ES2202024T3 - Tubo de intercambio termico provisto de nervaduras y procedimiento para su fabricacion, intercambiador de calor provisto de tal tubo. - Google Patents

Abstract

Tubo (1) de intercambio térmico provisto, en su superficie interna (1a), de nervios aptos para ser conformados, caracterizado porque todos los citados nervios (2), antes de la conformación, tienen un perfil (P) asimétrico, estando el vértice (S) del citado perfil de los citados nervios desplazado con respecto a la base (B) del citado perfil.

Description

Tubo de intercambio térmico provisto de nervaduras y procedimiento para su fabricación, intercambiador de calor provisto de tal tubo.

La invención se refiere a un tubo de intercambio térmico, y a su procedimiento de fabricación, así como a un intercambiador de calor que incorpora un tubo de este tipo.

En el ámbito de los intercambiadores de calor, es conocido, especialmente por el documento FR-A-2 706 197, realizar un tubo cuya superficie interna está provista de nervios que permiten aumentar las superficies de intercambio entre el tubo y el fluido que éste contiene y mejorar, así, el coeficiente de intercambio térmico con el fluido, sea éste monofásico o difásico. En la práctica, el coeficiente de intercambio térmico en fase difásica entre un tubo liso de metal, tal como un tubo de cobre, y un fluido portador de calor, tal como di-fluoro-clorometano, varía entre 1.500 y 3.000 W/m^{2}/ºC en función del flujo térmico transferido, es decir, en función de la naturaleza del fluido en el cual se baña el tubo, que puede ser un líquido o un gas. Utilizando nervios internos al tubo, este coeficiente puede llegar hasta valores comprendidos entre, aproximadamente, 3.800 W/m^{2}/ºC y, aproximadamente, 6.000 W/m^{2}/ºC, según el caso, lo que constituye un aumento sensible.

Por otra parte, por el documento JP-A-02 097 896, se conoce prever que una parte de los nervios internos de un tubo estén inclinados, siendo los otros nervios simétricos con respecto a un radio que les atraviesa en su centro. Esta geometría no uniforme de los nervios favorece las turbulencias de la corriente. Además, habida cuenta de su geometría, los nervios inclinados son deformados esencialmente por aplastamiento, lo que no permite garantizar una conformación precisa de la cara interna del tubo y requiere esfuerzos importantes. El valor del coeficiente de intercambio térmico obtenido no está garantizado con precisión y sigue siendo relativamente pequeño.

Sin embargo, al menos, para algunas aplicaciones, convendría aumentar todavía el valor de este coeficiente a fin de mejorar el rendimiento de un intercambiador de calor que incorpora tales tubos. Ahora bien, el coeficiente de intercambio térmico en fase difásica puede descomponerse en la forma siguiente

(1)H = (h _{conv}^{n} + h _{nb}^{n})^{1/n}

- h _{conv} es el coeficiente de intercambio térmico por convección;

- h _{nb} es el coeficiente de intercambio térmico por ebullición y

- n es un número comprendido entre 1 y 3.

Se ha podido demostrar experimentalmente que, en las mismas condiciones, el coeficiente de intercambio térmico por ebullición es, aproximadamente, el doble del coeficiente de intercambio térmico por convección. Así, para aumentar el valor del coeficiente de intercambio térmico global de un tubo con un fluido, importa, esencialmente, aumentar el valor del coeficiente de intercambio térmico por ebullición.

La invención pretende aumentar el valor del coeficiente de intercambio térmico de un tubo, en su parte interna, sin, por otra parte, aumentar de modo perjudicial el coeficiente de rozamiento del fluido sobre la superficie interna del tubo o de la placa, a fin de limitar las pérdidas de carga inducidas.

En esta idea, la invención se refiere a un tubo de intercambio térmico provisto, en su cara interna, de nervios aptos para ser conformados, caracterizado porque estos nervios, antes de su conformación, tienen un perfil asimétrico, estando el vértice del perfil de estos nervios desplazado con respecto a la base de este perfil.

Gracias a la invención, los espacios definidos entre dos nervios adyacentes del tubo o de la placa aparecen, en un lado, como una cavidad entrante, es decir, con un tabique inclinado hacia el interior, lo que permite aumentar sensiblemente el coeficiente de intercambio térmico.

