ES2258647T3 - Tubo de transferencia de calor mejorado con superficie interior ranurada. - Google Patents
Tubo de transferencia de calor mejorado con superficie interior ranurada.Info
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Abstract
Un tubo (10) que comprende una superficie interior y una superficie exterior, en el que la superficie interior comprende una pluralidad de aletas primarias (12), y una pluralidad de ranuras (24) definidas por aletas primarias adyacentes, y en el que las aletas primarias están separadas en conjuntos adyacentes por uno o más canales (50) que se extienden a lo largo de la superficie interior del tubo, caracterizado porque una pluralidad de aletas intermedias (26) está posicionada en al menos alguna de la pluralidad de ranuras (24).
Description
Tubo de transferencia de calor mejorado con
superficie interior ranurada.
La presente invención se refiere a tubos de
transferencia de calor que pueden ser usados en intercambiadores de
calor y otros componentes en acondicionadores de aire,
refrigeradores y otros de tales dispositivos. La presente invención
se refiere más particularmente a tubos de transferencia de calor que
tienen superficies interiores ranuradas que forman aletas a lo
largo de la superficie interior de los tubos para mejorar el
comportamiento de la transferencia de calor.
Los tubos de transferencia de calor con
superficies interiores ranuradas se usan básicamente como tubos de
evaporadores o tubos de condensadores en intercambiadores de calor
para acondicionamiento de aire y refrigeración. Se sabe como
proporcionar tubos de transferencia de calor con ranuras y
"aletas" que se alternan sobre sus superficies interiores. Las
ranuras y las aletas colaboran para mejorar la turbulencia de los
medios de transferencia de calor de fluido, tales como los
refrigerantes suministrados dentro del tubo. Esta turbulencia mejora
el comportamiento de la transferencia de calor. Las ranuras y las
aletas proporcionan también área superficial adicional y efectos
capilares para un intercambio de calor adicional. Esta premisa
básica se enseña en la Patente de EE.UU. Nº 3.847.212, de Withers,
Jr. y otros.
Se conoce además en la técnica como proporcionar
tubos de intercambio de calor mejorados interiormente fabricados
mediante diferentes métodos; es decir, tubos sin costura y tubos
soldados. Un tubo sin costura puede incluir también aletas
interiores y ranuras producidas haciendo pasar un miembro ranurado
circular a través del interior del tubo sin costuras para crear
aletas sobre la superficie interior del tubo. No obstante, la forma
y altura de las aletas resultantes están limitadas por el contorno
del miembro circular y el método de formación. Consecuentemente, el
potencial de transferencia de calor de tales tubos es también
limitado.
Un tubo soldado, no obstante, se fabrica
configurando una pieza de trabajo plana en una forma circular y
soldando luego los bordes para formar un tubo. Puesto que la pieza
de trabajo puede ser trabajada antes de la formación cuando es
plana, el potencial para variar la altura, la forma y otros diversos
parámetros de la aleta aumenta. Consecuentemente, el potencial de
transferencia de calor de tales tubos también aumenta.
Este método de formación de tubos se describe en
la Patente de EE.UU. Nº 5.704.424, de Kohn, y otros. Kohn, y otros
describen un tubo de transferencia de calor soldado que tiene una
superficie interior ranurada. En el método de producción descrito y
reivindicado, un material de plancha metálica es redondeado en la
dirección lateral hasta que los bordes laterales son puestos en
contacto uno con otro. En este momento, los dos bordes del material
de la plancha son soldados eléctricamente juntos en una costura para
formar el tubo terminado. Como se expone en la misma, una ventaja de
este método radica en que cualquier aleta o ranura interior puede
ser grabada sobre una cara del tubo mientras la plancha metálica es
todavía plana, permitiendo de ese modo una mayor libertad de
atributos de diseño.
Tal libertad de diseño es una consideración
clave en el diseño del tubo de transferencia de calor. Un objetivo
ordinario es el incremento de las características de intercambio de
calor cambiando los modelos, formas y tamaños de las ranuras y
aletas de un tubo. Con esta finalidad, los fabricantes de tubos han
invertido mucho experimentando con diseños alternativos. Por
ejemplo, la Patente de EE.UU. Nº 5.791.405, de Takiura y otros,
describe tubos de transferencia de calor con superficies interiores
ranuradas divididas en regiones circunferenciales, con aletas en
cada región que están inclinadas formando diferentes ángulos con el
eje del tubo. En ciertas realizaciones, la dirección de inclinación
se invierte entre regiones y se forman salientes a lo largo de los
contornos inversos.
Las Patentes de EE.UU. Núms. 5.332.034 y
5.458.191, de Chiang y otros, y la Patente de EE.UU. Nº 5.975.196,
de Gaffaney y otros, describen una variación de este diseño a la que
se hace referencia en esta solicitud como un diseño de corte
cruzado. Las aletas se forman en la superficie de tubo interior con
un primer rodillo de grabación en relieve. Un segundo rodillo de
grabación efectúa entonces cortes o muescas en sentido transversal
sobre y a través de las aletas. Este procedimiento es costoso pues
se requieren al menos dos rodillos grabadores para formar el diseño
de corte cruzado. Además, las aletas descritas en todos los diseños
de estas patentes están separadas por ranuras o senos vacíos.
Ninguno de los diseños explota esta área vacía para mejorar las
características de transferencia de calor de los tubos.
