PT733871E

PT733871E - Tubo permutador para um permutador de calor

Info

Publication number: PT733871E
Application number: PT96103390T
Authority: PT
Inventors: Ulrich Neumann; Martin Schmidt
Original assignee: Km Europa Metal Ag
Priority date: 1995-03-21
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 2000-06-30
Also published as: EP0733871B1; ES2143102T3; EP0733871A1; ATE189518T1; DK0733871T3; DE19510124A1; GR3033193T3; JPH08327273A; US5682946A; DE59604338D1

Description

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DESCRIÇÃO "TUBO PERMUTADOR PARA UM PERMUTADOR DE CALOR" A invenção refere-se a um tubo permutador para um permutador de calor de acordo com as características do preâmbulo da reivindicação 1.

Pertence ao estado da técnica um tubo permutador deste tipo, apresentado pela patente US-Ps 53 32 034. Neste caso, tanto as nervuras como os canais limitados lateralmente pelas nervuras, apresentam respectivamente uma secção transversal trapezoidal. O volume da secção transversal das nervuras é mais ou menos metade do volume da secção transversal dos canais.

As depressões formadas nas nervuras não formadas por laminagem. Nesta, o material das nervuras deformado curva-se para dentro, em arco, no lado de topo das depressões para os canais. Os fundos das depressões ficam a uma certa distância da base dos canais. A fabricação do tubo permutador conhecido faz-se gerando primeiramente, num processo de laminagem em dois estádios, a estrutura interior futura da superfície, de um lado, numa fita metálica, deformando em seguida a fita metálica, para obter um tubo fendido, soldando depois disso os bordos da fenda. A laminagem em dois estádios da estrutura interior da superfície conduz a uma grande despesa de fabrico. São necessárias várias ferramentas de laminagem, que prejudicam a economia do processo. As depressões das nervuras obtêm-se por laminagem sobreposta de uma fracção do volume, existente primeiramente, das nervuras estampadas no primeiro estádio de 1

laminagem. Esta fracção inicial do volume das nervuras distribui-se apenas na vizinhança imediata. Mas não pode obter-se uma diminuição notável do peso métrico.

Além disso, devido às caracteristicas dos lados superiores e dos flancos das nervuras, com superfície planas, na aplicação prática pode chegar-se à formação de películas de condensado difíceis de romper e que atrasam a condensação, de modo que se formam camadas de bloqueio com propriedades de isolamento térmico. Dispõe-se para a evaporação, como embriões de bolhas de vapor, apenas de poucas arestas.

Partindo do estado da técnica, a presente invenção tem por objectivo proporcionar um tubo permutador com uma estrutura interior da superfície, no qual, por um lado, as vantagens de juntar um rendimento de evaporação ou, respectivamente, um rendimento de condensação uniformemente bons, com um peso reduzido das nervuras e, por outro lado, permitir a fabricação do tubo permutador utilizando um processo de estampagem com um único estádio. A solução deste problema é obtida, de acordo com a invenção, com as caracteristicas descritas na reivindicação 1. 0 núcleo da invenção está nessa estrutura interior grosseira da superfície, que apresenta apenas concordâncias arredondadas e evita arestas vivas. Por consequência a estrutura grosseira da superfície exterior pode ser produzida, de maneira particularmente vantajosa, por estampagem por laminagem, num estádio único. Reduz-se deste modo consideravelmente o custo dos aparelhos.

