ES2764403T3 - Estructuras tubulares para intercambiador de calor - Google Patents

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Abstract

Un intercambiador de calor (10) que comprende: una pluralidad de aletas (14): una pluralidad de tubos (12) que pasan un fluido a través de los mismos, que se extienden a través de la pluralidad de aletas (14) y expandidos radialmente en un ajuste con apriete con las mismas, incluyendo al menos un tubo (12) de la pluralidad de tubos (12): un diámetro exterior (22); un diámetro interior (24); y una pluralidad de crestas (18) que se extienden desde el diámetro interior (24) hacia dentro a un interior del tubo (12); caracterizado porque después de la expansión del tubo (12) a un ajuste con apriete con la pluralidad de aletas (14), un área de la superficie interna del tubo por unidad de longitud del tubo multiplicada por la relación del diámetro exterior al diámetro interior y dividida por un grosor de pared de tubo, es igual o mayor que 30,0.

Description

DESCRIPCIÓN
Estructuras tubulares para intercambiador de calor
ANTECEDENTES
El objeto descrito en esta solicitud se refiere a intercambiadores de calor. Más específicamente, la descripción del objeto se refiere a un tubo mejorado el documento EP2525181A1 describe un intercambiador de calor que tiene las características del preámbulo de la reivindicación 1.
Un ciclo de refrigeración por compresión de vapor típico simplificado incluye un evaporador, un compresor, un condensador y un dispositivo de expansión. El flujo de refrigerante es tal que el vapor de refrigerante a baja presión pasa a través de una línea de succión al compresor. El vapor de refrigerante comprimido es bombeado a una línea de descarga que conecta al condensador. Una línea de líquido recibe refrigerante líquido que sale del condensador y lo dirige al dispositivo de expansión. Un refrigerante bifásico es devuelto al evaporador, completando así el ciclo.
Dos de los componentes principales en un ciclo de compresión de vapor son los intercambiadores de calor del evaporador y del condensador. El tipo más común de intercambiador de calor en uso es del tipo de construcción de aletas de placas y tubos redondos (RTPF). Históricamente, los tubos se hacían de cobre mientras que las aletas se hacían normalmente de aluminio en tales intercambiadores de calor. El rendimiento térmico de un intercambiador de calor, la capacidad de transferir calor de un medio a otro, es inversamente proporcional a la suma de sus resistencias térmicas. Para una aplicación típica de calefacción, ventilación, aire acondicionado y refrigeración (HVAC&R) que usa refrigerante dentro de los tubos y aire en el lado de las aletas externas, la resistencia térmica del lado del aire contribuye al 50-70 %, mientras que la resistencia térmica del lado del refrigerante es el 20-40 % y la resistencia del metal es relativamente pequeña y representa solo el 6-10 %. Debido a la continua presión del mercado y los requisitos normativos para hacer las unidades HVAC&R más compactas y rentables, se ha dedicado mucho esfuerzo a mejorar el rendimiento del intercambiador de calor en el lado del refrigerante así como en el lado del aire.
Los tubos redondos aumentados internamente usados en intercambiadores de calor RTPF permiten un aumento significativo del rendimiento térmico del intercambiador de calor mejorando la transferencia de calor del lado del refrigerante. Estos tubos se fabrican normalmente mediante un proceso de extrusión o estirado y se expanden mecánicamente dentro del paquete de aletas para asegurar un buen contacto entre metal y metal entre los tubos y las aletas. La tecnología de tubos acanalados internamente (IG) está madura para las aleaciones de Cu, permitiendo que se fabriquen perfiles de aumento con forma helicoidal mediante el proceso de estirado y se expandan sin daños significativos del aumento interno del tubo. En los últimos años, la industria HVAC&R empezó a pasar del Cu al Al, fundamentalmente debido a razones de coste. Las aleaciones de Al tienen propiedades mecánicas intrínsecamente diferentes y los tubos de Al IG producidos típicamente por el proceso de fabricación por extrusión tienen aumentos axiales que no son tan avanzados como las configuraciones helicoidales que promueven la humectación de todo el perímetro interno del tubo por el refrigerante líquido y un flujo de refrigerante anular más eficiente en el intervalo extendido de flujos másicos de refrigerante. Por lo tanto, los aumentos internos para los tubos de Al requieren mayores relaciones de superficie de transferencia de calor de secundaria a primaria y superficies con aletas aumentadas internamente más compactas que, junto con el material de Al más blando, crean desafíos significativos para el proceso de expansión.
