BR102016008959A2

BR102016008959A2 - dispositivo trocador de calor adaptado para arrefecer um gás quente por meio de um líquido de arrefecimento e sistema egr para veículos de combustão interna

Info

Publication number: BR102016008959A2
Application number: BR102016008959A
Authority: BR
Inventors: Germán TRONCOSO; José Antonio Grande Fernández
Original assignee: Borgwarner Emissions Systems Spain Slu
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2016-11-01
Also published as: CN106066128B; CN106066128A; US10495385B2; EP3086075A1; US20160305713A1; EP3086075B1; KR20160124701A

Abstract

a invenção atual relaciona-se a um dispositivo trocador de calor do tipo chamado de núcleo flutuante, tendo uma configuração especial que permite aumentar sua durabilidade enquanto aumenta sua resistência à fadiga térmica. esta invenção é caracterizada por uma configuração tendo resistência à fadiga térmica alta devido à configuração especial da extremidade onde o lado flutuante do núcleo é localizado visto que as regiões de estagnação que são usualmente produzidas no regulador de fluxo da extremidade flutuante são eliminadas por meio da combinação da forma da carapaça e de um defletor. esta configuração além disso resulta em um trocador de baixo custo.

Description

DISPOSITIVO TROCADOR DE CALOR ADAPTADO PARA ARREFECER UM GÁS QUENTE POR MEIO DE UM LÍQUIDO DE ARREFECIMENTO E

SISTEMA EGR PARA VEÍCULOS DE COMBUSTÃO INTERNA

Objetivo da invenção [001] A invenção atual relaciona-se a um dispositivo trocador de calor do tipo chamado de núcleo flutuante, tendo uma configuração especial que permite aumentar sua durabilidade enquanto aumenta sua resistência à fadiga térmica.

[002] Esta invenção é caracterizada por uma configuração que tem a resistência à fadiga térmica elevada devido à configuração especial da extremidade onde o lado flutuante do núcleo é localizado, visto que as regiões de estagnação que são produzidas geralmente no regulador de fluxo da extremidade flutuante são eliminadas por meio da combinação da forma da carapaça e de um defletor. Esta configuração além disso resulta em um trocador de baixo custo.

[003] O dispositivo pode ser aplicado em sistemas de EGR (recirculação do gás de exaustão), uso no qual os motores de combustão interna reduzam a emissão de gases contaminantes, assim protegendo o meio-ambiente.

Fundamentos da Invenção [004] Um dos campos técnicos que se submetem ao desenvolvimento o mais intensivo é o campo de trocadores de calor do sistema de EGR desde que o espaço e as exigências de empacotamento pedem que os dispositivos cada vez mais menores e mais eficientes permitam descarregar a mesma quantidade de calor em um espaço menor.

[005] Quando os dispositivos são menores, as mesmas diferenças de temperatura estão encontradas entre áreas situadas mais perto uma da outra, consequentemente resultando em gradientes mais elevados de temperatura.

[006] Adicionalmente, trocadores de calor formados por uma carapaça alojando um feixe de tubos de troca, onde este feixe de extensões de tubos entre dois reguladores de fluxo tem o inconveniente da expansão diferencial ocorrer entre a carapaça, diretamente no contato com o líquido arrefecedor, e no feixe de tubos, no contato direto com o gás quente a ser arrefecido também. A expansão diferencial entre um componente e outro é pronunciada particularmente no sentido longitudinal estabelecido pelo sentido principal ao longo de que o feixe de tubos se estende.

[007] Entre as soluções técnicas sabidas para impedir que a expansão diferencial entre a carapaça e o feixe de tubos cause tensões, que causam rupturas, são aquelas baseadas em configurações de núcleo flutuante. O núcleo é o feixe de tubos de troca de calor, onde os tubos são unidos pelo menos entre dois reguladores de fluxo de extremidade. Um regulador de fluxo é associado com a carapaça e o outro regulador de fluxo, isto é, 0 regulador de fluxo que corresponde à extremidade flutuante, permite o movimento relativo com respeito à carapaça. O regulador de fluxo que permite o movimento é conectado geralmente, de acordo com a configuração particular do trocador, por meio de um elemento deformável elasticamente, estabelecendo a continuidade fluida do tubo de gás quente e é este que permite a expansão térmica.

[008] Ambos os reguladores de fluxo fixos e móveis são paredes transversais localizadas transversais ao feixe dos tubos. Se a entrada de gás quente estiver na extremidade flutuante, o regulador de fluxo móvel é o que está sujeito a uma mais alta temperatura. Dado que o regulador de fluxo é móvel, o fluxo de líquido arrefecedor tende a fluir em torno da área perimetral do regulador de fluxo. Esta condição conduz a um ponto ou a uma região de estagnação que fazem com que o líquido do arrefecedor permaneça na área quente sem descarregar calor até alcançar a temperatura de ebulição. Esta é uma das causas que geram a fatiga térmica e a falha do dispositivo.

[009] A presente invenção propõe uma configuração particular de um dispositivo de núcleo flutuante em que a existência de regiões de estagnação no regulador de fluxo no lado flutuante é impedida, impedindo a fatiga térmica e consequentemente prolongando a vida de serviço do dispositivo.

Descrição da invenção [0010] A presente invenção relaciona-se a um dispositivo trocador de calor adaptado para arrefecer um gás quente por meio de um líquido arrefecedor, configurado particularmente para impedir a fatiga térmica, resolvendo os inconvenientes identificados acima.

[0011] O dispositivo compreende: um feixe de tubos de troca de calor (4) se estendendo de acordo com uma direção longitudinal X-X’ entre um primeiro regulador de fluxo fixo (2) e um segundo regulador de fluxo flutuante (3) para passagem do gás quente a ser arrefecido, [0012] uma carapaça (1) alojando os tubos de feixe (4) onde o espaço entre a carapaça (1) e os tubos de feixe (4) permitem a passagem do líquido de arrefecimento, onde: [0013] a carapaça (1) é fechada em uma extremidade por meio do primeiro regulador de fluxo fixo (2) e compreende na extremidade oposta uma câmara (C) configurada por meio de uma extensão por meio de um segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior fechada com um terceiro regulador de fluxo (11), [0014] uma primeira entrada/saída de líquido arrefecedor está localizada em um ponto na carapaça no lado do primeiro regulador de fluxo e uma segunda entrada/saída de líquido arrefecedor é estabelecida em uma posição do segmento da carapaça que tem uma seção transversal maior.

