ES2255681T3

ES2255681T3 - Tubos de transferencia de calor, incluyendo metodos de fabricacion y utilizacion de los mismos.

Info

Publication number: ES2255681T3
Application number: ES03747052T
Authority: ES
Inventors: Peter Thors; Tommy Tyler
Original assignee: Wolverine Tube Inc
Current assignee: Wolverine Tube Inc
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2006-07-01
Anticipated expiration: 2023-04-21
Also published as: NO20035705D0; EP1502067B1; ZA200408495B; CA2495772A1; PL202538B1; PT1502067E; IL201783A; JP4395378B2; DE60303306D1; KR20050016352A; EP1502067A1; DE60303306T2; US7178361B2; ATE316234T1; AU2003231750C1; KR101004833B1; DK1502067T3; JP2005523414A; IL164351A; US20050126215A1

Abstract

Un tubo (10) de transferencia de calor, adecuado para ser utilizado en un evaporador de refrigerante, que comprende: una superficie exterior (30), de tal modo que dicha superficie exterior comprende una pluralidad de aletas helicoidales (50) que se extienden radialmente hacia fuera y están provistas de canales (52) que se extienden entre aletas adyacentes, habiéndose dotado dichas aletas de una forma que define cavidades de ebullición en núcleos o nucleada principal (72) y secundaria (74), caracterizado por que las aletas están acanaladas para definir ranuras (64); se ha formado al menos un poro (55) de ebullición en núcleos, en la intersección de una de dichas ranuras y uno de dichos canales; las aletas ranuradas se han doblado de tal manera que las aletas adyacentes forman aberturas de poro que se extienden desde dichas cavidades (72) de ebullición nucleada principales; y las aletas se han doblado adicionalmente sobre sí mismas de manera que definan dichas cavidades (74) de ebullición nucleada secundarias.

Description

Tubos de transferencia de calor, incluyendo métodos de fabricación y utilización de los mismos.

Campo de la invención

La presente invención se refiere generalmente a tubos de transferencia de calor, a su método de formación y a su uso. Más particularmente, la presente invención se refiere a un tubo de ebullición mejorado, a un método de fabricación y al uso de ese tubo en un evaporador de refrigerante o enfriador mejorado.

Antecedentes de la invención

Uno de los dispositivos componentes de los sistemas de acondicionamiento de aire y refrigeración industrial es un evaporador de refrigerante o enfriador. En términos sencillos, los enfriadores extraen calor de un medio de enfriamiento que entra en la unidad, y suministran medio de enfriamiento refrescado al sistema de acondicionamiento de aire o de refrigeración para llevar a cabo el enfriamiento de una estructura, dispositivo o área dada. Los evaporadores de refrigerante o enfriadores se sirven de un refrigerante líquido u otro fluido de trabajo para llevar a cabo esta tarea. Los evaporadores de refrigerante o enfriadores hacen descender la temperatura de un medio de enfriamiento, tal como el agua (o algún otro fluido), por debajo de la que podría obtenerse de las condiciones ambientales para uso por parte del sistema de acondicionamiento de aire o de refrigeración.

Uno de los tipos de enfriador es el enfriador inundado. En las aplicaciones de enfriador inundado, una pluralidad de tubos de transferencia de calor se sumergen por completo en una cubeta o balsa de un refrigerante de ebullición de dos fases. El refrigerante es, a menudo, un hidrocarburo clorado-fluorado (esto es, un "Freón") que tiene una temperatura de ebullición especificada. Un medio de enfriamiento, a menudo, agua, es tratado por parte del enfriador. El medio de enfriamiento entra en el evaporador y es suministrado a la pluralidad de tubos, que están sumergidos en un refrigerante líquido de ebullición. Como resultado de ello, tales tubos se conocen por lo común como "tubos de ebullición". El medio de enfriamiento que pasa a través de la pluralidad de tubos es enfriado a medida que cede su calor al refrigerante de enfriamiento. El vapor procedente del refrigerante de ebullición es suministrado a un compresor que comprime el vapor hasta una presión y una temperatura más altas. El vapor a presión y temperatura elevadas se conduce entonces a un condensador en el que se condensa para su retorno en última instancia, a través de un dispositivo de expansión, al evaporador para reducir la presión y la temperatura. Los expertos medios en la técnica apreciarán que lo anterior se produce ajustándose al ciclo de refrigeración bien conocido.

Se conoce que el rendimiento de la transferencia de calor de un tubo de ebullición sumergido en un refrigerante puede mejorarse mediante la formación de aletas en la superficie exterior del tubo. Se conoce también la práctica de mejorar la capacidad de transferencia de calor de un tubo de ebullición modificando la superficie interna del tubo que entra en contacto con el medio de enfriamiento. Un ejemplo de dicha modificación en la superficie interna del tubo se muestra en la Patente norteamericana Nº 3.847.212, de Wither, Jr. et al., que preconiza la formación de nervaduras en la superficie interior de un tubo.

Se conoce adicionalmente el hecho de que las aletas pueden ser modificadas para mejorar adicionalmente la capacidad de transferencia de calor. Por ejemplo, ha llegado a hacerse referencia a algunos tubos de ebullición como tubos de ebullición en núcleos o nucleada. La superficie exterior de los tubos de ebullición en núcleos se forma con el fin de producir múltiples cavidades o poros (a los que se hace referencia a menudo como lugares de ebullición o formación de núcleos) que proporcionan las aberturas que permiten que se formen en su interior pequeñas burbujas de vapor de refrigerante. Las burbujas de vapor tienden a formarse en la base o raíz del lugar de la formación núcleos o nucleación, y crecen en tamaño hasta que se desprenden y escapan de la superficie exterior del tubo. Al desprenderse y escapar, el espacio vacante es ocupado por refrigerante líquido adicional y el proceso se repite para formar otras burbujas de vapor. De esta manera, el refrigerante líquido se elimina por ebullición o vaporización en una pluralidad de lugares de ebullición nucleada proporcionados en la superficie exterior de los tubos metálicos.

