BRPI1005860A2 - tubo de transmissço de calor e processo para a fabricaÇço de um tubo de transmissço de calor - Google Patents
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Abstract
TUBO DE TRANSMISSçO DE CALOR E PROCESSO PARA A FABRICAÇçO DE UM TUBO DE TRANSMISSçO DE CALOR. A invenção se refere a um tubo de transmissão de calor com um eixo de tubo, uma parede de tubo, um lado externo de tubo e um lado interno de tubo. No lado interno do tubo se acham formadas nervuras internas circulares de curso contínuo, paralelas ao eixo ou helicoidais, sendo que cada nervura interna possui dois flancos de nervura e uma extremidade de nervura. Entre cada nervura interna adjacente é formada uma ranhura de extensão contínua. A ponta da nervura apresenta repetidas elevações que se repetem em intervalos regulares, as quais possuem essencialmente uma forma piramidal atarracada. De acordo com a solução da presente invenção, os flancos das nervuras das nervuras internas na linha de contorno, a qual é definida através do angulo de transição de um flanco de nervura à extremidade da nervura, são aumentados em direção radial, enquanto que nesta área se acham desenvolvidas saliências contínuas a partir dos flancos das nervuras. Além do exposto, a invenção se refere a um processo para a fabricação de um tubo de transmissão de calor.
Description
TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR E PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UM TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR
A invenção se refere a um tubo de transmissão de calor de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1 e processo para a fabricação de um tubo de transmissão de calor de acordo com o preâmbulo da reivindicação 8, respectivamente reivindicação 9. A transmissão de calor ocorre em muitos setores da técnica de refrigeração e de ar condicionado, bem como nas técnicas de processo e energia. Para a transmissão de calor nestes setores são comumente utilizados trocadores de calor com tubos. Neste processo, em muitas utilizações, flui no lado interno do tubo um meio líquido ou gasoso, o qual, dependendo da direção do fluxo de calor, é resfriado ou aquecido. O calor é transferido ao meio existente no lado externo do tubo ou retirado do mesmo. Para possibilitar o transporte de calor entre o meio transmissor de calor e o meio absorvedor de calor, a temperatura do meio transmissor deverá ser superior do que a temperatura do meio absorvedor. Esta diferença de temperatura é designada como diferença da temperatura de impulsão. Quanto maior for a diferença da temperatura de impulsão, mais calor poderá ser transmitido. Por outro lado, muitas vezes nos empenhamos em manter a diferença de temperatura de impulsão baixa, uma vez que isto apresenta vantagens para a eficiência do processo. Sabe-se que através da estruturação da superfície transmissora de calor, a transmissão de calor poderá ser aumentada.
Com isto pode ser alcançado que seja transmitido mais calor por unidade de superfície de transmissão de calor do que em uma superfície lisa. Além disto, é possível reduzir a diferença de temperatura de impulsão e com isto estruturar o processo de modo mais eficientemente. Em tubos de trocador de calor metálicos, a estruturação da superfície de transmissão de calor muitas vezes se dá através da formação de nervuras ou elementos similares do material da parede do tubo. Estas nervuras de formação integral dispõem de uma união metálica rígida com a parede do tubo, estando assim aptas a transferir calor de modo ótimo. Uma forma de execução comumente utilizada de trocadores de calor são trocadores de calor de feixe tubular. Neste tipo de equipamentos são comumente utilizados tubos que são estruturados tanto do lado interno quanto do lado externo. Tubos de trocadores de calor estruturados para trocadores de calor de feixe tubular dispõem comumente de pelo menos uma área estruturada, bem como elementos extremos lisos e eventualmente elementos intermediários lisos. Os elementos extremos, respectivamente intermediários lisos limitam as áreas estruturadas. Para que o tubo possa ser montado sem problemas nos trocadores de calor de feixe tubular, o diâmetro externo das áreas estruturadas não poderá ser maior do que o diâmetro externo dos elementos extremos e intermediários lisos.
No lado interno dos tubos são muitas vezes utilizadas nervuras paralelas ao eixo ou helicoidais para a otimização das características de transmissão de calor. Através da inserção de nervuras se aumenta a superfície interna do tubo. No caso de nervuras de disposição helicoidal, se aumenta adicionalmente a turbulência do tubo no meio de fluxo otimizando assim a transmissão de calor. Sabe-se que as características de transmissão de calor de uma inserção de nervuras paralela ao eixo ou helicoidal no lado interno do tubo poderão ser otimizadas se as nervuras internas sejam providas de endentações ou ranhuras. Exemplos para este caso podem ser encontradas em EP 1312885 B1, CN 101556124 A, CN 101556125 A, US 5.992.513, US 6.018.963 e US 6.412.549.