[0015] ο trocador de calor tem uma configuração de núcleo flutuante. O núcleo é formado por um feixe dos tubos de troca que estendem entre dois reguladores de fluxo, um primeiro regulador de fluxo que seja associado com a carapaça, assim é referido como um regulador de fluxo fixo, e um segundo regulador de fluxo móvel devido ao efeito da expansão diferencial com respeito à carapaça. A expansão compensada pela configuração de núcleo flutuante é a expansão no sentido dos tubos de troca. Este é o sentido identificado como o sentido longitudinal X-X'. Os reguladores de fluxo são geralmente arranjados transversalmente à direção longitudinal.

[0016] Os tubos de troca são os tubos por meio dos quais o gás quente a ser arrefecido passa, e eles são cercados externamente pelo líquido arrefecedor. O líquido arrefecedor circula através do espaço situado entre a superfície exterior dos tubos do feixe de tubos e a carapaça.

[0017] A carapaça se estende também de acordo com o sentido longitudinal X-X'. É fechada em uma extremidade pelo regulador de fluxo fixo. A carapaça compreende na extremidade oposta uma extensão configurada por meio de um segmento localizado na extremidade oposta à extremidade que contêm o regulador de fluxo fixo e a seção que é maior. A seção maior deste segmento da extremidade dá forma a uma câmara. A extremidade final da carapaça no lado da câmara formada pelo segmento que tem uma seção maior é fechada por um terceiro regulador de fluxo. Uma maneira particular de fornecer a extensão é por meio de dois corpos tubulares que têm seções diferentes, isto é, um primeiro corpo tubular que tem uma seção menor, abrigando primeiramente o feixe de tubos, e um segundo corpo tubular que tem dimensões maiores localizou logo após a extremidade do primeiro corpo tubular. A transição entre o primeiro corpo tubular e o segundo corpo tubular pode ser configurada por meio de um corpo da transição formada por uma superfície da transição entre a seção do primeiro corpo tubular e a seção do segundo corpo tubular. Esta superfície da transição estabelece a continuidade entre o primeiro corpo e o segundo corpo que asseguram a estanqueidade entre eles. Se os corpos tubulares tiverem uma seção circular, a superfície da transição pode ser em forma de anel ou mesmo em forma de funil.

[0018] O trocador de calor pode operar debaixo de fluxo co-corrente ou contracorrente. Consequentemente, os acessos ao espaço interno da carapaça designados para o líquido arrefecedor são identificados como a entrada/saída. Há pelo menos dois acessos para a entrada e a saída do líquido arrefecedor, um primeiro acesso situado em um ponto da carapaça no lado do primeiro regulador de fluxo, isto é, perto do primeiro regulador de fluxo, e o outro acesso é situado no lado oposto situado em uma posição do segmento da carapaça que tem uma seção maior. Se um dos acessos servir como uma entrada, então outra é a saída.

[0019] Adicionalmente, o dispositivo provê que: [0020] o segundo regulador de fluxo flutuante tem um coletor em conexão fluida com a entrada dos tubos de troca de calor e coletor mencionado está, por sua vez, em conexão fluida com uma entrada para o gás quente, arranjado no terceiro regulador de fluxo, onde esta conexão fluida se dá por meio de um conduíte elasticamente deformável pelo menos de acordo com o sentido longitudinal X-X', [0021] o segundo regulador de fluxo flutuante, juntamente com coletor, são alojados na extensão formada pelo segmento da carapaça que tem uma seção maior e espaçados por uma separação de segmento da dita carapaça ao longo do perímetro do conjunto dito, para permitir a passagem do líquido arrefecedor; e a posição do segmento da carapaça que tem uma seção maior onde a segunda entrada/saída de líquido arrefecedor é localizada, de acordo com o sentido longitudinal, entre o segundo conjunto flutuante de regulador de fluxo-distribuidor e o terceiro regulador de fluxo.

[0022] O segundo regulador de fluxo ou regulador de fluxo flutuante do fardo de tubos é, portanto, localizado entre o primeiro regulador de fluxo e o terceiro regulador de fluxo em uma posição tal que ele é abrigado na câmara formada pela extensão da carapaça. Alargamento em direção longitudinal X-X' se dá principalmente devido à expansão longitudinal do feixe de tubos, para que o conjunto formado pelo segundo o regulador de fluxo e o coletor que distribui gás quente na entrada dos tubos de troca dos tubos de feixe irá mover dentro desta câmara. A expansão longitudinal do núcleo inteiro estabelece um grau de aproximação do terceiro regulador de fluxo e é compensada pela capacidade de deformação do conduíte elasticamente deformável, conectando a entrada de gás quente do trocador de calor e o coletor.

[0023] Gás quente, portanto, entra por uma abertura do terceiro regulador de fluxo e ganha acesso para o coletor através do conduíte elasticamente deformável. O interior do coletor está em comunicação fluida com 0 interior dos tubos de troca tal que o gás quente é distribuído para passar dentro dos tubos de troca do feixe de tubos. Na passagem através dos tubos de troca, o gás quente transfere seu calor para o líquido de arrefecimento e atinge a extremidade oposta dos tubos, por exemplo, a extremidade localizada no primeiro regulador de fluxo. O gás arrefecido é coletado, por exemplo, por meio de outro coletor exterior, e usado para uso final deste como um gás EGR, por exemplo.

[0024] Em respeito a configuração interna do trocador, verifica-se adicionalmente que: [0025] na separação perimetral entre o segundo conjunto regulador de fluxo flutuante-coletor e o segmento de carapaça tendo uma seção maior há um defletor fechando o espaço de separação entre dito conjunto e o segmento de carapaça tendo uma seção maior, pelo menos, ao longo de um segmento de dita separação perimetral.

