ES2341626T3 - Tubos ranurados para intercambiadores termicos con mejorada resistencia a la expansion. - Google Patents
Tubos ranurados para intercambiadores termicos con mejorada resistencia a la expansion. Download PDFInfo
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Abstract
Tubo metálico (1) ranurado, de espesor Tf en fondo de ranura y de diámetro exterior De, típicamente destinado a la fabricación de intercambiadores de calor o baterías (4) que utilizan un fluido frigoportador o caloportador de tipo monofásico o difásico, estando dicho tubo (1) ranurado interiormente por N nervaduras helicoidales, yendo N de 20 a 80 según el diámetro exterior De, de ángulo de vértice α, de altura H según una dirección radial (11) de dicho tubo, de base B de anchura LN y de ángulo de hélice β, estando dos nervaduras consecutivas separadas por una ranura (3) de fondo (30) típicamente plano de anchura LR, con un paso P igual a LR + LN, caracterizado por el hecho de que: a) dichas anchuras LN y LR son tales que la relación LN/LR queda comprendida entre 0,40 y 0,80, b) dichas N nervaduras presentan una anchura a media altura LN1/2 que es al menos igual a 2.LN/3, c) dichas N nervaduras son nervaduras oblicuas (2), inclinadas, típicamente en un mismo sentido, de un ángulo γ con respecto a dicha dirección radial (11) que va de 10º a 35º, siendo dicho ángulo γ el ángulo formado entre dicha dirección radial (11) y una recta mediana (24) que pasa por el centro de dicha base B (20) de dicha nervadura (2) y por el centro de la anchura de la nervadura (2) tomada a su media altura H/2, y dentro del cual, dicha nervadura (2) es una nervadura (2) que presenta una sección tetragonal que comprende, además de su base B (20), un lado apical S (21) enfrente de dicha base B (20) y dos lados laterales CL1 (22) y CL2 (23) que forman entre ellos dicho ángulo de vértice α, de los cuales uno CL1 (22) forma un ángulo θ1 inferior a 90º con dicho fondo de ranura (30) adyacente, y de los cuales el otro CL2 (23) forma un ángulo θ2 típicamente superior a 90º con dicho fondo de ranura (30) adyacente, yendo dicho ángulo de vértice de 10 a 35º, de forma tal que dicho tubo presenta una elevada resistencia al aplastamiento, elevadas capacidades de intercambio térmico y una baja pérdida de carga cuando dicho tubo es solidarizado a aletas de refrigeración en una batería.
Description
Tubos ranurados para intercambiadores térmicos
con mejorada resistencia a la expansión.
La invención se refiere al ámbito de los tubos
para intercambiadores de calor, y más en especial al ámbito de los
tubos de intercambiadores de calor que utilizan ya sea un fluido
llamado "monofásico", es decir, un fluido para el cual el
intercambio térmico no comprende un ciclo de evaporación y de
condensación, o bien un fluido llamado "difásico", es decir,
un fluido que hace uso de su calor latente de vaporización y de
condensación.
Es conocido un gran número de documentos que
describen la geometría de tubos ranurados utilizados en los
intercambiadores de calor.
A título de ejemplo, puede citarse la solicitud
de patente EP-A2-0 148 609 que
describe tubos con ranuras triangulares o trapezoidales que
presentan las características siguientes:
- -
- 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 del tubo comprendido entre 7 y 30º,
- -
- una relación S/H comprendida entre 0,15 y 0,40, designando S la sección transversal de la ranura,
- -
- un ángulo de vértice \alpha de las nervaduras comprendido entre 30 y 60º.
Estas características de tubos están adaptadas a
fluidos con transición de fase, siendo los rendimientos de los tubos
analizados de manera distinta al tener lugar la evaporación del
fluido y al tener lugar la condensación del fluido.
La solicitud japonesa Nº
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 4º y 15º.
Tubos parecidos están descritos en la solicitud
japonesa Nº 57-58094.
La solicitud japonesa JP
54-125563 describe tubos con ranuras en U o en V,
inclinadas, con una H que va de 0,002 a 0,2 mm, un paso P que va de
0,1 a 0,5 mm y un ángulo \beta que va de 4 a 15º.
La solicitud japonesa Nº
52-38663 describe tubos con ranuras en V o en U, con
una 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 15º.
La patente US Nº 4.044.797 describe tubos con
ranuras en V o en U parecidos a los tubos precedentes.
El modelo de utilidad japonés Nº
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 vértice \alpha (el ángulo llamado
\theta en este documento) típicamente igual a 73º, un ángulo
\beta de 30º, y un espesor medio de 0,44 mm.
Las patentes US Nº 4.545.428 y Nº 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 vértice \alpha comprendido entre 50 y
100º, y un ángulo de hélice \beta comprendido entre 16 y 35º.
La patente japonesa Nº 62-25959
describe tubos con ranuras y nervaduras trapezoidales, con una
profundidad de ranura H comprendida entre 0,2 y 0,5 mm y 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
10º.
Es conocida la solicitud japonesa JP
2001-074384 que describe tubos con nervaduras
inclinadas.
Es también conocida la patente europea EP 1 061
318 que describe tubos con nervaduras triangulares inclinadas que
son aptas para ser deformadas por plegado al ser aletas externas al
tubo engastadas al tubo a fin de formar intercambiadores de
calor.
Por último, la patente europea
EP-B1-701 680, a nombre de la
solicitante, describe tubos ranurados, con ranuras de fondo plano y
con nervaduras de altura H diferente, con un ángulo de hélice
\beta comprendido entre 5 y 50º y con un ángulo de vértice
\alpha comprendido entre 30 y 60º, para así obtener mejores
rendimientos tras el engaste de los tubos y el montaje en los
intercambiadores.
