BRPI0808399A2

BRPI0808399A2 - Veículo grande

Info

Publication number: BRPI0808399A2
Application number: BRPI0808399-1A
Authority: BR
Inventors: Johan Nilsson
Original assignee: Vehtec Ab
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2008-03-03
Publication date: 2014-07-08
Also published as: US20100032130A1; EP2114709A1; WO2008108726A1; EP2114709A4

Description

“VEÍCULO GRANDE” Escopo técnico da invenção

A invenção refere-se a um veículo grande, motorizado e equipado com um ou mais aquecedores para aquecer o compartimento de passageiro no veículo. Formas particulares de execução da invenção referemse a um veículo grande, com pelo menos um aquecedor, que é aquecido com líquido refrigerante quente do motor do veículo.

Fundamentos da invenção

Em veículos motorizados grandes, é comum que o líquido refrigerante do motor do veículo seja usado para aquecer o compartimento de passageiro. Isto, por exemplo, é comum em ônibus, vagões de trem, ou barcos, e similares. O motor é geralmente um motor a combustão, por exemplo, um motor diesel. O líquido refrigerante quente é conduzido, normalmente, através de tubulações para o elemento de aquecimento, localizado em uma posição apropriada no compartimento de passageiro.

O elemento de aquecimento é localizado, geralmente, ao longo das paredes do compartimento de passageiro, logo acima do nível do assoalho. Este posicionamento toma possível aquecer e secar a área do assoalho próxima ao elemento de aquecimento. Esta é uma operação desejada quando passageiros, por meio de seus calçados, trazem água, ou neve etc. para o compartimento de passageiro. O aquecimento e a secagem da área do assoalho são conseguidos, primariamente, com a ajuda de radiação do elemento de aquecimento. A colocação do elemento de aquecimento ao longo da parede, logo acima do assoalho, também toma possível aquecer o ar frio e mais pesado ao nível do assoalho, de modo que o ar flua ascendentemente para além do elemento de aquecimento e janelas, em direção ao teto do compartimento de passageiro: Esta é uma operação desejada que provê melhor aquecimento do volume de ar no compartimento de passageiro. O aquecimento do ar no compartimento de passageiro ocorre, primariamente, via convecção a partir do elemento de aquecimento. A Figura Ia é um diagrama esquemático de um tipo de elemento de aquecimento 100 usado freqüentemente para aquecer o compartimento de passageiro em veículos grandes, por exemplo, em ônibus, vagões de trem, barcos, e similares, com espaço para numerosos passageiros. A figura Ia mostra o elemento de aquecimento 100 visto em sua direção longitudinal. O elemento de aquecimento 100 consiste de uma tubulação circular 110 para o fluxo direto de água quente do motor do veículo. Numerosos flanges 120 são montados sobre a tubulação 110 para aumentar a produção de calor do elemento de aquecimento 100. Os flanges 120 são feitos principalmente de discos circulares de metal que se estendem perpendicularmente para fora da tubulação 110, de modo que a tubulação 110 esteja localizada no centro de cada flange 120. Os flanges 120 não precisam ser circulares. Os flanges podem, por exemplo, ser quadrados, retangulares, ou mais irregulares. A Figura Ib é um diagrama esquemático do elemento de aquecimento 100, na Fig. Ia, visto de lado.

Os flanges 120 e a tubulação 110 no tipo de elemento de aquecimento 100, como ilustrado nas Figs. Iae lb, podem, por exemplo, ser unidos ou soldados à tubulação 110. Alternativamente, os flanges 120 podem montados sobre a tubulação 110 frouxamente, depois do que a tubulação 110 é expandida de modo que os flanges 120 se tomem fixados. A expansão pode ser conseguida, por exemplo, inserindo-se uma haste de metal através da tubulação 110. O método é bem conhecido dentro do campo técnico e não exige uma descrição detalhada. Como ficará provavelmente claro desta descrição resumida, a fabricação de um elemento de aquecimento, consistindo de uma ou mais tubulações nas quais os flanges são montados, demanda métodos complicados, caros e consumidores de tempo.

Além disso, o elemento de aquecimento do tipo ilustrado nas Figs. Iae Ib é pouco adequado para grandes veículos. Por exemplo, em geral, o número de flanges significa que a produção de calor para o elemento de aquecimento é demasiado elevada para prover uma distribuição de calor uniforme por todo o compartimento de passageiro. Isto tem o efeito de ser emitido muito calor do elemento de aquecimento quando fluidos quentes 5 fluem para o elemento (por exemplo, na parte traseira do ônibus perto do motor de aquecimento), enquanto muito pouco calor é emitido quando o líquido quente tiver sido transportado por uma distância no elemento de aquecimento e tenha se resfriado (por exemplo, na parte dianteira do ônibus, mais distante do motor). Isto não é desprezível em veículos grandes, onde o 10 compartimento de passageiro pode ter 5m de comprimento ou mais e, freqüentemente, IOm de comprimento ou mais, e algumas vezes, 15m ou mais. Além disso, uma tubulação padrão tem uma área de seção transversal total limitada que pode ser usada para transferir calor da tubulação. A tubulação também provê, pela mesma razão, um volume limitado para o 15 transporte de água quente, o que restringe a quantidade de energia a uma temperatura de água específica e a um fluxo específico que pode ser transportado para o elemento de aquecimento. A área de seção transversal restritiva também provê uma resistência ao fluxo relativamente elevada. Deve ser enfatizado que uma tubulação rodeada por flanges - por exemplo, como a 20 tubulação 110 com os flanges 120 nas Figs. la-lb, ou similar - atua como um aquecedor transferidor de calor, uma vez que falta ao dispositivo as áreas pretendidas para irradiar o calor para o compartimento de passageiro do veículo.