Através da endentação das nervuras ocorre uma estrutura com alternação da altura de nervuras e projeções laterais de matéria prima na parte lateral das nervuras. Esta estrutura aumenta adicionalmente a turbulência do meio de fluxo no tubo. Em especial nas utilizações da técnica de refrigeração e ar condicionado, aumenta- se sobremaneira a eficiência das instalações de refrigeração em condição parcial de carga. Na condição parcial de carga a quantidade de fluxo do meio condutor de calor é muitas vezes reduzida, motivo pelo qual a velocidade do meio de fluxo no cano se reduz substancialmente. Devido ao fato que então a parte principal da resistência à transmissão de calor é deslocada para o lado interno do tubo, é necessário aperfeiçoar continuamente as estruturas hoje conhecidas do lado interno do tubo, em especial as pertinentes às velocidades de fluxo. A invenção possui a finalidade de aperfeiçoar adicionalmente um tubo de transmissão de calor com relação às características de transmissão de calor, bem como apresentar um processo para a fabricação de tal tubo de transmissão de calor. A invenção é descrita com relação a um tubo de transmissão de calor de acordo com as características da reivindicação 1. Além do exposto, a invenção é descrita através de um processo para a fabricação do tubo de transmissão de calor através das reivindicações 8 e 9. As reivindicações adicionais se referem a aperfeiçoamentos contínuos da invenção.
A invenção abrange um tubo de transmissão de calor com um eixo de tubo, uma parede de tubo, um lado externo e um lado interno do tubo. No lado interno do tubo se encontram formadas nervuras internas contínuas paralelas ao eixo ou helicoidais, sendo que cada nervura interna possui dois lados de nervuras e uma extremidade de nervura. Entre cada nervura interna adjacente se acha formada uma ranhura continuamente estendida. A extremidade da ranhura apresenta elevações repetidas em intervalos regulares, as quais apresentam essencialmente uma forma piramidal atarracada. De acordo com a solução da invenção, os lados das nervuras das nervuras internas, as quais são definidas através de um ângulo de transição, são aumentados em direção radial na linha de contorno, enquanto que nesta área se formam saliências contínuas a partir dos lados das nervuras. Neste processo, a invenção parte da consideração de que para o aperfeiçoamento da transição de calor no lado interno do tubo, a turbulência do meio fluindo no tubo se aumenta e a camada limítrofe laminar formada na área perto da parede é perturbada. Para isto servem elementos estruturais especialmente formados na superfície interna do tubo como, por exemplo, nervuras internas circulares de curso contínuo, as quais são equipadas com características adicionais. Uma destas características são elevações na extremidade da ranhura que apresentam em geral uma forma piramidal atarracada. Sob as elevações de forma piramidal atarracada na extremidade da ranhura, entendem-se também todas as formas alongadas em direção espacial, por exemplo, uma forma de barra. As superfícies laterais de um tronco piramidal também podem estar formadas como superfícies laterais e de cobertura curvas. As elevações se repetem em direção do curso das nervuras em intervalos regulares. Na área das elevações as nervuras internas possuem uma altura de nervura máxima H2. A área da extremidade da ranhura entre duas elevações representa uma cavidade relativa. Neste ponto as nervuras internas apresentam sua altura de nervura mínima H3. A altura da nervura é medida a partir da parede do tubo. A transição de uma elevação à cavidade adjacente se dá através do flanco apropriado da elevação piramidal atarracada. As superfícies laterais de curso lateral ao flanco da nervura de uma elevação piramidal atarracada formam uma transição sem costura com o flanco da nervura.
Com velocidade de fluxo menor do meio, a camada laminar limítrofe se torna mais espessa. Quando a espessura da camada laminar limítrofe possuir um tamanho aproximado à altura máxima da nervura, o efeito aditivo da turbulência da estrutura interna se reduz substancialmente. Evidenciou-se que este efeito indesejado poderá ser evitado quando as nervuras internas forem equipadas com saliências na extremidade das nervuras. As saliências correm ao longo de um ângulo de transição de um flanco de nervura em direção à extremidade da nervura, enquanto que lá a área de transição é mais ou menos elevada em direção radial. À extremidade da nervura é assim imposta uma estrutura fina oriunda do flanco da nervura. Em outras palavras, o aspecto típico das saliências é que algumas superfícies laterais das elevações piramidais atarracadas desenvolvem formas auriculares em direção radial, as quais distorcem de modo insignificante a forma geométrica de um tronco piramidal. De forma preferencial, as saliências da presente invenção se acham especialmente desenvolvidas nos flancos piramidais adequados das elevações, enquanto que na superfície da cobertura das elevações e nas áreas entre as elevações estas são bem menos desenvolvidas.
Contudo, se produzirmos estruturas de acordo com as indicações do estado da técnica do impresso US 5.992.513, se previrmos em primeira instância uma nervura interna com ranhuras, então se originam na área das ranhuras protuberâncias laterais de matéria prima nos flancos das nervuras internas. Dependendo da profundidade da endentação, estas protuberâncias de matéria prima são alojadas em diferentes alturas no flanco da nervura. O seu espaço em relação à parede do tubo é sempre inferior à altura máxima da nervura. Estas protuberâncias laterais de matéria prima originam turbulências adicionais no fluxo, enquanto que a camada limítrofe laminar é mais fina do que a sua distância à parede do tubo. Com a redução da velocidade de fluxo e aumento da viscosidade do meio, a camada limítrofe laminar se torna mais espessa e a ação das protuberâncias de matéria prima se reduz substancialmente. Nestes casos, entre as protuberâncias de matéria prima e a parede do tubo, poderão até se formar áreas nas quais o fluxo, e deste modo a transmissão de calor, se tornem praticamente inexistentes.
