PT1516150E

PT1516150E - Método e tubo de transferência de calor e ferramenta para o fabrico do mesmo

Info

Publication number: PT1516150E
Application number: PT03741913T
Authority: PT
Inventors: Petur Thors; Nikolai Zoubkov
Original assignee: Wolverine Tube Inc
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2007-12-07
Also published as: ATE412866T1; CN100449248C; US20070124909A1; CN1675513A; DE60317506T2; WO2003104736A1; EP1845327A1; NO20040573L; ES2317624T3; IL165711A; BRPI0305057B1; YU12904A; US20100088893A1; EP1845327B1; HK1133072A1; ZA200410239B; ES2292991T3; IL165711A0; PT1845327E; CA2489104A1

Description

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DESCRIÇÃO "Método e tubo de transferência de calor e ferramenta para o fabrico do mesmo"

Campo do invento

Este invento refere-se a um tubo de transferência de calor que tem protuberâncias sobre a superfície interna do tubo.

Antecedentes do invento

Este invento refere-se a um tubo de transferência de calor que tem uma superfície interna aumentada para facilitar a transferência de calor a partir de um lado do tubo para o outro. Os tubos de transferência de calor são habitualmente utilizados em equipamento, tal como, por exemplo, evaporadores inundados, evaporadores de filme descendente, evaporadores de aspersão, refrigeradores de absorção, condensadores, refrigeradores de expansão directa e aquecedores e refrigeradores de fase única, utilizado nas indústrias de refrigeração, química, petroquímica e transformação de produtos alimentares. Pode ser utilizada nestas aplicações uma variedade de meios de transferência de calor, incluindo, mas não estando limitado a, água pura, uma mistura de glicol com água, qualquer tipo de refrigerante (tal como R-22, R-134a, R-123, etc.), amoníaco, fluidos petroquímicos e outras misturas.

Um tubo de transferência de calor ideal teria de permitir que o calor fluísse completamente sem obstáculos do interior do tubo para o exterior do tubo e vice versa. Contudo, tal escoamento livre de calor através do tubo é geralmente contrariado pela resistência à transferência de calor. A resistência geral do tubo à transferência de calor é calculada ao adicionar as resistências individuais do exterior para o interior do tubo ou vice-versa. Para melhorar a eficiência de transferência de calor do tubo, os fabricantes de tubo têm-se esforçado para encontrar maneiras de reduzir a resistência geral do tubo. Uma dessas maneiras é aumentar a superfície externa do tubo, tal como ao formar 2 ΕΡ 1 516 150 /PT alhetas sobre a superfície externa. Como resultado dos recentes avanços no aumento da superfície externa de tubo (ver, por exemplo, as Patentes U. S. Nos. 5,697,430 e 5,996,686), só uma pequena parte da resistência geral do tubo pode ser atribuída ao exterior do tubo. Por exemplo, um tubo de evaporador típico utilizado num refrigerador inundado com uma superfície externa aumentada mas uma superfície interna lisa tem tipicamente uma razão de resistência interna : resistência externa de 10:1. De um modo ideal, pretende-se obter uma razão de resistência interna com externa de 1:1. Por conseguinte, torna-se mais importante desenvolver aumentos para a superfície interna do tubo que irão reduzir de um modo significativo a resistência do lado de tubo e melhorar o desempenho de transferência de calor geral do tubo. E conhecido o modo de proporcionar tubos de transferência de calor com cristãs e ranhuras alternantes sobre as suas superfícies internas. As ranhuras e cristãs cooperam para aumentar a turbulência dos meios de transferência de calor, tal como água, distribuída no interior do tubo. Esta turbulência aumenta a mistura do fluido perto da superfície interna do tubo para reduzir ou virtualmente eliminar a camada limite que se desenvolve no meio fluido perto da superfície interna do tubo. A resistência térmica da camada limite diminui de um modo significativo o desempenho da transferência de calor ao aumentar a resistência à transferência de calor do tubo. As ranhuras e cristãs também proporcionam área de superfície extra para permuta de calor adicional. Esta premissa básica é ensinada na Patente U. S. No. 3, 847, 212 de Withers, Jr. et al. O padrão, formas e tamanhos das ranhuras e cristãs sobre a superfície interna de tubo podem ser alterados para aumentar mais o desempenho de permuta de calor. Para esse fim, os fabricantes de tubo não se pouparam a despesas para experimentar projectos alternativos, incluindo aqueles descritos na Patente U.S. No. 5,791,405 de Takima et al., as Patentes U.S. Nos. 5,332,034 e 5,458,191 de Chiang et al., a Patente U.S. No. 5,975,196 de Gaffaney et al. 3

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Contudo, no geral, aumentar a superfície interna do tubo provou ser muito mais difícil do que a superfície externa. Além disso, a maioria dos aumentos não só sobre a superfície externa mas também interna dos tubos são formados por moldagem e dando forma às superfícies (por exemplo formação por rolos), tal como é descrito nos documentos US6026892, JP61078942 e JP10197184. Contudo, os aumentos foram formados ao cortar as superfícies do tubo. O Pedido de Patente Japonês 09108759 descreve uma ferramenta para centrar lâminas que cortam uma ranhura em espiral contínua directamente sobre a superfície interna de um tubo. De um modo similar, o Pedido de Patente Japonês 10281676 descreve um tampão de expansão de tubo equipado com ferramentas de corte que cortam uma fenda em espiral contínua e alheta vertical sobre a superfície interna de um tubo. A Patente U.S. No. 6,026,892 descreve um tubo de transferência de calor com uma superfície interna com ranhuras transversais formadas ao rolar as ranhuras numa superfície de uma faixa de metal que é em seguida formada no tubo e soldada ao longo de uma costura longitudinal. A Patente U.S. No. 3,753,364 descreve a formação de uma ranhura contínua ao longo da superfície interna de um tubo utilizando uma ferramenta de corte que corta na superfície interna de tubo e dobra o material para cima para formar a ranhura contínua. O fascículo Japonês em aberto no. 5468554 mostra uma superfície de transferência de calor formada com cristãs. As cristãs são cortadas com cortes de intersecção e as partes resultantes são levantadas para formar protuberâncias substancialmente verticais que têm paredes laterais geralmente paralelas.

