BRPI1010414A2

BRPI1010414A2 - trocador de calor possuindo desviador de fluxo e método de operação do mesmo

Info

Publication number: BRPI1010414A2
Application number: BRPI1010414A
Authority: BR
Inventors: J Vaughn James; G Nino Victor
Original assignee: Modine Mfg Co
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2018-09-11
Also published as: DE102010040292A1; CN102012185B; CN102012185A; KR20110025633A; US20110056654A1; US8720536B2

Abstract

trocador de calor possuindo desviador de fluxo e método de operação do mesmo um trocador de calor que inclui um tanque com primeira e segunda extremidades definindo um comprimento e uma área de seção transversal transversa o comprimento. um orifício de entrada definido na primeira extremidade através do qual um fluido flui em uma primeira direção para o tanque, o orifício de entrada tendo uma área de seção transversal transversa à primeira direção. uma região volumosa definida por fronteiras as quais se estendem em geral linearmente a partir da circunferência da área de seção transversal do orifício de entrada até a circunferência da área de seção transversal do tanque. uma pluralidade de condutos provendo uma saída para um fluxo de fluido a partir do tanque em uma segunda direção de fluxo em um ângulo não paralelo com a primeira direção de fluxo. um desviador de fluxo posicionado na região volumosa par ângulo de direção de uma porção de fluxo de fluido para fora da região e para distribuição do volume total de fluxo de fluido a partir da entrada de forma substancialmente uniforme entre a pluralidade de condutos.

Description

(54) Título: TROCADOR DE CALOR POSSUINDO DESVIADOR DE FLUXO E MÉTODO DE OPERAÇÃO DO MESMO (51) Int. Cl.: F28D 9/02; F28D 1/04 (30) Prioridade Unionista: 04/09/2009 US 61/239,916 (73) Titular(es): MODINE MANUFACTURING COMPANY (72) Inventor(es): JAMES J. VAUGHN; VICTOR G. NINO (85) Data do Início da Fase Nacional:

02/09/2010 (57) Resumo: TROCADOR DE CALOR POSSUINDO DESVIADOR DE FLUXO E MÉTODO DE OPERAÇÃO DO MESMO Um trocador de calor que inclui um tanque com primeira e segunda extremidades definindo um comprimento e uma área de seção transversal transversa o comprimento. Um orifício de entrada definido na primeira extremidade através do qual um fluido flui em uma primeira direção para o tanque, o orifício de entrada tendo uma área de seção transversal transversa à primeira direção. Uma região volumosa definida por fronteiras as quais se estendem em geral linearmente a partir da circunferência da área de seção transversal do orifício de entrada até a circunferência da área de seção transversal do tanque. Uma pluralidade de condutos provendo uma saída para um fluxo de fluido a partir do tanque em uma segunda direção de fluxo em um ângulo não paralelo com a primeira direção de fluxo. Um desviador de fluxo posicionado na região volumosa par ângulo de direção de uma porção de fluxo de fluido para fora da região e para distribuição do volume total de fluxo de fluido a partir da entrada de forma substancialmente uniforme entre a pluralidade de condutos.(...)

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TROCADOR DE CALOR POSSUINDO DESVIADOR DE FLUXO E MÉTODO DE OPERAÇÃO DO MESMO

REFERÊNCIA' CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

Este pedido reivindica prioridade para o Pedido de

Patente Provisória U.S. N° 61/239.916, depositado em 4 de setembro de 2009, cuja totalidade é incorporada aqui como referência ι.

CAMPO DA INVENÇÃO

Esta invenção se refere a trocadores de calor e, mais 10 particularmente, a trocadores de calor que incorporam recursos de direcionamento de fluxo interno para uma distribuição uniforme de um fluxo de transferência de calor.

ANTECEDENTES

Um método de construção para trocadores de calor que é freqüentemente empregado (por exemplo, em radiadores para motores de: combustão interna) se baseia em um núcleo de troca de calor compreendido por múltiplos tubos achatados paralelos intercalados com e ligados a estruturas de aleta

0 corrugadas, Esses trocadores de calor funcionam pela transferência de calor entre um primeiro fluido (arrefecedòr de motor, por exemplo) viajando através de tubos e um 1 segundo fluido (ar, por exemplo) passando sobre os tubos através das estruturas de aleta corrugadas.

De modo a se evitar um vazamento do primeiro fluido conforme ele passa através de um trocador de calor como esse, os tubos tipicamente são presos a uma placa de coletor em igualquer extremidade, e as placas de coletor por sua vez são presas a um tanque. O primeiro fluido entra em um dos tanques (o tanque de entrada) através de uma janela

2/19 de entraÜa, e sai de um dos tanques (o tanque de saída) através de uma janela de saída. O tanque de entrada assim serve como um manifold de fluido para a distribuição do fluido aIpartir da janela de entrada até os tubos.