DESCRIPCIÓN BREVE
En una realización, un intercambiador de calor incluye una pluralidad de aletas y una pluralidad de tubos que pasan un fluido a través de los mismos, que se extienden a través de la pluralidad de aletas y se expanden radialmente en un ajuste con apriete con las mismas. Al menos un tubo de la pluralidad de tubos incluye un diámetro exterior, un diámetro interior y una pluralidad de crestas que se extienden desde el diámetro interior hacia dentro a un interior del tubo. Después de la expansión del tubo a un ajuste con apriete con la pluralidad de aletas, un área de la superficie interna del tubo por unidad de longitud del tubo multiplicada por la relación del diámetro exterior al diámetro interior y dividida por el grosor de pared de tubo, es igual o mayor que 30,0.
Estas y otras ventajas y características resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción tomada conjuntamente con los dibujos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
El objeto, que se considera como la invención, se señala particularmente y se reivindica claramente en las reivindicaciones al término de la especificación. Lo anterior y otras características y ventajas de la invención resultan evidentes a partir de la siguiente descripción detallada y tomada conjuntamente con los dibujos que la acompañan, en los cuales:
la fig. 1 es una vista esquemática de una realización de un intercambiador de calor;
la fig. 2 es una vista en sección transversal parcial de una realización de un tubo de intercambiador de calor; la fig. 3 es una vista en perspectiva de una realización de un tubo intercambiador de calor; y
la fig. 4 es una vista en sección transversal parcial de otra realización de un tubo de intercambiador de calor. La descripción detallada explica realizaciones ejemplares de la invención, junto con ventajas y características de la misma, mediante ejemplos con referencia a los dibujos.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
En la figura 1 se muestra una realización de un intercambiador de calor de aletas de placas y tubos redondos (RTPF) (10), tal como uno utilizado como un evaporador o condensador. El intercambiador de calor RTPF (10) incluye una pluralidad de tubos (12) y una pluralidad de aletas (14). La pluralidad de tubos (12) lleva un fluido, por ejemplo, un refrigerante. Se intercambia energía térmica entre el fluido y el aire que fluye por la pluralidad de aletas (14). En algunas realizaciones, los tubos (12) pueden ser formados de un aluminio o aleación de aluminio mediante, por ejemplo, un proceso de extrusión o de estirado, mientras que en otras realizaciones, los tubos (12) pueden ser formados de otros materiales, por ejemplo, cobre, Cu-Ni, acero o plástico. En la fabricación del intercambiador de calor (10), los tubos (12) se insertan en las aberturas (16) en las aletas (14) y se expanden mecánicamente mediante, por ejemplo, una o más balas insertadas en un interior de los tubos (12). La expansión de los tubos (12) asegura suficiente contacto entre el tubo (12) y la aleta (14) con fines de transferencia de calor y también asegura los tubos (12) en una posición predeterminada en el intercambiador de calor (10), con respecto a las aletas (14).
La fig. 2 es una vista en sección transversal parcial de un tubo (12) de un intercambiador de calor (10). El tubo (12) incluye una pluralidad de aumentos, o crestas (18) que se extienden hacia un interior (20) del tubo (12). Como se muestra en la fig. 3, el tubo (12) tiene un diámetro exterior (22) y un diámetro interior (24), con las crestas (18) (denominadas también aletas o aumentos internos al tubo) extendiéndose hacia dentro desde el diámetro interior (24) hacia el interior (20) del tubo (12). Las crestas (18) se extienden a lo largo de una longitud (26) del tubo (12). En algunas realizaciones, las crestas (18) se extienden sustancialmente de manera axial, mientras que en otras realizaciones, las crestas (18) se extienden helicoidalmente a lo largo de tubo (12) en un ángulo de hélice (30) con respecto a un eje de tubo (28). Además, las crestas (18) tienen una anchura de base (32) en una base (38) de la cresta (18), una anchura superior (34) en una punta (40), o la porción más radialmente hacia el interior de la cresta (18), con una anchura de acanaladura (36) que espacia entre las crestas adyacentes (18) en el base de las crestas adyacentes (18). Además, cada cresta (18) se extiende desde la base (38) hasta la punta (40) definiendo una altura de cresta (42), y los lados (44) de cada cresta (18) pueden converger en un ángulo de cresta (46), denominado el ángulo de vértice de la cresta (18). Con referencia a la fig. 4, debe apreciarse que, en algunas realizaciones, cada cresta (18) incluye un filete superior (52) entre la punta (40) y los lados (44). En tales realizaciones, la anchura superior (34) se define en esta solicitud como una distancia a lo largo de la punta (40) hasta una intersección teórica entre la punta (40) y los lados (44). De manera similar, en algunas realizaciones, un filete de base (54) puede conectar los lados (44) y la acanaladura (56). La anchura de base (32) y la anchura de acanaladura (36) se definen de manera similar usando un punto de intersección teórica entre los lados (44) y la acanaladura (56). Debe apreciarse que, aunque en esta solicitud se describen tubos circulares que tienen diámetros interiores y exteriores, la presente descripción también puede aplicarse a tubos (12) con secciones transversales no circulares.