Enquanto todas estas concepções de superfície interna de tubo visam melhorar o desempenho de transferência de calor do tubo, permanece a necessidade na indústria de continuar a melhorar as concepções de tubo ao modificar as concepções existentes e ao criar novas que aumentem o desempenho de transferência de calor. De um modo adicional, também existe uma necessidade de criar concepções e padrões que podem ser transferidos para os tubos mais rapidamente e compensando os custos. Tal como é descrito aqui abaixo, os requerentes desenvolveram novas geometrias para tubos de transferência de calor bem como ferramentas para formar estas geometrias e, 4

ΕΡ 1 516 150 /PT como resultado, melhoraram significativamente o desempenho de transferência de calor.

Resumo do invento

Este invento proporciona um tubo de acordo com a reivindicação 1, que pode ser utilizado para aumentar o desempenho de transferência de calor dos tubos utilizados em pelo menos todas as aplicações referenciadas acima (isto é, evaporadores inundados, evaporadores de filme descendente, evaporadores de aspersão, refrigeradores de absorção, condensadores, refrigeradores de expansão directa e aquecedores e refrigeradores de fase única, utilizados nas indústrias de refrigeração, química, petroquímica e transformação de produtos alimentares). A superfície interna do tubo é aumentada com uma pluralidade de protuberâncias que reduzem significativamente a resistência lateral do tubo e melhoram o desempenho geral de transferência de calor. As protuberâncias criam caminhos adicionais para o escoamento de fluido no interior do tubo e por esse meio aumentam a turbulência dos meios de transferência de calor que flúem no interior do tubo. Isto aumenta a mistura do fluido para reduzir a camada limite que se desenvolve no meio fluido perto da superfície interna do tubo, aumentando tal desenvolvimento a resistência e, por esse meio, impede a transferência de calor. As protuberâncias também proporcionam área de superfície extra para permuta de calor adicional. A formação das protuberâncias de acordo com este invento pode resultar na formação de até cinco vezes mais área de superfície ao longo da superfície interna do tubo do que com cristãs simples. Os testes mostram que o desempenho dos tubos que têm as protuberâncias deste invento é significativamente aumentado. O tubo deste invento pode ser fabricado utilizando uma ferramenta que pode facilmente ser adicionada ao equipamento de fabrico existente, tendo um bordo de corte para cortar através das cristãs sobre a superfície interna do tubo para criar camadas de cristãs e um bordo de elevação para elevar as camadas de cristãs para formar as protuberâncias. Desta maneira, as protuberâncias são formadas sem a remoção de metal da superfície interna do tubo, eliminando por esse meio 5

ΕΡ 1 516 150 /PT resíduos que podem danificar o equipamento no qual os tubos são utilizados. As protuberâncias sobre a superfície interna do tubo podem ser formadas na mesma operação que a formação das cristãs ou numa diferente.

Os tubos formados de acordo com este pedido podem ser apropriados em qualquer número de aplicações, incluindo, por exemplo, aplicações para utilização nas indústrias de HVAC, refrigeração, química, petroquímica e transformação de produtos alimentares. As geometrias físicas das protuberâncias podem ser alteradas para adaptarem o tubo a um meio fluido e aplicação particular. É um objecto deste invento proporcionar tubos de transferência de calor aperfeiçoados. É outro objecto deste invento proporcionar um tubo de transferência de calor aperfeiçoado que tem protuberâncias sobre a sua superfície interna.

Estas e outras características, objectos e vantagens deste invento irão tornar-se aparentes através da leitura da seguinte descrição detalhada das concretizações preferidas, juntamente com os desenhos.

Breve descrição dos desenhos A fig. la é uma vista em perspectiva fragmentária da superfície interna parcialmente formada de uma concretização de um tubo deste invento. A fig. lb é uma vista em alçado lateral do tubo mostrado na fig. la que mostra que as protuberâncias sobressaem a partir da superfície interna do tubo numa direcção que não é perpendicular ao eixo de tubo s. A fig. lc é uma vista em alçado frontal do tubo mostrado na fig. la na direcção da seta b. A fig. ld é uma vista a partir de cima do tubo mostrado na fig. la. 6