[0026] Essa configuração afeta primeiramente o fluxo de arrefecimento. Como indicado acima, o trocador de calor pode operar debaixo de fluxo co-corrente ou contracorrente.

[0027] Por exemplo, quando o trocador de calor opera sob fluxo contra-corrente e gás entra na lateral do núcleo flutuante, o líquido de arrefecimento entra na carapaça no lado fixo do núcleo e flui em direção ao segundo regulador de fluxo. Neste segmento, o fluxo é guiado pelo segmento de carapaça que não corresponde à extensão e é, portanto, disposto contra os tubos de troca desde a redução do espaço entre os tubos de troca e a carapaça reduz a presença de caminhos tendo menor resistência que favorece a passagem de fluxo de prevenção entre os tubos de troca, reduzindo a eficácia destes.

[0028] Este fluxo atinge o segundo regulador de fluxo que está localizado, junto com o distribuidor, na câmara formado pela extensão da carapaça. Dado que este conjunto formado pelo segundo regulador de fluxo flutuante-coletor e é espaçado por meio de um espaço de separação com a parede interior do segmento de carapaça, tendo uma seção maior em torno deles, o fluxo seguindo uma direção longitudinal tende a fluir ao redor do regulador de fluxo para passar através do espaço perimetral.

[0029] Se não houvesse elemento adicional, as linhas de corrente correspondente a este fluxo se estenderíam na direção longitudinal e, ao atingir o regulador de fluxo, chegariam ao seu redor através de qualquer um dos pontos nos periféricos destes. Se, por exemplo, o regulador de fluxo tiver uma configuração retangular e quatro lados, haverá um ponto de estagnação com essa configuração, correspondente ás linhas que não conduzem a qualquer um dos quatro lados. Se, por exemplo, o regulador de fluxo for circular, então, o ponto de estagnação seria na área central do regulador de fluxo, desde as linhas de fluxo não terem uma posição preferencial na periferia para contornar o segundo regulador de fluxo.

[0030] A invenção previne esta região de estagnação, incluindo um defletor fechando o espaço de separação entre o conjunto formado pelo regulador de fluxo flutuante junto com o coletor e o segmento estendido da carapaça. Este defletor fecha o espaço pelo menos ao longo de um segmento perimetral. No exemplo de contra-corrente que está sendo descrito, o defletor é localizado a jusante em respeito ao segundo regulador de fluxo.

[0031] O propósito deste defletor é impedir a passagem da maior parte das linhas de fluxo através deste, permitindo apenas a passagem através de uma porção perimetral de dito defletor. Adicionalmente, com este defletor, tem sido observado que a trajetória das linhas de corrente localizadas no lado do segundo regulador de fluxo em contato com o líquido arrefecido é modificada porque um campo de velocidade paralelo à dito segundo regulador de fluxo é criado, minimizando, e até eliminando pontos de estagnação. Pontos de estagnação são eliminados por um efeito arrebatador devido a um fluxo paralelo no regulador de fluxo identificado com as linhas de corrente essencialmente paralelas ao regulador de fluxo na proximidade deste. Isso tem 0 efeito de aumentar a velocidade de arrefecimento em respeito ao regulador de fluxo quentes, por exemplo, o segundo regulador de fluxo, aumentando significativamente o nível de arrefecimento destes, e, portanto, reduzindo as tensões térmicas deste.

[0032] Nesta mesma configuração contra-corrente, o efeito de gerar um campo de velocidade paralelo ao segundo regulador de fluxo é a montante da posição do defletor, enquanto sob o fluxo co-corrente, o efeito é 0 mesmo e ocorre a jusante do defletor. Através de experimentos de simulação de fluxo numérico em ambos os casos, observa-se o mesmo efeito técnico, embora um pouco maior quando o dispositivo opera sob fluxo contra-corrente.

[0033] Da mesma forma, foram realizados testes com protótipos que, sem o defletor, falharam devido à fadiga térmica com um número reduzido de ciclos, e onde a vida útil do mesmo dispositivo com este defletor aumentou tal que o experimento de fadiga teve que ser interrompido devido a sua duração, sem qualquer ocorrência de falha.

[0034] Várias soluções técnicas adicionais foram desenvolvidas para a invenção e são descritas na modalidade descrita abaixo.

Descrição dos Desenhos [0035] As anteriores e outras características e vantagens da invenção serão mais claramente compreendidas com base na seguinte descrição detalhada de uma modalidade preferencial provida somente por meio de exemplo ilustrativo e não limitante, tendo como referência as figuras anexas.

[0036] Figura 1 mostra uma modalidade da invenção formada por um trocador de calor, tendo uma configuração de seção retangular. O desenho mostra uma vista de um quarto de seção do trocador de calor ao longo de todo o comprimento para permitir observar a estrutura interna.

[0037] Figura 2 mostra a mesma modalidade onde agora apenas a extremidade correspondente ao lado flutuante é mostrada e a vista selecionada é uma vista de um quarto de seção em perspectiva do segmento tendo um comprimento correspondente à câmara onde se encontra o segmento tendo uma seção maior da carapaça.

[0038] Figura 3 mostra a mesma extremidade da modalidade da figura anterior onde a seção está de acordo com um plano longitudinal que passa pelo centro do dispositivo.

[0039] Figura 4 mostra uma vista em perspectiva de um defletor de admissão protegendo o conduíte elasticamente deformável, entre outros.

[0040] A Figura 5 mostra uma vista em perspectiva do defletor.

[0041] Figuras 6 e 7 mostram duas vistas em perspectiva de outra modalidade em que um defletor em forma de pente está localizado perto do segundo regulador de fluxo em combinação com o defletor, e as vistas selecionadas são uma vista de um quarto de seção em perspectiva, tendo um comprimento correspondente à câmara onde se encontra o segmento tendo uma seção maior da carapaça é localizado.

[0042] Figuras 8 e 9 são as vistas de frente e traseira do defletor em forma de pente usado na modalidade anterior.

