ES2254996T3 - Grupo constructivo que comprende cambiador de calor de gases de escape y derivacion. - Google Patents
Grupo constructivo que comprende cambiador de calor de gases de escape y derivacion.Info
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Abstract
Grupo constructivo que consta de un cambiador de calor de gases de escape y una derivación, con un codo de admisión (10), un codo de escape (16), un canal (12) para un cambiador de calor (38) y un canal de derivación (14), en el que el canal de cambiador de calor (12) y el canal de derivación (14) se extienden, conectados en paralelo, entre el codo de admisión (10) y el codo de escape (16) y están unidos a los mismos de forma hermética con respecto a la corriente y en el que en el interior del canal de cambiador de calor (12) está dispuesto un cambiador de calor (38), caracterizado porque el lado de admisión del cambiador de calor está unido al canal de cambiador de calor (12) de forma hermética con respecto a la corriente y el lado de escape del cambiador de calor (38) está alojado con posibilidad de desplazamiento en el canal de cambiador de calor (12), de modo que es posible una dilación térmica del cambiador de calor (38) en relación con el canal de cambiador de calor (12).
Description
Grupo constructivo que comprende cambiador de
calor de gases de escape y derivación.
La invención se refiere a un grupo constructivo
que consta de un cambiador de calor de gases de escape y una
derivación, con un codo de admisión, un codo de escape, un canal
para un cambiador de calor y un canal de derivación, en el que el
canal de cambiador de calor y el canal de derivación se extienden,
conectados en paralelo, entre el codo de admisión y el codo de
escape y están unidos a los mismos de forma hermética con respecto
a la corriente y en el que en el interior del canal de cambiador de
calor está dispuesto un cambiador de calor. Un grupo constructivo
de este tipo resulta adecuado especialmente para un, así llamado,
calentador de aporte.
El calentador de aporte se utiliza en automóviles
con motores de combustión modernos y económicos. Debido a su alto
rendimiento, estos motores producen ya muy poco calor residual que
pueda utilizarse para el sistema de calefacción del automóvil.
Frecuentemente, la poca potencia calorífica obtenida resulta poco
confortable para los ocupantes del vehículo. Por este motivo, se han
desarrollado sistemas que contienen un cambiador de calor en la
línea de escape del vehículo. De este modo es posible absorber calor
de la corriente de gases de escape, que se utiliza para calentar el
interior del vehículo.
Normalmente, un sistema de este tipo presenta una
derivación paralela al recorrido de la corriente que pasa a través
del cambiador de calor. Esto permite desconectar el cambiador de
calor, lo que resulta ventajoso por ejemplo si, inmediatamente
después de arrancar el motor de combustión, un catalizador dispuesto
en la línea de escape ha de calentarse hasta su temperatura de
funcionamiento. Si los gases de escape fluyesen a través del
cambiador de calor, que tiene un gran capacidad térmica, este
proceso se retardaría.
En todos los cambiadores de calor situados en la
línea de escape de un vehículo se presentan problemas que resultan
de la dilatación térmica de los distintos componentes.
Por una parte, los componentes están expuestos a
diferencias de temperatura de varios cientos de grados centígrados.
Por otra parte se produce un fuerte gradiente térmico entre los
distintos componentes, incluso en un estado de funcionamiento
constante. Las distintas dilataciones térmicas han de ser asimiladas
de un modo seguro a lo largo de múltiples ciclos de funcionamiento
sin que se produzca ninguna fuga en la línea de escape.
Por el documento
CA-A-2 273 698 se conoce un grupo
constructivo del tipo mencionado al principio. En éste no hay
ningún cambiador de calor cerrado dispuesto en el interior del canal
de cambiador de calor, sino únicamente una simple espiral tubular
que puede recibir por todos los lados la corriente de gases de
escape que fluye a través del canal de cambiador de calor. La
elasticidad de las espiras tubulares elimina la posibilidad de que
se presenten problemas con la dilatación térmica.
