ES2259633T3 - Clasificacion del estado de la superficie de tubos de intercambiadores de calor por medio de espectroscopia de radas por efecto doppler. - Google Patents
Clasificacion del estado de la superficie de tubos de intercambiadores de calor por medio de espectroscopia de radas por efecto doppler.Info
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Abstract
Procedimiento para la caracterización de la superficie estructurada interior y/o exterior de tubos de intercambiadores de calor soldados longitudinalmente, caracterizado porque en cada caso se mueve una muestra definida de la banda estructurada que está prevista para la fabricación del tubo de intercambiador de calor, y se realiza una medición de espectroscopia de Radar por efecto Doppler utilizando ondas electromagnéticas en el margen de frecuencias de 1 a 100 GHz, en el que a partir del espectro de Radar por efecto Doppler normalizado sobre tubos lisos se obtienen las siguientes magnitudes: integral de superficie A, valor medio m y varianza S.
Description
Clasificación del estado de la superficie de
tubos de intercambiadores de calor por medio de espectroscopia de
Radar por efecto Doppler.
El objeto de la invención es un procedimiento
para la caracterización de la superficie interior y/o exterior
estructurada, esto es, con estrías y/o formas perfiladas, de tubos
de intercambiadores de calor soldados longitudinalmente o sin
soldadura.
Según el estado de la técnica, en los procesos
de transferencia de calor se emplean preferentemente tubos con
superficies estructuradas. Estos tubos se fabrican habitualmente sin
costura o soldados longitudinalmente. En todos los casos, en esta
ocasión se trata de tubos de cobre.
Los tubos con superficie estructurada presentan
mayor superficie de intercambio que los tubos lisos. En las
instalaciones de intercambio de calor se utilizan preferentemente
tubos con gran superficie. El objetivo consiste en lograr elevadas
tasas de potencia con tamaños constructivos pequeños y de fácil
montaje. Para ello se requiere mejorar la potencia de los tubos
individuales.
Habitualmente la caracterización de tubos
estructurados se lleva a cabo con mucho gasto de tiempo y dinero
mediante la determinación y el análisis de las magnitudes
geométricas características, como la altura de las formas o
perfiles y los ángulos de los elementos. Ejemplos de estas
magnitudes estructurales se encuentran ampliamente descritos entre
otros en el documento EP 0 148 609. Para la caracterización de una
estructura geométrica superficial se necesitan pues muchas
mediciones de detalle. Junto al considerable coste de las
mediciones técnicas no hay que excluir una suma de errores en las
mediciones.
Para la determinación de las propiedades de
transmisión del calor de un tubo de intercambiador de calor es
necesario realizar numerosas mediciones sobre tubos individuales o
sobre haces de tubos en un banco especial de mediciones térmicas.
Ante el panorama de la grandísima diversidad geométrica de elementos
estructurales y sus propiedades termotécnicas se plantea la
cuestión de encontrar una caracterización de las unidades
estructurales que sea unívoca para las técnicas de medición y con
un coste claramente reducido en comparación con el actual estado de
la técnica.
La invención tiene por tanto como tarea
principal describir un procedimiento para la caracterización rápida,
unívoca y reproducible o repetible de superficies estructuradas, en
vez de la costosa medición termotécnica de los tubos individuales.
En particular, se tiene que encontrar una posibilidad de medición
técnica que opere sin tener que tocar los tubos en la que no sea
necesario que esté presente una muestra de tubo lista para su
uso.
Esta tarea queda resuelta según la invención
mediante las características distintivas de la reivindicación 1 o
2.
El procedimiento de medida denominado
espectroscopia Radar por efecto Doppler está representado
esquemáticamente en la figura 1. Para ello las ondas
electromagnéticas que en un margen de frecuencia de 1 a 100 GHz bajo
un determinado ángulo salen de un emisor 1 de microondas, son
reflejadas por una muestra 2 que se mueve, son registradas por un
receptor 3, y son evaluadas en una unidad 4. La flecha indica la
dirección del movimiento de la muestra. (Con respecto a los
fundamentos de la técnica de medida basada en el Radar véase por
ejemplo el libro de M. Skolnik "Introduction to Radar
Systems", McGraw-Hill (1980), en particular
la página 68 y siguientes).
Se mide el desplazamiento de la frecuencia que
debido al efecto Doppler se ha originado. Mediante la superficie
estructurada de la banda en movimiento se condiciona un
ensanchamiento de frecuencias originado por la geometría en la parte
reflejada de las ondas electromagnéticas que inicialmente incidían
como monocromáticas. Este ensanchamiento de frecuencias o de líneas
es característico de la estructura geométrica de la superficie, y de
acuerdo con un análisis de Fourier de las frecuencias de la señal
reflejada se representa como espectro de frecuencias en la zona de
la frecuencia f_{0} fundamental Doppler determinada por los
parámetros del ensayo (véase el espectro de frecuencias de la figura
2 que después se explicará, que muestran cada uno de los espectros
normalizados sobre el tubo liso como función del desplazamiento (Hz)
Doppler).