De una manera general, los rendimientos técnicos
y económicos de los tubos, que resultan de la elección de la
combinación de medios que define a los tubos (H, P, \alpha,
\beta, forma de las ranuras y nervaduras, etc.), son en general
relativos a cuatro tipos de consideraciones:
- -
- por una parte, las características relativas a la transferencia de calor (coeficiente de intercambio térmico), terreno en el cual los tubos ranurados son muy superiores a los tubos no ranurados, de tal manera 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, permitiendo las pequeñas pérdidas de carga utilizar bombas o compresores de menor potencia, de menores dimensiones exteriores y de menor coste,
- -
- además, la viabilidad industrial de los tubos y la velocidad de producción, que condiciona al precio de coste del tubo en la fábrica de tubos,
- -
- por último, las características relativas a las propiedades mecánicas de los tubos, típicamente en relación con la naturaleza de las aleaciones utilizadas o con el espesor medio de los tubos, espesor que condiciona el peso del tubo por unidad de longitud, y por consiguiente influye en su precio de coste.
Por una parte, como se desprende del estado de
la técnica, hay un gran número y una muy gran diversidad de
doctrinas en lo relativo a los tubos ranurados, sabiéndose que las
mismas apuntan en general a la optimización del intercambio térmico
y a la disminución de la pérdida de carga.
Por otra parte, cada una de estas doctrinas
ofrece ella misma en la mayoría de los casos una gran amplitud de
posibilidades, estando los parámetros generalmente definidos por
gamas de valores relativamente grandes, de tal manera que el
experto en la materia tiene ya muchas dificultades para sacar la
quintaesencia del estado de la técnica, de entre un número tan
grande de datos, a veces contradictorios.
Además, estas doctrinas conciernen en la mayoría
de los casos a los tubos ranurados considerados como tales, tubos
ranurados que pueden eventualmente ser utilizados en
intercambiadores tubulares.
Sin embargo, los tubos ranurados pueden también
ser utilizados en intercambiadores de calor o baterías que
comprenden aletas que difunden el calor. En este caso, los tubos son
solidarizados a las aletas por engaste que requiere una expansión
del tubo que es realizada por una pieza mecánica, que es típicamente
una bola de diámetro elegido para realizar una expansión del tubo,
lo cual tiende a aplastar mecánicamente dichas ranuras o a hacer que
las mismas se doblen durante dicha expansión.
Desde luego, ya se ha intentado fabricar tubos
relativamente resistentes al aplastamiento, pero por regla general,
aunque estos tubos constituyen un progreso con respecto a otros
tubos, los mismos presentan sin embargo aún una deformación
relativamente importante que hace que disminuyan de manera muy
significativa sus rendimientos y sus capacidades de intercambio
térmico.
Además, conviene que los tubos puedan resistir
condiciones de engaste cada vez más severas a fin de lograr que
aumente al máximo la superficie de contacto mecánico entre el tubo y
las aletas, para de esta manera hacer que simultáneamente aumente
la solidez de las baterías y la conducción térmica entre los tubos y
las aletas.
Por último, otro problema que es esencial en el
plano industrial es la posibilidad de fabricar tubos ranurados,
pues pueden existir perfiles de tubos ranurados que serían, al menos
en teoría, excelentes, pero que en la práctica son si no imposibles
al menos difíciles de fabricar, o al menos imposibles de fabricar a
partir de tubos no ranurados.
Además, conviene que estos tubos puedan ser
fabricados con una productividad suficiente y con un equipo o una
inversión que no sean superiores a los de los tubos ranurados del
estado de la técnica.
Así pues, la solicitante ha investigado y puesto
a punto tubos e intercambiadores que pueden ser utilizados ya sea
en intercambiadores tubulares o bien en intercambiadores de aletas o
baterías, presentando los tubos puestos a punto a la vez una muy
elevada resistencia a la deformación durante dicha expansión,
elevados rendimientos de intercambio térmico y una pérdida de carga
relativamente baja para así limitar la potencia de los compresores
y bombas de circulación de los fluidos que circulan en dichos tubos,
para las aplicaciones o los ámbitos que utilizan fluidos
monofásicos o bifásicos, y pudiendo dichos tubos puestos a punto ser
fabricados con una productividad y con equipos como los del caso de
los tubos ranurados ya industrializados.
Según la invención, el tubo metálico ranurado,
de espesor T_{f} en fondo de ranura y de diámetro exterior De,
típicamente destinado a la fabricación de intercambiadores de calor
o baterías que utilizan un fluido frigoportador o caloportador de
tipo monofásico o difásico, estando dicho tubo ranurado
interiormente por N nervaduras helicoidales, yendo N de 20 a 80
según el diámetro exterior De, de ángulo de vértice \alpha, de
altura H según una dirección radial de dicho tubo, de base B de
anchura 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 a L_{R}
+ L_{N}, está caracterizado por el hecho de que:
a) dichas anchuras L_{N} y L_{R} son tales
que la relación L_{N}/L_{R} queda comprendida entre 0,40 y
0,80,
b) dichas N nervaduras presentan una anchura a
media altura L_{N1/2} que es al menos igual a 2.L_{n}/3,
c) dichas N nervaduras son nervaduras oblicuas,
inclinadas, típicamente en un mismo sentido, de un ángulo \gamma
con respecto a dicha dirección radial que va de 10º a 35º, siendo
dicho ángulo \gamma el ángulo formado entre dicha dirección
radial y una recta mediana que pasa por el centro de dicha base B de
dicha nervadura y por el centro de la anchura de la nervadura tomada
a su media altura H/2,
y dentro de este tubo, dicha nervadura es una
nervadura que presenta una sección tetragonal que comprende, además
de su base B, un lado apical S enfrente de dicha base B y dos lados
laterales CL_{1} y CL_{2} que forman entre ellos dicho ángulo
de vértice \alpha, de los cuales uno CL_{1} (22) forma un ángulo
\theta_{1} inferior a 90º con dicho fondo de ranura (30)
adyacente, y de los cuales el otro CL_{2} (23) forma un ángulo
\theta_{2} típicamente superior a 90º con dicho fondo de ranura
(30) adyacente, yendo dicho ángulo de vértice \alpha de 10 a
35º,
de forma tal que dicho tubo presenta una elevada
resistencia al aplastamiento, elevadas capacidades de intercambio
térmico y una baja pérdida de carga cuando dicho tubo es
solidarizado a aletas de refrigeración en una batería.