El objetivo de la invención consiste en crear una
carcasa para un cambiador de calor que tenga un diseño sencillo,
para que su fabricación resulte económica, y que permita a la vez
las distintas dilataciones térmicas de los diferentes
componentes.
Con este fin está previsto según la invención, en
un grupo constructivo del tipo mencionado al principio, que el lado
de admisión del cambiador de calor esté unido al canal de cambiador
de calor de forma hermética con respecto a la corriente y el lado
de escape del cambiador de calor esté alojado con posibilidad de
desplazamiento en el canal de cambiador de calor, de modo que sea
posible una dilación térmica del cambiador de calor en relación con
el canal de cambiador de calor. El grupo constructivo según la
invención se basa en la idea fundamental de prever un canal cerrado
para el cambiador de calor de gases de escape. El cambiador de
calor está instalado en este canal de forma fija y hermética con
respecto a la corriente en su lado de admisión, por ejemplo
soldado. Por su lado de escape, el cambiador de calor está alojado
de modo que puede desplazarse libremente en el canal de cambiador
de calor. De este modo, el cambiador de calor puede dilatarse
libremente en el interior del canal de cambiador de calor y se
elimina la posibilidad de que se produzcan deformaciones debidas a
las diferencias en la dilatación térmica de los componentes. El
canal exterior proporciona la estabilidad mecánica y hermeticidad
necesarias para la línea de
escape.
escape.
Según una forma de realización preferida de la
invención, el codo de admisión y el codo de escape son de chapa de
acero embutida o extrudida y tienen una ejecución idéntica. Gracias
a ello, los costes de fabricación son muy bajos.
Según la forma de realización preferida de la
invención, está previsto que entre el codo de escape por una parte
y el canal de derivación y el canal de cambiador de calor por otra
parte, esté previsto un adaptador de escape. Éste está formado
preferentemente de chapa de acero embutida y está soldado al codo de
escape. La utilización de un adaptador de escape proporciona
numerosas ventajas en la fabricación del grupo constructivo. Por
una parte, permite conservar con un gasto pequeño las conexiones
para el canal de derivación y el canal de cambiador de calor en el
codo de escape. Un codo de escape en el que las conexiones para el
canal de derivación y para el canal de cambiador de calor
estuvieran configuradas en una pieza sólo podría fabricarse con un
gasto muy grande. Por otra parte, se obtienen ventajas en el
montaje. El adaptador de escape puede soldarse al canal de
derivación y al canal de cambiador de calor antes de colocar el codo
de escape. De esta forma, los puntos de soldadura correspondientes
son fácilmente accesibles, incluso entre los dos canales. A
continuación puede colocarse el codo de escape sobre el adaptador
de escape y soldarse al mismo. En este caso sólo hay que realizar
una soldadura periférica y exterior, es decir, de fácil acceso.
Preferentemente está previsto un adaptador de
admisión, dispuesto entre el codo de admisión por una parte y el
canal de derivación y el canal de cambiador de calor por otra parte.
El adaptador de admisión es preferentemente una pieza metálica
fundida, en la que está integrada una válvula de charnela. La
válvula de charnela sirve para repartir la corriente de gases de
escape entre los dos canales en función de parámetros exteriores.
El caudal puede repartirse entre los dos canales a voluntad. El
adaptador de admisión ofrece la ventaja de que todos los pasos de
fabricación costosos están integrados en un único componente. El
adaptador de admisión aloja la válvula, presenta los asientos para
la válvula de charnela y permite, como el adaptador de escape, un
montaje sencillo de todo el grupo constructivo.
Según la forma de realización preferida de la
invención está previsto que el canal de cambiador de calor esté
compuesto de un cono de admisión, un tubo de cambiador de calor
recto y un cono de escape. El cambiador de calor está soldado por
su lado de admisión al cono de admisión, mientras que el lado de
escape del cambiador de calor está alojado en el cono de escape con
posibilidad de desplazamiento. El tubo de cambiador de calor está
soldado tanto al cono de admisión como al cono de escape. El juego
radial entre el lado de escape del cambiador de calor y el cono de
escape es de alrededor de 0,2 mm. Esto permite la dilatación térmica
del cambiador de calor en todas las direcciones, mientras que al
mismo tiempo se forma una sección de paso muy pequeña, que impide
un retorno de los gases de escape al espacio que queda entre el tubo
de cambiador de calor y el cambiador de calor.
