ES2278241T3 - Tubos ranurados para intercambiadores de calor para fluidos monofasicos tipicamente acuosos. - Google Patents
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Abstract
Tubos metálicos (1) ranurados, de espesor Tf en fondo de ranura, de diámetro exterior, De típicamente destinados a la fabricación de intercambiadores de calor que utilizan un fluido refrigerador o portador de calor de tipo monofásico, ranurados interiormente por N nervaduras helicoidales (2) de ángulo de ápice alfa, de altura H, de anchura de base LN y de ángulo de hélice beta, estando dos nervaduras consecutivas separadas por un ranura (3) con fondo típicamente plano de anchura LR, con un paso P igual a LR + LN, caracterizados porque: -a) el espesor Tf de dicho tubo es de tal manera que Tf/De sea igual a 0, 023 ñ 0, 005, siendo Tf y De expresados en mm, con De yendo de 4 mm a 14, 5 mm, - b) dichas nervaduras son de altura H de tal manera que H/De sea igual a 0, 028 ñ 0, 005, siendo H y De expresados en mm, -c) el número N de nervaduras es de tal manera que N/De sea igual a 2, 1 ñ 0, 4, siendo el paso P correspondiente igual a piDi/N; con Di igual a De-2, siendo Tf, y De expresados en mm, - d) dichas anchuras de base LN y LR son de tal manera que LN /LR esté comprendida entre 0, 20 y 0, 80, -e) dicho ángulo de ápice alfa va de 10° a 50°, y - f) dicho ángulo de hélice beta va de 20° a 50°, de tal manera que sea apto para utilizar como fluido refrigerador o portador de calor un fluido típicamente monofásico que comprende típicamente agua o agua glicolada, de tal manera que se obtenga simultáneamente un coeficiente de intercambio térmico elevado en calefacción y en enfriamiento y una baja pérdida de carga, y de manera que se tenga un peso/metro bajo.
Description
Tubos ranurados para intercambiadores de calor
para fluidos monofásicos, típicamente acuosos.
La invención se refiere al ámbito de los tubos
para intercambiadores de calor, y más especialmente al ámbito de
los tubos para intercambiadores de calor que utilizan un fluido
denominado "monofásico", es decir, un fluido para el cual el
intercambio térmico no incluye un ciclo de evaporación y de
condensación, siendo los fluidos denominados "bifásicos" los
que ponen en juego los calores latentes de vaporización y de
condensación.
Se conoce un gran número de documentos que
describen la geometría de tubos ranurados utilizados en los
intercambiadores de calor.
A título de ejemplo, se puede citar la solicitud
de patente europea nº 0 148609 que describe tubos con ranuras
triangulares o trapezoidales que presentan las siguientes
características:
- -
- una relación H/Di comprendida entre 0,02 y 0,03, designando H la profundidad de las ranuras (o la altura de las nervaduras), y Di el diámetro interior del tubo ranurado,
- -
- un ángulo de hélice \beta con respecto al eje de tubo comprendido entre 7 y 30°,
- -
- un relación S/H comprendida entre 0,15 y 0,40, con S designando la sección transversal de la ranura,
- -
- un ángulo de ápice \alpha de las nervaduras comprendido entre 30 y 60º.
Estas características de tubos se adaptan a
fluidos de transición de fase, siendo las prestaciones de los tubos
analizados de manera distinta durante la evaporación del fluido y
durante la condensación del fluido.
La solicitud de patente japonesa n°
57-58088 describe tubos con ranuras en V, con H
comprendida entre 0,02 mm y 0,2 mm, y con un ángulo \beta
comprendido entre 4° y 15°.
Se describen algunos tubos parecidos en la
solicitud de patente japonesa n° 57-58094.
La solicitud de patente japonesa n°
52-38663 describe tubos con ranuras en V o en U, con
H comprendida entre 0,02 y 0,2 mm, un paso P comprendido entre 0,1
y 0,5 mm y un ángulo \beta comprendido entre 4 y 15°.
La patente de EE.UU. n° 4.044.797 describe tubos
con ranuras en V o en U parecidos a los tubos anteriores.
El modelo de utilidad japonés n°
55-180186 describe tubos con ranuras trapezoidales y
nervaduras triangulares, con una altura H de 0,15 a 0,25 mm, un
paso P de 0,56 mm, un ángulo de ápice \alpha (ángulo denominado
\theta en este documento) típicamente igual a 73°, un ángulo
\beta de 30º, y un espesor medio de 0,44 mm.
