BRPI0304538B1 - Tubos de transferência de calor, método de fabricação e evaporador refrigerante - Google Patents

Abstract

"tubos de transferência de calor, incluindo método de fabricação e uso dos mesmos". a presente invenção descreve um tubo de transferência de calor aperfeiçoamento, um método aperfeiçoado de formação e uma utilização aperfeiçoada de tal tubo de transferência de calor. a presente invenção descreve um tubo de ebulição (10) destinado a um evaporador refrigerante que proporciona pelo menos um sítio de ebulição nucleado da cavidade dual (55). a presente invenção além disso, descreve, um evaporador refrigerante aperfeiçoado que compreende, pelo menos, um tubo de ebulição e um método de fabricação do referido tubo de ebulição.

Description

TUBOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR, MÉTODO DE FABRICAÇÃO E EVAPORADOR REFRIGERANTE

Pedidos Relacionados [1] Este pedido de patente reivindica os benefícios do pedido provisório U.S. No de série 60/374,171, depositado em 19 de abril de 2002.

Campo da Invenção [2] A presente invenção refere-se genericamente, a tubos de transferência de calor, seu método de formação e uso. Mais particularmente, a presente invenção se relaciona a um tubo de ebulição, um método de manufatura e uso do tubo em um evaporador refrigerante melhorado ou resfriador.

Antecedentes da Invenção [3] Um dispositivo de ar condicionado industrial e sistemas de refrigeração é um evaporador refrigeranteou resfriador. Em termos simples, os resfriadores removem calor de um meio de resfriamento que entra na unidade e libera o meio de resfriamento para o ar condicionado ou sistema de refrigeração a fim de efetuar o resfriamento de uma estrutura, dispositivo ou determinada área. Os evaporadores refrigerantes sobre os resfriadores usam um líquido refrigerante ou outro fluido funcional para executar essa tarefa. Os evaporadores refrigerantes sobre os resfriadores baixam a temperatura de um meio de resfriamento, tal como água (ou algum outro fluido) abaixo daquela que pode ser obtida de condições ambientais para uso pelo ar condicionado ou sistema de refrigeração.

[4] Um tipo de resfriador é um resfriador inundado. Nos usos de resfriador inundados, uma pluralidade de tubos de transferência de calor é totalmente submersa em uma piscina de refrigerante em ebulição de duas fases. O refrigerante é frequentemente um clorofluorcarboneto (isto é “Freon”) tendo uma temperatura de ebulição específica. Um meio refrigerante, geralmente água, é processada pelo resfriador. O meio refrigerante entra no evaporador e é liberado para a pluralidade de tubos, que são submersos em um líquido refrigerante em ebulição. Como resultado, tais tubos são comumente conhecidos como “tubos de ebulição”. O meio refrigerante que passa através da pluralidade de tubos é resfriado uma vez que ele transmite seu calor para o refrigerante em ebulição. O vapor oriundo do refrigerante de ebulição é liberado para um compressor que o comprime, a uma pressão e temperatura mais altas. A alta pressão e a temperatura do vapor é, então, enviada a um condensador onde é condensado para eventual retorno ao evaporador, através de um dispositivo de expansão, a fim de baixar a pressão e a temperatura. Os especialistas no assunto avaliarão que os antecedentes ocorrem de forma a manter o já bem conhecido ciclo de refrigeração.

[5] Sabe-se que o desempenho da transferência de calor de um tubo em ebulição submerso pode ser acentuado pela formação de aletas na superfície externa do tubo. Também é conhecida a capacidade para aumentar a transferência de calor de um tubo de ebulição pela modificação da superfície interna do tubo que faz contatos com o meio refrigerante. Um exemplo de tal modificação na superfície interna do tubo, é mostrado na patente US 3,847,212, por Wither, Jr. e col. que mostra a formação de reentrância reentrâncias na superfície interna do tubo.

[6] Também é conhecido que as aletas podem ser modificadas para também, acentuar a transferência do calor. Por exemplo, alguns tubos de ebulição vêm a ser referidos como tubos de ebulição nucleados. A superfície externa dos tubos de ebulição nucleados é formada de modo a produzirem múltiplas cavidades ou poros (geralmente referidos como locais de ebulição ou nucleação) proporcionando aberturas que permitem a formação, no mesmo, de pequenas bolhas de vapor refrigerante. As bolhas de vapor tendem a se formar na base ou raiz do sítio de nucleação e crescerem em tamanho até se romper da superfície do tubo externo. Nessa ruptura, o líquido refrigerante ocupa o espaço vazio e o processo é repetido de modo a formar outras bolhas de vapor. Desta forma, o liquido refrigerante é borbulhado para fora ou vaporizado numa pluralidade de sítios de ebulição nucleados na superfície externa dos tubos metálicos.