La Patente norteamericana Nº 4.660.630, de Cunningham et al., muestra cavidades o poros de ebullición en núcleos, formadas practicando ranuras o acanaladuras hasta obtener aletas sobre la superficie exterior del tubo. Las ranuras se forman en una dirección esencialmente perpendicular al plano de las aletas. La superficie interna del tubo incluye nervaduras helicoidales. Esta Patente describe también una operación de acanalado transversal que deforma las puntas de las aletas de tal modo que se forman cavidades (o canales) de ebullición en núcleos o nucleada que tienen una mayor anchura que las aberturas de la superficie. Esta construcción permite a las burbujas de vapor desplazarse hacia fuera a través de la cavidad, hacia y a través de las aberturas de la superficie, más estrechas, lo que incrementa adicionalmente la capacidad de transferencia de calor. Se han comercializado por parte de la Wolverine Tube, Inc. diversos tubos producidos de acuerdo con la Patente de Cunningham et al., bajo la marca comercial TURBO-B®. En otro tubo de ebullición en núcleos, comercializado bajo la marca comercial TURBO-BII®, las ranuras se forman en un ángulo agudo con el plano de las aletas.

En algunos tubos de transferencia de calor, las aletas se enrollan sobre sí mismas y/o se aplanan una vez que han sido formadas, con el fin de producir espacios de separación estrechos que se superponen a las cavidades o canales más grandes definidos por las raíces de las aletas y los lados de los pares adyacentes de aletas. Ejemplos de ello incluyen los tubos de las siguientes Patentes de los Estados Unidos: la Patente norteamericana de Cunningham et al. Nº 4.660.630, la Patente norteamericana de Zohler Nº 4.765.058, la Patente norteamericana de Zohler Nº 5.054.548, la Patente norteamericana de Nishizawa et al. Nº 5.186.252 y la Patente norteamericana de Chiang et al. Nº 5.333.682.

Se ha constatado en la técnica anterior el control de la densidad y tamaño de los poros de ebullición en núcleos. Es más, se ha considerado también en la técnica anterior la interrelación existente entre el tamaño del poro y el tipo de refrigerante. Por ejemplo, la Patente norteamericana Nº 5.146.979, de Bohler, preconiza el incremento del rendimiento con el uso de refrigerantes a más alta presión mediante el empleo de tubos que tienen poros de ebullición nucleada con un tamaño comprendido entre 0,14 y 0,28 mm^{2} (entre 0,000220 pulgadas cuadradas y 0,000440 pulgadas cuadradas) (siendo el área total de los recovecos del 14% al 28% del área total de la superficie exterior). En otro ejemplo, la Patente norteamericana Nº 5.697.430, de Thors et al., describe también un tubo de transferencia de calor que tiene una pluralidad de aletas helicoidales que se extienden radialmente hacia fuera. La superficie interna del tubo está provista de una pluralidad de nervaduras helicoidales. Las aletas de la superficie exterior se encuentran ranuradas al objeto de proporcionar lugares de ebullición nucleada provistos de poros. Las aletas y las ranuras están separadas entre sí para proporcionar poros que tienen un área promedio menor que 0,06 mm^{2} (0,00009 pulgadas cuadradas) y una densidad de poros de al menos 3,1 mm^{-2} (2.000 por pulgada cuadrada) de la superficie exterior del tubo. Las nervaduras helicoidales situadas en la superficie interna presentan una altura y paso predeterminados de las nervaduras, y están colocadas en un ángulo de hélice predeterminado. Los tubos fabricados de acuerdo con las invenciones de esa Patente han sido ofrecidos y vendidos bajo la marca comercial TURBO-BIII®.

La industria continúa explorando nuevos y mejores diseños con los que mejorar la transferencia de calor y el rendimiento de los enfriadores. Por ejemplo, la Patente norteamericana Nº 5.333.682 describe un tubo de transferencia de calor que tiene una superficie externa configurada tanto para proporcionar un área incrementada de la superficie externa del tubo, como para proporcionar cavidades reentrantes como lugares de formación de núcleos para promover la ebullición en núcleos. De forma similar, la Patente norteamericana Nº 6.167.950 describe un tubo de transferencia de calor para uso en un condensador, que tiene superficies ranuradas y aleteadas o dotadas de aletas, configuradas para favorecer el drenaje de refrigerante desde la aleta. Como se muestra con tales desarrollos de la técnica, sigue siendo un objetivo incrementar el rendimiento de la transferencia de calor de los tubos de ebullición en núcleos al tiempo que se mantienen en niveles mínimos el coste de fabricación y los costes de funcionamiento del sistema de refrigeración. Estos objetivos incluyen el diseño de tubos y enfriadores más eficientes, así como de métodos de fabricación de tales tubos. Consistentemente con tales objetivos, la presente invención está encaminada a mejorar el rendimiento de los tubos de intercambio de calor en general, y, en particular, el rendimiento de los tubos de intercambio de calor que se utilizan en enfriadores inundados o en aplicaciones de caída en película.

El documento US 4.602.681, de Daikoku et al., describe superficies de transferencia de calor provistas de múltiples capas. En una realización, una pared de transferencia de calor tiene celdas alargadas a modo de túnel, definidas por aletas exteriores que tienen, dentro de ellas, aletas formadas en sus secciones medias.