A luz das desvantagens mostradas pelo elemento de 25 aquecimento para veículos grandes, há a necessidade de um veículo grande que aloje um elemento de aquecimento aperfeiçoado para aquecer o compartimento de passageiros no veículo. Este tipo de elemento de aquecimento deveria apresentar uma boa produção de calor para a vizinhança, via radiação, por exemplo, para aquecer e secar o assoalho do compartimento de passageiro do veículo, mas, também, via convecção para aquecer o ar no compartimento de passageiro. É igualmente preferível que o elemento de aquecimento tenha um projeto básico com poucas partes componentes, o que significa aperfeiçoamentos em relação à fabricação e resistência do elemento 5 de aquecimento. Além disso, é preferível que o elemento de aquecimento apresente uma resistência ao fluxo relativamente baixa e um maior volume para transportar água quente.

Sumário da invenção

Um propósito da presente invenção é prover um veículo 10 grande equipado com um elemento de aquecimento aperfeiçoado para aquecer o compartimento de passageiro do veículo. O elemento de aquecimento aperfeiçoado apresenta uma boa produção de calor para as vizinhanças tanto via uma boa radiação, quanto uma boa convecção. O elemento de aquecimento aperfeiçoado também tem um projeto básico e robusto com 15 poucas partes componentes. A simplicidade e as poucas partes provêem aperfeiçoamentos em relação à fabricação do elemento de aquecimento. Além disso, as formas de execução da presente invenção apresentam uma resistência ao fluxo baixa e um volume aperfeiçoado para o transporte de água quente.

Pelo menos uma parte do propósito acima mencionado é

conseguida de acordo com um primeiro aspecto da invenção, que provê um veículo grande alojando um compartimento de passageiros equipado com pelo menos um elemento de aquecimento longo, projetado para prover calor aos passageiros no respectivo compartimento. O elemento de aquecimento 25 compreende pelo menos dois canais exotérmicos adaptados para encerrar um fluxo de fluido quente, por exemplo, o líquido refrigerante quente do motor do veículo. O elemento de aquecimento também compreende pelo menos uma seção intermediária exotérmica que liga os dois canais acima mencionados, de modo que os canais e a seção intermediária se estendam primariamente paralelos um ao outro.

Um segundo aspecto da invenção está voltado em direção a um veículo grande compreendendo as características do primeiro aspecto e do qual se distingue pelo fato do elemento de aquecimento ter uma largura que 5 corresponde, primariamente, à largura do mais largo dos canais.

Um terceiro aspecto da invenção está voltado em direção a um veículo grande compreendendo as características do primeiro aspecto e do qual se distingue pelo fato de pelo menos um dos canais acima mencionado ter, primariamente, uma forma elíptica. Um canal de forma elíptica provê a 10 possibilidade de se obter uma área de seção transversal maior, em comparação com a de um canal circular, em particular, a largura do elemento de aquecimento é usada mais eficientemente.

Um quarto aspecto da invenção está voltado em direção a um veículo grande compreendendo as características do primeiro aspecto e do 15 qual se distingue pelo fato da seção intermediária no elemento de aquecimento acima mencionado compreender pelo menos um canal intermediário oco principal que se estende ao longo do elemento de aquecimento. O canal intermediário oco na seção intermediária significa que menos material é exigido para a fabricação do elemento de aquecimento, em 20 comparação a quando um canal intermediário sólido é usado.

Um quinto aspecto da invenção está voltado em direção a um veículo grande compreendendo as características do primeiro aspecto e do qual se distingue pelo fato da seção intermediária no elemento de aquecimento acima mencionado consistir de uma primeira seção lateral 25 conectada a um primeiro lado dos canais e uma segunda seção lateral conectada a um segundo lado primariamente oposto dos canais. A ocorrência de duas seções laterais provê uma maior produção de calor.

Um sexto aspecto da invenção está voltado em direção a um veículo grande compreendendo as características do terceiro aspecto e do qual se distingue pelo fato do canal intermediário, no elemento de aquecimento acima mencionado, ser arranjado para ser utilizado operacionalmente como um duto de ar para o transporte de ar que é aquecido pelos canais e que é, a seguir, liberado para o compartimento de passageiro.

Um sétimo aspecto da invenção está voltado em direção a um

veículo grande compreendendo as características do primeiro aspecto e do qual se distingue pelo fato do elemento de aquecimento acima mencionado ser fabricado em uma peça. Quando o elemento de aquecimento é fabricado em uma peça, ele provê maior resistência e um processo de fabricação mais 10 simples comparado aos elementos de aquecimento fabricados de diversas peças diferentes.

Um oitavo aspecto da invenção está voltado em direção a um veículo grande compreendendo as características do sétimo aspecto e do qual se distingue pelo fato do mencionado elemento de aquecimento acima mencionado ser extrusado.

Um nono aspecto da invenção está voltado em direção a um veículo grande compreendendo as características do primeiro aspecto e do qual se distingue pelo fato do elemento de aquecimento acima mencionado ser fabricado de alumínio.

Benefícios adicionais da presente invenção e formas

resultantes de execução serão evidentes da descrição detalhada a seguir.

Deve ser enfatizado que os termos "compreendido/ compreendendo", nos casos em que são usados nesta descrição, denotam a ocorrência de características, número, etapa, ou componente, ou similares 25 estabelecidos. Entretanto isto não exclui a ocorrência, ou, adição de uma ou mais de outras características, números, etapa, ou componentes, ou similares. Descrição resumida dos desenhos

A Figura Ia é uma vista terminal esquemática de um tipo conhecido do elemento de aquecimento 100 para aquecimento de compartimentos de passageiro em veículos grandes.

A Figura Ib é uma vista lateral esquemática do elemento de aquecimento 100 naFig. Ia.

A Figura 2 mostra um veículo grande exemplifícativo na forma de um ônibus 200 equipado com numerosos elementos de aquecimento 300.

A Figura 3a mostra uma forma preferida de execução do elemento de aquecimento 300.

A Figura 3b mostra as formas preferidas para os canais 310, 320 no elemento de aquecimento 300.

