ES2310242T3 - Intercambiador de calor. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor para vehículos motorizados, que comprende: - una pluralidad de conductos termoconductores (3) para el paso de un primer medio (1), y - al menos un revestimiento (4) de una espuma metálica de conducción térmica (4) conectada al conducto (3) con un lado externo del conducto (3) para el paso de un segundo medio (2) que rodea el conducto (3), en el que el número de poros por pulgada (ppi) de la espuma metálica (4) está comprendido entre 20 y 50, caracterizado porque cada revestimiento (4) cubre un único conducto (3), y porque el grosor de la espuma metálica (4) está comprendido entre 2 y 8 milímetros.
Description
Intercambiador de calor.
La invención se refiere a un intercambiador de
calor para vehículos motorizados que comprende una pluralidad de
conductos termoconductores para el paso de un primer medio, al menos
un revestimiento de una espuma metálica de conducción térmica
conectado a un lado externo del conducto para el paso de un segundo
medio que rodea el conducto, en el que el número de poros por
pulgada (ppi, pores per inch) de la espuma metálica está
comprendido entre 20 y 50. La invención también se refiere a un
vehículo motorizado dotado de un intercambiador de calor de este
tipo. La invención se refiere además a un procedimiento para aplicar
un intercambiador de calor dispuesto en un vehículo motorizado. Un
intercambiador de calor de este tipo se conoce por el documento
US-A-6.142.222.
Con el fin de obtener la mayor transferencia de
calor posible entre los dos medios se conoce el proporcionar
conductos sobre un lado exterior con aletas alrededor de las cuales
fluye el segundo medio (intercambiadores de calor con tubos de
aletas). Tales intercambiadores de calor se aplican a gran escala en
aplicaciones industriales, automovilísticas y domésticas. Una
característica de estas construcciones es que el flujo alrededor de
estas aletas es laminar y que las dimensiones de estas aletas y la
distancia mutua entre las aletas es mucho mayor que el grosor de la
capa límite en el segundo medio. Se sabe que el grosor de la capa
límite aumenta en la dirección del flujo, en la que este flujo se
vuelve turbulento en un punto determinado (número de Reynolds >
300.000). Por ejemplo, en el caso de aire a presión atmosférica y
velocidades del flujo de gas del orden de, por ejemplo, 10 m/s, se
requiere para este caso una distancia de aproximadamente 0,5 metros.
Con un conducto para un primer medio con un diámetro y una longitud
de aleta menores que su longitud periférica, el flujo es laminar,
en donde la capa límite en el segundo medio tiene un grosor del
orden de 0,1 a 0,4 mm. Se sabe que la parte del segundo medio
exterior a esta capa límite no tiene interacción con el conducto o
con las aletas alrededor de las cuales se genera flujo, y por lo
tanto no contribuye en la transferencia de calor. Esto da como
resultado una limitación fundamental de la cantidad de calor que
puede transferirse con un flujo laminar alrededor de un conducto o
a lo largo de una aleta.
Además de los intercambiadores de calor
mencionados anteriormente, los intercambiadores de calor
correspondientes al tipo mencionado en el preámbulo también son
conocidos en la técnica anterior. Un intercambiador de calor de
este tipo se describe en la patente francesa FR 2 414 081 (UOP
Inc.), en el que la estructura porosa está formada por una espuma
de grafito. Una estructura tridimensional porosa de este tipo puede
entenderse como una rejilla cúbica o hexagonal, en la que los nodos
están conectados entre sí con hilos de conducción térmica. Debido
al gran número de hilos en una estructura de este tipo, el área
total de intercambio de calor aumenta por lo general de una manera
bastante considerable. Sin embargo, el intercambiador de calor
conocido por la patente UOP tiene varios inconvenientes. Un
inconveniente significativo del intercambiador de calor conocido es
que el calor se transfiere de una manera relativamente ineficaz
desde el primer medio al segundo medio (y viceversa). Debido al
tamaño relativamente pequeño de los poros una parte sustancial del
segundo medio fluirá a lo largo del revestimiento en lugar de a
través del revestimiento, lo que, por lo general, reduce
considerablemente la transferencia de calor. Particularmente, en
caso de bajas velocidades de flujo del segundo medio (hasta
aproximadamente 20 m/s, como es generalmente el caso en vehículos
motorizados) la eficacia de la transferencia de calor será
sustancialmente comparable a la eficacia de la transferencia de
calor en aletas convencionales tal como se ha expuesto
anteriormente.