El documento JP 03230094 (de Mitsubishi Materials Corporation) se refiere a un medio de transferencia de calor de metal poroso recubierto electrolíticamente, que incorpora una pluralidad de primeros rebajes cilíndricos, relativamente estrechados en sus aberturas, y de segundos rebajes, de diámetro más pequeño y formados, respectivamente, en los fondos de los primeros rebajes.

Sumario de la invención

La presente invención supone una mejora sobre los tubos de intercambio de calor y los evaporadores de refrigerante anteriores, al formar y proporcionar cavidades de ebullición en núcleos mejoradas, de acuerdo con las reivindicaciones, a fin de incrementar la capacidad de intercambio de calor del tubo y, de resultas de ello, el rendimiento de un enfriador que incluya uno o más de tales tubos. Ha de comprenderse que una realización preferida de la presente invención comprende o incluye un tubo que tiene al menos una cavidad o poro de ebullición de doble cavidad. Si bien los tubos que se describen aquí resultan especialmente eficaces en su uso en aplicaciones de ebullición que se sirven de refrigerantes a alta presión, éstos pueden utilizarse con refrigerantes a baja presión.

La presente invención comprende un tubo de transferencia de calor mejorado. El tubo de transferencia de calor mejorado de la presente invención es adecuado para aplicaciones de ebullición o evaporación de caída en película en las que la superficie exterior del tubo entra en contacto con un refrigerante líquido en ebullición. En una realización preferida, se ha formado, en la superficie exterior del tubo, una pluralidad de aletas helicoidales que se extienden radialmente hacia fuera. Las aletas están ranuradas y las puntas dobladas sobre sí mismas para formar cavidades de ebullición en núcleos. Las raíces de las aletas pueden estar ranuradas para incrementar el volumen o tamaño de las cavidades de ebullición en núcleos. Las superficies superiores de las aletas están dobladas sobre sí mismas y enrolladas o rizadas para formar segundas cavidades de poro. La configuración resultante define poros o canales de doble cavidad para una producción mejorada de burbujas de vaporización. La superficie interna del tubo puede ser también mejorada, tal como mediante la disposición de nervaduras helicoidales a lo largo de la superficie interna, a fin de facilitar adicionalmente la transferencia de calor entre el medio de enfriamiento que fluye a través del tubo, y el refrigerante en el que el tubo puede ser sumergido. Por supuesto, la presente invención no está limitada por ninguna mejora concreta de la superficie
interna.

La presente invención comprende adicionalmente un método para formar un tubo de transferencia de calor mejorado. Una realización preferida del método inventado incluye las etapas de formar, sobre la superficie exterior del tubo, una pluralidad de aletas que se extienden radialmente hacia fuera, y doblar las aletas sobre la superficie exterior del tubo, ranurar las aletas y doblar el material sobrante o remanente (que queda entre las ranuras) para formar lugares de ebullición nucleada de doble cavidad, que mejoran la transferencia de calor entre el medio de enfriamiento que fluye a través del tubo y el refrigerante en ebullición en el que el tubo puede estar sumergido.

La presente invención comprende adicionalmente un evaporador de refrigerante mejorado. El evaporador mejorado, o enfriador, incluye al menos un tubo confeccionado de acuerdo con la presente invención, que resulta adecuado para aplicaciones de ebullición o evaporación de caída en película. En una realización preferida, el exterior del tubo incluye una pluralidad de aletas que se extienden radialmente hacia fuera. Las aletas están ranuradas. Las aletas están dobladas con el fin de incrementar las áreas de superficie disponible en las que puede tener lugar la transferencia de calor, y formar lugares de ebullición nucleada de doble cavidad, con lo que se mejora el rendimiento de la transferencia de calor.

La presente invención proporciona, de esta forma, un tubo de transferencia de calor mejorado. El tubo de transferencia de calor mejorado puede ser adecuado para aplicaciones tanto inundadas como de evaporador de caída en película. Preferiblemente, el tubo de transferencia de calor mejorado define al menos un lugar de ebullición nucleada de doble cavidad.

La presente invención proporciona ventajosamente un método para la fabricación de un tubo de transferencia de calor para aplicaciones de ebullición y de caída en película, en el que al menos un lugar de ebullición nucleada de doble cavidad se encuentra situado en la superficie exterior del tubo, a fin de mejorar la capacidad de transferencia de calor del tubo.

En realizaciones ventajosas, las aletas formadas sobre la superficie exterior del tubo han sido dobladas para proporcionar un área superficial adicional para la vaporización por convección, al objeto de mejorar con ello la capacidad de transferencia de calor del tubo.

Pueden llevarse a cabo de una sola pasada mejoras superficiales aplicadas a la superficie exterior del tubo por medio de equipo de formación de aletas.

Es posible también aplicar mejoras superficiales a la superficie interna del tubo, que faciliten el flujo de líquido dentro del tubo, incrementen el área de la superficie interna y faciliten el contacto entre el líquido y el área superficial interna, de tal manera que se mejore aún más la capacidad de transferencia de calor del tubo.

En algunas realizaciones de la invención, las aletas pueden estar dobladas para definir lugares de ebullición nucleada de múltiples cavidades.

Estas y otras características preferidas y ventajas de la presente invención se pondrán de manifiesto y comprenderán mediante la lectura de la presente Memoria, incluyendo los dibujos que se acompañan.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una ilustración de un evaporador de refrigerante que incorpora la presente invención.

La Figura 2 es una vista en corte transversal axial, aumentada y parcialmente recortada, de un tubo de transferencia de calor que incorpora la presente invención.

La Figura 3 es una ilustración en corte transversal axial, aumentada y parcialmente recortada, de una realización preferida de un tubo de transferencia de calor de acuerdo con la presente invención.