Para empalmar el cambiador de calor, éste está
provisto preferentemente de dos racores de empalme que se extienden
radialmente hacia fuera a través del tubo de cambiador de calor. Con
este fin, el tubo de cambiador de calor está provisto de dos
orificios que están ejecutados como agujeros alargados, lo que
también contribuye a que el cambiador de calor pueda sufrir una
dilatación térmica sin impedimentos.
Entre el lado interior del tubo de cambiador de
calor y el lado exterior del cambiador de calor está prevista una
hendidura anular. En ella está dispuesta una empaquetadura de
material fibroso calorífugo. El material sirve para el aislamiento
térmico del cambiador de calor, de modo que se reduzcan las pérdidas
por radiación térmica al exterior. Al mismo tiempo, el material
calorífugo se mantiene comprimido entre el cambiador de calor y el
tubo de cambiador de calor de tal modo que actúa como una
obturación. Esto impide que se produzca una fuga de corriente del
lado de escape del cambiador de calor, a través de la hendidura
entre el cono de escape y el cambiador de calor, al espacio anular
entre el cambiador de calor y el tubo de cambiador de calor y a
través de los agujeros alargados hacia fuera. Pero de todos modos,
debido a un efecto Venturi en el área del lado de escape del
cambiador de calor, es de esperar que no se produzca, o se produzca
sólo en muy escasa medida, una fuga de corriente hacia los agujeros
alargados del tubo de cambiador de calor; más bien es probable que
en esta área se aspire aire exterior.
Según un perfeccionamiento de la invención, puede
estar previsto que entre el lado de escape del cambiador de calor y
el cono de escape esté dispuesta una junta deslizante que impida con
seguridad toda fuga de corriente hacia los agujeros alargados
del
tubo.
tubo.
De las subreivindicaciones se desprenden
configuraciones ventajosas de la invención.
A continuación se describe la invención a base de
una forma de realización preferida, que está representada en los
dibujos adjuntos. Dichos dibujos muestran:
- Figura 1: un perfil de un grupo constructivo
según la invención.
- figura 2: una vista desde arriba del grupo
constructivo según la invención.
- Figura 3: una vista en corte por el plano
III-III de la figura 1.
- Figura 4: la vista en corte de la figura 3 a
una escala mayor.
- Figura 5: un corte por el plano
V-V de la figura 4.
- Figura 6: un corte por el plano
VI-VI de la figura 4.
- Figura 7: un corte por el plano
VII-VII de la figura 4.
- Figura 8: un corte por el plano
VIII-VIII de la figura 4.
- Figura 9: un corte por el plano
IX-IX de la figura 4.
- Figura 10: una vista fragmentada
correspondiente a la de la figura 9, en la que se muestra una
variante de realización.
- Figura 11 y última: una vista desde arriba del
lado de escape del canal de cambiador de calor.
En las figuras 1 a 3 se muestra un grupo
constructivo con un cambiador de calor de gases de escape y una
derivación. Está previsto para ser dispuesto en la línea de escape
de un vehículo, donde la corriente ha de atravesarlo en la
dirección de la flecha de la figura 1, o sea en la figura 1 de
derecha a izquierda.
El grupo constructivo presenta un codo de
admisión 10, que está compuesto de chapa de acero embutida o
extrudida. El codo de admisión permite fundamentalmente repartir la
corriente de gases de escape entre un canal de cambiador de calor
12 y un canal de derivación 14. El canal de cambiador de calor y el
canal de derivación se reúnen de nuevo corriente abajo en un codo
de escape 16. La configuración del codo de escape es idéntica a la
del codo de admisión 10.