En efecto, los valores numéricos para un tubo de cobre, bañado por aire y provisto de aletas, o bañado por agua y desprovisto de aletas, y un fluido portador de calor del tipo di-fluoro-clorometano, son los siguientes:

\bullet Para un flujo pequeño, especialmente inferior a 10 kW/m^{2},

-

h _{conv} = \pm 2.500 W/m^{2}/ºC

-

h _{nb} = \pm 10.000 W/m^{2}/ºC

Utilizando la ecuación (1) precedente con n igual a 2, se obtiene:

h = \pm (2.500^{2} + 10.000^{2})^{1/2} = \pm 10.300 W/m^{2}/ºC,

\bullet Para un flujo grande, especialmente superior a 20 kW/m^{2},

-

h _{conv} = 6.000 W/m^{2}/ºC

-

h _{nb} = 14.000 W/m^{2}/ºC

Utilizando la ecuación (1) precedente con n igual a 2, se obtiene:

h = \pm (6.000^{2} + 14.000^{2})^{1/2} = 15.000 W/m^{2}/ºC,

Estos valores son, aproximadamente, dos veces superiores a los valores mencionados anteriormente.

La conformación de estos nervios, que puede obtenerse durante el engarzado de aletas externas del tubo, se facilita por el hecho de que, antes de esta conformación, el vértice de su perfil está desplazado con respecto a su base, y que el esfuerzo que hay que ejercer es un esfuerzo de plegado o de acentuación de su inclinación, siendo este esfuerzo sensiblemente menor que un esfuerzo de aplastamiento que debería ejercerse si el vértice estuviera situado a nivel de la base del perfil.

La invención permite adaptar, durante la conformación de los nervios, la geometría de la superficie interna del tubo y, por tanto, su coeficiente de intercambio térmico, a la naturaleza del fluido o de los fluidos con los cuales éste será utilizado. El hecho de que el vértice del perfil esté desplazado con respecto a su base antes de esta conformación, permite controlar eficazmente la geometría final obtenida modulando el esfuerzo ejercido, por ejemplo, gracias a óvalos de dimensiones preseleccionadas, durante el engarzado de aletas externas al tubo.

Por "cavidad entrante", se entiende una cavidad cuyos bordes están cerrados a nivel de su abertura con respecto a su fondo. Una cavidad de este tipo tiene tendencia a "aprisionar" el fluido que contiene, lo que favorece la creación de burbujas de vapor y al aumento de los intercambios térmicos.

De acuerdo con variantes de realización ventajosas de la invención, puede preverse que:

- las caras laterales del perfil antes de la conformación sean sensiblemente rectilíneas;

- las caras laterales del perfil antes de la conformación sean globalmente curvas, siendo los radios de curvatura de las dos caras de un nervio diferentes;

- las caras laterales del perfil antes de la conformación sean globalmente curvas, estando desplazados los radios de curvatura de dos caras de un nervio.

Cualquiera que sea el modo de realización considerado, puede preverse que el desplazamiento del vértice sea modificable por aplastamiento de los nervios.

De acuerdo con otro aspecto ventajoso, los nervios, antes de la conformación, tienen un perfil tal que todos los espacios definidos entre los nervios tienen una abertura hacia el centro del tubo desplazada angularmente con respecto al fondo de estos espacios.

Gracias a la invención, los espacios entre nervios son otras tantas cavidades entrantes, al menos, en un lado, lo que favorece otro tanto los intercambios térmicos y permite alcanzar los valores de coeficiente de intercambio térmico antes citados.

De acuerdo con un aspecto ventajoso de la invención, la anchura de la abertura de los espacios entre nervios es inferior a la de su fondo. Esto aumenta el efecto de "cavidad entrante" obtenido.

La invención se refiere, igualmente, a un intercambiador de calor que comprende un tubo tal como el descrito anteriormente cuyo rendimiento térmico es sensiblemente mayor que el de la técnica anterior.

La invención se refiere, finalmente, a un procedimiento de fabricación de un tubo del tipo antes citado y, de modo más específico, a un procedimiento que consiste en conformar los nervios, desplazando, por una presión radial, el vértice del perfil de cada nervio, que está desplazado con respecto a su base, en dirección a una superficie interna del tubo. Este procedimiento permite crear, entre los nervios, espacios en los que un lado se aproxima a la geometría de una cavidad entrante, mientras que la intensidad del esfuerzo ejercido puede controlarse con precisión.

Ventajosamente, este aplastamiento se realiza durante el engarzado de aletas en la cara externa del tubo. La combinación de las dos operaciones permite obtener la función suplementaria buscada sin aumento sensible del precio de coste del tubo.

