BRPI0305057B1

BRPI0305057B1 - Tubo de transferência de calor, ferramenta para cortar a superfície interna de um tubo e método para a produção de um tubo

Info

Publication number: BRPI0305057B1
Application number: BRPI0305057-2A
Authority: BR
Inventors: Petur Thors; Nikolai Zoubkov
Original assignee: Wolverine Tube Inc
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2015-07-14
Also published as: ATE412866T1; CN100449248C; US20070124909A1; CN1675513A; DE60317506T2; WO2003104736A1; EP1845327A1; NO20040573L; ES2317624T3; IL165711A; YU12904A; US20100088893A1; EP1845327B1; HK1133072A1; ZA200410239B; ES2292991T3; IL165711A0; PT1845327E; CA2489104A1; DK1516150T3

Description

"TUBO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR, FERRAMENTA PARA CORTAR A SUPERFÍCIE INTERNA DE UM TUBO E MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE UM TUBO".

CAMPO DA INVENÇÃO

Esta invenção se refere a um tubo de transferência de calor possuindo protuberâncias na superfície interna do tubo e a um método e a uma ferramenta para formar as protuberâncias na superfície interna do tubo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Esta invenção se refere a um tubo de transferência de calor possuindo uma superfície interna melhorada para facilitar a transferência de calor de um lado do tubo para o outro. Os tubos de transferência de calor são comumente utilizados em equipamentos tais como, por exemplo, evaporadores inundados, evaporadores em cascata, evaporadores de aspersão, resfriadores de absorção, condensadores, resfriadores de expansão direta e resfriadores e aquecedores de fase única, e utilizados em refrigeração, química, petroquímica e indústria de processamento de alimentos. Para essas aplicações pode ser utilizada uma grande variedade de meios de transferência de calor incluindo, mas não se limitando a, água pura, uma mistura de água e glicol, qualquer tipo de refrigerante (tais como R-22, R-134a, R-123, etc.), amônia, fluidos petroquímicos e outras misturas.

Um tubo de transferência de calor ideal é o que deveria permitir ao calor fluir completamente sem barreiras do interior do tubo para o exterior do tubo e vice-versa. Entretanto, tal fluxo livre de calor através do tubo é geralmente frustrado pela resistência à transferência de calor. A resistência global do tubo à transferência de calor é calculada adicionando-se as resistências individuais do exterior para o interior do tubo ou vice-versa. Para melhorar a eficiência de transferência de calor do tubo, os fabricantes têm se esforçado para descobrir maneiras de reduzir a resistência global do tubo. Uma de tais maneiras é melhorar a superfície externa do tubo, por exemplo, formando aletas sobre a superfície externa. Como um resultado dos avanços recentes em melhorar a superfície externa do tubo (veja, por exemplo, as Patentes US 5,697,430 e US 5,996,686), somente uma pequena parte da resistência global do tubo é atribuída à parte externa do tubo. Por exemplo, um tubo evaporador típico utilizado em um resfriador inundado com uma melhoria da superfície externa mas com uma superfície interna lisa, tipicamente possui uma razão resistência interna:resistência externa de 10:1. Idealmente, quer-se obter uma razão superfície interna para superfície externa de 1:1. Torna-se assim, então, a coisa mais importante, desenvolver melhorias para a superfície interna do tubo que reduzirão significantemente a resistência lateral do tubo e melhorarão o desempenho global de transferência de calor do tubo.

Sabe-se como proporcionar tubos de transferência de calor com entalhes e cristas nas suas superfícies internas. Os entalhes e cristas cooperam para melhorar a turbulência dos meios de transferência de calor dos fluidos, tais como a água, escoados por dentro do tubo. Essa turbulência aumenta a mistura do fluido perto da superfície interna do tubo de modo a reduzir ou virtualmente eliminar o surgimento da camada limite do meio fluido junto à superfície interna do tubo. A resistência térmica da camada limite diminui significantemente o desempenho da transferência de calor, aumentando a resistência do tubo à transferência de calor. Os entalhes e cristas também fornecem uma área superficial extra para uma troca de calor adicional. A premissa básica é ensinada na Patente US 3,847,212 depositada para Withers, Jr., et al. 0 padrão, as formas e os tamanhos dos entalhes e das cristas na superfície interna do tubo podem ser alterados para aumentar também o desempenho da transferência de calor. Com essa finalidade, os fabricantes de tubos têm feito grandes despesas em experimentos com projetos alternativos, incluindo aqueles descobertos nas Patentes US 5,791,405 para Takima et al., US 5,332,034 e 5,458,191 para Chiang et al., e US 5,975,196 para Gaffaney et al.

Geralmente, entretanto, tem se provado que melhorar a superfície interna do tubo é muito mais difícil do que a superfície externa. Além disso, a maioria das melhoras em ambas as superfícies externa e interna dos tubos são formadas por moldagem e conformação das superfícies. Entretanto, têm sido realizadas melhoras cortando-se as superfícies do tubo. 0 Pedido de Patente japonês 09108759 revela uma ferramenta para centralização de lâminas que cortam um entalhe espiral contínuo diretamente sobre a superfície interna de um tubo. Semelhantemente, o pedido de Patente japonês 10281676 revela um tampão de expansão de tubos equipado com ferramentas de corte que corta um entalhe espiral contínuo e levanta uma aleta sobre a superfície interna de um tubo. A patente americana US 3,753,364 revela a formação de um entalhe contínuo ao longo da superfície interna de um tubo utilizando-se uma ferramenta de corte que corta na superfície interna do tubo e dobra o material levantando-o para formar um entalhe contínuo.

