ES2239573T3 - Refrigerador de aire de admision. - Google Patents
Refrigerador de aire de admision.Info
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Abstract
Refrigerador de aire de admisión para máquinas de combustión interna que presenta por lo menos dos circuitos de refrigeración (6, 7, 8), los cuales están conducidos a través de unos bloques de intercambiador de calor (3, 4, 5), los cuales están conectados uno tras otro en la dirección de circulación (2) del aire y que presentan unas temperaturas de refrigerante diferentes, en el que: - por lo menos el bloque de intercambiador de calor (3) previsto primero en la dirección de circulación (2) del aire está realizado con un material más resistente a la erosión y a la temperatura que los bloques de intercambiador de calor (4, 5) conectados con posterioridad y está en un circuito de refrigerante de alta temperatura (6) en el cual se ha seleccionado la temperatura de refrigerante más alta posible, en el que - los dos primeros bloques de intercambiador de calor (3, 4) están en un circuito de refrigerante de alta temperatura (9) y el último en un circuito de refrigerante de baja temperatura (8), caracterizado porque - la temperatura del refrigerante utilizado en los dos primeros bloques de intercambiador de calor (3, 4) es de aproximadamente 100ºC en el lado de entrada y el caudal del refrigerante se ha seleccionado de tal manera que en el primer bloque de intercambiador de calor (3) se consigue un enfriamiento del aire de admisión, de hasta 300ºC o más, o valores de hasta aproximadamente 180ºC y en el segundo bloque de intercambiador de calor (4) hasta valores con una magnitud de 110ºC.
Description
Refrigerador de aire de admisión.
La invención se refiere a un refrigerador de aire
de admisión para máquinas de combustión interna, por lo menos con
dos circuitos de refrigeración, los cuales están conducidos a través
de bloques de intercambiador de calor, los cuales están conectados
uno tras otro en la dirección de circulación del aire y que
presentan temperaturas de refrigerante diferentes.
Los refrigeradores de aire de admisión para
máquinas de combustión interna son conocidos (DE OS 23 42 787). Dado
que el aire entrante presenta temperaturas muy altas en este tipo de
refrigeradores de aire de admisión, existe el peligro de que los
elementos de intercambio de calor situados en el lado de entrada,
por regla general, por tanto, tubos dotados con aletas, sean
cargados mucho térmicamente y puedan por ello ser dañados, debido a
que puede aparecer erosión condicionada por fenómenos de cavitación
además de dilataciones térmicas relevantes.
Por ello en los refrigeradores de aire de
admisión mencionados con anterioridad se ha intentado resolver este
problema gracias a mantener el intercambio de calor lo más bajo
posible en las primeras hileras de tubos y aumentar por el contrario
en las hileras de tubos que vienen a continuación el intercambio de
calor hasta el valor óptimo. Esto se ha intentado conseguir o bien
gracias a que el número de aletas por tubo en la dirección del aire
circulante se elegía creciente o gracias a que la primera hilera de
tubos se realizaba sin aletas o incluso se dotaba con un aislamiento
térmico. Los refrigeradores de aire de admisión de este tipo
resultan por ello muy complejos. Para las temperaturas de entrada
muy altas del aire de admisión, utilizadas en la actualidad cada vez
con mayor frecuencia, de hasta 300ºC o incluso superiores, las
medidas de este tipo o bien ya no son suficientes o conducen a
refrigeradores de aire de admisión cuyas dimensiones son muy
grandes. Esto es válido también para los refrigeradores de aire de
admisión según el documento DE 196 44 584 A1, en los cuales se ha
intentado reducir la carga térmica de los bloques de tubos de aletas
de refrigeradores de aire de admisión, en la zona de las piezas
laterales, gracias a que la capa de aletas onduladas más exterior,
que está en contacto con las piezas laterales, era tendida en cada
caso contra la corriente de aire de admisión, por encima del canto
de entrada del bloque de tubos de aletas, hacia delante en la zona
de entrada para el aire de admisión formada por las piezas laterales
y las cajas de agua. Con ello se puede conseguir un calentamiento
más rápido de las piezas laterales. El problema de la erosión que
aparece en la zona de entrada no se puede solucionar sin embargo sin
más con ello.