\vskip1.000000\baselineskip
Se llama a estas nervaduras oblicuas e
inclinadas porque las mismas presentan un lado lateral (CL_{1})
que forma un ángulo \theta_{1} inferior a 90º con dicho fondo de
ranura (30) adyacente. Estas nervaduras son típicamente idénticas
entre sí.
Los tubos según la invención resuelven los
problemas planteados.
En efecto, la solicitante ha podido observar que
con los tubos ranurados según la invención:
- -
- por una parte, después de la expansión, incluso en las condiciones más severas, las nervaduras de estos tubos pasan de una altura H a una altura H' tal que H'/H es al menos igual a 0,85, mientras que con los tubos tradicionales esta relación es inferior a 0,85,
- -
- por otra parte, como quedará de manifiesto con los ejemplos, los rendimientos presentan elevadas capacidades de intercambio térmico, y ello con una pérdida de carga típicamente menor,
- -
- por último, en lo relativo a la fabricación de estos tubos, la misma puede ser realizada mediante ranurado de tubos no ranurados, lo cual es ventajoso en la práctica, y ello puede hacerse con una productividad y un equipamiento y una cadencia análogos a los de los procedimientos de fabricación de tubos ranurados tradicionales ya industrializados.
La figura 1a representa esquemáticamente una
parte de tubo ranurado (1) de dirección axial (10), que lleva
interiormente una pluralidad de nervaduras (2) helicoidales con un
ángulo de hélice \beta con respecto a su dirección axial (10),
como se representa en la parte izquierda de la figura según una
sección parcial según dicha dirección axial (10).
La figura 1b es una sección parcial del tubo
ranurado (1) según un plano transversal perpendicular a dicha
dirección axial (10).
La figura 2a es una representación esquemática,
en sección según la dirección axial (10), para ilustrar la expansión
de un tubo liso al tener lugar el engaste del tubo (1) y de las
aletas (5) por medio del paso de una bola (6) por el interior del
tubo (1).
La figura 2b es una vista en perspectiva de una
batería (4) formada por engaste de una pluralidad de tubos (1) en
una pluralidad de aletas (5) orientadas perpendicularmente a la
dirección axial (10) de los tubos (1).
La figura 2c es una vista en sección de un
intercambiador de calor tubular en el cual los tubos (1) que forman
un haz no tienen que ser expandidos como en el caso de la batería
(4) de la figura 2b.
Las figuras 3a a 4b son secciones parciales de
tubos, en sección según un plano transversal perpendicular a dicha
dirección axial (10).
Las figuras 3a y 3b son relativas a tubos (1)
antes de la expansión. Estas figuras son idénticas y se distinguen
en que la figura 3b lleva valores de medidas para ciertos
parámetros.
\newpage
Las figuras 4a y 4b son relativas a los mismos
tubos después de la expansión. Estas figuras son idénticas, y se
distinguen en que la figura 4b lleva valores de medidas para ciertos
parámetros.
Las figuras 5a y 5b son diagramas que ilustran
los rendimientos de un tubo A según la invención, comparado con un
tubo ranurado B del estado de la técnica y con un tubo C no
ranurado, en evaporación a 8ºC en función del número de Reynolds Re,
siendo el fluido agua glicolada.
La figura 5a da en la ordenada el coeficiente de
intercambio Hi (W.m^{2}.K) en función del número de Reynolds Re en
la abscisa.
La figura 5b da en la ordenada la pérdida de
carga (Pa/m) en función del número de Reynolds Re en la abscisa.
La figura 6a es una sección axial que ilustra un
dispositivo de ranurado (7) de tubos.
Las figuras 6b y 6c son relativas a un mandril
de ranurado (70) que presenta una pluralidad de ranuras helicoidales
(700), siendo el paso de estas ranuras (700) a izquierdas, siendo
estas ranuras igualmente inclinadas a izquierdas.
La figura 6b es una vista compuesta que
comprende una vista en sección transversal en un plano perpendicular
a la dirección axial (10) y una vista en perspectiva desde lo alto
para un observador situado detrás del mandril de ranurado (70).
La figura 6c es una vista desde arriba,
indicando una flecha oblicua que apunta a la izquierda la
inclinación a izquierdas de las ranuras, e indicando otra flecha
axial el sentido de desplazamiento del tubo con respecto al mandril
(70).
La figura 7 es una vista en sección transversal
del tubo ranurado (1) formado por compresión radial entre el mandril
de ranurado (70) en el interior del tubo y la pluralidad de bolas
(711, 711') en el exterior del tubo.
En esta figura, dicho mandril de ranurado (70)
es el de las figuras 6b y 6c, siendo su sección transversal la
representada en la parte baja de la figura 6b, y el sentido de
rotación de la jaula rotativa (710) es el sentido directo, en el
sentido de las agujas del reloj, dirigiendo el observador la mirada
en la dirección axial (10) correspondiente a la dirección en la cual
se tira de dicho tubo (1). En estas condiciones, el tubo ranurado
(1) presenta una pluralidad de nervaduras (2) que no presentan
defecto alguno.
Las figuras 8a y 8b son análogas respectivamente
a las figuras 6c y 7.
La figura 8a representa un mandril de ranurado
(70) que se distingue del de la figura 6c en que las ranuras
helicoidales (700) son inclinadas a derechas, en lugar de ser
inclinadas a izquierdas, indicando una flecha oblicua que apunta a
la derecha la inclinación a derechas de las ranuras.
La figura 8b es análoga a la figura 7 y se
distingue de la misma en que el mandril de ranurado (70), que es el
de la figura 8a, presenta ranuras (700) inclinadas a derechas, en
lugar de ser inclinadas a izquierdas, siendo el sentido de rotación
de la jaula rotativa (710) el sentido directo.