Enquanto todos esses projetos de superfície interna de tubos auxiliam a melhorar o desempenho de transferência de calor dos tubos, ainda resta a necessidade da indústria em continuar fazendo melhoras sobre os projetos dos tubos através da modificação dos já existentes e criando novos projetos que melhorem o desempenho da transferência de calor. Adicionalmente, também existe uma necessidade de se criar projetos e padrões que possam ser transferidos para os tubos mais rapidamente e a menores custos. Tal como descrito abaixo, os depositantes desenvolveram novas geometrias para os tubos de transferência de calor bem como ferramentas para formar aquelas geometrias que, como resultado, possuem um desempenho melhorado de transferência de calor.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Essa invenção fornece uma superfície melhorada de um tubo de transferência de calor e um método para sua formação que pode ser utilizado para melhorar o desempenho de tubos de transferência de calor utilizados em pelo menos todas as aplicações acima citadas (isto é, evaporadores inundados, evaporadores em cascata, evaporadores de aspersão, resfriadores de absorção, condensadores, resfriadores de expansão direta e resfriadores e aquecedores de fase única, e utilizados em refrigeração, química, petroquímica e indústria de processamento de alimentos). A superfície interna do tubo é melhorada com uma pluralidade de protuberâncias que reduzem significante a resistência lateral do tubo e melhoram o desempenho global de transferência de calor. As protuberâncias criam caminhos adicionais para o fluxo do fluido dentro do tubo e, dessa forma, melhoram a turbulência dos meios de transferência de calor que estão fluindo dentro do tubo. Isso aumenta a mistura do fluido para reduzir o surgimento da camada limite do meio fluido próximo da superfície interna do tubo, tal surgimento aumentando e resistência e, desse modo, impedindo a transferência de calor. As protuberâncias também fornecem uma área superficial extra para troca de calor adicional. A conformação das protuberâncias de acordo com esta invenção pode resultar na formação de até cinco vezes mais área superficial ao longo da parede interna do tubo com cristas. Os testes mostram que o desempenho dos tubos possuindo as protuberâncias desta invenção fica significantemente melhorado. 0 método desta invenção inclui a utilização de uma ferramenta, que pode ser facilmente adicionada em um equipamento de fabricação existente, possuindo uma extremidade de corte para cortar cristas através da superfície interna do tubo e criar camadas de cristas e uma extremidade de levantamento para levantar as camadas de cristas de modo a formar as protuberâncias. Desse modo, as protuberâncias são formadas sem a remoção de metal da superfície interna do tubo, eliminando dessa forma os resíduos que podem danificar o equipamento no qual os tubos estejam sendo utilizados. As protuberâncias da superfície interna do tubo podem ser formadas na mesma ou em uma operação diferente da formação das cristas.

Os tubos formatos de acordo com este pedido podem ser adequados a quaisquer números de aplicações, incluindo, por exemplo, aplicações para utilização em aquecimento, ventilação e condicionamento de ar, refrigeração, química, petroquímica, e na indústria de processamento de alimentos. As geometrias físicas das protuberâncias podem ser alteradas para adaptar o tubo para uma aplicação e um meio fluido particulares. É um objetivo desta invenção proporcionar tubos melhorados para transferência de calor. É um outro objetivo desta invenção proporcionar um tubo melhorado de transferência de calor possuindo protuberâncias na sua superfície interna. É ainda um outro objetivo desta invenção proporcionar um método para a formação de um tubo melhorado para transferência de calor possuindo protuberâncias na sua superfície interna. É um objetivo adicional desta invenção proporcionar uma ferramenta inovadora para a formação dos tubos melhorados de transferência de calor. É ainda um objetivo adicional desta invenção proporcionar uma ferramenta para a formação de protuberâncias na superfície interna dos tubos de transferência de calor.

Estas e outras características, objetivos e vantagens desta invenção, se tornarão aparentes pela leitura da seguinte descrição detalhada das modalidades preferidas, tomadas em conjunto com os desenhos.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS A FIG.la é uma vista fragmentada em perspectiva da superfície interna parcialmente formada de uma modalidade de um tubo desta invenção. A FIG.lb é uma vista lateral em perfil do tubo mostrado na FIG.la na direção da seta "a". A FIG.lc é uma vista lateral em perfil similar à da FIG.lb, exceto pelo fato de que as protuberâncias se elevam em uma direção que não é perpendicular ao eixo "s" do tubo. A FIG.ld é uma vista frontal em perfil do tubo mostrado na FIG.la na direção da seta "b". A FIG.le é uma vista superior dos tubos mostrados na FIG.la. A FIG.2 é uma fotomicrografia da superfície interna de uma modalidade de um tubo desta invenção. A FIG.3 é uma fotomicrografia da superfície interna de uma modalidade alternativa de um tubo desta invenção. A FIG.4 é uma vista lateral em perfil de uma modalidade do equipamento de fabricação que pode ser utilizado para produzir tubos de acordo com esta invenção. A FIG.5 é uma vista em perspectiva do equipamento da FIG.4. A FIG.6a é uma vista em perspectiva de uma modalidade da ferramenta desta invenção. A FIG.6b é uma vista lateral em perfil da ferramenta mostrada na FIG.6a. A FIG.6c é uma vista inferior da ferramenta da FIG.6b. A FIG.6d é uma vista superior da ferramenta da FIG.6b. A FIG.7a é uma vista em perspectiva de uma modalidade alternativa da ferramenta desta invenção. A FIG.7b é uma vista lateral em perfil da ferramenta mostrada na FIG.7a. A FIG.7c é uma vista inferior da ferramenta da FIG.7b. A FIG.7d é uma vista superior da ferramenta da FIG.7b. A FIG.8a é uma vista fragmentada em perspectiva da superfície interna parcialmente formada de uma modalidade alternativa de um tubo desta invenção onde a profundidade do corte através das cristas é menor do que a altura helicoidal da crista. A FIG.8b é uma vista fragmentada em perspectiva da superfície interna parcialmente formada de uma modalidade alternativa de um tubo desta invenção onde a profundidade do corte através das cristas é maior do que a altura helicoidal da crista. A FIG.9a é uma vista superior fragmentada da superfície interna de uma outra modalidade de um tubo de acordo com esta invenção. A FIG. 9b em uma vista em perfil do tubo mostrado na FIG.9a na direção da seta 22. A FIG.10a é uma vista fragmentada de uma superfície interna de um tubo desta invenção, mostrando a ferramenta se aproximando da crista na direção "g" para cortar uma protuberância da crista na direção "g". A FIG.lOb é uma vista fragmentada de uma superfície interna alternativa de um tubo desta invenção, mostrando a ferramenta se aproximando da crista na direção "g" para cortar uma protuberância da crista na direção "g". A FIG.lla é um desenho esquemático da superfície interna de um tubo de acordo com esta invenção mostrando a orientação angular entre as cristas e os entalhes, segundo a qual as cristas e os entalhes estão em direções espirais opostas. A FIG.llb é um desenho esquemático da superfície interna de um tubo de acordo com esta invenção mostrando a orientação angular entre as cristas e os entalhes, segundo a qual as cristas e os entalhes estão na mesma direção espiral. A FIG.12 é um gráfico de barras comparando os coeficientes de transferência de calor da lateral de vários tubos existentes na técnica e dos tubos de acordo com desta invenção. A FIG.13 é um gráfico de barras comparando os coeficientes globais de transferência de calor de vários tubos existente na técnica anterior e dos tubos de acordo com esta invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS

As FIGS.la-e mostram a superfície interna 18 parcialmente formada de uma modalidade do tubo 21 desta invenção. A superfície interna 18 inclui uma pluralidade de protuberâncias 2. As protuberâncias 2 são formadas a partir das cristas 1 formadas na superfície interna 18. As cristas 1 são primeiro formadas na superfície interna 18. As cristas 1 são então cortadas para criar camadas de cristas 4, que são posteriormente levantadas para formar as protuberâncias 2 (melhor vistas nas FIGS la e lb) . Esse corte e levantamento pode ser, mas não deve ser, realizado pela utilização da ferramenta 13, mostrada nas FIGS. 6a-d e 7a-d e descritas abaixo.

Deve ser entendido que um tubo de acordo com esta invenção é geralmente útil em, mas não limitado a, qualquer aplicação onde seja necessário transferir calor de um lado para o outro do tubo, tal como em evaporadores de fase única ou de múltiplas fases (tanto líquidos ou gases puros ou misturas líquido/gás). Embora a discussão seguinte forneça as dimensões desejáveis para um tubo desta invenção, os tubos dessa invenção não devem ser de modo algum compreendidos por estarem limitados àquelas dimensões. Em vez disso, as geometrias desejáveis para os tubos, incluindo as protuberâncias 2, dependerão de diversos fatores, não sendo as propriedades do fluido fluindo através do tubo os fatores menos importantes. Qualquer um versado na técnica entenderá como alterar a geometria da superfície interna do tubo, incluindo a geometria das cristas 1 e das protuberâncias 2, para maximizar a transferência de calor do tubo utilizado em várias aplicações e com vários fluidos.

As cristas 1 são formadas na superfície interna 18 em um ângulo espiral "a" em relação ao eixo "s" do tubo (veja FIGS. Ia e le) . 0 ângulo espiral "a" pode ser qualquer ângulo entre 0o e 90°, mas preferivelmente não exceder os 70°. Qualquer um versado na técnica entenderá rapidamente em que o ângulo espiral "a" preferido freqüentemente dependerá, pelo menos em parte, no meio fluido utilizado. A altura "er" das cristas 1 geralmente deve ser maior quanto mais viscoso for o líquido fluindo através do tubo 21. Por exemplo, uma altura "er" maior do que zero (preferivelmente, mas não necessariamente, no mínimo 0,003 cm (0,001 polegada)) até 25% no diâmetro interno do tubo (Di) será geralmente desejável em uma amostra de tubo utilizado com uma mistura água/glicol para aplicações em baixas temperaturas. Para o propósito desta aplicação, Di é o diâmetro interno do tubo 21 medido a partir da superfície interna 18 do tubo 21. 0 pico axial Pa,r das cristas 1 depende de muitos fatores, incluindo o ângulo espiral "a", o número de cristas 1 formadas na superfície interna 18 do tubo 21, e o diâmetro interno Di do tubo 21. Como pode ser utilizado qualquer pico Pa,r, a razão Pa,r/er é preferivelmente no mínimo 0,002, e a razão er/Di está preferivelmente entre aproximadamente 0,001 e 0,25.

Novamente, entretanto, qualquer um versado na técnica compreenderá rapidamente que esses valores preferidos de razão freqüentemente dependerão, pelo menos em parte, do meio fluido utilizado e das condições operacionais (por exemplo, a temperatura do meio fluido).

As camadas de cristas 4 são cortadas em um ângulo "Θ" em relação ao eixo "s" que está preferivelmente entre aproximadamente 20° e aproximadamente 50°, inclusive, e mais preferivelmente em torno dos 30°. O pico axial Pa,p das protuberâncias 2 pode ser qualquer valor maior do que zero e geralmente dependerá, entre outros fatores, das revoluções por minuto relativas entre a ferramenta (discutido abaixo) e o tubo durante a fabricação, da taxa de alimentação axial relativa entre a ferramenta e o tubo durante a fabricação, e do número de pontas fornecidas na ferramenta utilizada para formar as protuberâncias durante a fabricação. Como as protuberâncias 2 resultantes podem ter quaisquer espessuras Sp, a espessura Sp é preferivelmente de aproximadamente 20 a 100% do pico Pa,p. A altura "ep" das protuberâncias 2 é dependente da profundidade do corte "t" (tal como o visto nas FIGS. lb, 8a e 8b) e do ângulo "Θ" em que as camadas de cristas 4 são cortadas. A altura "ep" das protuberâncias 2 é preferivelmente um valor de no mínimo tão grande quanto à profundidade do corte "t" até três vezes a profundidade do corte "t". É preferível, mas não necessário, formar cristas 1 de uma altura "er" e ajustar o ângulo de corte "Θ" para um valor que resultará na altura "ep" das protuberâncias 2, sendo no mínimo aproximadamente o dobro da altura "er" das cristas 1. Assim, a razão de ep/Di está preferivelmente entre aproximadamente 0,002 e 0,5 (isto é, ep/Di é o dobro da faixa preferida para a razão er/Di de aproximadamente 0,001 e 0,25) .

