PT1851498E

PT1851498E - Tubos ranhurados de utilização reversível para permutadores térmicos

Info

Publication number: PT1851498E
Application number: PT37439189T
Authority: PT
Inventors: Nicolas Avanan; Pascal Leterrible
Original assignee: Kme France Sas
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2003-03-10
Publication date: 2013-07-04
Also published as: NO20044299L; BR0308372A; RU2289076C2; FR2837270A1; JP2005526945A; NO338468B1; US20030173071A1; AU2003242811B2; IL162942A0; RU2004130315A; HRP20040819B1; IL162942A; CA2474558A1; EP1851498A1; WO2003076861A1; PL201843B1; KR20040101283A; CA2474558C; EP1851498B1; CN1636128A

Description

DESCRIÇÃO

"TUBOS RANHURADOS DE UTILIZAÇÃO REVERSÍVEL PARA PERMUTADORES TÉRMICOS"

DOMÍNIO DA INVENÇÃO A invenção refere-se ao domínio dos tubos para permutadores de calor e, mais especialmente, ao domínio dos permutadores de calor funcionando em evaporação/condensação e em modo reversível. A invenção refere-se à utilização de permutadores de calor definida na reivindicação 1.

ESTADO DA TÉCNICA 0 documento EP 0148609, considerado como representando o estado da técnica mais próxima do objecto da reivindicação 1, divulga a utilização de um permutador de calor em modo de condensação ou evaporação (sem ser reversível), o referido permutador compreendendo tubos metálicos ranhurados, de espessura Tf no fundo da ranhura, de diâmetro De exterior, os referidos tubos sendo ranhurados interiormente por N ranhuras helicoidais de ângulo de vértice (a), altura H, largura de base Ln e ângulo β de hélice, duas nervuras consecutivas sendo separadas por uma ranhura tipicamente de fundo plano de largura Lr, com um passo igual a LR + LN, onde: a) De=9,52 mm; b) N=60; 1 C) H=0,2 mm; d) 30°<d<60°; e) β = 18; f) o factor de cavallini é igual a 3,15.

Além disso, conhece-se um grande número de documentos que descrevem a geometria de tubos ranhurados utilizados nos permutadores de calor. A titulo de exemplo, pode citar-se o pedido de patente EP-A2-0148609 que descreve tubos com ranhuras triangulares ou trapezoidais apresentando as caracteristicas seguintes: uma relação H/Di compreendida entre 0,02 e 0,03, H designando a profundidade das ranhuras (ou a altura das nervuras) e Di o diâmetro interior do tubo ranhurados, - um ângulo β de hélice relativamente ao eixo de tubo compreendido entre 7 e 30°, - uma relação S/H compreendida entre 0,15 e 0,40, com S designando a secção transversal da ranhura, um ângulo α de vértice das nervuras compreendido entre 30 e 60° .

Estas caracteristicas de tubo estão adaptadas a fluidos com transição de fase, os desempenhos dos tubos sendo analisados de 2 modo distinto durante a evaporação do fluido e durante a condensação do fluido. 0 pedido Japonês n° 57-58088 descreve tubos com ranhuras em V, com H compreendida entre 0,02 e 0,2 mm, e com um ângulo β compreendido entre 4 e 15°.

Tubos próximos são descritos no pedido Japonês n°57-58094. O pedido Japonês n° 52-38663 descreve tubos ranhurados em V ou em U, com H compreendida entre 0,02 e 0,2 mm, um passo P compreendido entre 0,1 e 0,5 mm e um ângulo β compreendido entre 4 e 15°. A patente US N° 4044797 descreve tubos com ranhuras em V ou em U próximos dos tubos anteriores. O modelo de utilidade Japonês N°55-180186 descreve tubos com ranhuras trapezoidais e nervuras triangulares, com uma altura H de 0,15 a 0,25 mm, um passo P de 0,56 mm, um ângulo α de vértice (chamado ângulo Θ neste documento) tipicamente igual a 73°, um ângulo β de 30° e uma espessura média de 0,44 mm.

As patentes US N° 4545428 e N°4480684 descrevem tubos com ranhuras em V e nervuras triangulares, com a altura H compreendida entre 0,1 e 0,6 mm, um passo P compreendido entre 0,2 e 0,6 mm, um ângulo α de vértice compreendido entre 50 e 100° e um ângulo β de hélice compreendido entre 16 e 35°. A patente Japonesa N° 62-25959 descreve tubos com ranhuras e nervuras trapezoidais, com uma profundidade H de ranhura compreendida entre 0,2 e 0,5 mm, um passo P compreendido entre 3 0,3 e 1,5 mm, a largura média das ranhuras sendo, pelo menos, igual à largura média das nervuras. Num exemplo, o passo P é de 0,70 mm e o ângulo β de hélice é de 10°.