Las patentes de EE.UU. n° 4.545.428 y n°
4.480.684 describen tubos con ranuras en V y nervaduras
triangulares, con la altura H comprendida entre 0,1 y 0,6 mm, un
paso P comprendido entre 0,2 y 0,6 mm, un ángulo de ápice \alpha
comprendido entre 50 y 100°, un ángulo de hélice \beta comprendido
entre 16 y 35°.
La patente japonesa n° 62-25959
describe tubos con ranuras y nervaduras trapezoidales, con una
profundidad de ranura H comprendida entre 0,2 y 0,5 mm, un paso P
comprendido entre 0,3 y 1,5 mm, siendo la anchura media de las
ranuras al menos igual a la anchura media de las nervaduras. En un
ejemplo, el paso P es de 0,70 mm y el ángulo de hélice \beta es
de 10°.
Por último, la patente europea nº 1.701.680, a
nombre de la firma solicitante, describe tubos ranurados, con
ranuras de fondo plano y con nervaduras de diferente altura H, de
ángulo de hélice \beta comprendido entre 5 y 50°, de ángulo de
ápice comprendido entre 30 y 60°, de manera a obtener mejores
resultados después de la embutición de los tubos y montaje en los
intercambiadores.
De manera general, las prestaciones técnicas y
económicas de los tubos, que resultan de la elección de la
combinación de los medios que definen los tubos (H, P, \alpha,
\beta, forma de ranuras y nervaduras, etc…), son generalmente
relativas a cuatro tipos de consideraciones:
- -
- por una parte, las características relativas a la transferencia de calor (coeficiente de intercambio térmico), ámbito en el cual los tubos ranurados son muy superiores a los tubos no ranurados, de modo que a intercambio térmico equivalente, la longitud de tubo ranurado necesaria será menor que la de tubo no ranurado,
- -
- por otra parte, las características relativas a las pérdidas de carga, de bajas pérdidas de cargas permiten utilizar bombas o compresores de más baja potencia, impedimento y coste,
- -
- además la viabilidad industrial de los tubos y la velocidad de producción que condiciona el precio de coste del tubo en el fabricante de tubos,
- -
- finalmente, las características relativas a las propiedades mecánicas de los tubos, típicamente en relación con la naturaleza de las aleaciones utilizadas o con espesor medio de los tubos, espesor que condiciona el peso del tubo por unidad de longitud, y en consecuencia influye sobre su precio de coste.
Por una parte, como esto resulta del estado de
la técnica, hay un gran número y una enorme diversidad de enseñanzas
en lo que se refiere a los tubos ranurados, sabiendo que contemplan
generalmente la optimización del intercambio térmico y la
disminución de la pérdida de carga.
Por otra parte, cada una de estas enseñanzas
ofrece, por si misma, la mayoría de las veces un amplio alcance de
posibilidades, siendo los parámetros generalmente definidos por
intervalos de valores relativamente amplios.
Por último, estas enseñanzas se refieren, cuando
esto se especifica, a los intercambios con fluidos difásicos, es
decir, los que utilizan un fluido que se evapora en una parte del
circuito del fluido en el intercambiador, y que se condensa en otra
parte del circuito, un mismo tubo ranurado no siendo igualmente
eficaz en evaporación y en condensación.
En definitiva, el experto en la técnica tiene ya
muchas dificultades para extraer la quintaesencia del estado de la
técnica, entre un número tan grande de datos, a veces
contradictorios.
El experto en la técnica sabe por el contrario
que un tubo típico del comercio, con nervaduras triangulares tal
como se representa en la figura 1, presenta típicamente las
siguientes características: diámetro exterior De = 12 mm, altura de
nervadura H = 0,25 mm, espesor de la pared del tubo T_{F} = 0,35
mm, número de nervaduras N = 65, ángulo de hélice \beta = 18°,
ángulo de ápice \alpha = 55°.
La presente invención se refiere a los tubos o a
intercambiadores en el ámbito de los fluidos monofásicos y para
aplicaciones reversibles, es decir, tubos o intercambiadores que se
pueden utilizar con agua o con agua glicolada tal como fluidos
refrigeradores o portadores de calor, es decir, bien sea típicamente
para enfriar el aire en los intercambiadores de climatizadores, o
bien típicamente para calentar el aire en dichos
intercambiadores.