A principal vantagem da solução da presente invenção está no fato de que a estrutura fina das saliências na área da extremidade da nervura gera remoinhos adicionais, aumentando deste modo a turbulência do meio em fluxo no cano. O aumento da capacidade oriundo deste processo ocorre em especial durante baixas velocidades de fluxo, uma vez que as saliências previnem a formação da camada limítrofe laminar. Consequentemente, através destas saliências, a transmissão de calor é ainda mais intensificada do que no caso das estruturas conhecidas através do estado da técnica, as quais não apresentam estas saliências em direção radial. Em configuração preferencial da presente invenção, pelo menos um dos flancos da elevação piramidal atarracada poderá apresentar a forma côncava. Estas superfícies laterais apresentam então uma curvatura, através da qual na superfície lateral do tronco piramidal se formam estruturas angulares fortemente projetadas, respectivamente mais pronunciadas. Tais estruturas fortemente angulares agem contra a formação de um fluxo laminar e favorecem adicionalmente a formação de turbilhão para o aumento das características da transmissão de calor. Preferencialmente, estas elevações piramidais atarracadas podem ser formadas de modo assimétrico. Deste modo, a assimetria pode ser adaptada às condições de fluxo no interior do tubo, de modo a otimizar adicionalmente as características de transmissão de calor. Os ângulos piramidais, por exemplo, os quais exerçam maior resistência ao fluxo laminar, poderão ser desenvolvidos de modo mais angular. Em uma forma de execução preferencial da presente invenção, as elevações piramidais atarracadas localizadas entre duas elevações, poderão exceder a cavidade localizada entre duas elevações em 20% até 100% da altura das nervuras internas no local da cavidade.
Quando as elevações excederem as cavidades em menos que 20% da altura mínima H3 das nervuras internas, então as saliências radiais se acham pouco pronunciadas para influenciar o fluxo de modo significativo. Elevações que excedam as cavidades em mais de 100% da altura mínima H3 das nervuras internas são difíceis de produzir. A conseqüência seriam cargas não desejadas de ferramentas que causariam uma redução da vida útil. Em tubos com diâmetros entre 10 mm e 25 mm, a altura mínima H3 das nervuras internas perfaz preferencialmente 0,20 mm até 0,45 mm, e a altura máxima H2 das nervuras internas perfaz preferencialmente mais do que 0,35 mm até 0,60 mm. Então as elevações da extremidade das nervuras excedem as cavidades existentes entre duas elevações tipicamente em 0,05 mm até 0,20 mm.
Preferencialmente, o ângulo de flanco α perfaz no máximo 120°. O ângulo de flanco α é o ângulo abrangido pelos flancos inclinados das elevações piramidais atarracadas na extremidade da nervura. Se o ângulo for maior que 120°, as elevações da extremidade da nervura formam uma estrutura similar a ondas, a qual não influencia suficientemente o fluxo do meio. Em configuração preferencial, poderá ser formada uma estrutura externa no lado externo do tubo. Deste modo o tubo de transmissão de calor da presente invenção apresenta uma estruturação em seu lado externo, a qual intensifica a transmissão de calor no lado externo do tubo. Preferencialmente, a estrutura externa poderá ser desenvolvida em forma de nervuras externas helicoidais circundantes. Como integrais são denominados os tipos de nervuras que se desenvolvem a partir da parede do tubo através de um processo de deformação. A superfície externa do tubo é substancialmente aumentada através das nervuras externas e a transmissão de calor é intensificada por este processo.
Outro aspecto da presente invenção abrange um processo para a fabricação de um tubo de transmissão de calor de acordo com a invenção:
a. a parede de um tubo liso é deformada radialmente em uma primeira área de deformação, através de uma primeira ferramenta de pressão circulante no lado externo do tubo liso,
b. a parede do tubo é escorada na primeira área de deformação através de um mandril de cilindro de laminação, o qual se encontra armazenado de modo rotativo,
apresentando na superfície externa de seu mandril ranhuras paralelas ao eixo ou helicoidais com profundidade T1, sendo formada uma estrutura interna, na qual o material da parede do tubo é pressionado para dentro das primeiras ranhuras do mandril de cilindro de laminação, c. a parede do tubo liso é deformada radialmente em uma segunda área de deformação, através de uma segunda ferramenta de pressão circulante no lado externo do tubo liso,
d. a parede do tubo é escorada na segunda área de deformação através de um mandril de cilindro de laminação, o qual também se encontra armazenado de modo rotativo, apresentando na superfície externa de seu mandril ranhuras paralelas ao eixo ou helicoidais com profundidade T2, através do que são novamente formadas nervuras internas de curso contínuo paralelas ao eixo ou em forma de hélice, enquanto que os materiais da parede do tubo e da estrutura interna formada na primeira área de deformação são pressionados para dentro das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação, enquanto que as ranhuras internas formadas na segunda área de deformação são distintamente mais pronunciadas do que a estrutura interna que foi formada na primeira área de deformação, e sendo que as elevações são formadas na extremidade destas nervuras internas através do material que foi pressionado na primeira área de deformação para dentro das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação, e
através de um dispositivo de estiragem fica garantido o transporte axial através das áreas de deformação.
No primeiro processo, a invenção parte do pressuposto de que para a fabricação de um tubo de transmissão de calor de acordo com a presente invenção, é utilizado um dispositivo que é composto por pelo menos duas ferramentas de pressão separadas entre si, as quais são ordenadas no lado externo do tubo.