Por el documento DE 41 14 704 C1 se conoce llevar
a cabo el enfriamiento del aire de admisión en dos etapas. El
enfriamiento tiene lugar allí en primer lugar en un refrigerador de
aire de admisión de alta temperatura, el cual está conectado con un
refrigerador de retorno de alta temperatura, y después en un
refrigerador de aire de admisión de baja temperatura, el cual está
en un circuito con un refrigerador de retorno de baja temperatura. A
estos dos refrigeradores de aire de admisión están conectados con
posterioridad además un refrigerador de aceite del motor y un
refrigerador de aceite para engranajes. El refrigerador de aire de
admisión corresponde por lo tanto al refrigerador de aire de
admisión mencionado al principio, el cual está caracterizado por al
menos dos circuitos de refrigeración, los cuales son conducidos a
través de bloques de intercambiador de calor, los cuales están
conectados uno tras otro en la dirección de circulación del aire.
Estos dos circuitos de refrigeración presentan temperaturas de
refrigerante diferentes. Sin embargo, allí no se mencionan
posibilidades de estructurar el refrigerador de alta temperatura de
tal manera que, sin aumentar las dimensiones, sea capaz de resistir
de forma duradera las elevadas temperaturas de entrada.
Por el documento DE 42 40 239 A1 se conoce una
refrigeración de aire de admisión para una máquina de combustión
interna la cual comprende un refrigerador previo y un refrigerador
dispuesto corriente abajo de éste. En el caso del refrigerador
previo puede tratarse de un intercambiador de calor circulado por un
refrigerante líquido. El refrigerador y el refrigerador previo
presentan unos circuitos de refrigeración separados. La temperatura
del refrigerante del refrigerador previo está por encima de la
temperatura de refrigerante del refrigerador.
La presente invención se plantea el problema de
formar un refrigerador de aire de admisión de tal manera que, con un
gasto económicamente asumible, pueda refrigerarse aire de admisión
con temperaturas muy altas sin que aparezcan los problemas
mencionados con anterioridad.
Para resolver este problema se propone con la
invención para el refrigerador de aire de admisión del tipo
mencionado al principio que por lo menos el bloque de intercambiador
de calor previsto primero en la dirección de circulación del aire
esté realizado con un material más resistente a la erosión y a la
temperatura que los bloques de intercambiador de calor conectados
con posterioridad y esté en un circuito de refrigerante de alta
temperatura en el cual la temperatura de refrigerante se ha elegido
tan alta como sea posible.
Con esta medida es posible prever un refrigerador
en saledizo en el lado de entrada del aire de admisión, el cual está
concebido desde un principio para reducir en primer lugar las
temperaturas de aire de admisión excesivamente altas hasta una
medida soportable, de manera que entonces los bloques de
intercambiador de calor conectados con posterioridad se puedan
concebir de acuerdo con los criterios conocidos. Así, para el
refrigerador en saledizo se puede prever por ejemplo una temperatura
de refrigerante que reduzca la caída de temperatura entre el aire de
admisión entrante y la temperatura de refrigerante. Debido a que el
refrigerador en saledizo está realizado con un material más
resistente a la temperatura que los bloques de intercambiador de
calor conectados con posterioridad, de esta forma resulta posible
eliminar ampliamente el peligro de daños a la entrada del aire de
admisión.
Está previsto que, de tres bloques de
intercambiador de calor, los dos primeros bloques de intercambiador
de calor estén en un circuito de refrigerante de alta temperatura y
únicamente el último esté en un circuito refrigerante de baja
temperatura. La temperatura del refrigerante utilizado en los dos
primeros circuitos de refrigerante puede ser relativamente alta en
el lado de entrada, donde el caudal del refrigerante se seleccionan
de tal manera que en el primer bloque de intercambiador de calor se
consigue una refrigeración del aire de admisión, que alcanza hasta
300º, o valores de hasta aproximadamente 180ºC y en el segundo
bloque de intercambiador de calor hasta valores con una magnitud de
110ºC.