Por lo tanto, la firma solicitante buscó y puso
a punto los tubos e intercambiadores a la vez económicos, con un
peso por metro relativamente poco elevado, altas prestaciones de
intercambio térmico, y una baja pérdida de carga, para las
aplicaciones o ámbitos que utilizan fluidos monofásicos.
Según la invención, los tubos metálicos
ranurados, de espesor T_{f} en fondo de ranura, de diámetro
exterior De, típicamente destinados a la fabricación de
intercambiadores de calor que utilizan un fluido refrigerador o
portador de calor de tipo monofásico, ranurados interiormente por N
nervaduras helicoidales de ángulo de ápice \alpha, de altura H,
de anchura básica L_{N} y de ángulo de hélice \beta, estando dos
nervaduras consecutivas separadas por una ranura de fondo
típicamente plano de anchura L_{R}, con un paso P igual L_{R} +
L_{N}, se caracterizan porque:
- a)
- el espesor T_{f} de dicho tubo es de tal manera que T_{f}/De sea igual a 0,023 \pm 0,005, siendo T_{f} y De expresados en mm, con De yendo de 4 mm a 14,5 mm,
- b)
- dichas nervaduras son de altura H de tal manera que H/De sea igual a 0,028 \pm 0,005, siendo H y De expresados en mm,
- c)
- el número N de nervaduras es de tal manera que N/De sea igual a 2,1 \pm 0,4, siendo el paso P correspondiente igual a \piDi/N; con Di igual a De-2. siendo T_{f}, y De expresados en mm,
- d)
- dichas anchuras de base L_{N} y L_{R} son de tal manera que L_{N} /L_{R} esté comprendida entre 0,20 y 0,80,
- e)
- dicho ángulo de ápice \alpha va de 10° a 50°, y
- f)
- dicho ángulo de hélice \beta va de 20° a 50°,
de tal manera que sea apto para
utilizar como fluido refrigerador o portador de calor un fluido
típicamente monofásico que comprende típicamente agua o agua
glicolada, de tal manera que se obtenga simultáneamente un
coeficiente de intercambio térmico elevado en calefacción y en
enfriamiento y una baja pérdida de carga, y de manera que se tenga
un peso/metro
bajo.
En efecto, estudiando los sistemas
intercambiadores térmicos de fluido monofásico, en comparación con
los sistemas con fluido bifásico en los cuales la parte del sistema
en relación con la fuente caliente es la base de una evaporación,
mientras que la parte del sistema en relación con la fuente fría es
la base de una condensación, la firma solicitante pudo observar que
los tubos ranurados que presentaban altas prestaciones con un fluido
bifásico no se adaptaban a los fluidos monofásicos.
La firma solicitante consiguió obtener tubos a
la vez adaptados a los fluidos monofásicos, de baja pérdida de
carga y de poco peso por metro, gracias a la combinación de medios
a) a e) que preceden.
En particular, contrariamente a la enseñanza del
estado de la técnica, estos tubos presentan simultáneamente un
pequeño número de nervaduras y un espesor relativamente bajo.
Los distintos parámetros utilizados para definir
los tubos según la invención están representados en las figuras 1a
y 1c para ilustrar el significado.
La figura 1a representa una vista parcial de un
tubo ranurado (1), en corte parcial según el eje del tubo, de tal
manera para ilustrar el ángulo de hélice \beta.
La figura 1b representa una vista parcial de un
tubo ranurado (1), en corte parcial perpendicularmente al eje del
tubo, de tal manera para ilustrar el caso de un tubo que comprende
una sucesión de nervaduras (2) de altura H, nervaduras de forma
sensiblemente triangular, de anchura L_{N} en la base y de ángulo
de ápice \alpha, separadas por ranuras (3) de forma sensiblemente
trapezoidal y de anchura L_{R} , siendo L_{R} la distancia
entre dos ranuras nervaduras. Este tubo tiene un espesor T_{f}, un
diámetro exterior De, un diámetro interior Di y un paso P igual
L_{R} + L_{N} .
La figura 1c es una vista parcial de un tubo
ranurado en el cual las nervaduras forman una alternancia de
nervaduras trapezoidales de altura H1 y de altura H2 < H1.
La figura 2a, análoga a las figuras 1b o 1c,
representa una nervadura (2) del tubo según el ensayo A.
La figura 2b, análoga a la figura 2a, representa
una nervadura (2) del tubo según el ensayo C.
La figura 2c, análoga a la figura 2a, representa
una nervadura (2) del tubo según el ensayo F.