ΕΡ 1 516 150 /PT A fig. 2 é uma fotomicrografia de uma superfície interna de uma concretização de um tubo deste invento. A fig. 3 é uma fotomicrografia de uma superfície interna de uma concretização alternativa de um tubo deste invento. A fig. 4 é uma vista em alçado lateral de uma concretização do equipamento de fabrico que pode ser utilizado para produzir tubos de acordo com este invento. A fig. 5 é uma vista em perspectiva do equipamento da fig. 4. A fig. 6a é uma vista em perspectiva de uma concretização da ferramenta para formar as protuberâncias. A fig. 6b é uma vista em alçado lateral da ferramenta mostrada na fig. 6a. A fig. 6c é uma vista de baixo da ferramenta da fig. 6b. A fig. 6d é uma vista de cima da ferramenta da fig. 6b. A fig. 7a é uma vista em perspectiva de uma concretização alternativa da ferramenta para formar as protuberâncias. A fig. 7b é uma vista em alçado lateral da ferramenta mostrada na fig. 7a. A fig. 7c é uma vista de baixo da ferramenta mostrada na fig. 7b. A fig. 7d é uma vista de cima da ferramenta mostrada na fig. 7b. A fig. 8a é uma vista em perspectiva fragmentária da superfície interna parcialmente formada de uma concretização alternativa de um tubo deste invento, onde a profundidade do corte através das cristãs é menor do que a altura de cristã helicoidal. 7

ΕΡ 1 516 150 /PT A fig. 8b é uma vista em perspectiva fragmentária da superfície interna parcialmente formada de uma concretização alternativa de um tubo deste invento onde a profundidade do corte através das cristãs é maior do que altura de cristã helicoidal. A fig. 9a é uma vista de cima fragmentária da superfície interna de outra concretização de um tubo de acordo com este invento. A fig. 9b é uma vista em alçado do tubo mostrado na fig. 9a na direcção da seta 22. A fig. 10a é uma vista fragmentária de uma superfície interna de um tubo deste invento que mostra a ferramenta a aproximar-se da cristã na direcção g para cortar uma protuberância a partir da cristã na direcção g. A fig. 10b é uma vista fragmentária de uma superfície interna alternativa de um tubo deste invento, que mostra a ferramenta a aproximar-se da cristã na direcção g para cortar uma protuberância a partir da cristã na direcção g. A fig. 11a é um esquema da superfície interna de um tubo de acordo com este invento que mostra a orientação angular entre as cristãs e ranhuras, pelo que as cristãs e ranhuras são hélices de sentidos opostos. A fig. 11b é um esquema da superfície interna de um tubo de acordo com este invento que mostra a orientação angular entre as cristãs e ranhuras, pelo que as cristãs e ranhuras são hélices do mesmo sentido.

Descrição detalhada dos desenhos

As figs. la-d mostram a superfície interna parcialmente formada 18 de uma concretização do tubo 21 deste invento. A superfície interna 18 inclui uma pluralidade de protuberâncias 2. As protuberâncias 2 são formadas a partir de cristãs 1 formadas sobre a superfície interna 18. As cristãs 1 são primeiro formadas sobre a superfície interna 18. As cristãs 1 em seguida são cortadas para criar camadas 8

ΕΡ 1 516 150 /PT de cristãs 4, que são subsequentemente elevadas para formar protuberâncias 2 (melhor observado nas figs. la e lb). Este corte e elevação pode ser, mas não tem de ser, realizado utilizando a ferramenta 13, mostrada nas figs. 6a-d, e 7a-d e descrita abaixo.

Deve ser entendido que um tubo de acordo com este invento é geralmente útil em, mas não está limitado a, qualquer aplicação onde o calor necessita de ser transferido de um lado do tubo para o outro lado do tubo, tal como nos condensadores e evaporadores de fase única e multi-fase (ambos gases ou líquidos puros ou misturas líquido/gás). Enquanto a seguinte discussão proporciona dimensões desejadas para um tubo deste invento, os tubos deste invento não estão de modo algum limitados a estas dimensões. Em vez disso, as geometrias do tubo que se desejam, incluindo as protuberâncias 2, irão depender de muitos factores, não sendo o menos importante as propriedades do fluido que flui através do tubo. Um perito na arte iria entender como alterar a geometria da superfície interna do tubo, incluindo a geometria das cristãs 1 e protuberância 2, para maximizar a transferência de calor do tubo utilizado em várias aplicações e com vários fluidos.

As cristãs 1 são formadas sobre a superfície interna 18 num ângulo de hélice α com o eixo s do tubo (ver figs. la e ld). 0 ângulo de hélice α pode ser qualquer ângulo entre 0o-90°, mas de preferência não excede 70°. Um perito na arte irá entender de imediato que o ângulo de hélice α preferido irá muitas vezes depender, pelo menos em parte, do meio fluido utilizado. A altura er das cristãs 1 (ver figs. 8a e 8b) deve ser geralmente maior quanto mais viscoso for o líquido que flui através do tubo 21. Por exemplo, uma altura er maior do que zero (de preferência, mas não necessariamente, pelo menos 0,025 mm (0,001 polegada)) até 25% do diâmetro interno do tubo (Di) irá ser geralmente desejada numa amostra de tubo utilizada com uma mistura de água/glicol para aplicações a baixa temperatura. Para fins desta aplicação, Di é o diâmetro interior do tubo 21 medido a partir da superfície interna 18 do tubo 21. O passo axial Pa,r das cristãs 1 depende de muitos factores, incluindo o ângulo de hélice α, o número de cristãs 9

ΕΡ 1 516 150 /PT 1 formadas sobre a superfície interna 18 do tubo 21 e do diâmetro interior Di do tubo 21. Embora possa ser utilizado qualquer passo Pa,r/ a razão de Pa,r/er é de preferência pelo menos 0,002 e a razão er/Di está de preferência entre aproximadamente 0,001-0,25. Novamente, contudo, alguém perito na arte irá entender de imediato que estes valores de razão preferidos muitas vezes irão depender, pelo menos em parte, do meio fluido utilizado e das condições operacionais (por exemplo, a temperatura do meio fluido).