La invención se comprenderá mejor y otras ventajas de ésta aparecerán de modo más claro a la luz de la descripción que sigue de dos modos de realización de un tubo de intercambio térmico de acuerdo con su principio, dada únicamente a título de ejemplo y hecha refiriéndose a los dibujos anejos, en los cuales:

- la figura 1 es un corte transversal parcial de un tubo de intercambio térmico de acuerdo con la invención, durante un primer estado de fabricación antes de la conformación final de sus nervios internos;

- la figura 2 es un corte análogo a la figura 1 durante un segundo estado de fabricación después de la conformación de los nervios;

- la figura 3 es un corte longitudinal del tubo de las figuras 1 y 2 durante la etapa de fabricación de la figura 2, en ella se han indicado por I-I y II-II, respectivamente, los planos de corte de las figuras 1 y 2;

- la figura 4 es una vista análoga a la figura 1, para un tubo de acuerdo con un segundo modo de realización de la invención;

- la figura 5 es una vista a escala mayor de un perfil de nervio visible en la figura 4 y

- la figura 6 es una vista análoga a la figura 2 para del tubo del segundo modo de realización representado en la figura 4.

El tubo 1 representado en la figura 1 es un perfil globalmente cilíndrico, centrado sobre un eje XX'. Se representa por 1a la superficie interna del tubo y por 1b su superficie externa. En su superficie interna 1a, el tubo 1 está provisto de nervios 2 cuyo perfil P, es decir, la sección perpendicular al eje XX', es sensiblemente triangular, siendo sus caras laterales P_{1} y P_{2} rectilíneas antes del engarzado.

Se indica por S el vértice del perfil P, siendo este vértice la traza de una arista interna de los nervios 2 que puede ser rectilínea o helicoidal en función de la geometría elegida para los nervios.

Se indica por R el radio que une el eje XX' con el borde lateral L de la base B de cada nervio 2 más próximo al vértice S. En la configuración de la figura 1, es decir, antes de la conformación final de los nervios 2, el vértice S de cada nervio está desplazado con respecto a la base B del perfil P, es decir, está situado en el lado opuesto a la base B de este perfil con respecto al radio R correspondiente.

Así, cuando se dispone un óvalo 3 en el interior del tubo para expandir éste de modo que se engarcen las aletas 4, como está representado en las figuras 2 y 3, los nervios 2 se deforman o "aplastan" de tal modo que el vértice S de cada nervio se dobla hacia la superficie 1a del tubo 1, en el lado del borde L de cada nervio, desbordando la base B correspondiente.

Se indica por E el espacio definido entre dos nervios contiguos. En la izquierda de cada espacio E en las figuras 1 y 2, la forma del nervio 2 que le es adyacente es tal que el espacio E se parece a una cavidad entrante en la cual se optimiza el contacto térmico entre el fluido que circula por el tubo y la pared interna 1a del tubo, en particular, durante la ebullición en el caso de una utilización con un fluido difásico.

Se indica por d_{1} la anchura del fondo F de cada espacio E. Se indica por d_{2} la anchura de la abertura O de cada espacio E en dirección al eje XX'. La abertura O de cada espacio E está desplazada angularmente alrededor del eje XX' con respecto al fondo F a causa de la inclinación y el aplastamiento de los nervios 2.

Habida cuenta de la geometría de los nervios 2, la anchura d_{2} es inferior a la anchura d_{1}, lo que acentúa el hecho de que los espacios E aparecen como cavidades entrantes para el fluido que contienen durante la utilización del tubo 1.

El hecho de que todos los espacios E sean cavidades entrantes permite aumentar el coeficiente de intercambio térmico del tubo con el fluido que le atraviesa sin generar aumento sensible de la turbulencia de la corriente, lo que sería el caso si algunos espacios E tuvieran otras geometrías, por ejemplo, abiertas.

En la práctica, ha podido determinarse que la turbulencia de la corriente dentro de un tubo de acuerdo con la invención resulta, principalmente, de los desprendimientos intensivos de burbujas de vapor a partir de los espacios E. La agitación mecánica debida a la rugosidad de la superficie 1a no interviene, o interviene muy poco, en la generación de esta turbulencia. Esta agitación puede ser, por tanto, limitada, lo que limita en consecuencia las pérdidas de carga.