La figura 3a, análogo a la figura 2a, representa
una nervadura (2) del tubo según el ensayo A' parecido al ensayo
A.
La figura 3b, análoga a la figura 2a, representa
una nervadura (2) del tubo según el ensayo B.
La figura 3c, análoga a la figura 2b, es una
variante de la misma.
La figura 4a es una vista de una porción de
superficie interna de un tubo ranurado según la invención dotado de
una contra-ranura axial (30), con, por debajo, su
representación esquemática.
La figura 4b es una vista esquemática en
perspectiva de la batería (4) de tubos (1) con aletas (5) que ha
servido en los ensayos.
Las figuras 5a y 5b son gráficos que dan el
coeficiente de intercambio Hi (en W/m^{2}.K) en ordenada en
función de la pérdida de carga dP en Pa/m en abscisa cuando el
fluido refrigerador es una solución acuosa de formiato de K,
respectivamente a + 5°C (figura 4a) y a - 5°C (figura 4b).
Las figuras 6a y 6b son análogas a las figuras
4a y 4b, pero cuando en el caso en que el fluido refrigerador sea
una solución acuosa de propilenglicol.
La figura 7 es un gráfico que da el coeficiente
de intercambio Hi (en W/m^{2}.K) en ordenada en función del
número de Reynolds en abscisa cuando el fluido refrigerador es una
solución acuosa de propilenglicol.
Según la invención, dicho ángulo de hélice
\beta puede ir de preferentemente de 25° a 35°.
En efecto, es el ámbito que permite obtener un
elevado coeficiente de intercambio Hi y que permite ser fabricado
por ranurado de un tubo, disminuyendo el coeficiente de intercambio
Hi sensiblemente para los valores más bajos del ángulo de hélice
\beta y la velocidad de fabricación que disminuye para los valores
más elevados de hélice \beta.
Según la invención, dicho ángulo de ápice
\alpha puede ser típicamente inferior a 45° y puede estar
comprendido preferentemente entre 15 y 30°.
En efecto, por valores más elevados del ángulo
de ápice \alpha, el coeficiente de intercambio Hi tiende a
disminuir, y para valores más bajos, hay dificultades de
fabricación, en particular, debido al desgaste de los útiles o
mandriles de puesta en forma, y por otro lado los ángulos agudos
tienden a ser destruidos durante la formación de una batería con
aleta, durante la extensión de los tubos.
Se ha encontrado ventajoso en lo que se refiere,
en particular, al coeficiente de intercambio Hi, que la relación
S/H, siendo S la superficie comprendida entre dos ranuras
consecutivas, esté comprendida entre 0,8 mm y 1,5 mm, estando S y H
expresados respectivamente en mm^{2} y en mm.
Preferentemente, la relación H/De puede ser
igual a 0,028 \pm 0,3. En efecto, tal como se menciona
anteriormente, es ventajoso tener nervaduras de altura bastante
elevada para tener un coeficiente de intercambio Hi elevado, y sin
embargo de altura no demasiado elevada para que estas nervaduras
sean a la vez fáciles de fabricar y relativamente poco sensible a
la expansión del tubo durante la fabricación de una batería de tubos
con aletas.
Tal como esto aparece, en particular,
considerando los ensayos realizados, la relación P/H puede ir de 3,5
a 7, pero los mejores resultados se obtienen cuando esta relación
va preferentemente de 4 a 6 (véase el ensayo A por ejemplo), y en
particular para valores relativamente elevados de H al menos iguales
a 0,30 mm.
Según la invención, dichas nervaduras pueden ser
de sección triangular, trapezoidal o cuadrilátera, con ángulos en
la parte superior eventualmente redondeados.
Tal como se ilustra en la figura 2a, dichas
nervaduras pueden tener un perfil de tipo "trapecio" con una
base y una parte superior, incluyendo dicha parte superior una
parte central sensiblemente plana, y eventualmente en pendiente con
respecto a dicha base, tal como se ilustra en la figura 2c.
En particular, cuando el perfil de las
nervaduras forma un trapecio, la parte superior de dicha nervadura
que forma un pequeño lado del trapecio puede presentar bordes
redondeados, tal como ese a menudo el caso cuando el perfil de las
nervaduras forma un triángulo.
Así, dicha parte superior redondeada y/o dichos
bordes redondeados pueden presentar radios de curvatura inferiores
a 100 \mum, la conexión de las nervaduras a dichos fondos
típicamente planos que presentan radios de curvatura inferiores a
100 \mum, yendo preferentemente de 20 a 50 \mum.