De modo a se otimizar a performance de transferência de calor Ido trocador de calor, é altamente desejável que o primeiro | fluido se distribua uniformemente entre os múltiplos| tubos. Em muitos casos, o projeto do tanque de entrada e de sua janela de entrada é especificamente dirigido 1 à produção de uma distribuição de fluxo tão uniforme Iquanto possível. Contudo, em muitas aplicações, isto podei ser difícil pelas restrições impostas sobre o trocador de calor por outras partes do sistema. Em muitas aplicações, a janela de entrada pode precisar estar localizada em uma área do tanque de entrada que torna uma distribuição uniforme do fluido mais difícil de se obter. Em muitasI aplicações, o espaço disponível para linhas de fluido pode ser tão limitado que requer um tamanho de linha que resulta no fluido entrar no tanque de entrada a uma velocidadé alta, também tornando uma distribuição uniforme do fluido Idifícil de se obter.

Quandb a janela de entrada é orientada em uma direção que é paralela à direção axial dos tubos, a distribuição de fluxo dos tubos pode ser melhorada pela adição de uma placa defletora ilocalizada no tanque de entrada, de modo que o fluxo entrando no tanque através da janela de entrada impinja sobre ela. A impingidela do fluxo sobre a placa defletora limpede que o fluido flua desproporcionalmente através dós tubos imediatamente adjacente â janela de

0 entrada. Uma solução como essa para o problema de

3/19 distribuição de fluxo em trocadores de calor deste tipo é descrito em maiores detalhes na Patente U.S. N° 5.186.249.

Os inventores descobriram que um defletor tal como descrito acima não impede adequadamente uma má distribuição de fluxo através dos tubos de trocador de calor, quando a janela de entrada, ao invés disso, estiver orientada em uma direção perpendicular à direção axial dos tubos. Isto mostrou ser especialmente verdadeiro em casos em que a área de fluxo da janela de entrada é suficientemente pequena em relação à vazão de fluido, de modo que o fluido entre pelo tanque de entrada em um regime de fluxo turbulento. Assim, ainda há espaço para melhoramento.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em algumas modalidades, a invenção pode prover um trocador de calor que inclui um tanque que tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade definindo um comprimento de tanque entre elas, bem como um conector posicionado na primeira extremidade do tanque e provendo uma entrada para um fluxo de fluido para o tanque em uma primeira direção de fluxo geral. O trocador de calor também pode incluir uma pluralidade de fendas de tubo definidas ao longo do comprimento do tanque entre uma primeira posição adjacente à primeira extremidade e uma segunda posição adjacente à segunda extremidade, cada fenda de tubo recebendo um tubo, cada tubo provendo uma saída para fluxo de fluido a partir do tanque em uma segunda direção de fluxo geral, a segunda direção de fluxo em um ângulo não paralelo com respeito à primeira direção de fluxo geral. Um desviador ide fluxo pode ser posicionado no tanque em uma terceira posição entre a primeira posição e a segunda

4/19 posição para direcionamento de pelo menos uma porção do fluxo de fluido para longe da primeira direção de fluxo geral e, desse modo, distribuir o fluxo de fluido a partir da entrada de forma substancialmente uniforme para cada um da pluralidade de tubos, o desviador defluxo incluindo pelo menos uma projeção alongada orientada de modo que a dimensão alongada seja geralmente transversal à primeira direção de fluxo geral.

Algumas modalidades da invenção podem prover um trocador de calor que inclui um tanque que tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade definindo um comprimento entre eles e uma área de seção transversal do tanque transversal ao comprimento. Um orifício de entrada pode ser definido na primeira extremidade do tanque através da qual um fluido flui em uma primeira direção para o tanque, o orifício de entrada tendo uma área de seção transversal transversa à primeira direção. O trocador de calor também pode incluir uma região volumosa se estendendo por uma distância a partir da primeira extremidade e definida por fronteiras as quais se estendem em geral linearmente a partir da circunferência d área de seção transversal do orifício de entrada até a circunferência da área de seção transversal do tanque à distância. O trocador de calor ainda pode incluir uma pluralidade de aberturas dispostas ao longo do comprimento do tanque, cada abertura recebendo um de uma pluralidade de condutos, cada conduto provendo uma saída para um fluxo de fluido a partir do tanque em uma segunda direção, a segunda direção de fluxo em um ângulo não paralelo com respeito à primeira direção de fluxo. Üm desviador de fluxo pode ser posicionado na

5/19 região volumosa do tanque para dirigir uma porção do fluxo de fluidò para fora da região volumosa e, desse modo, distribuir o volume total do fluxo de fluido a partir da entrada Ide forma substancialmente uniforme entre a pluralidade de condutos.

Em algumas modalidades, a invenção pode prover um trocador de calor que inclui um tanque que tem primeira e segunda extremidades definindo uma primeira dimensão de tanque entre elas, e pelo menos uma parede que define uma área de sleção transversal do tanque. O trocador de calor também pode incluir uma janela de entrada posicionada na primeira extremidade do tanque, uma pluralidade de fendas de tubo definidas em uma parede do tanque ao longo da primeira dimensão de tanque, e uma pluralidade de projeções posicionadas em pelo menos uma parede. Pelo menos uma da pluralidadb de projeções pode estar localizada a uma primeira distância da primeira extremidade ao longo da primeira dimensão de tanque, as projeções podem ser posicionadas para desviarem uma porção de fluido da janela de entradaI para pelo menos uma fenda de tubo posicionada a uma segunda distância da primeira extremidade ao longo da primeira dimensão de tanque, a segunda distância sendo menor do qúe a primeira distância.