Los documentos
JP-A-2-280933 y US
6000466 (figura 15a) describen tubos de transferencia de calor cuyas
superficies interiores comprenden una pluralidad de aletas
primarias, una pluralidad de aletas intermedias y una pluralidad de
ranuras definidas por aletas primarias adyacentes, en los que la
pluralidad de aletas intermedias está posicionada en al menos
algunas de la pluralidad de ranuras y con relación a las aletas
primarias para obtener un modelo de tipo rejilla.
Aunque estos diseños de la superficie interior
del tubo tratan de mejorar las prestaciones de la transferencia de
calor del tubo, subsiste una necesidad en la industria de continuar
mejorando los diseños de tubo, modificando los diseños existentes y
creando nuevos diseños que mejoren las prestaciones de la
transferencia de calor. Adicionalmente, existe también una necesidad
de crear diseños y modelos que puedan ser transferidos a los tubos
de modo más rápido y económico. Como se describe más adelante, el
solicitante ha desarrollado nuevas geometrías para los tubos de
transferencia de calor y, como un resultado ha mejorado
significativamente las prestaciones de la transferencia de
calor.
Descrito de modo general, la presente invención
comprende un tubo de transferencia de calor mejorado y un método de
configuración del mismo. La superficie interior del tubo, después
del diseño de la presente invención ha sido grabada sobre una
plancha de metal y la plancha configurada y soldada para formar el
tubo, tendrá un conjunto de aletas primario y unos conjuntos de
aletas intermedios posicionados en las áreas situadas entre las
aletas primarias y formando un ángulo con relación a las aletas
primarias. Aunque las aletas intermedias pueden ser usadas con
aletas primarias dispuestas en cualquier modelo, en una realización
preferida del diseño de tubos de la superficie interior, las aletas
intermedias están posicionadas con relación a las aletas primarias
de modo que resulta una apariencia de tipo rejilla. Los ensayos
muestran que las prestaciones de los tubos que tienen diseños de
aletas intermedias de la presente invención han mejorado
significativamente.
El método de la presente invención comprende la
laminación de una plancha metálica plana entre un primer conjunto de
rodillos configurados para crear los diseños de aletas primarios e
intermedios sobre al menos un lado de la plancha. Aunque diseños
anteriores con prestaciones similares usan conjuntos de rodillos
adicionales, los diseños básicos de la presente invención pueden ser
transferidos sobre la plancha usando un único conjunto de rodillos,
reduciendo de ese modo los gastos de fabricación. No obstante,
pueden ser usados posteriores conjuntos de rodillos para impartir
características de diseño adicionales a la plancha. Después de haber
sido transferido el diseño deseado sobre la plancha con los
rodillos, la plancha se configura y suelda en forma de tubo, de modo
que, como mínimo, el diseño de la superficie interior del tubo
resultante incluye las aletas intermedias que contempla la presente
invención.
Un objeto de la presente invención es, por
tanto, proporcionar tubos de transferencia de calor mejorados.
Un objeto más de la presente invención es
proporcionar un nuevo método para configurar tubos de transferencia
de calor mejorados.
Un objeto más de la presente invención es
proporcionar un tubo de transferencia de calor mejorado que tenga
aletas intermedias.
Un objeto más de la presente invención es
proporcionar un método para configurar tubos de transferencia de
calor mejorados que tengan aletas intermedias.
Un objeto más de la presente invención es
proporcionar un tubo de transferencia de calor mejorado con aletas
intermedias que pueda incluir aletas primarias e intermedias de
diferentes alturas, formas, pasos y ángulos.
Un objeto más de la presente invención es
proporcionar un tubo de transferencia de calor mejorado con dos
conjuntos de aletas formados en una operación de laminación.
Un objeto más de la presente invención es
proporcionar un tubo de transferencia de calor mejorado que tenga
al menos dos conjuntos de aletas que tengan cortes cortados en
sentido transversal sobre y al menos parcialmente a través de las
aletas.
Un objeto más de la presente invención es
proporcionar un tubo de transferencia de calor mejorado que tenga
cámaras, formadas, en parte, por las paredes de las aletas
intermedias, para una ebullición nucleada mejorada.
Éstas y otras características, objetos y
ventajas de la presente invención serán evidentes al leer la
descripción detallada siguiente de las realizaciones preferidas,
consideradas en combinación con los dibujos.
