ES2292991T3 - Tubo de transparencia de calor y metodo y herramienta para su fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Un tubo de transferencia de calor (21), que comprende una superficie interna (18), una superficie externa y un eje longitudinal (s), en que el tubo comprende una pluralidad de salientes de superficie (2) formados a partir de nervios (1) formados a lo largo de una superficie del tubo bajo cierto ángulo con relación al eje longitudinal (s), en que al menos algunos de la pluralidad de salientes (2) sobresalen desde la superficie interna en una dirección que no es sustancialmente perpendicular al eje longitudinal, caracterizado porque los salientes (2) se forman en las etapas de: a. cortar a través de los nervios (1) hasta una profundidad de corte (t) para formar capas de nervios (4), y b. elevar las capas de nervios para formar salientes (2) que tienen una altura de saliente, un grosor de caliente y un paso de saliente.
Description
Tubo de transferencia de calor y método y
herramienta para su fabricación.
Esta invención se refiere a un tubo de
transferencia de calor que tiene salientes en su superficie
interna.
Esta invención se refiere a un tubo de
transferencia de calor que tiene una superficie interna mejorada
para facilitar la transferencia térmica desde un lado del tubo al
otro. Se usan corrientemente tubos de transferencia de calor en
equipos tales como, por ejemplo, evaporadores inundados,
evaporadores de película descendente, evaporadores de
pulverización, neveras de absorción, condensadores, enfriadores de
expansión directa, y enfriadores y calentadores monofásicos, usados
en las industrias de la refrigeración, química, petroquímica y de
procesamiento de alimentos. En estas aplicaciones puede usarse una
diversidad de medios de transferencia térmica, incluyendo, pero sin
que se limite a ellos, agua pura, mezcla de agua/glicol, cualquier
tipo de refrigerante (tal como R-22,
R-134a, R-123, etc.), amoniaco,
fluidos petroquímicos y otras mezclas.
Un tubo de transferencia de calor ideal dejaría
pasar calor completamente sin dificultad desde el interior del tubo
al exterior del tubo y viceversa. Sin embargo, dicho flujo libre de
calor a través del tubo es impedido en general por la resistencia a
la transferencia térmica. La resistencia global del tubo a la
transferencia térmica se calcula sumando las resistencias
individuales desde el exterior al interior del tubo o viceversa.
Con el fin de mejorar el rendimiento de la transferencia térmica del
tubo, los fabricantes de tubos se han esforzado en descubrir
maneras de reducir la resistencia global del tubo. Una de tales
maneras consiste en mejorar la superficie externa del tubo, tal
como formando aletas en la superficie externa. Como resultado de
los recientes avances en la mejora de la superficie externa del tubo
(véanse, por ejemplo, las patentes de EE.UU. números 5.697.430 y
5.996.686), solamente una pequeña parte de la resistencia global del
tubo es atribuible al exterior del tubo. Por ejemplo, un tubo de
evaporador típico usado en una nevera inundada con una superficie
externa mejorada pero una superficie interna lisa típicamente tiene
una relación de resistencia interna: resistencia externa de 10:1.
Idealmente, se desea obtener una relación de resistencia interna a
resistencia externa de 1:1. Por consiguiente, lo más importante de
todo es desarrollar mejoras en la superficie interna del tubo que
reduzcan en grado importante la resistencia lateral del tubo y
mejoren el rendimiento global de transferencia térmica
del tubo.
del tubo.
Se sabe dotar a tubos de transferencia de calor
con ranuras y nervios alternos en sus superficies internas. Las
ranuras y los nervios cooperan para mejorar la turbulencia de los
medios fluidos de transferencia de calor, tales como agua,
entregados dentro del tubo. Esta turbulencia aumenta la mezcla de
fluido cerca de la superficie interna del tubo para reducir o
eliminar virtualmente la acumulación de capa límite del medio fluido
cerca de la superficie interna del tubo. La resistencia térmica de
la capa límite disminuye en grado importante el rendimiento de la
transferencia térmica aumentando la resistencia del tubo a la
transferencia térmica. Las ranuras y los nervios proporcionan
también un área superficial suplementaria para intercambio adicional
de calor. Esta premisa básica es enseñada en la patente de EE.UU.
Número 3.847.212, de Withers, Jr. y otros.
El modelo, las configuraciones y los tamaños de
las ranuras y los nervios en la superficie interna del tubo pueden
ser cambiados para aumentar aún más el rendimiento de intercambio de
calor. Con ese fin, los fabricantes de tubos han realizado un gran
gasto en experimentar con diseños alternativos, incluidos los
descritos en la patente de EE.UU. número 5.791.405, de Takima y
otros, patentes de EE.UU. números 5.332.034 y 5.458.191, de Chiang y
otros, patente de EE.UU. número 5.975.196, de Gaffaney y otros.
Sin embargo, en general la mejora de la
superficie interna del tubo ha resultado ser mucho más difícil que
la de la superficie externa. Además, la mayoría de las mejoras en
las superficies externa e interna de tubos se consiguen moldeando y
configurando (por ejemplo, conformando con rodillos) las
superficies, tal como se describe en los documentos US 6026892,
JP61078942 y JP10197184. Sin embargo se han conseguido mejoras
cortando las superficies de los tubos.