As FIGS. Ia e lb mostram uma profundidade de corte "t" em igual à altura "er" das cristas 1 de modo que a base 40 das protuberâncias 2 está localizada na superfície interna 18 do tubo 21. A profundidade de corte "t", entretanto, não necessita ser igual à altura da crista "er". Em vez disso, as cristas 1 podem ser cortadas somente parcialmente através das cristas 1 (veja FIG. 8a) ou mais além da altura das cristas 1 e para dentro da parede do tubo 3 (veja FIG. 8b) . Na FIG. 8a, as cristas 1 não são cortadas pelo comprimento total de suas alturas "er" de modo que a base 40 das protuberâncias 2 está posicionada mais distante da superfície interna 18 do tubo 21 do que a base 42 das cristas 1, que está localizada na superfície interna 18. Em contraste, a FIG. 8b ilustra uma profundidade de corte "t" de mais que a altura da crista "er", de modo que pelo menos uma parede das protuberâncias 2 se estenda por dentro da parede do tubo 3, para além da superfície interna 18 e da base 42 da crista.

Quando as camadas de cristas 4 são levantadas, são formados entalhes 20 entre duas protuberâncias 2 adjacentes. As camadas de cristas 4 são cortadas e levantadas de modo que os entalhes 20 estejam orientados na superfície interna 18 em um ângulo "x", em relação ao eixo "s" do tubo 21 (ver FIGS. le, 11a e 11b), que é preferivelmente, mas que não tem a obrigatoriedade de sê-lo, de aproximadamente 80° a aproximadamente 100°. 0 formato das protuberâncias 2 é dependente do formato das cristas 1 e da orientação das cristas 1 em relação à direção do movimento da ferramenta 13. Na modalidade das FIGS. la-e, as protuberâncias 2 possuem quatros superfícies laterais 25, uma superfície superior inclinada 26 (que auxilia a diminuir a resistência da transferência de calor), e uma ponta substancialmente aguda 28. Não se pretende por nenhum modo que as protuberâncias 2 desta invenção sejam limitadas por esta modalidade ilustrada, entretanto, em vez disso, elas podem ser formadas em qualquer formato. Além disso, as protuberâncias 2 no tubo 21 não necessitam ser todas do mesmo formato ou terem a mesma geometria.

Se a orientação das protuberâncias 2 é reta (ver FIG. 10a) ou dobrada ou torcida (ver FIG. 10b) depende do ângulo "β" formado entre as cristas 1 e a direção do movimento "g" da ferramenta 13. Se o ângulo "β" for menor do que 90°, as protuberâncias 2 terão uma orientação relativamente reta , tal como é mostrado na FIG. 10a. Se o ângulo "β" for menor do que 90°, as protuberâncias 2 terão uma orientação mais curvada e/ou mais torcida, tal como, por exemplo, é mostrado na FIG. 10b.

Durante a fabricação do tubo 21, a ferramenta 13 pode ser utilizada para cortar através das cristas 1 e levantar as camadas de cristas 4 resultantes para formar as protuberâncias 2. Entretanto, podem ser utilizados outros dispositivos ou métodos para a formação das protuberâncias 2. A ferramenta 13 pode ser feita de qualquer material que possua a integridade estrutural para suportar o corte do metal (por exemplo: aço, carbeto, cerâmica, etc), mas é preferivelmente feita de um carbeto. As modalidades da ferramenta 13 mostradas nas FIGS. 6a-d e 7a-d geralmente possuem um eixo "q" da ferramenta, duas paredes de base 30, 32 e uma ou mais paredes laterais 34. A abertura 16 está localizada através da ferramenta 13. As pontas 12 são formadas nas paredes laterais 34 da ferramenta 13. Note, entretanto, que as pontas podem ser montadas ou formadas em quaisquer estruturas que possam suportar as pontas na orientação desejada em relação ao tubo 21 e tais estruturas não estão limitadas àquelas reveladas nas FIGS. 6a-d e 7a-d. Além disso, as pontas podem ser retráteis para dentro da estrutura que as suporta de modo que o número de pontas utilizado em um processo de corte possa ser facilmente variado.

As FIGS.6a-d ilustram uma modalidade da ferramenta 13 possuindo uma única ponta 12. As FIGS. 7a-d ilustram uma modalidade alternativa da ferramenta 13 possuindo quatro pontas 12. Qualquer um experiente na técnica entenderá que a ferramenta 13 pode ser equipada com qualquer número de pontas 12 dependendo do pico Pa,p desejado para as protuberâncias 2. Além disso, a geometria de cada ponta não necessita ser a mesma para as pontas em uma única ferramenta 13. Em vez disso, as pontas 12 possuem diferentes geometrias para formar protuberâncias possuindo diferentes formas, orientações e outras geometrias podendo ser fornecidas na ferramenta 13.