La figura 1 es una vista en perspectiva de la
superficie interior de una realización de un tubo de la presente
invención;
la figura 2 es una vista en sección ampliada
tomada en el círculo 2 insertado en la figura 1;
la figura 3 es una vista en planta fragmentaria
de una realización de un tubo de la presente invención extendido
abierto para mostrar la superficie interior del tubo;
la figura 4 es una vista en sección transversal
tomada a lo largo de la línea 4-4 en la figura 3,
que ilustra una realización de las aletas primarias;
la figura 5 es una vista en sección transversal
tomada a lo largo de la línea 5-5 en la figura 3,
que ilustra una realización de las aletas intermedias;
la figura 6 es una vista en sección transversal
similar a las figuras 4 y 5, que muestra una realización alternativa
de la forma de las aletas primarias y/o intermedias;
la figura 7 es una vista en sección transversal
similar a las figuras 4 y 5, que muestra otra realización
alternativa de la forma de las aletas primarias y/o intermedias;
la figura 8 es una vista en sección transversal
similar a las figuras 4 y 5, que muestra otra realización
alternativa de la forma de las aletas primarias y/o intermedias;
la figura 9 es una vista en sección transversal
similar a las figuras 4 y 5, que muestra otra realización
alternativa de la forma de las aletas primarias y/o intermedias;
la figura 10 es una vista en sección transversal
similar a las figuras 4 y 5, que muestra otra realización
alternativa de la forma de las aletas primarias y/o intermedias;
la figura 11 es una vista en sección transversal
similar a las figuras 4 y 5, que muestra otra realización
alternativa de la forma de las aletas primarias y/o intermedias;
la figura 12 es una vista en sección transversal
similar a la figura 5, que muestra otra realización alternativa de
las aletas intermedias;
la figura 13 es una vista en planta fragmentaria
de una realización alternativa de un tubo de la presente invención
extendido abierto para mostrar la superficie interior del tubo;
la figura 14 es una vista en planta fragmentaria
de una realización alternativa de un tubo de la presente invención
que se extiende abierto para mostrar la superficie interior del
tubo;
la figura 15 es una vista en planta fragmentaria
de una realización alternativa de un tubo de la presente invención
extendido abierto para mostrar la superficie interior del tubo;
la figura 16 es una vista en planta fragmentaria
de una realización alternativa de un tubo de la presente invención
extendido abierto para mostrar la superficie interior del tubo;
la figura 17 es una vista en perspectiva
fragmentaria de la superficie interior de una realización
alternativa de un tubo de la presente invención;
la figura 18 es una vista en perspectiva
fragmentaria de la superficie interior de una realización
alternativa de un tubo de la presente invención;
la figura 19 es una vista en perspectiva de los
rodillos de configuración de aletas usados para producir una
realización del tubo de la presente invención;
la figura 20 ilustra una forma de la sección
transversal de un tubo de la presente invención;
la figura 21 ilustra una forma de sección
transversal alternativa de un tubo de la presente invención;
la figura 22 ilustra una forma de sección
transversal alternativa de un tubo de la presente invención;
la figura 23 ilustra una forma de sección
transversal alternativa de un tubo de la presente invención;
la figura 24 ilustra una forma de sección
transversal alternativa de un tubo de la presente invención;
la figura 25 ilustra una forma de sección
transversal alternativa de un tubo de la presente invención;
la figura 26 es un gráfico que ilustra la
transferencia de calor de condensación usando una realización del
tubo de la presente invención con refrigerante
R-22;
la figura 27 es un gráfico que ilustra la caída
de la presión de condensación usando una realización del tubo de la
presente invención con refrigerante R-22;
la figura 28 es un gráfico que ilustra la
transferencia de calor de condensación usando una realización del
tubo de la presente invención con refrigerante
R-407c;
la figura 29 es un gráfico que ilustra la caída
de la presión de condensación usando una realización del tubo de la
presente invención con refrigerante R-407c;
la figura 30 es un gráfico que ilustra la
eficiencia de una realización del tubo de la presente invención con
refrigerante R-407c;
la figura 31 es un gráfico que ilustra la
eficiencia de una realización alternativa del tubo de la presente
invención con refrigerante R-22;
la figura 32 es un gráfico que ilustra la
transferencia de calor de condensación usando realizaciones del
tubo de la presente invención con refrigerante R-22;
y
la figura 33 es un gráfico que ilustra la caída
de la presión de condensación usando realizaciones del tubo de la
presente invención con refrigerante R-22.
Como en los diseños existentes, el diseño de la
superficie interior del tubo 10 de la presente invención, una
realización del cual se ilustra en las figuras 1-3,
incluye un conjunto de aletas primarias 12 que se extienden
paralelas entre sí a lo largo de la superficie interior 20 del tubo
10. La forma de la sección transversal de las aletas primarias 12
puede ser cualquiera, tal como una de las que se describen en las
figuras 6-11, pero preferiblemente es de una forma
triangular, que tenga lados rectos 14 inclinados, un extremo
redondeado 16, y bordes redondeados 18 en la interfaz de los lados
14 y la superficie interior 20 del tubo 10 (véase la figura 4). La
altura de las aletas primarias H_{P} puede variar dependiendo del
diámetro del tubo 10 y la aplicación particular, pero está
comprendida preferiblemente entre 0,10-0,51 mm. Como
se muestra en la figura 3, las aletas primarias 12 pueden estar
posicionadas formando un ángulo \theta de aleta primaria,
comprendido entre 0º-90º, con relación al eje longitudinal 22 del
tubo 10. El ángulo \theta está preferiblemente comprendido entre
5º-50º y más preferiblemente entre 5º-30º. Finalmente, el número de
aletas primarias 12 posicionadas a lo largo de la superficie
interior 20 de un tubo 10, y por tanto el paso P_{p} de las aletas
primarias (definido como la distancia entre los extremos o puntos
centrales de dos aletas primarias adyacentes a lo largo de una
línea dibujada perpendicular a las aletas primarias) puede variar,
dependiendo de la altura H_{p} y la forma de las aletas primarias
12, el ángulo de la aleta primaria, y el diámetro del tubo 10.
Además, la forma de aleta primaria, la altura H_{p}, el ángulo
\theta, y el paso P_{p} pueden variar dentro de un tubo único
10, dependiendo de la aplicación.
A diferencia de los diseños anteriores, el
diseño de la presente invención aprovecha las áreas vacías o ranuras
24 entre las aletas primarias 12 para mejorar las características
de transferencia de calor de los tubos. Aletas intermedias 26 están
formadas en las ranuras 24 definidas por las aletas primarias 12
para dar al diseño tubular de la superficie interior una apariencia
tipo rejilla. Las aletas intermedias incrementan la turbulencia del
fluido y el área de superficie interior, y de ese modo las
prestaciones de transferencia de calor del tubo 10. Adicionalmente,
los diseños de las aletas intermedias contemplados por la presente
invención pueden ser incorporados sobre el mismo rodillo como
diseño de aletas primarias, reduciendo de ese modo los gastos de
fabricación del tubo 10.