La solicitud de patente japonesa 09108759
describe una herramienta para centrar cuchillas que cortan una
ranura espiral continua directamente sobre la superficie interna de
un tubo. De manera similar, la solicitud de patente japonesa
10281676 describe un taco de expansión de tubo equipado con
herramientas de corte que cortan una hendidura espiral continua y
una aleta erecta en la superficie interna de un tubo. La patente
EE.UU. número 6.026.892 describe un tubo de transferencia de calor
con una superficie interna con ranuras transversales formada
laminando las ranuras en una superficie de un fleje metálico que es
convertido luego en el tubo y soldado a lo largo de una costura
longitudinal. La patente de EE.UU. número 3.753.364 describe la
formación de una ranura continua a lo largo de la superficie
interna de un tubo usando una herramienta de corte que corta en la
superficie interna del tubo y pliega el material hacia arriba para
formar la ranura continua. La memoria descriptiva japonesa expuesta
a exposición pública 54-68554 muestra una superficie
de transferencia de calor formada con nervios. Los nervios son
cortados con cortes intersecantes y las partes resultantes son
elevadas para formar salientes sustancialmente verticales que tienen
paredes laterales generalmente paralelas.
Si bien todos estos diseños de superficies
internas de tubos persiguen mejorar el rendimiento de la
transferencia térmica del tubo, en la industria persiste la
necesidad de continuar mejorando los diseños de los tubos
modificando los diseños existentes y creando nuevos diseños que
mejoran el rendimiento de la transferencia térmica. Adicionalmente,
existe también necesidad de crear diseños y modelos que puedan ser
transferidos sobre los tubos de manera más rápida y barata. Como se
describe en lo que sigue, los solicitantes han desarrollado nuevas
geometrías para los tubos de transferencia de calor así como
también herramientas para formar estas geometrías y, como
resultado, han mejorado en grado importante el rendimiento de la
transferencia térmica.
Esta invención proporciona un tubo como se
define en la reivindicación 1, que puede ser usado para mejorar el
rendimiento de la transferencia térmica de tubos usados en al menos
todas las mencionadas aplicaciones (es decir, en evaporadores
inundados, evaporadores de película descendente, evaporadores de
pulverización, neveras de absorción, condensadores, enfriadores de
expansión directa, y enfriadores y calentadores monofásicos, usados
en las industrias de la refrigeración, química, petroquímica y de
procesamiento de alimentos). La superficie interna del tubo es
mejorada con una pluralidad de salientes que reducen en grado
importante la resistencia lateral del tubo y mejoran el rendimiento
global de la transferencia térmica. Los salientes producen trayectos
adicionales para el flujo de fluido dentro del tubo y mejoran de
este modo la turbulencia de los medios de transferencia de calor
que fluyen dentro del tubo. Esto aumenta la mezcla de fluido para
reducir la acumulación de capa límite del medio fluido cerca de la
superficie interna del tubo, aumentando dicha acumulación la
resistencia y obstaculizando la transferencia térmica. Los
salientes proporcionan también área superficial suplementaria para
intercambio adicional de calor. La formación de los salientes de
acuerdo con esta invención puede dar por resultado la formación de
hasta cinco veces más área superficial a lo largo de la superficie
interna del tubo que con nervios sencillos. Las pruebas demuestran
que se mejora en grado importante el rendimiento de los tubos que
tienen los salientes de esta invención.
El tubo de esta invención puede ser fabricado
usando una herramienta, que puede añadirse fácilmente a los equipos
de fabricación existentes, que tiene un filo para cortar a través de
los nervios sobre la superficie interna del tubo para producir
capas de nervios y un borde de elevación para elevar las capas de
nervios a fin de formar los salientes. De este modo, se forman los
salientes sin retirada de metal desde la superficie interna del
tubo, eliminando con ello los fragmentos que pueden dañar el equipo
en el que se usan los tubos. Los salientes en la superficie interna
del tubo pueden formarse en la misma operación o en una operación
diferente de la formación de los nervios.
Los tubos formados de acuerdo con esta solicitud
pueden resultar adecuados en cualquier número de aplicaciones,
incluyendo, por ejemplo, aplicaciones para uso en las industrias
calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC),
refrigeración, química, petroquímica y de procesamiento de
alimentos. Las geometrías físicas de los salientes pueden ser
cambiadas para hacer a medida el tubo para una aplicación particular
y medio fluido particular.
Un objeto de esta invención es proporcionar
tubos de transferencia de calor mejorada.
Otro objeto de esta invención es proporcionar un
tubo de transferencia de calor mejorada que tiene salientes en su
superficie interna.
Estas y otras características, objetos y
ventajas de esta invención resultarán evidentes al leer la siguiente
descripción detallada de realizaciones preferidas, tomada en unión
de los dibujos.
La figura 1a es una vista en perspectiva,
fragmentaria, de la superficie interna parcialmente formada de una
realización de un tubo de esta invención.
La figura 1b es una vista en alzado lateral del
tubo mostrado en la figura 1a que muestra los alientes sobresaliendo
desde la superficie interna del tubo en una dirección que no es
perpendicular al eje s del tubo.
La figura 1c es una vista en alzado frontal del
tubo mostrado en la figura 1a en el sentido de la flecha b.
La figura 1d es una vista desde arriba, del tubo
mostrado en la figura 1a.
La figura 2 es una fotomicrografía de una
superficie interna de una realización de un tubo de esta
invención.
La figura 3 es una fotomicrografía de una
superficie interna de una realización alternativa de un tubo de esta
invención.
La figura 4 es una vista en alzado lateral de
una realización del equipo de fabricación que puede ser usado para
producir tubos de acuerdo con esta invención.