En el lado de escape del codo de admisión 10 está
dispuesto un adaptador de admisión 18 (véanse también las figuras
4, 7 y 8). El adaptador de admisión es una pieza metálica fundida y
presenta dos asientos de válvula 20, con los que puede actuar
conjuntamente una válvula articulada 22. La válvula articulada 22
está alojada mediante un árbol de válvula 23, que está unido a un
servomotor 24. Cuando, por ejemplo, la válvula articulada se apoya
en el asiento de válvula correspondiente al canal de cambiador de
calor 12, todo el caudal de gases de escape fluye a través del
canal de derivación 14. La válvula articulada 22 puede ocupar
cualquier posición intermedia para repartir el caudal de gases de
escape entre los dos canales en la proporción deseada en cada caso.
El adaptador de admisión 18 está soldado al codo de admisión 10.
El canal de derivación 14 se compone de un tubo
de derivación 26, que está soldado por su lado de admisión al
adaptador de admisión 18. Por su lado de escape, el tubo de
derivación 26 está soldado a un adaptador de escape 28. El
adaptador de escape 28 es una pieza de chapa estampada y embutida,
que constituye la transición de las dos secciones circulares del
canal de cambiador de calor 12 y del canal de derivación 14 a la
sección de admisión alargada del codo de escape. El adaptador de
escape 28 está soldado al codo de escape 16.
El canal de cambiador de calor 12 se compone de
un cono de admisión 30, un cono de escape 32 y un tubo de cambiador
de calor 34 (véase especialmente la figura 9). El tubo de cambiador
de calor 34 está soldado al cono de admisión 30 y al cono de escape
32, lo que aquí se simboliza mediante los cordones de soldadura
36.
En el interior del canal de cambiador de calor
12, que está formado por el cono de admisión 30, el tubo de
cambiador de calor 34 y el cono de escape 32, está dispuesto un
cambiador de calor 38 por el que pueden fluir por una parte los
gases de escape en la dirección de la flecha A y por otra parte un
fluido, que se simboliza con las dos flechas F, para lograr una
transmisión de calor de los gases de escape al fluido. La
estructura interna del cambiador de calor 38 no tiene importancia
para el entendimiento de la invención, por lo que aquí no se
explicará con mayor detalle. La envoltura exterior del cambiador de
calor es de metal.
El cambiador de calor 38 está soldado por su lado
de admisión al cono de admisión 30, lo que aquí se simboliza
mediante un cordón de soldadura 40. Por su lado de escape, el
cambiador de calor 38 está insertado en el cono de escape 32 de
modo que queda suelto con un juego radial mínimo. En cuanto el
cambiador de calor 38 y el tubo de cambiador de calor 34 se dilatan
de distinta forma en caso de diferencias de temperatura, las
deformaciones entre el cambiador de calor 38 y el tubo de cambiador
de calor 34 se evitan gracias a que el lado de escape del cambiador
de calor 38 puede desplazarse libremente en el cono de escape 32. La
disposición del cambiador de calor es comparable a un apoyo de
puente, en el que están previstos un apoyo fijo y un apoyo libre.
El apoyo fijo sirve para el posicionamiento y el apoyo libre permite
los desplazamientos relativos resultantes de las dilataciones
térmicas. Naturalmente, en principio también es posible fijar el
cambiador de calor al canal de cambiador de calor de otro modo que
no sea mediante un cordón de soldadura.
El cambiador de calor 38 está provisto de dos
racores de empalme 42, a través de los cuales puede alimentarse
fluido al cambiador de calor 38 o evacuarse del mismo. Los dos
racores de empalme 42 se extienden a través del tubo de cambiador
de calor 34, estando previsto con este fin en cada caso un agujero
alargado 44 (véase la figura 11). Los agujeros alargados 44 están
dimensionados de modo que no dificulten las dilataciones térmicas
del cambiador de calor 38.
Entre el lado exterior del cambiador de calor 38
y el lado interior del tubo de cambiador de calor 34 se forma una
hendidura anular 46. En esta hendidura anular está dispuesta una
empaquetadura o estera 48, compuesta de un material fibroso
calorífugo. La estera 48 sirve para el aislamiento térmico del
cambiador de calor 38. Además impide los ruidos de tableteo que el
cambiador de calor 38 podría producir en el cono de escape 32.
