ES2333191B1 - Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor para gases, en especial
de los gases de escape de un motor.
Comprende un circuito metálico (3) destinado a
la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido
de refrigeración, dispuesto en el interior de una carcasa de
plástico (2), una placa de soporte metálica (8) acoplada a al menos
uno de los extremos de dicho circuito (3), un reborde metálico (10)
unido a dicha placa de soporte metálica (8) y acoplado en contacto
directo con la carcasa de plástico (2).
Se caracteriza por el hecho de que incluye
medios de aislamiento térmico (12) de dicho al menos uno de los
extremos de dicho circuito (3) al cual está fijada la placa de
soporte metálica (8). Se consigue disminuir el nivel de temperatura
en al menos uno de los extremos del circuito garantizando así la
durabilidad del intercambiador, permitiendo además aumentar el rango
de materiales plásticos a usar para la carcasa.
Description
Intercambiador de calor para gases, en especial
de los gases de escape de un motor.
La presente invención se refiere a un
intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de
escape de un motor.
La invención se aplica especialmente en
intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor
(EGRC).
Una práctica bien establecida en el campo de la
automoción consiste en proporcionar un sistema de recirculación de
los gases de escape de un motor diesel o de un motor de combustión
interna, que se conoce como EGR o "Exhaust Gas Recycling", a
fin de mezclar estos gases con el aire de admisión, puesto que la
presencia de los gases de escape en la mezcla disminuye la
producción de óxidos de nitrógeno (NOx).
Antes de ser mezclados con el aire de admisión,
los gases de escape pueden ser enfriados en un intercambiador de
calor (EGRC o "Exhaust Gas Recycling Cooler") instalado en el
bucle del sistema EGR, al objeto de mejorar la eficiencia del
sistema.
En el bucle del sistema existe además una
válvula (válvula EGR) que controla el paso de gases de escape a
través del mismo.
El intercambiador de calor propiamente dicho
puede tener distintas configuraciones: por ejemplo, puede consistir
en una carcasa tubular en cuyo interior se disponen una serie de
tubos paralelos para el paso de los gases, circulando el
refrigerante por la carcasa, exteriormente a los tubos; en otra
realización, el intercambiador consta de una serie de placas
paralelas que constituyen las superficies de intercambio de calor,
de manera que los gases de escape y el refrigerante circulan entre
dos placas, en capas alternadas.
La carcasa está unida a los conductos de la
línea de recirculación mediante unos medios de conexión que pueden
consistir en una conexión en V o bien en un reborde periférico de
conexión o brida, dependiendo del diseño de la línea de
recirculación donde está ensamblado el intercambiador.
En el caso en que se utilice un reborde
periférico de conexión o brida, son posibles dos diseños diferentes.
El reborde periférico puede estar ensamblado junto con un depósito
de gas, de manera que el depósito de gas es una pieza intermedia
entre la carcasa y el reborde. Además, el reborde también puede
estar ensamblado directamente a la carcasa. Este último diseño
corresponde frecuentemente a los casos donde el intercambiador está
unido directamente a una válvula EGR.
En algunas aplicaciones de circuitos EGR, es
necesario enfriar la válvula EGR. En este caso, el diseño más usual
incluye un conducto by-pass que conduce el fluido de
refrigeración, que circula a través del intercambiador EGR, hacia o
desde la válvula EGR. En el caso en que el intercambiador EGR está
ensamblado al circuito EGR a través de un reborde periférico, el
conducto by-pass del fluido de refrigeración debe
ser fabricado a través de dicho reborde periférico. Según otra
realización, el conducto by-pass es externo y
conecta la carcasa con la válvula.
Asimismo, el circuito de gases puede ser de tipo
lineal en el cual la entrada y salida de gases están dispuestas en
extremos opuestos; o bien puede ser en forma de "U" en el cual
la entrada y salida de gases están dispuestas adyacentes en un
mismo extremo abierto, estando el extremo opuesto cerrado, y
definiendo un paso de ida y un paso de retorno. En este último
caso, el extremo cerrado para el retorno de los gases suele estar
constituido por un depósito de gas cerrado.
Usualmente, los intercambiadores de calor EGR
son metálicos, generalmente fabricados de acero inoxidable o
aluminio. Tanto los intercambiadores de haz de conductos como los de
placas apiladas, presentan todos sus componentes metálicos, de modo
que están ensamblados mediante medios mecánicos y luego soldados en
horno o soldados por arco o con láser para asegurar un nivel de
estanqueidad requerido para esta aplicación.