Outros recursos, aspectos, objetos e vantagens da invenção tòrnar-se-ão evidentes a partir de uma leitura completa do' relatório descritivo e dos desenhos associados. BREVE DESCRllÇÃO DOS DESENHOS

A FIG.I 1 é uma vista isométrica de um trocador de calor especialmente adequado para a derivação de um bocal a

0 partir de uma modalidade da presente invenção,·

I

6/19 a FIG. 2 é uma vista isométrica de uma porção do trocador de calor da FIG. 1;

a FIG. 3 é uma representação de linha de corrente de fluido geral de uma expansão súbita de um fluxo de fluido;

a FI perfil de benefício

G. 4 é um gráfico de contorno sombreado de um velocidade no trocador de calor da FIG. 1, sem o da invenção;

!

a FIG. 5 é uma vista isométrica parcial de uma porção de um vjolume de fluido em um trocador de calor especialm^nte adequado para a deriva do benefício de uma modalidadé da presente invenção;

i a FIG. 6 e uma vista isométrica parcial de um tanque de entrada para uso em uma modalidade da presente invenção;

a FIG. 7 é uma vista em seção transversal parcial isométrica a FIG fluxo de ao longo das linhas VII-VII da FIG. 2; e . 8 é um gráfico que compara a distribuição de fluido em um trocador de calor com e sem o benefício de uma modalidade da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA MODALIDADE PREFERIDA

Antes de qualquer uma das modalidades da invenção ser explicada em detalhes, é para ser entendido que a invenção não está limitada em sua aplicação aos detalhes de construção e ao arranjo de componentes estabelecido na descrição a seguir ou ilustrado nos desenhos a seguir. A invenção é 'capaz de outras modalidades e de ser praticada ou de ser realizada de várias formas. Também, é para ser entendido qu^{e a} fraseologia e a terminologia usadas aqui são para fins de descrição, e não devem ser consideradas como limitantes. O uso de incluindo, compreendendo ou

0 tendo e variações dos mesmos aqui tem por significado

7/19 conectado, mesmos são englobar os itens listados depois disso e equivalentes dos mesmos, bem como itens adicionais. A menos que especificado ou limitiado de outra forma, os termos montado, suportado e acoplado e variações dos usados amplamente e englobam montagens, conexões, | suportes e acoplamentos diretos e indiretos. Ainda, çonectado e acoplado não estão restritos a conexões óu acoplamentos físicos ou mecânicos.

A FIG. 1 descreve um trocador de calor 1 que pode ser usado, por exemplo, como um radiador para resfriamento de um arrefecedor líquido para um motor de combustão interna. O trocador de calor descrito inclui um núcleo de trocador de calor 2l que compreende uma multidão de tubos de troca de calor achatados paralelos 3 intercalados com aletas convolutasl 4. Em uma aplicação típica deste tipo de trocador de calor, um arrefecedor líquido é transportado através dois tubos de trocador de calor 3, enquanto o ar é dirigido através das aletas 4, de modo que o calor do arrefecedor possa ser rejeitado para ar. Em outras modalidades, compreendido o núcleo de trocador de calor 2 pode ser as quase formam por placas empilhadas passagens de fluxo para fluidos de trabalho entre elas. Em modalidades adicionais, placas empilhadas formando passagens de fluido entre elas alternativamente podem ser intercaladas com aletas convolutas para a formação de um trocador de calor 2.

núcleo de ilustradas

Embora as modalidades incluam um núcleo de trocador de calor 2 compreendendo tubos 3 e aletas 4, deve ser entendido que a invenção pc de núcleos de ser usada em conjunto com vários outros tipos de trocador de calor.

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Os tubos 3 podem ser afixados de forma vedante a um par de placas de coletor 5 em extremidades opostas dos tubos 3 por meio de várias aberturas ou fendas de tubo 10 em cada uma das placas de coletor 5 (mais bem visto na FIG. 2), de modo que os tubos 3 possam prover um percurso / uma passagem |sem vazamento para um fluido (por exemplo, um arrefecedor) a partir de um tanque de entrada 6 para um tanque dei saída 7. O tanque de entrada 6 e o tanque de saída 7 podem ser afixados de forma vedante a uma das placas dé coletor 5. Alternativamente, os tanques de entrada eI de saída 6, 7 e as placas de coletor 5 podem ser integralménte formados, de modo que as fendas de tubo 10 sejam definidas em uma parede do tanque. Em algumas modalidadels de exemplo, os tubos 3 e as placas de coletor 5 podem ser| construídas a partir de um material brasável, soldável òu preso com solda fraca, tal como alumínio, de modo que à afixação dos tubos 3 às placas de coletor 5 possa ser [realizada por brasagem, soldagem ou solda fraca. Em algumas modalidades, ambos os tanques 6, 7 podem ser formados ppr um polímero, como é conhecido na técnica. As placas de| coletor 5 também podem ser formadas de um polímero a^ldequado. Os tubos 3 podem ser presos de forma vedante nas fendas de tubo 10 com um adesivo de ligação, tal como epóxi.

