Tubos ranurados para utilización reversible en intercambiadores térmicos.

Utilización de un intercambiador de calor en funcionamiento de modo reversible,

en evaporación o en condensación utilizando un fluido frigorígeno de cambio de fase, comprendiendo el citado intercambiador unos tubos metálicos (1) ranurados, de grosor Tf en el fondo de la ranura, de diámetro exterior De, estando los citados tubos ranurados interiormente por N nervaduras helicoidales (2) de ángulo de ápex α, de altura H, de anchura de la base LN y de ángulo de hélice β, estando separadas dos nervaduras consecutivas por una ranura (3) típicamente con fondo plano de anchura LR, con un paso P igual a LR + LN,

a) estando comprendido el diámetro exterior De entre 4 y 20 mm,

b) yendo el número de nervaduras N desde 46 a 98, en función sobre todo del diámetro De,

c) yendo la altura H de las nervaduras desde 0,18 mm hasta 0,40 mm, en función sobre todo del diámetro De,

d) siendo el ángulo de ápex α tal que 20º ≤ α< 28º,

e) yendo el ángulo de hélice β desde 18º hasta 35º,

con el fin de obtener simultáneamente un coeficiente de intercambio térmico alto en evaporación y en condensación, una pequeña pérdida de carga y un tubo lo más ligero posible.

f) presentando el citado tubo un factor de Cavallini igual al menos a 3,5.

Tubos ranurados para utilización reversible en intercambiadores térmicos Campo del invento El invento se refiere al campo de los tubos para intercambiadores de calor, y más especialmente al campo de los intercambiadores de calor que funcionan en evaporación /condensación y en modo reversible. El invento se refiere a la utilización de intercambiadores de calor definida en la reivindicación 1.

Estado de la técnica

El documento EP 0148609, considerado como representante del estado de la técnica más próximo al objeto de la reivindicación 1, divulga la utilización de un intercambiador de calor en modo condensación o evaporación (sin ser reversible) , comprendiendo el citado intercambiador unos tubos ranurados metálicos, de espesor Tp en el fondo de la ranura, de diámetro exterior De, estando ranurados interiormente dichos tubos por N ranuras helicoidales de ángulo de ápex (α) , de altura H, de anchura de la base LN y de ángulo de hélice β, estando separadas dos nervaduras consecutivas por una ranura típicamente de fondo plano de anchura LR, con un paso igual a LR + LN, en donde: a) De = 9, 52mm;

b) N = 60;

c) H= 0, 2mm;

d) 30º<d<60º;

e) β= 18º;

f) el factor de Cavallini es igual a 3, 15.

Además, se conocen un gran número de documentos que describen la geometría de los tubos ranurados utilizados en los intercambiadores de calor.

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

-una relación H/Di comprendida entre 0.02 y 0, 03, designando H la profundidad de las ranuras (o la altura de las nervaduras) , y Di el diámetro interior del tubo ranurado,

-un ángulo de hélice β con respecto al eje del tubo comprendido entre 7 y 30º,

-una relación S/H comprendida entre 0, 15 y 0, 40, designando S la sección transversal de la ranura,

-un ángulo de ápex α de las nervaduras comprendido entre 30 y 60º. Estas características del tubo están adaptadas a fluidos de transición de fase, siendo analizadas las prestaciones de los tubos de manera distinta durante la evaporación del fluido y durante la condensación del fluido.

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

Tubos parecidos están descritos en la solicitud japonesa nº 57-58094. La solicitud japonesa nº 52-38663 describe tubos con ranuras en V o en U, con H comprendida entre 0, 02 y 0, 2 mm,

un paso P comprendido entre 0, 1 y 0, 5 mm y un ángulo β 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 ápex α (ángulo llamado θ en este documento) típicamente igual a 73º, un ángulo β de 30º y un grosor 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 ápex α comprendido entre 50 y 100º y un ángulo de hélice β 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 β es de 10º.

Finalmente, la patente europea EP-B1-701 680, en nombre de la solicitante, describe tubos ranurados, con ranuras típicamente de fondo plano y con nervaduras de altura H diferente, de ángulo de hélice β comprendido entre 5 y 50º y de ángulo de ápex α comprendido entre 30 y 60º, con el fin de obtener las mejores prestaciones después del engarce de los tubos y el montaje en los intercambiadores.

