PT1830151E

PT1830151E - Tubo de permutador térmico estruturado e processo para o seu fabrico

Info

Publication number: PT1830151E
Application number: PT07002793T
Authority: PT
Inventors: Andreas Beutler; Andreas Schwitalla; Markus Revermann; Jean El Hajal
Original assignee: Wieland Werke Ag
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2010-05-24
Also published as: JP5376763B2; US20070193728A1; DE102006008083A1; JP2007225272A; CN101025348A; DE102006008083B4; EP1830151A1; ATE462949T1; US8857505B2; KR20070085126A; MX2007002102A; ES2343653T3; DE502007003266D1; EP1830151B1; BRPI0700587A

Description

DESCRIÇÃO

"TUBO DE PERMUTADOR TÉRMICO ESTRUTURADO E PROCESSO PARA O SEU FABRICO" A presente invenção refere-se a um tubo de permutador térmico, com pelo menos uma zona estruturada no lado interior do tubo e um processo para o fabrico do mesmo. A transferência térmica surge em muitas áreas da técnica de frio e de climatização, bem como na técnica de controlo dos processos e da energia. Para a transferência térmica são utilizados frequentemente nestes domínios permutadores térmicos de feixes de tubos. Em muitas aplicações circula, neste caso, no lado interior do tubo, um líquido que é refrigerado ou aquecido, dependendo da direcção da circulação de calor. 0 calor é cedido ao fluido que se encontra no lado interior do tubo ou subtraído a este. É geralmente conhecido que nos permutadores térmicos de feixes de tubos são utilizados tubos estruturados, em vez de tubos lisos. Através das estruturas é melhorada a transmissão térmica. A densidade do fluxo térmico é aumentada desse modo e o permutador térmico pode ser construído mais compacto. Em alternativa, a densidade do fluxo térmico pode ser mantida e a diferença de temperatura desenvolvida é baixada, facto pelo qual é possível uma transmissão térmica de maior eficiência energética. 1

Os tubos de permutador térmico para permutadores térmicos de feixes de tubos, estruturados de um ou de ambos os lados, possuem habitualmente pelo menos uma zona estruturada, bem como secções de extremidade lisas e, eventualmente, secções intermédias lisas. As secções de extremidade ou secções intermédias lisas limitam as zonas estruturadas. Para que o tubo possa ser montado sem problemas no permutador térmico de feixes de tubos, o diâmetro exterior das zonas estruturadas não deveria ser maior que o diâmetro exterior das secções de extremidade ou secções intermédias lisas.

Como tubos de permutador térmico estruturados são utilizados frequentemente tubos de nervuras laminados integralmente. Por tubos de nervuras laminados integralmente entendem-se tubos nervurados, nos quais as nervuras foram formadas a partir do material da parede de um tubo liso. Em muitos casos, os tubos de nervuras possuem, no lado interior do tubo, uma multiplicidade de nervuras envolventes paralelas ao eixo ou em forma de linhas helicoidais, que aumentam a superfície interior e melhoram o coeficiente de transmissão térmica no lado interior do tubo. No seu lado exterior, os tubos possuem nervuras envolventes de forma circular ou helicoidal.

No passado foram desenvolvidas muitas possibilidades, consoante a aplicação, para aumentar mais a transmissão térmica, no lado exterior de tubos de nervuras laminados integralmente, na medida em que as nervuras no lado exterior dos tubos são providas de outras características estruturais. Como é conhecido, por exemplo, a partir da publicação US 5775411, em caso de condensação de agentes refrigerantes no lado exterior do tubo, o coeficiente de transmissão térmica é aumentado nitidamente, quando os flancos das nervuras estão providos de 2 arestas convexas adicionais. Em caso de vaporização de agentes refrigerantes no lado exterior do tubo, comprovou-se que aumenta o rendimento fechar parcialmente os canais que se situam entre as nervuras, de modo que resultam cavidades, que estão ligadas ao ambiente através de poros ou ranhuras. Como é já conhecido a partir de numerosas publicações, os canais desse género, no essencial fechados, são produzidos através de encurvamento ou dobragem das nervuras (documentos US 3696861, US 5054548), através de clivagem e encalque da nervura (documentos DE 2758526 C2, US 4577381) e através de entalhamento e encalque da nervura (documentos US 4660630, EP 0713072 Bl, US 4216826).

As melhorias de rendimento no lado exterior do tubo, referidas anteriormente, têm como consequência que a percentagem principal da resistência total à transmissão térmica é deslocada para o lado interior do tubo. Este efeito surge, em especial, em caso de pequenas velocidades de circulação no lado interior do tubo, como, por exemplo, em caso de funcionamento sob carga parcial. Para reduzir significativamente a resistência total à transmissão térmica é necessário aumentar mais o coeficiente de transmissão térmica no lado interior do tubo.

Para aumentar a transmissão térmica do lado interior do tubo, as nervuras interiores envolventes paralelas ao eixo ou em forma de linhas helicoidais podem ser providas de ranhuras, como está descrito na publicação DE 10156374 Cl. Neste caso é significativo que, através da utilização ali divulgada de mandris perfilados de laminar, para a produção das nervuras interiores e ranhuras, as dimensões da estrutura interior e da estrutura exterior do tubo de nervuras possam ser ajustadas independentemente uma da outra. Deste modo, as estruturas do 3 lado exterior e do lado interior podem ser adaptadas às exigências respectivas e assim são configuradas no tubo.

Perante estes antecedentes, o objectivo da presente invenção consiste em aperfeiçoar estruturas interiores de tubos de permutador térmico do género referido anteriormente, de modo que seja conseguido um aumento de rendimento adicional, em relação a tubos já conhecidos.