Descrição Detalhada da Invenção [0043] De acordo com o primeiro aspecto inventivo, a presente invenção relaciona-se a um dispositivo trocador de calor adaptado para o arrefecimento de um gás quente por meio de um líquido de arrefecimento. Um dos usos deste trocador é a parte arrefecida dos gases de combustão produzidos por um motor de combustão interna para reintroduzi-los na admissão formando parte de um sistema EGR.

[0044] Figura 1 mostra uma modalidade da invenção, um trocador de calor com uma configuração de núcleo flutuante formada por uma carapaça (1) em que, nesta modalidade, a seção da carapaça (1) é essencialmente retangular. O lado fixo do trocador é mostrado no lado esquerdo da Figura 1, "fixo" sendo entendido como o núcleo do trocador sendo conjunto com a carapaça e do lado onde o núcleo sendo flutuante e permitindo a expansão térmica na direção longitudinal X-X' mostrada no lado direito.

[0045] O trocador da modalidade tem no lado fixo um flange de fixação (6) que permite parafusar o trocador, por exemplo, a um coletor não retratado no desenho por razões de clareza, que recebe os gases de saída do dito trocador uma vez que tenham sido arrefecidos.

[0046] Nesta modalidade, o trocador de calor tem um feixe de tubos (4), estendendo-se desde um primeiro regulador de fluxo (2) em conjunto com a carapaça (1) um segundo regulador de fluxo flutuante (3), por exemplo, não conjunto com a carapaça (1).

[0047] Nesta modalidade, o primeiro regulador de fluxo tem dimensões maiores que a seção da carapaça (1) tal que a flange (6) pressiona este primeiro regulador de fluxo (2), por exemplo, contra um segundo flange do coletor que não é mostrado.

[0048] O feixe de tubos (4) tem uma pluralidade de reguladores de fluxo de apoio (5) distribuídos ao longo do comprimento destes, que estão em conjunto com a carapaça (1) e sem restringir o movimento longitudinal do feixe de tubos (4) passando através deste ou em conjunto com o feixe de tubos (4), passando através deste e sem restringir o movimento longitudinal em relação à carapaça (1). Em qualquer uma das modalidades dos reguladores de fluxo de apoio (5), a geração de tensões devido à expansão diferencial dos tubos de troca (4), em respeito a carapaça (1), é impedida. A ação de apoio desses reguladores de fluxo de apoio (5) é em respeito a direção transversal, por exemplo, prevenindo efeitos inerciais devido a vibrações mecânicas, e também estabelece um fluxo com componentes transversais, aumentando a troca de calor entre o feixe de tubos (4) e o líquido de arrefecimento circula dentro da carapaça (1)· [0049] Na modalidade mostrada neste exemplo, os tubos de troca são tubos híbridos, por exemplo, tendo uma configuração essencialmente planar e contendo em uma placa dobrada formando aletas aumentando a eficácia da superfície de troca para facilitar a transferência de calor do gás quente para o líquido de arrefecimento cobrindo o exterior dos tubos de troca (4). Não obstante, é possível usar uma outra configuração de tubo sem modificar as características essenciais da invenção.

[0050] A extremidade flutuante do permutador de calor mostra uma extensão da carapaça (1). Nesta modalidade, a extensão é alcançada usando dois corpos tubulares, um primeiro corpo tubular (1) disposto contra o feixe de tubos (4), em que uma das extremidades é o lado em conjunto com o primeiro regulador de fluxo (2) e um segundo corpo tubular, um segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior, que compõem o segmento de extremidade localizado na extremidade oposta do trocador, de acordo com a direção longitudinal X-X'.

[0051] Nesta modalidade, o primeiro corpo tubular da carapaça (1) e o segundo corpo tubular, o segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior, estão conectados por meio de uma parte de transição (13) configurada por uma placa de estampada e vazada. Esta parte de transição (13) recebe o primeiro corpo tubular da carapaça (1) de um lado e recebe o segmento da carapaça (7) tendo uma seção maior do lado oposto, tal que esta parte de transição define a região de extensão do primeiro corpo tubular da carapaça (1).

[0052] O segundo regulador de fluxo (3) está localizado na extremidade flutuante do feixe de tubos (4). Os tubos de troca do feixe de tubos (4) estão ligados a este segundo regulador de fluxo (3) e este segundo regulador de fluxo (3), por sua vez, está ligado a um coletor (9), que está em comunicação com a entrada de gás quente.

[0053] O coletor (9) recebe gases quentes que entram e distribui o gás através as entradas dos tubos de troca (4) tal que o gás quente seja forçado a introduzir os tubos de troca (4).

[0054] Nesta modalidade, o segundo regulador de fluxo (3) é configurado por meio de uma placa estampada e vazada em torno do coletor (9), em que a área de contato entre ambas as partes (3, 9) é um anexo por meio de soldagem.

[0055] O coletor (9) é conectado com a extremidade do trocador do lado flutuante por meio de um conduíte elasticamente deformável (10). Nesta modalidade, o elemento elasticamente deformável (10) é um conduíte metálico de formato de sanfona. O fechamento da carapaça na extremidade flutuante em que o segmento de carapaça (7) formado por um corpo tubular, tendo uma seção maior é localizado, é estabelecido, através de um terceiro regulador de fluxo (11) tendo a entrada de gás quente.

[0056] Ο conjunto formado pelo segundo regulador de fluxo (3) e o coletor (9) está alojado no segmento da carapaça (7), tendo uma seção maior.

[0057] Uma entrada/saída de líquido de arrefecimento está localizado na extremidade da carapaça correspondente ao lado fixo, e a outra entrada/saída está localizada na extremidade oposta. Nesta modalidade, a entrada/saída de líquido de arrefecimento do lado flutuante é configurada por meio de uma ranhura (7.1), disposta entre a extremidade do segmento de carapaça (7), tendo uma seção maior e o terceiro regulador de fluxo (11). Essa configuração tem vários efeitos técnicos, sendo o primeiro o de colocar esta ranhura (7.1) na área adjacente ao muro formado pelo terceiro regulador de fluxo (11), prevenindo áreas de estagnação entre a entrada/saída e dito terceiro regulador de fluxo (11) e o segundo sendo aquele da colocação do mesmo em uma área perto do conduíte elasticamente deformável (10), favorecendo o resfriamento destes.