La invención tiene como objeto proporcionar un
intercambiador de calor mejorado para vehículos motorizados con el
que pueda obtenerse una refrigeración más eficaz del motor.
Para este propósito, la invención proporciona un
intercambiador de calor del tipo mencionado en el preámbulo, con la
característica de que cada revestimiento cubre un único conducto y
el grosor del revestimiento está comprendido entre 2 y 8
milímetros. El número de poros por pulgada está comprendido más
preferentemente entre 25 y 30 ppi. El número de poros por pulgada
se reduce considerablemente en comparación a la técnica anterior,
lo que da como resultado un mejor flujo a través del revestimiento
y, por lo tanto, una transferencia de calor más eficaz entre el
primer medio y el segundo medio. Puesto que los intercambiadores de
calor incorporados en vehículos motorizados están sometidos a
flujos de gas que entran libremente con velocidades de flujo
relativamente bajas (hasta aproximadamente 20 metros por segundo)
un espesor óptimo de capa límite alrededor del circuito está
comprendido entre aproximadamente 0,4 y 0,5 milímetros. Normalmente,
si el diámetro de los poros es superior al doble del grosor de la
capa límite, la interacción entre el segundo medio y la espuma
metálica no aumentará adicionalmente. Por lo tanto, el diámetro de
los poros está limitado preferentemente a 1,0 milímetro, lo que
corresponde aproximadamente a 25 ppi y, preferentemente, el diámetro
de los poros no se hace inferior a 0,8 milímetros, lo que
corresponde aproximadamente a 30 ppi. En caso de que el número de
poros por pulgada sea inferior a 20, o al menos 25, el
intercambiador de calor puede compararse entonces con una estructura
de aletas convencional. Por encima de 50 ppi, como en la patente
UOP, aumenta la resistencia al flujo de manera que, como se ha
expuesto, una parte sustancial del segundo medio fluirá alrededor de
la espuma metálica en lugar de a través de la espuma metálica.
Aplicando un revestimiento con un grosor de entre 2 y 8 milímetros
aproximadamente, puede obtenerse una configuración óptima del
intercambiador de calor, en el que la espuma metálica está formada
por una pluralidad de capas porosas superpuestas.
La estructura de conducción térmica está formada
preferentemente por una espuma metálica. Una espuma metálica tiene
la ventaja de ser un conductor térmico excepcional, por lo que el
intercambio de calor entre el primer medio y el segundo medio puede
maximizarse. En una realización preferida particular, la espuma
metálica está fabricada a partir de al menos uno de los siguientes
metales: cobre, níquel y aluminio. Además, es posible prever la
fabricación de la espuma metálica a partir de una aleación.
Preferentemente, el revestimiento está dotado de un metal
resistente a la corrosión o de un óxido metálico con el fin de
aumentar la durabilidad del intercambiador de calor evitando o al
menos contrarrestando el deterioro del intercambiador de calor.
En una realización preferida, el grosor de los
hilos de la espuma metálica está comprendido al menos entre 15 y 90
micrómetros, en particular entre 20 y 70 micrómetros, más en
particular entre 30 y 60 micrómetros. Un grosor de hilo de este
tipo puede aumentar adicionalmente la eficacia de la transferencia
de calor entre el primer medio y el segundo medio.
En otra realización preferida, el diámetro
externo hidráulico del conducto asciende hasta un máximo de 10
milímetros. Puesto que sólo se hace mención al diámetro hidráulico,
el conducto puede adoptar muchas formas geométricas diferentes. Por
tanto, conductos a modo de aleta o conductos formados de otra manera
son posibles además de los conductos cilíndricos, en los que el
diámetro hidráulico no supera el límite de 10 milímetros.
