em uma orientação helicoidal que pode ser tanto contínua como descontínua formando anéis discretos ou outros trajetos.

[0015] De acordo com o método, uma multiplicidade de sulcos terciários pode também ser formada na superfície interna usando-se uma segunda ferramenta de formação.

[0016] Os sulcos terciários podem interceptar os sulcos primários.

[0017] Os sulcos terciários podem interceptar os sulcos secundários.

[0018] A segunda ferramenta de formação pode incluir uma multiplicidade de roscas com um segundo passo e uma segunda altura e/ou um formato diferente da primeira ferramenta de formação.

[0019] Os sulcos secundários e os sulcos terciários podem ser formados helicoidalmente.

[0020] O método pode também incluir uma etapa de corte de um segmento de tubo do tubo extrudado.

[0021] O segmento do tubo pode ser cortado do tubo extrudado antes da formação dos sulcos secundários.

[0022] Alternativamente, o segmento do tubo pode ser cortado do tubo extrudado depois da formação dos sulcos secundários.

[0023] O método pode também incluir o dobramento do tubo de transferência de calor em um tubo hairpin.

[0024] De acordo com o método, o tubo de transferência de calor pode incluir alumínio.

[0025] Outras áreas de aplicabilidade se tornarão aparente com a leitura da descrição fornecida aqui. A descrição e os exemplos específicos neste sumário se destinam a fins de ilustração somente e não se destinam a limitar o âmbito da presente invenção.

DESENHOS

[0026] Os desenhos descritos no presente documento têm a finalidade ilustrativa somente de modalidades selecionadas e não constituem todas as implementações possíveis, e não se destinam a limitar o âmbito da presente invenção.

[0027] A Figura 1 é uma vista em seção transversal de um tubo de transferência de calor exemplar de acordo com um princípio da presente invenção;

[0028] A Figura 2 é uma vista em perspectiva de uma seção de um tubo de transferência de calor exemplar de acordo com um princípio da presente invenção;

[0029] A Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma ferramenta de formação usada para formar sulcos em um tubo de transferência de calor de acordo com um princípio da presente invenção;

[0030] A Figura 4 é uma vista em perspectiva de uma seção de um outro tubo de transferência de calor exemplar de acordo com um princípio da presente invenção;

[0031] A Figura 5 é uma micrografia de uma seção de um tubo de transferência de calor exemplar de acordo com um princípio da presente invenção, sendo os sulcos primários substancialmente bloqueados, no processo de formação de sulcos secundários, por material deformado das cristas entre sulcos primários;

[0032] A Figura 6 é uma micrografia de uma seção de um tubo de transferência de calor exemplar de acordo com um princípio da presente invenção, sendo as cristas entre os sulcos primários deformadas, no processo de formação dos sulcos secundários, para se projetarem para dentro do sulco primário sem bloquear substancialmente o sulco;

[0033] A Figura 7 é um gráfico ilustrando os resultados de transferência de calor de um tubo de 7 mm utilizando o refrigerante 410a, em que os sulcos secundários têm uma profundidade diferente em comparação com os sulcos primários, onde a profundidade em porcentagem à porcentagem que o sulco secundário corta para dentro da crista entre os sulcos primários (a 30%, por exemplo, o sulco secundário corta através dos 30% superiores da crista e a 100%, o sulco secundário corta completamente através da crista tendo o sulco primário e o secundário a mesma profundidade);

[0034] A Figura 8 é um gráfico ilustrando os resultados de transferência de calor de um tubo de 7 mm utilizando refrigerante 410a, sendo um tubo que inclui sulcos primários comparado com um tubo que inclui sulcos primários e sulcos secundários, e comparado a um tubo que inclui sulcos primários, sulcos secundários, e sulcos terciários; e

[0035] A Figura 9 é um gráfico ilustrando resultados de transferência de calor de um tubo de 7 mm utilizando refrigerante 410a, em que um tubo que inclui sulcos primários é comparado ao tubo ilustrado na Figura 5, e comparado com o tubo ilustrado na Figura 6.