Finalmente, a patente europeia EP-B1-701680, em nome da requerente, descreve tubos ranhurados, com ranhuras tipicamente de fundo plano e com nervuras de altura H diferente, de ângulo β de hélice compreendido entre 5 e 50°, de ângulo α de vértice compreendido entre 30 e 60°, de maneira a obter melhores desempenhos após aperto dos tubos e montagem nos permutadores.

De um modo geral, os desempenhos técnicos e económicos dos tubos, que resultam da escolha da combinação de meios definindo os tubos (Η, P, α, β, formam ranhuras e nervuras, etc.), devem satisfazer quatro exigências, referentes: por um lado, às características relativas à transferência de calor (coeficiente de permutação térmica), domínio no qual os tubos ranhurados são muito superiores aos tubos não ranhurados, de modo que para permutação térmica equivalente, o comprimento de tubo ranhurados necessário será menor que o de tubo não ranhurado, por outro lado, às características relativas às perdas de carga, as perdas de carga reduzidas permitindo utilizar bombas ou compressores de menor potência, atravancamento e custo, além disso, às características relativas às propriedades mecânicas dos tubos, tipicamente na relação com a natureza das ligas utilizadas ou com a espessura média dos tubos, espessura que condiciona o peso do tubo por 4 unidade de comprimento, e por conseguinte influencia o seu preço de custo. finalmente, à exequibilidade industrial dos tubos e à velocidade de produção que condiciona o preço de custo do tubo no fabricante de tubos.

PROBLEMAS COLOCADOS

Por um lado, tal como resulta do estado da técnica, há um grande número e uma muito grande diversidade ensinamentos no que diz respeito aos tubos ranhurados, sabendo que estes visam geralmente a optimização da permutação térmica e a diminuição de perda de carga.

Por outro lado, cada um destes ensinamentos oferece ele próprio, a maior parte das vezes, uma grande amplitude de possibilidades, sendo os parâmetros geralmente definidos por gamas de valores relativamente largas.

Finalmente, estes ensinamentos referem-se, quando tal é especificado, às permutações com fluido refrigerante, fluido que, tipicamente, se evapora ou se condensa no circuito frigorífico, o fluido tendo um comportamento diferente em evaporação e em condensação. Até agora, estes ensinamentos referem-se a tubos ranhurados para permutadores que funcionam quer em condensação, quer em evaporação.

Finalmente, o especialista na técnica já tem muitas dificuldades para obter a essência absoluta do estado da 5 técnica, entre um tao grande número de dados, por vezes contraditórios. 0 especialista na técnica sabe, em contrapartida, que um tubo tipico do comércio, de nervuras triangulares como representado na figura 1, apresenta tipicamente as caracteristicas seguintes: diâmetro De exterior = 12 mm, altura H de nervura = 0,25 mm, espessura Tf de parede do tubo = 0,35 mm, número N de nervuras = 65, ângulo β de hélice= 15°, ângulo α de vértice = 55°.

De modo a responder a uma procura do mercado, o objectivo da presente invenção refere-se à utilização de tubos para permutadores em aplicações reversíveis, ou seja, uma utilização onde tubos ou permutadores são utilizados com fluidos refrigerantes de mudança de fase, tanto em evaporação, quanto em condensação, ou seja, quer para arrefecer, por exemplo como aparelhos de ar condicionado, quer para aquecer, por exemplo como meios de aquecimento, tipicamente do ar ou de um fluido secundário.

Mais particularmente, a presente invenção tem por objectivo a utilização de tubos que, não só apresentam um excelente compromisso entre os desempenhos térmicos em modo de evaporação e em modo de condensação de fluido refrigerante, mas que, além disso, apresentam, intrinsecamente, desempenhos elevados tanto em evaporação como em condensação. A requerente, por conseguinte, procurou tubos e permutadores ao mesmo tempo económicos, com um peso por metro relativamente pouco elevado e desempenhos de permutação térmica elevados, simultaneamente em evaporação e em condensação. 6