A Figura 3c mostra uma seção transversal do elemento de aquecimento 300 na Fig. 3a ao longo da interseção A-A.

A Figura 4 mostra o elemento de aquecimento 300 e um distribuidor 400 o qual, no estado instalado, permite o influxo e/ou efluxo de fluido quente para, e/ou do elemento de aquecimento 300.

A Figura 5 mostra um canal circular na Fig. 3b.

A Figura 6 mostra um canal elíptico na Fig. 3b.

A Figura 7 mostra um diagrama esquemático do elemento de aquecimento 300 (à direita) equipado com aletas de resfriamento 500 (à esquerda).

Descrição detalhada das principais formas de execução

A Figura 2 mostra, esquematicamente, um veículo grande exemplifícativo sob a forma um ônibus 200, de acordo com uma forma de execução da presente invenção. O ônibus tem espaço para numerosos 25 passageiros, por exemplo, mais de quatro passageiros, ou mais de seis passageiros: Como é bem conhecido, ônibus para transporte público podem, por exemplo, acomodar 50 passageiros sentados, ou mais. Alguns ônibus podem mesmo acomodar mais de 100 passageiros sentados, o que é, por exemplo, o caso de alguns ônibus articulados. A presente invenção pode, beneficamente, ser implementada nestes tipos de ônibus e em outros veículos grandes com espaço para numerosos passageiros.

O ônibus 200, mostrado esquematicamente na Fig. 2, está desenhado com linhas tracejadas para indicar que a invenção se refere ao 5 interior do compartimento de passageiro 210 do ônibus e não ao corpo externo e outras partes externas do ônibus 200.

Como mostrado na Fig. 2, o compartimento de passageiros 210

r

do ônibus 200 está equipado com vários elementos de aquecimento 300. E preferível que o elemento de aquecimento 300 seja alimentado com líquido 10 refrigerante quente do motor que propulsiona o ônibus 200. Outras fontes de calor para a água de aquecimento, ou outros fluidos apropriados, podem ocorrer naturalmente, por exemplo, fontes de calor energizadas eletricamente ou fontes de calor energizadas a gasolina ou diesel e outros tipos de dispositivos de aquecimento.

O elemento de aquecimento 300 fica posicionado,

principalmente, ao longo da parede externa, abaixo da janela 220, no compartimento de passageiro 210. Mais precisamente, é preferível que o elemento de aquecimento 300 seja arranjado logo acima do assoalho no compartimento de passageiro 210. Além disso, é preferível que o elemento de 20 aquecimento 300 se estenda principalmente paralelo com o assoalho no, compartimento de passageiro 210. Em uma forma muito preferida de execução, o elemento de aquecimento 300 se estende ao nível dos pés ou das canelas dos passageiros, ou ligeiramente mais acima. A Figura exemplificativa 2 mostra diversos elementos de aquecimento 300 conectados 25 em série, um após o outro. O elemento de aquecimento 300 pode, por exemplo, ser interconectado com tubulações, ou mangueiras, ou elementos de canal similares,

Para uma pessoa experiente na técnica, é bem conhecido que ônibus - de acordo com o descrito acima - são geralmente equipados com elementos de aquecimento alimentados com o líquido refrigerante quente do motor do ônibus, onde os elementos são arranjados ao longo de uma das paredes externas do ônibus de modo que se estendam primariamente paralelos com o assoalho no compartimento de passageiro, ao nível do pé dos 5 passageiros sentados. Em outras palavras, isto não precisa ser mais explicado.

De acordo com o explicado acima com referência às Figs. Iae lb, ônibus com elementos de aquecimento conhecidos apresentam várias desvantagens. Por exemplo, tipicamente, o elemento de aquecimento contém vários componentes diferentes para sua montagem, o que resulta em uma 10 produção complicada, cara, consumidora de tempo. Além disso, faltam ao elemento de aquecimento superfícies projetadas para a radiação de calor para o compartimento de passageiro.

A presente invenção supre um veículo grande com elementos de aquecimento para aquecer o compartimento de passageiro no veículo, onde 15 o elemento de aquecimento tem um projeto muito simples e robusto, com poucas partes componentes, ao mesmo tempo em que apresenta uma boa produção de calor para a vizinhança, tanto por radiação, quanto por convecção. Além disso, as formas de execução do elemento de aquecimento apresentam baixa resistência ao fluxo e volume maior para transporte de 20 fluido quente do motor do veículo ou de outra fonte de calor no veículo. Entre outros, isto toma o elemento de aquecimento, de acordo com a invenção, mais apropriado para veículos grandes do que os elementos de aquecimento usados até agora em veículos grandes.

Voltando à Fig. 2, pode ser estabelecido que o compartimento 25 de passageiro 210 no ônibus 200 tenha 5m de comprimento ou, mais freqüentemente, IOm de comprimento ou mais, e não é incomum, 15m ou mais. A Figura 2 mostra vários elementos de aquecimento 300 posicionados um após o outro ao longo de uma parede extema no compartimento de passageiro 210. O comprimento do elemento de aquecimento é, portanto, menor do que o comprimento do compartimento de passageiro 210. Dois ou mais elementos de aquecimento 300 podem ter o mesmo comprimento. Entretanto, não há nada que impeça que alguns ou todos os elementos de aquecimento 300 tenham comprimentos diferentes. Em outras formas de 5 execução, o ônibus 200 pode ser equipado com elemento de aquecimento 300 que se estenda ao longo de todo o compartimento de passageiro, ou seja, o elemento de aquecimento pode ter 5m de comprimento ou mais, IOm de comprimento ou mais e até 15m de comprimento ou mais. O compartimento de passageiro em veículos grandes menores, com espaço para poucos 10 passageiros - por exemplo, com espaço para seis passageiros ou mais - pode, por exemplo, ter 3m de comprimento ou mais, e o elemento de aquecimento 300 pode então, ter cerca de 3m de comprimento ou ser ligeiramente mais curto.