[7] A patente US 4,660,630 de Cunningham e col. mostra cavidades ou poros de ebulição nucleados formados por aletas de ranhurafissura ou ranhura na superfície externa do tubo. As ranhuras são formadas numa direção essencialmente perpendicular ao plano das aletas. A superfície interna do tubo inclui reentrância reentrâncias helicoidais. Esta patente também descreve uma operação de fissuras cruzadas que deforma a ponta da aleta de tal modo que se formam cavidades (ou canais) de ebulição nucleadas tendo uma largura maior do que as superfícies de abertura. Esta construção permite às bolhas de vapor se deslocarem para fora através da cavidade, para e através das aberturas da superfície mais estreitas, que em seguida acentuam a transferência de calor. Vários tubos produzidos de acordo com patente de Cunningham e col. tem sido comercializados por Wolverine Tube, Inc., sob a marca TURBO-B®. Em outro tubo de ebulição nucleado, comercializado sob a marca TURBO-BII®, as ranhuras são formadas em um ângulo agudo em relação aos planos das aletas.

[8] Em alguns tubos de transferência de calor, as aletas são roladas por e/ou achatadas após serem formadas de tal modo a produzirem fendas estreitas que caem por cima das cavidades maiores ou canais definidos por raízes das aletas e os lados adjacentes dos pares de aletas. Incluem-se como exemplo os tubos das seguintes patentes norte-americanas: Cunningham e col. US 4,660,630; Zohler US 4,765,058; Zohler US 5,054,548; Nishizawa e col. US 5,186,252; Chiang e col. US 5,333,682.

[9] Já são reconhecidos, pelo estado da técnica, o controle da densidade e o tamanho dos poros de ebulição nuclear. Além disso, a inter-relação entre o tamanho do poro e o tipo de refrigerante também são reconhecidos pelo estado da técnica. Por exemplo, na patente US 5,146,979 de Bohler aumenta-se o desempenho usando refrigerante com pressão maiores através do emprego de tubos com poros de ebulição nucleados, numa faixa de tamanho de 0,000220 polegadas quadradas a 0,000440 polegadas quadradas (sendo a área total da embocadura 14% a 28% do total da área da superfície externa). Em outro exemplo, patente US 5,697,430 de Thors e col. também revela um tubo de transferência de calor tendo uma pluralidade de aletas helicoidais que se estendem radialmente para fora. A superfície interna do tubo tem uma pluralidade de reentrâncias helicoidais. As aletas da superfície externa são ranhuradas de modo a fornecer sítios de ebulição nucleados com poros. As aletas e as ranhuras são espaçadas de forma a fornecer poros com uma área média menor do que 0,00009 polegadas quadradas e um poro de densidade de, pelo menos, 2000 por polegada quadrada da superfície do tubo externo. As reentrâncias helicoidais sobre a superfície interna tem uma altura e espaçamento de reentrância predeterminada e estão posicionados num predeterminado ângulo de hélice. Os tubos feitos de acordo com as invenções daquela patente foram oferecidas e vendidas sob a marca TURBO Blll®.

[10] A indústria continua explorando novos e aperfeiçoados modelos, através dos quais aumentam-se o desempenho de transferência de calor e resfriamento. Por exemplo, a patente US 5,333,682 revela um tubo de transferência de calor tendo uma superfície externa configurada de modo a fornecer uma área aumentada da superfície externa do tubo e cavidades reentrantes como sítios de nucleação para promover a ebulição nucleada. Da mesma forma, a patente US 6,167,950 revela um tubo de transferência de calor para ser usado num condensador com superfícies com ranhura e aleta, configurada para promover drenagem do refrigerante oriundo da aleta. Como mostrado pelos desenvolvimentos da técnica, permanece-se como meta o aumento do desempenho da transferência de calor de tubos de ebulição nucleados enquanto se mantiver o custo de manufatura e os custos de operação do sistema de refrigeração em níveis mínimos. Estas metas incluem o planejamento de tubos mais eficientes e resfriadores e métodos de manufatura de tais tubos. Consistente com tais metas, a presente invenção é direcionada ao aperfeiçoamento do desempenho dos tubos de troca de calor geralmente, e, em particular, o desempenho de tubos de troca de calor usados em resfriadores inundados ou em evaporadores de filme descendente (falling fílm).

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[11] A presente invenção mostra aperfeiçoamento sobre tubos de troca de calor e evaporadores refrigerantes, formando e fornecendo cavidades de ebulição nucleadas acentuadas de modo a fornecer a capacidade de troca de calor do tubo e, como resultado, desempenho de um resfriador incluindo um ou mais desses tubos. Deve ser entendido que uma modalidade preferida da presente invenção compreende ou inclui um tubo tendo, pelo menos, uma cavidade ou poro duplo, de ebulição. Embora os tubos aqui descritos sejam especialmente eficazes em de aplicações que usam refrigerantes a alta pressão, os mesmos podem ser também usados com refrigerantes a baixa pressão.

