ES2239573T3 - Refrigerador de aire de admision. - Google Patents

Refrigerador de aire de admision.

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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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