O tanque de entrada 6 do trocador de calor 1 inclui uma extremidade proximal 22 e uma extremidade distai 23, com as fendas de tubo 10 dispostas entre elas ao longo de um comprimento do tanque. O formato circunferencial e a área de seção transversal (os quais determinam o diâmetro hidráulico d₂) do tanque de entrada 6 podem variar de uma

9/19 modalidade para a outra. O tanque de entrada 6 ainda inclui um conector de entrada 8 na extremidade proximal 22 para a provisão de uma janela de entrada de fluido através da qual um fluxo |de arrefecedor pode entrar no volume interno do tanque de)entrada 6. Deve ser entendido que as extremidades proximal L distai do tanque de entrada 6 são identificadas assim de | modo a facilitar uma descrição da modalidade ilustrada), e que a extremidade do tanque de entrada 6 tendo o conectojr de entrada 8 alternativamente pode ser referida como a extremidade distai. O formato circunferencial e a área de seção transversal (os quais determinam o diâmetro hidráulic)o di) do conector 8 e o orifício definindo a janela dè entrada podem variar de uma modalidade para a outra, c(omo o pode o ângulo no qual o conector 8 é posicionado com respeito à extremidade proximal 22 do tanque 6 L O ângulo no qual o conector 8 é orientado com respeito|à extremidade 22 do tanque de entrada 6 determina uma primeira direção de fluxo de fluido para o tanque 6.

Durante uma operação do trocador de calor 1, a orientação dos tubos 3 com respeito ao tanque de entrada 6 define uma segunda direção de fluxo para o fluido viajando para fora do tanque 6. Em geral, a invenção é dirigida a trocadores de calor 1 nos quais as primeira e segunda direções) de fluxo são em ângulos não paralelos uma com respeito) â outra. De acordo com algumas modalidades da invenção^ as primeira e segunda direções de fluxo podem ser entre 4 5) e 135 graus com respeito a cada outra. Como nas modalidades ilustradas, os tubos 3 podem ser posicionados de modo (que a segunda direção de fluxo seja aproximadamente perpendicular à primeira direção de fluxo definida pelo

I

10/19 conector 8.

O tanque de saída 7 do trocador de calor 1 inclui um conector de saída 9 através do qual o fluido recebido no tanque de Isaída 7 a partir dos tubos 3 pode ser removido do trocador de calor 1. Em certas modalidades, a orientação do conector 9 pode ser paralela à direção de fluxo definida pelos tubos 3, conforme mostrado na modalidade da FIG. 1. Em outrasl modalidades, pode ser preferível orientar o conector de saída 9 para ser paralelo ao conector de entrada 8i Em outras modalidades, o conector 9 pode ter outras orientações com respeito a um ou mais dos tubos 3, tal como, | por exemplo, em um ângulo não paralelo não perpendicullar com respeito a uma direção de fluxo definida pelo fluido através de um tubo adjacente 3, ou, alternativamente, o conector 9 pode ter uma orientação arqueada óu outra não linear com respeito a um tubo adjacente 3.

O comportamento típico de um fluxo de fluido entrando pelo tanqup de entrada 6 de um trocador de calor 1 através de um conelctor de entrada 8 pode ser mais bem descrito com referêncial à FIG. 3. Conforme um fluxo de fluido 19 viajando apravés de uma primeira passagem de fluxo 15 tendo um diâmetrio hidráulico de d! abruptamente se expande para uma segunda passagem de fluxo 16 tendo um diâmetro hidráulicol d₂ substancialmente maior do que di, uma região de jato 17! desenvolver-se-á com fronteiras que se estendem a partir da circunferência da primeira passagem de fluxo até a circunferência da segunda passagem de fluxo por uma d ao longo djo comprimento L da segunda passagem de fluxo. A região de [ jato 17 é separada do meio restante por uma

11/19 superfície de delimitação que se desintegra em vórtices fortes 20. Além da distância, o jato 17 se expande até a seção transversal plena da passagem 16, e o fluxo 19 continua através da passagem de fluxo 16 como um fluxo essencialmente uniforme. O comprimento do jato 17 pode ser tipicamente correlacionado ao diâmetro hidráulico da segunda passagem de fluxo 16, e, freqüentemente, será aproximadamente igual a algum múltiplo daquele diâmetro hidráulico. Este tipo de comportamento é bem conhecido no campo de dinâmica dos fluidos, e pode ser encontrado descrito em manuais de dinâmica dos fluidos, tal como Handbook Of Hydraulic Resistance (3* edição) de I. E. Idelchik, publicado em Inglês pela CRC Press em 1994.