[12] A presente invenção compreende um aperfeiçoamento em tubo de transferência de calor. O tubo de transferência de calor aperfeiçoado da presente invenção é adequado para sistemas de ebulição ou em evaporadores de filme descendente em que a superfície externa do tubo está em contato com um líquido refrigerante em ebulição. Em uma modalidade preferida, uma pluralidade de aletas helicoidais que se estendem radialmente para fora são formadas sobre a superfície externa do tubo. As aletas são ranhuradas e o ápice tomba por cima para formar as cavidades de ebulição nucleadas. As raízes das aletas podem ser ranhuradas para aumentar o volume ou tamanho das cavidades de ebulição nucleadas. A superfície do topo das aletas são envergadas e roladas para formar uma segunda cavidade de poro. A configuração resultante define os poros da cavidade dupla ou canais para a produção acentuada de bolhas de vaporização. A superfície interna do tubo também pode ser aumentada, através de suprimento de reentrâncias helicoidais ao longo da superfície interna, para facilitar a posterior transferência de calor entre o meio refrigerante que flui através do tubo e o refrigerante no qual o tubo pode ser submerso. Evidentemente, a presente invenção não é limitada por qualquer aumento da superfície interna particular.

[13] A presente invenção compreende em seguida um método de formação de um tubo de transferência de calor aperfeiçoado. Uma modalidade preferida do método inventado inclui as etapas de formação de uma pluralidade de aletas que se estendem radialmente para fora na superfície externa do tubo, e encurvando as aletas sobre a superfície externa do tubo, ranhurando e encurvando o material remanescente (que permanece entre as ranhuras) para formar sitios de ebulição nucleada na cavidade dupla, aumentando o calor transferido entre o meio refrigerante que flui através do tubo e o refrigerante de ebulição em que o tubo pode ser submerso.

[14] A presente invenção compreende, ainda, um evaporador refrigerante aperfeiçoado. O evaporador aperfeiçoado ou resfriador inclui, pelo menos, um tubo feito de acordo com a presente invenção que é adequado para sistemas de ebulição ou em evaporadores de filme descendente. Numa modalidade preferida, o exterior do tubo inclui uma pluralidade de aletas que se estendem radialmente para fora. As aletas são ranhuradas. As aletas são encurvadas para aumentar as áreas da superfície disponíveis sobre as quais pode ocorrer a transferência de calor e formar sitios de ebulição nucleados na cavidade dupla, aumentando, desta forma, o desempenho da transferencia de calor.

[15] É objeto da presente invenção proporcionar um tubo de transferência de calor aperfeiçoado.

[16] Um outro objetivo da presente invenção, é proporcionar um tubo de transferência de calor aperfeiçoado adequado tanto para sistemas inundados como para evaporadores de filme descendente.

[17] É um outro objetivo da presente invenção, proporcionar um método de manufatura de um tubo de transferência de calor para sistemas de ebulição e de filme descendente, onde, pelo menos, um sitio de ebulição nucleado na cavidade dupla é posicionado na superfície externa do tubo para aumentar a capacidade de transferência de calor do tubo.

[18] É um outro objetivo da presente invenção proporcionar um tubo de ebulição nucleado melhorado para utilizações nas quais as aletas formadas sobre a superfície externa do tubo foram curvadas para fornecer área adicional de superfície para a vaporização convectiva para acentuar, por esse meio, a capacidade de transferência de calor do tubo.

[19] É, ainda, um outro objetivo da presente proporcionar um tubo de transferência de calor que inclui aumentos da superfície para a superfície externa do tubo que pode ser produzido numa única etapa pelo equipamento de sistema de aletas.

[20] É, ainda, um outro objetivo da presente invenção proporcionar um tubo de transferência de calor que inclui aumentos da superfície para a superfície interna do tubo que facilita o fluxo do líquido dentro do tubo, aumenta a área de superfície interna e facilita o contato entre o líquido e a área interna, de tal modo a intensificar a capacidade da transferência de calor do tubo.

[21] É, ainda, um outro objetivo da presente invenção proporcionar um método para fazer um tubo de transferência de calor aperfeiçoado que define, pelo menos, um sítio de ebulição nucleada da cavidade dual.

[22] É, ainda, um outro objetivo da presente invenção, proporcionar um evaporador refrigerante aperfeiçoado.

[23] É, também, um outro objetivo da presente invenção, proporcionar um evaporador refrigerante aperfeiçoado tendo, pelo menos, um tubo de transferência de calor, que tem, pelo menos, um sítio de ebulição nucleada da cavidade dual.