As camadas de cristãs 4 são cortadas num ângulo Θ com o eixo s que está de preferência entre aproximadamente 20°-50°, inclusive e mais de preferência à volta de 30°. O passo axial Pa,p das protuberâncias 2 pode ser qualquer valor maior do que zero e geralmente irá depender, entre outros factores, das revoluções por minuto relativas entre a ferramenta (discutida abaixo) e o tubo durante o fabrico, da razão de alimentação axial relativa entre a ferramenta e o tubo durante o fabrico e do número de pontas proporcionadas sobre a ferramenta utilizada para formar as protuberâncias durante o fabrico. Embora as protuberâncias resultantes 2 possam ter qualquer espessura Sp, a espessura Sp é de preferência aproximadamente 20-100% do passo Pa,p. A altura ep das protuberâncias 2 está dependente da profundidade de corte t (como é observado nas figs. lb, 8a e 8b) e do ângulo Θ em que as camadas de cristãs 4 são cortadas. A altura ep das protuberâncias 2 é de preferência um valor pelo menos tão elevado quanto a profundidade de corte t até três vezes a profundidade de corte t. É preferido, mas não necessário, formar cristãs 1 a uma altura er e ajustar o ângulo de corte Θ num valor que irá resultar na altura ep das protuberâncias 2, sendo pelo menos aproximadamente o dobro da altura er das cristãs 1. Deste modo, a razão ep/Di está de preferência entre aproximadamente 0,002-0,5 (isto é, ep/Di é o dobro do intervalo preferido da razão er/Di de aproximadamente 0,001-0,25).

As figs. la e lb mostram a profundidade de corte t igual à altura er das cristãs 1 de maneira a que a base 40 das protuberâncias 2 esteja localizada sobre a superfície interna 18 do tubo 21. Contudo, a profundidade de corte t não necessita de ser igual à altura de cristã er. Em vez disso, as cristãs 1 podem ser cortadas só parcialmente através das 10

ΕΡ 1 516 150 /PT cristãs 1 (ver fig. 8a) ou além da altura das cristãs 1 e na parede de tubo 3 (ver fig. 8b). Na fig. 8a, as cristãs 1 não são cortadas através das suas alturas totais er de maneira a que a base 40 das protuberâncias 2 esteja posicionada mais afastada da superfície interna 18 do tubo 21 do que a base 42 das cristãs 1, que está localizada sobre a superfície interna 18. Em contraste, a fig. 8b ilustra uma profundidade de corte t além da altura de cristã er, de maneira a que pelo menos uma parede das protuberâncias 2 se prolongue na parede de tubo 3, além da superfície interna 18 e base de cristã 42.

Quando as camadas de cristãs 4 são elevadas, as ranhuras 20 são formadas entre protuberâncias adjacentes 2. As camadas de cristãs 4 são cortadas e elevadas de maneira a que as ranhuras 20 sejam orientadas sobre a superfície interna 18 num ângulo τ com o eixo s do tubo 21 (ver figs. ld, 11a e 11b), que de preferência está, mas não tem de estar, entre aproximadamente 80° - 100°. A forma das protuberâncias 2 está dependente da forma das cristãs 1 e da orientação das cristãs 1 em relação à direcção do movimento da ferramenta 13. As protuberâncias têm pelo menos três superfícies laterais e uma superfície superior. Na concretização das figs. la-d, as protuberâncias 2 têm quatro superfícies laterais, uma superfície superior inclinada 26 (que ajuda a diminuir a resistência à transferência de calor) e uma ponta substancialmente aguçada 28. Contudo, as protuberâncias 2 deste invento não estão de modo nenhum limitadas a esta concretização ilustrada, mas em vez disso podem ser formadas em qualquer forma. Além disso, as protuberâncias 2 dentro do tubo 21 não necessitam de ser todas da mesma forma ou ter a mesma geometria.

Se a orientação das protuberâncias 2 é recta (ver a fig. 10a) ou curva ou torcida (ver fig. 10b) depende do ângulo β formado entre as cristãs 1 e a direcção do movimento g da ferramenta 13. Se o ângulo β for inferior a 90°, as protuberâncias 2 irão ter uma orientação relativamente recta, tal como é mostrado na fig. 10a. Se o ângulo for superior a 90°, as protuberâncias 2 irão ter uma orientação mais curva e/ou torcida, tal como, por exemplo, é mostrado na fig. 10b. 11

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Durante o fabrico do tubo 21, a ferramenta 13 pode ser utilizada para cortar através das cristãs 1 e elevar as camadas de cristãs resultantes 4 para formar protuberâncias 2. Contudo, podem ser utilizados outros dispositivos e métodos para formar as protuberâncias 2. A ferramenta 13 pode ser feita a partir de qualquer material que tenha integridade estrutural para resistir ao corte do metal (por exemplo aço, carboneto, cerâmica, etc.), mas de preferência é feita de um carboneto. As concretizações da ferramenta 13 mostradas nas figs. 6a-d e 7a-d têm geralmente um eixo de ferramenta q, duas paredes de base 30, 32 e uma ou mais paredes laterais 34. A abertura 16 está localizada através da ferramenta 13. As pontas 12 são formadas sobre as paredes laterais 34 da ferramenta 13. Contudo, note-se que as pontas podem ser montadas ou formadas sobre qualquer estrutura que possa suportar as pontas na orientação desejada em relação ao tubo 21 e tal estrutura não está limitada à descrita nas figs. 6a-d e 7a-d. Além disso, as pontas podem retrair-se para dentro da sua estrutura de suporte de maneira a que o número de pontas utilizado no processo de corte possa facilmente ser alterado.