No caso do trocador de calor 1 das FIG. 1 e 2, a formação de um jato como esse pode ter efeitos indesejáveis sobre a distribuição de fluxo de fluido entre cada um dos tubos 3. Quando pelo menos algumas das fendas de tubo 10 estão localizadas mais próximas da janela de entrada do tanque do que o comprimento de jato L (conforme mostrado na FIG. 7) , ps inventores descobriram que o volume de fluido entrando nós tubos 3 correspondentes àquelas fendas de tubo 10 pode ser substancialmente menor do que o volume de fluido què entraria pelos tubos 3 se o distribuídó mais uniformemente entre substancialmente todos os tubos 3. Também, o volume de fluido enbrando pelos tubos 3 posicionados no e além do comprimento de jato L é substancialmente maior do que estes tubos recfeberiam, se o fluxo fosse distribuído mais uniformemente entre todos ou substancialmente todos os tubos 3 . Gomo resultado, o volume de fluido no tanque de fluxo fosse todos ou

12/19 entrada 5 é distribuído de forma desproporcional para os tubos 3 do núcleo de trocador de calor 2, o que aumenta a eficiênciia operacional e a efetividade do trocador de calor · í

I

Pela) realização de simulações numéricas de fluxo de fluido atrravés de um trocador de calor 1 que carece de quaisquerj recursos de distribuição de fluxo interno em condições|de operação típicas de um radiador de veículo, os inventores descobriram que uma região de jato de fato desenvolver-se-ia no tanque de entrada 6. A FIG. 4 ilustra os contornos de velocidade de um fluxo de fluido se

I expandindo a partir do conector de entrada 8 para o volume

I do tanque I 6. No gráfico de contorno da FIG. 4, cada linha definindo I uma fronteira entre diferentes tons de cinza indica uma linha de magnitude de velocidade de fluido constante.| Conforme pode ser visto na FIG. 4, o fluido se expande pára o tanque de entrada 6 como um jato de velocidade) alta 17 separado do meio fluido restante 18, o ι

jato se expande por um comprimento L até o meio fluido 18 preencher |substancialmente a área de seção transversal inteira do|tanque 6. Na região 12 do tanque 6 localizada a jusante doj comprimento L, o fluido rapidamente exibe uma í

velocidadejde fluxo mais uniforme. Para algumas condições de operação típicas, tal como uma descrita pelo gráfico de contorno çla FIG. 4, o comprimento L é igual a aproximadamente duas vezes o diâmetro hidráulico do tanque de entrada Ιβ. Para outras condições de operação típicas, a relação do comprimento L para o diâmetro hidráulico pode ser menor do que ou maior do que dois, e, em muitos casos, pode estar entre um e cinco.

13/19

Os inventores descobriram que pela introdução de um desviador Ide fluxo em um volume de região de jato do tanque de entrada! do trocador de calor 1, a distribuição de fluxo pode ser gjrandemente melhorada entre e ao longo de cada um dos tubos I de transferência de calor. Conforme mais bem visto na FIG. 5, uma região de jato 17 pode ser definida em um volume de fluido 12 ocupando o volume interno do tanque de entradal 6 de um trocador de calor 1, o volume de fluido 12 recebendo um fluxo de fluido 24 através de uma janela de entrada lll, e o fluxo de fluido 24 entrando no volume de fluido 12 !em uma direção de fluxo definida pela janela de entrada lll. O fluxo de fluido 24 pode ser enviado para a janela de |entrada 11, por exemplo, através de um conector de entrada 18, conforme mostrado nas FIG. 1 e 2.

Conforme mostrado na FIG. 5, uma região volumosa geralmente| troncônica 17 pode ser definida como sendo delimitada Ipela janela de entrada 11, uma seção transversal 14 do volume de fluido 12 localizada em um plano substancialmente perpendicular à direção de fluxo definida pela janela de entrada 11 e espaçada a uma distância L da janela de |entrada 11, e uma fronteira mesclada que se estende em Igeral linearmente a partir da janela de entrada 11 até o interior da parede de tanque na interseção com a seção transversal selecionada 14. Embora uma referência seja feita |aqui a uma região volumosa geralmente troncônica 17, em algjumas modalidades, a região 17 pode ter outros formatos é configurações (por exemplo, um tronco de pirâmide ou| um formato mais irregular) , porque o formato e a configurarão da região 17 podem ser definidos, pelo menos

0 em parte, p|elo tamanho e pelo formato da janela de entrada

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11, a qual em si pode ter qualquer um de vários formatos diferentesl (por exemplo, redondo, quadrado, oval e similares) |, e o tamanho e o formato de seção transversal do tanque na localização da seção transversal escolhida 14.