La figura 5 es una vista en perspectiva del
equipo de la figura 4.
La figura 6a es una vista en perspectiva de una
realización de la herramienta para formar los salientes.
La figura 6b es una vista en vista en alzado
lateral de la herramienta mostrada en la figura 6a.
La figura 6c es una vista en planta desde abajo
de la herramienta de la figura 6b.
La figura 6d es una vista en planta desde arriba
de la herramienta de la figura 6b.
La figura 7a es una vista en perspectiva de una
realización alternativa de la herramienta para formar los
salientes.
La figura 7b es una vista en alzado lateral de
la herramienta mostrada en la figura 7a.
La figura 7c es una vista en planta desde abajo
de la herramienta de la figura 7b.
La figura 7d es un vista en planta desde arriba
de la herramienta de la figura 7b.
La figura 8a es una vista en perspectiva,
fragmentaria, de la superficie interna parcialmente formada de una
realización alternativa de un tubo de esta invención, en que la
profundidad del corte a través de los nervios es menor que la altura
helicoidal de los nervios.
La figura 8b es una vista en perspectiva,
fragmentaria, de la superficie interna parcialmente formada de una
realización alternativa de un tubo de esta invención, en que la
profundidad del corte a través de los nervios es mayor que la altura
helicoidal de los nervios.
La figura 9a es una vista en planta desde
arriba, fragmentaria, de la superficie interna de otra realización
de un tubo de acuerdo con esta invención.
La figura 9b es un vista en alzado del tubo
mostrado en la figura 9a en el sentido de la flecha 22.
La figura 10a es una vista fragmentaria de una
superficie interna de un tubo de esta invención, que muestra la
herramienta aproximándose al nervio en la dirección g para cortar un
saliente desde el nervio en la dirección g.
La figura 10b es una vista fragmentaria de una
superficie interna alternativa de un tubo de esta invención, que
muestra la herramienta aproximándose al nervio en la dirección g
para cortar un saliente desde el nervio en la dirección g.
La figura 11a es un esquema de la superficie
interna de un tubo de acuerdo con esta invención, que muestra la
orientación angular entre los nervios y las ranuras, en que los
nervios y las ranuras son de hélice de mano opuesta.
La figura 11b es un esquema de la superficie
interna de un tubo de acuerdo con esta invención, que muestra la
orientación angular entre los nervios y las ranuras, con lo que los
nervios y las ranuras tienen la hélice de igual mano.
Las figuras 1a-d muestran la
superficie interna parcialmente formada 18 de una realización del
tubo 21 de esta invención. La superficie interna 18 incluye una
pluralidad de salientes 2. Los salientes 2 están formados a partir
de nervios 1 producidos en la superficie interna 18. Los nervios 1
se forman primeramente en la superficie interna 18. Los nervios 1
son cortados luego para producir capas de nervios 4, que son
elevadas subsiguientemente para formar salientes 2 (como se ve del
mejor modo en las figuras 1a y 1b). Estas operaciones de corte y
elevación pueden ser realizadas,
pero no tienen que serlo, usando una herramienta 13 mostrada en las figura 6a-d y 7a-d y descrita en lo que sigue.
pero no tienen que serlo, usando una herramienta 13 mostrada en las figura 6a-d y 7a-d y descrita en lo que sigue.
Deberá entenderse que un tubo de acuerdo con
esta invención es generalmente útil, pero no se limita a ello, en
cualquier aplicación en que sea necesario transferir calor desde un
lado del tubo al otro lado del tubo, tal como en evaporadores y
condensadores monofásicos y de múltiples fases (de líquidos o gases
puros o de mezclas de líquido/gas). Aunque la explicación que sigue
proporciona dimensiones deseables para un tubo de esta invención,
no se pretende limitar en modo alguno los tubos de esta invención a
esas dimensiones. Antes al contrario, las geometrías deseables del
tubo, incluidos los salientes 2, dependerán de muchos factores, el
menos importante de los cuales no son las propiedades del fluido que
circula a través del tubo. Una persona versada en la técnica
comprenderá la manera en que se altera la geometría de una
superficie interna del tubo, incluyendo la geometría de los nervios
1 y salientes 2, para maximizar la transferencia térmica del tubo
usado en diversas aplicaciones y con diversos fluidos.
Los nervios 1 se forman en la superficie interna
18 con un ángulo de hélice \alpha con el eje s del tubo (véanse
las figuras 1a y 1d). El ángulo de hélice \alpha puede ser
cualquier ángulo entre 0º y 90º, pero preferiblemente no excede de
70º. Una persona versada en la técnica comprenderá fácilmente que el
ángulo de hélice preferido \alpha dependerá a menudo, al menos en
parte, del medio fluido usado. La altura e_{r} de los nervios 1
(véanse las figuras 8a y 8b) deberá ser en general mayor que el
líquido más viscoso que circule a través del tubo 21. Por ejemplo,
una altura e_{r} mayor que cero (de preferencia, pero no
necesariamente, de al menos 0,025 mm (0,001 pulgadas)) hasta el 25%
del diámetro interior del tubo D_{i} en general es deseable en
una muestra de tubo usada con una mezcla de agua/glicol para
aplicaciones a baja temperatura. Para los fines de esta solicitud,
D_{i} es el diámetro interior del tubo 21 medido desde la
superficie interna 18 del tubo 21. El paso axial P_{a},_{r} de
los nervios 1 depende de muchos factores, incluido el ángulo de
hélice \alpha, el número de nervios 1 formados en la superficie
interna 18 del tubo 21, y el diámetro interior D_{i} del tubo 21.