As figs. 6a-d ilustram uma concretização da ferramenta 13 que tem uma única ponta 12. As figs. 7a-d ilustram uma concretização alternativa da ferramenta 13 que tem quatro pontas 12. Um perito na arte irá entender que a ferramenta 13 pode ser equipada com qualquer número de pontas 12 dependendo do passo desejado Pa,p das protuberâncias 2. Além disso, a geometria de cada ponta não necessita de ser a mesma para pontas numa única ferramenta 13. Em vez disso, podem ser proporcionadas sobre a ferramenta 13 pontas 12 que têm geometrias diferentes para formar protuberâncias que tenham diferentes formas, orientações e outras geometrias.

Cada ponta 12 é formada pela intersecção dos planos A, B e C. A intersecção dos planos A e B forma o bordo de corte 14 que corta através das cristãs 1 para formar as camadas de cristãs 4. O plano B está orientado num ângulo φ em relação a um plano perpendicular ao eixo de ferramenta q (ver fig. 6b). 0 ângulo φ é definido como 90° - Θ. Deste modo, o ângulo φ está de preferência entre aproximadamente 40° - 70° para permitir que o bordo de corte 14 corte fatias através das 12 ΕΡ 1 516 150 /PT cristãs 1 no ângulo Θ desejado entre aproximadamente 20° -50° . A intersecção dos planos A e C forma o bordo de elevação 15 que eleva as camadas de cristãs 4 para cima para formar protuberâncias 2. O ângulo φι, definido pelo plano C e um plano perpendicular ao eixo de ferramenta q, determina o ângulo de inclinação ω (o ângulo entre um plano perpendicular com o eixo longitudinal s do tubo 21 e o eixo longitudinal das protuberâncias 2 (ver fig. lb)) ao qual as protuberâncias 2 são elevadas pelo bordo de elevação 15. O ângulo (pi = ângulo ω e deste modo o ângulo φι na ferramenta 13 pode ser ajustado para ir de encontro directamente ao ângulo de inclinação ω das protuberâncias 2. O ângulo de inclinação ω (e ângulo φι) é de preferência o valor absoluto de qualquer ângulo entre aproximadamente -45° a 45° excluindo zero ou substancialmente zero, em relação ao plano perpendicular ao eixo longitudinal s do tubo 21. Desta maneira, as protuberâncias podem inclinar para a esquerda e direita em relação ao plano perpendicular ao eixo longitudinal s do tubo 21 (ver fig. lb). Além disso, as pontas 12 podem ser formadas para ter geometrias diferentes (isto é, o ângulo φι pode ser diferente em pontas diferentes) e deste modo as protuberâncias 2 no interior do tubo 21 podem inclinar em ângulos diferentes e em direcções diferentes em relação ao plano perpendicular ao eixo longitudinal s do tubo 21. Por exemplo, algumas protuberâncias podem ser substancialmente perpendiculares ao eixo longitudinal de tubo e outras não.

Embora tenham sido identificados intervalos preferidos de valores para as dimensões físicas das protuberâncias 2, um perito na arte irá reconhecer que as dimensões físicas da ferramenta 13 podem ser modificadas para ir de encontro às dimensões físicas das protuberâncias resultantes 2. Por exemplo, a profundidade t que o bordo de corte 14 corta nas cristãs 1 e o ângulo φ afectam a altura ep das protuberâncias 2. Por conseguinte, a altura ep das protuberâncias 2 pode ser ajustada utilizando a expressão ep = t/sin (90 - φ) 13

ΕΡ 1 516 150 /PT ou, dado que φ = 90 - Θ, ep = t/sin (Θ) onde : t é a profundidade de corte; φ é o ângulo entre o plano B e um plano perpendicular ao eixo de ferramenta q; e Θ é o ângulo ao qual as camadas de cristãs 4 são cortadas em relação ao eixo longitudinal s do tubo 21. A espessura Sp das protuberâncias 2 depende do passo Pa,p das protuberâncias 2 e do ângulo φ. Por conseguinte, a espessura Sp pode ser ajustada utilizando a expressão

Sp = Pa,p sin (90 - φ) ou, dado que φ = 90 - Θ,

Sp = Pa,p sin (Θ) onde:

Pa,p é o passo axial das protuberâncias 2; φ é o ângulo entre o plano B e um plano perpendicular ao eixo de ferramenta q; e Θ é o ângulo ao qual as camadas de cristãs 4 são cortadas em relação ao eixo longitudinal s do tubo 21.

As figs. 4 e 5 ilustram uma possível configuração de fabrico para aumentar as superfícies do tubo 21. Estas figuras não se destinam a limitar o processo através do qual os tubos de acordo com este invento são fabricados, mas em vez disso pode ser utilizado qualquer processo de fabrico de tubo que utilize qualquer configuração de equipamento ou equipamento adequado. Os tubos deste invento podem ser feitos a partir de uma variedade de materiais que possuam propriedades físicas adequadas incluindo integridade estrutural, maleabilidade e plasticidade, tal como, por exemplo, cobre e ligas de cobre, alumínio e ligas de alumínio, latão, titânio, aço e aço inoxidável. As figs. 4 e 5 ilustram três árvores 10 que operam sobre o tubo 21 para aumentar a superfície externa do tubo 21. Note-se que uma das árvores 10 foi omitida da fig. 4. Cada árvore 10 inclui uma configuração de ferramenta que tem discos que criam alhetas 7 que extrudem radialmente de uma a múltiplas aberturas de alhetas exteriores 6 que têm passo axial Pa,0. A configuração 14

ΕΡ 1 516 150 /PT de ferramenta pode incluir discos adicionais, tal como discos de entalhe ou alisamento, para aumentar mais a superfície externa do tubo 21. Além disso, enquanto só são mostradas três árvores 10, podem ser utilizadas mais ou menos árvores dependendo dos aumentos desejados da superfície externa. Note-se, contudo, que dependendo da aplicação do tubo, os aumentos não necessitam de todo de ser proporcionados sobre a superfície externa do tubo 21.