[24] É, também, um outro objetivo da presente invenção, proporcionar um evaporador refrigerante aperfeiçoado tendo uma pluralidade de tubos de transferência de calor em que cada um dos tubos define uma pluralidade de sítios de ebulição nucleada da cavidade dual.

[25] É, também, um outro objetivo da presente invenção proporcionar um evaporador refrigerante aperfeiçoado tendo, pelo menos, um tubo de transferencia de calor que contém sítios de ebulição nucleada da cavidade dual.

[26] É, também, um outro objetivo da presente invenção proporcionar um método de formação de um tubo de transferência de calor pelo encurvamento das aletas para definir sítios de ebulição nucleada das múltiplas cavidades.

[27] Estas e outras características e vantagens da presente invenção serão demonstradas e entendidas através da leitura do presente pedido incluindo os desenhos apensos.

Breve descrição dos Desenhos [28] A Fig 1 é uma ilustração de um evaporador refrigerante feito de acordo com a presente invenção.

[29] A Fig 2 é uma ampliação, corte parcial da vista transversal do tubo de transferência de calor, feito de acordo com a presente invenção.

[30] A Fig 3 é uma ampliação, corte parcial de ilustração do corte transversal axial de uma modalidade preferida do tubo de transferência de calor feito de acordo com a presente invenção.

[31] A Fig 4 é uma fotomicrografia da superfície externa do tubo da Fig 2 subsequente à aleta encurvada.

[32] A Fig 5 é um corte transversal tomado ao longo da linha 3-3, na Fig. 4.

[33] A Fig 6 é um corte transversal tomado ao longo da linha 4-4, na Fig. 4.

[34] A Fig. 7 é uma fotomicrografia de uma superfície externa de um tubo de transferência de calor feito de acordo com a presente invenção subsequente à raiz e a aleta ranhurada mas anterior à aleta encurvada.

[35] A Fig 8 é uma representação esquemática da superfície externa do tubo da Fig. 3.

[36] A Fig 9 é um gráfico que compara um índice de eficiência para o tubo da presente invenção e o tubo de troca de calor feito de acordo com as invenções descritas na patente US 5,697,430.

[37] A Fig 10 é um gráfico que compara o desempenho da troca de calor dentro do tubo da presente invenção e o tubo de troca de calor feito de acordo com o descrito na patente US 5,697,430.

[38] A Fig. 11 é um gráfico que compara a queda de pressão do tubo da presente invenção e um tubo de troca de calor feito de acordo com as invenções descritas na patente US 5,697,430.

[39] A Fig. 12 é um gráfico que compara o coeficiente Uo de transferência de calor global em refrigerante HFC-134a em fluxos de calor variáveis, Q/Ao.

Descrição Detalhada das Concretizações Preferidas [40] Referindo-se agora, em detalhes, aos desenhos, nos quais os números indicam as partes, a Fig 1 mostra uma pluralidade de tubos de transferência de calor feitos de acordo com a presente invenção, geralmente em 10. Os tubos 10 estão contidos dentro de um evaporador refrigerante 14. Tubos individuais 10a, 10b, e 10c são representativos, para aqueles versados na técnica, potencialmente, centenas de tubos 10 que estão comumente contidos no evaporador 14 do resfriador. Os tubos 10 podem ser garantidos em qualquer forma adequada de modo a executar a invenção como aqui descrita. O evaporador 14 contém um refrigerante de ebulição 15. O refrigerante 15 é passado ao evaporador 14, a partir de um condensador dentro de uma cobertura 18, por meio de uma abertura 20. O refrigerante de ebulição 15 na cobertura 18 encontra-se em duas fases, líquida e vapor. O vapor refrigerante escapa da cobertura do evaporador 18 através de uma saída de vapor 21. Os especialistas no assunto observarão que o vapor refrigerante é enviado a um compressor onde é comprimido a uma temperatura maior e pressão de vapor, para uso na manutenção do ciclo de refrigeração conhecido.

[41] Uma pluralidade de tubos 10a-c de transferência de calor, que são aqui descritos em maiores detalhes, são colocados e suspensos dentro da cobertura 18 em qualquer maneira adequada. Por exemplo, os tubos 10a-c podem apoiar chicanas e assemelhados. Tal construção de um evaporador refrigerante é conhecido no estado da técnica. O meio de resfriamento, geralmente água, entra no evaporador 14 através de uma entrada 21 e dentro de um reservatório de entrada 24. O meio de resfriamento, que entra no evaporador 14 em um estado relativamente aquecido, é passado de um reservatório 24 para uma pluralidade de tubos 10a-c de troca de calor em que o meio de resfriamento entrega seu calor para o refrigerante de ebulição 15.o meio de refrigeração esfriado passa através dos tubos 10a-c e sai dos tubos em um reservatório de saída 27. O meio refrigerante refrescado sai do evaporador 14 através de uma saída 28. Os especialistas no assunto observarão que o exemplo do sistema inundado 14 é um exemplo de um evaporador refrigerante. Diversos tipos de evaporadores são conhecidos e utilizados neste campo, incluindo o evaporador sobre resfriador de absorção e aqueles que usam sistemas de filme descendente. Também será avaliado por especialistas no assunto que a presente invenção é aplicável a resfriadores e evaporadores em geral e que a presente invenção não é limitada a qualquer marca ou tipo de equipamento.