[0036] Números de referência correspondentes indicam partes correspondentes em todas as diversas vistas dos desenhos.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0037] Serão agora descritas mais completamente modalidades exemplares com referência aos desenhos apensos.

[0038] A Figura 1 ilustra um tubo 10 que inclui uma multiplicidade de sulcos primários 12 separados por cristas 13. O tubo 10 é de formato em geral cilíndrico e inclui uma superfície externa 14 que define um diâmetro externo OD e uma superfície interna 16 que define um diâmetro interno ID. O tubo 10 pode ser formado de materiais tais como cobre, alumínio, aço inoxidável, ou de qualquer outro material conhecido dos versados na técnica. É preferível que o tubo 10 seja usado para transportar um refrigerante em um condensador de ar condicionado, um evaporador, ou bomba de calor.

[0039] O tubo 10 pode ser extrudado para incluir sulcos primários 12. Os sulcos primários 12, conforme ilustrado, são sulcos axiais 12 que auxiliam a aumentar a área da superfície interna do tubo 10. Deve ficar subentendido, no entanto, que os sulcos primários 12 podem ser formados helicoidalmente sem que haja desvio do âmbito da presente invenção. Aumentando-se a área da superfície interna do tubo 10, pode ocorrer uma quantidade maior de transferência de calor entre o refrigerante transportado pelo tubo 10 e o tubo 10. O número e o tamanho dos sulcos 12 podem variar. Conforme ilustrado na Figura 1, o tubo 10 inclui cinquenta e oito sulcos primários 12. O tubo 10, no entanto pode incluir um número maior ou menor de sulcos primários 12 sem se afastar do âmbito da presente invenção. Além disso, embora os sulcos primários 12 sejam ilustrados como incluindo um fundo arredondado 18, deve ficar subentendido que os sulcos primários 12 podem ser de formato quadrado, oval ou em V sem que haja desvio do âmbito da presente invenção. O tubo 10 tem uma espessura T na faixa de aproximadamente um terço de uma polegada (0,846 cm). O tubo 10, no entanto, pode ter uma espessura maior ou menor conforme for desejado.

[0040] Para aumentar ainda mais a capacidade de transferência de calor do tubo 10, o tubo 10 pode ser ainda mais processado para incluir sulcos secundários 20. Conforme ilustrado na Figura 2, os sulcos secundários 20 são formados não axialmente, de modo a interceptar os sulcos primários 12. O uso de sulcos secundários 20 juntamente com os sulcos primários 12 cria uma superfície interna complexa 16 que maximiza a transferência de calor entre o refrigerante transportado pelo tubo 10 e o tubo 10. Os sulcos secundários 20 podem ser formados ortogonalmente aos sulcos primários 12, ou então os sulcos secundários 20 podem ser formados helicoidalmente para interceptar os sulcos primários 12. Os sulcos secundários 20 podem ser continuamente formados ou ser formados descontinuamente pelo comprimento do tubo 10. Os sulcos secundários 20 podem deslocar material das cristas entre os sulcos primários para formar cristas ou em um dos lados dos sulcos secundários ou dos dois lados, sulcos estes que podem ser de natureza contínua ou descontínua, para bloquear ou restringir o fluxo do fluido nos sulcos primários.