Neste caso, a percentagem de peso da estrutura interior no peso total do tubo não deveria ser superior ao caso de nervuras interiores tradicionais em forma de linhas helicoidais, de secção transversal constante. Para além disso, deveria ser evitado um maior aumento da perda de pressão. Neste caso as dimensões da estrutura interior e da estrutura exterior do tubo de nervuras deveriam poder ser ajustadas independentemente uma da outra. A invenção é concretizada em relação a um tubo de permutador térmico, através das caracteristicas da reivindicação 1 e em relação a um processo para o fabrico de um tubo de permutador térmico, através das caracteristicas da reivindicação 5. As restantes reivindicações correspondentes referem-se a realizações e aperfeiçoamentos vantajosos da invenção. A invenção inclui um tubo de permutador térmico, com pelo menos uma zona estruturada no lado interior do tubo, que apresenta as caracteristicas seguintes: a) no lado interior do tubo prolongam-se nervuras interiores integrais, com uma altura H, paralelas ao eixo ou em forma de linhas helicoidais, de maneira 4 contínua através da periferia, formando um ângulo βΐ de inclinação, medido em relação ao eixo do tubo, com formação de ranhuras primárias, b) as nervuras interiores são cruzadas, sobre a totalidade da periferia do tubo, por ranhuras secundárias espaçadas umas das outras, que estão paralelas umas às outras formando um ângulo β2 de inclinação, medido em relação ao eixo do tubo e apresentam uma profundidade T2 de entalhe e um ângulo a2 de abertura de ranhura, c) as nervuras interiores e as ranhuras secundárias são cruzadas, sobre a totalidade da periferia do tubo, por ranhuras terciárias espaçadas umas das outras, que estão paralelas umas às outras, de maneira continua, através da periferia, formando um ângulo β3 de inclinação, medido em relação ao eixo do tubo e apresentam uma profundidade T3 de entalhe e um ângulo a3 de abertura de ranhura. A invenção parte neste caso da reflexão de que, num tubo de permutador térmico, as nervuras interiores separadas através de ranhuras primárias que se prolongam paralelamente são cruzadas através de ranhuras secundárias. Esta estrutura interior é cruzada por ranhuras terciárias, que se prolongam formando um ângulo β3 de inclinação, medido em relação ao eixo do tubo. No caso dos ângulos βΐ, β2 e β3 de inclinação é habitual designar sempre o ângulo agudo em relação ao eixo do tubo. Neste sentido sucede, por exemplo, no caso de ângulos β2 e β3 de valor igual, que uma estrutura interior cruzada é realizada através de uma rotação completa das ranhuras secundárias e terciárias em sentidos opostos. No caso de ranhuras secundárias e terciárias com rotação completa no mesmo sentido, os ângulos β2 e β3 são, por conseguinte, de valor diferente. Complementarmente, as 5 ranhuras secundárias e terciárias podem distinguir-se em pelo menos uma das caracteristicas seguintes: Profundidade T de entalhe, passo P, ângulo α de abertura da ranhura. A profundidade T das ranhuras secundárias e terciárias é medida desde a ponta da nervura interior, em direcção radial. 0 passo P é a distância mais curta entre ranhuras vizinhas e paralelas, que são produzidas pelo mesmo mandril e é uma medida para o passo das nervuras. 0 ângulo α de abertura da ranhura é o ângulo das ranhuras existentes no mandril perfilado, com o qual são produzidas as ranhuras secundárias ou terciárias do conjunto das nervuras interiores. A vantagem especial consiste em que, através da realização das ranhuras terciárias, surge uma estrutura interior constituída por nervuras interiores simplesmente entalhadas, com uma estrutura sobreposta em forma de hélice. Deste modo são induzidos turbilhões adicionais no fluido que circula através do tubo, o que leva a um aumento adicional da transmissão térmica interior. Este aumento do rendimento excede a influência da perda de pressão, que aumenta como consequência da formação de turbilhões. É compreensível que, através do acréscimo de ranhuras terciárias, a percentagem de peso da estrutura interior não é aumentada no peso total do tubo, através da simples deslocação do material. Com isso a percentagem de peso da estrutura interior no peso total do tubo não é mais elevada que no caso de nervuras interiores tradicionais, em forma de linhas helicoidais e de secção transversal constante.

Numa configuração preferida da invenção, é possível distinguir na zona estruturada do lado interior do tubo o passo P2 das ranhuras secundárias e o passo P3 das ranhuras 6 terciárias. Deste modo é configurada a estrutura sobreposta em forma de hélice. É preferido, além disso, que o passo P2 das ranhuras secundárias seja inferior ao passo P3 das ranhuras terciárias. Com isso as ranhuras secundárias situam-se mais apertadas que as ranhuras terciárias, facto pelo qual o efeito sobre a formação de turbilhões pode ser adaptado correspondendo ao fluido utilizado e, em especial, à sua viscosidade.

Num aperfeiçoamento preferido da invenção, podem distinguir-se na zona estruturada do lado interior do tubo o ângulo a2 de abertura das ranhuras secundárias e a3 das ranhuras terciárias. Com isso são influenciadas, em especial, as inclinações dos flancos das nervuras estruturadas através das ranhuras secundárias e terciárias. 0 ângulo de inclinação dos flancos influencia sensivelmente o comportamento de escoamento do fluido que circula por eles em funcionamento.