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

De acordo com a invenção, os tubos metálicos ranhurados, de espessura Tf no fundo da ranhura, de diâmetro De exterior, tipicamente destinados ao fabrico de permutadores de calor funcionando em evaporação ou em condensação ou em modo reversível e utilizando um fluido refrigerante com mudança de fase, ranhurados interiormente por N nervuras helicoidais de ângulo α de vértice, altura H, largura LN de base e ângulo β de hélice, duas nervuras consecutivas estando separadas por uma ranhura tipicamente de fundo plano de largura LR, com um passo P igual a Lr + LN, são tais que, a) o diâmetro De exterior está compreendido entre 4 e 20 mm, b) o número N de nervuras vai de 46 a 98, em função, nomeadamente, do diâmetro De, c) a altura H das nervuras vai de 0,18 mm a 0,40 mm, em função, nomeadamente, do diâmetro De, d) o ângulo α de vértice tal que 20° < α ^ 28° e) o ângulo β de hélice vai de 18° a 35°, o referido tubo apresentando um factor de Cavallini, pelo menos, igual a 3,5, de modo a obter, simultaneamente, um coeficiente de permutação térmica elevado tanto em evaporação como em condensação, uma reduzida perda de carga e um tubo o mais leve possível e isto sem custo adicional de fabrico 7 relativamente aos tubos específicos para evaporação ou para condensação.

Na sequência dos seus trabalhos de investigação, a requerente conseguiu resolver os problemas colocados pela combinação de meios e o conjunto de características anteriores. A característica definida sob a) define a gama de diâmetro De exterior dos tubos no domínio de aplicação visado pelos tubos de acordo com a invenção. A característica sob b), relativa ao número N de ranhuras e, por conseguinte, ao passo P correspondente, especifica que este número deve ser relativamente elevado. Os ensaios do requerente com baterias de aletas mostraram que este número de ranhuras tem uma grande influência sobre o desempenho térmico dos permutadores.

Assim, por exemplo, para um diâmetro De de tubo de 9,52 mm: - quando o número N é inferior a 46, foi observado que o desempenho do permutador caía consideravelmente. - no que diz respeito ao limite superior do número N, é essencialmente de ordem tecnológica e prática, e depende das possibilidades técnicas de fabrico dos tubos ranhurados, por conseguinte este limite superior varia e aumenta com o diâmetro De do tubo.

Foi observado num tubo de 12 mm de diâmetro De, que um número de 98 nervuras N assegura um desempenho térmico elevado do permutador em evaporação e em condensação.

No que diz respeito à caracteristica sob c), relativa à altura H das nervuras ou profundidade das ranhuras, os limites de H resultam das observações seguintes: - para valores de H superiores a 0,40 mm, foi assinalada uma menor exequibilidade técnica, porque não é fácil fabricar nervuras de altura muito grande e, além disso, foi assinalado um aumento da perda de carga, para valores de H inferiores a 0,20 mm, foi assinalado que o desempenho de permutação térmica diminui demasiado e torna-se insuficiente.

Esta altura H pode variar com o diâmetro do tubo, os tubos de maior diâmetro tendo, de um modo preferido, as nervuras de maior altura. A caracteristica sob d) , relativa ao ângulo α de vértice, prevê que este ângulo deve ser escolhido numa gama relativamente estreita (20° - 28°) e com valores de ângulo α de vértice relativamente reduzidos.

Por um lado, um reduzido valor do ângulo α é preferido para melhorar o desempenho da transferência de calor, para diminuir a perda de carga e para diminuir o peso do tubo m. É com nervuras trapezoidais que o ângulo α pode ser o mais reduzido. Contudo, o limite inferior está essencialmente ligado ao fabrico de tubos ranhurados de acordo com a invenção para conservar uma elevada cadência de produção. A caracteristica sob e), relativa ao ângulo β de hélice, mostra que este ângulo deve ser, pelo menos, igual a 18° para resolver os 9 problemas da invenção e, no máximo, igual a 35°, devido ao aumento significativo das perdas de carga, nomeadamente com certos fluidos refrigerantes, por exemplo, o fluido refrigerante R134a.

No que diz respeito à espessura Tf do tubo no fundo da ranhura, pode variar em função do diâmetro De, de modo a ter, ao mesmo tempo, propriedades mecânicas suficientes, nomeadamente, uma resistência à pressão interna, uma economia de matéria máxima e, por conseguinte, um custo de matéria optimizado, e um peso por metro o mais reduzido possível. Esta espessura Tf é de 0,28 mm para um tubo de 9,55 mm de diâmetro De e 0,35 mm para um tubo de 12,7 mm de diâmetro De. O conjunto destes meios permite definir uma selecção de tubos, tubos específicos particularmente adaptados aos permutadores com fluidos refrigerantes de mudança de fase, de modo a ter simultaneamente um coeficiente de permutação térmica elevado em evaporação e em condensação, uma reduzida perda de carga e um tubo o mais leve possível.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