Além disso é agora vantajoso, tendo em vista a intensificação da transmissão de calor entre o fluido que se escoa no tubo permutador e a estrutura grosseira da superfície, que a superfície das nervuras seja provida, até à base dos canais, adicionalmente com uma micro-rugosidade pré- 2

determinada. Isso nota-se em especial no caso da condensação e evaporação de meios refrigerantes, quando o tubo permutador é incorporado num permutador de calor apropriado. 0 volume da secção transversal das nervuras foi reduzido, em favor do aumento do número de nervuras. É deste modo possível aumentar a estrutura da superfície permutadora de calor e portanto melhorar a transmissão do calor. Neste contexto, podem também formar-se nervuras muito finas e portanto canais estreitos. As nervuras arredondadas, no lado da cabeça em especial a vantagem de, quando da introdução de um tubo permutador nas lâminas de um permutador de calor, em especial por alargamento por meio de uma ferramenta que se desloca através do tubo permutador, as partes da cabeça das ripas serem esmagadas apenas de maneira pouco substancial, de modo que desse modo se contraria também a formação de películas de condensado difíceis de romper. Apesar disso, devido à micro-rugosidade devida à grande superfície exterior das nervuras, podem formar-se em grande número, vantajoso para uma evaporação eficaz, de saliências, arestas, pontas e cavidades, como embriões de vapor, sem que para isso seja necessárias grandes quantidades de material.

Também as superfícies exteriores das lâminas podem, se necessário, ser dotadas com uma estrutura grosseira correspondente à estrutura interior do tubo permutador e/ou uma micro-rugosidade. A utilização da invenção faz-se, no caso de tubos permutadores de metal, em especial de cobre ou ligas de cobre. Os tubos permutadores desse género podem ter, por exemplo, uma secção transversal circular ou oval. Os tubos permutadores circulares apresentam, de preferência, um diâmetro exterior de cerca de 6 mm a 20 mm.

Em principio, de acordo com a invenção, pode conceber-se que os planos longitudinais médios das depressões 3

sejam paralelos entre si, mas que estejam desencontrados uns dos outros na direcção longitudinal das nervuras. A forma de realização de acordo com a reivindicação 2, pelo contrário prevê que os planos longitudinais das depressões estejam alinhados com as nervuras adjacentes. A micro-rugosidade das superfícies exteriores pode ser obtida de diversas maneiras. Assim, é concebível, por exemplo, uma rugosidade difusa por meio de corrindo irradiado. É além disso concebível uma incisão da superfície exterior das nervuras, na forma de micro-estrias (reivindicação 3) . Estas micro-estrias estendem-se então, de preferência, paralelamente umas às outras. Mas a sua direcção longitudinal desvia-se da direcção longitudinal das nervuras. A micro-rugosidade pode, além disso, de acordo com a reivindicação 4, ser formada por micro-estrias que se cortam cruzando-se e se desviam da direcção longitudinal das nervuras.

Em vez de micro-estrias contínuas podem no entanto prever-se também depressões pontuais. Podem também dispor-se linearmente ou cruzadas, a uma certa distância umas das outras. A produção da micro-rugosidade pode também fazer-se de diversas maneiras. As características da reivindicação 5 representam aqui uma variante preferida. Neste caso, a micro-rugosidade das superfícies das nervuras é produzida por meio de um jacto de partículas duras, por exemplo de corindo, ou por uma testurização feita por raios laser. É nesse caso possível, ou tratar o material original (fita de chapa) já provido com a estrutura da superfície exterior, de maneira apropriada, ou dotar o próprio cilindro de estampagem com micro-rugosidade desejada, em negativo. É também possível proporcionar um perfil do cilindro de estampagem por meio de erosão por arco voltaico. 4

Estudos internos conduziram a que para a obtenção um rendimento de condensação e evaporação uniformes, de acordo com a reivindicação 6, é vantajoso que a profundidade da micro-rugosidade seja 0,075 mm ou menor.

De acordo com a reivindicação 7, o ângulo dos flancos das nervuras pode ter um valor de 5o a 60°, mas de preferência de 10° a 40°. Deste modo, é possível fabricar um contorno das nervuras muito fino. \ O andamento das nervuras relativamente ao eixo longitudinal do tubo permutador é, de acordo com as características da reivindicação 9, segundo um ângulo de Io a 89°, de preferência 20° a 55°.