En una estructuración de este tipo la temperatura
de salida del refrigerante puede estar comprendida en el tercer
bloque de intercambiador de calor entre aproximadamente 45º y 50ºC,
tal como en el caso de refrigeradores usuales y el aire se puede
enfriar hasta aproximadamente 60ºC o algo por encima.
Como perfeccionamiento de la invención el primer
bloque de intercambiador de calor puede ser un refrigerador de tubo
redondo hecho de acero, de una aleación de cobre y cinc o también de
una aleación de aluminio. El segundo y tercer bloques de
intercambiador de calor pueden estar realizados, por el contrario,
como está descrito por ejemplo en el documento DE 196 44 586 A1, con
elementos de aluminio apilados entre sí. Finalmente, todos los
bloques de intercambiador de calor pueden estar reunidos formando
una unidad de refrigerador de aire de admisión la cual es montada
como un todo en instalaciones correspondientes o en vehículos, pero
que es suministrada por circuitos de refrigerante diferentes.
La invención está representada en el dibujo a
partir de ejemplos de formas de realización y se explica a
continuación. En el dibujo, las figuras muestran:
la Fig. 1 muestra un diagrama de bloques de un
refrigerador de aire de admisión según la invención para una máquina
de combustión interna,
la Fig. 2 muestra un diagrama de bloques para una
variante de un refrigerador de aire de admisión según la
invención,
la Fig. 3 muestra una vista lateral de una
máquina de combustión interna, la cual está dotada con
refrigeradores de aire de admisión según la invención,
la Fig. 4 muestra una representación ampliada del
refrigerador previo del refrigerador de aire de admisión de la Fig.
3, insertado detrás del turbosobrealimentador,
la Fig. 5 muestra una vista frontal de la máquina
de combustión interna según la Fig. 3, y
la Fig. 6 muestra la representación ampliada de
un refrigerador de aire de admisión según la invención, el cual se
puede insertar como variante del refrigerador de aire de admisión
según la Fig. 3.
La Fig. 1 muestra esquemáticamente la estructura
básica de un refrigerador de aire de admisión 1 según la invención,
en el cual el aire de admisión que circula en el sentido de las
flechas 2, que alcanza el refrigerador de aire de admisión con una
temperatura de entrada de hasta 300ºC o superior, es refrigerada
hasta una temperatura final de aproximadamente 60ºC. Para evitar en
estas temperaturas extremadamente altas un daño del refrigerador de
aire de admisión o de sus elementos de intercambio de calor está
previsto, según la invención, que el refrigerador de aire de
admisión 1 esté estructurado a partir de diferentes bloques de
intercambiador de calor 3, 4 y 5, los cuales se apoyan en cada caso
hacia sí mismos en un circuito de refrigeración separado, a través
del cual es conducido un refrigerante en el sentido de las flechas
6, 7 y 8 en cada caso a través de los bloques de intercambiador de
calor 3, 4 y 5. Según la Fig. 1, el primer bloque de intercambiador
de calor 3 situado en la dirección de circulación 2 del aire de
admisión está formado al mismo tiempo como un así llamado
refrigerador previo, el cual está hecho de un material que es mucho
más resistente a la erosión y a la temperatura que el material de
los bloques de intercambiador de calor 4 y 5 conectados con
posterioridad. Este refrigerador previo está realizado también
constructivamente de tal manera que es insensible frente a
variaciones de longitud como consecuencia de dilataciones térmicas.
El refrigerante que afluye en el sentido de las flechas 6 y que
circula a través del primer bloque de intercambiador de calor 3
puede estar asignado al mismo tiempo a un circuito refrigerante de
alta temperatura y puede presentar a la entrada en el refrigerador
previo 3, por ejemplo, una temperatura de aproximadamente 100ºC.