As figuras la e lb são destinadas a ilustrar o significado dos diferentes parâmetros utilizados para definir os tubos utilizados no método de acordo com a invenção. A figura la representa uma vista parcial de um tubo (1) ranhurado, em corte parcial segundo o eixo do tubo, de maneira a ilustrar o ângulo β de hélice. 10 A figura lb representa uma vista parcial de um tubo (1) ranhurado, em corte parcial perpendicularmente ao eixo do tubo, de modo a ilustrar o caso de um tubo compreendendo uma sucessão de nervuras (2) de altura H, nervuras com forma sensivelmente triangular, de largura LN na base e de ângulo α de vértice, separadas por ranhuras (3) de forma sensivelmente trapezoidal e de largura LR, sendo LR a distância entre duas ranhuras nervuras. Este tubo tem uma espessura Tf, um diâmetro De exterior, um diâmetro Di interior e um passo P igual a LR + LN.

As figuras 2a a 2c são cortes parciais de um tubo de 8 mm de diâmetro De de 0,26 mm de espessura Tf, segundo um exemplo de realização da invenção, no qual as nervuras formam uma alternância de nervuras trapezoidais de altura Hl e de altura H2 < Hl, em escalas diferentes. A figura 2a representa 3 nervuras (2) completas e 2 nervuras parciais, espaçadas por ranhuras (3) e tem uma escala de "200 pm". A figura 2b representa 2 nervuras completas e tem uma escala de "100 pm". A figura 2c representa 1 única nervura (2) e tem uma escala de "50 pm". A figura 3 representa um corte parcial de um tubo de 9,52 mm de diâmetro e de 0,30 mm de espessura Tf de acordo com a invenção.

As diferentes curvas da figura 4 dão, em condensação a 30°C com fluido R22, o coeficiente Hi de permuta (em W/m2.K) em 11 ordenada em função do caudal de fluido G, em abcissa (em Kg/m2. s) .

As diferentes i curvas da figura 5 dao, em evaporação a O O O do fluido R22, o coeficiente Hi de permuta (em W/m2.K) em ordenada em função do caudal de fluido G, em abcissa (em Kg/m2. s) . Estas curvas correspondem a um tubo de acordo com a invenção - assinalado E segundo a figura 3 e a tubos do estado da técnica assinalados "A", "C", "D" e "S", todos estes tubos sendo do mesmo diâmetro De exterior = 9,52 mm. Ver os exemplos de realização.

As figuras 6 e 7 indicam, em ordenada, a potência frigorifica de permuta, medida em watt, de uma bateria de tubos e de aletas em função, em abcissa a velocidade frontal do ar que circula entre as aletas expressa em m/s.

Estas curvas correspondem a um tubo de acordo com a invenção - assinalado E, segundo as figuras 2a 2c e a tubos do estado da técnica assinalados "A", "B" e "S", todos estes tubos sendo do mesmo diâmetro De exterior = 8,00 mm. Ver os exemplos de realização. A bateria (4), esquematizada na figura 8, é formada de tubos (1) de De = 9,52 mm e forma um bloco de dimensões: 400 mm x 400 mm x 65 mm, com uma densidade de 12 aletas (5) por 25,4 mm, a bateria (4) compreendendo 3 filas de 16 tubos (1) ranhurados e o fluido refrigerante sendo o R22. 12 A figura 6 é relativa às medições em condensação sobre a mesma bateria que anteriormente, com uma temperatura de entrada de ar de 23,5 °C e uma temperatura de condensação de 36 °C do fluido frigorifico R22. A figura 7 é relativa às medições em evaporação sobre a mesma bateria, com uma temperatura de entrada de 26,5 °C, e uma temperatura de evaporação de 6 °C do fluido refrigerante R22. A figura 8 é uma vista esquemática, em perspectiva, da bateria (4) de tubos (1) com aletas (5) que serviram para os ensaios. A figura 9 representa graficamente, em ordenada, o ganho de potência frigorifica em evaporação das baterias, segundo a figura 7, com uma velocidade de ar de referência de 1,25 m/s, em função do factor de Cavallini em abcissa para os diferentes tubos ensaiados: tubo S liso, tubo E de acordo com a invenção, e tubos A e B de acordo com o estado da técnica. A figura 10 é um gráfico indicando, em ordenada, o coeficiente Hi de permuta térmica (W/m2.K) sobre tubos em evaporação com o fluido frigorífico R407C, em função da percentagem ponderai de vapor no fluido frigorifico, em abcissa, a temperatura de evaporação sendo de 5 °C. As medições foram feitas com um fluxo de calor de 12 kW/m2 e um caudal mássico de 100 ou 200 kg/m2.s de fluido frigorifico R407C, como indicado na figura, sobre tubos de diâmetro De igual à 9,52 mm. A figura 11 é uma vista de uma porção de superfície interna de um tubo ranhurados de acordo com a invenção dotada de uma 13 contra-ranhura (30) axial, tendo, por baixo, a sua representação esquemática.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

De acordo com uma modalidade da invenção ilustrada nas figuras 2a a 2c, as referidas nervuras podem formar uma sucessão de nervuras de altura H1=H e de altura H2 = a.Hl, com a compreendido entre 0,6 e 0,9 e, de um modo referido, compreendido entre 0,70 e 0,85, o valor de a sendo próximo de 0,75 nas figuras 2a a 2c.