Em uma. modalidade da invenção ilustrada pela FIG. 6, um desviadòr de fluxo incluindo uma ou mais protuberâncias ou projeçõjes alongadas 21 pode ser posicionado na região volumosa 17 (não mostrado explicitamente na FIG. 6) . Estas projeções 21 podem desviar pelo menos uma porção do fluxo de fluido éntrando no tanque 6 em uma primeira direção de fluxo para| uma direção diferente, desse modo se mudando o perfil de (velocidade do fluxo de fluido no tanque. Em algumas módalidades, as projeções 21 podem desviar uma porção do fluido fluindo no interior da região volumosa 17 geralmente|em percursos de fluxo de fluido em linha reta a partir da janela de entrada 11 para fora da região 17. Uma simulação humérica adicional de fluxo através do trocador de calor ll com essas projeções 21 presentes mostrou que a distribuição do fluxo de fluido através do núcleo de trocador de calor 2 pode ser grandemente melhorada. Em uma modalidade, as projeções 21 podem ser dimensionadas e posicionadas de modo que substancialmente nenhum (ou pelo menos comparativamente poucos) percurso de fluxo reto exista a partir da janela de entrada 11 até a seção transversal 14 da região volumosa 17. Em outras palavras, substancialmente todos os percursos de fluxo de fluido se estendendo linearmente a partir da janela de entrada 11 até a seção transversal 14 são desviados para longe de ou em torno de uffla ou mais projeções 21.

0 Em algiumas modalidades, tal como uma mostrada na FIG.

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6, pode ser desejável que as projeções 21 incluam um primeiro grupo disposto em uma fileira localizada a uma primeira distância longe da janela de entrada 11, e, ainda, incluam umi segundo grupo disposto em uma fileira localizada a uma segunda distância longe da janela de entrada 11. Pode ser especialmente desejável dispor as projeções 21 nos primeiro e segundo grupos, de modo que uma linha conectando uma das projeções 21 no primeiro grupo a uma das projeções no segundó grupo seja substancialmente não paralela â direção do fluxo entrando através da janela de entrada 11. Em algumas modalidades, as projeções 21 podem ser dispostas para formarem uma cunha, de modo que uma projeção esteja posicionada mais próxima da entrada (ou a uma distância ao longo do comprimento do tanque menor do que) pelo menos duas outras projeções 21. Em algumas modalidades, uma primeira linha a partir de qualquer ponto na área de seção transversal da janela de entrada 11 e uma primeira projeção 21 não é paralela a uma segunda linha a partir do mesmo ponto até, uma segunda projeção 21. Em modalidades adicionais, uma terceira linha a partir do mesmo ponto até uma terceiíra projeção 21 é não paralela às primeira e segunda linhas.

Em algumas modalidades, tais como aquelas descritas, as projeções 21 podem ser geralmente cilíndricas. Contudo, em outras modalidades, as projeções 21 podem ser quadradas, retangularés, triangulares, octogonais, em formato de aerofólio, ou outros formatos. Em algumas modalidades, uma ou mais das projeções 21 podem ter um formato de seção transversal, substancialmente constante se estendendo entre extremidades próximas e distais ao longo de um eixo

16/19 geométrico longitudinal ou dimensão, enquanto, em outras modalidades, uma ou mais das projeções 21 podem ser afuniladas, flexionadas e/ou contornadas de modo a se terem formatos não constantes de seção transversal entre as extremidades próxima e distai. Nas modalidades ilustradas, as projeções 21 não se estendem completamente através do interior do tanque entre as paredes opostas do tanque; em algumas modalidades, uma ou mais das projeções 21 podem se estender através da largura inteira ou substancialmente inteira do tanque 6. Nas modalidades ilustradas, a dimensão longitudinal de cada uma das projeções 21 é paralela à dimensão longitudinal das outras projeções 21; em algumas modalidades, as projeções 21 podem ser posicionadas de modo que a dimensão longitudinal de uma seja não paralela àquela de uma outra.

Na modalidade ilustrada da FIG. 6, as projeções 21 se estendem em geral para dentro perpendicularmente a partir de uma única parede comum do tanque de entrada 6 e transversais à primeira direção de fluxo. Em outras

0 modalidadeSs, as projeções 21 podem se estender para dentro a partir d!e duas ou mais paredes diferentes do tanque 6. De forma alternativa ou adicional, uma ou mais das projeções 21 podem se estender a partir da parede em um outro ângulo além de 90 graus. Em ainda outras modalidades, o tanque 6 pode ser |de formato substancialmente cilíndrico, e as projeções '21 podem se estender para dentro a partir da parede de [tanque, de modo que as projeções 21 convirjam em direção a um eixo geométrico longitudinal central do tanque 6 ou uma I distância substancialmente constante é mantida

0 entre as [projeções adjacentes 21 entre as extremidades

17/19 próxima e distai das projeções adjacentes 21.

Em algumas modalidades da invenção, o desviador de fluxo pode assumir outras formas, tais como uma ou mais placas com orifícios definidos ali, ou uma ou mais telas posicionadas na região volumosa 17 em um plano geralmente não paralelo à primeira direção de fluxo. Algumas modalidades podem incorporar vários dos elementos descritos aqui e podem variar no tamanho, no formato e na orientação. Em algumas modalidades, o desviador de fluxo pode ser integralmente formado com uma parede do tanque.