Aunque puede utilizarse cualquier paso P_{a,r}, la relación de
P_{a,r}/e_{r} es preferiblemente de al menos 0,002, y la
relación de e_{r}/D_{i} se halla comprendida de preferencia
entre aproximadamente 0,001 y 0,25. Sin embargo, una persona versada
en la técnica comprenderá fácilmente también que los valores de
relación preferidos dependerán a menudo, a menos en parte del medio
fluido usado y de las condiciones de funcionamiento (por ejemplo,
la temperatura del medio fluido).
Las capas de nervios 4 están cortadas bajo un
ángulo \theta con el eje s que es de preferencia de entre
aproximadamente 20º y 50º, inclusive, y más preferiblemente de
alrededor de 30º. El paso axial P_{a},_{p} de los salientes 2
puede tener cualquier valor mayor que cero y en general dependerá,
entre otros factores, de las revoluciones relativas por minuto
entre la herramienta (descrita en lo que sigue) y el tubo durante
la fabricación, de la tasa de alimentación axial relativa entre la
herramienta y el tubo durante la fabricación y del número de puntas
previstas en la herramienta usada para formar los salientes durante
la fabricación. Aunque los salientes resultantes 2 pueden tener
cualquier grosor S_{p}, el grosor de S_{p} es de preferencia de
aproximadamente el 20-100% del paso P_{a,p}. La
altura e_{p} de los salientes 2 depende de la profundidad de
corte t (como se ve en las figuras 1b, 8a y 8b) y el ángulo \theta
con que son cortadas las capas de nervios 4. La altura e_{p} de
los salientes 2 tiene preferiblemente un valor al menos tan grande
como la profundidad de corte t hasta tres veces la profundidad de
corte t. Es preferible, pero no necesario, formar nervios 1 a una
altura e_{r} y ajustar el ángulo de corte \theta a un valor que
dé por resultado la altura e_{p} de los salientes 2 que es al
menos aproximadamente el doble de la altura e_{r} de los nervios
1. Así, la relación de e_{p} /D_{i} es de preferencia de entre
aproximadamente 0,002 y 0,5 (es decir, e_{p}/D_{i} es el doble
del margen preferido de la relación e_{r} /D_{i} de
aproximadamente 0,001-0,25).
Las figuras 1a y 1b muestran una profundidad de
corte t igual a la altura e_{r} de los nervios 1 de manera que la
base 40 del saliente 2 está situada en la superficie interna 18 del
tubo 21. Sin embargo, la profundidad de corte t no necesita ser
igual que la altura e_{r} de los nervios. En lugar de ello, los
nervios 1 pueden ser cortados sólo parcialmente a través de los
nervios 1 (véase la figura 8ª) o hasta más allá de la altura de los
nervios 1 y dentro de la pared 3 del tubo (véase la figura 8b). En
la figura 8a, los nervios 1 no están cortados a través de toda su
altura e_{r} de manera que la base 40 de los salientes 2 está
situada más lejos de la superficie interna 18 del tubo que la base
42 de los nervios 1, que está situada en la superficie interna 18.
En contraposición, la figura 8b ilustra una profundidad de corte t
hasta más allá de la altura e_{r} de los nervios, de manera que
al menos una pared de los salientes 2 se extiende dentro de la pared
3 del tubo, más allá de la superficie interna 18 y la base 42 de los
nervios.
Cuando las capas de nervios 4 son elevadas, se
forman ranuras 20 entre salientes adyacentes 2. Las capas de
nervios 4 son cortadas y elevadas de manera que las ranuras 20 son
orientadas sobre la superficie interna 18 con un ángulo \tau con
el eje s del tubo 21 (véanse las figuras 1d, 11a y 11b), que es
preferiblemente, pero no tiene que serlo, de entre aproximadamente
80º y 100º.
La configuración de los salientes 2 depende de
la configuración de los nervios 1 y de la orientación de los
nervios 1 con relación a la dirección de movimiento de la
herramienta 13. Los salientes tienen preferiblemente al menos tres
superficies laterales y una superficie superior. En la realización
de las figuras 1a-d, los salientes 2 tienen cuatro
superficies laterales, una superficie superior inclinada 26 (que
ayuda a disminuir la resistencia a la transferencia térmica) y una
punta sustancialmente afilada 28. Sin embargo, no está de ningún
modo previsto que los salientes 2 de esta invención se limiten a
esta realización ilustrada, sino que en lugar de ello pueden estar
formados con cualquier configuración. Además, los salientes 2 en el
tubo 21 no necesitan todos ellos tener la misma configuración o
tener la misma geometría.
Que la orientación de los salientes 2 sea recta
(véase la figura 10a) o curvada o retorcida (véase la figura 10b)
depende del ángulo \beta formado entre nervios 1 y la dirección de
movimiento g de la herramienta 13. Si el ángulo \beta es de menos
de 90º, los salientes 2 tendrán una orientación relativamente recta,
tal como se muestra en la figura 10a. Si el ángulo es de más de
90º, los salientes 2 tendrán una orientación más curvada y/o
retorcida, tal como, por ejemplo, se muestra en la figura 10b.