[0041] A Figura 3 ilustra uma ferramenta de formação 22 que pode ser usada para formar os sulcos secundários 20. A ferramenta de formação 22 inclui uma porção proximal 24 que é acionada por uma ferramenta rotativa (não mostrada) e a ferramenta de formação 22 inclui uma porção distal 26. A porção distal 26 da ferramenta de formação 22 também inclui uma rosca 28 que, à medida que a ferramenta de formação 22 é girada formará sulcos secundários 20 no tubo 10. Um passo ou afastamento S entre os filetes 30 pode ser modificado, conforme for desejado. Além disso, a altura H dos filetes 30 pode ser ajustada, se for desejado. Neste sentido a altura H dos filetes 30 pode ser formada para ser superior, igual, ou inferior à profundidade D dos sulcos primários 12, de modo tal que os sulcos secundários 20 tenham uma profundidade diferente (maior ou menor, por exemplo) em comparação com a profundidade dos sulcos primários 12. Fazendo a profundidade dos sulcos secundários 20 diferir pode afetar a troca de calor entre o refrigerante e o tubo 10. Conforme é mais bem mostrado na Figura 7, quando os sulcos secundários 20 têm uma profundidade que corresponde a 30% da profundidade dos sulcos primários 12, fica aumentada a transferência de calor. A Figura 7 também mostra que os sulcos secundários 20 que tem uma profundidade que corresponde a 50% ou 100% da profundidade dos sulcos primários 12 também aumentam a troca de calor entre o refrigerante e o tubo 10.

[0042] Além disso, um ângulo α com o qual os filetes 30 são dispostos em relação a um eixo A da ferramenta de formação 22 pode ser ajustado conforme se desejar. Independentemente disso, deve ser observado que cada um do afastamento S, altura H e ângulo α pode ser selecionado e ajustado com base no diâmetro interno ID do tubo 10 e a velocidade de fluxo desejada do refrigerante no tubo 10. Deve também ser observado que os sulcos secundários 20 podem também ser formados com uma variedade de ferramentas que podem ser colocadas dentro do tubo para deformar os sulcos primários, resultando em sulcos secundários 20.

[0043] Com referência agora à figura 4, pode ser observado que o tubo 10 pode incluir sulcos primários 12, sulcos secundários 20 e sulcos terciários 32. Tal como ocorre com os sulcos secundários 20, os sulcos terciários 32 são formados não axialmente, para assim interceptar os sulcos primários 12. Os sulcos terciários 32 podem também interceptar os sulcos secundários 20. O uso de sulcos terciários 32 juntamente com os sulcos primários 12 e os sulcos secundários 20 cria uma superfície interna complexa 16 que maximiza a transferência de calor entre o refrigerante transportado pelo tubo 10 e o tubo 10. Os sulcos terciários 32 podem ser formados ortogonais aos sulcos primários 12, ou então os sulcos terciários 32 podem ser formados helicoidalmente para interceptar os sulcos primários 12. Além disso, os sulcos terciários 32 podem ser formados com uma ferramenta de formação 22 semelhante ao usado para formar sulcos secundários 20, com o afastamento S, altura H e ângulo α sendo diferentes. Os sulcos terciários 32 podem ter um formato completamente diferente ou seguir um trajeto inteiramente diferente do dos sulcos primários 12 e dos sulcos secundários 20, ou pode ser formado continuamente ou formado descontinuamente.

[0044] Com referência agora às Figuras 5 e 6, pode ser observado que os sulcos primários 12 (que se estendem da esquerda para a direita nas figuras 5 e 6) podem ser inteiramente bloqueados (Figura 5) ou parcialmente bloqueados (Figura 6) pela formação dos sulcos secundários 20 e/ou dos sulcos terciários 32. Neste sentido, a ferramenta 22 usada para a formação dos sulcos secundários 20 e/ou dos sulcos terciários 32 pode deformar cristas 13 entre os sulcos primários 12 durante a formação dos sulcos secundários 20 e/ou dos sulcos terciários 32 de modo tal, que porções de cristas 13 sejam deformadas ou forçadas para dentro dos sulcos primários 12. Forçando-se as cristas 13 para dentro dos sulcos primários 12, a transferência de calor entre o refrigerante e o tubo 10 é aumentada devido à restrição do fluxo nos sulcos primários 12, o que aumenta a turbulência no fluxo do refrigerante no tubo 10. Este efeito de transferência de calor é acentuado ao máximo quando as cristas 13 entre os sulcos primários 12 são deformadas para bloquear completamente ou restringir o fluxo no sulco primário 12. Deve ficar subentendido, no entanto que o bloqueio parcial dos sulcos primários 12 por porções de formadas também produz um aumento na transferência de calor entre o tubo 10 e o refrigerante (Figura 9).

