Tubo metálico (1) ranurado, de espesor Tf en fondo de ranura y de diámetro exterior De,

típicamente destinado a la fabricación de intercambiadores de calor o baterías (4) que utilizan un fluido frigoportador o caloportador de tipo monofásico o difásico, estando dicho tubo (1) ranurado interiormente por N nervaduras helicoidales, yendo N de 20 a 80 según el diámetro exterior De, de ángulo de vértice a, de altura H según una dirección radial (11) de dicho tubo, de base B de anchura LN y de ángulo de hélice ß, estando dos nervaduras consecutivas separadas por una ranura (3) de fondo (30) típicamente plano de anchura LR, con un paso P igual a LR + LN, caracterizado por el hecho de que:

a) dichas anchuras LN y LR son tales que la relación LN/LR queda comprendida entre 0,40 y 0,80,

b) dichas N nervaduras presentan una anchura a media altura LN1/2 que es al menos igual a 2.LN/3

Tubos ranurados para intercambiadores térmicos con mejorada resistencia a la expansión.

Ámbito de la invención

La invención se refiere al ámbito de los tubos para intercambiadores de calor, y más en especial al ámbito de los tubos de intercambiadores de calor que utilizan ya sea un fluido llamado "monofásico", es decir, un fluido para el cual el intercambio térmico no comprende un ciclo de evaporación y de condensación, o bien un fluido llamado "difásico", es decir, un fluido que hace uso de su calor latente de vaporización y de condensación.

Estado de la técnica

Es conocido un gran número de documentos que describen la geometría de tubos ranurados utilizados en los intercambiadores de calor.

A título de ejemplo, puede citarse la solicitud de patente EP-A2-0 148 609 que describe tubos con ranuras triangulares o trapezoidales que presentan las características siguientes:

Estas características de tubos están adaptadas a fluidos con transición de fase, siendo los rendimientos de los tubos analizados de manera distinta al tener lugar la evaporación del fluido y al tener lugar la condensación del fluido.

La solicitud japonesa Nº 57-58088 describe tubos con ranuras en V, con H comprendida entre 0,02 mm y 0,2 mm, y con un ángulo ß comprendido entre 4º y 15º.

Tubos parecidos están descritos en la solicitud japonesa Nº 57-58094.

La solicitud japonesa JP 54-125563 describe tubos con ranuras en U o en V, inclinadas, con una H que va de 0,002 a 0,2 mm, un paso P que va de 0,1 a 0,5 mm y un ángulo ß que va de 4 a 15º.

La solicitud japonesa Nº 52-38663 describe tubos con ranuras en V o en U, con una H comprendida entre 0,02 y 0,2 mm, un paso P comprendido entre 0,1 y 0,5 mm y un ángulo ß comprendido entre 4 y 15º.

La patente US Nº 4.044.797 describe tubos con ranuras en V o en U parecidos a los tubos precedentes.

El modelo de utilidad japonés Nº 55-180186 describe tubos con ranuras trapezoidales y nervaduras triangulares, con una altura H de 0,15 a 0,25 mm, un paso P de 0,56 mm, un ángulo de vértice a (el ángulo llamado ? en este documento) típicamente igual a 73º, un ángulo ß de 30º, y un espesor medio de 0,44 mm.

Las patentes US Nº 4.545.428 y Nº 4.480.684 describen tubos con ranuras en V y nervaduras triangulares, con la altura H comprendida entre 0,1 y 0,6 mm, un paso P comprendido entre 0,2 y 0,6 mm, un ángulo de vértice a comprendido entre 50 y 100º, y un ángulo de hélice ß comprendido entre 16 y 35º.

La patente japonesa Nº 62-25959 describe tubos con ranuras y nervaduras trapezoidales, con una profundidad de ranura H comprendida entre 0,2 y 0,5 mm y un paso P comprendido entre 0,3 y 1,5 mm, siendo la anchura media de las ranuras al menos igual a la anchura media de las nervaduras. En un ejemplo, el paso P es de 0,70 mm y el ángulo de hélice ß es de 10º.

Es conocida la solicitud japonesa JP 2001-074384 que describe tubos con nervaduras inclinadas.