[42] A Fig. 2 é uma vista ampliada, em corte, de um tubo representativo 10. A Fig. 3, que é uma vista ampliada, em corte transversal, do tubo 16 preferido, é imediatamente considerado em linha com a Fig. 2. Inicialmente, na Fig. 2, o tubo 10 define uma superfície externa, geralmente em 30, e uma superfície interna geralmente em 35. A superfície interna contém, de preferência, uma pluralidade de reentrâncias 38. Os especialistas no assunto observarão que a superfície interna do tubo pode ser lisa ou pode ter reentrâncias e sulcos ou, ainda, pode ser, de outra maneira, melhorada. Desta forma, deve ser entendido que a presente modalidade da invenção aqui descrita, enquanto mostra uma pluralidade de reentrâncias, não é um fator limitante da invenção.

[43] Indo para as modalidades exemplares, a reentrância 38 sobre a superfície do tubo interna 35 tem um espaçamento “p”, uma largura “b” e uma altura “e”, cada uma determinada conforme mostra a Fig. 3. O espaçamento “p” define a distância entre as reentrâncias 38. A altura “e” define a distância entre o teto 39 de uma reentrância 38 e a porção mais interna da reentrância 38. A largura “b” é medida na parte mais alta, as bordas de fora das reentrâncias 38 onde se faz contato com o teto 39. Um ângulo helicoidal ”0” é medido do eixo do tubo, como também indicado na Fig. 3. Desta forma, deve ser entendido que a superfície interna 35 do tubo 10 (da modalidade exemplificada) é proporcionada com reentrâncias helicoidais 38 e que essas reentrâncias têm altura e espaçamento predeterminados e estão alinhados em um ângulo helicoidal predeterminado. Tais medidas predeterminadas podem variar conforme se deseja, dependendo de aplicações particulares. Por exemplo, a patente US 3,847,212 de Withers, Jr. relata um número relativamente baixo de reentrâncias, em um espaçamento relativamente grande (0,333 polegadas) e um ângulo helicoidal relativamente grande (51°). Esses parâmetros são preferencialmente selecionados para aumentar o desempenho do tubo. A formação dos aumentos de superfície interior é bem conhecida por especialistas no assunto e não necessita ser descrito em mais detalhes, além dos descritos aqui. Deve ser reconhecido, por exemplo, que a patente US 3,847,212 de Wither, Jr e col. revela um método de formação, e formação dos aumentos da superfície interior.

[44] A superfície externa 30 dos tubos 10 é inicialmente lisa. Desta forma, deve ser entendido que a superfície externa 30 é, depois disso, deformada ou aumentada de modo a prover uma pluralidade de aletas 50 que, por seu turno, fornece, como aqui descrito em detalhes, múltiplos sitios de ebulição nucleados da cavidade dual 55. Enquanto a presente invenção é descrita em detalhes em relação aos poros nucleados da cavidade dual, deve ser entendido que a presente invenção inclui tubos de transferência de calor 10 tendo sitios de ebulição nucleados 55 feitos com mais de duas cavidades. Estes sitios 55, que são tipicamente referidos como cavidades ou poros, incluem aberturas 56 providas sobre uma estrutura do tubo 10, geralmente sobre ou sob a superfície externa 30 do tubo. As aberturas 56 funcionam como pequenos sistemas circulantes que dirigem o líquido refrigerante em uma alça ou canal, permitindo assim o contato do refrigerante com um sítio de nucleação. Aberturas deste tipo são tipicamente feitas por afinamento do tubo, formando, geralmente, ranhuras longitudinais ou ranhuras no ápice das aletas e, então, deformando a superfície externa para produzir áreas achatadas sobre a superfície do tubo. Tendo, porém, canais nas áreas das raízes da aleta.

[45] Voltando em maiores detalhes sobre as Figuras 2 e 3, a superfície externa 30 do tubo 10 é formada para ter uma pluralidade de aletas 50 fornecidas para o mesmo. As aletas 50 podem ser formadas usando-se uma máquina convencional de aletamento de modo compatível com a patente US 4,729,155 de Cunningham e col,, por exemplo. O número de eixos utilizado depende dos fatores de manufatura, como por exemplo, tamanho do tubo, velocidade de um extremo a outro, etc. Os eixos são montados em graus apropriados, incrementados em volta do tubo e cada um é preferivelmente montado num ângulo relativo ao eixo do tubo.