[0058] O conduíte elasticamente deformável (10) é o que recebe o gás quente de maneira mais direta, quando o trocador de calor está operando tal que esta parte (10) é a parte tendo uma temperatura mais elevada. A posição de extremidade da entrada/saída de arrefecimento favorece toda a extensão deste conduíte elasticamente deformável (10) ser devidamente arrefecida, evitando a falha do dispositivo neste local.

[0059] Nesta modalidade, o segundo regulador de fluxo (3) e o coletor (9) também têm uma configuração retangular. Assim, é disposto entre ambos os componentes (3, 9) e o segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior, um espaço, permitindo a passagem do líquido de arrefecimento, como a entrada/saída está localizada adjacente ao terceiro regulador de fluxo (3).

[0060] Linhas de corrente se estendem, primariamente, do espaço entre os tubos do feixe de tubos (4) para a câmara (C), formada pela extensão do segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior, ao redor do conjunto formado pelo segundo regulador de fluxo (3) e o coletor (9). Estas linhas de corrente conteriam uma ou mais linhas de corrente que acabariam no segundo regulador de fluxo, dando origem a uma região de estagnação, não se fosse pela presença de um defletor (8), localizado entre o conjunto formado pelo segundo regulador de fluxo (3) e o coletor (9) e o segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior. Este defletor (8) modifica a configuração de linhas de corrente, impedindo a simetria que faz com que as linhas de corrente tendem a cercar todo o segundo regulador de fluxo (3).

[0061] Particularmente, nesta modalidade, o defletor (8) se estende perimetralmente ao redor do conjunto formado pelo segundo regulador de fluxo (3) e o coletor (9) em um segmento equivalente a três dos quatro lados da configuração retangular do segundo regulador de fluxo (3) ou em respeito aos quatro lados respectivos da configuração retangular do segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior com o qual estabelece o fechamento.

[0062] O fluxo é, portanto, forçado a passar apenas por um dos lados, fazendo com que esta direção preferencial faça linhas de corrente corram em paralelo no segundo regulador de fluxo (3), prevenindo regiões de estagnação.

[0063] Nesta modalidade, fechamento em três dos quatro lados por meio de um defletor (8) está estabelecido em torno do grupo formado pelo conjunto de segundo regulador de fluxo (3) - coletor (9) em uma banda perimetral espaçada do plano definido pelo segundo regulador de fluxo (3) em direção longitudinal X-X' em direção ao lado oposto a extremidade fixa do trocador de calor.

[0064] Observa-se na Figura 2, com maior detalhe no lado flutuante, que na seção do desenho correspondente ao plano horizontal da seção, o defletor (8) senta sobre o segundo regulador de fluxo (3) e pressiona contra a parede interna do segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior. Não obstante, na seção do desenho correspondente ao plano vertical de seção, observa-se que o defletor (8) senta sobre o segundo regulador de fluxo (3), mas não se estende à parede interna do segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior para permitir a passagem do líquido de arrefecimento. Passagem do líquido de arrefecimento, de acordo com esta Figura 2 está na parte superior do desenho, a fim de observar a diferença entre o fechamento de lado e esta abertura.

[0065] Não obstante, na seção de Figura 3, o lado de abertura está localizado na parte inferior, girando o dispositivo 180° em respeito ao eixo X-X'.

[0066] Figura 5 mostra uma vista em perspectiva do defletor (8) usado nesta modalidade em uma forma essencialmente retangular, configurada para cercar o segundo regulador de fluxo (3) e o último, por sua vez, cercando o coletor (9).

[0067] O defletor (8) é fabricado a partir de placa furada e dobrada. Internamente, há uma banda perimetral, dando origem ao assento (8.1), o qual é apoiado na superfície do segundo regulador de fluxo (3). Perimetralmente, a superfície perimetral é formada por folhas consecutivamente dispostas para prevenir a passagem e dar origem a elementos flexíveis que são dispostos contra a parede interna do segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior. Estas folhas são distribuídas perimetralmente exceto de um lado, neste caso um lado menor, dando origem a uma janela (8,3) para a passagem do líquido de arrefecimento.

[0068] Há, também, pequenas separações (8.2) entre folhas que permitem que uma pequena quantidade de fluxo de arrefecimento. Passagem desta quantidade pequena de fluxo através das separações previne novas regiões de estagnação de serem geradas em torno do defletor (8).

[0069] Verificou-se, através de experiências, que esta disposição e configuração do defletor (8), localizado na câmara (C), previne que regiões de estagnação no segundo regulador de fluxo (3) que está em contato com o gás mais quente desde que essas mesmas experiências demonstram que a configuração descrita gera um fluxo paralelo ao segundo regulador de fluxo (3) arrastando qualquer região de estagnação, aumentando a velocidade de líquido de arrefecimento da zona mais próxima à parede do metal e, portanto, prevenir a fadiga térmica.

[0070] Bloquear o fluxo pelo defletor (8), como qualquer outra superfície colocada no caminho de um fluxo, gera regiões de estagnação, precisamente o efeito a ser prevenido. Não obstante, a configuração por meio de folhas distribuídas com separações (8.2) previne a formação destas regiões de estagnação ou recirculação sem prevenir o efeito de varredura das regiões de estagnação de ocorrerem no segundo regulador de fluxo (3).

[0071] Essa alteração na configuração de linhas de corrente no fluxo de arrefecimento foi verificada por meio de simulações de CFD numéricas, ambas sob fluxo co-corrente e contra-corrente.

[0072] Resultados de teste de fadiga térmica também têm demonstrado que falhas que ocorrem sem usar o defletor (8) desaparecem.