As ferramentas de pressão são compostas por diversas esferas ou cilindros, os quais em sua acomodação se encontram posicionadas de modo anelar e se encontram alojadas de modo rotativo. As acomodações com as esferas ou cilindros se acham alojadas em um dispositivo local fixo e podem ser giradas em torno do tubo, sendo que as esferas ou cilindros podem deformar a parede do tubo em direção radial. Adicionalmente existe um dispositivo de estiragem através do qual o tubo pode ser estirado em direção axial através das ferramentas de pressão. Para o processamento do tubo, as ferramentas de pressão são giradas em torno do tubo em direção axial através do dispositivo de estiragem. No setor de trabalho das ferramentas de pressão, a parede do tubo é suportada através dos mandris de cilindro de laminação.
Outro aspecto da invenção abrange um segundo processo para a fabricação de um tubo de transmissão de acordo com a presente invenção, no qual são desenvolvidas as seguintes etapas de processo: a. na parte externa de um tubo liso são formadas em uma primeira área de deformação nervuras externas de curso helicoidal, sendo que o material das nervuras é obtido através da supressão de material da parede do tubo através de uma primeira etapa de laminação e o tubo de nervuras originado ser colocado em
rotação através das forças da laminação e avançado de acordo com as nervuras externas de forma helicoidal originadas, através do que as nervuras externas com altura ascendente são formadas pelo tubo liso não formado,
b. a parede do tubo é escorada na primeira área de deformação através de um primeiro mandril de cilindro de laminação disposto em um tubo o qual é alojado de
modo giratório, e apresentando na sua superfície externa do mandril ranhuras paralelas ao eixo ou helicoidais com profundidade T1, sendo formada uma estrutura interna na qual o material da parede do tubo é pressionado para dentro das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação,
c. em uma segunda etapa de laminação, as nervuras externas são formadas em uma segunda área de deformação, separada da primeira área de deformação, com
altura adicionalmente ascendente,
d. a parede do tubo é escorada na segunda área de deformação por um segundo mandril de cilindro de laminação alojado no tubo, o qual também é alojado de forma rotativa, apresentando em sua superfície externa do mandril ranhuras paralelas ao
eixo ou helicoidais com profundidade T2, sendo que são formadas novas nervuras internas contínuas, paralelas ao eixo ou helicoidais, enquanto que o material da parede do tubo e o material da estrutura interna formada na primeira etapa de laminação é pressionado para dentro das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação, sendo que as nervuras internas formadas na segunda área de deformação são distintamente mais pronunciadas do que a estrutura interna que foi formada na primeira área de deformação, e sendo que as elevações são formadas na extremidade destas nervuras internas através do material que foi pressionado na primeira área de deformação para dentro das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação.
No segundo processo, a invenção parte do pressuposto de que para a fabricação de um tubo de transmissão de calor de acordo com a presente invenção, é utilizado um dispositivo, o qual é composto de η = 3 ou 4 dispositivos de laminação, aos quais se acham integrados pelo menos dois suportes de instrumentos espaçados entre si. O eixo de cada suporte de instrumentos prossegue diagonal ao eixo do tubo. Os suportes de instrumentos se acham alocados individualmente em 360°/n no perímetro do tubo. Os suportes dos instrumentos são dispostos radialmente e se acham organizados em uma gaiola de laminação. Os instrumentos de laminação são compostos por diversos discos de laminação dispostos paralelamente, cujo diâmetro ascende em direção do grau de deformação progressiva das nervuras externas. Para o processamento do tubo, os instrumentos de laminação rotativos dispostos no perímetro são inseridos radialmente no tubo liso e entrosados ao mesmo. Através deste processo, o tubo liso é colocado em rotação em torno de seu eixo. Como os eixos dos dispositivos de laminação se acham posicionados de modo oblíquo ao eixo do tubo, os dispositivos de laminação formam nervuras externas circulares de curso helicoidal do material da parede do tubo liso e empurram concomitantemente para frente o tubo de nervuras resultante de acordo com a ascensão da nervura externa helicoidal circundante. Os primeiros dispositivos de laminação sobre cada suporte de instrumento iniciam a formação das nervuras externas, e os outros dispositivos de laminação sobre cada suporte de instrumento elaboram a formação adicional das nervuras externas. O intervalo entre dois dispositivos de laminação deverá ser ajustado de tal forma que os discos de laminação do dispositivo de laminação seguinte se encaixem nas ranhuras que se encontram entre as nervuras externas formadas pelo dispositivo de laminação prévio.
O intervalo longitudinal ao eixo do tubo medido das metades de duas nervuras externas vizinhas é denominado divisão de nervura ρ. A divisão da nervura normalmente perfaz entre 0,4 e 2,2 mm. As nervuras externas possuem preferencialmente um curso circundante semelhante a um filete múltiplo. Na área de trabalho dos dispositivos de laminação a parede do tubo é apoiada através dos mandris de cilindro de laminação perfilados.