Tipicamente, e como ilustrado nestas figuras, a referida sucessão pode ser uma alternância de nervuras de altura Hl e de nervuras de altura H2 separadas por um fundo de sulco tipicamente plano.

Contudo, como ilustrado na figura 3, os tubos ranhurados de acordo com a invenção não compreendem necessariamente tal alternância de nervuras de altura diferenciada como nas figuras 2a 2c, as nervuras podendo ter sensivelmente a mesma altura.

Tipicamente, no caso de tubos de 9,52 mm de diâmetro De, pode ter-se: H de 0,18 a 0,3 mm, - e/ou N inferior a 75, e de um modo preferido de 64 a 70.

Do mesmo modo, quando De é, pelo menos, igual a 9,55 mm, pode ter-se: 14 H de 0,25 a 0,40 mm N de 70 a 98.

No que diz respeito ao ângulo α de vértice, uma gama de acordo com a invenção do ângulo a de vértice vai de 20° a 28°, uma gama ainda mais restrita de 22° a 25° assegurando o melhor compromisso entre as exigências em matéria de desempenho técnico e aquelas ligadas à expansão dos tubos tendo em vista a sua solidarização às aletas das baterias.

No que diz respeito ao ângulo β de hélice, uma gama preferida do ângulo β de hélice pode ir de 22° a 30°, uma gama ainda mais restrita de 25° a 28°, assegurando o melhor compromisso entre as exigências em matéria de desempenho técnico e aquelas ligadas à perda de carga. Este ângulo pode variar com o diâmetro Di interior: foi determinado vantajoso ter uma relação β/Di superior a 2,40 °/mm e, de um modo preferido, superior a 3°/mm.

De modo preferido, as referidas nervuras têm um perfil de tipo "trapézio" com uma base de largura LN e um topo, ligados por bordos laterais fazendo entre si o referido ângulo a de vértice, como ilustrado na figura 2c, o referido topo compreendendo uma parte central sensivelmente plana, tipicamente paralela à referida base, mas eventualmente em declive relativamente à referida base.

Qualquer que seja o caso, o referido topo da referida nervura formando um pequeno lado do trapézio pode apresentar bordos arredondados ou não, quer dizer de raio de curvatura muito reduzido, 15 estes bordos formando uma ligaçao do referido topo aos referidos bordos laterais.

Os referidos bordos arredondados podem apresentar um raio de curvatura, tipicamente, de 40 pm a 100 pm e, de modo preferido, de 50 pm a 80 pm, como ilustrado nas figuras 2a a 2c. Estas gamas de raio de curvatura correspondem a um compromisso entre os desempenhos térmicos dos tubos e a exequibilidade dos tubos, as ferramentas destinadas a fabricar os tubos com os raios de curvatura mais pequenos tendo mais tendência a desgastar-se.

Quando os bordos não são arredondados, como ilustrado na figura 3, o raio de curvatura pode ser, tipicamente, inferior a 50 pm, e mesmo inferior a 20 pm.

De acordo com a invenção, a largura LR do fundo plano do referido sulco e a largura LN da base da referida nervura podem ser tais que LR= b.LN com b de 1 a 2 e, de modo preferido, de 1,1 a 1,8, de modo a ter um tubo apresentando um peso por metro relativamente baixo.

Tipicamente, e como ilustrado nas figuras 2a 2c e 3, as referidas nervuras e o referido fundo plano dos referidos ranhuras podem ligar-se com um raio de curvatura inferior a 50 pm e, de modo preferido, inferior a 20 pm. Neste caso, parece que existe uma melhor separação do filme líquido de fluido refrigerante da parede interna do tubo, o que favorece a permuta térmica.