En estas condiciones, el tubo ranurado (1)
presenta una pluralidad de nervaduras (2) que presentan defectos,
estando las nervaduras más o menos mal formadas o incompletamente
formadas.
Las figuras 9a y 9b son análogas a las figuras
8a y 8b.
La figura 9a representa un mandril de ranurado
(70) que es idéntico al de la figura 6c y presenta una pluralidad de
ranuras helicoidales (700) inclinadas a izquierdas y con un paso a
derechas, indicando una flecha oblicua que apunta a la izquierda la
inclinación a izquierdas de estas ranuras.
La figura 9b es análoga a la figura 8b y se
distingue de la misma en que el mandril de ranurado (70), que es el
de la figura 9a, presenta ranuras (700) inclinadas a izquierdas, en
lugar de ser inclinadas a derechas, y en que el sentido de rotación
de la jaula rotativa (710) es el sentido inverso.
En estas condiciones, el tubo ranurado (1)
presenta una pluralidad de nervaduras (2) que presentan defectos,
estando las nervaduras más o menos mal formadas o incompletamente
formadas.
Las figuras 10a y 10b son análogas
respectivamente a las figuras 8a y 8b.
La figura 10a representa un mandril de ranurado
(70) idéntico al de la figura 8a, indicando una flecha oblicua que
apunta a la derecha la inclinación a derechas de las ranuras.
La figura 10b es análoga a la figura 8b y se
distingue de la misma en que el sentido de rotación de la jaula
rotativa (710) es inverso en lugar de ser directo.
En estas condiciones, el tubo ranurado (1)
presenta una pluralidad de nervaduras (2) que no presentan defecto
alguno, como en el caso del tubo obtenido según las figuras 6a a
7.
Las figuras 11a a 11c, análogas a las figuras 3a
y 3b, son secciones parciales, en sección practicada según la
dirección axial (10), de tubos (1) antes de la expansión.
La figura 11a es idéntica a la figura 3a e
ilustra el caso en el que dichas nervaduras (2) son nervaduras
inclinadas u oblicuas que forman un ángulo \gamma con dicha
dirección radial (11) que forma un ángulo de 90º con la pared
exterior del tubo y pasa por el centro geométrico del tubo.
La figura 11b ilustra el caso en el que dichas
nervaduras (2) se presentan en forma de una alternancia de
nervaduras inclinadas de altura H1 y de altura H2 < H1.
La figura 11c, análoga a la figura 11a, pero a
una escala distinta, ilustra el caso en el que una nervadura
perpendicular (2'') de altura H' < H está intercalada entre dos
nervaduras inclinadas (2).
Según la modalidad de la invención que está
ilustrada en las figuras 1b y 3a a 3b, dicha nervadura (2) puede
ser una nervadura (2') que presente una sección tetragonal que
comprenda, además de su base B (20), un lado apical S (21) enfrente
de dicha base B (20), y dos lados laterales CL_{1} (22) y CL_{2}
(23) que formen entre ellos dicho ángulo de vértice \alpha, de
los cuales uno CL_{1} (22) forma un ángulo \theta_{1}
inferior a 90º con dicho fondo de ranura (30) adyacente, y de los
cuales el otro CL_{2} (23) forma un ángulo \theta_{2} superior
a 90º con dicho fondo de ranura (30) adyacente.
Según la invención, dicha nervadura (2) puede
presentar una anchura a media altura L_{N1/2} al menos igual a
0,65.L_{N}.
Típicamente, dicha nervadura (2) puede presentar
una anchura a media altura L_{N1/2} al menos igual a
0,70.L_{N}.
Preferiblemente, dicha nervadura (2) puede
presentar una anchura a media altura L_{N1/2} al menos igual a
0,75.L_{N}.
En efecto, las nervaduras (2) según la invención
tienen una forma bastante alejada de la forma triangular clásica, de
forma tal que la anchura a media altura es apenas inferior a la
anchura de la base B (20) de la nervadura, siendo los lados
laterales casi paralelos.
Dicho ángulo de vértice \alpha formado por
dichos dos lados laterales CL_{1} (22) y CL_{2 }(23)
puede ir de 10º a 35º. En la figura 3b se ha indicado un ángulo
\alpha de 22,4º, pero la invención permite obtener
industrialmente tubos dotados de nervaduras (2, 2') que tienen un
ángulo \alpha mucho menor, típicamente de
10-15º.
Como se ilustra igualmente en las figuras 1b y
3a a 3b, dicho lado apical S (21) puede presentar una anchura al
menos igual a 0,3.L_{N}, y preferiblemente al menos igual a
0,4.L_{N}.
Además, dicho lado apical S (21) puede ser
inclinado con respecto a dicha base B (20) con un ángulo \delta
que va de 5º a 35º.
Dicho ángulo \delta puede tener su vértice más
cerca típicamente del lado lateral llamado lado lateral CL_{2}
(23) que del lado CL_{1} (22).
Según la invención, dichas nervaduras (2, 2')
pueden ventajosamente ser de altura H tal que H/De sea igual a
0,020 \pm 0,005, estando H y De expresados en mm. Asimismo, el
número N de nervaduras (2, 2') puede ser tal que N/De sea igual a
4,5 \pm 0,5, siendo el paso P correspondiente igual a \pi.Di/N,
con Di igual a De-2.Tf, y estando De expresado en
mm.
Dicho ángulo de hélice \beta puede ir de 5º a
25º. Son estas gamas de parámetros las que permiten obtener el
conjunto de los resultados obtenidos con los tubos según la
invención.
Típicamente, el espesor T_{f} puede ser tal
que T_{f}/De sea igual a 0,03 \pm 0,005, estando T_{f} y De
expresados en mm, yendo De de 6 mm a 18 mm.
La relación P/H puede ir de 1,5 a 3, y
preferiblemente de 1,7 a 2,3.