A Figura 3a mostra uma forma preferida de execução do 15 elemento/elementos de aquecimento 300 posicionados no compartimento de passageiro 210 no ônibus 200. O elemento de aquecimento na Fig. 3 contém um primeiro 310 e um segundo canal 320 que são interconectados via seção intermediária 330, de modo que os canais 310, 320 se estendam primariamente paralelos um ao outro. Os canais 310, 320 são adaptados para 20 encerrar um fluxo de fluido quente, principalmente líquido refrigerante quente do motor, no ônibus 200. E preferido que os canais se estendam, primariamente, sobre o mesmo plano, de modo que os canais 310, 320 e a seção intermediária 330 formem uma caixa longa, de forma principalmente retangular. Ainda que dois canais 310, 320 estejam mostrados na Fig. 3a, a 25 presente invenção não está limitada a dois canais. Ao contrário, a invenção pode, por exemplo, compreender três canais e duas seções intermediárias, onde o primeiro e segundo canais são interconectados um ao outro via uma primeira seção intermediária e onde um segundo canal e um terceiro canal são interconectados um ao outro via uma segunda seção intermediária. Mais geralmente, o elemento de aquecimento 300 pode compreender numerosos dutos 310, 320, onde cada par de canais adjacentes 310, 320 é interconectado com uma seção intermediária 330.

A interseção 330 contém, principalmente, uma primeira seção 5 lateral 312 conectada a um primeiro lado longitudinal dos canais 310, 320 e uma segunda seção lateral 332 conectada a um segundo lado longitudinal, primariamente oposto, dos canais 310, 320. Mais precisamente, as primeira e segunda seções laterais são conectadas aos canais 310, 320 de modo que as seções laterais 312, 322 se estendam entre os canais 310, 320 principalmente 10 paralelos um ao outro. Cada seção lateral 312, 322 consiste principalmente de uma parte em forma de disco que, com os canais 310, 320, formam pelo menos um canal intermediário oco 333 que se estende primariamente ao longo de todo o elemento de aquecimento 300.

As duas seções laterais 312, 322 provêem estabilidade aperfeiçoada ao elemento de aquecimento e uma produção de calor aperfeiçoada comparada ao caso no qual uma única seção fina em forma de disco 312, 322 tivesse sido usada como seção intermediária. 330. Isto resulta do fato, entre outros, de cada seção lateral 312, 322 apresentar um contato longitudinal contra cada um dos canais 310, 320. Isto provê, no total, quatro contatos longitudinais para a transferência de calor dos canais 310, 320 para as seções laterais 312, 322. Se uma única seção lateral em forma de disco 312, 322 tivesse sido usada, isto proveria um contato longitudinal contra cada um dos canais 310, 320 para transferência de calor dos canais 310, 320 para uma das seções laterais 312, 322, ou seja, de modo geral, apenas dois contatos longitudinais.

O canal intermediário oco 333 na seção intermediária 330 significa que menos material é necessário para fabricar o elemento de aquecimento 330, em comparação ao caso no qual um canal intermediário sólido tenha sido usado. Uma vez que os canais 310, 320 são interconectados usando uma seção intermediária 333, maior estabilidade e resistência são obtidas, em comparação ao caso no qual duas ou mais tubulações separadas ou canais similares foram usadas. Este seria o caso, mesmo que duas tubulações separadas fossem mantidas juntas com a ajuda de flanges, através 5 dos quais as tubulações estejam estendidas.

O elemento de aquecimento 300 é fabricado, principalmente, em uma peça única pela extrusão de um metal, por exemplo, alumínio. Outros métodos e/ou materiais condutores de calor podem ocorrer.

Em uma forma de execução da presente invenção o canal intermediário 333 pode ser usado como um duto de ar, através do qual ar por exemplo, ar frio exterior ao compartimento de passageiro 210 - pode ser transportado e aquecido pelo fluido quente nos canais 310, 320 para, a seguir, fluir para o compartimento de passageiro 210. O ar aquecido pode, por exemplo, fluir para o compartimento de passageiro 210 através de pequenos furos, ou guias transpassantes, similares (não mostrados) em um, ou ambos os lados das seções 312, 322. Alternativamente, ou como um complemento, o ar aquecido pode fluir através de uma extremidade aberta do canal intermediário 333 que, então, deve ser deixada aberta. De maneira semelhante, pode ser levado ao elemento de aquecimento 300, via uma extremidade do canal intermediário 333, ou via furos diretamente no lado do canal intermediário 333.

Como já mencionado acima, é preferido que os canais 310, 320 formem um elemento de aquecimento 300 longo que tome, principalmente, a forma de uma caixa de forma retangular. É igualmente 25 preferido que a altura H esteja, aproximadamente, no intervalo de 100-140mm e que a largura B esteja no intervalo de 15-50mm. É ainda mais preferível que a largura B seja menos de 1/7 da altura H. Entretanto, a largura B pode ser menor do que 1/5 da altura H, ou menor do que 1/4 da altura H, ou mesmo, menor do que 1/3 da altura H. Além dos canais 310, 320 e da seção intermediária 330 - como é evidente na Fig. 3a, o elemento de aquecimento 300 pode ser equipado com formas diferentes de dispositivos espaçadores 340 ou similares, que podem criar, por exemplo, um espaçamento entre o elemento de aquecimento 300 e a 5 parede no compartimento de passageiro 210 do ônibus 200. De forma similar, o elemento de aquecimento 300 pode ser equipado com tipos diferentes de dispositivos de fixação (não mostrados) que podem ser arranjados, por exemplo, para fixar o elemento de aquecimento 300 no compartimento de passageiro 210.