Na seqüência serão adicionalmente descritos aspectos dos processos pertinentes concomitantemente ao primeiro e segundo processo. Também são partes integrantes de ambos os dispositivos, dois mandris de cilindro de laminação de perfis diferentes. Estes se encontram dispostos seqüencialmente e de modo coaxial em uma haste, sendo inseridos de modo giratório. O eixo conjunto dos mandris de cilindro de laminação é idêntico ao eixo da haste e coincide com o eixo do tubo. No primeiro processo, a haste é fixada com um dispositivo de fixação de tal modo que os mandris de cilindro de laminação são posicionados na área de trabalho dos dispositivos de pressão. No segundo processo, a haste é fixada em sua extremidade na estrutura da gaiola de laminação. Através da haste, os mandris de cilindro de laminação são posicionados na área de trabalho dos dispositivos de laminação. Através do exposto, o primeiro mandril de cilindro de laminação que se acha em direção do grau de deformação progressivo, é posicionado na área de trabalho do primeiro dispositivo de pressão que está em direção do grau de deformação progressivo, enquanto que o segundo mandril de cilindro de laminação que se acha em direção do grau de deformação adiantado é posicionado na área de trabalho dos dispositivos de pressão, respectivamente dispositivos de laminação subsequentes. O diâmetro externo do segundo mandril de cilindro de laminação é um pouco menor do que o diâmetro do primeiro mandril de cilindro de laminação.
O perfil do mandril de cilindro de laminação normalmente se compõe de diversas ranhuras essencialmente trapezóides que se acham ajustadas entre si de modo paralelo sobre a superfície externa do mandril de cilindro de laminação. O ângulo do flanco das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação é identificado com B1. As ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação prosseguem sob um ângulo de torção de O0 até 60° ao eixo do mandril de cilindro de laminação e apresentam uma profundidade T1. Os ângulos do flanco das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação são identificados com β2. As ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação prosseguem sob um ângulo de torção de O0 até 45°, preferencialmente de 25° até 45° ao eixo do mandril de cilindro de laminação e apresentam uma profundidade T2. A profundidade T2 das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação é claramente maior do que a profundidade T1 das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação. Os ângulos de torção do mandril de cilindro de laminação são escolhidos de tal forma que se obtém um ângulo intermediário de no mínimo 40°. Preferencialmente o ângulo intermediário se situa entre 70° e 100°. Preferencialmente as ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação se encontram em torção contrária às ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação de modo a realizar o ângulo intermediário desejado. Na primeira área de deformação, o material da parede do tubo é pressionado para dentro das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação através das forças radiais do primeiro dispositivo de pressão, respectivamente do primeiro dispositivo de laminação. Através do exposto, é formada uma estrutura interna em forma de nervuras internas paralelas ao eixo ou helicoidais na superfície interna do tubo. O ângulo de torção medido contra o eixo do tubo das nervuras internas é igual ao eixo de torção das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação. A altura H1 medida a partir da parede do tubo destas nervuras internas formadas durante esta primeira etapa de deformação perfaz preferencialmente entre 0,05 mm e 0,20 mm. Deste modo esta estrutura interna é relativamente pouco pronunciada. A altura H1 das nervuras internas formadas na primeira etapa de deformação é aproximadamente do mesmo tamanho, mas não maior do que a profundidade T1 das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação. Poderá ser útil preencher as ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação totalmente com material. Neste caso, a altura H1 das nervuras internas formadas na primeira etapa de deformação é tão grande quanto a profundidade T1 das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação. O diâmetro externo do segundo mandril de cilindro de laminação deverá ser menor do que o diâmetro interno livre do tubo após a formação das primeiras nervuras internas. O diâmetro interno livre do tubo após a formação das primeiras nervuras internas é aproximadamente igual ao diâmetro externo do primeiro mandril de cilindro de laminação menos o dobro da altura H1 da estrutura interna formada na primeira etapa de laminação.
Na segunda área de deformação o material da parede do tubo e das nervuras internas formadas na primeira etapa de deformação é pressionado pelas forças radiais dos outros dispositivos de pressão, respectivamente dispositivos de laminação para dentro das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação. Com isto se formam novas nervuras internas contínuas, paralelas ao eixo ou helicoidais sobre a superfície interna do tubo. O ângulo de torção medido contra o eixo do tubo destas novas nervuras internas é igual ao ângulo de torção das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação. Como os ângulos de torção do mandril de cilindro de laminação são escolhidos de tal forma que abranjam um ângulo de pelo menos 40°, o material das nervuras internas formadas na primeira etapa de deformação é novamente deformado em intervalos regulares pré-determinados através da perfilhação do segundo mandril de cilindro de laminação. Uma parte deste material deformado forma na extremidade das nervuras internas formadas na segunda etapa de deformação as saliências em direção radial em conformidade com a presente invenção. As áreas não deformadas na segunda etapa de deformação das nervuras internas formadas na primeira etapa de laminação formam elevações na extremidade das nervuras internas formadas na segunda etapa de laminação. Este processo de produção acarreta que as saliências em direção radial em conformidade com a presente invenção, sejam especialmente pronunciadas nos flancos adequados das elevações piramidais atarracadas, enquanto que as mesmas sejam menos pronunciadas nas extremidades das elevações e nas áreas entre duas elevações.
Para possibilitar a forma desejada das novas nervuras internas do material da parede do tubo na segunda etapa de deformação, a profundidade T2 das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação deverá ser pronunciadamente maior do que a altura H1 das nervuras internas formadas na primeira etapa de deformação. Isto permite que as nervuras internas formadas na segunda etapa de deformação possam ser mais fortemente pronunciadas do que a estrutura interna da primeira etapa de deformação. A profundidade T2 das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação deverá possuir no mínimo o tamanho H2 máximo almejado das novas nervuras internas. Dependendo do número e altura das nervuras internas, a superfície interna do tubo pronto poderá exceder a superfície interna do tubo liso não deformado em até 100%.