Como se ilustra en la figura 1b, dichos lados
laterales CL_{1} (22) y CL_{2} (23) pueden empalmarse a dichos
fondos de ranura (30) adyacentes con radios de curvatura R
típicamente inferiores a 100 \mum, y típicamente inferiores a 50
\mum.
Como se ilustra en la figura 11b, dichas
nervaduras (2, 2') pueden formar una sucesión de nervaduras de
altura H1 = H y de altura H2 = a.H1, estando 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, estando
estas dos nervaduras separadas por una ranura de fondo plano.
Con esta modalidad, que puede ser útil en casos
particulares, solamente la nervadura de mayor altura H1 se ve
afectada por la expansión del tubo, mientras que la segunda de
altura H2 permanece intacta.
Como se ilustra en la figura 11c, entre dos
nervaduras oblicuas adyacentes (2, 2') puede estar intercalada una
nervadura perpendicular (2''), presentando dicha nervadura
perpendicular una altura H' < H o inferior a H1.
Generalmente, dicha nervadura (2) y dicha ranura
(3) pueden tener sensiblemente la forma de paralelogramos, siendo
la relación de las superficies S_{N}/S_{R} sensiblemente igual a
la relación L_{N}/_{R}, designando S_{N} y S_{R}
respectivamente la superficie de dicha nervadura (2) y de dicha
ranura (3).
Como queda de manifiesto al comparar las figuras
3a a 3b con las figuras 4a a 4b, la forma geométrica de las
nervaduras (2, 2') según la invención no evita una cierta
deformación de estas nervaduras y un cierto aplastamiento de estas
nervaduras, pero, por una parte, esta deformación es relativamente
limitada teniendo en cuenta la potencia y la resistencia opuesta
por estas nervaduras al aplastamiento durante la expansión del tubo,
y por otra parte, una vez deformadas, estas nervaduras conservan
sensiblemente la misma forma, de tal manera que no se produce una
importante disminución de los rendimientos del tubo antes y después
de la expansión del tubo.
Según la invención, los tubos (1) pueden ser de
Cu y de aleaciones de Cu, de Al y de aleaciones de Al, o de Fe y
aleaciones de Fe.
Estos tubos (1), típicamente no acanalados,
pueden ser obtenidos típicamente por ranurado de tubos, o
eventualmente por ranurado en plano de una banda metálica y después
mediante formación de un tubo soldado.
Estos tubos pueden presentar una sección
transversal típicamente redonda, oval o rectangular, en función del
procedimiento de fabricación, siendo obtenida una sección redonda
por ranurado de un tubo liso de sección redonda.
Otro objeto de la invención está constituido por
intercambiadores de calor o baterías (4) que utilizan aletas (5) y
tubos expandidos (1') formados por expansión de tubos (1) según la
invención.
Otro objeto de la invención está constituido por
un procedimiento de fabricación de tubos ranurados en el cual se
comprime radialmente un tubo no ranurado (1'') sobre un mandril de
ranurado (70) dotado en sus superficie periférica de una pluralidad
de ranuras (700), con ayuda de un medio de compresión radial (71),
para así formar un tubo ranurado (1) dotado de una pluralidad de
nervaduras (2) en su superficie interior, tirando de dicho tubo
ranurado así formado (1) un medio de tracción (72) según una
dirección llamada dirección axial (10) de desplazamiento de dicho
tubo ranurado (1), permaneciendo dicho medio de compresión radial
(71) y dicho mandril de ranurado (70) fijos con respecto a dicha
dirección axial (10), siendo dicho mandril de ranurado (70) un
mandril puesto en el interior de dicho tubo no ranurado (1'') y
solidario de un mandril flotante (73) retenido en un punto anterior
al mandril de ranurado (70) según la dirección de desplazamiento del
tubo por una hilera de retención (74), comprendiendo dicho medio de
compresión radial (71) una jaula rotativa (710) dotada de una
pluralidad de elementos (711), y típicamente de una pluralidad de
bolas (711'), que giran en torno a dicho tubo no ranurado (1'') en
la vertical a dicho mandril de ranurado (70) según un sentido de
rotación predeterminado con respecto a dicha dirección axial (10),
caracterizado por el hecho de que:
a) dichas ranuras (700) de dicha pluralidad de
ranuras son ranuras helicoidales, de paso a derechas o a izquierdas,
para así obtener un tubo ranurado (1) de ángulo de hélice \beta
\neq 0,
b) dichas ranuras (700) de dicha pluralidad de
ranuras son ranuras inclinadas, con una inclinación a derechas o a
izquierdas, para así obtener un tubo ranurado (1) cuyas nervaduras
(2) presenten un ángulo de inclinación \gamma > 0º,
c) se elige dicho sentido de rotación de dicha
jaula rotativa (710), siendo dicho sentido directo o inverso, en
función en particular de dicha inclinación a derechas o a izquierdas
de dichas ranuras (700), para así formar dicha pluralidad de
nervaduras (2) de dichos tubos ranurados (1) en su integridad,
estando dicho paso a derechas o a izquierdas de dicho mandril de
ranurado (70), dicha inclinación a derechas o a izquierdas de
dichas ranuras (700) y dicho sentido de rotación directo o inverso
de dicha jaula rotativa (710) determinados en relación con un
observador situado detrás y encima de dicho mandril de ranurado (70)
y que dirige la vista en dicha dirección axial (10) de
desplazamiento de dicho tubo ranurado (1), siendo dicho sentido de
rotación directo el de las agujas del reloj. Este procedimiento
utiliza un dispositivo de ranurado, y por ejemplo un dispositivo de
ranurado tal como el que se describe en la patente francesa Nº 2 707
534 a nombre de la solicitante, correspondiendo la figura 6a que
esquematiza este procedimiento a la figura 2a de esta patente.
En efecto, la solicitante ha observado que las
condiciones experimentales tenían gran influencia en el resultado
obtenido.