Os canais 310, 320 no elemento de aquecimento 300 têm,

principalmente, uma superfície interna regular, ou seja, uma área com um mínimo de propensão à fratura, por exemplo, sob a forma de cantos aguçados, ou similares, que ocorrem, por exemplo, em canais retangulares. Superfícies regulares sem indicações de fratura aumentam a resistência, o que é 15 particularmente vantajoso em relação ao veículo, uma vez que tensões mecânicas no veículo em movimento são significativamente maiores do que, por exemplo, em edifícios ou estruturas estacionárias similares.

Em uma forma de execução da presente invenção, os interiores dos canais 310, 320 são principalmente circulares, como mostrado à esquerda, 20 na Fig. 3b. Os canais 310, 320 podem, igualmente, adotar outras formas regulares que consistem de partes de superfícies circulares ou curvadas de outra forma, às quais faltem indicações de fratura. E evidente, pela Fig. 3b, que um canal de forma circular tem diâmetro d.

Entretanto, é preferido que os canais 310, 320 no elemento de 25 aquecimento 300 sejam substancialmente elípticos, como mostrado na Fig. 3a e, à direita na Fig. 3b. É evidente, pela Fig. 3b, que um canal elíptico tem a largura d e a altura D. Nas formas de execução onde os canais 310, 320 são não apenas elípticos, mas, primariamente, elipses perfeitas, d corresponde ao eixo curto da elipse e D é o eixo longo da elipse. A menos que afirmado expressamente de outra maneira, ou que seja evidente do contexto, o diâmetro do círculo d e a largura da elipse d denotam a "largura" do canal 310, 320. De modo similar, o diâmetro do círculo d e a altura da elipse D denotam a "altura” do canal 310, 320.

5 Nas formas de execução da invenção, como ilustrado nas Figs.

3a e 3b, um canal de forma circular 310, 320, ou um canal elíptico 310, 320 com a largura d, abrange toda a largura B do elemento de aquecimento 300. De maneira similar, é preferido que um canal de forma circular com a altura d, ou um canal de forma elíptica com a altura D abranja menos de 1/3 da 10 altura H do elemento de aquecimento, ou menos de 1/4 da altura H do elemento de aquecimento.

A figura 3 c mostra uma seção transversal do elemento de aquecimento 300, na Fig. 3a, ao longo da interseção A-A. Uma metade dos canais 310, 320 está apresentada em seção transversal e, de forma similar, em uma seção lateral 312 e é mostrada uma metade do canal intermediário 333.

O elemento de aquecimento 300, que foi descrito acima com referência às Figs. 3a-3c, tem uma largura significativamente menor do que a do tipo de elemento de aquecimento 100 com tubulação 110 e flanges 120, como descritos acima com referência às Figs. la-lb, e que tem sido usado 20 tradicionalmente em ônibus e em outros veículos grandes. O elemento de aquecimento 300, de acordo com a presente invenção, pode, conseqüentemente, ser instalado de modo a não se estender tão distante da parede, no compartimento de passageiro 210 do ônibus 200, como um elemento de aquecimento tradicional 100.

Mesmo que o elemento de aquecimento 300 seja usado agora

sem flanges, os canais 310, 320 e a seção intermediária 330 ainda proverão uma área de radiação térmica suficiente para aquecer o compartimento de passageiro 210 no ônibus 200. Isto é especialmente claro quando a seção intermediária 330 consiste de duas seções laterais de radiação 312, 322, separadas espacialmente, como descrito acima. O elemento de aquecimento 300 é de fabricação simples e barata. Principalmente o elemento de aquecimento 300 é, principalmente, fabricado em uma única peça, por exemplo, através de extrusão. Isto provê um elemento de aquecimento muito 5 forte e robusto 300, bem adequado às tensões mecânicas que ocorrem em um veículo em movimento.

Comparado ao elemento de aquecimento tradicional 100, o elemento de aquecimento 300 é igualmente mais apropriado para aquecer um compartimento de passageiro em veículos grandes, como ônibus e similares. 10 Por exemplo, o número de flanges 120 no elemento de aquecimento tradicional 100 significa geralmente que a produção de calor é demasiado elevada para prover uma distribuição de calor uniforme por todo o compartimento de passageiro. Isto tem o efeito de demasiado calor ser emitido do elemento de aquecimento 100 quando fluido quente flui para o 15 elemento 100 (por exemplo, na parte traseira do ônibus perto do motor de aquecimento), enquanto muito pouco calor é emitido quando o fluido for transportado sobre uma distância no elemento de aquecimento 100 e se resfrie (por exemplo, na parte dianteira do ônibus mais afastada do motor).

Além disso, comparado ao elemento de aquecimento 20 tradicional 100, o elemento de aquecimento 300 é mais adequado para aquecer o compartimento de passageiro em veículos grandes, como ônibus e similares, uma vez que o elemento de aquecimento 300 apresenta dois canais 310, 320 enquanto o elemento de aquecimento tradicional 100 apresenta apenas um canal, ou seja, a tubulação 110. Além disso, a superfície sobre a 25 parte externa da seção lateral 322 atua como um radiador efetivo quando a superfície é arranjada direcionada diretamente em direção ao compartimento de passageiro 210 no ônibus 200. A radiação é efetiva uma vez que há apenas uma parede fina entre os canais 310, 320 com a água quente e o compartimento de passageiro. Na forma preferida de execução, como mostrada nas Figs. 3a3c, os canais 310, 320 no elemento de aquecimento 300 também são principalmente elípticos. Um canal de forma elíptica provê a possibilidade de conseguir uma área de seção transversal maior, em comparação a um canal de forma circular. Em particular, a largura B do elemento de aquecimento 300 é usada mais eficientemente. Um canal elíptico com uma largura específica pode se estender mais em direção ao centro do elemento de aquecimento 300 do que um canal circular com a mesma largura e, ao fazer isso, criar uma área de seção transversal maior sem aumentar a largura B do elemento de aquecimento 300. Desta maneira, a quantidade de energia que, a uma temperatura específica da água e a um fluxo específico, pode ser transportada para o elemento de aquecimento 300, aumenta. Isto,do mesmo modo, provê uma resistência ao fluxo relativamente baixa, o que significa que a bomba exigida para circular o fluido nos canais elípticos pode ser menos potente, se comparada à bomba exigida para os canais circulares.