Dicha parte superior redondeada o dichos bordes
redondeados pueden presentar un radio de curvatura preferentemente
inferior a 80 \mum, pudiendo dicho radio de curvatura ir
típicamente de 40 \mum a 80 \mum.
Según una modalidad preferida de la invención, y
tal como se ilustra por ejemplo en las figuras, 2a, 3a o 3b, dichas
nervaduras pueden ser simétricas y se conectan a dichos fondos
típicamente planos con ángulos de contacto derecho e izquierdo
\theta_{1} y \theta_{2} de tal manera que \theta_{1} -
\theta_{2} sea típicamente igual a 0 o a lo sumo igual a 10°,
de tal manera a formar nervaduras simétricas o
casi-simétricas.
Sin embargo, tal como se ilustra en las figuras
2b y 2c, dichas nervaduras se pueden conectar a dichos fondos
típicamente planos con ángulos de contacto derecho e izquierdo
\theta_{1} y \theta_{2} de tal manera que \theta_{1} -
\theta_{2} sea al menos igual a 10°, de tal manera a formar
nervaduras asimétricas o inclinadas.
Tal como se ilustra en la figura 3c, dichas
nervaduras pueden formar una sucesión alternada de nervaduras que
presentan ángulos de contacto derecho e izquierdo \theta_{1} y
\theta_{2} para una, y \theta_{2} y \theta_{1} para la
otra.
Tal como se ilustra en la figura 3b, dichas
nervaduras pueden presentar una base de forma triangular sobre una
altura h_{B} y una parte superior de forma trapezoidal sobre una
altura h_{S}; con H igual a h_{B} + h_{S}, y h_{B}/h_{S}
yendo típicamente de 1 a 2.
Tal como se ilustra en la figura 1c, dichas
nervaduras pueden formar una sucesión de nervaduras de altura H1 =
H y de altura H2 = a.H1, con a comprendido entre 0,1 y 0,9, siendo
la nervadura de altura H1 la nervadura principal, y siendo la
nervadura de altura H2 la nervadura secundaria. Típicamente, dicha
sucesión puede ser una alternancia de nervaduras de altura H1 y de
nervaduras de altura H2 separadas por una ranura con fondo plano.
Véase ensayo E con H1 = 0,25 mm y H2 = 0,22 mm.
Tal como se ilustra en las figuras 3a y 3b,
dichos tubos pueden comprender nervaduras secundarias de altura H'
< 0,5.H y localizadas típicamente a media distancia entre dos
nervaduras de altura H o de altura H1 y H2.
Según la invención, y tal como se ilustra en la
figura 4a, dichos tubos pueden comprender por otro lado un ranurado
axial que crea en dichas nervaduras muescas de perfil típicamente
triangular en la parte superior redondeada, presentando dicha parte
superior un ángulo que va de 25 a 65°, dicha parte inferior o parte
superior está a una distancia h del fondo de dichas ranuras que va
de 0 a 0,2 mm.
\newpage
Los tubos ranurados según la invención pueden
ser de Cu y aleaciones de Cu, Al y aleaciones de Al, Fe y aleaciones
de Fe. Estos tubos, típicamente no acanalados, se pueden obtener
típicamente por ranurado de tubos, o eventualmente, por ranurado
completamente de una banda metálica luego formación de un tubo
soldado.
Estos tubos pueden ser de sección transversal
típicamente redonda, oval o rectangular. Pueden ser de sección oval
o rectangular, en particular en el caso de tubos soldados.
Otro objeto de la invención está constituido por
los intercambiadores de calor que utilizan tubos según la
invención. Tal como se ilustra en la figura 4b, estos
intercambiadores pueden comprender aletas de intercambio térmico en
contacto con dichos tubos sobre una fracción de dichos tubos, en los
cuales la distancia máxima entre dichas aletas y dichos tubos,
sobre la fracción que no está en contacto, es inferior a 0,01 mm, y
preferentemente inferior a 0,005 mm.
Otro objeto de la invención está constituido por
la utilización de tubos según la invención, y por la utilización de
intercambiadores según la invención, tubos e intercambiadores en los
cuales el fluido refrigerador o portador de calor se utiliza como
fluido monofásico típicamente elegido entre: el agua, las soluciones
acuosas glicoladas típicamente a 30% de glicol, soluciones de
formiato y/o de actetato de K, sorbetes, líquidos orgánicos,
CO_{2} líquido.