La Figura 4 es una microfotografía de la superficie exterior del tubo de la Figura 2, después del doblamiento de las aletas.

La Figura 5 es un corte transversal tomado a lo largo de la línea 3-3 de la Figura 4.

La Figura 6 es un corte transversal tomado a lo largo de la línea 4-4 de la Figura 4.

La Figura 7 es una microfotografía de una superficie exterior de un tubo de transferencia de calor que incorpora la presente invención, subsiguientemente a la formación de ranuras en las raíces y en las aletas, pero antes del doblamiento de las aletas.

La Figura 8 es una representación esquemática de la superficie exterior del tubo de la Figura 3.

La Figura 9 es un gráfico que compara un índice de eficacia para un tubo que incorpora la presente invención y para un tubo de intercambio de calor confeccionado de acuerdo con las invenciones que se describen en la Patente norteamericana Nº 5.697.430.

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La Figura 10 es un gráfico que compara el rendimiento de la transferencia interna de calor de un tubo que incorpora la presente invención, y el de un tubo de intercambio de calor fabricado de acuerdo con las invenciones que se describen en la Patente norteamericana Nº 5.697.430.

La Figura 11 es un gráfico que compara la caída de presión o pérdida de carga de un tubo que incorpora la presente invención, y la de un tubo de intercambio de calor confeccionado de acuerdo con las invenciones descritas en la Patente norteamericana Nº 5.697.430.

La Figura 12 es un gráfico que compara el coeficiente total de transferencia de calor, U_{o}, del refrigerante HFC-134a para flujos de calor variables, Q/A_{o}.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Haciendo referencia en detalle, a continuación, a los dibujos, en los cuales los mismos números de referencia indican partes análogas en todos ellos, la Figura 1 muestra, generalmente con la referencia numérica 10, una pluralidad de tubos de transferencia de calor que incorporan la presente invención. Los tubos 10 están contenidos dentro de un evaporador 14 de refrigerante. Los tubos individuales 10a, 10b y 10c son representativos, como así lo apreciarán los expertos medios, de los posibles cientos de tubos 10 que están contenidos por lo común en el evaporador 14 de un enfriador. Los tubos 10 pueden estar asegurados de cualquier forma adecuada para llevar a efecto las invenciones tal y como aquí se describen. El evaporador 14 contiene un refrigerante en ebullición 15. El refrigerante 15 se suministra al evaporador 14 desde un condensador, pasando al interior de una envuelta 18 por medio de una abertura 20. El refrigerante en ebullición 15 contenido en la envuelta 18 se encuentra en dos fases: líquido y vapor. El vapor de refrigerante escapa de la envuelta 18 del evaporador a través de una abertura de salida 21 de vapor. Los expertos medios apreciarán que el vapor de refrigerante es suministrado a un compresor, en el que es comprimido hasta obtener un vapor de más alta temperatura y presión, para uso ajustándose al ciclo de refrigeración conocido.

Dentro de la envuelta 18 se coloca y suspende, de cualquier forma adecuada, una pluralidad de tubos de transferencia de calor 10a-c, que se describen aquí con mayor detalle. Por ejemplo, los tubos 10a-c pueden estar soportados por placas de pantalla y similares. Tal construcción o estructura de evaporador de refrigerante es conocida en la técnica. Un medio de enfriamiento, a menudo agua, entra en el evaporador 14 a través de una abertura de entrada 25 y pasa al interior de un depósito de entrada 24. El medio de enfriamiento, que entra en el evaporador 14 en un estado relativamente calentado, es suministrado desde el depósito 24 al interior de la pluralidad de tubos 10a-c de intercambio de calor, en los que el medio de enfriamiento cede su calor al refrigerante en ebullición 15. El medio de enfriamiento enfriado pasa a través de los tubos 10a-c y sale de los tubos para pasar al interior de un depósito de salida 27. El medio de enfriamiento refrescado sale del evaporador 14 a través de una abertura de salida 28. Los expertos medios apreciarán que el evaporador inundado 14 proporcionado a modo de ejemplo no es sino un ejemplo de un evaporador de refrigerante. Se conocen y utilizan en el sector diversos tipos diferentes de evaporadores, incluyendo el evaporador sobre enfriadores de absorción, así como los que se emplean en aplicaciones de caída en película. Se apreciará adicionalmente, por parte de los expertos medios, que la presente invención es aplicable a enfriadores y evaporadores en general, y que la presente invención no está limitada a marcas o tipos.

La Figura 2 es una vista en planta, aumentada y recortada, de un tubo representativo 10. La Figura 3, que es una vista en corte transversal y aumentada de un tubo preferido 10, se toma en consideración de manera inmediata en combinación con la Figura 2. Haciendo referencia, en primer lugar, a la Figura 2, el tubo 10 define una superficie exterior generalmente con la referencia numérica 30, y una superficie interna generalmente con la referencia 35. La superficie interna está, preferiblemente, provista de una pluralidad de nervaduras 38. Los expertos medios de la técnica constatarán que la superficie interna del tubo puede ser lisa o puede tener nervaduras y acanaladuras, o bien puede estar resaltada o dotada de relieve de otra manera. Así pues, ha de comprenderse que la realización presentemente descrita, si bien muestra una pluralidad de nervaduras, no es limitativa de la invención.