De um modo preferido, podem distinguir-se na zona estruturada do lado interior do tubo entre a profundidade T2 de entalhe das ranhuras secundárias e T3 das ranhuras terciárias. Neste caso, na zona estruturada no lado interior do tubo a profundidade T2 de entalhe das ranhuras secundárias pode ser inferior à profundidade T3 de entalhe das ranhuras terciárias. Deste modo tem lugar, em primeiro lugar, uma estampagem sobreposta das nervuras interiores integrais, entalhadas através das ranhuras secundárias.

De um modo vantajoso, podem rodear o lado exterior do tubo algumas nervuras exteriores integrais, paralelas ao eixo ou em forma de linhas helicoidais. Para este caso, um outro aspecto da invenção inclui um processo para o fabrico de um tubo de permutador térmico estruturado com nervuras exteriores 7 integrais, que se prolongam circularmente em forma de linhas helicoidais no lado exterior do tubo e, no lado interior do tubo, nervuras interiores, que se prolongam paralelas ao eixo ou em forma de linhas helicoidais, nervuras essas integrais, ou seja, produzidas por mecanização na parede do tubo e que são cruzadas e entalhadas por ranhuras secundárias e por ranhuras terciárias, processo no qual são realizadas as operações seguintes: a) do lado exterior de um tubo liso formam-se, numa primeira zona de deformação, algumas nervuras exteriores, que se prolongam em forma de linhas helicoidais, na medida em que o material das nervuras é obtido através de deslocação de material, proveniente da parede do tubo, por meio de uma primeira operação de laminagem e o tubo de nervuras resultante é deslocado em rotação e avançado em correspondência com as nervuras em forma de linhas helicoidais resultantes, sendo as nervuras exteriores com altura crescente obtidas por deformação do tubo liso, que, de outra forma, não seria deformado, b) a parede do tubo, na primeira zona de deformação, é suportada através de um primeiro mandril de laminar, que está situado no interior do tubo, apoiado de forma a poder rodar e é perfilado, facto pelo qual são realizadas as nervuras interiores, c) numa segunda operação de laminagem, numa segunda zona de deformação situada afastada da primeira zona de deformação, as nervuras exteriores são realizadas com uma altura progressivamente crescente e as nervuras interiores são providas de ranhuras secundárias, sendo que a parede do tubo, na segunda zona de deformação, é suportada por um segundo mandril de laminar, que está situado no interior do tubo e está igualmente montado de forma a poder rodar e realizado perfilado, mas cujo perfil se distingue do perfil do primeiro mandril de laminar, no que se refere ao valor ou à orientação do ângulo da hélice, d) numa terceira operação de laminagem, numa terceira zona de deformação situada afastada da segunda zona de deformação, as nervuras exteriores são realizadas com uma altura progressivamente crescente e as nervuras interiores são providas de ranhuras terciárias, sendo que a parede do tubo, na terceira zona de deformação, é suportada por um terceiro mandril de laminar, que está situado no interior do tubo e está igualmente montado de forma a poder rodar e realizado perfilado, mas cujo perfil se distingue do perfil do primeiro mandril de laminar e do segundo mandril de laminar, no que se refere ao valor e/ou à orientação do ângulo da hélice. A invenção, relativamente ao processo de fabrico, parte da reflexão de que, para a produção de um tubo de permutador térmico estruturado, com as ranhuras terciárias propostas nas nervuras interiores providas de ranhuras secundárias, a ferramenta de laminar para a formação das nervuras exteriores é constituída por pelo menos três conjuntos de discos de laminar afastados uns dos outros. Estes conjuntos de discos de laminar produzem nervuras exteriores circundantes de forma helicoidal e providenciam, ao mesmo tempo, o avanço do tubo necessário para a estruturação. A estrutura interior é formada através de três mandris de laminar perfilados de maneira diferente. 0 primeiro mandril de laminar suporta o tubo na zona de deformação sob o primeiro conjunto de discos de laminar e forma em primeiro lugar 9 nervuras interiores circundantes em forma de linhas helicoidais ou paralelas ao eixo, sendo que estas nervuras interiores apresentam em primeiro lugar uma secção transversal constante. 0 segundo mandril de laminar suporta o tubo na zona de deformação sob o segundo conjunto de discos de laminar, de maior diâmetro e forma as ranhuras secundárias nas nervuras circundantes em forma de linhas helicoidais ou paralelas ao eixo, formadas anteriormente. 0 terceiro mandril de laminar produz as ranhuras terciárias sob o terceiro conjunto de discos de laminar, na estrutura interior produzida anteriormente, constituída pelas nervuras simplesmente entalhadas. As profundidades das ranhuras secundárias e terciárias são estabelecidas, no essencial, através da escolha dos diâmetros dos três mandris de laminar. Às já referidas vantagens da invenção, relativamente aos tubos de permutador térmico, acrescem outras vantagens através do processo de fabrico, na medida em que as dimensões obtidas com as diferentes ferramentas de laminar permitem ajustar a estrutura interior e a estrutura exterior do tubo de nervuras, independentemente uma da outra. Assim, a estrutura interior e a estrutura exterior podem ser adaptadas uma à outra de forma ideal, para uma transferência térmica ideal.

De um modo preferido, um múltiplo inteiro do passo das nervuras exteriores pode ser ajustado, no essencial, como espaçamento entre as zonas de deformação.

Numa configuração vantajosa da invenção, o diâmetro exterior do segundo mandril de laminar pode ser escolhido inferior ao diâmetro exterior do primeiro mandril de laminar. De um modo vantajoso, também o diâmetro exterior do terceiro mandril de laminar pode ser escolhido inferior ao diâmetro 10 exterior do segundo mandril de laminar. Com este escalonamento dos diâmetros dos mandris de laminar é garantida a operação de estampagem na direcção radial.