Abaixo, é mostrado mais detalhadamente que um elemento de aquecimento 300 onde as tubulações (canais 310, 320) têm uma forma elíptica provê uma queda de pressão significativamente mais baixa do que uma tubulação circular (22% da queda de pressão da tubulação cilíndrica). Além 20 disso, a transferência de calor convectiva é entre 38 a 100% maior para a tubulação elíptica do que para a tubulação circular. Em adição, uma movimentação em espiral é criada na tubulação elíptica devido à convecção natural, o que aumenta ainda mais a transferência de calor, em 100%, para a tubulação elíptica. A movimentação em espiral é muito fraca na tubulação 25 circular.

Na Fig. 5 está mostrada uma seção transversal cilíndrica da tubulação em um radiador e, na Fig. 6, está mostrada uma seção transversal elíptica para uma tubulação em um radiador. As tubulações com estas seções transversais foram mostradas previamente na Fig. 3b. A seguir, é provida uma descrição dos fundamentos do por quê da seção transversal elíptica ser mais eficaz do que a circular.

Queda de pressão

De modo a maximizar a transferência de calor entre a água nos 5 canais 310, 320 - ou seja, a tubulação nas Figs. 5-6 - para o ar ambiente, ou para uma possível aleta de resfriamento, é desejável que a espessura t para as partes principalmente verticais das paredes que separam o fluido (por exemplo, água) nas tubulações do ar ambiente, seja tão fina quanto possível e que a área, para as partes principalmente verticais, deva ser tão grande quanto 10 possível. Se a tubulação for elíptica, isto significa que o eixo curto da elipse é selecionado de modo a ser principalmente igual, em tamanho, ao diâmetro da tubulação d, ver Fig. 3b.

Como é bem conhecido, a área da seção transversal para uma elipse Ae e a área da seção transversal para uma tubulação Ar pode ser

descrita pela seguinte relação:

, nDd e , mi2

.-I. = ------- e Ar ■-*..................

4 4 ^

Então, com d, e D = 2d conseguimos que a área da seção transversal para a tubulação elíptica seja duas vezes o tamanho da área da seção transversal da tubulação circular, ou seja, Ae = IAr. Isto significa que a velocidade da água na tubulação circular tem duas vezes o tamanho da 20 velocidade na tubulação elíptica. Com d = 15mm e o fluxo de volume V=7,51/min, a velocidade na tubulação circular será U = 0,71m/s. A queda de pressão será então (ver equação 8.20a em F.P.Incropera and D.P. DeWitt. Fundamentais of Heat and Mass Transfer. John Wiley & Sons, New York, 4a edição, 1996).

rpl’2

Ap= f .............

* " 2d

/ = 0,316 Rej1''4

Red = Ud/v = 0,71x0,015/lxl O'6 = 10600 onde p é a densidade da água. O coeficiente de atrito será f= 0,031 e a queda de pressão por metro será Δρ = 520Palm.

O diâmetro hidráulico para uma elipse pode ser aproximado de

acordo com

(3)

5

Conseguimos, então, Pe = 23,7mm Qdh = 19mm. Isto dá

Rei/ = Udjl /v = 0,35 -0,019)· IO 6 = 6700

A queda de pressão para a elipse será (com U = 0,35m/s) Ap

115Pa/m. Conseqüentemente, a queda de pressão para a tubulação elíptica é apenas 22% (115/520 = 0,22) de queda de pressão para a tubulação cilíndrica.

Transferência de calor

Estimemos, agora, o assim chamado número de Nusselt (ou seja, transferência de calor adimensional por unidade de área). Isso pode ser feito de diferentes maneiras.

Como uma primeira estimativa, o número de Nusselt pode ser calculado de acordo com (ver equação 8.59, em F. P. Incropera and D. P.

DeWitt. Fundamentais of Heat and Mass Transfer. John Wiley & Sons, New York, 4a Edição, 1966)

o número de Reynhold (Rei/) para as tubulações elíptica e cilíndrica for 6700/10600 = 0,63 o número de Nusselt será 31% (0,634/5 = 0,69) menor para a tubulação elíptica, comparada com a cilíndrico.

O número de Nusselt para a tubulação elíptica será:

(5)

onde k é o coeficiente de condução termal da água, h é a constante de troca termal e Pr é o número de Prandtl. Quando a relação entre Uma segunda estimativa refere-se ao fluxo laminar. Para o fluxo laminar tem sido mostrado através de experiências que para uma tubulação elíptica com D/d = 2 o número de Nusselt aumenta, se comparado a uma tubulação circular, (ver página 7-138 em W: H Rosenow e J.P. Hamett. Handbook of Heat Transfer, 1973). Isto indica que não é óbvio que o número de Nusselt caia para uma tubulação elíptica em comparação com uma tubulação cilíndrica.

Na terceira estimativa, aproximamos o fluxo na metade esquerda da tubulação cilíndrica e a tubulação elíptica com uma camada limite. Em uma camada limite, o número de Nusselt é calculado de acordo com (ver equação 7.36-37 em F.P. Incropera and D.P. DeWitt. Fundamentais ofHeat and Mass Transfer. John Wiley & Sons, New York, 4a edição, 1996);

Nux ~ 0,0296 Rc4;Pr1 f 3

S = 0,37*Re;1 5 =» Rts = 0,37Re}'5

onde δ é a espessura da camada limite. Então, temos

hS i11

Nu3 =^ = QfOSReiy Pr k

Para as tubulações cilíndrica e elíptica, ajustamos δ = d/2, ou seja, o número de Nusselt é equalizado em ambos os casos.