Las aletas intermedias 26 se extienden
preferiblemente sobre el ancho de la ranura 24 para conectar las
aletas primarias 12 adyacentes (como se muestra en la figura 3).
Justamente como las aletas primarias 12, las aletas intermedias 26
pueden asumir una diversidad de formas, que incluyen pero no se
limitan a las mostradas en las figuras 5 a 11. Las aletas
intermedias 26 pueden estar, pero no tienen que estar, configuradas
de modo similar a las aletas primarias 12, como se muestra en la
figura 5. Como con las aletas primarias 12, el número de aletas
intermedias 26 posicionadas entre las aletas primarias 12 (y por lo
tanto el paso P_{I} de las aletas intermedias, definido como la
distancia entre extremos o puntos centrales de dos aletas
intermedias adyacentes, medido a lo largo de una línea trazada
perpendicularmente a las aletas intermedias) y la altura de las
aletas intermedias H_{I} pueden ser ajustados dependiendo de la
aplicación particular. La altura de las aletas intermedias H_{I}
puede, pero no tiene que, extenderse, más allá de la altura de las
aletas primarias H_{P}. Como se muestra en la figura 3, las
aletas intermedias 26 están posicionadas formando un ángulo \beta
de aleta intermedia medido en sentido contrario al del reloj con
relación a las aletas primarias 12. El ángulo \beta de aleta
intermedia puede ser cualquier ángulo mayor que \theta, pero está
preferiblemente comprendido entre
45º y 135º.
45º y 135º.
Como con las aletas primarias, la forma de las
aletas intermedias, altura H_{I}, paso P_{I} y ángulo P no han
de ser necesariamente constantes para todas las aletas intermedias
26 en un tubo 10, sino que por el contrario, todas o algunas de
estas características pueden variar en un tubo 10 en función de la
aplicación. Por ejemplo, la figura 12 ilustra una sección
transversal de un tubo 10 extendido que tiene un diseño de tubo de
la superficie interior con una diversidad de formas, alturas
(H_{I-1}, H_{I-2} y
H_{I-3}) y pasos (P_{I-1} y
P_{I-2}) de las aletas intermedias.
Como se muestra en las figuras 13 a 16, las
aletas intermedias 26 pueden ser usadas en combinación con las
aletas primarias 12 dispuestas con cualquier modelo, que incluye,
pero sin limitarse, a todos los modelos descritos en la Patente de
EE.UU. Nº 5.791.405, de Takiura y otros. Por ejemplo, las figuras 13
a 16 ilustran realizaciones en las que algunas de las aletas
primarias 12 están dispuestas formando un ángulo con relación a
otras de las aletas primarias 12. En las figuras 13 y 14, las aletas
primarias 12 se cortan. De modo similar, en la figura 16, porciones
de aletas primarias e intermedias se extienden a lo largo del tubo
10 mientras que porciones adyacentes de las aletas primarias e
intermedias están dispuestas formando ángulos unas con otras. En la
figura 15, las aletas primarias 12 no se cortan, sino que más bien
están separadas por un canal 50 que se extiende a lo largo de la
longitud de la superficie interior 20 del tubo 10. Se puede
proporcionar más de un canal 50 a lo largo de la superficie interior
20 del tubo 10. La profundidad del canal 50 dentro del tubo 10 puede
ser modificada dependiendo de la aplicación. Además, la superficie
del canal 50 puede ser lisa, pero no tiene que serlo. Por el
contrario, se pueden proporcionar ranuras, nervios y/o
características diferentes para crear irregularidades en la
superficie del canal 50.
Adicionalmente, en vez de aletas primarias 12
adyacentes que se conecten, las aletas intermedias 26 pueden ser de
formas geométricas que se mantengan de pie, tales como conos,
pirámides, cilindros, etc., (como se muestra en la figura 18).
Un experto en la técnica deberá saber como
manipular las variables de diseño de tubo de la superficie interior
de las aletas primarias e intermedias, que incluyen disposición de
aletas, forma, altura H_{P} y H_{I}, ángulos \theta y
\beta, y pasos P_{P} y P_{I}, para adaptar el diseño de la
superficie interior del tubo a una aplicación particular para
obtener las deseadas características de transferencia de calor.
Los tubos que tienen modelos de acuerdo con la
presente invención pueden ser fabricados usando métodos y aparatos
de producción bien conocidos en la técnica, tales como los descritos
en la Patente de EE.UU. Nº 5.704.424, de Kohn y otros. Como se
explica en esta patente, una plancha plana, generalmente metálica,
se hace pasar entre conjuntos de rodillos que graban las
superficies superior e inferior de la plancha. La plancha se
configura entonces gradualmente en operaciones de tratamiento
posteriores hasta que los bordes se unen y se sueldan para formar
un tubo 10. El tubo puede ser configurado de cualquier forma,
incluyendo aquellas ilustradas en las figuras 20 a 25. Aunque los
tubos redondos han sido usados tradicionalmente y son muy adecuados
para los propósitos de la presente invención, han sido comprobadas
propiedades de transferencia de calor mejoradas usando tubos 10,
que tienen una sección transversal aplanada, tal como una de las
ilustradas en las figuras 22, 23 y 25, en vez de tubos redondos.