Volviendo a la realización proporcionada a modo de ejemplo, las nervaduras 38 situadas sobre la superficie interna 35 del tubo tienen un paso o distancia de separación "p", una anchura "b" y una altura "e", cada una de las cuales se determina según se muestra en la Figura 3. El paso "p" define la distancia entre las nervaduras 38. La altura "e" define la distancia entre el techo 39 de una nervadura 38 y la parte más inferior de la nervadura 38. La anchura "b" se mide en los bordes exteriores más superiores de la nervadura 38, donde se produce el contacto con el techo 39. Un ángulo de hélice "\theta" se mide desde el eje del tubo, según se indica también en la Figura 3. Así pues, ha de comprenderse que la superficie interna 35 del tubo 10 (de la realización que se proporciona a modo de ejemplo) está provista de nervaduras helicoidales 38, y que estas nervaduras tienen una altura y un paso o distancia de separación de nervaduras predeterminados, y se encuentran alineadas en un ángulo de hélice predeterminado. Dichas mediciones o parámetros predeterminados pueden variarse según se desee, dependiendo de la aplicación particular. Por ejemplo, la Patente norteamericana Nº 3.847.212, de Withers, Jr., preconizaba un número relativamente bajo de nervaduras, con un paso relativamente grande (8,46 mm, 0,333 pulgadas) y un ángulo de hélice relativamente grande (51º). Estos parámetros se seleccionan preferiblemente con el fin de mejorar el rendimiento de la transferencia de calor del tubo. La formación de tales mejoras de la superficie interior es bien conocida para los expertos medios de la técnica y no necesita ser descrita con detalle adicional, además de como ya se ha descrito aquí. Ha de constatarse, por ejemplo, que la Patente norteamericana Nº 3.847.212, de Withers, Jr. et al., describe un método de formación y de conformación de mejoras en la superficie interior.

La superficie exterior 30 de los tubos 10 es, convencionalmente, lisa en un principio. De esta forma, se comprenderá que la superficie exterior 30 se deforma o mejora subsiguientemente con el fin de proporcionar una pluralidad de aletas 50 que, a su vez, proporcionen, tal y como se ha descrito aquí en detalle, múltiples lugares 55 de ebullición nucleada de doble cavidad. Si bien la presente invención se describe en detalle refiriéndose a poros de formación de núcleos de doble cavidad, ha de comprenderse que la presente invención incluye tubos 10 de transferencia de calor que tienen lugares 55 de ebullición en núcleos confeccionados con más de dos cavidades. Estos lugares 55, a los que se hace referencia típicamente como cavidades o poros, incluyen unas aberturas 56 proporcionadas sobre la estructura del tubo 10, generalmente sobre o por debajo de la superficie exterior 30 del tubo. Las aberturas 56 funcionan como pequeños sistemas de circulación que dirigen el refrigerante líquido al interior de un bucle o canal, por lo que se permite el contacto del refrigerante con un lugar de formación de núcleos. Las aberturas de este tipo se realizan típicamente por el aleteado o formación de aletas en el tubo, con lo que se forman acanaladuras o ranuras generalmente longitudinales en las puntas de las aletas, y se deforma entonces la superficie exterior para producir zonas aplanadas en la superficie del tubo, pero que tienen canales en las zonas de las raíces de las aletas.

Volviendo con mayor detalle a las Figuras 2 y 3, la superficie exterior 30 del tubo 10 se ha formado de modo que tenga una pluralidad de aletas 50 dispuestas sobre la misma. Las aletas 50 pueden haberse formado utilizando una máquina de aleteado convencional, de una manera que se comprende con referencia, por ejemplo, a la Patente norteamericana Nº 4.729.155, de Cunningham et al. El número de árboles o mandriles utilizados depende de factores de fabricación tales como el tamaño del tubo, la velocidad de procesado, etc. Los árboles se montan en incrementos del grado o magnitud apropiado en torno al tubo, y cada uno de ellos se monta, preferiblemente, en un cierto ángulo con respecto al eje del tubo.

Describiendo con un detalle incluso mayor y concentrándose en las Figuras 7 y 8, así como en las Figuras 2 y 3, los discos de aleteado empujan o deforman el metal de la superficie exterior 30 del tubo para formar aletas 50 y acanaladuras o canales 52 relativamente profundos. Como se muestra, los canales 52 están formados entre las aletas 50 y tanto unos como otros son generalmente circunferenciales en torno al tubo 10. Como se muestra en la Figura 3, las aletas 50 tienen una altura que puede ser medida desde la parte más interior 57 de un canal 52 (o una acanaladura) hasta la superficie más exterior 58 de una aleta. Por otra parte, el número de aletas 50 puede variar dependiendo de la aplicación. Si bien no es limitativo, un intervalo preferido para la altura de las aletas se encuentra entre 0,38 y 1,5 mm (entre 0,015 y 0,060 pulgadas), y un cómputo preferido de aletas por mm se encuentra entre 1,6 y 2,8 (entre 40 y 70 aletas por pulgada). Ha de comprenderse, por tanto, que la operación de aleteado o formación de aletas produce una pluralidad de primeros canales 52, tal y como se muestra en las Figuras 7 y 8.

Tras la formación de las aletas, la superficie exterior 58 de cada aleta 50 se ranura con el fin de proporcionar una pluralidad de segundos canales 62. Dicho ranurado puede llevarse a cabo mediante el uso de un disco de ranurado (véase la referencia, por ejemplo, en la Patente norteamericana Nº 4.729.155, de Cunningham). Los segundos canales 62, que están colocados en un cierto ángulo con respecto a los primeros canales 52, se interconectan o unen mutuamente con ellos según se muestra en las Figuras 7 y 8. La operación de ranurado que se describe en la Patente norteamericana Nº 5.697.430 constituye uno de los métodos apropiados para llevar a cabo esta operación de ranurado con el fin de definir los segundos canales 62, y para formar una pluralidad de ranuras 64.