Durante la fabricación del tubo 21, puede usarse
la herramienta 13 para cortar a través de nervios 1 y elevar las
capas de nervios resultantes 4 para formar salientes 2. Sin embargo,
pueden usarse otros dispositivos y métodos para formar salientes 2.
La herramienta 13 puede estar hecha de cualquier material que tenga
la integridad estructural para resistir el corte de metal (por
ejemplo acero, carburo, material cerámico, etc.), pero está hecha
preferiblemente de un carburo. Las realizaciones de la herramienta
13 mostradas en las figuras 6a-d y
7a-d tienen en general un eje de herramienta q, dos
paredes de base 30, 32 y una o más paredes laterales 34. Una
abertura 16 está situada a través de la herramienta 13. Las puntas
12 están formadas sobre las paredes laterales 34 de la herramienta
13. Obsérvese, sin embargo, que las puntas pueden estar montadas o
formadas sobre cualquier estructura que pueda soportar las puntas
en la orientación deseada con relación al tubo 21 y dicha
estructura no se limita a la descrita en las figuras
6a-d y 7a-d. Además, las puntas
pueden ser retráctiles dentro de su estructura de soporte de manera
que puede variarse fácilmente el número de puntas usadas en el
proceso de corte.
Las figuras 6a-d ilustran una
realización de la herramienta 13 que tiene una sola punta 12. Las
figuras 7a-d ilustran una realización alternativa
de la herramienta 13 que tiene cuatro puntas 12. Una persona versada
en la técnica comprenderá que la herramienta 13 puede estar
equipada con cualquier número de puntas 12 dependiendo del paso
deseado P_{a,p} de los salientes 2. Además, la geometría de cada
punta no necesita ser igual para las puntas de una sola herramienta
13. En lugar de ello, pueden estar previstas en la herramienta 13
puntas 12 que tengan geometrías diferentes para formar salientes
que tengan diferentes configuraciones, orientaciones, y otras
geometrías.
Cada punta 12 está formada por la intersección
de planos A, B y C. La intersección de planos A y B forman un filo
14 que corta a través de los nervios 1 para formar capas de nervios
4. El plano B está orientado con un ángulo \varphi con relación a
un plano perpendicular al eje geométrico q de la herramienta (véase
la figura 6b). El ángulo \varphi está definido como de 90º -
\theta. Así, el ángulo \varphi está comprendido de preferencia
entre aproximadamente 40º y 70º para permitir que el filo 14 corte a
través de los nervios 1 con el ángulo deseable \theta entre
aproximadamente
20º y 50º.
20º y 50º.
La intersección de los planos A y C forma el
borde de elevación 15 que eleva las capas de nervios 4 hacia arriba
para formar salientes 2. El ángulo \varphi_{l}, definido por el
plano C y un plano perpendicular al eje geométrico q de la
herramienta, determina el ángulo de inclinación \omega (el ángulo
entre un plano perpendicular al eje longitudinal s del tubo 21 y al
eje longitudinal de los salientes 2 (véase la figura 1b)) en que
los salientes 2 son elevados por el borde de elevación 15. El ángulo
\varphi_{l} = ángulo \omega, y así el ángulo \omega_{l}
en la herramienta 13 puede ajustarse para impactar directamente con
el ángulo de inclinación \omega de los salientes 2. El ángulo de
inclinación \omega (y el ángulo \varphi_{l}) es
preferiblemente el valor absoluto de cualquier ángulo entre
aproximadamente -45º y 45º, excluyendo cero o sustancialmente cero,
con relación al plano perpendicular al eje longitudinal s del tubo
21. De este modo, los salientes pueden inclinarse hacia la
izquierda y hacia la derecha con relación al plano perpendicular al
eje longitudinal s del tubo 21 (véase la figura 1b). Además, las
puntas 12 pueden estar formadas de manera que tengan geometrías
diferentes (es decir, el ángulo \varphi_{l} puede ser diferente
en puntas diferentes), y así los salientes 2 dentro del tubo 1
pueden inclinarse bajo ángulos diferentes y en direcciones
diferentes con relación al plano perpendicular al eje longitudinal
s del tubo 21. Por ejemplo, algunos salientes pueden ser
sustancialmente perpendiculares al eje longitudinal del tubo y
otros, no.
Si bien se han identificado los márgenes
preferidos de valores para las dimensiones físicas los salientes 2,
una persona versada en la técnica reconocerá que las dimensiones
físicas de la herramienta 13 pueden modificarse para influir sobre
las dimensiones físicas de los salientes resultantes 2. Por ejemplo,
la profundidad t con que el filo 14 corta en los nervios 1 y el
ángulo \varphi afectan a la altura e_{p} de los salientes 2.
Por consiguiente, la altura e_{p} de los salientes 2 puede
regularse utilizando la expresión
e_{p} = t/sen
(90-
\varphi)
o, dado
que
\varphi = 90-\theta,
e_{p}=t/sen(\theta)
\vskip1.000000\baselineskip
En que:
t es la profundidad de corte;
\varphi es el ángulo entre el plano B y un
plano perpendicular al eje q de la herramienta; y
\theta es el ángulo con que las capas de
nervios 4 son cortadas con relación al eje longitudinal s del tubo
21.