Todas las características particulares de los tubos (12) y las crestas (18) descritas en esta solicitud se refieren al estado postexpandido del tubo (12), o las dimensiones y las características de los tubos (12) y las crestas (18) después de que los tubos (12) hayan sido expandidos, asegurando los tubos (12) a las aletas (14).
Una realización de tubo expandido (12) tiene un área de la superficie interna, o área de la superficie interna por unidad de longitud definida como:
(1) A = N*[2h / eos (a / 2) a c]
donde A = el área de la superficie por unidad de longitud
N = el número de crestas en el tubo
h = la altura de cresta (42)
a = el ángulo de cresta (46)
a = anchura superior de cresta (34) y
c = anchura de acanaladura (36).
Un tubo no aumentado (12) tiene un área de la superficie interna por unidad de longitud (A). Cuando (A) se divide por (ID), se obtiene como resultado una relación de aumento de la superficie, (Z). En una realización del diseño del tubo (12), (Z) se refiere a una relación del grosor de pared de tubo (48) y el diámetro exterior (22) mediante la expresión:
(2) £ > 30.0 * (Tw/ OD)
donde Tw = grosor de pared (48) y
OD = diámetro interior (22).
Los tubos (12) que satisfacen este requisito en el estado postexpandido logran suficiente apriete entre el tubo (12) y la aleta (14) para rendimiento térmico y para asegurar el tubo (12) a la aleta (14), garantizando al mismo tiempo degradación mínima del rendimiento térmico debido a la distorsión de las superficies interiores del tubo (12), tales como la acanaladura (36) y la estructura de la cresta (18).
La distribución y contención de la capa líquida dentro del área con crestas, o las áreas individuales entre las crestas (18), está directamente relacionada con el tamaño de esta área y tiene un impacto inmediato sobre el coeficiente de transferencia de calor o la resistencia térmica del refrigerante monofásico o bifásico que fluye dentro de los tubos (12). El volumen interno libre por unidad de longitud del tubo (12), (S), o la porción del interior (20) confinada entre las crestas (18) puede expresarse como:
Figure imgf000004_0001
para tubos aumentados axialmente.
Además, para que el tubo (12) tenga un coeficiente de transferencia de calor interno o una resistencia térmica deseados, se requiere que en el estado postexpandido, una relación de (S) a un cuadrado del diámetro exterior (22) sea mayor o igual al 4 %, o:
(4) S /(O D )2> 0.040
Además, la correcta expansión mecánica del tubo (12) y el apriete o el contacto entre el tubo (12) y la aleta (14) es crítica para el rendimiento general del intercambiador de calor (10). La resistencia de contacto térmico define la medida en que el tubo (12) se expande correctamente sobre un casquillo de aleta (50) (mostrado en la fig. 1). La expansión insuficiente conducirá a contacto deficiente, mientras que el exceso de expansión dará lugar a excesiva contracción del tubo y puede conducir a que el casquillo de aleta externo (50) se raje, lo que reducirá el área de la superficie de contacto entre el tubo (12) y la aleta (14) para la transferencia de calor. Un cambio en el diámetro interno (24) está relacionado directamente con la deformación de la superficie interna del tubo. Por lo tanto, el proceso de expansión debería controlarse de modo que la deformación de la superficie interna del tubo (12) se reduzca y se mantenga un correcto contacto entre el tubo (12) y la aleta (14). Tal proceso optimizado producirá una relación de postexpansión del diámetro exterior (22) al diámetro interior (24) que será inferior o igual a 1,185 o
(5) O D /ID <1.185.
Una cantidad de área de la superficie disponible para contacto con una bala de expansión (no mostrada) utilizada en el interior (20) del tubo (12) es crítica en la determinación de una fuerza axial requerida que se aplicará a la bala de expansión para lograr la expansión necesaria del tubo (12). Se desea lograr la expansión con la menor fuerza posible para evitar la deformación excesiva de las crestas (18), el pandeo y/o la excoriación de las superficies y características del tubo interior (12), por lo que se desea tener crestas más anchas (18) en comparación con el diámetro interior (24), de modo que se requiera una fuerza de expansión axial más baja para lograr una expansión radial uniforme deseada del tubo (12). Como tal, se desea que una relación de la anchura superior de cresta (34) al diámetro interior (24) multiplicada por el número de crestas (18) sea mayor o igual que 1,60 o
(6) a * N / ID >1.60
El ángulo de cresta (46) es la clave para determinar la relación de aumento de superficie (Z), el volumen libre (S) contenido entre las crestas (18) y un peso del tubo (12). La relación de aumento de superficie (Z) y el volumen libre (S) impulsan el rendimiento térmico del tubo (12), mientras que el peso del tubo afecta el coste del tubo (12). El ángulo de cresta (46) debe diseñarse para que produzca resultados óptimos dadas estas restricciones competitivas, y define un ángulo de la sección transversal de las crestas (18). Las relaciones deseadas del tamaño de la cresta (18) al diámetro interior (24) se expresan de la siguiente manera:
(7) [(a b) * h * 0 ,5/(ID )2] > 0,0014 y
(8) h / ID > 0.045
En una realización del tubo (12), el diámetro exterior (22) es aproximadamente 7 mm, con un diámetro interior (24) de 5,8 mm, dando como resultado un grosor de pared (48) de aproximadamente 0,6 mm. El tubo (12) tiene 50 crestas (18), teniendo cada cresta (18) una altura de cresta (42) de aproximadamente 0,32 mm, una anchura de base (32) de aproximadamente 0,212 mm y una anchura superior (34) de aproximadamente 0,185 mm. El ángulo de cresta (46) es aproximadamente 4,8 grados.