De una manera general, las prestaciones técnicas y económicas de los tubos, que resultan de la elección de la combinación de los medios que definen los tubos (H, P, α, β, forma de las ranuras y de las nervaduras, etc…) , deben satisfacer cuatro exigencias concernientes a

- por una parte, las características relativas a las transferencia de calor (coeficiente de intercambio térmico) , campo en el cual los tubos ranurados son muy superiores a los tubos no ranurados, de tal manera que, para un intercambio térmico equivalente, la longitud necesaria del tubo ranurado será menor que la del tubo no ranurado,

- por otra parte, las características relativas a la pérdida de carga, permiten bajas pérdidas de carga utilizar bombas

o compresores de menor potencia, tamaño y coste,

- además, las características relativas a las propiedades mecánicas de los tubos, típicamente en relación con la naturaleza de las aleaciones utilizadas o con el espesor medio de los tubos, espesor que condiciona el peso del tubo por unidad de longitud, y que influye por lo tanto sobre su precio de fábrica, - finalmente, la factibilidad industrial de los tubos y la velocidad de producción que condiciona el precio de fábrica del tubo entre los fabricantes de tubos.

Problemas planteados Por una parte, tal y como resulta del estado de la técnica, hay un gran número y una gran diversidad de enseñanzas en lo que se refiere a los tubos ranurados, sabiendo que afrontan generalmente la optimización del intercambio térmico y la disminución de la pérdida de carga.

Por otra parte, cada una de estas enseñanzas ofrece por sí misma con mucha frecuencia una larga extensión de posibilidades, estando generalmente definidos los parámetros por intervalos de valores relativamente amplios.

Finalmente, estas enseñanzas se refieren, en la medida en la que está especificado, a intercambios con fluidos frigorígenos, fluidos que, típicamente, se evaporan o se condensan en el circuito frigorífico, teniendo el fluido un comportamiento diferente en evaporación y en condensación. Hasta ahora, estas enseñanzas se refieren a tubos ranurados para intercambiadores que funcionan o bien en condensación o bien en evaporación.

En definitiva, el especialista tiene ya muchas dificultades para obtener la quintaesencia del estado de la técnica entre un número tan grande de datos, a veces contradictorios.

El especialista sabe por el contrario que un tubo típico del comercio, con nervaduras triangulares tal como el representado en la figura 1, presenta típicamente las siguientes características: diámetro exterior De = 12 mm, altura de nervadura H = 0, 25 mm, grosor de pared del tubo Tf = 0, 35 mm, número de nervaduras N = 65, ángulo de hélice β = 15º, ángulo de ápex α = 55º.

Con el fin de responder a una demanda del mercado, el objeto del presente invento se refiere a la utilización de tubos para intercambiadores de aplicaciones reversibles, es decir una utilización en la que los tubos o los intercambiadores son utilizados con fluidos frigorígenos de cambio de fase, tanto en evaporación, como en condensación, es decir ya sea para enfriar, por ejemplo como en los climatizadores, o ya sea para calentar, por ejemplo como medios de calefacción, típicamente aire o un fluido secundario.

Más particularmente, el presente invento tiene por objeto la utilización de tubos que no solamente presenten un excelente compromiso entre las prestaciones térmicas en modo evaporación y en modo condensación del fluido frigorígeno, sino que, además, presenten intrínsecamente prestaciones altas tanto en evaporación como en condensación.

La solicitante ha investigado por lo tanto en tubos e intercambiadores a la vez económicos, con un peso por metro relativamente poco alto, y con prestaciones de intercambio térmico altas, a la vez en evaporación y en condensación.