Numa outra forma de realização preferida, as profundidades T2 e T3 das ranhuras secundárias e terciárias podem ser ajustadas através de escolha dos diâmetros dos mandris de laminar e através de escolha dos diâmetros dos respectivos discos de laminar maiores das três ferramentas de laminar. Isto torna manifesto que a totalidade do fluxo do material no lado interior do tubo e no lado exterior do tubo deve ser optimizado, através da utilização correspondente das ferramentas exteriores de laminar e dos mandris interiores de laminar.

Outras vantagens e configurações da invenção são explicadas em pormenor com base nos desenhos esquemáticos.

Neste caso mostram:

Fig. 1 esquematicamente, o fabrico de um tubo de permutador térmico de acordo com a invenção, por meio de três mandris, com hélice diferente e passo diferente,

Fig. 2 uma vista parcial esquemática da estrutura interior produzida,

Fig. 3 uma fotografia de uma estrutura interior,

Fig. 4 esquematicamente, uma parte do corte através da estrutura interior da fig. 3 ao longo da linha X-X e 11

Fig. 5 um diagrama que mostra a melhoria da transmissão térmica interior, em relação às nervuras interiores simplesmente entalhadas, através do número de Reynold. Para além disso, está representada conjuntamente a proporção das perdas de pressão da nova estrutura interior, em relação à estrutura interior sem ranhuras terciárias.

Os componentes correspondentes entre si estão providos com os mesmos números de referência em todas as figuras. 0 tubo 1 de nervuras laminado integralmente apresenta, no lado exterior do tubo, nervuras 6 exteriores, que rodeiam continuamente a periferia do mesmo, em forma de linhas helicoidais. 0 fabrico do tubo de nervuras de acordo com a invenção verifica-se através de uma operação de laminagem, por meio do dispositivo de laminar representado na fig. 1. É utilizado um dispositivo que é constituído por n = 3 ou 4 suportes 80 de ferramenta, nos quais estão integradas, respectivamente, pelo menos três ferramentas de laminar, afastadas umas das outras, com discos 50, 60 e 70 de laminar. Na fig. 1, por razões de clareza, está representado apenas um suporte 80 de ferramenta. O eixo de um suporte 80 de ferramenta é, ao mesmo tempo, o eixo das três correspondentes ferramentas 50, 60 e 70 de laminar, sendo que este eixo se prolonga obliquamente ao eixo do tubo. Os suportes 80 de ferramenta estão situados, respectivamente, desfasados em 360°/n na periferia do tubo 1 de nervuras. Os suportes 80 de ferramenta podem ser avançados 12 radialmente em relação ao tubo. Estão situados, por seu lado, numa cabeça de laminar fixa, não representada. A cabeça de laminar está fixada na armação de base do dispositivo de laminar. As ferramentas 50, 60 e 70 de laminar são constituídas, respectivamente, por vários discos de laminar situados próximos uns dos outros, cujo diâmetro aumenta na direcção R da laminagem. Os discos de laminar da segunda ferramenta 60 de laminar têm, por conseguinte, um diâmetro maior que os discos de laminar da primeira ferramenta 50 de laminar, os discos de laminar da terceira ferramenta 70 de laminar têm, por sua vez, um diâmetro maior que os discos de laminar da segunda ferramenta 60 de laminar.

Igualmente componentes do dispositivo são três mandris 10, 20 e 30 de laminar perfilados, com cujo auxílio é produzida a estrutura interior do tubo. Os mandris 10, 20 e 30 de laminar estão montados na extremidade livre de uma barra 40 de mandril de laminar e estão apoiados de modo a poderem rodar uns em relação aos outros. A barra 40 de mandril de laminar está fixada, na sua outra extremidade, na armação de base do dispositivo de laminar. Os mandris 10, 20 e 30 de laminar devem ser posicionados na zona de trabalho das ferramentas 50, 60 e 70 de laminar. A barra 40 de mandril de laminar deve ser pelo menos tão comprida como o tubo 1 de nervuras a fabricar. Antes da mecanização, o tubo 7 liso, com ferramentas 50, 60 e 70 de laminar não avançadas, é deslocado quase completamente sobre a barra 40 de mandril de laminar, através dos mandris 10, 20 e 30 de laminar. Apenas a parte do tubo 7 liso que deve formar a primeira secção de extremidade lisa, no tubo 1 de nervuras acabado, não é deslocada através dos mandris 10, 20 e 30 de laminar. 13

Para a mecanização do tubo, as ferramentas 50, 60 e 70 rotativas de laminar, situadas na periferia, são avançadas radialmente sobre o tubo 7 liso e deslocadas solidárias com este. O tubo 7 liso é, deste modo, deslocado em rotação. Uma vez que o eixo das ferramentas 50, 60 e 70 de laminar está colocado oblíquo em relação ao eixo do tubo, as ferramentas 50, 60 e 70 de laminar formam nervuras 6 exteriores circundantes em forma de linhas helicoidais, a partir da parede do tubo 7 liso e, ao mesmo tempo, deslocam para a frente o tubo 1 de nervuras resultante, correspondendo à inclinação das nervuras 6 exteriores circundantes em forma de linhas helicoidais, na direcção R da laminagem. As nervuras 6 exteriores seguem um trajecto circular, de um modo preferido, como uma rosca de passos múltiplos. A distância entre os centros de duas nervuras 6 exteriores vizinhas, medida ao longo do eixo do tubo, é designada por passo das nervuras. As distâncias entre as três ferramentas 50, 60 e 70 de laminar devem ser adaptadas de modo que os discos de laminar da ferramenta 60 ou 70 de laminar seguinte engrenem nas ranhuras 6c ou 6d, que se situam entre as nervuras 6a ou 6b formadas pela ferramenta 50 ou 60 de laminar precedente. De uma maneira ideal, estas distâncias são um múltiplo inteiro do passo das nervuras exteriores. A ferramenta 60 ou 70 de laminar seguinte prossegue então a restante formação das nervuras 6a ou 6b exteriores.