Tras el ranurado, la superficie exterior 58 de las aletas 50 se aplana o dobla sobre sí misma por medio de un disco de compresión (véase, por ejemplo, la referencia en la Patente norteamericana Nº 4.729.155, de Cunningham). Esta etapa aplana o dobla sobre misma la parte superior o cabeza de cada aleta con el fin de crear un aspecto como el mostrado, por ejemplo, en las Figuras 7 y 8. Ha de comprenderse que las anteriores operaciones crean una pluralidad de poros 55 en las intersecciones de los canales 52 y 62. Estos poros 55 definen lugares de ebullición en núcleos, y cada uno de ellos viene definido por un tamaño de poro. Más concretamente, haciendo referencia, en detalle, a la Figura 3, esta primera operación de aplanamiento o doblamiento forma la cavidad de ebullición nucleada fundamental o principal 72.

Tras el aplanamiento, las aletas 50 son enrolladas o dobladas una vez más por medio de una herramienta de enrollamiento. La operación de enrollamiento ejerce una fuerza a través de las aletas 50 y sobre ellas. Las aletas 50 se doblan o enrollan por medio de una herramienta con el fin de que cubran, al menos parcialmente, las ranuras 64 de las aletas y formen, con ello, cavidades de ebullición secundarias 74 entre las aletas dobladas 50 y las ranuras 64 de las aletas. Las cavidades secundarias 74 proporcionan un área de aleta adicional por encima de las cavidades principales 72, con el fin de favorecer una ebullición más convectiva y basada en la formación de núcleos. De esta manera, se forman unos poros 55 en las intersecciones de los canales 52 y 62. Cada poro 55 tiene una abertura de poro, que es el tamaño de la abertura desde el lugar de ebullición o formación de núcleos desde el que se escapa el vapor. La realización preferida de la presente invención define dos cavidades, la cavidad principal 72 y la cavidad secundaria 74, lo que mejora el rendimiento del tubo.

El tubo 10 está, preferiblemente, ranurado en los primeros canales 52 entre las aletas ("zona de raíz de la aleta"), al objeto de formar con ello ranuras de raíz en la superficie de las raíces. El ranurado se lleva a cabo mediante el uso de un disco de ranurado de raíz. Si bien pueden ranurarse en la zona de la raíz de la aleta ranuras de raíz de una variedad de formas y tamaños, es preferible la formación de ranuras de raíz que tengan una forma generalmente trapezoidal. Aunque puede formarse cualquier número de ranuras de raíz en torno a la circunferencia o contorno de cada acanaladura 52, se recomiendan al menos entre 20 y 100, preferiblemente cuarenta y siete (47), ranuras de raíz por cada contorno. Por otra parte, las ranuras de raíz tienen, preferiblemente, una profundidad de ranura de raíz de entre 0,0127 y 0,127 mm, y, preferiblemente, de 0,071 mm (entre 0,0005 pulgadas y 0,005 pulgadas, y, más preferiblemente, de 0,0028 pulgadas).

Las mejoras tanto en la superficie interior 35 como en la superficie exterior 30 del tubo 10 incrementan la eficacia global del tubo al aumentar los coeficientes de transferencia de calor tanto exterior (h_{o}) como interior (h_{i}) y, con ello, el coeficiente global de transferencia de calor (U_{o}), así como al reducir la resistencia total a la transferencia de calor de uno de los lados al otro lado del tubo (R_{T}). Los parámetros de la superficie interior 35 del tubo 10 mejoran el coeficiente interior de transferencia de calor (h_{i}) al proporcionar un incremento en el área superficial con la que puede entrar en contacto el fluido, y permitir asimismo que el fluido situado dentro del tubo 10 se arremoline a medida que atraviesa la longitud del tubo 10. El flujo arremolinado o en torbellino tiende a mantener el fluido en un buen contacto de transferencia de calor con la superficie interior 14, pero evita una turbulencia excesiva que podría dar lugar a un incremento indeseable en la caída de presión.

Por otra parte, la formación de ranuras de raíz en la superficie exterior 30 del tubo y el doblamiento (en oposición al aplanamiento tradicional) de las aletas 50 facilitan la transferencia de calor en el exterior del tubo e incrementan, por tanto, el coeficiente exterior de transferencia de calor (h_{o}). Las ranuras de raíz incrementan el tamaño y el área superficial de las cavidades de ebullición en núcleos, así como el número de lugares de ebullición, y contribuyen a mantener la superficie mojada como resultado de las fuerzas de tensión superficial, que ayudan a promover más ebullición en película delgada allí donde se necesita. El doblado de las aletas da lugar a la formación de unas cavidades adicionales (tales como la cavidad secundaria 74) situadas por encima de cada cavidad principal 72, las cuales pueden servir para transferir calor adicional al refrigerante y a través de la interfase entre líquido y vapor de una burbuja de vapor ascendente que escapa de la cavidad secundaria 74 por medio de la convección y/o la ebullición en núcleos, dependiendo del flujo de calor y del movimiento del líquido / vapor sobre la superficie exterior del tubo. Como apreciará un experto de la técnica, el coeficiente de ebullición exterior es una función tanto de un término de ebullición en núcleos como de una componente de convección. Si bien el término de ebullición nucleada o en núcleos es el que habitualmente más contribuye a la transferencia de calor, el término de convección es también importante y puede llegar a ser sustancial en enfriadores de refrigerante sumergidos.