El volumen de la estera calorífuga 48 está
adaptado a la sección transversal de la hendidura anular 46 de modo
que la estera 48 quede considerablemente comprimida. Así, su
permeabilidad a los gases se reduce de tal modo que constituye una
obturación contra una potencial corriente de fuga que, desde el lado
de escape del cambiador de calor 38 y a través de la hendidura
anular entre el cambiador de calor y el cono de escape 32, podría
llegar a la hendidura anular 46 y de ésta al exterior a través de
los agujeros alargados 44.
En la figura 10 se muestra un perfeccionamiento
del grupo constructivo según la invención. En éste se ha previsto,
para mejorar la hermeticidad del sistema de escape, un anillo
obturador 50 que está dispuesto entre el lado de escape del
cambiador de calor 38 y el cono de escape 32. El anillo obturador 50
se ha elegido de modo que por una parte impida toda fuga de
corriente hacia la hendidura anular 46 y a través de los agujeros
alargados 44 al exterior, y por otra parte permita además la
dilatación axial del cambiador de calor 38 y el desplazamiento
relativo con respecto al cono de escape 32 de ello resultante.
La ventaja particular del grupo constructivo
según la invención consiste por una parte en que presenta un diseño
muy sencillo y en los bajos costes de fabricación que de ello
resultan. El tubo de derivación 26 y el tubo de cambiador de calor
34 son simples trozos de tubo recto, disponibles como elementos
estándar. El codo de admisión 10 y el codo de escape 16 pueden
fabricarse económicamente por extrusión. Además son idénticos, con
lo que los gastos por pieza son bajos. Todos los detalles
constructivos que ocasionan un alto gasto de fabricación están
reunidos en un único componente, o sea en el adaptador de admisión
18. Éste garantiza por una parte la adaptación de la sección del
codo de admisión 10 a las secciones del canal de cambiador de calor
12 y del canal de derivación 14. Por otra parte, el adaptador de
admisión 18 aloja la válvula de charnela, que permite regular la
distribución de caudal entre los dos canales. El grupo constructivo
según la invención se distingue además por la colocación ventajosa
del cambiador de calor en el interior del canal de cambiador de
calor 12, lo que permite evitar las tensiones térmicas. En conjunto
se logran unos costes de fabricación bajos con un dominio óptimo de
los distintos comportamientos de dilatación térmica de los
diferentes componentes.
- 10:
- Codo de admisión
- 12:
- Canal de cambiador de calor
- 14:
- Canal de derivación
- 16:
- Codo de escape
- 18:
- Adaptador de admisión
- 20:
- Asiento de válvula
- 22:
- Válvula articulada
- 23:
- Árbol de válvula
- 24:
- Servomotor
- 26:
- Tubo de derivación
- 28:
- Adaptador de escape
- 30:
- Cono de admisión
- 32:
- Cono de escape
- 34:
- Tubo de cambiador de calor
- 36:
- Cordón de soldadura
- 38:
- Cambiador de calor
- 40:
- Cordón de soldadura
- 42:
- Racor de empalme
- 44:
- Agujero alargado
- 46:
- Hendidura anular
- 48:
- Estera calorífuga
- 50:
- Junta
Claims (22)
1. Grupo constructivo que consta de un cambiador
de calor de gases de escape y una derivación, con un codo de
admisión (10), un codo de escape (16), un canal (12) para un
cambiador de calor (38) y un canal de derivación (14), en el que el
canal de cambiador de calor (12) y el canal de derivación (14) se
extienden, conectados en paralelo, entre el codo de admisión (10) y
el codo de escape (16) y están unidos a los mismos de forma
hermética con respecto a la corriente y en el que en el interior del
canal de cambiador de calor (12) está dispuesto un cambiador de
calor (38), caracterizado porque el lado de admisión del
cambiador de calor está unido al canal de cambiador de calor (12)
de forma hermética con respecto a la corriente y el lado de escape
del cambiador de calor (38) está alojado con posibilidad de
desplazamiento en el canal de cambiador de calor (12), de modo que
es posible una dilación térmica del cambiador de calor (38) en
relación con el canal de cambiador de calor (12).