Gracias a esta medida se puede, adicionalmente a la estructuración
constructiva del bloque de intercambiador de calor 3, mantener baja
también la diferencia de temperatura entre el aire de admisión
entrante y el refrigerante, de manera que con ello se proporciona
también una cierta protección del bloque de intercambiador de calor
3 frente a daños condicionados por la temperatura.
El segundo bloque de intercambiador de calor 4 es
cargado con aire de admisión con una temperatura de entrada de
aproximadamente 180ºC. El aire de admisión es enfriado
aproximadamente a esta temperatura en el primer bloque de
intercambiador de calor 3. También el segundo bloque de
intercambiador de calor 4 puede estar en un circuito de refrigerante
de alta temperatura. Es concebido de tal manera que el aire de
admisión presenta a la salida de este segundo bloque de
intercambiador de calor 4 únicamente una temperatura de
aproximadamente 110ºC. El tercer bloque de intercambiador de calor 5
puede estar concebido por ello -igual que en principio también el
bloque de intercambiador de calor 4- de forma convencional y, por
ejemplo, ser cargado por un circuito de baja temperatura en el
sentido de las flechas 8 con refrigerante, el cual a la entrada en
el bloque de intercambiador de calor 5 presenta una temperatura
comprendida entre 45ºC y 50ºC, de manera que el aire de admisión
puede ser enfriado en el tercer bloque de intercambiador de calor 5
hasta aproximadamente 60ºC.
Para la invención resulta decisivo que el
refrigerador de aire de admisión sea subdividido en diferentes
bloques de intercambiador de calor y en el denominado refrigerador
previo, los cuales son cargados en cada caso por circuitos de
refrigerante los cuales pueden estar ajustados a las temperaturas de
entrada del aire de admisión.
La Fig. 2 muestra una variante del refrigerador
de aire de admisión según la Fig. 1 en la medida en que en este caso
los dos primeros bloques de intercambiador de calor 3 y 4 están en
un circuito de refrigeración 9 común, mientras que el tercer bloque
de intercambiador de calor 5 está en un circuito de baja temperatura
separado como en el ejemplo de realización según la Fig. 1.
Las Figs. 3, 4 y 5 muestran ahora un ejemplo
práctico para la estructuración de un refrigerador de aire de
admisión según la invención. La Fig. 3 permite reconocer que a una
máquina de combustión interna 10, por ejemplo un motor de gran
potencia, está asignado un turbosobrealimentador 11 para el aire de
admisión, el cual es suministrado en el sentido de las flechas 2 en
cada caso a los cilindros individuales. En esta forma de realización
está previsto que el refrigerador previo 3 esté insertado en la
conducción de suministro 12 procedente del turbosobrealimentador 11
y que con posterioridad a este refrigerador previo 3 esté conectado
a continuación a un refrigerador de aire de admisión 1', el cual o
es de tipo constructivo convencional o contiene los dos bloques de
intercambiador de calor 4 y 5 los cuales, debido a la temperatura de
aire de admisión de 180ºC que se alcanza detrás del refrigerador
previo 3, pueden estar estructurados por completo de manera
convencional y estar cargados con refrigerante.
La Fig. 4 muestra el refrigerador previo 3
insertado en la conducción 12, al cual es suministrado el
refrigerante mediante el circuito de refrigerante de alta
temperatura 6. Este refrigerador previo 3 está adaptado en el
ejemplo de realización, en cuanto al diámetro, al diámetro de la
conducción 12 y está dotado con dos bridas de sujeción 13, las
cuales están dotadas con anillos de obturación 14.
La Fig. 5 pone de manifiesto que el aire de
admisión procedente del turbosobrealimentador 11 es subdividido
detrás del refrigerador previo 3 en dos conducciones de aire 15
asignadas en cada caso a un lado de la máquina de combustión interna
10, y que en estas conducciones de aire está montado en cada caso el
refrigerador de aire de admisión 1', el cual contiene los bloques de
intercambiador de calor 4 y 5.