Cada ponta 12 é formada pela interseção dos planos A, B e C. A interseção dos panos A e B formam as extremidade de corte 14 que cortam através das cristas 1 para formar as camadas de cristas 4. 0 plano B é orientado em um ângulo "φ" relativo ao plano perpendicular ao eixo "q" da ferramenta (veja FIG.6b). 0 ângulo "φ" é definido como 90o-Θ. Dessa forma, o ângulo "φ" está preferivelmente entre aproximadamente 40° e aproximadamente 70°, para permitir que a extremidade cortante 14 possa fatiar através das cristas 1 no ângulo "Θ" desejado, entre aproximadamente 20° e aproximadamente 50°. A interseção dos planos A e C formam as extremidades de levantamento 15 que levantam verticalmente as camadas de cristas 4 para formar as protuberâncias 2. 0 ângulo "φι" definido pelo plano C e um plano perpendicular ao eixo "q", da ferramenta, determina o ângulo da inclinação "co" (o ângulo entre o plano perpendicular ao eixo longitudinal "s" do tubo 21 e o eixo longitudinal das protuberâncias 2 (veja FIG.lc)) no qual as protuberâncias 2 são levantadas pela extremidade de levantamento 15. 0 ângulo φι é igual ao ângulo o, e assim o ângulo φι na ferramenta 13 pode ser ajustado para ir diretamente de encontro ao ângulo de inclinação co das protuberâncias 2. 0 ângulo de inclinação ω (e o ângulo φι) é preferivelmente o valor absoluto de qualquer ângulo entre aproximadamente -45° até 45°, relativo ao plano perpendicular ao eixo longitudinal "s" do tubo 21. Nesse sentido, as protuberâncias podem ser alinhadas com o plano perpendicular ao eixo longitudinal "s" do tubo 21 (veja FIG. lb) ou inclinado para a esquerda e direita em relação ao plano perpendicular do eixo longitudinal "s" do tubo 21 (veja FIG. lc) . Além disso, as pontas 12 podem ser formadas para possuir geometrias diferentes (isto é, o ângulo φι pode ser diferente em pontas diferentes), e assim, as protuberâncias 2 dentro do tubo 21 podem ser inclinadas em ângulos diferentes (ou não de todo) e em direções diferentes relativas ao plano perpendicular no eixo longitudinal "s" do tubo 21.

Embora já tenham sido identificadas as faixas preferidas de variação dos valores das dimensões físicas das protuberâncias 2, qualquer versado na técnica reconhecerá que as dimensões físicas da ferramenta 13 podem ser modificadas para ir de encontro às dimensões físicas das protuberâncias 2 resultantes. Por exemplo, a profundidade "t" com que a extremidade de corte 14 corta as cristas 1 e o ângulo "φ" afetam a altura "ep" das protuberâncias 2. Dessa forma, a altura "ep" das protuberâncias 2 podem ser ajustadas utilizando a expressão: Ou, considerando-se que φ = 90 — Θ, Onde: "t" é a profundidade do corte; "φ" é um ângulo entre o plano B e o plano perpendicular ao eixo "q" da ferramenta; e "Θ" é o ângulo em que as camadas de cristas 4 são cortadas em relação ao eixo longitudinal "s" do tubo 21. A espessura "Sp" das protuberâncias 2 depende do pico "Pa,p" das protuberâncias 2 e do ângulo φ.

Consequentemente, a espessura "Sp" pode ser ajustada utilizando se a expressão: Ou, considerando-se que φ = 90 — Θ, Onde: "Pa,p" é o pico axial das protuberâncias 2; "φ" é um ângulo entre o plano B e o plano perpendicular ao eixo "q" da ferramenta; e "Θ" é o ângulo em que as camadas de cristas 4 são cortadas em relação ao eixo longitudinal "s" do tubo 21.

As FIGS. 4 e 5 ilustram uma possível montagem de fabricação para melhoria das superfícies do tubo 21. Essas figuras não devem, de modo algum, serem entendidas para limitar o processo pelo qual os tubos são fabricados de acordo com esta invenção, mas em vez disso podem ser utilizados quaisquer processos de fabricação de tubos com quaisquer equipamentos ou configurações adequados. Os tubos desta invenção e podem ser feitos de uma grande variedade de materiais possuindo propriedades físicas adequadas, incluindo integridade estrutural, maleabilidade e plasticidade, tais como, por exemplo, cobre e ligas de cobre, alumínio e ligas de alumínio, bronze, titânio, aço e aço inoxidável. As FIGS. 4 e 5 ilustram três eixos 10 operando no tubo 21 para melhorar a superfície externa do tubo 21. Note que um dos eixos 10 foi omitido da FIG. 4. Cada eixo 10 inclui a montagem de uma ferramenta possuindo discos de aletamento 7 que extrudam radialmente de uma a múltiplas aletas externas iniciais 6 que possuem um pico axial Pa,o- A montagem da ferramenta pode incluir discos adicionais, tais como discos cortantes e aplainantes, para melhorar também a superfície externa do tubo 21. Além disso, embora estejam sendo mostrados três eixos 10, mais ou menos eixos podem ser utilizados dependendo das melhorias desejadas na superfície externa. Note, entretanto, que dependendo da aplicação do tubo, não há necessidade de se fazer qualquer melhoria na superfície externa do tubo 21.

Em um exemplo de um modo de melhorar a superfície interna 18 do tubo 21, um mancai de mandril 11 no qual o mandril 9 é montado de modo rotativo, se estende por dentro do tubo 21. A ferramenta 13 é montada no mancai 11 através da abertura 16. Os parafusos 24 seguram a ferramenta 13 em seu lugar. A ferramenta 13 é preferivelmente travada em rotação com o mancai 11 por quaisquer meios adequados. As FIGS. 6d e 7d ilustram um encaixe de entalhe 17 que pode ser feito na ferramenta 13 para travar com uma protuberância no mancai 11 (não mostrada) para fixar a ferramenta 13 em seu local relativo ao mancai 11.

Na operação, o tubo 21 geralmente gira enquanto se move através do processo de fabricação. A parede 3 do tubo se move entre o mandril 9 e os discos de aletamento 7, que exercem pressão sobre a parede 3 do tubo. Sob pressão, o metal da parede do tubo 3 escorre formando entalhes entre os discos de aletamento 7 para formar as aletas 6 na superfície externa do tubo 21. A imagem espelhada em um padrão de superfície interna desejada é fornecida no mandril 9, de modo que o mandril 9 formará a superfície interna 18 do tubo 21 com o padrão desejado conforme o tubo 21 se acople no mandril 9. Um padrão desejável de superfície interna inclui as cristas 1, tal como mostrado nas FIGS. Ia e 4. Após a formação das cristas 1 na superfície interna 18 do tubo 21, o tubo 21 encontra a ferramenta 13 posicionada de modo adjacente e o mandril 9 na continuação do processo. Tal como explicado anteriormente, a(s) extremidade(s) de corte 14 da ferramenta 13 corta(m) através das cristas 1 para formar as camadas de cristas 4. A(s) extremidade(s) de elevação 15 da ferramenta 13 levanta(m) então as camadas de cristas 4 para formar as protuberâncias 2.