Es también conocida la patente europea EP 1 061 318 que describe tubos con nervaduras triangulares inclinadas que son aptas para ser deformadas por plegado al ser aletas externas al tubo engastadas al tubo a fin de formar intercambiadores de calor.

Por último, la patente europea EP-B1-701 680, a nombre de la solicitante, describe tubos ranurados, con ranuras de fondo plano y con nervaduras de altura H diferente, con un ángulo de hélice ß comprendido entre 5 y 50º y con un ángulo de vértice a comprendido entre 30 y 60º, para así obtener mejores rendimientos tras el engaste de los tubos y el montaje en los intercambiadores.

De una manera general, los rendimientos técnicos y económicos de los tubos, que resultan de la elección de la combinación de medios que define a los tubos (H, P, a, ß, forma de las ranuras y nervaduras, etc.), son en general relativos a cuatro tipos de consideraciones:

Problemas que se plantean

Por una parte, como se desprende del estado de la técnica, hay un gran número y una muy gran diversidad de doctrinas en lo relativo a los tubos ranurados, sabiéndose que las mismas apuntan en general a la optimización del intercambio térmico y a la disminución de la pérdida de carga.

Por otra parte, cada una de estas doctrinas ofrece ella misma en la mayoría de los casos una gran amplitud de posibilidades, estando los parámetros generalmente definidos por gamas de valores relativamente grandes, de tal manera que el experto en la materia tiene ya muchas dificultades para sacar la quintaesencia del estado de la técnica, de entre un número tan grande de datos, a veces contradictorios.

Además, estas doctrinas conciernen en la mayoría de los casos a los tubos ranurados considerados como tales, tubos ranurados que pueden eventualmente ser utilizados en intercambiadores tubulares.

Sin embargo, los tubos ranurados pueden también ser utilizados en intercambiadores de calor o baterías que comprenden aletas que difunden el calor. En este caso, los tubos son solidarizados a las aletas por engaste que requiere una expansión del tubo que es realizada por una pieza mecánica, que es típicamente una bola de diámetro elegido para realizar una expansión del tubo, lo cual tiende a aplastar mecánicamente dichas ranuras o a hacer que las mismas se doblen durante dicha expansión.

Desde luego, ya se ha intentado fabricar tubos relativamente resistentes al aplastamiento, pero por regla general, aunque estos tubos constituyen un progreso con respecto a otros tubos, los mismos presentan sin embargo aún una deformación relativamente importante que hace que disminuyan de manera muy significativa sus rendimientos y sus capacidades de intercambio térmico.

Además, conviene que los tubos puedan resistir condiciones de engaste cada vez más severas a fin de lograr que aumente al máximo la superficie de contacto mecánico entre el tubo y las aletas, para de esta manera hacer que simultáneamente aumente la solidez de las baterías y la conducción térmica entre los tubos y las aletas.

Por último, otro problema que es esencial en el plano industrial es la posibilidad de fabricar tubos ranurados, pues pueden existir perfiles de tubos ranurados que serían, al menos en teoría, excelentes, pero que en la práctica son si no imposibles al menos difíciles de fabricar, o al menos imposibles de fabricar a partir de tubos no ranurados.

Además, conviene que estos tubos puedan ser fabricados con una productividad suficiente y con un equipo o una inversión que no sean superiores a los de los tubos ranurados del estado de la técnica.

Así pues, la solicitante ha investigado y puesto a punto tubos e intercambiadores que pueden ser utilizados ya sea en intercambiadores tubulares o bien en intercambiadores de aletas o baterías, presentando los tubos...