Se definirán las siguientes magnitudes:
Integral de superficie A (véase la
representación esquemática de la figura 3a),
Valor medio m (véase la figura 3b), y como
dimensión para la anchura,
Varianza S (véase la figura 3c)
(o la desviación típica \sigma =
\surdS).
Estas magnitudes se representan matemáticamente
de la siguiente forma:
Sea f (x) la función de distribución
(normalizada para una superficie de tubos lisos) de las frecuencias
x de Radar por efecto Doppler, es decir, el espectro Radar por
efecto Doppler de una estructura que se está examinando,
tenemos:
\bullet Integral de superficie:
A \equiv
\int\limits^{\infty}_{-\infty} f (x)\cdot
dx
\bullet Valor de esperanza o valor medio:
m \equiv
\frac{\int\limits^{\infty}_{-\infty}x\cdot f(x)\cdot
dx}{\int\limits^{\infty}_{-\infty}f(x)\cdot
dx}
\bullet Varianza:
S \equiv
\frac{\int\limits^{\infty}_{-\infty}(x-m)^{2}\cdot
f(x)\cdot dx}{\int\limits^{\infty}_{-\infty}f(x)\cdot
dx}
\bullet Desviación típica:
\sigma\equiv\sqrt{S}
(Véase por ejemplo el prontuario
"Taschenbuch der Mathematik" de Bronstein/Semendjajew (edición
22, 1985), páginas 665 a
668).
El procedimiento de espectroscopia de Radar por
efecto Doppler hasta ahora ha sido utilizado por ejemplo para el
ensayo de ondulación de la superficie del mar, (véase por ejemplo
D.R. Thompson: "Probing the Ocean Surface with Microwave
Radar" en Johns Hopkins APL Technical Digest, volumen 10,
número 4 (1989), páginas 332 - 338, o R. Romeiser: "Doppler
Spectra of the Radar Backscatter From the Sea Surface; Obtained From
a Three-Scale Composite Surface Model" en el
International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS)
volumen 2, 1994, IEEEE, Piscataway, NJ, USA,
94CH3378-7, página 729).
Además, por los documentos DE 19817260, DE
19813041 y DE 4311103 es conocido el empleo de la espectroscopia de
Radar por efecto Doppler para el ensayo de superficies de
piezas.
En el marco de la invención se propone una
aplicación sobre el ensayo de superficies estructuradas de tubos de
intercambiadores de calor.
La superficie de los tubos usuales de los
intercambiadores de calor se puede caracterizar mediante las
siguientes márgenes:
1\ x\ 10^{0}
\leq A \leq 2\ x\ 10^{4},
\hskip1cmen\ particular
\hskip1cm1\ x\ 10^{1} \leq A \leq 5\ x\ 10^{3}
1\ x\ 10^{2}
\leq S \leq 5\ x\ 10^{5},
\hskip1cmen\ particular
\hskip1cm1\ x\ 10^{3} \leq S \leq 1\ x\ 10^{5}
(o bien 1x 10^{1} \leq \sigma \leq 1x
10^{3}, en particular 3 x 10^{1} \leq \sigma \leq 5 x
10^{2}).
En el marco de la invención, de modo
sorprendente, se muestra además que existe una correlación unívoca y
reproducible entre la topografía superficial macroscópica, el
parámetro específico de la termotecnia o coeficiente \alpha de
transmisión del calor y las magnitudes objetivas de las integrales
de los espectros de las características del Radar por efecto
Doppler, como la integral de superficie A, el valor medio m, la
varianza S y la desviación típica \sigma. Tiene una significación
especial que los parámetros de los espectros del Radar por efecto
Doppler son adecuados para la clasificación termotécnica sin que sea
necesario un conocimiento detallado exacto de las magnitudes
geométricas de las correspondientes estructuras superficiales o de
muestras de tubos listas para su uso.
El procedimiento de espectroscopia de Radar por
efecto Doppler es por tanto muy adecuado para clasificar cualquier
estructura superficial que se utilice por ejemplo para la mejora de
la capacidad térmica específica de los tubos para la transmisión del
calor con respecto a la potencia térmica esperable de los tubos. La
correlación acorde con la invención entre las magnitudes medidas
obtenidas mediante la espectroscopia de Radar por efecto Doppler y
la potencia térmica específica de una muestra de tubo lista para el
uso, se caracteriza por una excelente reproducibilidad. El coste en
instrumentos y en tiempo es notablemente menor en comparación con el
estado de la técnica.