No se forma correctamente una pluralidad de
nervaduras (2) más que en las condiciones siguientes:
a) cuando dicho sentido de rotación de dicha
jaula rotativa (710) es directo, dichas ranuras helicoidales (700)
de dicho mandril de ranurado (70) presentan una inclinación a
izquierdas, siendo dicho paso de dicho mandril de ranurado (70) a
derechas o a izquierdas, como se ilustra en las figuras 6a a 7,
b) cuando dicho sentido de rotación de dicha
jaula rotativa (710) es inverso, dichas ranuras helicoidales (700)
de dicho mandril de ranurado (70) presentan una inclinación a
derechas, siendo dicho paso a derechas o a izquierdas, como se
ilustra en las figuras 10a y 10b.
Cuando no se respetan estas condiciones, la
solicitante ha observado que las ranuras (700) se llenaban mal o de
manera incompleta, de forma tal que las correspondientes nervaduras
(2) del tubo ranurado (1) eran defectuosas.
Otro objeto de la invención está constituido por
un procedimiento de fabricación de tubos según la invención,
típicamente no acanalados, obtenidos por ranurado en plano de una
banda metálica y luego mediante formación de un tubo soldado.
Se ha fabricado un tubo (1) de cobre, como el
que se ilustra en las figuras 1a y 3a a 3b, por ranurado de un tubo
liso, con ayuda del procedimiento según la invención, con ayuda del
dispositivo de ranurado que se ilustra en las figuras 6a a 7
utilizando un mandril de ranurado (70) dotado de una pluralidad de
ranuras (700) inclinadas hacia la izquierda, y haciendo girar la
jaula rotativa (710) en el sentido directo.
Se han fabricado igualmente tubos según la
invención con ayuda del dispositivo de ranurado que se ilustra en
las figuras 10a y 10b utilizando un mandril de ranurado (70) dotado
de una pluralidad de ranuras (700) inclinadas hacia la derecha, y
haciendo girar la jaula rotativa (710) en el sentido inverso.
Han sido negativos los ensayos que se han
llevado a cabo según las figuras 9a y 9b, con este mismo mandril de
ranurado (70), pero haciendo girar la jaula rotativa (710) en el
sentido inverso.
Del mismo modo han sido negativos los ensayos
que se han llevado a cabo según las figuras 8a y 8b, con un mandril
de ranurado (70) dotado de una pluralidad de ranuras (700)
inclinadas a derechas, y haciendo girar la jaula rotativa (710) en
el sentido directo.
Este tubo (1) presenta un diámetro exterior De
de 15,87 mm y un espesor en fondo de ranura Tf de 0,51 mm.
La altura H de ranuras es de 0,32 mm.
El número N de ranuras es de 75.
El diámetro Di, igual a De-2.Tf,
vale 14,85 mm.
El paso P, igual a \pi.Di/N, vale 0,62 mm.
La relación L_{N}/L_{R} vale 0,59, de forma
tal que la base B (20) presenta una anchura L_{N} que vale
aproximadamente 0,23 mm.
Dicha nervadura (2) presenta una anchura a media
altura L_{N1/2} que es igual a 0,77.L_{N}.
En lo relativo a los ángulos:
- -
- el ángulo de vértice \alpha vale 22º
- -
- el ángulo de hélice \beta vale 20º
- -
- el ángulo \gamma vale 15º. Este ángulo es el formado entre dicha dirección radial (11) y la recta mediana (24) que pasa por el centro de dicha base B (20) de dicha nervadura (2) y por el centro de la anchura de la nervadura (2) tomada en su media altura H/2
- -
- el ángulo \delta vale aproximadamente 18º.
Se ha realizado un corte transversal de este
tubo (1), como se representa en las figuras 3a y 3b.
Se han medido los rendimientos de este tubo (1)
en evaporación a 8ºC con agua glicolada (al 27% másico) como fluido
y para distintos valores del número de Reynolds Re.
Los resultados han sido representados en las
figuras 5a y 5b.
El tubo A es el tubo (1) según la invención.
El tubo B es un tubo análogo al tubo A (mismo
diámetro De, mismo N, misma H, mismo ángulo \beta, etc.), pero que
se diferencia del mismo en que las nervaduras son nervaduras
triangulares de ángulo de vértice \alpha igual a 60º, y en que el
ángulo \gamma vale cero, no siendo inclinadas las nervaduras
triangulares.
El diagrama 5a muestra el gran interés de un
tubo ranurado (1) según la invención. Además, dentro de una gran
parte del campo del número de Reynolds, la pérdida de carga de un
tubo A de este tipo es menor que la del correspondiente tubo B.
Se ha utilizado este tubo para formar una
batería por expansión del tubo dentro de las aletas, como se
esquematiza en las figuras 2a y 2b.
Después de la expansión, se ha realizado un
corte transversal según las figuras 4a y 4b.
Se ha observado que:
- -
- la altura H ha disminuido en aproximadamente un 13%
- -
- la anchura de las ranuras ha aumentado aproximadamente un 16%
- -
- el ángulo \delta ha devenido nulo.
Como puede verse al comparar las figuras 3a a 3b
y 4a a 4b, las nervaduras han devenido un poco más
"achaparradas" tras la expansión del tubo, pero han conservado
su forma general y su inclinación \gamma se ha visto poco
modificada.
Las mediciones de rendimientos efectuadas con
estos tubos han puesto de manifiesto una muy pequeña disminución de
los rendimientos medidos en tubos antes de la expansión.
Se han fabricado asimismo tubos ranurados (1)
análogos dotados de nervaduras oblicuas de distintas alturas, como
se ilustra en la figura 11, con H2 = 0,85.H1.
Se han fabricado asimismo tubos ranurados (1)
análogos dotados de nervaduras perpendiculares (2''), como se
ilustra en la figura 11c, estando cada nervadura perpendicular (2'')
intercalada entre cada dos nervaduras oblicuas (2).
En este caso, se ha fabricado un tubo ranurado
(1) dotado de 80 nervaduras regularmente espaciadas, siendo 40
nervaduras oblicuas (2) y siendo 40 nervaduras perpendiculares
(2'').
La invención presenta grandes ventajas.