Além disso, é razoável que, de acordo com a reivindicação 9, o ângulo formado pela direcção longitudinal das nervuras e os planos médios longitudinais das depressões seja 90° ou menor.

De acordo com a reivindicação 10, é vantajoso que a distância entre duas nervuras adjacentes seja 0,10 mm a 2,0 mm, de preferência de 0,26 mm a 0,6 mm. A altura das nervuras, de acordo com o diâmetro do tubo, segundo a reivindicação 11, tem um valor convenientemente entre 0,03 mm a 1,0 mm, de preferencia entre 0,05 a 0,35 mm.

Portanto é vantajoso que, de acordo com a reivindicação 12, a distância entre duas depressões vizinhas de uma nervura, tenha um valor de preferência entre 0,3 mm a 1,0 mm.

Os fundos das depressões e as bases dos canais, de acordo com a reivindicação 13, não podem situar-se num mesmo plano. A distância mínima dos fundos das depressões às bases dos canais deve ter um valor de pelo menos 0,01 mm. 5

De acordo com as caracteristicas da reivindicação 14, pode no entanto prever-se que os fundos das depressões e as bases dos canais se situem no mesmo plano.

Descreve-se a presente invenção a seguir, com mais pormenor, com referência a exemplos de realização representados nos desenhos, cujas figuras representam: A fig. 1, em perspectiva, um corte longitudinal de um tubo permutador; A fig. 2, numa vista de cima, um corte longitudinal de uma fita de chapa estruturada; A fig. 3, em perspectiva, a secção (III) da fig.2; A fig. 4, numa vista ampliada, um corte transversal feito pela linha (IV-IV) da fig. 2; A fig. 5, um corte longitudinal vertical feito pela linha (V-V) da fig. 4; e

As fig. 6 e 7, na forma de diagramas, uma comparação dos rendimentos de permutadores de calor, num modo de construção coaxial, com diferentes formas de realização dos tubos.

Na fig., (1) designa um troço longitudinal de um tubo permutador, soldado ao longo de uma costura para um permutador de calor, não tendo outros pormenores, para a condensação e a evaporação de meios refrigerantes. 0 tubo permutador (1) com secção transversal exterior e interior circular, possui uma superfície exterior (2) lisa e uma superfície interior (3) estruturada. Para a fixação do tubo permutador (1) numa lâmina de um permutador de calor paralelas entre si e que atravessam os tubos permutadores (1), 6

introduz-se o tubo permutador (1) numa abertura, adaptada ao seu diâmetro exterior, nas lâminas e fixam-se na abertura, por alargamento. Para isso desloca-se através do tubo permutador (1) um mandril, não representado em pormenor.

No exemplo de realização, o tubo permutador (1) tem um diâmetro exterior (D) igual a 9,52 mm. A fabricação do tubo permutador (2) faz-se a partir de uma fita de chapa de cobre, plana dos dois lados, não representada em pormenor. A fita de chapa é sujeita a um processo de estampagem por laminagem num só estádio, mantendo-se, de acordo com a representação das fig. 2 e 3, um lado da fita de chapa (4) lisa (a superfície exterior (2) futura do tubo permutador (1) ) e a outra face provida com uma superfície exterior estruturada (a futura face interior (3) do tubo permutador (1). Apenas as zonas marginais (5) da fita de chapa (4) (fig. 2), que se destinam à soldadura, ficam não estruturadas. Depois da estampagem por laminagem, modela-se a fita de chapa (4) para formar um tubo fendido e solda-se depois numa junta de soldadura longitudinal e corta-se em comprimentos determinados. A estrutura da superfície interior (3) do tubo permutador (1) vai descrever-se a seguir, com referência às fig. 1 a 5.