\vskip1.000000\baselineskip
El grosor S_{p} de los salientes 2 depende del
paso P_{a,b} de los salientes 2 y el ángulo \varphi. Por
consiguiente, el grosor S_{p} puede ajustarse utilizando la
expresión
S_{p}=P_{a,p}.sen(90-
\varphi)
o, dado
que
\varphi = 90- \theta,
S_{p}=P_{a,p}.sen (\theta)
\vskip1.000000\baselineskip
En que
P_{a,p} es el paso axial de los salientes
2;
\varphi es el ángulo entre el plano B y un
plano perpendicular al eje q de la herramienta; y
\theta es el ángulo conque las capas de
nervios 4 son cortadas con relación al eje longitudinal s del tubo
21.
\newpage
\global\parskip0.900000\baselineskip
Las figuras 4 y 5 ilustran un posible equipo de
fabricación para mejorar las superficies del tubo 21. Estas figuras
no pretenden en modo alguno limitar el proceso por el que los tubos
de acuerdo con esta invención son fabricados, sino mas bien que
pueda usarse cualquier proceso de fabricación de tubo que utilice
cualquier equipo adecuado o configuración adecuada de equipo. Los
tubos de esta invención pueden hacerse de una diversidad de
materiales que posean propiedades físicas adecuadas, incluida
integridad estructural, maleabilidad y plasticidad, tal como, por
ejemplo, cobre y aleaciones de cobre, aluminio y aleaciones de
aluminio, latón, titanio, acero y acero inoxidable. Las figuras 4 y
5 ilustran tres husillos 10 que funcionan sobre el tubo 21 para
mejorar la superficie externa del tubo 21. Obsérvese que en la
figura 4 se ha omitido uno de los husillos 10. Cada husillo 10
incluye un equipo de herramientas que tiene discos de formación de
aletas 7 que extruyen radialmente desde una a múltiples aletas
exteriores de arranque 6 que tienen un paso axial P_{a,o}. El
equipo de herramientas puede incluir discos adicionales, tales como
discos de formación de muescas o de aplanamiento, para mejorar aún
más la superficie externa del tubo 21. Además, si bien se muestran
solamente tres husillos 10, pueden usarse más o menos husillos
dependiendo de las mejoras deseadas de la superficie externa. Sin
embargo, obsérvese que dependiendo de la aplicación del tubo, no es
necesario de ningún modo introducir mejoras en la superficie externa
del tubo 21.
En un ejemplo de una manera para mejorar la
superficie interna 18 del tubo 21, un eje de mandril 11 sobre el
que está montado a rotación un mandril 9 se extiende dentro del tubo
21. La herramienta 13 se monta sobre el eje 11 a través de la
abertura 16. Un perno 24 asegura la herramienta 13 en su sitio. La
herramienta 13 se bloquea preferiblemente en rotación con el eje 11
por cualesquiera medios adecuados. Las figuras 6d y 7d ilustran una
ranura de llave 17 que puede estar prevista en la herramienta 13
para enclavar un saliente previsto en el eje 11 (no mostrado) para
fijar la herramienta 13 en su sitio con relación al eje 11.
En el funcionamiento, el tubo 21 gira
generalmente a medida que se mueve a través del proceso de
fabricación. La pared 3 del tubo se mueve entre el mandril 9 y los
discos de formación de aletas 7 que ejercen presión sobre la pared
3 del tubo. Cuando se aplica presión, el metal de la pared 3 del
tubo fluye dentro de las ranuras entre los discos de formación de
aleta 7 para formar aletas 6 en la superficie exterior del tubo
21.
En el mandril 9 está prevista la imagen
especular de un modelo deseado de superficie interna de manera que
el mandril 9 formará la superficie interna 18 del tubo 21 con el
patrón deseado a medida que el tubo 21 se aplica al mandril 9. Un
patrón deseable de superficie interna incluye nervios 1, como se
muestra en las figuras 1a y 4. Después de la formación de los
nervios 1 en la superficie interna 18 del tubo 21, el tubo 21
encuentra la herramienta 13 situada junto al mandril 9 y aguas
abajo del mismo. Como se explica previamente, el filo o los filos
14 de la herramienta 13 cortan a través de los nervios 1 para formar
capas de nervios 4. El borde o los bordes de elevación 15 de la
herramienta 13 elevan entonces las capas de nervios 4 para formar
salientes 2.
Cuando los salientes 2 se forman simultáneamente
con las aletas exteriores y la herramienta 13 se fija (es decir, de
manera no giratoria o sin movimiento axial), el tubo 21 gira
automáticamente y tiene movimiento axial. En este caso, el paso
axial de los salientes P_{a,p} es regulado por la siguiente
fórmula:
P_{a,p} =
\frac{P_{a,o} \cdot
Z_{o}}{Z_{i}}
en
que
P_{a,o} es el paso axial de las aletas
exteriores 6;
Z_{o} es el número de arranques de aleta en el
diámetro externo del tubo 21; y
Z_{i} es el número de puntas 12 en la
herramienta 13.
Para obtener un paso axial específico de
saliente P_{a,p}, la herramienta 13 puede ser también hecha girar.