Una acción para reducir el coste del
intercambiador de calor EGR es sustituir la carcasa de acero
inoxidable por otro material, tanto si este material tiene un coste
bajo como si permite integrar otras funciones, tales como la
integración de los conductos del fluido de refrigeración o de los
soportes de sujeción a una superficie del entorno motor donde será
fijado el intercambiador.
Son conocidos intercambiadores de calor de haz
de conductos que comprenden una carcasa de material plástico. Las
carcasas de plástico tienen la ventaja de que se reduce el coste del
producto final ya que permite integrar los conductos del circuito
del fluido de refrigeración y los soportes de fijación a una
superficie del entorno motor.
Son conocidas patentes referentes a
intercambiadores EGR con carcasa de plástico que describen la unión
entre las partes metálicas y de plástico, asegurando una
estanqueidad del fluido de refrigeración para evitar cualquier
fuga.
Uno de los principales puntos de este desarrollo
es la máxima temperatura que el plástico debe resistir. Este tipo
de intercambiadores suele comprender un reborde metálico unido a la
placa de soporte, y en contacto directo con la carcasa de plástico,
pudiendo estar la válvula EGR o by-pass directamente
ensamblada a este reborde o a través de un cuerpo de conexión
intermedio. En consecuencia, la temperatura elevada puede ser
transferida desde las paredes de la válvula o del cuerpo de
conexión intermedio al reborde y por tanto al plástico. Esto
implica usar un material plástico para la carcasa que resista una
alta temperatura, por lo que se limita el rango de plásticos a usar
y también implica un aumento considerable del coste.
Para proporcionar una estanqueidad del flujo de
gas entre la válvula y el intercambiador se coloca una junta de
estanqueidad entre el reborde metálico y la válvula o el cuerpo de
conexión intermedio. Esta junta es generalmente metálica, por
ejemplo de acero, para aplicaciones EGRC. Dicha junta metálica
también presenta una alta conductividad de calor, por lo que el
calor transferido desde el material en contacto con el gas no
disminuye.
El objetivo del intercambiador de calor para
gases, en especial de los gases de escape de un motor de la presente
invención es solventar los inconvenientes que presentan los
intercambiadores conocidos en la técnica, proporcionando unos
medios de aislamiento térmico que permiten disminuir el nivel de
temperatura en al menos uno de los extremos del circuito al cual
está fijada la placa de soporte metálica, garantizando así la
durabilidad del intercambiador.
El intercambiador de calor para gases, en
especial de los gases de escape de un motor, objeto de la presente
invención, es del tipo que comprende un circuito metálico destinado
a la circulación de los gases con intercambio de calor con un
fluido de refrigeración, dispuesto en el interior de una carcasa de
plástico, una placa de soporte metálica acoplada a al menos uno de
los extremos de dicho circuito, un reborde metálico unido a dicha
placa de soporte metálica y acoplado en contacto directo con la
carcasa de plástico, y se caracteriza por el hecho de que incluye
medios de aislamiento térmico de dicho al menos uno de los extremos
de dicho circuito al cual está fijada la placa de soporte
metálica.
De este modo, los medios de aislamiento térmico
de la invención permiten disminuir el nivel de temperatura,
garantizando así la durabilidad del intercambiador EGR, y, lo que es
más importante, permite aumentar el rango de materiales plásticos a
usar para la carcasa. Asimismo, el coste de producción se ve
reducido.
Según una realización de la invención, una
válvula EGR o by-pass está ensamblada directamente a
dicho reborde metálico o a través de un cuerpo de conexión
intermedio.
Dicho cuerpo de conexión intermedio es un
componente opcional y puede presentar diferentes configuraciones en
función del entorno motor.
Preferentemente, los medios de aislamiento
térmico consisten en una junta de estanqueidad dispuesta entre
dicho reborde metálico y dicha válvula o dicho cuerpo de conexión
intermedio.
Ventajosamente, la junta de estanqueidad está
fabricada de un material aislante térmico, disminuyendo así la
transferencia de calor desde la válvula o el cuerpo de conexión
intermedio hasta la carcasa de plástico.
Preferiblemente, la junta de estanqueidad está
fabricada de mica. Este material es capaz de resistir una alta
temperatura.
Ventajosamente, la junta de estanqueidad es
susceptible de resistir una alta temperatura de hasta 950ºC
aproximadamente, permitiendo disminuir notablemente la temperatura
en contacto con la carcasa de plástico.
Los beneficios de usar este tipo de juntas han
sido evaluadas mediante testeos y simulaciones.
Con el fin de facilitar la descripción de cuanto
se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que,
esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se
representa un caso práctico de realización del intercambiador de
calor para gases de la invención, en los cuales:
la figura 1 es una vista en perspectiva y en
explosión de un intercambiador de calor para gases de la invención;
y
la figura 2 es una vista en alzado de la junta
de estanqueidad de material aislante térmico de la invención.
Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, el
intercambiador de calor 1 está constituido por una carcasa de
plástico 2 que contiene en su interior un haz de conductos paralelos
3, destinados al paso de los gases a enfriar. Dentro de la carcasa
2, exteriormente a los conductos 3, circula un fluido de
refrigeración, desde una entrada 4 a una salida 5.
En este ejemplo, la carcasa 2 es de sección
sensiblemente rectangular y se encuentra cerrada por uno de sus
extremos, para alojar en su interior el haz de conductos 3 que, en
este caso es del tipo en forma de "U", es decir la entrada 6 y
salida 7 de dichos conductos 3 están dispuestas en un mismo lado en
el extremo abierto de la carcasa 2, y definiendo un paso de ida y
un paso de retorno de los gases a enfriar.
El haz de conductos 3 está fijado por su extremo
libre a una placa de soporte metálica 8, la cual presenta una
pluralidad de orificios para la colocación de los respectivos
conductos 3, y por su extremo cerrado a un depósito de gas metálico
9.
Dicha placa de soporte 8 está unida a un reborde
metálico 10, el cual está acoplado en contacto directo con el
extremo abierto de la carcasa de plástico 2 mediante medios de
tornillería y una junta de plástico 11 para garantizar la
estanqueidad del fluido de refrigeración.
También se prevé la colocación de una válvula
EGR o by-pass (no representada) ensamblada a dicho
reborde metálico 10.
Además, para proporcionar una estanqueidad del
flujo de gas entre la válvula y el intercambiador 1 se prevé una
junta de estanqueidad 12 dispuesta entre el reborde metálico 10 y la
válvula.
Dicha junta de estanqueidad 12 está fabricada de
un material aislante térmico, preferentemente mica, disminuyendo
así la transferencia de calor desde la válvula a la carcasa de
plástico 2. Asimismo, dicha junta de estanqueidad 12 presenta una
forma coincidente con la forma del reborde 10, tal como puede
apreciarse en la figura 2.
La junta de estanqueidad 12 es susceptible de
resistir una alta temperatura de hasta 950ºC aproximadamente,
permitiendo disminuir la temperatura en contacto con la carcasa de
plástico 2 hasta alrededor de 50ºC.
Aunque en este ejemplo se ha descrito un
intercambiador de haz de tubos paralelos, la invención también puede
aplicarse a intercambiadores de placas apiladas. Asimismo, en ambos
casos, el circuito de gases puede ser del tipo en forma de "U"
(la entrada y salida de gases dispuestas en un mismo extremo) o bien
puede ser de tipo lineal (la entrada y salida de gases dispuestas
en extremos opuestos).
Claims (6)
1. Intercambiador de calor (1) para gases, que
comprende un circuito metálico (3) destinado a la circulación de
los gases con intercambio de calor con un fluido de refrigeración,
dispuesto en el interior de una carcasa de plástico (2), una placa
de soporte metálica (8) acoplada a al menos uno de los extremos de
dicho circuito (3), un reborde metálico (10) unido a dicha placa de
soporte metálica (8) y acoplado en contacto directo con la carcasa
de plástico (2), caracterizado por el hecho de que incluye
medios de aislamiento térmico (12) de dicho al menos uno de los
extremos de dicho circuito (3) al cual está fijada la placa de
soporte metálica (8).
2. Intercambiador (1), según la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que una válvula EGR o
by-pass está ensamblada directamente a dicho
reborde metálico (10) o a través de un cuerpo de conexión
intermedio.
3. Intercambiador (1), según la reivindicación 1
o 2, caracterizado por el hecho de que los medios de
aislamiento térmico consisten en una junta de estanqueidad (12)
dispuesta entre dicho reborde metálico (10) y dicha válvula o dicho
cuerpo de conexión intermedio.
4. Intercambiador (1), según la reivindicación
3, caracterizado por el hecho de que la junta de estanqueidad
(12) está fabricada de un material aislante térmico, disminuyendo
así la transferencia de calor desde la válvula o el cuerpo de
conexión intermedio hasta la carcasa de plástico (2).
5. Intercambiador (1), según la reivindicación
4, caracterizado por el hecho de que la junta de estanqueidad
(12) está fabricada de mica.
6. Intercambiador (1), según cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 5, caracterizado por el hecho de que la
junta de estanqueidad (12) es susceptible de resistir una alta
temperatura de hasta 950ºC aproximadamente, permitiendo disminuir
notablemente la temperatura en contacto con la carcasa de plástico
(2).
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