Essa estrutura compreende nervuras (7) (fig. 2 e 7), dispostas paralelamente, formando um ângulo α de 45° com o eixo longitudinal (6) do tubo permutador, com flancos (8) inclinados (fig. 3 e 4) . 0 ângulo β dos flancos das nervuras (7) tem, no exemplo de realização, o valor de 20° e uma distância (A) entre duas nervuras vizinhas (7) igual a 0,35 mm (fig. 2 e 4) . A sua altura é 0,30 mm (fig. 4), a secção de base (9) que liga as nervuras na zona inferior tem uma espessura (Dl) de 0,30 mm (fig. 5). 7

Além disso, a partir das fig. 3 e 4 pode ver-se que, tanto as zonas superiores (10) das nervuras (7), como as concordância (11) com os flancos (8), na base dos canais (12), são arredondadas. O volume da secção transversal das nervuras (7) é menor que o volume da secção transversal dos canais (13) entre as nervuras (7).

Como se ilustra em especial nas fig. 3 e 5, cada uma das nervuras (7) tem uma configuração de pente com dentes sinusoidais. Devido a esta configuração de pente ondulado sinusoidal, das nervuras, na sua direcção longitudinal (LR), formam-se nas nervuras (7) depressões (14) que se estendem transversalmente. Como, neste contexto, a fig. 3 mostra, as depressões (14) de nervuras (7) contíguas estão dispostas formando um ângulo y de 45° com o eixo longitudinal (6) do tubo permutador, alinhadas uma a seguir às outras. O ângulo formado entre a direcção longitudinal (LR) da fig. 7 e o plano longitudinal médio (MLE) das depressões (14), o ângulo δ é igual a 90°. A distância (Al) entre duas depressões (14) vizinhas de uma nervura, na direcção longitudinal, é igual a 0,50 mm (fig. 2 e 5) e a distância (A2) entre os fundos (15) das depressões e as bases dos canais (12) é igual a 0,01 mm. As depressões (14) têm uma profundidade (Tl) igual a 0,25 mm (fig. 4 e 5).

Como pode ver-se na fig. 5, numa representação deliberamente exagerada do pente ondulado das nervuras (7), as superfícies (8), (10) e (11) das nervuras (7), isto é, as zonas superiores (10), os flancos (8) e as concordâncias (11) dos flancos (8) com as bases (12) dos canais, mas eventualmente também as bases (12) dos canais estão dotados de uma micro-rugosidade (16), cuja profundidade tem o valor de 0,005 mm. A formação da micro-rugosidade (16) faz-se, no exemplo de realização, directamente no caso de estampagem por laminagem. Para isso, o cilindro de estampagem é dotado com uma estrutura 8 difusa da superfície, em negativo, obtida por meio de corindo e que garante a produção da estrutura da superfície exterior na futura superfície interior (3) do tubo permutador (1).

Devido à superfície interior estruturada interior (3), o tubo permutador ilustrado na fig. 1 tem, em comparação não só com um tubo permutador com uma superfície interior lisa, como também com um tubo permutador estriado interiormente, um coeficiente de transmissão do calor k' (W'/mK) substancialmente melhor.

Estes factos podem ver-se a partir dos diagramas das fig. 6 e 7 traçados com base em estudos comparativos, sem necessidade de mais explicações (Fig. 6 .- Condensação, fig. 7 - Evaporação).

Lista de referências 1 Tubo permutador 2 Superfície exterior de (1) 3 Superfície interior de (1) 4 Fita de chapa 5 Zona periférica de (4) 6 Eixo longitudinal de (1) 7 Nervuras 8 Flancos de (7) 9 Secção da base de (4) 10' Zona superior de (7) 11 Concordâncias de (8) com (12) 12 Bases dos canais 13 Canais 14 Depressões 15 Fundos das depressões 16 Micro-rugosidade A Distância entre duas nervuras vizinhas (7) AI Distância entre dois MLE vizinhos, numa nervura (7) Α2 Distância de (12) a (15) D Diâmetro exterior de (1)