En efecto, la misma permite por una parte contar
con tubos intercambiadores de gran eficacia en lo relativo al
intercambio térmico gracias a un coeficiente de intercambio Hi muy
elevado, y ello se logra conservando al mismo tiempo una pérdida
relativamente baja.
Por otro lado, estos tubos presentan una elevada
resistencia a la deformación a consecuencia de la expansión del
tubo para formar baterías, y sobre todo conservando unos elevados
rendimientos tras la expansión. En efecto, los tubos según la
invención convienen a la vez para la fabricación de intercambiadores
de aletas, como se ilustra en la figura 2b, y para los
intercambiadores tubulares, como se ilustra en la figura 2c.
Por último, estos tubos han podido ser
fabricados por ranurado de tubos lisos con gran cadencia como en el
caso de la fabricación de tubos ranurados clásicos.
- Tubo ranurado
- 1
- Tubo expandido
- 1'
- Tubo no ranurado
- 1''
- Dirección axial
- 10
- Dirección radial
- 11
- Nervadura oblicua
- 2
- Nervadura inclinada tetragonal
- 2'
- Nervadura perpendicular
- 2''
- Base B
- 20
- Lado apical S
- 21
- Lado lateral CL_{1}
- 22
- Lado lateral CL_{2}
- 23
- Recta mediana
- 24
- Ranura
- 3
- Fondo de ranura
- 30
- Batería
- 4
- Aleta
- 5
- Medio de expansión - bola
- 6
- Dispositivo de ranurado
- 7
- Mandril de ranurado
- 70
- Ranuras de 70
- 700
- Medio de compresión radial
- 71
- Jaula rotativa
- 710
- Elementos giratorios, bolas
- 711, 711'
- Medio de tracción de 1
- 72
- Mandril flotante
- 73
- Hilera de retención
- 74
\vskip1.000000\baselineskip
- \bullet EP 0148609 A2 [0003]
- \bullet US 4545428 A [0010]
- \bullet JP 57058088 A [0005]
- \bullet US 4480684 A [0010]
- \bullet JP 57058094 A [0006]
- \bullet JP 62025959 A [0011]
- \bullet JP 54125563 A [0007]
- \bullet JP 2001074384 [0012]
- \bullet JP 52038663 A [0008]
- \bullet EP 1061318 A [0013]
- \bulletUS 4044797 A [0008]
- \bullet EP 701680 B1 [0014]
- \bullet JP 55180186 A [0009]
- \bullet FR 2707534 [0067]
Claims (23)
1. Tubo metálico (1) ranurado, de espesor
T_{f} en fondo de ranura y de diámetro exterior De, típicamente
destinado a la fabricación de intercambiadores de calor o baterías
(4) que utilizan un fluido frigoportador o caloportador de tipo
monofásico o difásico, estando dicho tubo (1) ranurado interiormente
por N nervaduras helicoidales, yendo N de 20 a 80 según el diámetro
exterior De, de ángulo de vértice \alpha, de altura H según una
dirección radial (11) de dicho tubo, de base B de anchura L_{N} y
de ángulo de hélice \beta, estando dos nervaduras consecutivas
separadas por una ranura (3) de fondo (30) típicamente plano de
anchura L_{R}, con un paso P igual a L_{R} + L_{N},
caracterizado por el hecho de que:
a) dichas anchuras L_{N} y L_{R} son tales
que la relación L_{N}/L_{R} queda comprendida entre 0,40 y
0,80,
b) dichas N nervaduras presentan una anchura a
media altura L_{N1/2} que es al menos igual a 2.L_{N}/3,
c) dichas N nervaduras son nervaduras oblicuas
(2), inclinadas, típicamente en un mismo sentido, de un ángulo
\gamma con respecto a dicha dirección radial (11) que va de 10º a
35º, siendo dicho ángulo \gamma el ángulo formado entre dicha
dirección radial (11) y una recta mediana (24) que pasa por el
centro de dicha base B (20) de dicha nervadura (2) y por el centro
de la anchura de la nervadura (2) tomada a su media altura H/2,
y dentro del cual, dicha nervadura (2) es una
nervadura (2) que presenta una sección tetragonal que comprende,
además de su base B (20), un lado apical S (21) enfrente de dicha
base B (20) y dos lados laterales CL_{1} (22) y CL_{2} (23) que
forman entre ellos dicho ángulo de vértice \alpha, de los cuales
uno CL_{1} (22) forma un ángulo \theta_{1} inferior a 90º con
dicho fondo de ranura (30) adyacente, y de los cuales el otro
CL_{2} (23) forma un ángulo \theta_{2} típicamente superior a
90º con dicho fondo de ranura (30) adyacente, yendo dicho ángulo de
vértice de 10 a 35º,
de forma tal que dicho tubo presenta una elevada
resistencia al aplastamiento, elevadas capacidades de intercambio
térmico y una baja pérdida de carga cuando dicho tubo es
solidarizado a aletas de refrigeración en una batería.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Tubo metálico según la reivindicación 1, en
el cual dicho lado lateral CL_{2} forma un ángulo \theta_{2}
superior a 90º con dicho fondo de ranura (30) adyacente.
3. Tubo metálico según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 2, en el cual dicha nervadura (2) presenta una
anchura a media altura L_{N1/2} al menos igual a 0,70.L_{N}.
4. Tubo metálico según la reivindicación 3, en
el cual dicha nervadura (2) presenta una anchura a media altura
L_{N1/2} al menos igual a 0,75.L_{N}.
5. Tubo metálico según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el cual dicho lado apical S (21) presenta
una anchura al menos igual a 0,3.L_{N}, y preferiblemente al menos
igual a 0,4.L_{N}.
6. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones
1 a 5, en el cual dicho lado apical S (21) es inclinado con respecto
a dicha base B (20) con un ángulo \delta que va de 5º a 35º.
7. Tubo según la reivindicación 6, en el cual
dicho ángulo \delta tiene su vértice más cerca del lado lateral
CL_{2} (23) que del lado CL_{1} (22).
8. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones
1 a 7, en el cual dichas nervaduras (2, 2') son de altura H tal que
H/De es igual a 0,020 \pm 0,005, estando H y De expresados en
mm.
9. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones
1 a 8, en el cual el número N de nervaduras (2, 2') es tal que N/De
es igual a 4,5 \pm 0,5, siendo el correspondiente paso P igual a
\pi.Di/N, con Di igual a De.2.Tf, y estando De expresado en
mm.
10. Tubo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el cual dicho ángulo de hélice \beta va
de 5º a 25º.
11. Tubo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10 cuyo espesor T_{f} es tal que T_{f}/De
es igual a 0,03 \pm 0,005, estando T_{f} y De expresados en mm,
yendo De de 6 mm a 18 mm.
12. Tubo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 11, en el cual la relación P/H va de 1,5 a 3 y
preferiblemente de 1,7 a 2,3.
13. Tubo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, en el cual dichos lados laterales CL_{1}
(22) y CL_{2} (23) se empalman a dichos fondos de ranura (30)
adyacentes con radios de curvatura R típicamente inferiores a 100
\mum, y típicamente inferiores a 50 \mum.
14. Tubo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13, en el cual dichas nervaduras (2, 2') forman
una sucesión de nervaduras de altura H1 = H y de altura H2 = a.H1,
estando 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, estando estas dos nervaduras separadas por una
ranura de fondo plano.
15. Tubo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, en el cual está intercalada entre dos
nervaduras oblicuas adyacentes (2, 2') una nervadura perpendicular
(2''), presentando dicha nervadura perpendicular una altura H' <
H o inferior a H1.
16. Tubo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 15, en el cual dicha nervadura (2) y dicha
ranura (3) tienen sensiblemente la forma de paralelogramos, siendo
la relación de las superficies S_{N}/S_{R} sensiblemente igual a
la relación L_{N}/L_{R}, designando S_{N} y S_{R}
respectivamente la superficie de dicha nervadura (2) y de dicha
ranura (3).
17. Tubo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16 de Cu y aleaciones de Cu, Al y aleaciones de
Al o Fe y aleaciones de Fe.
18. Tubo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 17 de sección transversal típicamente redonda,
oval o rectangular.
19. Intercambiador de calor o batería (4) que
utiliza aletas (5) y tubos expandidos (1') formados por expansión de
tubos (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18.
20. Procedimiento de fabricación de tubos
ranurados según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18 en el cual
se comprime radialmente un tubo no ranurado (1'') sobre un mandril
de ranurado (70) dotado en sus superficie periférica de una
pluralidad de ranuras (700), con ayuda de un medio de compresión
radial (71), para así formar un tubo ranurado (1) dotado de una
pluralidad de nervaduras (2) en su superficie interior, tirando de
dicho tubo ranurado así formado (1) un medio de tracción (72) según
una dirección llamada dirección axial (10) de desplazamiento de
dicho tubo ranurado (1), permaneciendo dicho medio de compresión
radial (71) y dicho mandril de ranurado (70) fijos con respecto a
dicha dirección axial (10), siendo dicho mandril de ranurado (70) un
mandril puesto en el interior de dicho tubo no ranurado (1'') y
solidario de un mandril flotante (73) retenido en un punto anterior
al mandril de ranurado (70) según la dirección de desplazamiento del
tubo por una hilera de retención (74), comprendiendo dicho medio de
compresión radial (71) una jaula rotativa (710) dotada de una
pluralidad de elementos (711), y típicamente de una pluralidad de
bolas (711'), que giran en torno a dicho tubo no ranurado (1'') en
la vertical a dicho mandril de ranurado (70) según un sentido de
rotación predeterminado con respecto a dicha dirección axial (10),
caracterizado por el hecho de que:
a) dichas ranuras (700) de dicha pluralidad de
ranuras son ranuras helicoidales, de paso a derechas o a izquierdas,
para así obtener un tubo ranurado (1) de ángulo de hélice \beta
\neq 0,
b) dichas ranuras (700) de dicha pluralidad de
ranuras son ranuras inclinadas, con una inclinación a derechas o a
izquierdas, para así obtener un tubo ranurado (1) cuyas nervaduras
(2) presenten un ángulo de inclinación y,
c) se elige dicho sentido de rotación de dicha
jaula rotativa (710), siendo dicho sentido directo o inverso, en
función en particular de dicha inclinación a derechas o a izquierdas
de dichas ranuras (700), para así formar dicha pluralidad de
nervaduras (2) de dichos tubos ranurados (1) en su integridad,
estando dicho paso a derechas o a izquierdas de dicho mandril de
ranurado (70), dicha inclinación a derechas o a izquierdas de dichas
ranuras (700) y dicho sentido de rotación directo o inverso de dicha
jaula rotativa (710) determinados en relación con un observador
situado detrás y encima de dicho mandril de ranurado (70) y que
dirige la vista en dicha dirección axial (10) de desplazamiento de
dicho tubo ranurado (1), siendo dicho sentido de rotación directo el
de las agujas del reloj.
\vskip1.000000\baselineskip
21. Procedimiento según la reivindicación 20, en
el cual, cuando dicho sentido de rotación de dicha jaula rotativa
(710) es directo, dichas ranuras helicoidales (700) de dicho mandril
de ranurado (70) presentan una inclinación a izquierdas, siendo
dicho paso de dicho mandril de ranurado (70) a derechas o a
izquierdas.
22. Procedimiento según la reivindicación 20, en
el cual, cuando dicho sentido de rotación de dicha jaula rotativa
(710) es inverso, dichas ranuras helicoidales (700) de dicho mandril
de ranurado (70) presentan una inclinación a derechas, siendo dicho
paso a derechas o a izquierdas.
23. Procedimiento de fabricación de tubos
ranurados según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18,
típicamente no acanalados, obtenidos por ranurado en plano de una
banda metálica y luego mediante formación de un tubo soldado.
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