[0073] Outra solução técnica adotada nesta modalidade é a existência de um prolongamento do primeiro corpo tubular da carapaça (1) arrastando parte da câmara (C) formado pelo segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior. Neste caso, a velocidade do campo de velocidade na câmara (C), e particularmente o fluxo transversal paralelo ao segundo regulador de fluxo (3), é aumentada. O efeito técnico é melhor arrefecido do segundo regulador de fluxo (3), por exemplo, o regulador de fluxo exposto ao gás quente. O aumento na velocidade também é observado no interior da câmara (C), e portanto, reduz novos pontos de estagnação gerados pelo defletor (8).

[0074] A modalidade da invenção também incorpora outra maneira de proteger adicionalmente o conduíte elasticamente deformável (10) a partir das altas temperaturas a que é sujeito, dado que o condutor recebe diretamente o gás quente. A maneira de proteger a entrada é por meio de um defletor de admissão (12) configurado por meio de um segmento tubular destinado a ser alojados dentro do conduíte elasticamente deformável (10), mas espaçados a partir dele. A separação entre o conduíte elasticamente deformável (10) e o defletor de admissão (12) estabelece uma câmara de isolando o conduíte elasticamente deformável (10), reduzindo a transferência de calor direto a partir do fluxo do gás quente. Não apenas é estabelecido uma câmara de separação, mas também é estabelecida a orientação do fluxo de gás quente em direção ao eixo central para que não bata nas paredes diretamente.

[0075] O segmento tubular do defletor de admissão (12) expande-se exteriormente a fim de ser apoiada na superfície externa do terceiro regulador de fluxo (11). Essa configuração permite que o terceiro regulador de fluxo (11), uma vez que é ligado a um flange exterior, deixar esta extensão externa do defletor de admissão (12) retido, alcançando a fixação destes. Esta fixação não requer soldagem que, com mudanças bruscas de temperatura, seria danificada pelas tensões de expansão que seriam produzidas.

[0076] Adicionalmente, este defletor de admissão (12) mostra uma nervura perimetral (12.1) na extensão, o qual é alcançado nesta modalidade por meio de desenho complexo, aumentando a pressão com que 0 terceiro regulador de fluxo (11) e a flange exterior são fixados. Particularmente, a nervura perimetral (12.1) situa-se na face exterior do terceiro regulador de fluxo (11) para estabelecer de um assento de tipo pressão depois de estabelecer a fixação do flange.

[0077] A seção de Figuras 1 e 2 mostra a ranhura (7.1), do líquido de arrefecimento de entrada/saída obtido pelo espaçamento da borda de extremidade do segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior com o terceiro regulador de fluxo (3). Um coletor de líquido de arrefecimento (14) para o recebimento/abastecimento de líquido de arrefecimento desde que dito coletor de líquido de arrefecimento (14) esteja em comunicação fluída com a ranhura (7.1) é formado nesta modalidade por meio de uma placa exterior vazada.

[0078] A placa exterior vazada dando origem ao coletor de líquido de arrefecimento (14) corre paralela à borda exterior do terceiro regulador de fluxo (11), tal que, junto com um flange (15) tendo maior resistência, os meios de fixação com a flange externa que não são representados graficamente.

[0079] A face exterior do terceiro regulador de fluxo (3) junto com a nervura perimetral (12.1) do defletor de admissão (12) é o assento com que o trocador de calor é anexado no lado quente para a flange externa conectando dito trocador de calor com o tubo de gás quente.

[0080] Figuras 6 e 7 mostram outra modalidade da invenção. O segmento de carapaça (7), tendo uma seção maior, foi obtido pelo desenho complexo na mesma placa do segmento principal longitudinal da carapaça (1), alojando o feixe de tubos (4), gerando assim uma etapa entre ambos os segmentos (1, 7). Nesta modalidade particular, a carapaça (1) alojando o feixe de tubos (4) compreendendo duas partes com uma seção "U", de acordo com uma seção transversal, juntou-se ao longo de duas linhas soldadas longitudinais.

[0081] Foi divulgado que antes, de acordo com a invenção, o fluxo é forçado a passar apenas por um dos lados do defletor (8), fazendo com que esta direção preferencial faça com que linhas de corrente corram em paralelo no segundo regulador de fluxo (3), prevenindo regiões de estagnação.

[0082] Mesmo que esta mudança no campo de velocidade do fluxo de arrefecimento tenha sido verificada por meio de simulações de CFD numéricas sob fluxo co-corrente e contra-corrente, dito efeito é mais relevante no fluxo contra-corrente como o fluxo do arrefecimento, quando fluindo dentro do feixe de tubos (4), tende a manter a direção longitudinal X-X' devido a forças inerciais. As linhas de corrente não são desviadas da direção longitudinal até que o fluxo esteja muito perto do segundo regulador de fluxo (3) e é, então, redirecionado, fluindo paralelamente ao dito segundo regulador de fluxo (3).

[0083] Pelo contrário, o fluxo da co-corrente mostra um fluxo proveniente da câmara (C) tentando fluir de acordo com a pressão gradiente dentro do feixe de tubos (4); portanto, assim que o fluxo entra no espaço localizado dentro do feixe de tubos (4), é orientado para a parte fixa do trocador de calor, prevenindo-a de fluir em paralelo ao segundo regulador de fluxo (3), e em seguida, reduzindo o efeito do defletor (8).

[0084] De acordo com a modalidade mostrada nas figuras 6 e 7, um defletor em forma de pente (16) é localizado de acordo com a direção longitudinal X-X', na câmara (C).

[0085] Conforme as figuras 8 e 9 mostram, o defletor em forma de pente (16) compreende um corpo transversal (16.1) e uma pluralidade de projeções paralelas (16.3) partem de dito corpo transversal (16.1). As projeções paralelas (16.3) são estendidas entre duas placas laterais (16.2). As placas laterais (16,2) e o corpo transversal (16.1) mostra um ou mais suportes (16,5) configurados dobrando a placa em uma direção perpendicular.