Dl Espessura de (9) H Altura de (7) LR Direcção longitudinal de (7) MLE Plano longitudinal médio de depressões (14) directamente vizinhas TI Profundidade de (14) T Profundidade de (16) α Ângulo entre (6) e (7) β Ângulo dos flancos de (7) γ Ângulo de (6) e (MLE)

δ Ângulo entre LR e MLE

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Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Tubo permutador para um permutador de calor, que apresenta uma superfície exterior lisa (2) e uma superfície interior (3) estruturada que é formado nervuras (7) paralelas que se estendem segundo um ângulo (a), diferente de 90°, com o eixo longitudinal (6) do tubo permutador (1), com flancos (8) inclinados, canais (13) delimitados lateralmente pelas nervuras (7) e depressões (14) formadas nas nervuras, estendendo-se transversalmente, estendendo-se o plano longitudinal médio (MLE) das depressões (14) segundo um ângulo (γ) com o eixo longitudinal (6) do tubo permutador (1), caracterizado por as depressões (14) estarem dotadas com uma micro-rugosidade (16) , devido a uma configuração sinusoidal em corte longitudinal da sua superfície exterior (8,10,11), e nervuras arredondadas do lado da sua cabeça, estando os flancos (8) opostos um ao outro, de nervuras (7) vizinhas, ligados por concordâncias (11) com as base (12) dos canais arredondados.
2. Tubo permutador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os planos longitudinais médiòs (MLE) das depressões (14) de nervuras vizinhas se estenderem alinhados.
3. Tubo permutador de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a micro-porosidade (16) das superfícies (8.10.11) das nervuras ser formada por micro-estrias paralelas umas às outras e que se afastam da direcção longitudinal (LR) das nervuras (7) .
4. Tubo permutador de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a micro-rugosidade (16) das superfícies (8.10.11) das nervuras ser formada por micro-estrias que 1

se cortam em forma de cruz, que se afastam da direcção longitudinal (LR) das nervuras (7).
5. Tubo permutador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a micro-rugosidade (16) ser feita por jactos de partículas ou por meio de raios laser.
6. Tubo permutador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 5, caracterizado por a profundidade (T) da micro-rugosidade ter uma dimensão de 0,075 mm ou menor.
7. Tubo permutador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 6, caracterizado por o ângulo (β) dos flanco das nervuras (7) ter um valor compreendido entre 5o e 60°, de preferência entre 10° e 40°.
8. Tubo permutador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 7, caracterizado por a direcção longitudinal (LR) das nervuras (7) se estender segundo um ângulo (a) entre Io e 89°, de preferência entre 20° e 55° com o eixo longitudinal (6) do tubo do permutador (1).
9. Tubo permutador de acordo com qualquer das reivindicações la 8, caracterizado por o ângulo (δ) entre a direcção longitudinal (LR) das nervuras (7) e o plano longitudinal médio (MLE) das depressões (14) ter um valor de 90° e menor.
10. Tubo permutador de acordo com as reivindicações 1 a 9, caracterizado por a distância (A) entre duas nervuras (7) ter um valor de 0,10 mm a 2,0 mm, de preferência de 0,26 mm a 0,6 mm.
11. Tubo permutador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 10, caracterizado por a altura (H) das nervuras (7) ter um valor de 0,03 mm a 1,0 mm, de preferencia de 0,05 mm a 0,35 mm. 2
12. Tubo permutador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 11, caracterizado por a distância (Al) entre duas depressões (14) de uma nervura (7) ter um valor de 0,2 mm a 4,0 mm, de preferência de 0,3 mm a 1,0 mm.
13. Tubo permutador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 12 caracterizado por os fundos (15) das depressões estarem dispostos à distância (A) das bases (12) dos canais.
14. Tubo permutador de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 12, caracterizado por os fundos (15) das depressões estarem colocados no mesmo plano que as bases (12) dos canais. Lisboa, 31 de Março de 2000 /gente oFjcrXj. da propriedade industrial

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