[46] Descrito em ainda mais detalhe e focalizando nas Figuras 7 e 8, os discos de afinamento empurram ou deformam metal sobre a superfície externa 30 do tubo para formar aletas 50 e sulcos relativamente profundos ou canais 52. Como mostrado, os canais 52 são formados entre as aletas 50 e ambos estão geralmente em forma de circunferência em relação ao tubo 10. Como mostrado na Fig. 3, as aletas 50 tem uma altura, que podem ser medidas da porção mais interna 57 de um canal 52 (ou uma fissura) e a superfície mais alta 58 de uma aleta. Além disso, o número de aletas 50 pode variar, dependendo da aplicação. Embora não limitante, uma faixa preferencial da altura da aleta está entre 0,015 e 0,060 polegadas e uma contagem preferida de aletas, por polegada, está entre 40 e 70. Deve ser, então, entendido que a operação de afinamento produz uma pluralidade de primeiros canais 52, conforme mostrado nas Figuras 7 e 8.

[47] Após a formação das aletas, a superfície externa 57 de cada aleta 50 é entalhada de forma a prover uma pluralidade de segundos canais 62. O referido ranhura pode ser realizado usando-se um disco de ranhura (vide referência na patente US 4,729,155, de Cunningham, por exemplo). Os segundos canais 62, que são posicionados em um ângulo relativo aos primeiros canais 20, interconectam-se entre si, conforme mostrado nas Figuras 7 e 8. A operação de ranhura descrita na patente US 5,697,430, é um método apropriado para realizar esta operação de ranhura de tal forma a definir os segundos canais 62, e formar uma pluralidade de ranhuras 64.

[48] Após ranhurar, a superfície externa 57 das aletas 50 são achatadas ou curvadas por meio de um disco de compressão (vide referência na patente US 4,729,155, de Cunningham, por exemplo). Esta etapa achata ou encurva o topo ou cabeças de cada aleta, de modo a criar uma aparência conforme mostrado, por exemplo, nas Figuras 7 e 8. Deve ser entendido que as operações precedentes criam uma pluralidade de poros 70 na interseção dos canais 52 e 62. Estes poros 70 definem sítios de ebulição nucleados e cada um é definido pelo tamanho do poro. Mais particularmente, referindo-se em detalhe à Fig. 3, esta primeira operação de achatamento ou encurvamento forma a cavidade de ebulição nucleada primária 72.

[49] Após o achatamento, as aletas 50 são roladas ou encurvadas uma vez mais por um equipamento de laminação. A operação de laminação exerce uma força cruzada e sobre as cabeças das aletas achatadas 58. As aletas 50 são envergadas e laminadas por uma ferramenta de tal modo a que, pelo menos, parcialmente cubra as ranhuras da aleta 64 e, assim, formem cavidades de ebulição secundárias 74 entre as aletas envergadas 50 e as aletas ranhuradas 64. As cavidades secundárias 74 provêm uma área de aleta extra acima das cavidades 30 para promover mais ebulição convectiva e ebulição de nucleação. Desta forma, formam-se os poros 70, na interseção dos canais 52 e 62. Cada poro 70 tem uma abertura de poro, que é o tamanho da abertura do sítio de ebulição ou nucleação através do qual o vapor escapa. A modalidade preferida da presente invenção define duas cavidades, cavidade primária 72 e cavidade secundária 74, que acentua o desempenho do tubo.

[50] O tubo 10 é preferivelmente entalhado no primeiro canal 52 entre as aletas (“área da raiz da aleta") formando, assim, ranhuras de raiz na superfície da raiz. O ranhuramento é realizado usando-se um disco de ranhuramento de raiz. Embora a ranhura da raiz de uma variedade de formas e tamanhos possa ser realizada na área da raiz da ranhura, prefere-se a formação de ranhuras de raiz tendo geralmente forma trapezoidal. Embora possa ser formado um número qualquer de ranhura de raízes em volta da circunferência de cada sulco 20, pelo menos de 20 a 100, recomenda-se, de preferência, a formação de quarenta e sete (47) ranhuras de raízes por circunferência. Além disso, as ranhuras de raízes 26, têm, preferivelmente, uma ranhura de raiz de profundidade entre 0,0005 e 0,005 polegadas e mais preferivelmente, 0,0028 polegadas.