Según la invención, el fluido refrigerador o
portador de calor se puede utilizar como fluido monofásico
típicamente elegido con características de viscosidad dinámica
comprendida entre 0,5 y 30 m.Pa y de número de Prandtl comprendido
entre 5 y 160.
Se fabricaron tubos de cobre ranurados según la
invención de 12,0 mm de diámetro exterior De, tubos con referencia
A, B, C, D y G, así como tubos testigos con referencia E, F y G,
correspondiendo el tubo con referencia L a un tubo testigo
liso.
Por otra parte se efectuaron otros ensayos de
otros diámetros De, ensayos que pusieron de manifiesto que el
ranurado según la invención permite elegir un espesor T_{f} de
fondo de ranura de tal manera que T_{f}/De sea de igual a 0,023
\pm 0,005, lo que conduce a un espesor T_{f} sensiblemente
inferior al espesor estándar y en consecuencia a una ganancia de
peso significativa, conservando el tubo prestaciones mecánicas de
uso satisfactorias.
Hay que señalar que los tubos C y G presentan
ranuras disimétricas mientras que las ranuras de los tubos A, B, D,
E y F son simétricas.
Se ensayaron los tubos con dos tipos de fluidos
monofásicos: por una parte una solución acuosa de monopropilenglicol
a 30% en volumen, y por otra parte una solución de formiato de K
pudiendo llegar hasta - 30°C, presentando este último una
temperatura de congelación de - 55°C, contra - 40°C para la solución
de monopropilenglicol.
Los ensayos se realizaron a + 5°C y a - 5°C.
Se midió la viscosidad dinámica (en m.Pa.s) de
las soluciones utilizadas a estas dos temperaturas:
Por otra parte, se midió el número de Prandtl
para el monopropilenglicol: o sea 142 a - 5°C, y 80 a + 5°C. Para
la solución de formiato de K, el número de Prandtl es de 20 a +
5°C.
Los tubos A, B, C, D y G presentan un peso por
metro de 125 g/m, mientras que los tubos testigos E y F, que
corresponden a tubos ranurados del estado de la técnica, tienen un
peso por metro de 140 g/m, presentando el tubo L un peso por metro
de 130 g/m.
En conclusión, con los tubos según la invención,
la ganancia en peso es de 10% con respecto a los tubos ranurados
del estado de la técnica y de 4% con respecto al tubo liso utilizado
generalmente en esta aplicación.
En el caso de los tubos A, C y L, se midió el
coeficiente de intercambio Hi (W/m^{2}.K) en función de Re, el
número de Reynolds, para un régimen laminar, lo que corresponde al
ámbito 2000 < Re < 3200.
La tabla que sigue da el valor de Hi para tres
valores de Re: 2400, 2600 y 2800.
En el caso de los tubos A, C, E, F, G y L, se
midió el coeficiente de intercambio Hi en función de la pérdida de
carga dP (Pa/m). La tabla que sigue da los valores de Hi para una
pérdida de carga de 14 KPa/m y 16 KPa/m:
La tabla que sigue da las relaciones de los
coeficientes de intercambio, siendo el tubo liso L tomado como
referencia:
Así, para una pérdida de carga de 14 KPa/m, el
tubo A presenta, con respecto al tubo liso L, y también con
respecto a los tubos ranurados F y E del estado de la técnica, una
ganancia del 39%, lo que es considerable.
Para los tubos de la invención con referencias A
y G, se estudió la influencia del ángulo de hélice, siendo igual
por otra parte los otros parámetros de ranuras.
La tabla que sigue da los coeficientes de
intercambio y la relación de éstos para pérdidas de carga idénticas
de 14 KPa/m y 18 KPa/m.