El tubo 10 de la presente invención mejora en comportamiento, a muchos respectos, el tubo que se describe en la Patente norteamericana Nº 5.697.430 (designado como "Tubo T-BIII®" en las tablas y gráficos que se describen de forma subsiguiente), el cual está considerado en la actualidad el de comportamiento más eficaz en cuanto al rendimiento de evaporación, de entre los tubos extensamente comercializados. Con el fin de hacer posible una comparación del tubo mejorado 10 de la presente invención (designado como "Nuevo tubo" en las tablas y gráficos que se describen subsiguientemente) con el Tubo T-BIII®, se proporciona la Tabla 1 con el propósito de describir las características dimensionales del Nuevo tubo y del Tubo T-BIII®:

TABLA 1 Características dimensionales de tubos de cobre que tienen nervaduras internas con múltiples inicios o arranques

Designación del tubo	Tubo T-BIII®	Nuevo tubo
Nombre del producto	Turbo-BIII®	Turbo-EDE®
Fmm^{-1} = aletas por mm	2,36	1,89
(FPI = aletas por pulgada)	(60)	(48)
Disposición de las aletas	Calandradas	Calandradas
FH = Altura de aleta/mm (pulgadas)	0,546 (0,0215)	0,533 (0,021)
A_{o} = Área exterior verdadera	Desconocida	Desconocida
d_{i} = diámetro interior/mm (pulgadas)	16,38 (0,645)	16,56 (0,652)
e = Altura de las nervaduras/mm (pulgadas)	0,406 (0,016)	0,356 (0,014)
p = Paso axial de las nervaduras/mm (pulgadas)	1,31 (0,0516)	1,16 (0,0457)
N_{RS} = Número de inicios o arranques de nervadura	34	44
I = Interlínea/mm (pulgadas)	44,7 (1,76)	51,1 (2,01)
\theta = Ángulo de interlínea de la nervadura desde el eje (º)	49	45
B = Anchura de la nervadura a lo largo del eje/mm (pulgadas)	0,673 (0,0265)	0,467 (0,0184)

La Tabla 2 compara el rendimiento interno del Tubo nuevo con el del Tubo T-BIII. Ambos tubos se han comparado para un caudal de flujo de agua del lado del tubo constante de 0,32 l\cdots^{-1} (5 GPM) y una temperatura media del agua constante de 10ºC (50ºF). Las comparaciones de la Tabla 2 se han basado en tubos con un diámetro exterior nominal de 19,1 mm (3/4 de pulgada).

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TABLA 2 Características de rendimiento del lado del tubo de tubos de cobre experimentales que tienen nervaduras internas con múltiples arranques

	Tubo T-BIII	Nuevo tubo
u = Velocidad del agua dentro del tubo/m\cdots^{-1} (pies/s)	1,49 (4,89)	1,46 (4,78)
C_{i} = Constante de coeficiente interno de transferencia de	0,075	0,077
calor (de resultados de ensayo)
f_{D} = Factor de rozamiento (Darcy)	0,0624	0,0623
\Deltap_{e}/N\cdotm^{-3} = Caída de presión por unidad de longitud	0,0417	0,0394
	(0,187)	(0,177)
St_{e}/St_{s} = Relación de números de Stanton	2,52	2,59
(con relieve/liso)
\Deltap_{e}/\Deltap_{s} = Relación de caídas de presión	3,34	3,16
(con relieve/liso)
\eta = (St_{e}/St_{s})/(\Deltap_{e}/\Deltap_{s}) = Índice de eficacia	0,78	0,82

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Los datos ilustran la reducción de la caída de presión y el incremento en la eficacia de la transferencia de calor que se consiguen con el Tubo nuevo. Como puede observarse en la Tabla 2 y se ilustra gráficamente en la Figura 11, la relación de caídas de presión (\Deltap_{e}/\Deltap_{s}) con respecto a un tubo de ánima lisa, a un caudal de flujo constante de 0,32 l\cdots^{-1} (5 GPM), es para el Tubo nuevo aproximadamente el 5% menor que para el Tubo T-BIII. También a partir de la Tabla 2 y según se ilustra gráficamente en la Figura 10, puede observarse que la relación de números de Stanton (St_{e}/St_{s}) del Tubo nuevo es aproximadamente el 2% superior que la del Tubo T-BIII®. Las relaciones entre las caídas de presión y los números de Stanton pueden ser combinadas en una relación total de transferencia de calor frente a caída de presión que se define como el "índice de eficacia" (\eta), que es una medida total de la transferencia de calor frente a la caída de presión, en comparación con un tubo de ánima lisa. A 0,32 l\cdots^{-1} (5 GPM) el índice de eficacia \eta para el Tubo nuevo es 0,82 y para el Tubo T-BIII® es 0,78, lo que da lugar a una mejora de aproximadamente el 5% con el Tubo nuevo, tal como se ilustra gráficamente en la Figura 9 para este caudal de flujo. A 0,45 l\cdots^{-1} (7 GPM) (condición de funcionamiento habitual) se obtendrá un porcentaje de mejora más
alto.

La Tabla 3 compara los rendimientos exteriores del Tubo nuevo y del Tubo T-BIII®. Los tubos tienen una longitud de 2,44 m (ocho pies) y cada uno de ellos está suspendido independientemente dentro de una balsa o cubeta de refrigerante a una temperatura de 14,61ºC (58,3 grados Fahrenheit). La velocidad de flujo del agua se mantiene constante a 1,62 m\cdots^{-1} (5,3 pies/s) y la temperatura del agua de entrada es tal, que el flujo de calor promedio para la totalidad de los tubos se mantiene a 22,06 kW\cdotm^{-2} (7.000 Btu/hr\cdotft^{2}), que es constante. Los tubos se han fabricado de material de cobre, tienen un diámetro exterior nominal de 19,1 mm (3/4 de pulgada) y tienen el mismo espesor de pared. Todos los ensayos se han llevado a cabo sin que exista nada de aceite en el seno del refrigerante.