El tubo 21 y la herramienta 13 pueden girar en el mismo sentido o,
alternativamente, el tubo 21 y la herramienta 13 pueden girar, pero
en sentidos opuestos. Para obtener un paso de saliente axial
predeterminado P_{a,p}, la rotación necesaria (en revoluciones
por minuto (RPM)) de la herramienta 13 puede calcularse utilizando
la siguiente fórmula:
RPM_{herramienta} =
\frac{RPM_{tubo}(P_{a,o} \cdot Z_{o} - P_{a,p} \cdot Z_{i})}{Z_{i}
\cdot
P_{a.p}}
en
que:
RPM_{tubo} es la frecuencia de rotación del
tubo 21;
P_{a,o} es el paso axial de las aletas
externas 6;
Z_{o} es el número de arranques de aleta en el
diámetro externo del tubo 21;
P_{a,p} es el paso axial deseable de los
salientes 2; y
Z_{i} es el número de puntas 12 en la
herramienta 13.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Si el resultado de este calculo es negativo,
entonces la herramienta 13 deberá girar en el mismo sentido que el
tubo 21 para obtener el paso deseado P_{a,p}. Alternativamente, si
el resultado de este calculo es positivo, entonces la herramienta
13 deberá girar en el sentido opuesto al del tubo 21 a fin de
obtener el paso deseado P_{a,p}.
Obsérvese que, aunque se muestra la formación de
salientes 2 en la misma operación que la formación de nervios 1,
los salientes 2 pueden ser producidos en una operación separada
respecto de la formación de aletas usando un tubo con nervios
internos previamente formados 1. Esto requeriría generalmente un
conjunto para hacer girar la herramienta 13 o el tubo 21 y para
mover la herramienta 13 o el tubo 21 a lo largo del eje del tubo.
Además, preferiblemente está previsto un soporte para centrar la
herramienta 13 con relación a la superficie interna 18 del tubo. En
este caso, el paso axial P_{a,p} de los salientes 2 es regulado
por la siguiente fórmula:
P_{a,p}=X_{a}/ (RPM \cdot
Z_{i})
En
que
X_{a} es la velocidad axial relativa entre el
tubo 21 y la herramienta 13 (distancia/tiempo);
RPM es la frecuencia relativa de rotación entre
la herramienta 13 y el tubo 21;
P_{a,p} es el paso axial deseable de los
salientes 2; y
Z_{i} es el número de puntas 12 en la
herramienta 13.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta fórmula es adecuada cuando (1) el tubo se
mueve sólo axialmente (es decir, no gira) y solamente gira la
herramienta (es decir, no se mueve axialmente); (2) el tubo sólo
gira y la herramienta se mueve sólo axialmente; (3) la herramienta
gira y se mueve axialmente pero el tubo está fijo para rotación y
axialmente; (4) el tubo gira y se mueve axialmente pero la
herramienta está fija para rotación y axialmente; y (5) cualquier
combinación de lo anterior.
Con la superficie interna del tubo de esta
invención, se producen trayectorias adicionales para el flujo de
fluido (entre los salientes 2 a través de las ranuras 20) a fin de
optimizar la transferencia térmica y la caída de presión. La figura
9a ilustra estas trayectorias adicionales 22 para el desplazamiento
del fluido a través del tubo 21. Estas trayectorias 22 son
adicionales a las trayectorias de flujo de fluido 23 producidas
entre los nervios 1. Estas trayectorias adicionales 22 tienen un
ángulo de hélice \alpha_{1} con relación al eje s del tubo. El
ángulo \alpha_{1} es el ángulo entre salientes 2 formados desde
nervios adyacentes 1. La figura 9b muestra claramente estas
trayectorias adicionales 22 formadas entre salientes 2. El ángulo
de hélice \alpha_{1} y , por tanto, la orientación de las
trayectorias 22 a través del tubo 21, puede regularse ajustando el
paso P_{a,p} de los salientes 2 con la siguiente expresión:
P_{a,p} =
\frac{P_{a,r} \cdot tan(\alpha) \cdot \pi D_{i}}{\pi D_{i} \cdot
(tan(\alpha)+tan(\alpha_{1})) \pm P_{a,r} \cdot tan(\alpha) \cdot
tan(\alpha_{1}) \cdot
Z_{i}}
En
que
P_{a,r} es el paso axial de los nervios 1;
\alpha es el ángulo de los nervios 1 con el
eje s del tubo;
\alpha_{1} es el ángulo de hélice deseable
entre salientes 2;
Z_{1} es el número de puntas 12 en la
herramienta 13; y
D_{i} es el diámetro interno del tubo 21
medido desde la superficie interna 18 del tubo 21.
\vskip1.000000\baselineskip
Si el ángulo de hélice \alpha de los nervios y
el ángulo \tau de las ranuras 20 son ambos una hélice a mano
derecha o de mano izquierda (véase la figura 11b), entonces en la
anterior expresión deberá usarse el "[-]". Alternativamente,
si el ángulo de hélice \alpha de los nervios y el ángulo \tau de
las ranuras 20 son una hélice de mano opuesta (véase la figura
11a), entonces en la anterior expresión deberá usarse el
"[+]".
Los tubos hechos de acuerdo con esta invención
superan a los tubos existentes. Las tablas que siguen
1-3 dan las dimensiones de tubo y de herramienta
para dos ejemplos de tales tubos. El factor de mejora es el factor
por el que los coeficientes de transferencia térmica
(lado-tubo y global) de estos nuevos tubos (Tubo
número 25 y Tubo número 14) aumentan respecto de los tubos
existentes (Turbo-B®, Turbo-BII®, y
Turbo-BIII®). Sin embargo, los Tubos números 25 y
14 son otra vez simplemente ejemplos de tubos de acuerdo con esta
invención. Otros tipos de tubos hechos de acuerdo con esta
invención superan a los tubos existentes en una diversidad de
aplicaciones.