Quando as protuberâncias 2 são formadas simultaneamente com o aletamento externo e a ferramenta 13 é fixada (isto é, não gira nem se move axialmente), o tubo 21 gira automaticamente e possui um movimento axial. Nesse caso, o pico Pa,p axial das protuberâncias é governado pela seguinte fórmula: Onde: Pa<0 é o pico axial das aletas externas 6; Z0 é o número de aletas iniciais no diâmetro externo do tubo 21; e Zi é o número de pontas 12 na ferramenta 13.

Para se obter um pico axial específico Pa,p da protuberância, a ferramenta 13 também pode ser girada. Ambos, o tubo 21 a ferramenta 13, podem ser girados no mesmo sentido ou, alternativamente, tanto o tubo 21 quanto a ferramenta 13 podem girar, porém em sentidos contrários. A rotação necessária (em revoluções por minuto (rpm)) para se obter um pico axial ParP pré-determinado, pode ser calculada utilizando-se a seguinte fórmula: Onde: RPMtubo é a freqüência de rotação do tubo 21;

Pa,0 é o pico axial das aletas externas 6; Z0 é o número de aletas iniciais no diâmetro externo do tubo 21;

Pa,p é o pico axial desejado das protuberâncias 2;

Za é o número de pontas 12 na ferramenta 13.

Se o resultado deste cálculo for negativo, então a ferramenta 13 deveria girar no mesmo sentido do tubo 21 para se obter o pico Pa,p desejado. Alternativamente, se o resultado desse cálculo for positivo, então a ferramenta 13 deveria girar no sentido oposto do tubo 21 para se obter o pico Pa,p desejado.

Note que embora a formação das protuberâncias 2 esteja sendo mostrada na mesma operação de formação das cristas 1, as protuberâncias 2 podem ser produzidas em uma operação separada do aletamento utilizando-se um tubo com cristas internas 1 pré-formadas. Isso geralmente necessitaria de uma montagem para girar a ferramenta 13 ou o tubo 21 e mover a ferramenta 13 ou o tubo 21 ao longo do eixo do tubo. Além disso, um suporte é preferencialmente fornecido para centralizar a ferramenta 13 em relação à superfície interna 18 do tubo.

Nesse caso, o pico axial Pa,p das protuberâncias 2 é governado pela seguinte fórmula: Onde: Xa é a velocidade axial relativa entre o tubo 21 e a ferramenta 13 (distância/tempo); RPM é a freqüência relativa de rotação entre a ferramenta 13 e o tubo 21;

Pa,p é o pico axial desejado das protuberâncias 2;

Zi é o número de pontas 12 na ferramenta 13.

Esta fórmula é adequada quando (1) o que tubo se move somente na direção axial (isto é, não gira) e somente a ferramenta gira (isto é, não se move a axialmente) ; (2) o tubo somente gira e a ferramenta somente se move axialmente; (3) a ferramenta gira e se move axialmente mas o tubo está fixado tanto no giro quanto no movimento axial; (4) o tubo gira e se move axialmente mas a ferramenta está fixada tanto no giro quanto no movimento axial; e (5) quaisquer das combinações acima.

Com a superfície interna do tubo desta invenção, são criados caminhos adicionais para o fluxo do fluido (entre as protuberâncias 2 através dos entalhes 20) para otimizar a transferência de calor e a queda de pressão. A FIG. 9a ilustra esses caminhos adicionais 22 para a passagem do fluido através do tubo 21. Esses caminhos 22 são criados entre as cristas 1 em adição aos caminhos 23 de passagem do fluido. Esses caminhos adicionais 22 possuem um ângulo espiral "Οίχ" em relação ao eixo "s" do tubo. O ângulo "αχ" é o ângulo entre as protuberâncias 2 formado a partir das cristas 1 adjacentes. A FIG. 9b mostra claramente esses caminhos adicionais 22 formado entre as protuberâncias 2. O ângulo e espiral "αχ", e consequentemente a orientação dos caminhos 22 através do tubo 21, podem ser ajustadas ajustando-se o pico Pa,p das protuberâncias 2 utilizando-se a seguinte expressão: πϋί. (tan(a) +tan(ai))+ Pa,r-tan(a) .tan(ai) . Ζχ Onde: P3; r é o pico axial das cristas 1; α é o ângulo das cristas para o eixo do tubo "s"; αχ é o ângulo espiral desejável entre as protuberâncias 2;

Zi é o número de pontas 12 na ferramenta 13.

Di é o diâmetro interno do tubo medido a partir da superfície interna 18 do tubo 21;

Se o ângulo espiral "a" da crista e o ângulo "τ" dos entalhes 20 forem ambos de espiral destrógira ou levógira (veja FIG. 11b), então o sinal deverá ser de utilizado na expressão acima. Alternativamente, se o ângulo espiral "a" da crista e o ângulo "τ" dos entalhes 20 forem de sentidos espirais opostos (veja FIG. 11a), então o sinal " [+]" deverá ser de utilizado na expressão acima.

Os tubos fabricados de acordo com esta invenção apresentam uma melhor qualidade de desempenho que os tubos existentes. As FIGS. 12 e 13 ilustram graficamente a melhoria de desempenho de dois exemplos de tais tubos (tubos de ebulição, Tubo N° 25 e Tubo N° 14) demonstrando as diferenças dos fatores de melhoria entre esses tubos. O fator de melhoria é o fator pelo qual os coeficientes de transferência de calor (de ambos os lados do tubo (veja FIG. 12) e o global (veja FIG. 13)) desses novos tubos (Tubo N° 25 e Tubo N° 14) multiplica o fator dos tubos existentes (Turbo B®, Turbo B-II® e Turbo B-III®). Novamente, entretanto, os tubos número 25 e 14 são somente exemplos de tubos de acordo com esta invenção. Outros tipos de tubo fabricados de acordo com esta invenção apresentam uma melhor qualidade de desempenho que os tubos existentes em uma grande variedade de aplicações.