1. Tubo metálico (1) ranurado, de espesor T_f en fondo de ranura y de diámetro exterior De, típicamente destinado a la fabricación de intercambiadores de calor o baterías (4) que utilizan un fluido frigoportador o caloportador de tipo monofásico o difásico, estando dicho tubo (1) ranurado interiormente por N nervaduras helicoidales, yendo N de 20 a 80 según el diámetro exterior De, de ángulo de vértice a, de altura H según una dirección radial (11) de dicho tubo, de base B de anchura L_N y de ángulo de hélice ß, estando dos nervaduras consecutivas separadas por una ranura (3) de fondo (30) típicamente plano de anchura L_R, con un paso P igual a L_R + L_N, caracterizado por el hecho de que:

a) dichas anchuras L_N y L_R son tales que la relación L_N/L_R queda comprendida entre 0,40 y 0,80,

b) dichas N nervaduras presentan una anchura a media altura L_N1/2 que es al menos igual a 2.L_N/3,

c) dichas N nervaduras son nervaduras oblicuas (2), inclinadas, típicamente en un mismo sentido, de un ángulo ? con respecto a dicha dirección radial (11) que va de 10º a 35º, siendo dicho ángulo ? el ángulo formado entre dicha dirección radial (11) y una recta mediana (24) que pasa por el centro de dicha base B (20) de dicha nervadura (2) y por el centro de la anchura de la nervadura (2) tomada a su media altura H/2,

y dentro del cual, dicha nervadura (2) es una nervadura (2) que presenta una sección tetragonal que comprende, además de su base B (20), un lado apical S (21) enfrente de dicha base B (20) y dos lados laterales CL₁ (22) y CL₂ (23) que forman entre ellos dicho ángulo de vértice a, de los cuales uno CL₁ (22) forma un ángulo ?₁ inferior a 90º con dicho fondo de ranura (30) adyacente, y de los cuales el otro CL₂ (23) forma un ángulo ?₂ típicamente superior a 90º con dicho fondo de ranura (30) adyacente, yendo dicho ángulo de vértice de 10 a 35º,

de forma tal que dicho tubo presenta una elevada resistencia al aplastamiento, elevadas capacidades de intercambio térmico y una baja pérdida de carga cuando dicho tubo es solidarizado a aletas de refrigeración en una batería.

2. Tubo metálico según la reivindicación 1, en el cual dicho lado lateral CL₂ forma un ángulo ?₂ superior a 90º con dicho fondo de ranura (30) adyacente.

3. Tubo metálico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el cual dicha nervadura (2) presenta una anchura a media altura L_N1/2 al menos igual a 0,70.L_N.

4. Tubo metálico según la reivindicación 3, en el cual dicha nervadura (2) presenta una anchura a media altura L_N1/2 al menos igual a 0,75.L_N.

5. Tubo metálico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual dicho lado apical S (21) presenta una anchura al menos igual a 0,3.L_N, y preferiblemente al menos igual a 0,4.L_N.

6. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el cual dicho lado apical S (21) es inclinado con respecto a dicha base B (20) con un ángulo d que va de 5º a 35º.

7. Tubo según la reivindicación 6, en el cual dicho ángulo d tiene su vértice más cerca del lado lateral CL₂ (23) que del lado CL₁ (22).

8. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el cual dichas nervaduras (2, 2') son de altura H tal que H/De es igual a 0,020 pm 0,005, estando H y De expresados en mm.

9. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el cual el número N de nervaduras (2, 2') es tal que N/De es igual a 4,5 pm 0,5, siendo el correspondiente paso P igual a p.Di/N, con Di igual a De.2.Tf, y estando De expresado en mm.

10. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el cual dicho ángulo de hélice ß va de 5º a 25º.

11. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 cuyo espesor T_f es tal que T_f/De es igual a 0,03 pm 0,005, estando T_f y De expresados en mm, yendo De de 6 mm a 18 mm.

12. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el cual la relación P/H va de 1,5 a 3 y preferiblemente de 1,7 a 2,3.

13. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el cual dichos lados laterales CL₁ (22) y CL₂ (23) se empalman a dichos fondos de ranura (30) adyacentes con radios de curvatura R típicamente inferiores a 100 µm, y típicamente inferiores a 50 µm.

14. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el cual dichas nervaduras (2, 2') forman una sucesión de nervaduras de altura H1 = H y de altura H2 = a.H1, estando a comprendido entre 0,1 y 0,9, siendo la nervadura de altura H1 la nervadura principal, y siendo la nervadura de altura H2 la nervadura secundaria, estando estas dos nervaduras separadas por una ranura de fondo plano.

15. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el cual está intercalada entre dos nervaduras oblicuas adyacentes (2, 2') una nervadura perpendicular (2''), presentando dicha nervadura perpendicular una altura H' < H o inferior a H1.

16. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el cual dicha nervadura (2) y dicha ranura (3) tienen sensiblemente la forma de paralelogramos, siendo la relación de las superficies S_N/S_R sensiblemente igual a la relación L_N/L_R, designando S_N y S_R respectivamente la superficie de dicha nervadura (2) y de dicha ranura (3).

17. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 de Cu y aleaciones de Cu, Al y aleaciones de Al o Fe y aleaciones de Fe.

18. Tubo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17 de sección transversal típicamente redonda, oval o rectangular.

19. Intercambiador de calor o batería (4) que utiliza aletas (5) y tubos expandidos (1') formados por expansión de tubos (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18.

20. Procedimiento de fabricación de tubos ranurados según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18 en el cual se comprime radialmente un tubo no ranurado (1'') sobre un mandril de ranurado (70) dotado en sus superficie periférica de una pluralidad de ranuras (700), con ayuda de un medio de compresión radial (71), para así formar un tubo ranurado (1) dotado de una pluralidad de nervaduras (2) en su superficie interior, tirando de dicho tubo ranurado así formado (1) un medio de tracción (72) según una dirección llamada dirección axial (10) de desplazamiento de dicho tubo ranurado (1), permaneciendo dicho medio de compresión radial (71) y dicho mandril de ranurado (70) fijos con respecto a dicha dirección axial (10), siendo dicho mandril de ranurado (70) un mandril puesto en el interior de dicho tubo no ranurado (1'') y solidario de un mandril flotante (73) retenido en un punto anterior al mandril de ranurado (70) según la dirección de desplazamiento del tubo por una hilera de retención (74), comprendiendo dicho medio de compresión radial (71) una jaula rotativa (710) dotada de una pluralidad de elementos (711), y típicamente de una pluralidad de bolas (711'), que giran en torno a dicho tubo no ranurado (1'') en la vertical a dicho mandril de ranurado (70) según un sentido de rotación predeterminado con respecto a dicha dirección axial (10), caracterizado por el hecho de que:

a) dichas ranuras (700) de dicha pluralidad de ranuras son ranuras helicoidales, de paso a derechas o a izquierdas, para así obtener un tubo ranurado (1) de ángulo de hélice ß ?q 0,

b) dichas ranuras (700) de dicha pluralidad de ranuras son ranuras inclinadas, con una inclinación a derechas o a izquierdas, para así obtener un tubo ranurado (1) cuyas nervaduras (2) presenten un ángulo de inclinación y,

c) se elige dicho sentido de rotación de dicha jaula rotativa (710), siendo dicho sentido directo o inverso, en función en particular de dicha inclinación a derechas o a izquierdas de dichas ranuras (700), para así formar dicha pluralidad de nervaduras (2) de dichos tubos ranurados (1) en su integridad, estando dicho paso a derechas o a izquierdas de dicho mandril de ranurado (70), dicha inclinación a derechas o a izquierdas de dichas ranuras (700) y dicho sentido de rotación directo o inverso de dicha jaula rotativa (710) determinados en relación con un observador situado detrás y encima de dicho mandril de ranurado (70) y que dirige la vista en dicha dirección axial (10) de desplazamiento de dicho tubo ranurado (1), siendo dicho sentido de rotación directo el de las agujas del reloj.

21. Procedimiento según la reivindicación 20, en el cual, cuando dicho sentido de rotación de dicha jaula rotativa (710) es directo, dichas ranuras helicoidales (700) de dicho mandril de ranurado (70) presentan una inclinación a izquierdas, siendo dicho paso de dicho mandril de ranurado (70) a derechas o a izquierdas.

22. Procedimiento según la reivindicación 20, en el cual, cuando dicho sentido de rotación de dicha jaula rotativa (710) es inverso, dichas ranuras helicoidales (700) de dicho mandril de ranurado (70) presentan una inclinación a derechas, siendo dicho paso a derechas o a izquierdas.

23. Procedimiento de fabricación de tubos ranurados según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, típicamente no acanalados, obtenidos por ranurado en plano de una banda metálica y luego mediante formación de un tubo soldado.