En esta realización, utilizando la ecuación (2), que requiere que Z * (O D /T w ) s 30,0, el resultado es 33,4. La ecuación (4), que requiere que S / (OD)2 sea mayor o igual a 0,040, produce el resultado 0,047. La ecuación (5), que requiere que Od / ID <1,185, da como resultado una relación de 1,181. La relación de la anchura superior de aumento (34) al diámetro interior (24) multiplicado por el número de crestas, que se requiere que sea mayor o igual a 1,60 por la expresión (6), da un resultado de 1,655. Las ecuaciones (7) y (8) producen resultados de 0,0016 y 0,046 en comparación con los requisitos de ser mayor o igual a 0,0014 y mayor o igual a 0,045, respectivamente.
Aunque la invención se ha descrito en detalle en relación con solo un número limitado de realizaciones, debería entenderse fácilmente que la invención no está limitada a tales realizaciones descritas. Más bien, la invención se puede modificar para incorporar cualquier número de variaciones, alteraciones, sustituciones o disposiciones equivalentes que no se hayan descrito hasta este momento, pero que estén dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Además, aunque se han descrito diversas realizaciones de la invención, ha de entenderse que los aspectos de la invención pueden incluir solo algunas de las realizaciones descritas. Por consiguiente, la invención no debe verse como limitada por la descripción anterior, sino que solo está limitada, como se mencionó anteriormente, por el alcance de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un intercambiador de calor (10) que comprende:
una pluralidad de aletas (14):
una pluralidad de tubos (12) que pasan un fluido a través de los mismos, que se extienden a través de la pluralidad de aletas (14) y expandidos radialmente en un ajuste con apriete con las mismas, incluyendo al menos un tubo (12) de la pluralidad de tubos (12):
un diámetro exterior (22);
un diámetro interior (24); y
una pluralidad de crestas (18) que se extienden desde el diámetro interior (24) hacia dentro a un interior del tubo (12); caracterizado porque
después de la expansión del tubo (12) a un ajuste con apriete con la pluralidad de aletas (14), un área de la superficie interna del tubo por unidad de longitud del tubo multiplicada por la relación del diámetro exterior al diámetro interior y dividida por un grosor de pared de tubo, es igual o mayor que 30,0.
2. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, donde la pluralidad de crestas se extiende sustancialmente de manera axial a lo largo de una longitud del tubo.
3. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, donde la pluralidad de crestas se extiende helicoidalmente a lo largo de una longitud del tubo.
4. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, donde el área de la superficie interna del tubo por unidad de longitud del tubo multiplicada por la relación del diámetro exterior al diámetro interior y dividida por un grosor de pared de tubo, es igual a 33,4.
5. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, donde un volumen libre interno del tubo por unidad de longitud confinado entre dichas crestas dividido por un cuadrado del diámetro exterior es igual o mayor que 0,040.
6. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 5, donde una relación del área de la sección transversal de cresta a un cuadrado del diámetro interior es igual o mayor que 0,0014.
7. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 5, donde un volumen libre interno del tubo por unidad de longitud dividido por un cuadrado del diámetro exterior es 0,047.
8. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, donde una relación del diámetro exterior al diámetro interior es inferior o igual a 1,185.
9. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, donde una relación de una anchura superior de cada cresta al diámetro interior multiplicado por el número de crestas es igual o mayor que 1,60.
10. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, donde:
una relación del área de la sección transversal de cresta a un cuadrado del diámetro interior es igual o mayor que 0,0014; y
una relación de la altura de cresta al diámetro interior es igual o mayor que 0,045.
11. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1, donde la pluralidad de tubos está formada de aluminio o aleación de aluminio.
12. El intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 8, donde la relación del diámetro exterior al diámetro interior es inferior o igual a 1,181.
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