As características físicas dos tubos Turbo B®, Turbo B-II® e Turbo B-III® estão descritas nas Tabelas 1 e 2 da patente US 5,697,430 para Thors, et al. 0 Turbo B® é referido como Tubo II; o Turbo B-II® é referido como Tubo III; e o Turbo B-III® é referido como Tubo IVH. As superfícies externas do Tubo N°25 e do Tubo N°14 são idênticas a do Turbo B-III®. As superfícies internas do Tubo N°25 e do Tubo N°14 estão de acordo com esta invenção e incluem as seguintes características físicas: Além disso, a ferramenta utilizada para formar as protuberâncias nos Tubos N° 25 e 14 possuía as seguintes características: A FIG. 12 mostra que os coeficientes de transferência de calor lateral são, do Tubo N°14 aproximadamente 1,8 vezes, e do Tubo N°25 aproximadamente 1,3 vezes, maiores que o do Turbo B-III®, que é atualmente o tubo de uso mais popular em aplicações para evaporadores e que foi mostrado como sendo a linha de base nas FIGS. 12 e 13. Do mesmo modo,a FIG. 13 mostra que os coeficientes globais de transferência de calor são, do Tubo N°25 aproximadamente 1,25 vezes, e do Tubo N°14 aproximadamente 1,5 vezes, maiores que o do Turbo B-III®.

As informações anteriores são fornecidas com o propósito de ilustrar, de explicar, e de descrever modalidades desta invenção. Modificações e adaptações adicionais a essas modalidades serão evidentes para aqueles que são versados na técnica e poderão ser feitas sem que se afaste do escopo ou do espírito desta invenção.

Claims

1. Tubo de transferência de calor, compreendendo uma superfície interna (18), uma superfície externa e um eixo longitudinal (s), em que o tubo compreende uma pluralidade de protuberâncias de superfície (2) formada a partir de cristas (1) formadas ao longo da superfície do tubo em um ângulo relativo ao eixo longitudinal (s), em que pelo menos algumas da pluralidade de protuberâncias (2) projetam-se da superfície interna em uma direção que não é substancialmente perpendicular ao eixo longitudinal, caracterizado pelo fato de as protuberâncias (2) serem formadas por: - corte através das cristas (1) a uma profundidade de corte (t) para formar as camadas das cristas (4), e elevação das camadas das cristas para formar protuberâncias (2) possuindo uma altura de protuberância, espessura de protuberância, e um pico de protuberância.

2. Tubo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de outras da pluralidade de protuberâncias (2) se estenderem da superfície interna (18) em uma direção substancialmente perpendicular a um eixo longitudinal (s).

3. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de pelo menos alguma da pluralidade de protuberâncias (2) ser dobrada e/ou torcida.

4. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a protuberância (2) possuir uma altura que é um valor não maior que três vezes a profundidade do corte (t).

5. Tubo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a profundidade do corte (t) ser menor que ou aproximadamente igual a altura da crista.

6. Tubo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a profundidade de corte (t) ser maior que a altura da crista.

7. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de pelo menos uma da pluralidade de protuberâncias (2) possuir uma altura que é um valor pelo menos tão grande quanto a profundidade de corte (t).

8. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de a crista (1) ser cortada em um ângulo entre aproximadamente 20° e 50°, preferível e aproximadamente 30°, em relação ao eixo longitudinal (s) do tubo.

9. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de a crista (1) ser formada ao longo da superfície interna (18) em um ângulo de não mais que 70° em relação ao eixo longitudinal (s).

10. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de a razão do tubo (21) dentro do diâmetro (Di), em relação à altura da crista (1) ser na faixa de 0,001 a 0,25, inclusive.

11. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de a crista (1) possuir altura de pelo menos 0,025 mm.

12. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de ainda compreender uma pluralidade de cristas (1) espaçadas em um pico axial, em que a razão do pico axial da crista em relação à altura da crista é pelo menos 0,002.

13. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de a altura da crista ser maior que ou igual que a profundidade de corte (t).

14. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4 ou 6 a 13, caracterizado pelo fato de a protuberância (2) compreender pelo menos uma parede que se estende para dentro da superfície interna (18) do tubo através da base (42) da crista (1).

15. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de a razão da altura de cada protuberância (2) em relação ao diâmetro interno do tubo (Dj.) estar entre aproximadamente 0,002 e 0,5.

16. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de a protuberância (2) compreender pelo menos três superfícies laterais (25) e uma superfície superior (26).

17. Tubo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de a superfície superior (26) ser inclinada.

18. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17, caracterizado pelo fato de a protuberância (2) possuir uma ponta substancialmente aguda (28).

19. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de a pluralidade de protuberâncias (2) possuir um pico e em que a espessura de cada uma das ditas protuberâncias plurais estar entre aproximadamente 20% e aproximadamente 100% do pico da protuberância.

20. Tubo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 19, caracterizado pelo fato de ainda compreender ainda entalhes (20) formados entre a pluralidade de protuberâncias em um ângulo entre aproximadamente 80° e 100° em relação ao eixo longitudinal do tubo.

21. Ferramenta para cortar a superfície interna de um tubo, caracterizado pelo fato de compreender um eixo da ferramenta (q) e pelo menos uma ponta (12) formada pela interseção de pelo menos um primeiro plano, um segundo plano, e um terceiro plano e possuir uma extremidade de corte (14) e uma extremidade de elevação (15).

22. Ferramenta da reivindicação 21, caracterizada pelo fato de a ferramenta compreender pelo menos um carbeto, aço e cerâmica.

23. Ferramenta, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de a extremidade de corte (14) ser formada pela interseção entre o primeiro plano e o segundo plano.

24. Ferramenta de acordo com a reivindicação 23, caracterizada pelo fato de o segundo plano ser orientado em um ângulo entre aproximadamente 40° e aproximadamente 70° em relação ao plano perpendicular ao eixo da ferramenta.