En el segundo modo de realización de la invención representado en las figuras 4 a 6, los elementos análogos a los del modo de realización de las figuras 1 a 3 llevan referencias idénticas. Este modo de realización difiere del precedente, esencialmente, en que las caras laterales P_{1} y P_{2} del perfil P antes del engarzado son globalmente curvas, siendo los radios de curvatura R_{1} y R_{2} de estas dos caras diferentes y estando los centros de curvatura C_{1} y C_{2} desplazados, como aparece más claramente en la figura 5. Como anteriormente, el engarzado de las aletas 4 por medio del óvalo 3 permite doblar el vértice S del perfil P de los nervios 2 hacia la superficie interna 1a del tubo 1, de tal modo que los espacios E entre los nervios, en los cuales tiene lugar un intercambio térmico intenso entre el fluido y el tubo en curso de utilización, aparecen como cavidades entrantes.

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La invención es aplicable a todos los tipos de tubos, estén estos formados "en un plano", es decir, conformados, enrollados y soldados, o ranurados interiormente de modo clásico. Un tubo realizado gracias a la invención puede comprender o no aletas de enfriamiento exteriores y puede utilizarse con un fluido difásico o monofásico.

Ejemplos

Pueden obtenerse resultados particularmente interesantes con un tubo cuyo diámetro exterior varía entre, aproximadamente, 5 mm y, aproximadamente, 20 mm y que comprende numerosos nervios de altura comprendida entre 0,15 y 1,5 mm y distancias de, aproximadamente, 1 mm, es decir, cuya distancia d_{2} es igual, aproximadamente, a 1 mm. Si un tubo de este tipo es utilizado con agua, éste comprende un número de nervios relativamente pequeño, comprendido entre 10 y 20, cuya altura es, preferentemente, igual, aproximadamente, a 1 mm. En este caso, el coeficiente de intercambio térmico obtenido puede ser del orden de 10.000 W/m^{2}/ºC. El perfil P es triangular, como está representado en las figuras 1 y 2.

Para una utilización con un fluido portador de calor, por ejemplo, un refrigerante tal como di-fluoro-metano, se utiliza un tubo en el cual la altura de los nervios permanece inferior a 0,5 mm mientras que su número es importante porque la tensión superficial di-fluoro-metano es más pequeña que la del agua. Como anteriormente, el coeficiente de intercambio térmico obtenido puede ser del orden de 10.000 W/m^{2}/ºC. En este caso, el perfil P es curvo, como está representado en las figuras 4 a 6.

Un intercambiador de calor que comprende tubos tales como los descritos anteriormente es más eficaz que los de la técnica anterior, porque su coeficiente de intercambio térmico global es superior.

Claims (10)

1. Tubo (1) de intercambio térmico provisto, en su superficie interna (1a), de nervios aptos para ser conformados, caracterizado porque todos los citados nervios (2), antes de la conformación, tienen un perfil (P) asimétrico, estando el vértice (S) del citado perfil de los citados nervios desplazado con respecto a la base (B) del citado perfil.

2. Tubo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las caras laterales (P_{1}, P_{2}) del citado perfil (P), antes de la conformación, son sensiblemente rectilíneas.

3. Tubo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las caras laterales (P_{1}, P_{2}) del citado perfil (P), antes de la conformación, son globalmente curvas, siendo los radios de curvatura (R_{1}, R_{2}) de las dos caras (2) de un nervio diferentes.

4. Tubo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las caras laterales (P_{1}, P_{2}) del citado perfil (P) antes de la conformación son globalmente curvas, estando los centros de curvatura (C_{1}, C_{2}) de dos caras de un nervio (2) desplazados.

5. Tubo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el desplazamiento del citado vértice (S) es modificable por aplastamiento de los citados nervios (2).

6. Tubo (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los citados nervios (2), antes de la conformación, tienen un perfil (P) tal que todos los espacios (E) definidos entre los citados nervios tienen una abertura (O) hacia el centro (XX') del tubo desplazada angularmente con respecto al fondo (F) de los citados espacios.

7. Tubo de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque la anchura (d_{2}) de la citada abertura (O) es inferior a la anchura (d_{1}) del citado fondo (F) de los citados espacios (E).

8. Intercambiador de calor, caracterizado porque comprende, al menos, un tubo (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes.

9. Procedimiento de fabricación de un tubo (1) de intercambio térmico provisto de nervios aptos para ser conformados, caracterizado porque consiste en conformar los citados nervios (2) desplazando, por medio de una presión radial, el vértice (S) del perfil (P) de cada nervio que está desplazado con respecto a su base (B) en dirección a una superficie interna (1a) del citado tubo.

10. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque el citado aplastamiento es realizado durante el engarzado de aletas (4) en la cara externa (1b) del citado tubo (1).