Num exemplo de uma maneira de aumentar a superfície interna 18 do tubo 21, um veio de mandril 11 sobre o qual o mandril 9 está montado de um modo rotativo prolonga-se para dentro do tubo 21. A ferramenta 13 está montada sobre o veio 11 através da abertura 16. O parafuso 24 segura a ferramenta 13 no lugar. A ferramenta 13 é de preferência bloqueada em rotação com o veio 11 através de qualquer meio adequado. As figs. 6d e 7d ilustram uma ranhura de chaveta 17 que pode ser proporcionada na ferramenta 13 para bloquear reciprocamente com uma protuberância no veio 11 (não mostrado) para fixar a ferramenta 13 no lugar em relação ao veio 11.

Em operação, o tubo 21 roda geralmente à medida que se move através do processo de fabrico. A parede de tubo 3 move-se entre o mandril 9 e os discos que criam alhetas 7, que exercem pressão sobre a parede de tubo 3. Sob pressão, o metal da parede de tubo 3 flui para dentro das ranhuras entre os discos que criam alhetas 7 para formar alhetas 6 sobre a superfície exterior do tubo 21. A imagem de espelho de um padrão de superfície interna desejado é proporcionada sobre o mandril 9 de maneira a que o mandril 9 forme a superfície interna 18 do tubo 21 com o padrão desejado à medida que o tubo 21 engata no mandril 9. Um padrão de superfície interna desejado inclui cristãs 1, como é mostrado nas figs. la e 4. A seguir à formação das cristãs 1 sobre a superfície interna 18 do tubo 21, o tubo 21 encontra a ferramenta 13 posicionada adjacente e a jusante do mandril 9. Como foi explicado previamente, o(s) bordo(s) de corte 14 da ferramenta 13 cortam através das cristãs 1 para formar as camadas de cristãs 4. 0(s) bordo(s) de elevação 15 da ferramenta 13 em seguida eleva(m) camadas de cristãs 4 para formar protuberâncias 2. 15

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Quando as protuberâncias 2 são formadas simultaneamente com alhetas exteriores e a ferramenta 13 está fixa (isto é, não roda ou se move de um modo axial), o tubo 21 automaticamente roda e tem um movimento axial. Neste caso, o passo axial das protuberâncias Pa,p é governado pela seguinte fórmula:

P a,p Ρα,ο-Ζ, Zt

Onde :

Pa,o é o passo axial das alhetas externas 6; Z0 é o número de aberturas de alheta sobre o diâmetro externo do tubo 21; e

Zi é o número de pontas 12 sobre a ferramenta 13.

Para se obter um passo axial de protuberância especifico Pa,p a ferramenta 13 também pode ser rodada. Não só o tubo 21 como também a ferramenta 13 podem rodar no mesmo sentido ou, de um modo alternativo, não só o tubo 21 como também a ferramenta 13 podem rodar, mas em sentidos opostos. Para se obter um predeterminado passo axial de protuberância Pa,p, a rotação necessária (em revoluções por minuto (RPM)) da ferramenta 13 pode ser calculada utilizando a fórmula seguinte: RPM tubo(P α,0·Ζ0-Ρ RPM ferramenta

Onde: RPMtubo é a frequência de rotação do tubo 21;

Pa,o é o passo axial das alhetas externas 6; Z0 é o número de aberturas de alheta sobre o diâmetro externo do tubo 21;

Pa,p é o passo axial de protuberâncias que é desejado 2; e Zf é o número de pontas 12 sobre a ferramenta 13.

Se o resultado deste cálculo for negativo, então a ferramenta 13 deve rodar no mesmo sentido que o tubo 21 para 16 ΕΡ 1 516 150 /PT se obter o passo desejado Pa,p. De um modo alternativo, se o resultado deste cálculo for positivo, então a ferramenta 13 deve rodar no sentido oposto ao do tubo 21 para se obter o passo desejado Pa,p.

Note-se que, embora a formação das protuberâncias 2 seja mostrada na mesma operação que a formação das cristãs 1, as protuberâncias 2 podem ser produzidas numa operação separada da criação de alhetas utilizando um tubo com cristãs internas pré-formadas 1. Isto iria requerer geralmente uma montagem para rodar a ferramenta 13 ou tubo 21 e para mover a ferramenta 13 ou tubo 21 ao longo do eixo de tubo. Além disso, é proporcionado de preferência um suporte para centrar a ferramenta 13 em relação à superfície interna de tubo 18. Neste caso, o passo axial Pa,p das protuberâncias 2 é governado pela seguinte fórmula:

Pa,p = Xa / (RPM . z±)

Onde: xa é a velocidade axial relativa entre o tubo 21 e a ferramenta 13 (distância/tempo); RMP é a frequência de rotação relativa entre a ferramenta 13 e o tubo 21;

Pa,p é o passo axial das protuberâncias que é desejado 2; e Zi é o número de pontas 12 sobre a ferramenta 13.