Na zona de deformação da primeira ferramenta 50 de laminar, a parede do tubo é apoiada através de um primeiro mandril 10 de laminar perfilado, na zona de deformação da segunda ferramenta 60 de laminar, a parede do tubo é apoiada através de um segundo mandril 20 de laminar perfilado e na zona de deformação da terceira ferramenta 70 de laminar, a parede do tubo é apoiada através de um terceiro mandril 30 de laminar perfilado. Os eixos 14 dos três mandris 10, 20 e 30 de laminar são idênticos ao eixo do tubo 1 de nervuras. Os mandris 10, 20 e 30 de laminar estão perfilados de modo diferente. O diâmetro exterior do segundo mandril 20 de laminar é, no máximo, tão grande como o diâmetro exterior do primeiro mandril 10 de laminar. O diâmetro exterior do terceiro mandril 30 de laminar é, por sua vez, no máximo, tão grande como o diâmetro exterior do segundo mandril 20 de laminar. Tipicamente, o diâmetro exterior do segundo mandril 20 de laminar é aproximadamente até 0,8 mm menor que o diâmetro exterior do primeiro mandril 10 de laminar e o diâmetro exterior do terceiro mandril 30 de laminar é, de um modo preferido, até 0,5 mm menor que o diâmetro exterior do segundo mandril 20 de laminar. O perfil dos mandris 10, 20 e 30 de laminar é constituído, habitualmente, por uma multiplicidade de ranhuras 10b, 20b e 30b de forma trapezoidal, que estão situadas paralelamente umas às outras na superfície exterior do mandril. O material do mandril de laminar que se encontra entre duas ranhuras 10b, 20b e 30b vizinhas é designado por canelura 10a, 20a ou 30a. As caneluras 10a, 20a ou 30a possuem uma secção de forma trapezoidal, no essencial. Os ângulos de abertura das ranhuras são designados no mandril 20 por ol2 e, no mandril 30, por a3. As ranhuras 10b e 20b do primeiro e do segundo mandris 10 e 20 de laminar prolongam-se, habitualmente, inclinadas num ângulo de 0o a 70°, em relação ao eixo do mandril. As ranhuras 30b do terceiro mandril 30 de laminar prolongam-se, em regra, inclinadas num ângulo de 10° a 80°. No caso do primeiro mandril 10 este ângulo é designado por βΐ, no caso do segundo mandril 20, por β2 e no caso do terceiro mandril 30 este ângulo é designado por β3. O ângulo 0o corresponde ao caso de as ranhuras 10b, 20b ou 30b se prolongarem paralelamente ao eixo dos mandris 10, 20 ou 30 de laminar. Se o ângulo for diferente de 0o, as ranhuras 10b, 20b ou 30b prolongam-se em forma de linhas 15 helicoidais. As ranhuras que se prolongam em forma de linhas helicoidais podem estar orientadas com passo à esquerda ou com passo à direita. Na fig. 1 está representado o caso de o primeiro mandril 10 de laminar apresentar ranhuras 10b com passo à esquerda, o segundo e o terceiro mandris 20 e 30 de laminar apresentarem ranhuras 20b e 30b com passo à direita. A estrutura interior assim produzida está representada na fig. 2, com base numa vista parcial esquemática. Neste caso a profundidade T3 das ranhuras 5 terciárias é superior à profundidade T2 das ranhuras 4 secundárias. As direcções das hélices das ranhuras 4 secundárias e ranhuras 5 terciárias distinguem-se, neste caso, pelo valor, mas não pela direcção. A fig. 3 está baseada numa fotografia de uma estrutura interior, na qual a profundidade T3 das ranhuras 5 terciárias é superior à profundidade T2 das ranhuras 4 secundárias. Os ângulos da hélice das ranhuras 4 secundárias e das ranhuras 5 terciárias estão, neste caso, no mesmo sentido, mas distinguem-se no seu valor.

Para os mandris de laminar com orientação no mesmo sentido, devem distinguir-se os correspondentes ângulos βΐ, β2 ou β3 de inclinação dos mandris 10, 20 ou 30. Os três mandris 10, 20 e 30 de laminar estão apoiados de modo a poderem rodar uns em relação aos outros.

Através das forças radiais da primeira ferramenta 50 de laminar, o material da parede do tubo é comprimido nas ranhuras 10b do primeiro mandril 10 de laminar. Deste modo são formadas sobre a superfície interior do tubo 1 de nervuras algumas nervuras 2a interiores, que circundam a periferia de modo 16 contínuo, em forma de linhas helicoidais. Entre duas nervuras 2a interiores vizinhas prolongam-se ranhuras 3 primárias. Correspondendo à forma das ranhuras 10b do primeiro mandril 10 de laminar, as nervuras 2a interiores têm uma secção transversal de forma trapezoidal, que inicialmente se mantém constante, ao longo da nervura 2a interior. As nervuras 2a interiores estão inclinadas em relação ao eixo do tubo, num mesmo ângulo βΐ, tal como as ranhuras 10b em relação ao eixo do primeiro mandril 10 de laminar. A altura das nervuras 2 interiores estruturadas em acabamento é designada por H e alcança habitualmente 0,15 - 0,60 mm.