TABLA 3 Características de rendimientos exterior y total de tubos de cobre experimentales que tienen nervaduras internas con múltiples arranques

	Tubo T-BIII	Tubo nuevo
h_{o} = Coeficiente de ebullición promedio basándose en el área	56,7	73,8
exterior nominal para el refrigerante HFC-134A/kW\cdotm^{-2}\cdotK^{-1}	(10.000)	(13.000)
(Btu/hr\cdotft^{2}\cdotºF)
U_{o} = Coeficiente de transferencia de calor promedio	11,1	12,77
basándose en el área exterior nominal para el refrigerante	(1.960)	(2.250)
HFC-134a/kW\cdotm^{-2}\cdotK^{-1} (Btu/hr\cdotft^{2}\cdotºF)

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La Figura 11 es un gráfico que compara el coeficiente total de transferencia de calor, U_{o}, en el refrigerante HFC-134a para flujos de calor diversos, Q/A_{o}, para el Tubo nuevo y el Tubo T-BIII®. Para un flujo de calor de 22,06 kW\cdotm^{-2} (7.000 Btu/hr\cdotft^{2}), la mejora del Tubo nuevo con respecto al Tubo T-BIII® es del 15% para un caudal de flujo de agua de 0,32 l\cdots^{-1} (5 GPM) (tal y como se muestra en la Tabla 3).

Lo anterior se ha proporcionado con el propósito de ilustrar, explicar y describir ciertas realizaciones de la presente invención. Modificaciones y adaptaciones adicionales de estas realizaciones resultarán evidentes para los expertos de la técnica y pueden ser realizadas sin apartarse del ámbito de las siguientes reivindicaciones. De manera adicional, una persona con conocimientos comunes de la técnica constatará que la presente invención proporciona una aleta que tiene un perfil único o singular que crea lugares de ebullición en núcleos o nucleada que tienen múltiples cavidades, tales como una cavidad doble. La presente invención proporciona dicho perfil singular sin eliminar por rasurado ningún metal para crear el poro, y proporciona, por tanto, un método de fabricación mejorado para formar un tubo de transferencia de calor mejorado. Aún adicionalmente, el uso de uno o más de tales tubos en un enfriador inundado da lugar a un rendimiento mejorado del enfriador por lo que respecta a la transferencia de calor. Así pues, la explicación y descripción anteriores de las realizaciones preferidas son a título de ejemplo, y la invención se establece en las reivindicaciones que se acompañan.

Claims

1. Un tubo (10) de transferencia de calor, adecuado para ser utilizado en un evaporador de refrigerante, que comprende:

una superficie exterior (30), de tal modo que dicha superficie exterior comprende una pluralidad de aletas helicoidales (50) que se extienden radialmente hacia fuera y están provistas de canales (52) que se extienden entre aletas adyacentes, habiéndose dotado dichas aletas de una forma que define cavidades de ebullición en núcleos o nucleada principal (72) y secundaria (74),

caracterizado porque

las aletas están acanaladas para definir ranuras (64);

se ha formado al menos un poro (55) de ebullición en núcleos, en la intersección de una de dichas ranuras y uno de dichos canales;

las aletas ranuradas se han doblado de tal manera que las aletas adyacentes forman aberturas de poro que se extienden desde dichas cavidades (72) de ebullición nucleada principales;

y las aletas se han doblado adicionalmente sobre sí mismas de manera que definan dichas cavidades (74) de ebullición nucleada secundarias.

2. Un tubo (10) de transferencia de calor de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el poro (55) de ebullición en núcleos comprende las primera y segunda cavidades (72, 74) de ebullición en núcleos.

3. Un tubo (10) de transferencia de calor de acuerdo con la reivindicación 1 ó la reivindicación 2, en el cual el tubo (10) está ranurado en una zona de raíz de los canales (52) que se extienden entre aletas (50) adyacentes.

4. Un método para fabricar un tubo (10) de transferencia de calor destinado a entrar en contacto con un refrigerante y que comprende una superficie interior (35) destinada a entrar en contacto con un medio de enfriamiento que ha de ser enfriado, de tal modo que el método comprende:

(a) formar una pluralidad de nervaduras helicoidales (38) sobre el lado interno del tubo;

(b) formar una pluralidad de aletas (50) que se extienden radialmente hacia fuera, sobre la superficie exterior del tubo; caracterizado por las etapas de:

(c) ranurar o formar ranuras en dichas aletas (50);

(d) doblar dichas aletas (50) sobre sí mismas para proporcionar una cavidad (72) de ebullición nucleada principal; y

(e) doblar adicionalmente sobre sí mismas dichas aletas para proporcionar una cavidad (74) de ebullición nucleada secundaria.

5. Un método para fabricar un tubo (10) de transferencia de calor, de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual la etapa (d) de doblar sobre sí mismas dichas aletas (50) para proporcionar una cavidad (72) de ebullición nucleada principal comprende aplanar la superficie exterior (58) de las aletas (50).

6. Un método para fabricar un tubo (10) de transferencia de calor, de acuerdo con la reivindicación 5, en el cual la etapa (e) de doblar adicionalmente sobre sí mismas dichas aletas comprende enrollar las aletas (50) de tal manera que se ejerza una fuerza a través de las cabezas aplanadas de las aletas y sobre las mismas.

7. Un evaporador (14) de refrigerante mejorado, que comprende:

una envuelta (18);

un refrigerante (15), contenido dentro de dicha envuelta; y

al menos un tubo (10) de transferencia de calor, contenido dentro de dicha envuelta y sumergido en dicho refrigerante, de tal manera que dicho tubo de transferencia de calor comprende una superficie exterior de la forma definida en cualquiera de las reivindicaciones 1-3.