Consecuentemente, puede ser preferible durante la etapa de
configuración de la producción, pero antes de la etapa de
soldadura, configurar tubos 10 que tengan una forma aplanada.
Alternativamente, los tubos 10 pueden ser configurados en la forma
redonda tradicional y posteriormente comprimidos para aplanar la
forma de la sección transversal del tubo 10. Un experto de
conocimientos ordinarios en la técnica deberá comprender que el
tubo 10 se puede configurar de cualquier forma, incluyendo las
ilustradas en las figuras 20 a 25, pero sin limitarse a ellas,
dependiendo de la aplicación.
El tubo 10 (y por lo tanto la plancha) puede ser
de una diversidad de materiales que posean propiedades físicas
adecuadas, que incluyen integridad estructural, maleabilidad, y
plasticidad, tales como cobre y aleaciones de cobre, y aluminio y
aleaciones de aluminio. Un material preferido es el cobre
desoxidado. Aunque la anchura de la plancha plana variará según sea
el diámetro de tubo que se desee, una plancha plana que tenga una
anchura de aproximadamente 31,8 mm, para configurar un diámetro
exterior de tubo de 9,53 mm, es un tamaño ordinario para la
presente aplicación.
Para configurar la plancha según el modelo
deseado, la plancha se hace pasar a través de un primer conjunto de
rodillos 28 de deformación o grabadores, que se compone de un
rodillo superior 30 y un rodillo inferior 32 (véase la figura 19).
El modelo en el rodillo superior es una imagen entrecruzada de los
deseados modelos para las aletas primarias e intermedias para la
superficie interior del tubo 10 (es decir el modelo situado en el
rodillo superior se entremezcla con el modelo grabado sobre el
tubo). De modo similar, el modelo del rodillo inferior 32 es una
imagen entrecruzada del modelo deseado (si lo hay) de la superficie
exterior del tubo 10. La figura 19 ilustra un conjunto de rodillos
28, teniendo el rodillo superior 30 un modelo que incluye un diseño
de las aletas intermedias contemplado por la presente invención.
Se ha de tener en cuenta, no obstante, que para
fabricar un tubo de acuerdo con la realización mostrada en la figura
15, se graban uno o más canales longitudinales 50 preferiblemente
primero a lo largo de al menos una porción de la longitud de la
plancha con un rodillo de grabación que tiene nervios alrededor de
la circunferencia del rodillo. Estos nervios forman los canales en
la plancha lisa. El número de nervios proporcionados sobre el
rodillo coincide con el número de canales grabados en la plancha.
Después de la formación de canales, la plancha es sometida a los
rodillos 28 como se ha descrito anteriormente. De esta manera, el
modelo del rodillo superior 30 no se graba sobre los canales
deprimidos 50 en la plancha.
Los modelos sobre los rodillos pueden hacerse
mecanizando ranuras sobre la superficie del rodillo. Como será
evidente para un técnico ordinario en la técnica, debido a la
relación de entrecruzamiento de imágenes entre los rodillos y la
plancha, cuando la plancha pasa a través de los rodillos, las
ranuras sobre los rodillos forman aletas sobre la plancha y las
porciones de la superficie de rodillo no mecanizadas forman ranuras
sobre la plancha. Cuando la plancha es posteriormente enrollada y
soldada, los modelos interiores y exteriores deseados están por
tanto situados sobre el tubo.
Una ventaja de los tubos configurados de acuerdo
con la presente invención radica en que los diseños de las aletas
primarias e intermedias de los tubos pueden ser mecanizados sobre el
rodillo y configurados sobre la plancha con un conjunto único de
rodillos, en oposición a los dos conjuntos de rodillos (y
consecuentemente dos operaciones de grabación) que han sido
tradicionalmente necesarias para crear los diseños de tubo de
superficie interior existentes, tales como el diseño de cortes
cruzados, que mejora el comportamiento del tubo. La eliminación de
un conjunto de rodillos y una etapa de grabación del procedimiento
de fabricación puede reducir el tiempo y el coste de fabricación del
tubo.
No obstante, aunque solo es necesario un
conjunto de rodillos para crear los diseños de aletas primarias e
intermedias de la presente invención, pueden ser usados rodillos
adicionales y posteriores para impartir características de diseño
adicionales a la plancha. Por ejemplo, un segundo conjunto de
rodillos puede ser usado para hacer los cortes 38 en sentido
transversal sobre, y al menos parcialmente a través de, las aletas
para que resulte un diseño de cortes cruzados, como el mostrado en
la figura 17.
En un diseño alternativo, las aletas primarias e
intermedias forman las paredes laterales de una cámara. Las partes
superiores de las aletas primarias pueden ser formadas, tal como,
por ejemplo, comprimiéndolas con un segundo rodillo, para que se
extiendan o ensanchen lateralmente para que cierren parcialmente,
pero no completamente, la cámara. En vez de eso, una pequeña
abertura a través de la cual puede entrar fluido en la cámara se
mantiene en la parte superior de la cámara. Tales cámaras mejoran la
ebullición nucleada del fluido y de ese modo mejoran la
transferencia de calor de evaporación.
Además de reducir potencialmente los gastos de
fabricación, los tubos que tienen diseños de acuerdo con la presente
invención configuran exteriormente también los tubos existentes. Las
figuras 26 a 29 ilustran gráficamente el comportamiento mejorado de
tales tubos en la condensación que puede ser obtenidos incorporando
aletas intermedias en el diseño de tubo de la superficie interior.