\newpage
Las características físicas de los tubos
Turbo-B®, Turbo-BII® y
Turbo-BIII® se describen en las Tablas 1 y 2 Tablas
de la patente de EE.UU. número 5.697.430, de Thors, y otros. Al
Turbo-B® se hace referencia como Tubo II; al
Turbo-BII® se hace referencia como Tubo III; y al
Turbo B-III® se hace referencia como Tubo IV_{H}.
La superficie externa del Tubo número 25 y del Tubo número 14 es
idéntica a la del Turbo B-III®. Las superficies
internas del Tubo número 25 y del Tubo número 14 son de acuerdo con
esta invención e incluyen las siguientes características
físicas:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
Además, la herramienta usada para formar los
salientes en los Tubos números 25 y 14 tenían las siguientes
características:
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
El coeficiente de transferencia térmica del lado
del Tubo número 14 es aproximadamente 1,8 veces y el del Tubo
número 25 es aproximadamente 1,3 veces el de Turbo
B-III®, que es actualmente el tubo más popular usado
en aplicaciones de evaporación y mostrado como una línea de base en
las figuras 12 y 13. El coeficiente global de transferencia térmica
del Tubo número 25 es aproximadamente 1,25 veces y el del Tubo
número 14 es aproximadamente 1,5 veces el de Turbo
B-III®.
Lo que antecede se proporciona para fines de
ilustración, explicación y descripción de realizaciones de esta
invención. A los versados en la técnica les resultarán evidentes
otras modificaciones y adaptaciones de estas realizaciones que
pueden hacerse sin apartarse del alcance de la invención como se
definen en las reivindicaciones.
Claims (21)
1. Un tubo de transferencia de calor (21), que
comprende una superficie interna (18), una superficie externa y un
eje longitudinal (s), en que el tubo comprende una pluralidad de
salientes de superficie (2) formados a partir de nervios (1)
formados a lo largo de una superficie del tubo bajo cierto ángulo
con relación al eje longitudinal (s),
en que al menos algunos de la pluralidad de
salientes (2) sobresalen desde la superficie interna en una
dirección que no es sustancialmente perpendicular al eje
longitudinal,
caracterizado porque los salientes (2) se
forman en las etapas de:
a. cortar a través de los nervios (1) hasta una
profundidad de corte (t) para formar capas de nervios (4), y
b. elevar las capas de nervios para formar
salientes (2) que tienen una altura de saliente, un grosor de
caliente y un paso de saliente.
2. El tubo (21) de la reivindicación 1, en el
que otros salientes de la pluralidad de salientes (2) se extienden
desde la superficie interna (18) en una dirección sustancialmente
perpendicular al eje longitudinal (s).
3. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, en el que al menos algunos de la pluralidad de salientes
(2) están doblados y/o retorcidos.
4. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, en el que el saliente (2) tiene una altura que es un
valor de no más de tres veces la profundidad de corte (t).
5. El tubo de la reivindicación 4, en el que la
profundidad de corte (t) es menor o aproximadamente igual que la
altura de nervio.
6. El tubo de la reivindicación 4, en el que la
profundidad de corte (t) es mayor que la altura de nervio.
7. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, en el que al menos uno de la pluralidad de salientes (2)
tiene una altura con un valor al menos tan grande como la
profundidad de corte (t).
8. El tubo de cualquier reivindicación
precedente, en el que el nervio (1) está cortado con un ángulo
comprendido entre aproximadamente 20º y 50º, preferiblemente de
alrededor de 30º, con relación al eje longitudinal (s).
9. El tubo de cualquier reivindicación
precedente, en el que el nervio (1) está formado a lo largo de la
superficie interna (18) con un ángulo de no más de 70º con relación
al eje longitudinal (s).
10. El tubo (21) de cualesquiera
reivindicaciones precedentes, en el que la relación del diámetro
interno (D_{i}) del tubo (21) a la altura del nervio (1) se halla
comprendida en el margen de 0,001 a 0,025 inclusive.
11. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, en el que el nervio (1) tiene una altura de al menos
0,025 mm (0,001 pulgadas).
12. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, que comprende además una pluralidad de dichos nervios
(1) espaciados a un paso axial, en el que la relación de paso axial
de nervio a altura de nervio es de al menos
0,002.
0,002.
13. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, en el que la altura de nervio es mayor o igual que la
profundidad de corte (t).
14. El tubo (21) de cualquiera de las
reivindicaciones 1-4 ó 6-13, en el
que el saliente (2) comprende al menos una pared que se extiende
dentro de la superficie interna (18) del tubo más allá de una base
42 del nervio (1).
15. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, en el que la relación de la altura de cada saliente (2)
al diámetro interno (D_{i}) del tubo se halla comprendida entre
aproximadamente 0,002 y 0,5.
16. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, en el que el saliente (2) comprende al menos tres
superficies laterales y una superficie superior (26).
17. El tubo (21) de la reivindicación 16, en el
que la superficie superior (26) está inclinada.
18. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, en el que el saliente (2) tiene una punta
sustancialmente afilada (28).
\newpage
19. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, en el que la pluralidad de salientes (2) tiene un paso y
en el que el grosor de cada uno de dichos salientes se halla
comprendido entre aproximadamente el 20% y el 100% del paso de
saliente.
20. El tubo (21) de cualquier reivindicación
precedente, que comprende además ranuras (20) formadas entre la
pluralidad de salientes con un ángulo comprendido entre
aproximadamente 80º y100º con relación al eje longitudinal del
tubo.
21. Equipo que comprende un tubo (21) como se
define en cualquiera de las reivindicaciones
1-20.
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