2. Grupo constructivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque entre el codo de escape (16) por una
parte y el canal de cambiador de calor (12) y el canal de derivación
(14) por otra parte, está dispuesto un adaptador de escape
(28).
3. Grupo constructivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque el adaptador de escape (28) está
compuesto de chapa de acero embutida.
4. Grupo constructivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque el adaptador de escape (28) está
soldado al codo de escape (16).
5. Grupo constructivo según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque entre el
codo de admisión (10) por una parte y el canal de cambiador de calor
(12) y el canal de derivación (14) por otra parte, está dispuesto
un adaptador de admisión (18).
6. Grupo constructivo según la reivindicación 5,
caracterizado porque el adaptador de admisión (18) es una
pieza metálica fundida.
7. Grupo constructivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque el adaptador de admisión (18) está
soldado al codo de admisión (10).
8. Grupo constructivo según una de las
reivindicaciones 5 a 7, caracterizado porque en el adaptador
de admisión (18) está instalada una válvula articulada (22) que
puede girar, presentando el adaptador de admisión (18) dos asientos
de válvula (20) con los que la válvula articulada actúa
conjuntamente y que corresponden al canal de cambiador de calor
(12) y al canal de derivación (14) respectivamente.
9. Grupo constructivo según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el canal
de cambiador de calor (12) se compone de un cono de admisión (30),
un tubo de cambiador de calor (34) y un cono de escape (32),
estando el tubo de cambiador de calor (34) unido al cono de admisión
(30) y al cono de escape (32) de forma hermética con respecto a la
corriente.
10. Grupo constructivo según la reivindicación 9,
caracterizado porque el tubo de cambiador de calor (34) está
soldado al cono de admisión (30) y al cono de escape (32).
11. Grupo constructivo según la reivindicación 9
o 10, caracterizado porque el lado de admisión del cambiador
de calor (38) está soldado al cono de admisión (30).
12. Grupo constructivo según una de las
reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque el lado de
escape del cambiador de calor (38) está alojado con posibilidad de
desplazamiento en el cono de escape (32).
13. Grupo constructivo según la reivindicación
12, caracterizado porque entre el cono de escape (32) y el
lado de escape del cambiador de calor (38) hay un juego radial de
alrededor de 0,2 mm.
14. Grupo constructivo según una de las
reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque el cambiador
de calor (38) presenta dos racores de empalme (42), presentando el
tubo de cambiador de calor (34) dos agujeros (44) a través de los
cuales se extienden los racores de empalme (42).
15. Grupo constructivo según la reivindicación
14, caracterizado porque los agujeros son agujeros alargados
(44).
16. Grupo constructivo según una de las
reivindicaciones 9 a 15, caracterizado porque entre el lado
exterior del cambiador de calor (38) y el lado interior del tubo de
cambiador de calor (34) hay una hendidura anular (46) en la que
está dispuesta una estera calorífuga (48).
17. Grupo constructivo según la reivindicación
16, caracterizado porque la estera calorífuga (48) está
compuesta de un material fibroso.
18. Grupo constructivo según la reivindicación 16
o 17, caracterizado porque la estera calorífuga (48) está
comprimida entre el tubo de cambiador de calor (34) y el cambiador
de calor (38) de modo que constituye una obturación contra una fuga
de corriente del lado de escape del cambiador de calor (38) a la
hendidura anular (46).
19. Grupo constructivo según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque entre el
lado de escape del cambiador de calor (38) y el canal de cambiador
de calor (12) está dispuesta una junta (50).
20. Grupo constructivo según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el codo de
admisión (10) y el codo de escape (16) están compuestos de chapa de
acero embutida o extrudida.
21. Grupo constructivo según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el codo de
admisión (10) y el codo de escape (16) son idénticos.
22. Grupo constructivo según una de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el canal
de derivación (14) y el canal de cambiador de calor (12) se
extienden en línea recta.
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