Através das forças radiais da segunda ferramenta 60 de laminar, as nervuras 2a interiores são comprimidas no segundo mandril 2 0 de laminar. Uma vez que as ranhuras 2 0b do segundo mandril 20 de laminar se prolongam num ângulo diferente do das ranhuras 10b do primeiro mandril 10 de laminar, em relação ao eixo do mandril e, por conseguinte, num ângulo diferente em relação ao eixo do tubo, as nervuras 2a interiores encontram, por secções, uma ranhura 20b ou uma canelura 20a do segundo mandril 20 de laminar. Nas secções nas quais uma nervura 2a interior encontra uma ranhura 20b, o material da nervura 2a interior é comprimido na ranhura 20b. Nas secções nas quais uma nervura 2a interior encontra uma canelura 20a, o material das nervuras é deformado e as ranhuras 4 secundárias, que se prolongam paralelamente umas às outras, prolongando-se continuamente ao longo da periferia, são estampadas nas nervuras interiores. As ranhuras 4 secundárias possuem um ângulo de abertura das ranhuras, que corresponde ao ângulo oí2 de abertura do segundo mandril de laminar. A distância entre as ranhuras 4 secundárias é designada por passo P2. Correspondendo à forma das caneluras 20a do segundo mandril 20 de laminar, as ranhuras 4 17 secundárias têm uma secção transversal de forma trapezoidal. As ranhuras 4 secundárias que são estampadas pela mesma canelura 20a em diferentes nervuras interiores, estão situadas alinhadas umas com as outras. O ângulo que as ranhuras 4 secundárias formam com o eixo do tubo é igual ao ângulo β2, que as ranhuras 20b do segundo mandril 20 de laminar formam com o eixo do do segundo mandril 20 de laminar.

Através das forças radiais da terceira ferramenta 70 de laminar, as nervuras 2b interiores simplesmente entalhadas são comprimidas no terceiro mandril 30. Uma vez que a geometria do terceiro mandril 30 de laminar difere da geometria dos dois primeiros mandris 10 e 20, as nervuras 2b simplesmente entalhadas encontram, por secções, uma ranhura 30b ou uma canelura 30a do terceiro mandril 30 de laminar. Nas secções nas quais uma nervura 2b interior simplesmente entalhada encontra uma canelura 30a, o material da nervura 2b interior simplesmente entalhada é deformado e são formadas ranhuras 5 terciárias, que se prolongam paralelamente umas às outras, prolongando-se continuamente ao longo da periferia, estampadas nas nervuras 2b interiores simplesmente entalhadas. As ranhuras 5 terciárias possuem um ângulo de abertura das ranhuras, que corresponde ao ângulo oí3 de abertura do terceiro mandril 30 de laminar. A distância entre as ranhuras 5 terciárias é designada por passo P3. Correspondendo à forma das caneluras 30a do terceiro mandril 30 de laminar, as ranhuras 5 terciárias têm uma secção transversal de forma trapezoidal. Devido ao passo do terceiro mandril 30, que é maior que o passo dos dois primeiros mandris 10 e 20 de laminar, surge através das ranhuras 5 terciárias uma estrutura sobreposta em forma de hélice. O ângulo que as ranhuras 5 terciárias formam com o eixo do tubo é igual ao ângulo β3. 18

As profundidades T2 e T3 das ranhuras 4 e 5 secundárias e terciárias são medidas a partir da ponta da nervura 2 interior, em direcção radial. Através de escolha adequada dos diâmetros exteriores dos mandris 10, 20 e 30 de laminar, bem como através de escolha adequada dos diâmetros exteriores dos discos de laminar das três ferramentas 50, 60 e 70 de laminar respectivamente maiores, podem ser variadas as profundidades T2 e T3 das ranhuras 4 e 5 secundárias e terciárias: quanto menor for a diferença no diâmetro exterior entre dois mandris 10 e 20 ou 20 e 30 de laminar vizinhos, tanto maior é a profundidade de entalhe das ranhuras 4 ou 5 produzidas do mandril 2 0 ou 3 0 de laminar que se segue. Uma alteração do diâmetro exterior de um dos três mandris 10, 20 ou 30 de laminar, no entanto, tem como consequência não só uma alteração da profundidade T2 ou T3 de entalhe das ranhuras 4 ou 5 secundárias ou terciárias, mas exerce também habitualmente uma alteração da altura das nervuras 6 exteriores. Este efeito, no entanto, pode ser compensado, na medida em que se modifique e estrutura das ferramentas 50, 60 e 70 de laminar. Para isso, em especial, os diâmetros dos últimos discos de laminar podem ser adaptados, numa das ferramentas 50, 60 e 70 de laminar.

Para influenciar nitidamente a circulação do líquido que corre no tubo, a profundidade T2 das ranhuras 4 secundárias deve alcançar pelo menos 20% da altura H das nervuras 2 interiores, a profundidade T3 das ranhuras 5 terciárias deve alcançar pelo menos 20% da altura H. De um modo preferido, T3 é maior que T2. A fig. 4 mostra esquematicamente um corte através da estrutura interior da fig. 3, ao longo da linha X-X. As proporções de altura entre as nervuras 2 interiores, ranhuras 3 19 primárias, ranhuras 4 secundárias e ranhuras 5 terciárias podem aqui ser reconhecidas nitidamente.