Preferentemente, un lado del revestimiento
dirigido hacia el conducto establece un contacto térmico al menos
sustancialmente completo con el conducto. Por tanto, puede
optimizarse la transferencia de calor entre el conducto y la espuma
metálica, o entre el primer medio y el segundo medio.
En una realización preferida, el revestimiento
está conectado al conducto a través de medios de conducción
térmica. Los medios de conducción térmica pueden tener una
naturaleza muy diversa. Por ejemplo, los medios de conducción
térmica pueden estar formados por una cola de conducción térmica,
por pasta (de soldadura), por una capa metálica de conducción
térmica, etc. Los medios de conducción térmica pueden estar
dispuestos de varias maneras, por ejemplo mediante deposición de
vapor o mediante un proceso de deposición galvánica.
En otra realización preferida, el revestimiento
está construido a partir de al menos una tira de material dispuesta
de manera helicoidal alrededor del conducto. Por tanto, es
suficiente con el uso de tiras metálicas relativamente estrechas
que puedan disponerse alrededor del conducto de una manera
relativamente sencilla.
El intercambiador de calor comprende una
pluralidad de conductos acoplados entre sí con el fin de aumentar
la transferencia de calor total. En una realización preferida
particular, los conductos están situados a una distancia entre sí,
en donde los elementos de guiado están colocados entre los conductos
para guiar el segundo medio hacia el revestimiento. En este caso,
el elemento de guiado puede tener una gran variedad de diseños.
La invención también se refiere a un vehículo
motorizado dotado de un intercambiador de calor de este tipo.
La invención también se refiere a un
procedimiento para aplicar un intercambiador de calor de este tipo
dispuesto en un vehículo motorizado, que comprende las etapas de:
A) transportar un primer medio relativamente cálido a través de los
conductos, y B) transportar un flujo de gas relativamente frío, en
particular un flujo de aire, a una velocidad de flujo comprendida
entre 0 y 20 metros por segundo a través del revestimiento con el
fin de enfriar el primer medio.
La invención se hará más evidente con referencia
a las realizaciones no limitativas mostradas en las siguientes
figuras, en las que:
la fig. 1 muestra esquemáticamente un conducto
de un intercambiador de calor según la invención que esté cubierto
con una tira de espuma metálica;
las figs. 2a y 2b muestran respectivamente la
capa límite en el segundo medio sobre un conducto de un
intercambiador de calor convencional y sobre un conducto de un
intercambiador de calor según la invención;
la fig. 3 muestra un desarrollo adicional del
intercambiador de calor según la invención; y
la fig. 4 muestra una comparación gráfica de
la transferencia de de calor entre una estructura de aletas
convencional y un intercambiador de calor según la invención.
La figura 1 muestra como ejemplo una parte de un
conducto 3 a través del cual fluye un primer medio 1, tal como
agua. El conducto 3, alrededor del cual fluye un segundo medio 2 tal
como aire, está cubierto por una estructura 4 tridimensional de
conducción térmica, tal como una espuma metálica conocida per
se. En este caso, la espuma metálica toma la forma de una tira
8 que se envuelve de manera helicoidal alrededor del conducto. La
conexión de la espuma metálica al conducto puede realizarse a través
de medios conocidos en este campo, como por ejemplo mediante cola
de conducción térmica, una pasta de conducción térmica, un proceso
de soldadura o mediante deposición de vapor de una capa metálica
adhesiva y termoconductora o mediante un proceso de deposición
galvánica. Lo que es importante en este caso es que se cree un buen
contacto térmico entre la estructura tridimensional y la pared del
conducto. Preferentemente, se usa un compuesto metálico
termoconductor, preferentemente sobre una base de níquel, cobre o
aluminio. Dependiendo de la aplicación, también puede aplicarse al
revestimiento 4 un metal resistente a la corrosión o una capa de
óxido metálico. La espuma metálica consta de un material
termoconductor, preferentemente de níquel, cobre o aluminio o
aleaciones de los mismos. La espuma metálica puede constar
opcionalmente de combinaciones en capas de los materiales
mencionados anteriormente. La espuma metálica tiene un volumen de
porosidad superior o igual al 90%. El ppi (poros por pulgada) de la
espuma metálica está comprendido entre 20 y 63, y es
preferentemente 35. La figura 2a muestra la capa límite en un
intercambiador de calor convencional. La capa límite laminar está
designada de manera esquemática en este caso con la línea 9
discontinua. Esta capa límite tiene un grosor de 0,1
a 0,4 mm.
a 0,4 mm.