Transferência de calor por unidade de comprimento

Na seção acima, estimamos quanto o número de Nusselt muda quando se comuta de uma tubulação com uma seção transversal circular para uma tubulação com uma seção transversal elíptica. Uma das vantagens da seção transversal elíptica é que ela tem uma área maior para as partes mais finas (espessura t) principalmente verticais das paredes que separam a água na tubulação do ar ambiente, ver Fig. 6 Estas paredes correspondem às partes das seções laterais 312, 322 que formam os canais 310, 320 no elemento de aquecimento 300. A terceira estimativa acima leva em consideração o fato da seção transversal elíptica ter uma área maior para as paredes primariamente verticais. A área de transmissão de calor entre a água e o ar, é proporcional a D para a tubulação elíptica, ver Fig. 3b e Fig. 6. Por outro lado, para a

proporcional a d, ver Fig. 3b e Fig. 5. A transferência de calor convectivo por unidade de comprimento entre a água e a superfície da tubulação será então (a equação 8 é usada no primeiro sinal de igual):

onde Tw é a temperatura da parede da tubulação e Tm, é a temperatura bruta da água. Os cálculos na seção acima mostraram que 0,69 < NueUipJNucirc < o que significa que a transferência de calor convectivo por unidade de comprimento para a tubulação elíptica está entre (2 · 0,69 - 1) 100 = 38% e 100% maior do que para a tubulação circular.

Transferência de calor devido à convecção natural Assumimos agora que, na Fig. 6, a água quente flui através da

tubulação no plano do papel. Assumimos, também, que a parede direita está mais quente do que a esquerda. Isto pode ocorrer, por exemplo, quando aletas de resfriamento 500 são arranjadas na parte externa da seção lateral 312, mas não no lado de fora da seção lateral 322, ou seja, as aletas de resfriamento são 20 arranjadas sobre a parede esquerda, mas não sobre a parede direita, como mostrado esquematicamente na Fig. 7. Isto também pode ocorrer quando a parede esquerda é girada em direção à parede externa no compartimento de passageiro 210 no ônibus 200 onde o elemento de aquecimento 300 está arranjado. Durante condições de inverno, a parede externa do veículo pode ser 25 significativamente mais fria do que o ar no interior do veículo, por exemplo, devido ao baixo isolamento termal. Neste contexto, é preferido que a parede

tubulação circular, a área de transmissão de calor entre a água e o ar é

2k

Qeilips= HTffr-TW)D

(9) direita (ou seja, o lado de fora da seção lateral 322) esteja substancialmente voltada diretamente em direção ao compartimento de passageiro 210, no ônibus 200, de modo que a seção 322 possa atuar como um radiador efetivo, sem placas ou outros materiais que impeçam radiação de calor. Da mesma 5 maneira, é preferido que a parede esquerda (ou seja, o lado de fora da seção 312) esteja substancialmente voltada diretamente em direção à parede externa no compartimento de passageiro 210, no ônibus 200, sem placas ou outro material bloqueador de calor entre elas. Entretanto, como mostrado esquematicamente na Fig. 7, podemos ter aletas de resfriamento arranjadas 10 sobre a seção 312. As aletas de resfriamento reforçam a operação do elemento de aquecimento 300 como um aquecedor transferidor de calor, devido ao fluxo de ar quente que se move para cima, passar pelo elemento de aquecimento 300 que está sendo aquecido mais eficientemente, ao mesmo tempo em que o elemento 300 atua como um radiador devido à superfície (o 15 lado de fora da seção 322) que está voltada diretamente em direção ao compartimento de passageiro 210.

A diferença de temperatura entre as duas paredes verticais mais longas da tubulação elíptica na Fig. 6 significa que a densidade da água ao longo da parede direita mais quente é menor do que na parede esquerda 20 mais fria. Devido à convecção natural, isto faz com que a água flua para cima, ao longo da parede direita mais quente, e para baixo, ao longo da parede esquerda mais fria. A direção do fluxo está indicada esquematicamente na Fig. 6 por linhas tracejadas equipadas com setas. Isto resulta em uma movimentação em espiral quando a água flui no plano do papel, ao mesmo 25 tempo em que flui no sentido anti-horário. Esta movimentação em espiral é muito mais forte em uma tubulação elíptica do que em uma tubulação circular, uma vez que o comprimento para as partes verticais das paredes da tubulação elíptica (comprimento D = 2d) é duas vezes o tamanho da tubulação circular (comprimento d). A transferência de calor devido à convecção natural pode ser calculada de acordo com (ver equação 9.50 em F. P. Incropera and D. P. DeWitt. Fundamentais of Heat and Mass Transfer. John Wiley & Sons, New York, 4a Edição, 1966):

Nua = 0,22

Pr

Ralt

D

d

g/KTmomo -Tt^ )D3

----:-Pr

β ~ (095(Tmomo + Tfrio))"1

(10)

onde g, é a aceleração gravitacional (g = 9,81) e as temperaturas Tfrio (parede fria) e Tmorno (parede quente) devem ser em graus Kelvin. Se supusermos que Tfrio = 273 + -253,15°C e Tquente = 273 + -243,15°C temos Nua = 37. Conseqüentemente, foi verificado que a transferência de calor devido à 10 movimentação em espiral é quase tão grande quanto aquela da transferência de calor convectivo(Nudemps), ver equação. (6) acima.

Para resumir o acima, mostramos que o elemento de aquecimento 300, quando as duas tubulações (canais 310, 320) têm uma forma elíptica, ambas provêem uma queda de pressão significativamente 15 menor e uma transferência de calor convectiva maior do que uma tubulação circular. Além disso, se o elemento de aquecimento 300 for arranjado de modo que uma das duas paredes verticais mais finas que separam a água na tubulação do ar ambiente, tome-se significativamente mais fria do que a outra parede, cria-se uma movimentação em espiral na tubulação elíptica devido à 20 convecção natural, o que aumenta ainda mais a transferência de calor.