Quando uma ou mais das fendas de tubo 10 no coletor 5 estão localizadas mais próximas da janela de entrada 11 do que a distância L, como é mostrado na modalidade da FIG. 7, então, a ptresente invenção pode ser especialmente benéfica na melhoria (isto é, na equalização) da distribuição de fluxo para os tubos 3 pelo núcleo de trocador de calor 2 (removido por clareza na FIG. 7) . Em uma modalidade como essa, as projeções 21 podem dirigir uma porção do fluxo de fluido entrando através da janela de entrada 11 para fora da região de jato, antes de atingir a distância L, desse modo se aumentando o volume de fluido entrando nos tubos mais próximos da entrada 11. Uma outra porção do fluxo de fluido em contraste faz seu caminho em torno das projeções 21 e sairá pela região de jato 17 através da face de seção transversal 14, de modo que o restante dos tubos 3 ainda possa ser ádequadamente suprido com fluido.

O gráfico da FIG. 8 compara a distribuição de fluxo entre os tubos, conforme predito por simulação numérica, para as modalidades do trocador de calor 1 com se sem o desviador de fluxo mostrado nas FIG. 6 e 7. A vazão

18/19 normalizada é calculada como a relação da vazão de tubo individual dividida pela vazão teórica perfeitamente distribuída, de modo que um trocador de calor de distribuição perfeita exiba todos os tubos tendo uma vazão normalizáda unitária. Conforme ilustrado, o trocador de calor com as projeções 21 permite que mais fluido seja enviado para os tubos 3 mais próximos da janela de entrada 11, assim melhorando a vazão normalizada daqueles tubos 3 para um valor que é mais próximo da distribuição perfeita.

Ao fazê-lo, o problema de superalimentação dos tubos 3 localizados mais distantes da entrada 11 é substancialmente melhorado, também. Deve ser reconhecido que a distribuição de fluido melhorada resultante da adição do desviador de fluxo pode resultar em um trocador de calor de melhor performance.

Várias alternativas para certos recursos e elementos da presente invenção são descritas com referência a modalidades específicas da presente invenção. Com exceção de recursos, elementos e maneiras de operação que sejam mutuamente exclusivas ou sejam inconsistentes com cada modalidade descrita acima, deve ser notado que os recursos alternativos, elementos e maneiras de operação descritos com referência a uma modalidade em particular são aplicáveis às outras modalidades.

As modalidades descritas acima e ilustradas nas figuras são representadas a título de exemplo apenas, e não são pretendidas como uma limitação quanto aos conceitos e princípios da presente invenção. Como tal, será apreciado por alguém tendo um conhecimento comum na técnica que

0 várias mudanças nos elementos e na sua configuração e no

19/19 arranjo são possíveis, sem que se desvie do espírito e do escopo da presente invenção.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. 'Trocador de calor caracterizado pelo fato de compreendier:

um tanque que tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade definindo um comprimento de tanque entre elas;

um conector posicionado na primeira extremidade do tanque e provendo uma entrada para o fluxo de fluido para o tanque em uma primeira direção geral de fluxo;

uma pluralidade de fendas de tubo definidas ao longo do comprimento do tanque entre uma primeira posição adjacente à primeira extremidade e uma segunda posição adjacente à segunda extremidade, cada fenda de tubo recebendo um tubo, cada tubo provendo uma saída para fluxo de fluido a partir do tanque em uma segunda direção de fluxo geral, a segunda direção de fluxo em um ângulo não paralelo com respeito â primeira direção de fluxo geral; e um desviador de fluxo posicionado no tanque em uma terceira posição entre a primeira posição e a segunda posição para direcionamento de pelo menos uma porção de fluxo de fluido para longe da primeira direção de fluxo geral e, desse modo, para a distribuição do fluxo de fluido a partir da entrada de forma substancialmente uniforme para cada um da pluralidade de tubos, o desviador de fluxo incluindo pelo menos uma projeção alongada orientada de modo que a dimensão alongada seja geralmente transversal â primeira direção de fluxo geral.

2. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o desviador de fluxo ser posicionado em uma parede de tanque que se estende entre as

2/6 primeira e segunda extremidades.

3. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterilzado pelo fato de o desviador de fluxo definir uma pluralidade de projeções alongadas.

5 4. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a pluralidade de projeções alongadas ser disposta para formar uma cunha de modo que uma primeira projeção seja posicionada mais próxima da entrada do que pelo menos duas outras projeções.

10 5. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o ângulo não paralelo entre as primeira e a segunda direções de fluxo em geral ser um ângulo entre 45 e 135 graus.

6. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1,

15 caracterizado pelo fato de o ângulo não paralelo entre as primeira e a segunda direções de fluxo em geral ser um ângulo de aproximadamente 90 graus.

7. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o desviador de fluxo ser

20 disposto de modo a eliminar a maioria de percursos de fluxo de fluido de linha reta do conector até qualquer uma da pluralidade de fendas de tubo.