[51] A intensificação de ambas as superfícies, interior 35 e exterior 30 do tubo 10 aumentam a eficiência global do tubo, pelo aumento tanto dos coeficientes de troca de calor externo (ho) quanto interno (hi) e, desse modo, o coeficiente de troca de calor global (Uo), bem como reduzindo a resistência total de transferência de calor de um lado a outro do tubo ( RT ). Os parâmetros da superfície interna 35 do tubo 10 aumentam o coeficiente de transferência de calor interno (hi), provendo uma área aumentada contra a qual o fluido pode ficar em contato, permitindo, também, ao fluido no interior do tubo 10 um torvelinho quando este atravessa o comprimento do tubo 10. O fluxo do redemoinho tende a manter o fluido em bom contato de transferência de calor com a superfície interna 14 mas evita turbulência excessiva que podería acarretar aumento indesejável na queda de pressão.

[52] Além disso, as ranhuras de raiz da superfície externa 30 do tubo e o encurvamento (oposto ao tradicional achatamento) das aletas 50, facilitam a troca de calor sobre o exterior do tubo e, desse modo, aumentam o coeficiente (ho) de transferência de calor externo. Os ranhuras de raiz aumentam o tamanho e a superfície da área das cavidades de ebulição nucleadas e o número de sitios de ebulição, ajudando a manter a superfície úmida, como resultado das forças de tensão da superfície que ajuda a promover, quando necessário, a ebulição filme. As aletas envergadas resultam em formação de cavidades adicionais (tais como, a cavidade secundária 74) posicionadas sobre cada cavidade primária 50 que pode servir para transferir o calor adicional ao refrigerante e, através da inter-fase de vapor líquido, do surgimento de bolhas de vapor que escapam da cavidade secundária 60 por meio de convecção e/ou ebulição nucleada, dependendo do fluxo de calor e do movimento líquido/vapor sobre a superfície externa do tubo. Como os especialistas no assunto observarão, o coeficiente de ebulição externo é função tanto da duração da ebulição nucleada como de um componente convectivo. Apesar da condição de ebulição nucleada usualmente contribuir, ao máximo, para a transferência de calor, a condição convectiva também é importante e pode se tornar substancial em resfriadores de sistemas inundados.

[53] O tubo 10 da presente invenção supera o tubo descrito na patente US 5,697,430 (designado como Tubo “T-BIII®“,em tabelas e gráficos descritos subseqüentemente) sendo referido, hoje, como o líder de desempenho em evaporadores dentre tubos largamente comercializados. De modo a permitir uma comparação do tubo 10 aperfeiçoado da presente invenção (designado como “Novo Tubo”, subseqüentemente descrito em tabelas e gráficos) com o Tubo T-BIII®, apresenta-se a Tabela 1 que descreve as características tridimensionais do Novo Tubo e do Tubo-BIII®: TABELA 1 CARACTERÍSTICAS DIMENSIONAIS DE TUBOS DE COBRE TENDO REENTRÂNCIAS INTERNAS DE MÚLTIPLAS INICIALIZAÇÃO

[54] A Tabela 2 compara o desempenho dentro do Novo Tubo e do Tubo T-BIII. Ambos os tubos são comparados com taxas de fluxo de água do lado do tubo constante de 5 GPM e temperatura média da água de 50°F. As comparações da Tabela 2 são baseadas em tubos de diâmetro externo de % de polegada. TABELA 2 CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO DO TUBO LATERAL DE TUBOS DE COBRE EXPERIMENTAL TENDO REENTRÂNCIAS INTERNAS DE MÚLTIPLAS INICIALIZAÇÃO

[55] Os dados ilustram a redução da queda de pressão e o aumento da eficiência de transferência de calor encontrados com o Novo Tubo. Como pode ser visto da Tabela 2 e ilustrado graficamente na Fig 11, a proporção entre a queda de pressão Ape/Aps) relativa ao tubo liso, numa proporção de fluxo constante de 5 GPM, para o Novo Tubo, é de aproximadamente 5% menos que para o Tubo T-BIII. Também da Tabela 2 e, graficamente ilustrado na Fig. 10, pode-se ver que a proporção do Número Stanton (Ste/Sts) do Novo Tubo é de aproximadamente 2% maior que para o Tubo T-BIII®. A queda de pressão e os quocientes do Numero de Stanton podem ser combinados num quociente total de transferência de calor para queda de pressão e é definido como “índice de eficiência” (η), que é uma medida total de transferência de calor para queda de pressão comparada com tubo liso. Em 5 GPM, o índice de eficiência n para o Novo Tubo é de 0,82 e para o Tubo T-BIII® é de 0,78, resultando em aproximadamente 5% de aperfeiçoamento com o Novo Tubo, como graficamente ilustrado na Fig. 9, nesse GPM. Em GPM 7 (condições de operação usual), pode ser obtido um aperfeiçoamento percentual maior.