Os tubos utilizados de acordo com a invenção apresentam, mesmo na ausência de ranhuras axiais, um factor de Cavallini, pelo menos, igual a 3,5. Podem, de um modo vantajoso, apresentar um factor de

Cavallini, pelo menos, igual a 4,0. 16 0 factor de Cavallini RxA2 (Rx.Rx) que intervém nos modelos de avaliação do coeficiente de permuta, é um factor puramente geométrico igual a: [[2 . N . H . (1-Sin (cx/2) /3,14 . Di . Cos (0(/2))+1] /Cos β] Λ2

De modo aumentar ainda o factor de Cavallini, e como ilustrado na figura 11, os tubos de acordo com a invenção podem compreender, ainda, ranhuras (30) axiais criando, nas referidas nervuras entalhes de perfil tipicamente triangular de topo arredondado, o referido topo apresentando um ângulo γ de 25 a 65°, a referida parte inferior ou topo está a uma distância h do fundo das referidas ranhuras de 0 a 0,2 mm. Tais ranhuras axiais podem ser obtidas uma vez formadas as referidas nervuras por passagem de uma rectificadora de ranhuragem na direcção axial.

Os tubos ranhurados de acordo com a invenção podem ser em cobre e em ligas de cobre, alumínio e ligas de alumínio. Estes tubos podem ser obtidos tipicamente por escatelamento de tubos, ou eventualmente, por escatelamento em plano de uma banda metálica seguido da formação de um tubo soldado. EXEMPLOS DE REALIZAÇAO I - Fabrico dos tubos:

Os ensaios foram realizados sobre tubos de cobre de 8,0 mm ou 9,52 mm de diâmetro exterior.

Fabricou-se o tubo "E" da invenção segundo as figuras 2a a 2c com um diâmetro De de 8,0 mm, e segundo a figura 3 com um 17 diâmetro De de 9,52 mm, bem como tubos comparativos "S" ou lisos, "C", "D", que apresentam um ângulo β de hélice elevado (pelo menos igual a 20°), destinados à condensação segundo o estado da técnica, e tubos comparativos "A" e "B", que apresentam um ângulo a de vértice elevado (pelo menos, igual a 40°) e um ângulo β de hélice reduzido (no máximo igual a 18°), destinados à evaporação segundo o estado da técnica.

Os tubos E, A, B, C foram fabricados por escatelamento de um tubo de cobre liso - tubo S, ao passo que o tubo D foi fabricado por escatelamento em plano de uma banda metálica seguida da formação de um tubo soldado.

Um determinado número de ensaios foi realizado sobre tubos de cobre de 9,52 mm de diâmetro De exterior. Estes tubos apresentam as caracteristicas seguintes:

Tipo de tubo H em mm ângulo α ângulo β N Tipo de nervura Tf mm Lr/Ln E Fig.3 0,20 25 25 66 Trapezoidais 0,30 2,3 1 O CM O Triangulares B 0,17 40 16 74 alternadas 0,30 1,88 A 0,20 50 18 60 Triangulares 0,30 2,00 C 0,20 40 30 60 Triangulares 0,30 1,94 Duplas nervuras D 0,20 15 20 72 Cruzadas * 0,30 3,66 s — — — Tubo liso 0,30 — * 72 nervuras principais de ângulo β de hélice igual +20° entrecortadas por sulcos secundários inclinados num ângulo -20° relativamente ao eixo do tubo, a profundidade dos sulcos sendo sensivelmente igual à altura das nervuras principais. 18

Um determinado número de outros ensaios foi realizado sobre tubos de cobre de 8,0 mm de diâmetro exterior. Estes tubos apresentam as características seguintes:

Tipo de tubo H em mm ângulo α ângulo β N Tipo de nervura Tf mm lr/ln E Fig.2a 0,20- 0,16 21 18 46 Trapezoidais alternadas 0,26 2,5 B 0,18- 0,16 40 18 44 Triangulares alternadas 0,26 2,38 A 0,18 40 18 0 Triangulares 0,26 2,33 S Tubo liso 0,3 - II — Fabrico de baterias ou permutadores:

Fabricou-se baterias com aletas segundo a figura 8 a partir destes tubos, colocando os tubos em anéis de aletas e, em seguida, apertando o tubo contra o rebordo dos anéis por expansão do tubo com a ajuda de um mandril cónico. Estas baterias formam um bloco de dimensões: 400 mm x 400 mm x 65 mm, com uma densidade de 12 aletas por 25,4 mm, a bateria compreendendo 3 filas de 16 tubos e o fluido refrigerante sendo o R22 . III - Resultados obtidos:

As figuras 4 a 7, e 9 a 10 ilustram os diferentes resultados da invenção. 19 III-l Resultados obtidos sobre tubos: A) Resultados obtidos em condensação com fluido frigorífico R22 sobre tubos de De igual a 9,52 mm: TUBOS => Propriedades E Fig. 3 A C D S Peso g/m 89 93,5 95 95 78 Perda de carga dP ** 2500 +/-100 2400 +/-100 3000 +/-100 Factor Cavallini 3,94 2, 72 3,53 — 1 Coefficiente Hi * de 6850 4950 6300 6000 2850 permutação médio + /-50 + /-50 + /-50 + /-50 + /-50 * Coeficiente Hi de permuta em W/m .K para um caudal G de fluido igual a 350 Kg/m2.s Condições de medição: temperatura de 30 °C, comprimento do tubo de 6 m, e caudal G de fluido igual a 350 kg/m2.s ** em Pa/m medido para um caudal G de fluido igual a 350 kg/m2.s B) Resultados obtidos em evaporaçao com fluido refrigerante R22 sobre tubos de De igual a 8,0 mm: 20 TUBOS => Propriedades E Fig. 2a B A S Peso g m 66 68 66 - Perda carga dP ** 6700 +/-100 8000 +/-100 7000 +/-100 5800 +/-100 Factor Cavallini 3,13 3,02 2,68 1 Coefficiente Hi * de 10500 9500 8500 4500 permuta médio +/-100 +/-100 +/-100 +/-100 * Coeficiente Hi de permuta em W/m .K para um caudal G de fluido igual a 200 Kg/m2.s. Condições de medição: temperatura de 0 °C, comprimento do tubo de 3 m, fluxo de 10 a 12 kW/m2.K, titulo em vapor de 0,2 a 0,9, e caudal G de fluido igual a 200 kg/m2.s ** em Pa/m medido para um caudal G de fluido igual a 200 kg/m2.s C) Resultados obtidos em evaporaçao com fluido frigorífico R407C sobre tubos de De igual a 9,52 mm: TUBOS => E Fig. 3 B Propriedades Peso g/m 89 92,3 Factor de Cavallini 3,94 3,3 Perda de carga dP* 600+/-40 700+/-40 Coefficiente Hi * de permuta local 6000+/-100 2500+/-100 Perda de carga dP ** 1200+/-40 1200+/-40 Coeficiente Hi ** de permutação médio 11000+/-100 3000+/-100 21

Condições das medições: temperatura de 5°C e fluxo de 12 kw/m2.K. Ver figura 10. * Coeficiente Hi de permutação em W/m2.K e perda de carga dP em Pa/m tomada a um caudal G de fluido igual a 100 Kg/m2.s e com um título médio de vapor de 0,6. ** Coeficiente Hi de permuta em W/m2.K e perda de carga dP em Pa/m tomada a um caudal G de fluido igual a 200 Kg/m2.s e com um título médio de vapor de 0,3. III - 2 Resultados obtidos sobre baterias: BATERIAS E B A S Propriedades Potência* 5025 4230 4100 4050 Condensação (watt) + /- + /- + /- + /- Fig. 6 150 127 164 121 Potência ** 4650 4350 4200 4050 Evaporação (watt) + /- + /- + /- + /- Fig. 7 140 175 90 121 * para uma velocidade frontal do ar tomada igual a 2,8 m/s. ** para uma velocidade frontal do ar tomada igual a 1, 5 m/ s IV - Conclusões:

Todos os resultados mostram que os tubos e permutadores ou baterias de tubos de acordo com a invenção apresentam propriedades superiores aos produtos semelhantes da técnica actual, ao mesmo tempo em evaporação e em condensação. Consequentemente, e de modo surpreendente, os tubos de acordo 22 com a invenção constituem não apenas um bom compromisso de desempenhos em evaporação e em condensação, mas apresentam também, em absoluto, excelentes desempenhos relativamente aos tubos do estado da técnica utilizados em evaporação e aqueles utilizados em condensação, o que é de um grande interesse na prática.

Além disso, no que diz respeito ao peso por metro, os valores obtidos com os tubos de acordo com a invenção correspondem a um ganho de 3,7 a 6,7% relativamente aos tubos de acordo com a técnica, tomada no mesmo diâmetro e mesma espessura Tf, o que é considerado como muito importante.

Finalmente, os tubos de acordo com a invenção de tipo E podem ser fabricados, de um modo vantajoso, por escatelamento a elevado cadência de tubo de cobre não escatelado plano, tipicamente, a uma velocidade de escatelamento próxima da utilizada para os tubos de tipo B, a saber pelo menos 80 m/min.

VANTAGENS DA INVENÇÃO A invenção apresenta grandes vantagens. Com efeito, por um lado, os tubos e baterias utilizados de acordo com a invenção apresentam desempenhos intrínsecos elevados. Por outro lado, estes desempenhos são elevados ao mesmo tempo em evaporação e em condensação, o que permite a utilização de um mesmo tubo para estas duas aplicações. Além disso, os tubos são de um peso por metro relativamente reduzido, o que é muito ao mesmo tempo vantajoso de um ponto de vista prático e do ponto de vista económico, com um custo de matéria relativamente baixo. 23

Finalmente, os tubos utilizados de acordo com a invenção não necessitam de meios de fabrico específicos. Podem ser as fabricados com os equipamentos normais e, nomeadamente, com cadências de produção habituais.