En la figura 2b, la capa límite virtual se
muestra de manera esquemática mediante la línea 10 discontinua,
línea 10 que coincide prácticamente con la periferia exterior de la
estructura 4 tridimensional. Por tanto, el grosor de esta capa
límite virtual puede variar variando el grosor del revestimiento. En
este caso, el factor restrictivo es la conducción térmica en y a
través de la estructura del revestimiento. Con un correcto
dimensionamiento de la estructura (ppi, tipo y cantidad de metal) es
posible un aumento en la transferencia de calor en un factor de 5 a
10 con un flujo laminar alrededor de los conductos. Puesto que las
dimensiones de las aberturas en la estructura tridimensional son
del mismo orden de magnitud que la capa límite, el espacio ocupado
por esta estructura se utiliza de manera óptima para la
transferencia de calor, por lo que el diámetro de los conductos
cubiertos es menor que el espacio que, en la misma transferencia de
calor, está ocupado con el uso de aletas. Por tanto, se obtiene un
ahorro de espacio del 25 al 50% con respecto a los intercambiadores
de calor convencionales. La siguiente tabla muestra un ejemplo del
aumento en la transferencia de calor desde un único tubo de
aluminio de pared delgada (300 x 7 mm), a través del cual fluye agua
(F), hasta un flujo de aire cuando este tubo está cubierto por una
capa de 2 mm de grosor de espuma de cobre con un volumen de
porosidad del 96% y una estructura de 35 ppi.
\vskip1.000000\baselineskip
La tabla muestra que, a la misma velocidad (v)
del aire, en el caso de un tubo cubierto por una espuma metálica
según la invención se obtiene una mejora sustancial en la
transferencia de calor (G tot) desde el primer medio (agua) al
segundo medio (aire).
La figura 3 muestra una construcción típica de
una pluralidad de conductos 3 paralelos que están cubiertos según
la invención y dispuestos entre dos colectores 3a y 3b para el
primer medio tal como agua. Puesto que estos conductos 3 ocupan
menos espacio, es eficiente colocar entre los conductos 3 elementos
de guiado 7 que guíen el segundo medio tal como aire a lo largo del
revestimiento metálico poroso.
La figura 4 muestra una comparación gráfica de
la transferencia de calor (G) entre una estructura de aletas
convencional (línea a) y un intercambiador de calor según la
invención (línea b) a diferentes velocidades de flujo de gas
(v-gas) como segundo medio que fluye a lo largo o a
través de los intercambiadores de calor. La estructura de aletas
convencional está construida a partir de un conducto cilíndrico con
un diámetro externo de 7 milímetros y una longitud de 1 metro. En
este caso, el conducto está dotado de 870 aletas de 18,5 x 11.5
milímetros según los intercambiadores de calor aplicados en los
vehículos existentes (en particular de la marca Volkswagen). El
intercambiador de calor según la invención está construido en esta
realización a partir del mismo tubo cilíndrico con un diámetro
externo de 7 milímetros y una longitud de 1 metro. Alrededor del
tubo está dispuesto un revestimiento de espuma de cobre con un
grosor de 5 milímetros y una densidad de 2 kg/m^{2}. En este
caso, la espuma de cobre tiene un ppi de aproximadamente 35. La
velocidad del flujo de gas en el gráfico mostrado es la velocidad
de flujo a lo largo de las aletas y a través de la espuma de cobre
y no es la velocidad de entrada libre del gas. La dirección de
desplazamiento del gas es, en este caso, al menos sustancialmente
perpendicular a la dirección de desplazamiento de un líquido (de
refrigeración) a través de los conductos. La representación gráfica
muestra claramente que la transferencia de calor del intercambiador
de calor según la invención es significativamente superior a la
transferencia de calor de la estructura de aletas convencional. La
representación gráfica se centra particularmente en velocidades
relativamente bajas del flujo de gas debido a la aplicación
prevista del intercambiador de calor en los vehículos. Precisamente,
a esas velocidades relativamente bajas del flujo de gas, un motor
de un vehículo puede refrigerarse mucho mejor y de una manera más
eficaz mediante el intercambiador de calor según la invención que
mediante la estructura de aletas convencional. La línea b tiene un
valor óptimo a una velocidad de flujo de gas comprendida entre 1 y
2 m/s, por lo que un vehículo que se desplaza muy lentamente, a
diferencia de la técnica anterior, puede refrigerarse de una manera
relativamente eficaz mediante el intercambiador de calor según la
invención. Hasta ahora, la refrigeración eficaz y sencilla de un
motor de un vehículo que se desplaza muy lentamente se ha
considerado generalmente como un (gran) problema.