Los ensayos de comportamiento fueron realizados en cuatro tubos de
condensador para dos refrigerantes separados (R-407
y R-22). Fueron ensayados los siguientes tubos de
cobre, cada uno de los cuales tenía un diseño de superficie interior
diferente:
(1) "Turbo A®", un tubo soldado o sin
costura fabricado por "Wolverine Tube" para serpentines de
evaporador y condensador en instalaciones de acondicionamientos de
aire y refrigeración, con aletas interiores que corren paralelas
entre sí formando un ángulo con el eje longitudinal del tubo a lo
largo de la superficie interior del mismo (designado "Turbo
A®");
(2) un tubo de cortes transversales fabricado
por "Wolverine Tube" para serpentines de evaporador y
condensador (designado "Cross-Cut");
(3) un tubo con un diseño de aletas intermedias
de acuerdo con la presente invención (designado "New Design";
y
(4) un tubo con un diseño de aletas intermedias
de acuerdo con la presente invención en el que las aletas primarias
e intermedias han sido cruzadas con un segundo rodillo (designado
"New Design X").
Las figuras 26 y 27 reflejan los datos obtenidos
usando el refrigerante R-22. Las figuras 28 y 29
reflejan los datos obtenidos usando el refrigerante
R-407. Las condiciones de ensayo generales
representadas por estos gráficos son las siguientes:
| Evaporación | Condensación | |
| Temperatura de Saturación | 1,67ºC | 40,6ºC |
| Longitud de Tubo | 3,66 m | 3,66 m |
| Calidad de Vapor de Entrada | 10% | 80% |
| Calidad de Vapor de Salida | 80% | 10% |
Los datos fueron obtenidos para un refrigerante
que circulaba a diferentes regímenes.
Consecuentemente, el plano "x" de todos los
gráficos se expresa en términos de flujo de masa kg/m^{2}.s. Las
figuras 26 y 28 muestran el comportamiento de la transferencia de
calor. Consecuentemente, el plano "y" de estos dos gráficos se
expresa en términos de coeficiente de transferencia de calor
W/m^{2}.K. Las figuras 27 y 29 muestran información de la caída de
presión. Consecuentemente, el plano "y" de estos dos gráficos
se expresa en términos de presión kPa.
Los datos para el refrigerante
R-407c (figuras 28 y 29), que es una mezcla
ceotrópica, indican que el comportamiento de la transferencia de
calor de condensación del "New Design" ha mejorado
aproximadamente el 35% sobre el diseño Turbo-A®.
Además, el New Design proporciona un comportamiento mejorado
(aproximadamente el 15%) sobre el diseño Cross-Cut,
que es considerado actualmente el mejor en la ejecución de la
condensación entre los tubos usados comercialmente. En términos de
comportamiento de la caída de presión, el New Design se comporta
igual de bien que el diseño Turbo-A y
aproximadamente un 10% más bajo que el diseño
Cross-Cut normal. La caída de presión es un
parámetro de diseño muy importante en el diseño de un intercambiador
de calor. Con la actual tecnología en intercambiadores de calor,
una disminución del 5% en la caída de presión puede proporcionar
algunas veces un beneficio tal como un aumento del 10% en el
comportamiento de la transferencia de calor.
El nuevo diseño utiliza un fenómeno interesante
en la transferencia de calor de dos fases. En una realización de
tubo de la presente invención, en la que un fluido se condensa sobre
el interior del tubo, la caída de presión es principalmente regulada
por la interfaz de vapor/líquido. La transferencia de calor es
controlada por la interfaz líquido/sólido. Las aletas intermedias
afectan a la capa líquida, incrementando de ese modo la
transferencia de calor, pero no impactan en la caída de presión. La
relación entre la transferencia de calor y la caída de presión es
capturada por el factor de eficiencia.
Con la utilización del refrigerante
R-22 (figuras 26 y 27), el New Design X se
comportaba mejor que los diseños Turbo-A® y
Cross-Cut con respecto a la transferencia de calor
pero aproximadamente los mismos porcentajes que el New Design en los
ensayos del R-407c. El inventor no tiene razón
alguna para creer que una mejora de comportamiento similar no será
obtenida usando otros refrigerantes tales como el
R-410(a) o R-134(a), y
otros fluidos similares.
Las figuras 30 y 31 comparan los factores de
eficiencia del diseño Cross-Cut con los factores de
eficiencia del New Design (figura 30) y el New Design X (figura 31).
El factor de eficiencia es un buen indicador de los beneficios de
comportamiento reales asociados con la superficie interior de tubo
porque refleja tanto el beneficio de la transferencia de calor
adicional como el inconveniente de la caída de presión adicional. En
general, el factor de eficiencia de un tubo se define como el
incremento en la transferencia de calor de ese tubo sobre un tubo
estándar (en este caso, el Turbo-A®) dividido por
el incremento en la caída de presión de ese tubo sobre el tubo
estándar. Los factores de eficiencia registrados en las figuras 30 y
31 para el Cross-Cut fueron calculados como
sigue:
(Transferencia de calor del
Cross-Cut/Transferencia del calor del
Turbo-A®)
(Caída de Presión del Cross
Cut/Caída de Presión del
Turbo-A®)
Los factores de eficiencia del New Design y el
New Design X, trazados en las figuras 30 y 31, respectivamente,
fueron calculados de modo similar.