Descripción del invento Según el invento, los tubos metálicos ranurados, de grosor Tf , en el fondo de la ranura, de diámetro exterior De, destinados típicamente a la fabricación de intercambiadores de calor que funcionan en evaporación o en condensación o en modo reversible y que utilizan un fluido frigorígeno de cambio de fase, ranurados interiormente por N nervaduras helicoidales de ángulo de ápex α, de altura H, de anchura de la base LN y de ángulo de hélice β, estando separadas... [Seguir leyendo]

1. Utilización de un intercambiador de calor en funcionamiento de modo reversible, en evaporación o en condensación utilizando un fluido frigorígeno de cambio de fase, comprendiendo el citado intercambiador unos tubos metálicos (1) ranurados, de grosor Tf en el fondo de la ranura, de diámetro exterior De, estando los citados tubos ranurados interiormente por N nervaduras helicoidales (2) de ángulo de ápex α, de altura H, de anchura de la base LN y de ángulo de hélice β, estando separadas dos nervaduras consecutivas por una ranura (3) típicamente con fondo plano de anchura LR, con un paso P igual a LR + LN,

a) estando comprendido el diámetro exterior De entre 4 y 20 mm, b) yendo el número de nervaduras N desde 46 a 98, en función sobre todo del diámetro De, c) yendo la altura H de las nervaduras desde 0, 18 mm hasta 0, 40 mm, en función sobre todo del diámetro De, d) siendo el ángulo de ápex α tal que 20º ≤ α < 28º, e) yendo el ángulo de hélice β desde 18º hasta 35º,

con el fin de obtener simultáneamente un coeficiente de intercambio térmico alto en evaporación y en condensación, una pequeña pérdida de carga y un tubo lo más ligero posible.

f) presentando el citado tubo un factor de Cavallini igual al menos a 3, 5.

2. Utilización según la reivindicación 1 en la cual las citadas nervaduras forman una sucesión de nervaduras de altura H1=H y de altura H2=a.H1, con a comprendida entre 0, 6 y 0, 9.

3. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2 en la cual la citada sucesión es una alternancia de nervaduras de altura H1 y de nervaduras de altura H2 separadas por un fondo de ranura típicamente plano.

4. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en la cual, cuando De es inferior o igual a 9, 55 mm, se tiene que:

- H va de 0, 18 a 0, 3 mm y preferentemente de 0, 20 a 0, 25 mm,

-y/o N es inferior a 75 y va preferentemente desde 64 hasta 70.

5. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en la cual, cuando De es igual al menos a 9, 55 mm, se tiene que:

- H va desde 0, 25 hasta 0, 40 mm,

- N va desde 70 hasta 98.

6. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 en la cual el ángulo de ápex α va desde 22º hasta 25º.

7. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 en la cual el ángulo de hélice β va desde 22º hasta

30º.

8. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 en la cual el ángulo de hélice β va desde 25º a 28º.

9. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 en la cual las citadas nervaduras tienen un perfil de tipo “trapecio” con una base y un vértice, comprendiendo el citado vértice una parte central sensiblemente plana, y eventualmente en pendiente con respecto a la citada base.

10. Utilización según la reivindicación 9 en la cual el vértice de la citada nervadura que forma un lado pequeño del trapecio, presenta bordes redondeados.

11. Utilización según la reivindicación 10 en la cual el citado vértice redondeado o los citados bordes redondeados presentan un radio de curvatura que va típicamente desde 40 µm hasta 100 µm y preferentemente desde 50 µm hasta 80 µm.

12. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11 en la cual la anchura LR del fondo plano de la citada ranura y la anchura LN de la base de la citada nervadura son tales que LR = b.LN, yendo b desde 1 hasta 2 y preferentemente desde 1, 10 hasta 1, 8.

13. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 en la cual las citadas nervaduras y el citado fondo plano de las citadas ranuras se unen con un radio de curvatura típicamente inferior a 50 µm y preferentemente inferior a 20 µm.

14. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13 en la cual el factor de Cavallini es igual al menos a 4, 0.

15. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14 en la cual los tubos comprenden además un ranurado axial que crea en las citadas nervaduras unas muescas de perfil típicamente triangular con el vértice

redondeado, presentando el citado vértice un ángulo γ que va desde 25º hasta 65º, y la citada parte inferior o vértice está a una distancia h del fondo de las citadas ranuras que va desde 0 hasta 0, 2 mm.

16. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15 en la cual los tubos son de cobre y aleaciones de cobre, aluminio y aleaciones de aluminio.

17. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 en la cual los tubos se obtienen por ranurado de

los tubos, o eventualmente por ranurado plano de una banda metálica y a continuación formación de un tubo soldado.

18. Utilización según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17 para climatizadores reversibles e intercambiadores multitubulares como refrigeradores.