Será evidente que la invención no está limitada
a las realizaciones mostradas y descritas en este documento, sino
que, dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas, es posible
un gran número de variantes que serán evidentes para un experto en
la materia en este campo.
Claims (12)
1. Intercambiador de calor para vehículos
motorizados, que comprende:
- -
- una pluralidad de conductos termoconductores (3) para el paso de un primer medio (1), y
- -
- al menos un revestimiento (4) de una espuma metálica de conducción térmica (4) conectada al conducto (3) con un lado externo del conducto (3) para el paso de un segundo medio (2) que rodea el conducto (3), en el que el número de poros por pulgada (ppi) de la espuma metálica (4) está comprendido entre 20 y 50, caracterizado porque cada revestimiento (4) cubre un único conducto (3), y porque el grosor de la espuma metálica (4) está comprendido entre 2 y 8 milímetros.
2. Intercambiador de calor según la
reivindicación 1, caracterizado porque la espuma metálica
está fabricada a partir de al menos uno de los siguientes metales:
cobre, níquel y aluminio.
3. Intercambiador de calor según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
revestimiento está dotado de un metal resistente a la
corrosión.
4. Intercambiador de calor según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
grosor de los hilos de la espuma metálica (4) está comprendido
entre 15 y 90 micrómetros.
5. Intercambiador de calor según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
diámetro hidráulico de los conductos (3) asciende hasta un máximo
de 10 milímetros.
6. Intercambiador de calor según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un
lado del revestimiento dirigido hacia los conductos (3) establece
un contacto térmico al menos sustancialmente completo con los
conductos (3).
7. Intercambiador de calor según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
revestimiento está conectado a los conductos (3) a través de medios
de conducción térmica.
8. Intercambiador de calor según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
revestimiento está construido a partir de al menos una tira de
material (8) dispuesta de manera helicoidal alrededor de los
conductos (3).
9. Intercambiador de calor según cualquiera de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
intercambiador comprende una pluralidad de conductos (3) acoplados
entre sí.
10. Intercambiador de calor según la
reivindicación 9, caracterizado porque los conductos (3)
están situados a una distancia entre sí, en el que elementos de
guiado (7) están colocados entre los conductos (3) para guiar el
segundo medio (2) hacia el revestimiento.
11. Vehículo motorizado dotado de un
intercambiador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a
10.
12. Procedimiento para aplicar un
intercambiador de calor según cualquiera de las reivindicaciones 1 a
10 dispuesto en un vehículo motorizado, comprendiendo el
procedimiento las etapas de:
- A)
- transportar un primer medio (1) relativamente cálido a través de los conductos (3), y
- B)
- transportar un flujo (2) de gas relativamente frío, en particular un flujo de aire, a una velocidad de flujo comprendida entre 0 y 20 metros por segundo a través de los revestimientos con el fin de enfriar el primer medio (1).
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