Como se puede ver en las figuras 30 y 31, los
factores de eficiencia para el New Design y el New Design X están
todos (con la excepción de uno) por encima de "1", lo cual
indica que la eficiencia de estos dos nuevos diseños es mejor que
la del Turbo-A® tanto como un 40% en la condensación
de R-22 (figura 31) y en más del 35% en la
condensación de R-407 (figura 30). Además,
comparando los factores de eficiencia del Cross Cut (figuras 30 y
31) registrados contra el New Design (figura 30) y New Design X
(figura 31) es evidente que las eficiencias de los nuevos diseños
son considerablemente mejores que la del tubo Cross Cut en un 20% en
la condensación de R-22 (figura 31) y en un 10% en
la condensación de R-407c (figura 30).
Adicionalmente, los ensayos demuestran también
que los tubos que tienen superficies interiores similares a las
mostradas en las figuras 13 a 15 también superan los tubos
Turbo-A®. Los resultados de tales ensayos se
muestran en las figuras 32 y 33, en las que un tubo que tiene una
superficie interior de acuerdo con la figura 13 está designado
"New Design 2" y un tubo que tiene una superficie interior de
acuerdo con la figura 15 está designado "New Design 3". Las
figuras 32 y 33 reflejan datos obtenidos usando refrigerante
R-22 bajo las mismas condiciones de ensayo de
condensación descritas anteriormente.
Las figuras 32 y 33 muestran el comportamiento
de la transferencia de calor y la caída de presión, respectivamente.
Los datos, reflejados en las figuras 32 y 33, indican que las
características de transferencia de calor de condensación del New
Design 2 y New Design 3 han mejorado aproximadamente el 80% y el
40%, respectivamente, sobre el diseño de Turbo-A®.
Además, aunque la caída de presión para el New Design 2 es mayor que
para el Turbo-A, el New Design 3 presenta una caída
de presión comparable a la de Turbo A®. Estos datos sugieren que
pueden obtenerse beneficios significativos en la transferencia de
calor incorporando el New Design 3 en los sistemas existentes para
sustituir los tubos Turbo-A®. En adición,
impidiendo que el modelo se forme sobre una porción del tubo (es
decir, en los canales 50), la cantidad de material en una longitud
unidad de tubo se reduce. Esto origina una reducción en los gastos
significativa para los clientes.
Además, el New Design 2 puede ser
particularmente beneficioso incorporado en sistemas rediseñados.
Esto es particularmente significativo a la vista de las recientes
medidas para incrementar las eficiencias de los equipos de
acondicionamiento de aire. Usando la superficie del New Design 2, se
puede conseguir un comportamiento mejorado en el mismo tamaño de
equipo o reducir el tamaño de equipo. Por tanto, deberá ser posible
reducir o eliminar los caros esfuerzos del rediseño. En adición,,
reduciendo el tamaño del sistema, se puede reducir también la
cantidad de otros componentes, tales como metal para la base,
aluminio para las aletas y tuberías de conducción, que pueden
originar una economía considerable en el cliente.
Por tanto, se observa que un tubo que
proporciona aletas intermedias representa una mejora significativa
sobre los diseños de cortes transversales y de nervio helicoidal
único. Este nuevo diseño mejora por tanto el estado de la técnica.
Los expertos de habilidad ordinaria en la técnica comprenderán que
pueden hacerse diversas modificaciones en las realizaciones
preferidas dentro del alcance de la invención tal como se define en
las reivindicaciones adjuntas.
Claims (27)
1. Un tubo (10) que comprende una superficie
interior y una superficie exterior, en el que la superficie interior
comprende una pluralidad de aletas primarias (12), y una pluralidad
de ranuras (24) definidas por aletas primarias adyacentes, y en el
que las aletas primarias están separadas en conjuntos adyacentes por
uno o más canales (50) que se extienden a lo largo de la superficie
interior del tubo, caracterizado porque una pluralidad de
aletas intermedias (26) está posicionada en al menos alguna de la
pluralidad de ranuras (24).
2. El tubo (10) de la reivindicación 1, en el
que al menos algunas de las aletas primarias (12) están dispuestas
formando un ángulo con otras de las aletas primarias (12).
3. Un tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el canal o canales (50) está
o están formados en depresiones en la superficie interior del
tubo.
4. Un tubo (10) que tiene una superficie
interior que comprende:
(a) una pluralidad de aletas primarias (12)
orientadas sustancialmente paralelas entre sí y formando un ángulo
con relación al eje longitudinal (22) del tubo; y
(b) una pluralidad de ranuras (24) definidas por
aletas primarias (12) adyacentes;
en el que la pluralidad de aletas primarias y
ranuras comprende un primer conjunto y un segundo conjunto
orientados formando un cierto ángulo uno con respecto a otro,
caracterizado porque al menos algunas de
la pluralidad de ranuras (24) comprenden, cada una, una pluralidad
de aletas intermedias (26) posicionadas en las mismas, estando
orientadas las aletas intermedias en cada ranura formando
sustancialmente el mismo ángulo con relación a las aletas primarias
adyacentes, comprendiendo la pluralidad de aletas intermedias un
primer conjunto y un segundo conjunto orientados formando un cierto
ángulo uno con respecto
a otro.
a otro.
5. Un tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que las aletas intermedias (26)
adyacentes son sustancialmente paralelas.
6. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el tubo comprende metal.
7. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende además un material no
metálico.
8. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la superficie exterior del
tubo es lisa.
9. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que la superficie exterior del tubo es
contorneada.
10. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que al menos algunas de la
pluralidad de aletas primarias (12) están orientadas paralelas entre
sí.
11. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la pluralidad de aletas
primarias (12) comprende un primer conjunto de aletas primarias
adyacentes que tiene un primer paso de aletas primarias y un segundo
conjunto de aletas primarias adyacentes que tiene un segundo paso de
aletas primarias, en el que el primer paso de aletas primarias no es
igual al segundo paso de aletas primarias.
12. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que al menos algunas de la
pluralidad de aletas primarias (12) tienen una forma de la sección
transversal que comprende sustancialmente un triángulo con una punta
redondeada (16), y/o una forma de la sección transversal
sustancialmente rectilínea, y/o una forma de la sección transversal
sustancialmente curva.
13. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende además un eje
longitudinal (22), en el que al menos algunas de la pluralidad de
aletas primarias están orientadas formando un ángulo (\theta),
preferiblemente comprendido entre 5º y 50º, más preferiblemente
entre 5º y 30º, con relación al eje longitudinal.
14. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que al menos algunas de la
pluralidad de aletas primarias (12) comprenden además cortes (38)
que atraviesan la anchura de las aletas primarias.
15. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que al menos algunas de la
pluralidad de aletas intermedias (26) contactan aletas primarias
(12) adyacentes.
16. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que la pluralidad de aletas
intermedias (26) comprende un primer conjunto de aletas intermedias
adyacentes que tienen un primer paso de aletas intermedias y un
segundo conjunto de aletas intermedias adyacentes que tiene un
segundo paso de aletas intermedias, en el que el primer paso de
aletas intermedias no es igual al segundo paso de aletas
intermedias.
17. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que al menos algunas de la
pluralidad de aletas intermedias (26) están orientadas formando un
ángulo, preferiblemente comprendido entre 45º y 135º, con relación
al menos a algunas de las aletas primarias (12).
18. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que al menos algunas de la
pluralidad de aletas intermedias (26) comprenden una forma
geométrica que se mantiene libre posicionada en la ranura
(24).
(24).
19. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que al menos algunas de la
pluralidad de aletas intermedias (26) tienen una forma de la sección
transversal que comprende sustancialmente un triángulo con una punta
redondeada, y/o una forma de la sección transversal sustancialmente
rectilínea, y/o una forma de la sección transversal generalmente
curva.
20. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que al menos algunas de la
pluralidad de aletas intermedias (26) comprenden cortes que
atraviesan la anchura de las aletas intermedias.
21. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que el tubo comprende una forma
de sección transversal sustancialmente circular, o una forma de
sección transversal ovalada, o una forma de sección transversal que
comprende dos líneas sustancialmente paralelas conectadas por
arcos.
22. El tubo (10) según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, que comprende un primer conjunto y un
segundo conjunto de dichas aletas primarias (12), en el que el
primer conjunto de aletas primarias y el segundo conjunto de aletas
primarias intersectan.
23. Un método para fabricar un tubo (10) que
comprende configurar un modelo a lo largo de una superficie interior
del tubo, en el que el modelo comprende una pluralidad de aletas
primarias (12), y una pluralidad de ranuras (24) definidas por
aletas primarias adyacentes, y en el que las aletas primarias están
separadas en conjuntos adyacentes por uno o más canales (50) que se
extienden a lo largo de la superficie interior del tubo,
caracterizado porque una pluralidad de aletas intermedias
(26) están posicionadas en al menos algunas de la pluralidad de
ranuras
(24).
(24).
24. Un método para fabricar un tubo (10) que
comprende la configuración de un modelo a lo largo de una superficie
interior del tubo, en el que el modelo comprende:
(a) una pluralidad de aletas primarias (12)
orientadas sustancialmente paralelas entre sí y formando un ángulo
con relación al eje longitudinal del tubo, y
(b) una pluralidad de ranuras (24) definidas por
dichas aletas primarias (12) adyacentes;
comprendiendo la pluralidad de aletas primarias
y ranuras un primer conjunto y un segundo conjunto orientados
formando un ángulo uno con respecto a otro,
caracterizado porque al menos algunas de
la pluralidad de ranuras (24) en cada conjunto comprende cada una,
una pluralidad de aletas intermedias (26) posicionadas en las
mismas, estando orientadas las aletas intermedias en cada ranura
formando sustancialmente el mismo ángulo con relación a las aletas
primarias adyacentes, estando configurada la pluralidad de aletas
intermedias para comprender un primer conjunto y un segundo conjunto
orientados formando un ángulo uno con respecto a otro.
25. Un método para fabricar un tubo como se
define en las reivindicaciones 23 ó 24, que comprende:
(a) una operación de laminación de hacer pasar
una plancha bajo un rodillo de formación de aletas para grabar el
modelo de aleta sobre una superficie de la plancha;
(b) una operación de configuración de tubo que
hace pasar la plancha sobre la que ha sido configurado el modelo de
aletas a través de al menos un rodillo de configuración para
configurar la plancha con la forma de tubo deseada, con el modelo
posicionado sobre el interior; y
(c) una operación de fijación de la plancha para
fijar la plancha con la forma de tubo deseada.
26. El método de la reivindicación 25, en el que
la operación de fijar la plancha comprende una operación de
soldadura de calentamiento de ambos bordes laterales de la plancha
que ha sido configurada en una forma de tubo y la unión de los
bordes laterales de la plancha.
27. El método de fabricación de un tubo como se
define en las reivindicaciones 25 ó 26, que comprende la operación
de hacer pasar la plancha bajo un rodillo de formación de canales
para formar al menos un canal sobre una superficie de la plancha y a
lo largo de al menos una porción de la longitud de la plancha antes
de la operación de laminación de formación de aletas.
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