[0045] O uso dos sulcos secundários 20 e/ou dos sulcos terciários 32 auxilia a melhorar as características de transferência de calor do tubo 10 da ordem de 30 % em comparação com um tubo 10 que inclui somente sulcos axiais (Figura 8). Neste sentido, em um tubo convencional que inclui somente sulcos axiais, o fluxo de refrigerante tende a se sedimentar no interior dos sulcos axiais e segui-los, o que forma uma camada de limite de refrigerante dentro do tubo que resiste e/ou restringe a transferência de calor entre o refrigerante e o tubo. O uso dos sulcos secundários 20 e/ou dos sulcos terciários 32 perturba o fluxo do refrigerante através dos sulcos primários 12 para impedir a formação de uma camada de limite de refrigerante. Neste sentido, o fluxo do refrigerante é perturbado pela interseção dos sulcos primários 12 por cada um dos sulcos secundários 20 e/ou dos sulcos terciários 32, o que faz com que o refrigerante corra para se soltar dos sulcos primários 20 e também cria turbulência no fluxo de refrigerante que aumenta a transferência de calor.

[0046] Para formar um tubo 10, um segmento de tubo (500 pés (152,4 m), por exemplo) é extrudado para incluir sulcos primários 12. É selecionado um segmento desejado do tubo 10, e o segmento desejado é cortado do segmento de tubo. Um processo secundário é então conduzido para formar sulcos secundários 20 e/ou sulcos terciários 32. Mais especificamente, uma ferramenta de formação 22 é selecionada tendo o afastamento S, altura H e ângulo α de filamentos 30. A ferramenta de formação 22 é inserida no tubo 10 e girada para formar sulcos secundários 20 e/ou sulcos terciários 32. Uma única passada de uma multiplicidade de ferramentas de formação 22 ou múltiplas passadas de uma multiplicidade de ferramentas de formação 22 pode ser efetuada para formar os sulcos secundários e/ou terciários 20 e 32. Portanto, deve ficar subentendido que o tubo 10 pode também incluir qualquer número de sulcos (não mostrados) etc.

[0047] Depois da formação de pelo menos os sulcos secundários 20, o tubo 10 pode então ser dobrado na configuração desejada (por exemplo, hairpin). Alternativamente, o tubo 10 pode ser dobrado dentro da configuração desejada antes da formação de sulcos secundários e/ou terciários 20 e 32. Além disso, deve ficar entendido que o segundo processamento pode ocorrer antes ou depois do tubo 10 ter sido cortado do segmento de tubo e antes ou depois de ter sido aplicado ao tubo 10 um lubrificante que é usado durante a expansão do tubo 10.

[0048] Alternativamente, os sulcos secundários 20 podem ser formados de um modo contínuo (por estiramento, por exemplo) antes de se cortar o tubo 10 no segmento final. A ferramenta de formação pode ser projetada de um modo tal, que a ferramenta seja auto-rotativa no processo contínuo, simplificando o processo. O processo contínuo pode ser conduzido em conjunto com outros processos existentes tais como extrusão ou corte ou conduzido como uma operação autônoma espira a espira.

[0049] A descrição acima das modalidades foi provida com a finalidade de ilustração e descrição. Ela não se destina a ser exaustiva nem a limitar a presente invenção. Os elementos ou características individuais de uma modalidade específica não são em geral limitados àquela modalidade específica, mas, onde for aplicável são intercambiáveis e podem ser usadas em uma modalidade selecionada, mesmo se não tiver sido especificamente mostrado ou descrito. Pode- se também fazer a mesma variar de muitos modos. Tais variações não devem ser consideradas como sendo um desvio da invenção, e todas estas modificações se destinam a serem incluídas dentro do âmbito da invenção.