Através das ranhuras 4 secundárias, a estrutura interior do tubo 1 de nervuras está provida de arestas adicionais. Se circular liquido no lado interior do tubo, então surgem nestas arestas turbilhões adicionais no liquido, que melhoram a transmissão térmica na parede do tubo. Através das ranhuras 5 terciárias, surge uma estrutura sobreposta em forma de hélice, facto pelo qual surgem turbilhões adicionais na circulação do liquido. Através destes turbilhões adicionais é conseguido um aumento adicional da transmissão térmica interior. A descrição do processo de fabrico de acordo com a invenção mostra que, através da multiplicidade dos parâmetros de ferramentas que podem ser escolhidos neste processo, podem ser ajustadas as dimensões da estrutura exterior e da estrutura interior em largas zonas, independentemente umas das outras. Em especial, torna-se possível o escalonamento da ferramenta de laminar, nas três ferramentas 50, 60 e 70 de laminar, para variar as profundidades T2 e T3 das ranhuras 4 e 5 secundárias e terciárias, sem, ao mesmo tempo, alterar a altura das nervuras 6 exteriores.

Os tubos de nervuras para a técnica de frio e de climatização, estruturados de ambos os lados, são fabricados frequentemente de cobre ou cupro-níquel. Uma vez que, no caso destes metais, o preço do material puro condiciona uma percentagem não insignificante dos custos totais do tubo de nervuras, é vantajoso que, num dado diâmetro do tubo, o peso do tubo seja o mais reduzido possível. A percentagem de peso da estrutura interior no peso total, nos tubos de nervuras 20 disponíveis comercialmente hoje em dia, eleva-se a 10% a 20%, consoante a altura da estrutura interior e, por conseguinte, consoante a eficiência. Através das ranhuras 5 terciárias de acordo com a invenção, nas nervuras interiores simplesmente entalhadas de tubos 1 de nervuras estruturados de ambos os lados, a eficiência de tais tubos pode ser consideravelmente aumentada, sem que a percentagem de peso da estrutura interior seja aumentada. A fig. 5 mostra um diagrama que documenta a melhoria de rendimento da estrutura interior de acordo com a invenção. Pretende-se a melhoria da transmissão térmica interior da estrutura interior de acordo com a invenção, em relação à estrutura interior apenas simplesmente entalhada, através do número de Reynold, com circulação de água. A altura das nervuras interiores alcança, no caso dos dois tipos de tubos, aproximadamente 0,3 mm. A geometria do primeiro e do segundo mandris utilizados é idêntica, em ambas as estruturas interiores. O tubo de nervuras com a estrutura interior duplamente entalhada apresenta uma vantagem da transmissão térmica interior na gama do número de Reynold de 20000 a 60000, de 8% a 20%.

Lista de números de referência 1 Tubo de permutador térmico / Tubo de nervuras 2 Nervuras interiores 2a Nervuras interiores de acordo com o primeiro mandril de laminar 2b Nervuras interiores de acordo com o segundo mandril de laminar 21 3 Ranhuras primárias 4 Ranhuras secundárias 5 Ranhuras terciárias 6 Nervuras exteriores 6a Nervuras exteriores de acordo com a primeira ferramenta de laminar 6b Nervuras exteriores de acordo com a segunda ferramenta de laminar 6c Ranhuras das nervuras exteriores de acordo com a primeira ferramenta de laminar 6d Ranhuras das nervuras exteriores de acordo com a segunda ferramenta de laminar 7 Tubo liso 10 Primeiro mandril de laminar 10a Zonas planas do primeiro mandril de laminar 10b Ranhuras do primeiro mandril de laminar 20 Segundo mandril de laminar 20a Zonas planas do segundo mandril de laminar 20b Ranhuras do segundo mandril de laminar 30 Terceiro mandril de laminar 30a Zonas planas do terceiro mandril de laminar 30b Ranhuras do terceiro mandril de laminar 40 Barra de mandril de laminar 50 Primeira ferramenta de laminar com discos de laminar 60 Segunda ferramenta de laminar com discos de laminar 70 Terceira ferramenta de laminar com discos de laminar 80 Suporte de ferramenta a2 Ângulo de abertura das ranhuras secundárias a3 Ângulo de abertura das ranhuras terciárias βΐ Ângulo de inclinação das nervuras interiores β2 Ângulo de inclinação das ranhuras secundárias 22 β3 Ângulo de inclinação das ranhuras terciárias H Altura das nervuras interiores T2 Profundidade de entalhe das ranhuras secundárias T3 Profundidade de entalhe das ranhuras terciárias P Passo das ranhuras interiores P2 Passo das ranhuras secundárias P3 Passo das ranhuras terciárias R Direcção da laminagem indicada através de seta