8. Trocador de calor caracterizado pelo fato de compreender:

2 5 um tanque que tem uma primeira extremidade e uma segunda extremidade definindo um comprimento entre elas e uma área de seção transversal do tanque transversal ao comprimento;

um orifício de entrada definido na primeira

30 extremidade do tanque através da qual um fluido flui em uma

3/6 primeira I direção para o tanque, o orifício de entrada tendo uma áreá de seção transversal transversa à primeira direção; j uma lregião volumosa do tanque se estendendo por uma 5 distâncial a partir da primeira extremidade e definido por fronteirás as quais se estendem geralmente de forma linear a partir |da circunferência da área de seção transversal do orifício (de entrada até a circunferência da área de seção transversal do tanque na referida distância;

10 uma (pluralidade de aberturas dispostas ao longo do comprimento do tanque, cada abertura recebendo um de uma pluralidade de condutores, cada condutor provendo uma saída para fluxo de fluido a partir do tanque em uma segunda direção, |a segunda direção de fluxo em um ângulo não

15 paralelo com respeito à primeira direção de fluxo; e um dèsviador de fluxo posicionado na região volumosa do tanque! para direcionamento de uma porção do fluxo de fluido para fora da região volumosa e, desse modo, distribuindo o volume total de fluxo de fluido a partir da

20 entrada de forma substancialmente uniforme entre a pluralidade de condutos.

9. Tríocador de calor, de acordo com a reivindicação 8, caracteri zlado pelo fato de a referida distância ser igual a entre uma :e cinco vezes o diâmetro hidráulico do tanque, o

25 diâmetro hidráulico do tanque sendo definido pela área de seção tranéversal do mesmo.

10. Tírocador de calor, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o dèsviador de fluxo ser disposto de modo a eliminar a maioria dos percursos de

3 0 fluxo de línha reta a partir do orifício de entrada até a

I

4/6 área de seção transversal do tanque na referida distância.

11. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação

10, caracterizado pelo fato de o desviador de fluxo incluir uma pluralidade de projeções alongadas.

5 12. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação

11, caracterizado pelo fato de cada uma da pluralidade de projeções alongadas ser posicionada geralmente de forma transversal com respeito à primeira direção.

13. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação

10 12, caracterizado pelo fato de a pluralidade de projeções alongadas¹ ser disposta para formar uma cunha de modo que uma primeira projeção seja posicionada mais próxima da entrada do que pelo menos duas outras projeções.

14. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação

15 11, caracterizado pelo fato de as projeções alongadas terem um formato geralmente cilíndrico.

15. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o desviador de fluxo ser posicionado em uma parede do tanque.

20 16. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação

16, caracterizado pelo fato de o tanque ser formado por um material plástico e o desviador de fluxo ser integralmente formado com o tanque.

17. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação

25 8, caracterizado pelo fato de o ângulo não paralelo entre as primeira e segunda direções ser um ângulo entre 45 e 135 graus.

18 . Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o ângulo não paralelo entre

3 0 as primeira e segunda direções ser um ângulo de

5/6 aproximadamente 90 graus.

19. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 8, caracteírizado pelo fato de a pluralidade de aberturas ser substancialmente alinhada em uma fileira ao longo de

5 uma parede¹ do tanque a partir da primeira extremidade até a segunda extremidade.

20. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 8, caractferizado pelo fato de o diâmetro hidráulico do tanque ser maior do que duas vezes o diâmetro hidráulico do

10 orifício Jde entrada, o segundo diâmetro do tanque e o orifício de entrada sendo definidos pelas respectivas áreas de seção transversal dos mesmos.

21. Trocador de calor caracterizado pelo fato de compreender:

15 um tanque que tem primeira e segunda extremidades definindo,! uma primeira dimensão de tanque entre elas, e pelo menos uma parede definindo uma área de seção transversal do tanque;

uma janela de entrada posicionada na primeira

20 extremidade do tanque;

uma pluralidade de fendas de tubo definidas em uma parede do tanque ao longo da primeira dimensão de tanque; e uma pluralidade de projeções posicionadas em pelo menos uma parede, pelo menos uma da pluralidade de

25 projeçõeís estando localizada a uma primeira distância da primeira extremidade ao longo da primeira dimensão de tanque, as projeções posicionadas para desviarem uma porção do fluido a partir da janela de entrada para pelo menos uma fenda de tubo posicionada a uma segunda distância da

30 primeira extremidade ao longo da primeira dimensão de

6/6 tanque, a segunda distância sendo menor do que a primeira distância.

22. 'Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 21, caracjterizado pelo fato de a pluralidade de projeções

5 ser disposta em uma formação alternada, de modo que uma primeira projeção seja posicionada mais próxima da janela de entrada do que pelo menos duas outras projeções.

23. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de cada uma da pluralidade de

10 projeções incluir uma dimensão longitudinal orientada transversalmente a pelo menos uma parede na qual está posicionada.

24. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato de a pluralidade de projeções

15 ser integralmente formada com o tanque.

25. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de a primeira distância ser igual a entre uma e cinco vezes o diâmetro hidráulico do tanque, o diâmetro hidráulico do tanque sendo definido pela

20 área de seção transversal do tanque.

26. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato de a pluralidade de fendas de tubo ser Idefinida em uma placa de coletor a qual é conectada de forma vedante a pelo menos uma parede do

2 5 tanque.

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