Claims

1. Tubo de transferência de calor (10), compreendendo uma superfície interna (16) que inclui uma multiplicidade de sulcos (12, 20), a multiplicidade de sulcos (12, 20) incluindo pelo menos sulcos primários (12) e sulcos secundários (20),em que os sulcos primários (12) cada um se estende ao longo e definido por um comprimento do tubo (10) e são abertos em uma direção radial em direção a um centro do tubo (10), os sulcos primários adjacentes (12) sendo separados por uma crista (13),os sulcos secundários (20) interceptam os sulcos primários (12), eCARACTERIZADO pelo fato de que nas localizações onde os sulcos secundários (20) interceptam os sulcos primários (12), cada um dos sulcos primários (12) é inteiramente bloqueado na direção axial do tubo (10) sem ser bloqueado na direção radial por um material da crista (13) que separa os sulcos primários adjacentes (12) que são deformados em um dos sulcos primários adjacentes (12).

2. Tubo de transferência de calor (10), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que os sulcos secundários (20) são formados helicoidalmente.

3. Tubo de transferência de calor (10), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende sulcos terciários (32) que interceptam pelo menos os sulcos primários (12).

4. Tubo de transferência de calor (10), de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que os sulcos terciários (32) interceptam os sulcos secundários (20).

5. Tubo de transferência de calor (10), de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que os sulcos terciários (32) são formados helicoidalmente.

6. Tubo de transferência de calor (10), de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o tubo de transferência de calor (10) inclui alumínio.

7. Método de formação de um tubo de transferência de calor (10), compreendendo:a extrusão de um tubo (10) que inclui uma multiplicidade de sulcos primários axiais (12) sobre uma superfície interna (16) sua de modo que os sulcos primários axiais (12), cada um se estende em uma direção axial ao longo e definido por um comprimento do tubo (10), são abertos em uma direção radial em direção a um centro do tubo (10), e os sulcos primários axiais (12) adjacentes são separados por uma crista (13); ea formação de uma multiplicidade de sulcos secundários (20) na superfície interna (16) usando uma primeira ferramenta de formação (22),em que os sulcos secundários (20) interceptam os sulcos primários axiais (12); eCARACTERIZADO pelo fato de que nas localizações onde os sulcos secundários (20) interceptam os sulcos primários axiais (12), cada um dos sulcos primários axiais (12) é inteiramente bloqueado na direção axial do tubo (10) sem ser bloqueado na direção radial por um material da crista (13) que separa os sulcos primários axiais adjacentes (12) que são deformados em um dos sulcos primários axiais adjacentes (12).

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira ferramenta de formação (22) inclui uma multiplicidade de roscas (30) com um primeiro passo (S) e uma primeira altura (H).

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira ferramenta de formação (22) forma os sulcos secundários (20) com uma orientação helicoidal.

10. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende a formação de uma multiplicidade de sulcos terciários (32) na superfície interna (16) usando uma segunda ferramenta de formação (22).

11. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que os sulcos terciários (32) interceptam os sulcos primários axiais (12).

12. Método, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato de que os sulcos terciários (32) interceptam os sulcos secundários (12).

13. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda ferramenta de formação (22) inclui uma multiplicidade de roscas (30) com um segundo passo (S) e uma segunda altura (H).

14. Método, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que os sulcos secundários (20) e os sulcos terciários (32) são ambos formadoshelicoidalmente.

15. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda o corte de um segmento de tubo (10) do tubo extrudado (10).

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que o segmento de tubo (10) é cortado do tubo extrudado (10) antes da formação dos sulcos secundários (20).

17. Método, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que o segmento de tubo (10) é cortado do tubo extrudado (10) depois da formação dos sulcos secundários (20).

18. Método, de acordo com a reivindicação 7,CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda o tubo detransferência de calor (10) em um tubo hairpin.

19. Método, de acordo com a reivindicação 7,CARACTERIZADO pelo fato de que o tubo de transferência decalor (10) inclui alumínio.