[0086] O defletor em forma de pente (16) encontra-se parcialmente entre os tubos do feixe de tubos (4). O corpo transversal (16.1) está alojado entre o feixe de tubos (4) e o segmento de carapaça (7), tendo uma seção maior, orientada transversalmente para a direção longitudinal X-X'.

[0087] As projeções paralelas (16.3) estão inseridas no espaço entre os tubos do feixe de tubos (4) e paralelas ao segundo regulador de fluxo flutuante (3), sendo ditas projeções paralelas (16,3) separadas do segundo regulador de fluxo flutuante (3).

[0088] Ο defletor em forma de pente (16) compreende pelo menos um apoio (16.5) no corpo transversal (16.1), nas placas laterais (16.2), ou em ambos. O defletor em forma de pente (16) é fixo, por exemplo, por brasagem, ou pela fixação dos suportes (16.5) à parede interna da câmara (C), ou fixando as projeções paralelas (16,3) para o feixe de tubos (4). Nas modalidades mostrado nas figuras 6 e 7, que os suportes (16,5) são fixos na parede interna da câmara (C), enquanto as projeções paralelas (16.3) não são; essas projeções paralelas (16.3) são apenas adjacentes dos tubos do feixe de tubos (4) permitindo dito feixe de tubos (4) expandir quando aquecido pelo gás quente.

[0089] O defletor em forma de pente (16) mostra uma superfície de assento adicional (16.3.1) nas projeções paralelas (16,3), nesta modalidade ao dobrar a placa, permitindo que o defletor em forma de pente (16) descanse sobre a superfície do feixe de tubos (4), pelo menos em uma porção de dita superfície de assento (16.3.1).

[0090] A superfície do assento (16.3.1) tem pelo menos uma primeira parte reta (a) adjacente a uma face plana de um tubo trocador de calor, uma segunda porção arqueada (b) adjacente ao lado curvo do tubo trocador de calor; e, uma terceira porção reta (c) paralela à face oposta plana do tubo trocador de calor.

[0091] Nesta modalidade, entre a segunda porção arqueada (b) e a terceira porção reta (c) há uma porção reta de transição atingindo uma etapa(s), esta(s) definindo a separação entre a projeção paralela (16.3) e a face plana do tubo trocador de calor. A separação entre o lado plano oposto do tubo trocador de calor e a terceira porção reta (c) permite que o fluxo de varra qualquer região de estagnação do fluxo localizada adjacente ás projeções paralelas (16.3) do defletor em forma de pente (16). Nesta modalidade, a(s) etapa(s) é uma etapa curva.

[0092] Em uma modalidade, não mostrada nas figuras, a superfície do assento (16.3.1) é obtida por meio de uma placa mais espessa provida com uma borda larga o suficiente para permitir uma superfície de assento (16.3.1) com uma superfície de descanso ao invés de usar uma porção dobrada da placa.

[0093] Em uma modalidade, não mostrada nas figuras, a terceira porção reta (c) também é adjacente a face plana oposta do tubo trocador de calor, permitindo desviar o fluxo de toda a região ao redor.

[0094] O defletor em forma de pente (16) compreende, adicionalmente, uma pluralidade de janelas (16.4) adjacente para as superfícies de assento (16.3.1) permitindo a passagem do fluxo, evitando as regiões de estagnação geradas pela superfície principal do corpo transversal (16.1). Conforme as figuras 6 a 9 mostram, nesta modalidade, a pluralidade de janelas (16.4) estão localizados fora do feixe de tubos (4), próximo ao espaço entre os tubos de trocador de calor; ou seja, cada janela (16.4) é localizada em correspondência com cada espaço entre dois tubos de trocador de calor planos.

[0095] Executando simulações CFD do dispositivo trocador de calor com o fluxo de co-corrente, o defletor em forma de pente (16) tem sido observado para forçar o líquido de arrefecimento a fluir paralelamente para o segundo regulador de fluxo flutuante (3), quase em toda a superfície do segundo regulador de fluxo flutuante (3) prevenindo a geração de regiões de estagnação, mesmo sob condições de fluxo de co-corrente.

[0096] É importante inserir o corpo transversal do defletor em forma de pente (16) no lado da seção retangular do feixe de tubos (4) correspondente ao lado onde é localizada a janela (8.3) do defletor (8) a fim de modificar o fluxo vindo da janela (8.3).

[0097] A modalidade mostrada nas figuras 6 e 7, evita o uso do defletor de admissão (12). Alternativamente, a entrada tem uma peça de ligação (17) como uma interface entre um tubo de ligação (não mostrado) e o terceiro regulador de fluxo (11). Esta peça de ligação (17) tem duas seções diferentes no furo, permitindo a passagem do fluxo, uma seção pequena na parte externa do furo e uma grande seção na parte interna do furo, ambas as diferentes seções separadas por uma etapa (17.1).

[0098] A forma da peça de conexão (17), localizada na entrada faz com que um jato de gás quente com um diâmetro menor do que a da seção grande; portanto, o gás quente na entrada não interfere diretamente sobre a parede interna do conduíte interno, protegendo-o contra altas temperaturas REIVINDICAÇÕES