Ônibus conhecidos e outros veículos grandes conhecidos não são equipados com este elemento de aquecimento 300 eficiente e sólido como descrito acima, que, além disso, pode ser fabricado fácil e inexpensivamente em peça única através de, por exemplo, extrusão. Note-se que o elemento de 25 aquecimento 300 não consiste de várias tubulações, ou discos, ou similares separados, que exijam dispositivos de fixação separados especiais, ou que sejam mantidos unidos com a ajuda de flanges.

E preferido que o todo, ou principalmente todo o elemento de aquecimento 300 seja fabricado de um material com boas propriedades condutoras de calor. O material pode ser, por exemplo, um metal condutor de 5 calor, como cobre ou aço inoxidável: É especialmente preferido que o elemento de aquecimento 300 seja fabricado de um material condutor de calor leve, por exemplo, alumínio.

A Figura 4 mostra um distribuidor 400 projetado para ser encaixado na extremidade do elemento de aquecimento 300. O distribuidor 10 400 é fabricado, principalmente, de um material metálico apropriado, ou material plástico, e compreende uma primeira unidade de montagem 410 e uma segunda unidade de montagem 420 na forma de canais receptores. O primeiro canal receptor 410 é adaptado para criar uma junção vedada com o elemento de aquecimento 300 contra o primeiro canal 310, enquanto o 15 segundo receptor 420 é adaptado para criar uma junção vedada com o elemento de aquecimento 300 contra o segundo canal 320,de modo que o líquido possa fluir livremente sem vazamento entre o elemento de aquecimento 300 e o distribuidor 400.

Uma fixação é feita, principalmente, com os canais receptores 20 410, 420 sendo introduzidos nos canais 310, 320 no elemento de aquecimento 300. Isto não exclui que outros métodos de fixação possam se tomar objeto de discussão, por exemplo, um método onde os canais receptores 410, 420 sejam aparafusados sobre, ou, nos canais 310, 320 com a ajuda de roscas. A fixação e a vedação também podem ocorrer com a ajuda de vedações, por exemplo, 25 com a ajuda de anéis-O arranjados sobre os canais receptores 410, 420. Além disso, a fixação e a vedação podem ser implementadas através de colagem, fusão, vulcanização, ou outro método de adesão, vedação, e/ou de interconexão. Não há nada que impeça que vários métodos sejam utilizados simultaneamente, por exemplo, inserção ou aparafusamento, juntamente com vedações e/ou colagem: Note-se que os canais receptores 410, 420 não precisam se estender a partir do distribuidor 400, como ilustrado na Fig. 4. Outras formas de execução do elemento de aquecimento 300 podem ter canais 310, 320 que se estendam para os canais receptores 410, 420;

5 Os canais receptores 410, 420, ou unidades de montagem

similares, sobre o distribuidor 400, na Fig.4, emergem conjuntamente em um canal derivado 430. O fluido que se comunica através de cada canal 310, 320 no elemento de aquecimento 300 pode, desta maneira, fluir juntamente no canal derivado430. Conseqüentemente, o canal derivado 430 se constitui na 10 entrada e saída para o elemento de aquecimento 300. Através do acoplamento de um distribuidor 400 em cada extremidade do elemento de aquecimento 300, como descrito acima, é possível conectar mutuamente vários elementos de aquecimento 300 com a ajuda de partes básicas de acoplamento da tubulação, por exemplo, partes de acoplamento por mangueira fabricadas de 15 um material apropriado. As partes de acoplamento podem ser, por exemplo, acopladas ao canal derivado 430 com a ajuda de um dos métodos descritos acima.

Deve ser enfatizado que a descrição acima, com as figuras associadas, tem a intenção apenas de ilustrar a presente invenção. E óbvio para alguém experiente no campo que a invenção pode variar e ser mudada em muitas maneiras diferentes sem se afastar do escopo e do espírito da proteção solicitada nas reivindicações de patente anexas.

Claims

1. Veículo grande (200), caracterizado pelo fato de que compreende um compartimento de passageiro (210) equipado com pelo menos um elemento de aquecimento longo (300) arranjado para aquecer operacionalmente passageiros e o compartimento de passageiro (210), em que o elemento de aquecimento (300) compreende: pelo menos dois canais exotérmicos (310, 320) projetados para encerrar um fluxo de fluido quente, pelo menos uma seção intermediária exotérmica (330) que une os dois canais acima mencionados (310, 320), de modo que os canais (310, 320) e a seção intermediária (330) se estendam principalmente paralelos um ao outro.

2. Veículo grande (200) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de: o elemento de aquecimento (300) ter uma largura (B) que corresponda principalmente à largura do mais largo dos canais (310, 320).

3. Veículo grande (200) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de: pelo menos um dos canais acima mencionados (310, 320) ter uma forma substancialmente elíptica.

4. Veículo grande (200) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de: a seção intermediária (330), no elemento de aquecimento acima mencionado (300), compreender de pelo menos um canal intermediário oco (333) que se estende ao longo do elemento de aquecimento (300).

5. Veículo grande (200) de acordo com a reivindicação 1 ou 4, caracterizado pelo fato de: a seção intermediária (330), no elemento de aquecimento acima mencionado (300), compreender uma primeira seção lateral (312) conectada a um primeiro lado dos canais (310, 320) e uma segunda seção lateral (322) conectada a um segundo lado, primariamente oposto, dos canais (310, 320).

6. Veículo grande (200) de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de: o canal intermediário (333), no elemento de aquecimento acima mencionado (300), ser arranjado para ser utilizado operacionalmente como um duto de ar para transportar ar que é aquecido pelos canais (310, 320) e que, a seguir, flui para o compartimento de passageiro (210).

7. Veículo grande (200) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de: o elemento de aquecimento acima mencionado (300) ser fabricado em uma peça.

8. Veículo grande (200) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de: o elemento de aquecimento acima mencionado (300) ser extrusado.

9. Veículo grande (200) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de: o elemento de aquecimento acima mencionado (300) ser fabricado de alumínio.