En los tubos con estructuras que se utilizan con
preferencia en las aplicaciones de los procesos de condensación, en
particular en el caso de estructuras convexas con cantos vivos
(véase el documento DE 44 04 357 C1), se muestra que el valor medio
m del espectro por efecto Doppler se desplaza hacia frecuencias por
encima de la frecuencia f_{0} fundamental por efecto Doppler y que
hay que equiparar un incremento del coeficiente \alpha_{cond} de
transmisión de calor con la creciente integral A de superficie del
espectro de Radar por efecto Doppler. Al mismo tiempo disminuyen la
varianza S y la desviación \sigma típica.
En los tubos con estructuras que se utilizan con
preferencia en las aplicaciones de los procesos de evaporación, en
particular en el caso de estructuras estriadas o acanaladas se
muestra que el valor medio m del espectro por efecto Doppler se
desplaza hacia frecuencias por debajo de la frecuencia f_{0}
fundamental por efecto Doppler y que hay que equiparar un incremento
del coeficiente \alpha_{cond} de transmisión de calor con la
creciente integral A de superficie del espectro de Radar por efecto
Doppler. Al mismo tiempo disminuyen la varianza S y la desviación
\sigma típica.
La invención se explica a continuación con más
detalle con ayuda de los siguientes ejemplos de ejecución.
1. Se ensayaron tubos de intercambiador de cobre
soldados longitudinalmente con un diámetro exterior de 9,52 mm
(3/8'') y un espesor de pared en el núcleo de 0,30 mm según la
siguiente Tabla 1. Para el ejemplo se construyeron un tubo liso con
una estructura simple de aletas interiores y un tubo con una
estructura doble de aletas
interiores.
interiores.
\vskip1.000000\baselineskip
Tabla 1 | Tubo liso | Tubo con estructura simple | Tubo con estructura doble de |
de aletas interiores | aletas interiores | ||
Dimensión del tubo | 9.52 mm | 9,52 mm | 9,52 mm |
(3/8'') | (3/8'') | (3/8'') | |
Altura de aleta | - | 0.20 mm | 0,20 mm |
Espesor del núcleo | 0,30 mm | 0,30 mm | 0,30 mm |
Primer aleteado | |||
\hskip0,3cm Nº de aletas | - | 60 | 58 |
\hskip0,3cm Ángulo de la espiral | - | 18º | 30º |
Segundo aleteado | |||
\hskip0,3cm Nº de aletas | - | - | 80 |
\hskip0,3cm Ángulo de la espiral | - | - | -10º |
\vskip1.000000\baselineskip
Como materiales de los tubos, además de las
aleaciones de cobre son preferidos el aluminio y las aleaciones de
aluminio, así como el acero y el acero inoxidable. En el banco de
medidas de tubos individuales se determinaron tanto las magnitudes
geométricas como también el rendimiento térmico. Las mediciones
termotécnicas en el proceso de condensación suministraron las
proporciones de rendimientos representadas en la Tabla 2, ordenadas
según la secuencia de tubo liso, tubo con estructura de simple aleta
y tubo con estructura de doble aleta.
\newpage
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{ \+\cr \+\cr \+\cr \+\cr}
\newpage
En paralelo a esto, se colocaron sendas muestras
de las bandas utilizadas para la fabricación de los tubos sobre un
portador de muestras móvil. A continuación se analizaron las
superficies lisas o las estructuras interiores con ayuda de la
espectroscopia de Radar por efecto Doppler. El ensayo se realizó con
un módulo de radar de 94 GHz y con una velocidad del portador de
muestras de 2 m/seg.
La figura 2 muestra los espectros de Radar por
efecto Doppler obtenidos en el caso de los tubos construidos para el
ejemplo. Los resultados representados se han normalizado sobre el
espectro del tubo liso. El espectro (a) corresponde al tubo con
estructura de aleta simple, el espectro (b) al tubo con estructura
de doble aleta. Para los parámetros integral de superficie A,
varianza S y desviación típica \sigma se obtienen los siguientes
valores según la Tabla 2b. Llama la atención la buena concordancia
de las cifras de proporción que se refieren a los valores
\alpha_{cond} determinados por vía termotécnica y los valores A
de la integral de superficie determinados por los espectros de
Radar por efecto Doppler.
Al mismo tiempo los números recíprocos de S (o
\sigma) ofrecen de nuevo la tendencia correcta de los datos de
rendimiento puestos en la proporción.
Además, los valores medios m del espectro
Doppler obtenidos están situados por encima de la frecuencia f_{0}
fundamental por efecto Doppler registrada en el caso del tubo liso,
lo cual es distintivo para los tubos de condensación.
2. En un segundo ejemplo de ejecución se han
ensayado un tubo liso, un tubo con estructura de simple aleta y un
tubo con estructura de doble aleta como los que se utilizaron para
los procesos de evaporación (véase la siguiente Tabla 3).