LISTA DOS REFERENCIAS

Tubo ranhurado........1

Nervura...............2

Ranhura...............3

Ranhura axial........30

Bateria...............4

Aleta.................5

Lisboa, 24 de Junho de 2013

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Utilização de um permutador de calor em funcionamento em modo reversível, em evaporação ou em condensação, utilizando um fluido refrigerante de mudança de fase, compreendendo o referido permutador tubos (1) metálicos ranhurados, de espessura Tf no fundo da ranhura, de diâmetro De exterior, estando os referidos tubos ranhurados interiormente por N nervuras (2) helicoidais de ângulo α de vértice, de altura H, de largura LN de base e ângulo β de hélice, estando duas nervuras consecutivas separadas por uma ranhura (3) tipicamente de fundo plano de largura LR, com um passo P igual a LR + LN, a) o diâmetro De exterior estando compreendido entre 4 e 20 mm, b) o número N de nervuras de 46 a 98, em função, nomeadamente, do diâmetro De, c) a altura H das nervuras de 0,18 mm a 0,40 mm, em função, nomeadamente, do diâmetro De, d) o ângulo α de vértice tal que 20°^ α ^28°, e) o ângulo β de hélice de 18° a 35°, de modo a obter simultaneamente um coeficiente de permutação térmica elevado em evaporação e em condensação, uma reduzida perda de carga e um tubo o mais leve possível, 1 f) 0 referido tubo apresentando um factor de Cavallini, pelo menos, igual a 3,5.
2. Utilização de acordo com a reivindicação 1, em que as referidas nervuras formam uma sucessão de nervuras de altura H1=H e de altura H2 = a.Hl, com a compreendido entre 0,6 e 0,9,
3. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, em que a referida sucessão é uma alternância de nervuras de altura Hl e nervuras de altura H2 separadas por um fundo de ranhura tipicamente plano.
4. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que, quando De é inferior ou igual à 9,55 mm, se tem: H de 0,18 a 0,3 mm, e de modo preferido de 0,20 a 0,25 mm, e/ou N inferior a 75, e de modo preferido de 64 a 70.
5. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, em que, quando De é, pelo menos, igual a 9,55 mm, se tem: H de 0,25 a 0,40 mm, N de 70 a 98.
6. Utilização de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, em que, o ângulo α de vértice é de 22° a 25°.
7. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, em que o ângulo β de hélice é de 22° a 30°. 2
8. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, em que o ângulo β de hélice é de 25° a 28°.
9. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, em que as referidas nervuras têm um perfil de tipo "trapézio" com uma base e um topo, compreendendo o referido topo uma parte central sensivelmente plana e, eventualmente, em declive relativamente à referida base.
10. Utilização de acordo com a reivindicação 9, em que o topo da referida nervura formando um lado menor do trapézio apresenta bordos arredondados.
11. Utilização de acordo com a reivindicação 10, em que o referido topo arredondado ou os referidos bordos arredondados apresentam um raio de curvatura, tipicamente, de 40 pm a 100 pm e, de modo preferido, de 50 pm a 80 pm.
12. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, em que a largura LR do fundo plano da referida ranhura e a largura LN da base da referida nervura são tais que LR = b .LN com b de 1 a 2 e, de modo preferido, de 1,10 a 1,8.
13. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, em que as referidas nervuras e o referido fundo plano das referidas ranhuras se ligam com um raio de curvatura tipicamente inferior a 50 pm e, de modo preferido, inferior a 20 pm.
14. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, em que o factor de Cavallini é, pelo menos, igual a 4,0. 3
15. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, em que os tubos compreendem ainda, uma ranhuragem axial criando nas referidas nervuras entalhes de perfil tipicamente triangular de topo arredondado, apresentando o referido topo um ângulo γ de 25 a 65°, estando a referida parte inferior ou de topo a uma distância h do fundo das referidas ranhuras de 0 a 0,2 mm.
16. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, em que os tubos são em cobre e ligas de cobre, alumínio e ligas de alumínio.
17. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, em que os tubos foram obtidos por ranhuragem de tubos, ou eventualmente, por ranhuragem em plano de uma banda metálica seguida da formação de um tubo soldado.
18. Utilização de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 17, para aparelhos de ar condicionado reversíveis e permutadores multitubulares como arrefecedores. Lisboa, 24 de Junho de 2013 4