Lisboa, 17 de Maio de 2010 23

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Tubo (1) de permutador térmico estruturado de ambos os lados, que apresenta no seu lado exterior nervuras (6) exteriores integrais, paralelas ao eixo ou que se prolongam circularmente em forma de linhas helicoidais e com uma zona estruturada no lado interior do tubo, com as caracteristicas seguintes: a) no lado interior do tubo prolongam-se nervuras (2) interiores integrais, com uma altura H, paralelas ao eixo ou em forma de linhas helicoidais, de maneira continua através da periferia, formando um ângulo βΐ de inclinação, medido em relação ao eixo do tubo, com formação de ranhuras (3) primárias, b) as nervuras (2) interiores são cruzadas, sobre a totalidade da periferia do tubo, por ranhuras (4) secundárias espaçadas umas das outras, que estão paralelas umas às outras formando um ângulo β2 de inclinação, medido em relação ao eixo do tubo e apresentam uma profundidade T2 de entalhe e um ângulo a2 de abertura de ranhura, c) as nervuras (2) interiores e as ranhuras (4) secundárias são cruzadas, sobre a totalidade da periferia do tubo, por ranhuras (5) terciárias espaçadas umas das outras, que estão paralelas umas às outras, de maneira continua, através da periferia, formando um ângulo β3 de inclinação, medido em relação ao eixo do tubo e apresentam uma profundidade T3 de entalhe e um ângulo a3 de abertura de ranhura, caracterizado por 1 d) o passo P2 das ranhuras (4) secundárias ser inferior ao passo P3 das ranhuras (5) terciárias, sendo que através da realização das ranhuras terciárias surge uma estrutura interior, constituída por nervuras interiores simplesmente entalhadas, com uma estrutura sobreposta em forma de hélice.
2. Tubo de permutador térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a zona estruturada no lado interior do tubo se diferenciar no ângulo oí2 de abertura das ranhuras (4) secundárias e a3 das ranhuras (5) terciárias.
3. Tubo de permutador térmico de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado por a zona estruturada no lado interior do tubo se diferenciar na profundidade T2 de entalhe das ranhuras (4) secundárias e T3 das ranhuras (5) terciárias.
4. Tubo de permutador térmico de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por, na zona estruturada no lado interior do tubo, a profundidade T2 de entalhe das ranhuras (4) secundárias ser inferior à profundidade T3 de entalhe das ranhuras (5) terciárias.
5. Processo para o fabrico de um tubo de permutador térmico estruturado, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, que apresenta no lado exterior do tubo nervuras (6) exteriores, que se prolongam circularmente em forma de linhas helicoidais e, no lado interior do tubo, nervuras (2) interiores, que se prolongam paralelas ao eixo ou em forma de linhas helicoidais, nervuras essas integrais, ou seja, produzidas por mecanização na parede do tubo e que 2 são cruzadas e entalhadas por ranhuras (4) secundárias e por ranhuras (5) terciárias, processo no qual são realizadas as operações seguintes: a) do lado exterior de um tubo (7) liso formam-se, numa primeira zona de deformação, algumas nervuras (6a) exteriores, que se prolongam em forma de linhas helicoidais, na medida em que o material das nervuras é obtido através de deslocação de material, proveniente da parede do tubo, por meio de uma primeira operação de laminagem e o tubo de nervuras resultante é deslocado em rotação e avançado em correspondência com as nervuras em forma de linhas helicoidais resultantes, sendo as nervuras (6a) exteriores com altura crescente obtidas por deformação do tubo liso, que, de outra forma, não seria deformado, b) a parede do tubo, na primeira zona de deformação, é suportada através de um primeiro mandril (10) de laminar, que está situado no interior do tubo, apoiado de forma a poder rodar e é perfilado, facto pelo qual são realizadas as nervuras (2) interiores, c) numa segunda operação de laminagem, numa segunda zona de deformação situada afastada da primeira zona de deformação, as nervuras (6b) exteriores são realizadas com uma altura progressivamente crescente e as nervuras (2) interiores são providas de ranhuras (4) secundárias, sendo que a parede do tubo, na segunda zona de deformação, é suportada por um segundo mandril (20) de laminar, que está situado no interior do tubo e está igualmente montado de forma a poder rodar e realizado perfilado, mas cujo perfil se distingue do perfil do 3 primeiro mandril (10) de laminar, no que se ao valor ou à orientação do ângulo da hélice, d) numa terceira operação de laminagem, numa terceira zona de deformação situada afastada da segunda zona de deformação, as nervuras (6) exteriores são realizadas com uma altura progressivamente crescente e as nervuras (2) interiores são providas de ranhuras (5) terciárias, sendo que a parede do tubo, na terceira zona de deformação, é suportada por um terceiro mandril (30) de laminar, que está situado no interior do tubo e está igualmente montado de forma a poder rodar e realizado perfilado, mas cujo perfil se distingue do perfil do primeiro mandril (10) de laminar e do segundo mandril (20) de laminar, no que se refere ao valor e/ou à orientação do ângulo da hélice.
6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por um múltiplo inteiro do passo das nervuras exteriores ser ajustado, no essencial, como espaçamento entre as zonas de deformação.
7. Processo de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado por o diâmetro exterior do segundo mandril (20) de laminar ser escolhido inferior ao diâmetro exterior do primeiro mandril (10) de laminar.
8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 7, caracterizado por o diâmetro exterior do terceiro mandril (30) de laminar ser escolhido inferior ao diâmetro exterior do segundo mandril (20) de laminar. 4
9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizado por as profundidades T2 e T3 das ranhuras (4) secundárias e (5) terciárias serem ajustadas através de 30) de laminar e discos de laminar de laminar. escolha através maiores dos diâmetros dos mandris (20, de escolha dos respectivos das três ferramentas (50, 60, 70) Lisboa, 17 de Maio de 2010 5 1/4 50 60 70

//li / \ /ιι 7 10 10a 10b 20 20a 20b 30 30a 30b EisU

Fiq.3 3/4 3/4 2 4 3 5

Eí£L-4 4/4Alteração da transmissão térmica e da perda de pressão

20000 40000 60000 80000 100000 120000 FIG.5 epeillejue 0}U0ius0|diu!s JOjJBjuj Bjnjrujs© ep jo|ba / bpbl||b;u0 0iu0LUB|dnp jouB^uj Bjnjrujs© Bp joiba