La Fig. 6 muestra una variante de un refrigerador
de aire de admisión 16 el cual se puede insertar en la conducción de
suministro 15 en lugar de los dos refrigeradores de aire de admisión
1'. En este caso el refrigerador de aire de admisión 16 contiene los
tres bloques de intercambiador de calor 3, 4 y 5. Para esta variante
no es necesario, por lo tanto, el montaje del refrigerador previo 3
según las Figs. 3 y 4. El refrigerador de aire de admisión 16 está
dotado con una carcasa de montaje 17, la cual presenta unas bridas
18 y que está atornillada con estas, entre bridas 19 asignadas de la
conducción de aire de admisión 15. El refrigerador de aire de
admisión 16 puede ser cargado al mismo tiempo, según el esquema
mostrado en la Fig. 1 o la Fig. 2, por circuitos de refrigeración
diferentes. El refrigerador previo 3 integrado en el refrigerador de
aire de admisión 16 en este ejemplo de realización es realizado
asimismo con un material distinto al de los bloques de
intercambiador de calor 4 y 5 conectados con posterioridad.
En todos los ejemplos de realización puede estar
previsto que el primer bloque de intercambiador de calor 3 sea un
refrigerador de tubo redondo o un intercambiador de calor similar al
haz de tubos de un intercambiador de calor de tubo redondo hecho de
acero, de una aleación de cobre y cinc o también de una aleación de
aluminio. El segundo y el tercer bloques de intercambiador de calor
4, 5 pueden estar realizados, de forma convencional, con elementos
de aluminio apilados entre sí.
Claims (4)
1. Refrigerador de aire de admisión para máquinas
de combustión interna que presenta por lo menos dos circuitos de
refrigeración (6, 7, 8), los cuales están conducidos a través de
unos bloques de intercambiador de calor (3, 4, 5), los cuales están
conectados uno tras otro en la dirección de circulación (2) del aire
y que presentan unas temperaturas de refrigerante diferentes, en el
que
- -
- por lo menos el bloque de intercambiador de calor (3) previsto primero en la dirección de circulación (2) del aire está realizado con un material más resistente a la erosión y a la temperatura que los bloques de intercambiador de calor (4, 5) conectados con posterioridad y está en un circuito de refrigerante de alta temperatura (6) en el cual se ha seleccionado la temperatura de refrigerante más alta posible, en el que
- -
- los dos primeros bloques de intercambiador de calor (3, 4) están en un circuito de refrigerante de alta temperatura (9) y el último en un circuito de refrigerante de baja temperatura (8), caracterizado porque
- -
- la temperatura del refrigerante utilizado en los dos primeros bloques de intercambiador de calor (3, 4) es de aproximadamente 100ºC en el lado de entrada y el caudal del refrigerante se ha seleccionado de tal manera que en el primer bloque de intercambiador de calor (3) se consigue un enfriamiento del aire de admisión, de hasta 300ºC o más, o valores de hasta aproximadamente 180ºC y en el segundo bloque de intercambiador de calor (4) hasta valores con una magnitud de 110ºC.
2. Refrigerador de aire de admisión según la
reivindicación 1, caracterizado porque en el tercer bloque de
intercambiador de calor (5) la temperatura de salida del
refrigerante está comprendida entre aproximadamente 45º y 50ºC y el
aire es enfriado hasta aproximadamente 60ºC.
3. Refrigerador de aire de admisión según la
reivindicación 1, caracterizado porque el primer bloque de
intercambiador de calor (3) es un refrigerador de tubo redondo
realizado en acero, de una aleación de cobre y cinc o también de una
aleación de aluminio.
4. Refrigerador de aire de admisión según la
reivindicación 1, caracterizado porque el segundo y el tercer
bloques de intercambiador de calor (4, 5) están realizados con
elementos de aluminio apilados entre sí.
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