Claims

1 - Dispositivo trocador de calor adaptado para arrefecer um gás quente por meio de um líquido de arrefecimento, caracterizado pelo fato de que compreende: um feixe de tubos de troca de calor (4) se estendendo de acordo com uma direção longitudinal X-X’ entre um primeiro regulador de fluxo fixo (2) e um segundo regulador de fluxo flutuante (3) para passagem do gás quente a ser arrefecido, uma carapaça (1) alojando os tubos de feixe (4) onde o espaço entre a carapaça (1) e os tubos de feixe (4) permitem a passagem do líquido de arrefecimento, onde: a carapaça (1) é fechada em uma extremidade por meio do primeiro regulador de fluxo fixo (2) e compreende na extremidade oposta uma câmara (C) configurada por meio de uma extensão por meio de um segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior fechada com um terceiro regulador de fluxo (11), uma primeira entrada/saída de líquido arrefecedor está localizada em um ponto na carapaça (1) no lado do primeiro regulador de fluxo (2) e uma segunda entrada/saída de líquido arrefecedor é estabelecida em uma posição do segmento da carapaça (7) que tem uma seção transversal maior, em que o segundo regulador de fluxo flutuante (3) tem um coletor (9) em conexão fluida com a entrada dos tubos de troca de calor (4) e dito coletor (9) está, por sua vez, em conexão fluida com uma entrada para o gás quente, arranjado no terceiro regulador de fluxo (11), onde esta conexão fluida se dá por meio de um conduíte elasticamente deformável (10) pelo menos de acordo com o sentido longitudinal X-X', o segundo regulador de fluxo flutuante (3), juntamente com coletor (9), são alojados na extensão formada pelo segmento da carapaça (7) que tem uma seção maior e espaçados por uma separação de segmento (7) da dita carapaça ao longo do perímetro de dito conjunto, para permitir a passagem do líquido arrefecedor; e a posição do segmento da carapaça (7) que tem uma seção maior onde a segunda entrada/saída de líquido arrefecedor é localizada, de acordo com o sentido longitudinal X-X', entre o segundo conjunto coletor (9) - segundo regulador de fluxo (3) e o terceiro regulador de fluxo (11). e onde na separação perimetral entre o conjunto coletor (9) -segundo regulador de fluxo flutuante (3) e o segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior há um defletor (8) fechando o espaço de separação entre dito conjunto (3, 9) e o segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior, pelo menos, ao longo de um segmento de dita separação perimetral.

2. - Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que onde o conjunto formado pelo segundo regulador de fluxo flutuante (3) e o coletor (9) tem uma configuração perimetral essencialmente retangular, e em que o defletor (8) cobre pelo menos três dos seus lados.

3. - Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que em que o conduíte elasticamente deformável (10) tem uma configuração de sanfona.

4. - Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a entrada de gás quente tem um defletor de admissão (12) formado por um segmento tubular que se prolonga dentro do conduíte elasticamente deformável (10) para direcionar 0 fluxo gás quente que entra no sentido do eixo longitudinal central, protegendo o conduíte elasticamente deformável (10) do calor.

5. - Dispositivo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o terceiro regulador de fluxo (11) é configurado como um flange de fixação do dispositivo trocador de calor, e em que o defletor de admissão (12) tem uma nervura perimetral (12.1) na face exterior do terceiro regulador de fluxo (11) para o estabelecimento de um assento do tipo por pressão depois de estabelecer a afixação da flange.

6. - Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a entrada para o gás quente tem uma peça de conexão (17) na entrada para o gás quente que inclui uma seção pequena exterior e uma seção grande interna para proteger a parede interior do conduíte contra altas temperaturas.

7. - Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a segunda entrada/saída de líquido é estabelecida ao longo de um sulco (7.1) localizado entre um segmento da borda livre do segmento de carapaça (7), tendo uma seção maior e o terceiro regulador de fluxo (11).

8. - Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o coletor de líquido arrefecedor (14) no lado flutuante é configurado por meio de uma placa que se estende externamente a partir do segmento de carapaça (7) tendo uma seção maior no terceiro regulador de fluxo (11) alojando internamente o sulco (7.1); e organizando a entrada/saída do líquido arrefecedor em dita placa.

9. - Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o feixe de tubos (4) tem um ou mais reguladores de fluxo de apoio (5) - qualquer conjunto com a carapaça (1) e sem restringir o movimento longitudinal do feixe de tubos (4) passando por ele; ou - conjunto com o feixe de tubos (4), passando através dele e sem restringir o movimento longitudinal em relação à carapaça (1).

10. - Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a carapaça (1) alojando o feixe de tubos (4) se prolonga de acordo com o sentido longitudinal X - X' em parte ou em todo o perímetro, adentando parte da câmara (C) formada pela extensão por meio do segmento de carapaça (7), tendo uma seção maior para aumentar a velocidade de líquido refrigerante na câmara (C).

11. - Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende um defletor em forma de pente (16) na câmara (C), o defletor em forma de pente (16) compreendendo um corpo transversal (16.1) e uma pluralidade de projeções paralelas (16.3) partindo do referido corpo transversal (16.1); em que: - 0 corpo transversal (16.1) está alojado entre o feixe de tubos (4) e o segmento de carapaça (7), tendo uma seção maior, orientada transversalmente para a direção longitudinal X-X'; e - a pluralidade de projeções paralelas (16.3) está inserida no espaço entre os tubos do feixe de tubos (4) e paralela ao segundo regulador de fluxo flutuante (3).

12. - Dispositivo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o defletor em forma de pente (16) adicionalmente compreende por duas placas laterais (16.2) tal que a pluralidade de projeções paralelas (16.3) parte desse corpo transversal (16.1) situando-se entre as ditas placas laterais disse (16.2); e onde ditas placas laterais (16.2) são estendidas em ambos os lados do feixe de tubos (4), entre ditos feixe de tubos (4) e o segmento de carapaça (7), tendo uma seção maior.

13 - Dispositivo, de acordo com as reivindicações 10 e 11, caracterizado pelo fato de que o defletor em forma de pente (16) compreende pelo menos um apoio (16.5) no corpo transversal (16.1), em pelo menos uma das placas laterais (16.2), ou em ambas.

14. - Dispositivo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o defletor em forma de pente (16) é fixado tanto por fixação dos suportes (16.5) à parede interna da câmara (C), ou alternativamente, pela fixação das projeções paralelas (16.3) ao feixe de tubos (4).

15. - Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 10 a 13, caracterizado pelo fato de que as projeções paralelas (16.3) têm uma superfície de assento (16.3.1) configurada para se encostar na superfície dos tubos de troca de calor; e em que pelo menos uma de ditas projeções paralelas (16.3) tem uma parte da superfície do assento (16.3.1) com um recesso, distanciado da superfície do trocador de calor, permitindo o fluxo de passagem para evitar regiões de estagnação.

16. - Sistema EGR para veículos de combustão interna caracterizado pelo fato de que compreende um trocador de calor conforme qualquer uma das reivindicações anteriores.