Los ensayos + a 5°C se efectuaron sobre los
tubos A, B, C, E, F y L. Se midió el coeficiente de intercambio Hi
en función de la pérdida de carga dP (Pa/m). La tabla que sigue da
los valores de Hi para una pérdida de carga de 4 KPa/m, de 8 KPa/m
y 12 KPa/m:
La tabla que sigue da las relaciones de los
coeficientes de intercambio, siendo el tubo liso L tomado como
referencia:
En el caso de los tubos A, B, C, E, F, y L, se
midió el coeficiente de intercambio Hi en función de la pérdida de
carga dP (Pa/m). La tabla que sigue da los valores de Hi para una
pérdida de carga de 4,8 y 12 KPa/m:
La tabla que sigue da las relaciones de los
coeficientes de intercambio, siendo el tubo liso L tomado como
referencia:
En el caso de los tubos A, B, C, E, F, y L, se
midió el coeficiente de intercambio Hi en función de la pérdida de
carga dP (Pa/m). La tabla que sigue da los valores de Hi para una
pérdida de carga de 4,8 y 12 KPa/m:
\vskip1.000000\baselineskip
La tabla que sigue da las relaciones de los
coeficientes de intercambio, siendo el tubo liso L tomado como
referencia:
\vskip1.000000\baselineskip
En todos los casos de fluidos monofásicos
estudiados y a todas las temperaturas estudiadas, el tubo A es
extremadamente eficaz y ventajoso.
Sin embargo, en casos particulares, los tubos B
y C pueden ser ventajosos. Así, el tubo B lo puede ser en el caso
de un intercambio térmico a + 5°C con una solución acuosa de
monopropilenglicol como fluido que circula en el intercambiador.
Del mismo modo, el tubo C puede ser ventajoso en el caso de un
intercambio térmico a + 5°C con una solución acuosa de formiato de
K como fluido que circula en el intercambiador.
La invención presente grandes ventajas.
En efecto, permite por una parte tener tubos
intercambiadores de una gran eficacia en lo que se refiere al
intercambio térmico gracias a un coeficiente de intercambio Hi muy
elevado.
Por otra parte, permite tener tubos de bajo peso
por metro, a la vez porque la invención permite a la vez tener
tubos de pequeño diámetro y de bajo espesor de fondo de ranura,
tubos muy eficaces, en particular, en lo que se refiere al
coeficiente de intercambio térmico y que son aptos para sustituir
los tubos de mayor diámetro y con un mayor espesor de fondo de
ranura. Además, el número relativamente bajo de nervaduras
contribuye también a aligerar los
tubos.
tubos.
Por último, los tubos según la invención se
adaptan especialmente a todos los circuitos de intercambio térmico
de fluido monofásico, en particular, los que utilizan soluciones
acuosas, lo que es muy ventajoso en la práctica.
- Tubo ranurado
- 1
- Nervadura
- 2
- Ranura
- 3
- Ranura axial
- 30
- Batería
- 4
- Aleta
- 5
- Eje del tubo
- 6
Claims (20)
1. Tubos metálicos (1) ranurados, de espesor
T_{f} en fondo de ranura, de diámetro exterior, De típicamente
destinados a la fabricación de intercambiadores de calor que
utilizan un fluido refrigerador o portador de calor de tipo
monofásico, ranurados interiormente por N nervaduras helicoidales
(2) de ángulo de ápice \alpha, de altura H, de anchura de base
L_{N} y de ángulo de hélice \beta, estando dos nervaduras
consecutivas separadas por un ranura (3) con fondo típicamente
plano de anchura L_{R} , con un paso P igual a L_{R} + L_{N},
caracterizados porque:
- a)
- el espesor T_{f} de dicho tubo es de tal manera que T_{f}/De sea igual a 0,023 \pm 0,005, siendo T_{f} y De expresados en mm, con De yendo de 4 mm a 14,5 mm,
- b)
- dichas nervaduras son de altura H de tal manera que H/De sea igual a 0,028 \pm 0,005, siendo H y De expresados en mm,
- c)
- el número N de nervaduras es de tal manera que N/De sea igual a 2,1 \pm 0,4, siendo el paso P correspondiente igual a \piDi/N; con Di igual a De-2, siendo T_{f}, y De expresados en mm,
- d)
- dichas anchuras de base L_{N} y L_{R} son de tal manera que L_{N} /L_{R} esté comprendida entre 0,20 y 0,80,
- e)
- dicho ángulo de ápice \alpha va de 10° a 50°, y
- f)
- dicho ángulo de hélice \beta va de 20° a 50°,
de tal manera que sea apto para
utilizar como fluido refrigerador o portador de calor un fluido
típicamente monofásico que comprende típicamente agua o agua
glicolada, de tal manera que se obtenga simultáneamente un
coeficiente de intercambio térmico elevado en calefacción y en
enfriamiento y una baja pérdida de carga, y de manera que se tenga
un peso/metro
bajo.
2. Tubos según la reivindicación 1 en los cuales
dicho ángulo de hélice \beta va preferentemente de 25° a 35°.
3. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2 en los cuales dicho ángulo de ápice \alpha
es típicamente inferior a 45° y está comprendido preferentemente
entre 15 y 30°.
4. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3 en los cuales la relación S/H, siendo S la
superficie comprendida entre dos ranuras consecutivs, está
comprendida entre 0,8 y 1,5, estando S y H expresados
respectivamente en mm^{2} y en mm.
5. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4 en los cuales H/De es igual a 0,028 \pm
0,003.
6. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5 en los cuales P/H va de 3,5 a 7, y de
preferencia de 4 a 6.
7. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6 en los cuales dichas nervaduras son de
sección triangular, trapezoidal o cuadrilátero, con ángulos en la
parte superior eventualmente redondeados.
8. Tubos según la reivindicación 7 en los cuales
dichas nervaduras tienen un perfil de tipo "trapecio" con una
base y una parte superior, comprendiendo dicha parte superior una
parte central sensiblemente plana, y eventualmente en pendiente con
respecto a dicha base, formando dicha parte superior y dicha
nervadura un pequeño lado del trapecio que presenta típicamente
bordes redondeados.
9. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 7 a 8 en los cuales dicha parte superior redondeada
y/o dichos bordes redondeados presentan radios de curvatura
inferiores a 100 \mum, presentando la conexión de las nervaduras
a dichos fondos típicamente planos radios de curvatura inferiores a
100 \mum, yendo preferentemente de 20 a 50 \mum.
10. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9 en los cuales dichas nervaduras son
simétricas y se conectan a dichos fondos típicamente planos con
ángulos de contacto derecho e izquierdo \theta_{1} y
\theta_{2} de tal manera que \theta_{1} - \theta_{2} sea
típicamente igual a 0 o a lo sumo igual a 10°, de tal manera a
formar nervaduras simétricas o casi simétricas.
11. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10 en los cuales dichas nervaduras se conectan
a dichos fondos típicamente planos con ángulos de contacto derecho e
izquierdo \theta_{1} y \theta_{2} de tal manera que
\theta_{1} - \theta_{2} sea al menos igual a 10°, de tal
manera a formar nervaduras asimétricas o inclinadas.
12. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6 en los cuales dichas nervaduras presentan una
base de forma triangular sobre una altura h_{B} y una parte
superior de forma trapezoidal sobre una altura h_{S}, con H igual
a h_{B} + h_{S}, y h_{B}/h_{S} yendo típicamente de 1 a
2.
13. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12 en los cuales dichas nervaduras forman una
sucesión de nervaduras de altura H1 = H y de altura H2 = a.H1, con a
comprendido entre 0,1 y 0,9, siendo la nervadura de altura H1
siendo la nervadura principal, y siendo la nervadura de altura H2 la
nervadura secundaria, estando estas dos nervaduras separadas por un
ranura con fondo plano.
14. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13 que comprenden por otro lado un ranurado
axial que crea en dichas nervaduras muescas de perfil típicamente
triangular en la parte superior redondeada, presentando dicha parte
superior un ángulo \gamma que va de 25 a 65°, dicha parte inferior
o parte superior está a una distancia h del fondo de dichas ranuras
que van de 0 a 0,2 mm.
15. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14 de Cu y aleaciones de Cu, de Al y aleaciones
de Al, de Fe y aleaciones de Fe.
16. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 15, típicamente no acanalados, obtenidos
típicamente por ranurado de tubos, o eventualmente, por ranurado de
plano de una banda metálica, luego formación de un tubo
soldado.
17. Tubos según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16 de sección transversal típicamente redonda,
oval o rectangular.
18. Intercambiadores de calor que utilizan tubos
según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17.
19. Utilización de tubos según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 17 y de intercambiadores según la
reivindicación 18, en los cuales el fluido refrigerador o portador
de calor se utiliza como fluido monofásico típicamente elegido
entre: el agua, las soluciones acuosas glicoladas típicamente a 30%
de glicol, soluciones de formiato y/o de actetato de K, sorbetes,
líquidos orgánicos o CO_{2} líquido.
20. Utilización de tubos según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 17 y de intercambiadores según la
reivindicación 18, para intercambiadores de calor en los cuales el
fluido refrigerador o portador de calor se utiliza como fluido
monofásico típicamente elegido con características de viscosidad
dinámica comprendida entre 0,5 y 30 m.Pa y de número de Prandtl
comprendido entre 5 y 160.
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