Em configuração preferencial da presente invenção, a estrutura interna formada através da primeira etapa de deformação poderá exceder a superfície interna do tubo com esta estrutura interna em pelo menos 4% e no máximo 30% perante a superfície interna do tubo liso não deformado. Com isto esta estrutura interna é relativamente pouco pronunciada.
Em outra configuração preferencial da presente invenção, a profundidade T2 das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação poderá ser pelo menos 2,5 vezes maior do que a profundidade T1 das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação. Isto permite que as nervuras internas formadas na segunda etapa de laminação poderão alcançar uma altura de nervura H2 máxima pronunciadamente maior do que a altura H1 da estrutura interna da primeira etapa de laminação. Em configuração preferencial da invenção, o ângulo do flanco (ângulo de abertura) das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação poderá perfazer no máximo 120°.
Através disto é possível obter-se uma configuração preferencial das elevações piramidais atarracadas das extremidades das nervuras. Os exemplos da configuração da invenção são mais precisamente ilustrados com base nos desenhos esquemáticos. Estes apresentam:
Fig. 1 uma visão angular enfatizada por sombreamentos da estrutura interna do tubo com nervuras e elevações piramidais atarracadas, Fig. 2 uma visão angular esquemática da estrutura interna do tubo de acordo com a Fig. 1,
Fig. 3 uma visão detalhada de uma elevação piramidal atarracada na extremidade da nervura,
Fig. 4 uma visão angular enfatizada por sombreamentos da estrutura interna do tubo com nervuras e elevações piramidais atarracadas assimétricas,
Fig. 5 uma visão angular esquemática da estrutura interna assimétrica do tubo de acordo com a Fig. 4,
Fig. 6 uma visão detalhada de uma elevação piramidal atarracada assimétrica na extremidade da nervura, Fig. 7 esquematicamente uma visão do dispositivo para a produção de um tubo de transmissão de calor com nervuras externas com mandris internos, Fig. 8 esquematicamente uma visão angular do dispositivo para a produção de um tubo de transmissão de calor com dispositivo de laminação externo e mandris internos, e
Fig. 9 Diagrama para a otimização da transição de calor através da solução inventiva.
Partes correspondentes se acham providas com os mesmos sinais de referência em todas as figuras.
A Fig. 1 apresenta uma visão angular enfatizada por sombreamentos da estrutura do lado interno do tubo 22 de um tubo de transmissão de calor 1 com nervuras internas 3 e elevações piramidais atarracadas 34. A Fig. 2 apresenta uma visão angular da estrutura interna do tubo de acordo com a Fig. 1
No lado interno do tubo 22 são formadas nervuras internas contínuas e helicoidais 3, sendo que cada nervura interna 3 dispõe de dois flancos de nervura 31 e uma extremidade de nervura 32. Entre cada nervura interna adjacente 3 se encontra formada uma ranhura estendida 33. A extremidade da ranhura 32 apresenta em intervalos regulares elevações repetitivas 34, as quais possuem essencialmente uma forma piramidal atarracada. Os flancos das nervuras 31 das nervuras internas 3 se acham infladas na linha de contorno, a qual é definida pelo ângulo de transição de um flanco de ranhura 31 à extremidade de ranhura 32. A Fig. 3 apresenta uma visão em detalhe de uma elevação 34 piramidal atarracada na extremidade da nervura 32 com as saliências 37 formadas neste setor na linha de contorno do flanco da nervura 31 em direção radial.
Na Fig. 3 se acham apresentados de modo côncavo, dois flancos 36 das elevações piramidais atarracadas 34. Estes flancos 36 também são parte da extremidade da nervura 32 e apresentam uma curvatura direcionada ao interior da pirâmide, através dos quais se acham formadas na superfície da jaqueta estruturas angulares mais marcantemente projetadas em forma de saliências 37 em direção radial. Entre as elevações 34 se encontra a extremidade da nervura 32 em forma de uma cavidade 35. As estruturas com extremidades acentuadas exercem influência favorável ao aumento das características de transmissão de calor.
As Fig. 4 até 6 mostram uma visão angular acentuada por sombreamento cinza da estrutura do lado interno do tubo 22 de um tubo de transmissão de calor 1 com nervuras internas 3 e elevações piramidais atarracadas 34. A Fig. 5 mostra uma visão angular esquemática da estrutura interna do tubo de acordo com a Fig. 4. Nas Fig. 4 até 6 se acham formadas assimetricamente elevações 34 piramidais atarracadas.
Na Fig. 6 estão apresentados de modo côncavo dois flancos 36 das elevações piramidais atarracadas 34. Estes flancos 36 também são parte da extremidade da nervura 32 e apresentam uma curvatura direcionada ao interior da pirâmide, através dos quais se acham formadas na superfície da jaqueta estruturas angulares mais marcantemente projetadas em forma de saliências 37 em direção radial. Através da assimetria, se formam através das saliências 37 em direção radial às condições de fluxo no interior do tubo, estruturas especialmente ajustadas de cantos ásperos.