[56] A Tabela 3 compara os desempenhos exteriores do Novo Tubo e o Tubo T-BIII®. Os tubos são de oito pés de comprimento, sendo cada um deles suspensos separadamente em uma piscina de refrigerante em temperatura de 58,3 Fahrenheit. O quociente de fluxo da água é mantido constante em 5,3 pés/s e a temperatura de entrada da água é tal que a média do fluxo de calor para todos os tubos é mantida em 7000 Btu/h pés2, que é constante. Os tubos são feitos de cobre, tendo um diâmetro de % de polegada de diâmetro externo, e tendo a mesma espessura de parede. Todos os testes são realizados sem qualquer presença de óleo no refrigerante. TABELA 3 CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO EXTERNO E GLOBAL DOS TUBOS DE COBRE EXPERIMENTAIS TENDO REENTRÂNCIAS INTERNAS DE MÚLTIPLA INICIALIZAÇÃO

[57] A Fig. 11 é um gráfico que compara o coeficiente de transferência de calor global Uo, em refrigerante HFC-134a em fluxos de calor variáveis Q/Ao, para Novo Tubo e Tubo T-BIII®. Em fluxo de calor de 7.000 (Btu/h pés2), o aumento do Novo Tubo sobre o Tubo T-BIII® é de 15% em taxa de fluxo de água de 5 GMP (também mostrado na Tabela 3).

[58] O precedente é fornecido com o objetivo de ilustrar, explicar e descrever as concretizações da presente invenção. Modificações subsequentes e adaptações dessas concretizações serão evidentes, para um especialista no assunto, e podem ser feitas sem partir do espírito da invenção ou o escopo das reivindicações que se seguem. Além disso, um especialista no assunto apreciará que a presente invenção refere-se a uma aleta que tem um único perfil que cria sitios de ebulição nucleados, tendo múltiplas cavidades, tais como, cavidade dual. A presente invenção fornece este perfil único sem utilizar qualquer metal para criar o poro, fornecendo, então, um método de manufatura aperfeiçoado de formação de um tubo aperfeiçoado de transferência de calor. Também, o uso de um ou mais de tais tubos em sistemas de inundação resulta em desempenho aperfeiçoado do resfriador em termos de calor transferido. Desta forma, a explicação precedente, a descrição das concretizações preferidas e a invenção estão nas reivindicações em apenso.

Reivindicações

Claims (7)

1. Tubo de transferência de calor adequado para uso em um evaporador refrigerante compreendendo uma superfície externa (30), a referida superfície externa compreendendo uma pluralidade de aletas (50) helicoidais que se estendem radialmente para fora com canais (52) que se estendem entre aletas adjacentes, as referidas aletas sendo modeladas para definir cavidades de ebulição nucleadas primárias (72) e secundárias 74), caracterizado pelo fato de - as aletas serem fissuradas para definir ranhuras (64); - pelo menos um poro nuclear de ebulição (55) ser formado na interseção de uma referida ranhura e um referido canal; - as aletas ranhuradas sendo curvadas tal que as aletas adjacentes formem aberturas de poro que se estendem das referidas cavidades de ebulição nucleadas primárias (72); - e as aletas ainda sendo curvadas de modo a definir as referidas cavidades de ebulição nucleadas secundárias (74).

2. Tubo de transferência de calor (10) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o poro de ebulição nucleado (55) compreender a primeira e segunda cavidades de ebulição nucleadas (72, 74).

3. Tubo de transferência de calor (10) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o tubo (10) ser ranhurado em uma área da raiz dos canais (52) que se estendem entre aletas adjacentes (50).

4. Método de fabricação de um tubo de transferência de calor (10) para contatar um refrigerante e compreender uma superfície interna (35) para contatar um meio frio para ser refrescado, o método compreendendo: a. formar uma pluralidade de reentrâncias helicoidais (38) no lado interno de um tubo; b. formar uma pluralidade de aletas que se estendem radialmente para fora (50) sobre a superfície externa do tubo; o método caracterizado pelas etapas adicionais de: c. ranhurar as referidas aletas (50) d. curvar as referidas aletas (50) para proporcionar uma cavidade de ebulição nucleada primária (72); e e. curvar adicionalmente as referidas aletas para proporcionar uma cavidade de ebulição nucleada secundária (74).

5. Método de fabricação de um tubo de transferência de calor (10) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a etapa (d) de curvar as referidas aletas (50) para proporcionar uma cavidade de ebulição nucleada primária (72) compreende achatar a superfície externa (58) das aletas (50).

6. Método de fabricação de um tubo de transferência de calor (10) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a etapa (e) de curvar adicionalmente as referidas aletas compreende laminar as aletas (50) de modo a exercer uma força cruzada e sobre as cabeças das aletas achatadas.

7. Evaporador refrigerante melhorado (14), caracterizado por compreender: a. uma cobertura (18); b. um refrigerante (15) contido na referida cobertura; e c. pelo menos um tubo de transferência de calor (10) contido na referida cobertura e submerso no referido refrigerante, referido tubo de transferência de calor compreendendo uma superfície externa da forma conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 3.