Esta fórmula é adequada quando (1) o tubo se move só de um modo axial (isto é, não roda) e a ferramenta só roda (isto é, não se move de um modo axial); (2) o tubo só roda e a ferramenta move-se só de um modo axial; (3) a ferramenta roda e move-se de um modo axial mas o tubo está não só fixo de um modo rotativo como também axial; (4) o tubo roda e move-se de um modo axial mas a ferramenta está fixa não só de um modo rotativo como também axial; e (5) qualquer combinação das acima.

Com a superfície interna de tubo deste invento são criados caminhos adicionais para o escoamento de fluido (entre as protuberâncias 2 através das ranhuras 20) para optimizar a transferência de calor e a queda de pressão. A fig. 9a ilustra estes caminhos adicionais 22 para o fluido se 17 ΕΡ 1 516 150 /PT deslocar através do tubo 21. Estes caminhos 22 são em adição aos caminhos de escoamento do fluido 23 criados entre cristãs 1. Estes caminhos adicionais 22 têm um ângulo de hélice cg em relação ao eixo de tubo s. O ângulo cg é o ângulo entre as protuberâncias 2 formadas a partir de cristãs adjacentes 1. A fig. 9b mostra claramente estes caminhos adicionais 22 formados entre as protuberâncias 2. O ângulo de hélice 0Ci e deste modo a orientação dos caminhos 22 através do tubo 21, pode ser ajustado ao ajustar-se o passo Pa,p das protuberâncias 2 utilizando a seguinte expressão p = _Par tan(4^A_ a'P π Dt .(tan (#)+ tan(a, ))± Par .tan(a).tan(cr1 ).Zt

Onde:

Pa,p é o passo axial das cristãs 1;

Cl é o ângulo das cristãs 1 com o eixo de tubo s; ai é o ângulo de hélice desejado entre as protuberâncias 2;

Zi é o número de pontas 12 sobre a ferramenta 13; e

Di é o diâmetro interior do tubo 21 medido a partir da superfície interna 18 do tubo 21.

Se o ângulo de hélice de cristã α e o ângulo τ das ranhuras 20 forem ambos de hélice direita ou esquerda (ver fig. 11b), então o " [-] " deve ser utilizado na expressão acima. De um modo alternativo, se o ângulo de hélice de cristã α e o ângulo τ das ranhuras 20 forem de hélice oposta (ver fig. 11a), então o " [ + ]" deve ser utilizado na expressão acima.

Os tubos feitos de acordo com este invento superam em desempenho os tubos existentes. As seguintes tabelas 1-3 fornecem dimensões de ferramenta e tubo para dois exemplos de tais tubos. O f actor de aumento é o f actor pelo qual os coeficientes de transferência de calor (não só do lado do tubo mas também geral) destes novos tubos (Tubo No. 25 e Tubo No. 14) ultrapassam os dos tubos existentes (Turbo-B®, Turbo-BII® e Turbo B-III®) . Novamente, contudo, os Tubos Nos. 25 e 14 são meramente exemplos de tubos de acordo com este invento. Outros tipos de tubos criados de acordo com este 18

ΕΡ 1 516 150 /PT invento superam em desempenho tubos existentes numa variedade de aplicações.

As caracteristicas físicas dos tubos Turbo-B®, Turbo-BII® e Turbo B-III® são descritas nas Tabelas 1 e 2 da Patente U.S. No. 5, 697, 430 de Thors, et al. O Turbo-B® é referenciado como Tubo II; o Turbo-BII® é referenciado como Tubo III; e o Turbo B-III® é referenciado como Tubo IVh. As superfícies exteriores do Tubo No. 25 e Tubo No. 14 são idênticas à do Turbo B-III®. As superfícies internas do Tubo No. 25 e Tubo No. 14 estão de acordo com este invento e incluem as seguintes caracteristicas físicas:

Tabela 1. Dimensões do tubo e cristã

Tubo No. 25 Tubo No. 14 Diâmetro exterior do tubo/mm (polegadas) 19,05 (0,750) 19,05 (0,750) Diâmetro interno do tubo Di / mm (polegadas) 16,4 (0,645) 16,5 (0,650) Número de cristãs internas 85 34 Ângulo de hélice α das cristãs internas (graus) 20 49 Altura de cristã interna er / mm (polegadas) 0,22 (0,0085) 0,41 (0,016) Passo axial de cristã interna Pa,r / mm (polegadas) 1,7 (0,065) 1,3 (0,052) Pa,r / er 7,65 3,25 er / D± 0,0132 0,025 19

ΕΡ 1 516 150 /PT

Tabela 2. Dimensões das Protuberâncias

Tubo No. 25 Tubo No. 14 Altura de Protuberância ep / mm (polegadas) 0,36 (0,014) 0, 76 (0, 030) Passo axial de protuberância Pa,p / mm (polegadas) 0,424 (0,0167) 0,366 (0,0144) Espessura de protuberância Sp / mm (polegadas) 0,21 (0,0083) 0,18 (0,007) Profundidade de corte na cristã t / mm (polegadas) 0,18 (0,007) 0,38 (0,015)

Além disso, a ferramenta utilizada para formar as protuberâncias sobre os Tubos Nos. 25 e 14 tinham as seguintes características:

Tabela 3. Dimensões da ferramenta

Tubo No. 25 Tubo No. 14 Número de pontas de corte Zi 3 1 Ângulo φ (graus) 60 60 Ângulo ω (graus) 2 2 Ângulo x (graus) 89,5 89, 6 Ângulo β (graus) 69,5 40, 6 Número de aberturas de alhetas de diâmetro exterior 3 N/A Revoluções por minuto da ferramenta 0 1014 Revoluções por minuto do tubo 1924 0 Xa / ms_i (polegadas/minuto) 0,0407 (96,2) 0,00622 (14,7) 20

ΕΡ 1 516 150 /PT Ο coeficiente de transferência de calor do lado do tubo do Tubo No. 14 é aproximadamente 1,8 vezes e o Tubo No. 25 é aproximadamente 1,3 vezes o do Turbo B-III®, o qual é actualmente o tubo mais popular utilizado nas aplicações de evaporador e mostrado como uma base de referência nas figs. 12 e 13. O coeficiente de transferência de calor geral do Tubo No. 25 é aproximadamente 1,25 vezes e do Tubo No. 14 é aproximadamente 1,5 vezes o do Turbo B-III®. O antecedente é proporcionado para fins de ilustração, explicação e descrição das concretizações deste invento. Mais modificações e adaptações a estas concretizações tornar-se-ão aparentes para aqueles que são peritos na arte e podem ser realizadas sem afastamento do âmbito do invento tal como definido nas reivindicações.

Lisboa,

Claims

ΕΡ 1 516 150 /PT 1/3 REIVINDICAÇÕES 1 - Tubo de transferência de calor (21) que compreende uma superfície interna (18), uma superfície externa e um eixo longitudinal (s), em que o tubo compreende uma pluralidade de protuberâncias de superfície (2) formada a partir de cristãs (1) formadas ao longo de uma superfície do tubo num ângulo em relação ao eixo longitudinal (s), em que pelo menos algumas da pluralidade de protuberâncias (2) se projectam a partir da superfície interna numa direcção que não é substancialmente perpendicular ao eixo longitudinal, caracterizado por as protuberâncias (2) serem formadas pelas etapas der a. corte através das cristãs (1) até uma profundidade de corte (t) para formar camadas de cristãs (4); e b. elevação das camadas de cristãs para formar protuberâncias (2) que têm uma altura de protuberância, espessura de protuberância e um passo de protuberância.
2 - Tubo (21) da reivindicação 1, no qual outras da pluralidade de protuberâncias (2) se prolongam a partir da superfície interna (18) numa direcção substancialmente perpendicular ao eixo longitudinal (s).
3 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, em que pelo menos algumas da pluralidade de protuberâncias (2) são curvas e/ou torcidas.
4 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, em que a protuberância (2) tem uma altura que é um valor não superior a três vezes a profundidade de corte (t).
5 - Tubo da reivindicação 4, em que a profundidade de corte (t) é inferior ou aproximadamente igual à altura de cristã.
6 - Tubo da reivindicação 4, em que a profundidade de corte (t) é maior do que a altura de cristã.
7 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, em que pelo menos uma da pluralidade de protuberâncias (2) tem ΕΡ 1 516 150 /PT 2/3 uma altura que é um valor pelo menos tão elevado quanto a profundidade de corte (t).
8 - Tubo de qualquer reivindicação precedente, em que a cristã (1) é cortada num ângulo entre aproximadamente 20° e 50°, de preferência aproximadamente 30°, em relação ao eixo longitudinal (s) do tubo.
9 - Tubo de qualquer reivindicação precedente, em que a cristã (1) é formada ao longo da superfície interna (18) num ângulo não superior a 70° em relação ao eixo longitudinal (s) .
10 - Tubo (21) de qualquer das reivindicações precedentes, em que a razão do diâmetro interior (D±) do tubo (21) com a altura da cristã (1) está no intervalo de 0,001 a 0,25 inclusive.
11 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, em que a cristã (1) tem uma altura de pelo menos 0,025 mm (0,001 polegadas).
12 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, que compreende ainda uma pluralidade de tais cristãs (1) espaçadas num passo axial, em que a razão do passo axial de cristã com a altura de cristã é pelo menos 0,002.
13 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, em que a altura de cristã é superior ou igual à profundidade de corte (t) .
14 - Tubo (21) de qualquer das reivindicações 1 - 4 ou 6 - 13, em que a protuberância (2) compreende pelo menos uma parede que se prolonga para a superfície interna (18) do tubo além de uma base (42) da cristã (1).
15 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, em que a razão da altura de cada protuberância (2) com o diâmetro interior de tubo (Di) está entre aproximadamente 0,002 e 0,5. ΕΡ 1 516 150 /PT 3/3
16 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, em que a protuberância (2) compreende pelo menos três superfícies laterais e uma superfície superior (26).
17 - Tubo (21) da reivindicação 16, em que a superfície superior (26) é inclinada.
18 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, em que a protuberância (2) tem uma ponta substancialmente aguçada (28).
19 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, no qual a pluralidade de protuberâncias (2) tem um passo e em que a espessura de cada uma da dita pluralidade de protuberâncias está entre aproximadamente 20% e 100% do passo de protuberância.
20 - Tubo (21) de qualquer reivindicação precedente, que compreende ainda ranhuras (20) formadas entre a pluralidade de protuberâncias num ângulo entre aproximadamente 80% e 100% em relação ao eixo longitudinal do tubo.
21 - Equipamento que compreende um tubo (21) tal como definido em qualquer das reivindicações 1-20. Lisboa,