A Fig. 7 apresenta uma visualização de um dispositivo para a fabricação de tubos de transmissão de calor com nervuras externas 1 com dois mandris de cilindro de laminação 100 e 200. A Fig. 8 apresenta uma visão angular do dispositivo para a fabricação de tubos de transmissão de calor com dispositivo de laminação externo e mandris internos de acordo com a Fig. 7. No processo de fabricação de um tubo de transmissão de calor de acordo com a presente invenção, são formadas na parte externa do tubo liso 10, em um primeiro setor de deformação, nervuras externas 4 de forma helicoidal, enquanto que o material das nervuras é obtido através do deslocamento de material da parede do tubo 2, através de um dispositivo de laminação 300 montado a partir de discos de laminação 301 em uma primeira etapa de laminação. O tubo com nervuras obtido é colocado em rotação através das forças de laminação e deslocado de acordo com as nervuras externas 4 de forma helicoidal. A parede do tubo 2 é apoiada na primeira área de deformação através de um mandril de cilindro de laminação 100 existente no tubo que está alojado de forma rotativa e que apresenta sobre a sua superfície externa do mandril 101 ranhuras paralelas ao eixo ou helicoidais com profundidade T1, enquanto que material da parede do tubo 2 é pressionado para dentro das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação 100.
Em uma segunda etapa de laminação as nervuras externas 4 são formadas na parte externa do tubo 21 em uma segunda área de deformação espaçada da primeira área de deformação com altura adicionalmente ascendente, a parede do tubo 2 é apoiada em uma segunda área de deformação através de um mandril de cilindro de laminação 200 existente no tubo, o qual também é alojado de modo rotativo e que apresenta ranhuras helicoidais em sua superfície externa do mandril 201 com uma profundidade T2, sendo que são novamente formadas nervuras internas helicoidais de curso contínuo 3 no lado interno do tubo 22, enquanto o material da parede to tubo 2 e o material da estrutura interna formada na primeira etapa de laminação são pressionados para dentro das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação 200. As ranhuras internas formadas na segunda área de deformação são substancialmente mais pronunciadas do que a estrutura interna que foi formada na primeira área de deformação. As elevações 34 na extremidade destas nervuras internas 3 são formadas de material que foi pressionado durante a primeira etapa de deformação para dentro das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação 100.
A Fig. 9 apresenta um diagrama que documenta a vantagem da performance da estrutura interna da presente invenção. O aperfeiçoamento é demonstrado a partir de um exemplo de tubos com diâmetro interno de 16 mm em relação a um tubo livre e em função da velocidade da água fluindo no tubo. A temperatura média da água perfaz 9°C durante o processo. No diagrama é apresentado o comportamento da performance de um tubo de acordo com o estado da técnica, bem como de um tubo com a estrutura interna de acordo com a presente invenção. No tubo comparativo foram realizadas estruturas de acordo com as indicações do estado da técnica do documento US 5.992.513. Fica evidenciado que a estrutura interna de acordo com a presente invenção, com relação a velocidades de água inferiores a 2 m/s, apresenta aumentos de performance significativos em comparação ao tubo de acordo com o estado da técnica. Com velocidades de água inferiores a 1m/s a vantagem é de 40%.
Lista de sinais de referência
1 Tubo de transmissão de calor 2 Parede do tubo 21 Lado externo do tubo 22 Lado interno do tubo 3 Nervuras internas 31 Flancos das nervuras 32 Extremidades das nervuras 33 Ranhura 34 Elevações 35 Cavidade 36 Flancos de uma elevação 37 Saliências 4 Nervuras externas 10 Tubo liso 100 Primeiro mandril de cilindro de laminação 101 Superfície externa do mandril do primeiro Mandril de cilindro de laminação 200 Segundo mandril de cilindro de laminação 201 Superfície externa do mandril do segundo mandril de cilindro de laminação 300 Dispositivo de laminação 301 Discos de laminação α Ângulo do flanco das elevações β1 Ângulo do flanco das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação β2 Ângulo do flanco das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação T1 Profundidade do primeiro mandril de cilindro de laminação T2 Profundidade do segundo mandril de cilindro de laminação A Eixo do tubo
Claims (12)
1. TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), CARACTERIZADO com um eixo de tubo (A), uma parede do tubo (2), um lado externo de tubo (21) e um lado interno de tubo (22), sendo -que no lado interno do tubo (22) a partir da parede do tubo (2) são formadas nervuras internas circulares (3) de curso contínuo, paralelas ao eixo, ou helicoidais, - cada nervura interna (3) possui dois flancos de nervura (31) e uma ponta de nervura (32), -entre cada nervura interna adjacente (3) é formada uma ranhura de extensão contínua (33), -a ponta da nervura (32) apresenta repetidas elevações (34) que se repetem em intervalos regulares, e -as elevações (34) possuem essencialmente uma forma piramidal atarracada, caracterizado ainda pelos flancos das nervuras (31) das nervuras internas (3) na linha de contorno, a qual é definida através do ângulo transicional de um flanco de nervura (31) à ponta da nervura (32), serem aumentados na direção radial, enquanto que nesta área se acham desenvolvidas saliências contínuas (37) a partir dos flancos das nervuras (31).
2. Tubo de transmissão de calor (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por pelo menos um dos flancos (36) de uma elevação (34) de forma piramidal atarracada possuir o formato côncavo.
3. TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, CARACTERIZADO pelas elevações de forma piramidal atarracada (34) serem formadas de modo assimétrico.
4. TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), de acordo com uma das reivindicações 1 até 3, CARACTERIZADO pelo fato de que nas elevações de forma piramidal atarracada (34) a cavidade (35) localizada entre duas elevações (34) sobrepõe em 20 % até 100 % a altura das ranhuras internas (3) no local da cavidade (35).
5. TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), de acordo com uma das reivindicações 1 até 4, CARACTERIZADO pelo ângulo do flanco α das elevações (34) perfazer no máximo 120°.
6. TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), de acordo com uma das reivindicações 1 até 5, CARACTERIZADO pelo fato de que na parte externa do tubo (21) se acha formada uma estrutura externa (4).
7. TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), de acordo com uma das reivindicações 1 até 6, CARACTERIZADO pela estrutura externa (4) ser disposta em forma de nervuras externas integrais circulares helicoidais.
8. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UM TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), de acordo com uma das reivindicações 1 até 5, CARACTERIZADO por serem elaboradas as seguintes etapas de processo: a. a parede de um tubo liso (10) é deformada radialmente em uma primeira área de deformação, através de uma primeira ferramenta de pressão circulante no lado externo do tubo liso, b. a parede do tubo é escorada na primeira área de deformação através de um mandril de cilindro de laminação (100), o qual se encontra armazenado de modo rotativo, apresentando na superfície externa de seu mandril (101) ranhuras paralelas ao eixo ou helicoidais com profundidade T1, sendo formada uma estrutura interna, na qual o material da parede do tubo é pressionado para dentro das primeiras ranhuras do mandril de cilindro de laminação (100), c. a parede do tubo liso é deformada radialmente em uma segunda área de deformação, através de uma segunda ferramenta de pressão circulante no lado externo do tubo liso, d. a parede do tubo é escorada na segunda área de deformação através de um mandril de cilindro de laminação (200), o qual também se encontra armazenado de modo rotativo, apresentando na superfície externa de seu mandril (201) ranhuras paralelas ao eixo ou helicoidais com profundidade T2, através do que são novamente formadas nervuras internas de curso contínuo paralelas ao eixo ou em forma de hélice, enquanto que os materiais da parede do tubo e da estrutura interna formada na primeira área de deformação são pressionados para dentro das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação (200), enquanto que as ranhuras internas formadas na segunda área de deformação são distintamente mais pronunciadas do que a estrutura interna que foi formada na primeira área de deformação, e sendo que as elevações (34) são formadas na extremidade destas nervuras internas através do material que foi pressionado na primeira área de deformação para dentro das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação (100), e e. o transporte axial do tubo através das áreas de deformação é assegurado através de um dispositivo de estiragem.
9. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UM TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), de acordo com a reivindicação 6 ou 7, CARACTERIZADO por serem elaboradas as seguintes etapas de processo: a. na parte externa de um tubo liso (10) são formadas em uma primeira área de deformação nervuras externas (4) de curso helicoidal, sendo que o material das nervuras é obtido através da supressão de material da parede do tubo através de uma primeira etapa de laminação e o tubo de nervuras originado ser colocado em rotação através das forças da laminação e avançado de acordo com as nervuras externas (4) de forma helicoidal originadas, através do que as nervuras externas (4) com altura ascendente são formadas pelo tubo liso não formado (10), b. a parede do tubo é escorada na primeira área de deformação através de um primeiro mandril de cilindro de laminação (100) disposto em um tubo o qual é alojado de modo giratório, e apresentando na sua superfície externa do mandril ranhuras paralelas ao eixo ou helicoidais com profundidade T1, sendo formada uma estrutura interna na qual o material da parede do tubo é pressionado para dentro das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação (100), c. em uma segunda etapa de laminação, as nervuras externas (4) são formadas em uma segunda área de deformação, separada da primeira área de deformação, com altura adicionalmente ascendente, d. a parede do tubo (2) é escorada na segunda área de deformação por um segundo mandril de cilindro de laminação (200) alojado no tubo, o qual também é alojado de forma rotativa, apresentando em sua superfície externa do mandril (201) ranhuras paralelas ao eixo ou helicoidais com profundidade T2, sendo que são formadas novas nervuras internas contínuas, paralelas ao eixo ou helicoidais, enquanto que o material da parede do tubo (2) e o material da estrutura interna formada na primeira etapa de laminação é pressionado para dentro das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação (200), sendo que as nervuras internas formadas na segunda área de deformação são distintamente mais pronunciadas do que a estrutura interna que foi formada na primeira área de deformação, e sendo que as elevações (34) são formadas na extremidade destas nervuras internas (3) através do material que foi pressionado na primeira área de deformação para dentro das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação (100).
10. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UM TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), de acordo com a reivindicação 8 ou 9, CARACTERIZADO por através da estrutura interna formada na primeira área de deformação, a superfície interna do tubo com esta estrutura interna ser aumentada em pelo menos 4% e no máximo em 30% em relação à superfície interna do tubo liso deformado (10).
11. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UM TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), de acordo com a reivindicação 8 ou 9, CARACTERIZADO pela profundidade T2 das ranhuras do segundo mandril de cilindro de laminação (200) possuir um tamanho no mínimo 2,5 tão grande como a profundidade T1 das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação (100).
12. PROCESSO PARA A FABRICAÇÃO DE UM TUBO DE TRANSMISSÃO DE CALOR (1), de acordo com a reivindicação 8 ou 9, CARACTERIZADO pelo ângulo lateral das ranhuras do primeiro mandril de cilindro de laminação (100) ser de no máximo 120°.
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