25. Ferramenta, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de a extremidade de elevação (15) ser formada pela interseção do primeiro plano e do terceiro plano.

26. Ferramenta, de acordo com a reivindicação 25, caracterizada pelo fato de o terceiro plano ser orientado em um ângulo relativo ao plano perpendicular ao eixo da ferramenta (q).

27. Ferramenta, de acordo com a reivindicação 26, caracterizada pelo fato de o ângulo ser zero.

28. Ferramenta, de acordo com a reivindicação 26, caracterizada pelo fato de o ângulo não ser zero.

29. Ferramenta, de acordo com a reivindicação 28, caracterizada pelo fato de o ângulo não ser mais do que aproximadamente 45°.

30. Ferramenta, de acordo com a reivindicação 21, caracterizada pelo fato de pelo menos uma ponta compreender mais do que uma ponta.

31. Ferramenta, de acordo com a reivindicação 24, caracterizada pelo fato de pelo menos uma ponta compreender pelo menos duas pontas e o ângulo do segundo plano em relação ao plano perpendicular ao eixo da ferramenta de pelo menos duas das pelo menos duas pontas não ser igual.

32. Ferramenta, de acordo com a reivindicação 26, caracterizada pelo fato de pelo menos uma ponta compreender pelo menos duas pontas e o ângulo do terceiro plano relativo ao plano perpendicular ao eixo da ferramenta de pelo menos duas pontas não ser igual.

33. Método para a fabricação de um tubo, possuindo uma superfície interna e um eixo longitudinal caracterizado pelo fato de compreender: a) cortar através de pelo menos uma crista (1) formada ao longo da superfície interna do tubo em uma profundidade de corte (t) e em um ângulo em relação ao eixo longitudinal para formar camadas de cristas (4); e b) levantar as camadas de cristas para formar uma pluralidade de protuberâncias (2), em que pelo menos algumas da pluralidade da pluralidade de protuberâncias sejam pelo menos parcialmente torcidas.

34. Método, de acordo com a reivindicação 33, caracterizado pelo fato de pelo menos alguma da pluralidade de protuberâncias (2) se estender da superfície (18) em uma direção que não é substancialmente perpendicular ao eixo longitudinal (s).

35. Método, de acordo com a reivindicação 34, caracterizado pelo fato de outras da pluralidade de protuberâncias (2) se estenderem da superfície (18) em uma direção substancialmente perpendicular ao eixo longitudinal (s) .

36. Método, de acordo com as reivindicações 31 a 35, caracterizado pelo fato de cada uma da pluralidade de protuberâncias (2) possuir uma altura que é um valor não maior que três vezes a profundidade de corte (t).

37. Método, de acordo com as reivindicações 31 a 36, caracterizado pelo fato de o tubo (21) possuir um diâmetro interno (Di) e cada uma da pluralidade de protuberâncias possuir uma altura, em que a razão da altura de cada protuberância em relação ao diâmetro interno do tubo está entre aproximadamente 0,002 e 0,5.

38. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 31 a 37, caracterizado pelo fato de o tubo (21) ainda compreender entalhes (20) formados entre a pluralidade de protuberâncias em um ângulo entre aproximadamente 80° e 100° em relação ao eixo longitudinal (s) do tubo (21).

39. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 31 a 38, caracterizado pelo fato de pelo menos uma crista (1) ser cortada através dé um ângulo entre aproximadamente 20° e 50° em relação ao eixo longitudinal (s) do tubo (21).

40. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 31 a 39, caracterizado pelo fato de pelo menos uma crista possuir uma altura de crista e uma profundidade de corte (t) aproximadamente igual à altura de crista.

41. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 31 a 40, caracterizado pelo fato de pelo menos uma crista possuir uma altura de crista e a profundidade de corte (t) diferente da altura de crista.

42. Método de fabricação de um tubo possuindo uma superfície (18) e um eixo longitudinal (s), caracterizado pelo fato de compreender o uso de uma ferramenta possuindo pelo menos uma ponta de ferramenta (i) para cortar com pelo menos uma ponta de ferramenta através de pelo menos uma crista (1) formada ao longo da superfície do tubo a uma profundidade de corte (t), e em um ângulo em relação ao eixo longitudinal para formar camadas de cristas e (ii) para levantar para cima, com o pelo menos uma ponta de ferramenta, as camadas de cristas em relação à superfície do tubo (18) para formar uma pluralidade protuberâncias ao longo de pelo menos uma crista e entalhes secundários estendendo-se entre e conectando-se aos entalhes primários adjacentes entre os quais pelo menos uma crista se estende, em que pelo menos alguma da pluralidade de protuberâncias se projeta da superfície em uma direção que não é substancialmente perpendicular ao eixo longitudinal.

43. Método de acordo com a reivindicação 42, caracterizado pelo fato de a ponta (12) da ferramenta compreender uma extremidade de corte (14) para cortar através de pelo menos uma crista (1) e uma extremidade de elevação (15) para levantar as camadas de cristas.

44. Método de acordo com a reivindicação 42, caracterizado pelo fato de a pluralidade de protuberâncias (2) ser formada na superfície interna do tubo.

45. Método de acordo com a reivindicação 43, caracterizado pelo fato de a outra pluralidade de protuberâncias se estender da superfície em uma direção substancialmente perpendicular ao eixo longitudinal (s) .

46. Método, de acordo com a reivindicação 42, caracterizado pelo fato de pelo menos uma crista (1) possuir uma altura de crista e uma profundidade de corte (t) aproximadamente igual à altura da crista.

47. Método, de acordo com a reivindicação 42, caracterizado pelo fato de pelo menos uma crista possuir uma altura de crista e uma profundidade de corte (t) diferentes da altura de crista.

48. Método, de acordo com a reivindicação 42, caracterizado pelo fato de pelo menos alguma da pluralidade de protuberâncias compreender uma superfície superior inclinada.

49. Método, de acordo com a reivindicação 42, caracterizado pelo fato de pelos menos alguma da pluralidade de protuberâncias compreender uma ponta aguda.