Tabla 3 | Tubo liso | Tubo con estructura simple | Tubo con estructura doble |
de aletas interiores | de aletas interiores | ||
Dimensión del tubo | 9,52 mm | 9,52 mm | 9,52 mm |
(3/8'') | (3/8'') | (3/8'') | |
Altura de la aleta | - | 0,20 mm | 0,20 mm |
Espesor de la pared del | 0,30 mm | 0,24 mm | 0,22 mm |
núcleo | |||
Primer aleteado | |||
\hskip0,3cm Nº de aletas | - | 55 | 45 |
\hskip0,3cm Ángulo de la espiral | - | 34º | 0º |
Segundo aleteado | |||
\hskip0,3cm Nº de aletas | - | - | 82 |
\hskip0,3cm Ángulo de la espiral | - | - | 42º |
Las mediciones termotécnicas en el proceso de
evaporación suministraron las proporciones de rendimientos
representadas en la Tabla 4a ordenadas según la secuencia de tubo
liso, tubo con estructura de simple aleta y tubo con estructura de
doble aleta.
En paralelo a esto se analizaron sendas muestras
de las bandas utilizadas para la fabricación de los tubos con ayuda
de la espectroscopia de Radar por efecto Doppler. Para los
parámetros integral de superficie A, varianza S y desviación típica
\sigma se obtienen los valores siguientes de acuerdo con la Tabla
4b.
\newpage
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{ \+\cr \+\cr \+\cr}
\newpage
Las integrales de superficie A determinadas a
partir del espectro de Radar por efecto Doppler puestas en la
proporción al igual que los valores recíprocos para S (o \sigma)
ofrecen de nuevo la tendencia correcta de las proporciones del
coeficiente \alpha_{evap} de transmisión de calor. Al mismo
tiempo los valores medios m del espectro Doppler situados por debajo
de la frecuencia f_{0} fundamental por efecto Doppler indican que
se trata de estructuras especialmente adecuadas para los procesos de
evaporación.
La invención ofrece por consiguiente la
posibilidad de, a partir de las magnitudes medidas A, S (o bien
\sigma), m, sometidas a ensayo, extraer conclusiones inmediatas
sobre la capacidad de evaporación y de condensación de la respectiva
estructura superficial.
Claims (5)
1. Procedimiento para la caracterización de la
superficie estructurada interior y/o exterior de tubos de
intercambiadores de calor soldados longitudinalmente,
caracterizado porque en cada caso se mueve una muestra
definida de la banda estructurada que está prevista para la
fabricación del tubo de intercambiador de calor, y se realiza una
medición de espectroscopia de Radar por efecto Doppler utilizando
ondas electromagnéticas en el margen de frecuencias de 1 a 100 GHz,
en el que a partir del espectro de Radar por efecto Doppler
normalizado sobre tubos lisos se obtienen las siguientes magnitudes:
integral de superficie A, valor medio m y varianza S.
2. Procedimiento para la caracterización de la
superficie estructurada interior y/o exterior de tubos de
intercambiadores de calor sin soldadura, caracterizado porque
en cada caso se mueve una muestra definida de la superficie
desarrollada sobre un plano del tubo de intercambiador de calor y se
realiza una medición de espectroscopia de Radar por efecto Doppler
utilizando ondas electromagnéticas en el margen de frecuencias de 1
a 100 GHz, en el que a partir del espectro de Radar por efecto
Doppler normalizado sobre tubos lisos se obtienen las siguientes
magnitudes: integral de superficie A, valor medio m y varianza
S.
3. Utilización de las magnitudes integral de
superficie A y varianza S obtenidas por el procedimiento de acuerdo
con la reivindicación 1 o 2 para la clasificación termotécnica de
los tubos de intercambiadores de calor mediante correlación con la
característica de transmisión del calor según el coeficiente
\alpha de transmisión de calor.
4. Utilización de acuerdo con la reivindicación
3 en donde, en las superficies en las que se produce condensación,
\alpha_{cond} está correlacionado con A o con S de tal manera
que un incremento de A o una reducción de S muestra el deseado
incremento de \alpha_{cond}, es decir, \alpha_{cond} \sim
A o bien \alpha_{cond} \sim S^{-1}, y en donde el valor
medio m del espectro se sitúa por encima de la frecuencia f_{0}
fundamental del Radar por efecto Doppler.
5. Utilización de acuerdo con la reivindicación
3, en donde en las superficies en las que se produce evaporación,
\alpha_{evap} está correlacionado con A o con S de tal manera
que un incremento de A o una reducción de S muestra el deseado
incremento de \alpha_{evap}, es decir, \alpha_{evap} \sim
A o bien \alpha_{evap} \sim S^{-1}, y en donde el valor
medio m del espectro se sitúa por debajo de la frecuencia f_{0}
fundamental del Radar por efecto Doppler.
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