ES2397882B1 - Intercambiador de calor de placas apiladas. - Google Patents

Intercambiador de calor de placas apiladas. Download PDF

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Abstract

Intercambiador de calor de placas apiladas.#Intercambiador de calor (1) de placas apiladas, que comprende una pluralidad de placas apiladas (2) entre las cuales circulan el fluido a refrigerar y el fluido refrigerante entre dos circuitos independientes definidos por dichas placas (2), en capas alternadas, incluyendo el circuito del fluido a refrigerar una configuración en ?U? en la cual la entrada y salida de dicho fluido a refrigerar están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto del conjunto de placas apiladas, estando el extremo opuesto cerrado, y definiendo dichas placas (2) unos canales de ida y unos canales de retorno, y comprendiendo una brida de sujeción (5) acoplada en dicho extremo abierto. Se caracteriza por el hecho de que comprende medios de separación (7) de ambos flujos de entrada y salida del fluido a refrigerar, y estando dichos medios de separación (7) integrados en dicha brida de sujeción (5). Se obtiene una reducción o eliminación de la proporción de flujo de entrada del fluido a refrigerar que no entra en el intercambiador y se introduce directamente con el flujo de salida del fluido a refrigerar en intercambiadores de placas apiladas con configuración en ?U?.

Description

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE PLACAS APILADAS
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor de placas apiladas.
5 La invención se aplica especialmente a todo tipo de intercambiadores de calor dentro del ámbito del motor, especialmente se aplica a intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor (Exhaust Gas Recirculation Coolers o EGRC),
10 ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La configuración actual de los intercambiadores EGR en el mercado se corresponde con un intercambiador de calor metálico fabricado generalmente de acero inoxidable o aluminio.
15 Básicamente, hay dos tipos de intercambiadores de calor EGR: un primer tipo consiste en una carcasa en cuyo interior se dispone un haz de tubos para el paso de los gases, circulando el refrigerante por la carcasa, exteriormente a los tubos, y el segundo tipo 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
2 O entre dos placas, en capas alternadas, pudiendo incluir aletas para mejorar el intercambio de calor. En el bucle del sistema de recirculación existe además una válvula EGR que controla el paso de gases de escape a través del intercambiador de calor. Son conocidos algunos intercambiadores de placas apiladas en los que
2 5 cada placa incluye una pared lateral longitudinal de cierre, estando cada par de placas montadas con sus respectivas paredes laterales dispuestas en los extremos longitudinales para la separación y cierre de los circuitos de los gases y de fluido refrigerante. Asimismo, cada circuito puede ser de tipo lineal, también denominado
3 O en forma de quot;Iquot;, en el cual la entrada y salida de fluido están dispuestas en extremos opuestos; o bien puede ser en forma de quot;Uquot; en el cual la entrada y salida de fluido están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto, estando el extremo opuesto cerrado, y definiendo un paso de ida y un paso de retomo a través de los canales de las placas. En este último caso, el extremo cerrado para el retomo de
3 5 fluido suele estar constituido por un depósito cerrado.
Existen dos posibles configuraciones en quot;Uquot; en los intercambiadores EGR de placas apiladas:
a)
Configuración en quot;Uquot; vertical: el flujo de gases es dirigido a través de
la totalidad de los canales del circuito de gases de la mitad de las placas,
5
y es regresado por otros canales del circuito de gases pertenecientes al
resto de placas completamente diferentes.
b)
Configuración en quot;Uquot; horizontal: el flujo de gases es dirigido a través
de la mitad de los canales de la totalidad de placas, y es regresado por la
otra mitad de canales del circuito de gases pertenecientes a las mismas
10
placas.
La mayor parte de los componentes de los intercambiadores EGR son metálicos, de modo que están ensamblados por medios mecánicos y después soldados en horno o soldados por arco o láser para asegurar una adecuada estanqueidad
15 requerida para esta aplicación.
En algunos casos, el intercambiador EGR también puede incluir algunos componentes fabricados de plástico, los cuales pueden realizar una única o varias funciones fabricados en una única pieza.
La función principal de los intercambiadores EGR es el intercambio de
2 O calor entre los gases de escape y el fluido refrigerante, con el fin de enfriar los gases. Adicionalmente, los intercambiadores EGR tienen que satisfacer otras funciones secundarias como pueden ser el ensamblaje con el bloque motor, la conexión con el fluido refrigerante, o la conexión con el circuito de escape de gases.
En todos estos casos el proceso de fabricación requiere un elevado 2 5 número de juntas de soldadura en horno o soldadura por arco o láser, y en consecuencia resulta en una operación compleja y de elevado coste.
En intercambiadores de calor de placas apiladas, es necesario cerrar dos circuitos diferentes: fluido caliente y fluido frío. Usualmente, este tipo de intercambiadores de calor está fabricado mediante soldadura en horno.
3 O Para evitar caídas de presión elevadas, los fluidos entran directamente en el intercambiador de calor. No es posible utilizar tuberías, por lo que las soluciones típicas consisten en utilizar depósitos o accesorios para insertar el fluido dentro del intercambiador de calor.

El ensamblaje y soldadura en horno de este tipo de interfaces con las 3 5 placas apiladas puede generar problemas de calidad, es decir, fugas, por lo que es necesano que ambos circuitos de fluido refrigerante y gases estén adecuadamente cerrados para evitar posibles fugas.
Para el concepto global de eficiencia, es muy importante, en configuraciones en quot;Uquot;, que el flujo de gas caliente no se mezcle con el flujo de gas 5 frío. Por supuesto, el flujo de entrada de gas nunca debe ir directamente a través del
flujo de salida de gas.
Debido a que el mercado tiende a reducir el tamaño de los motores, y a la aplicación de los intercambiadores de calor EGR no solo en aplicaciones de alta presión (HP) sino también en los de baja presión (LP), el espacio disponible para el
1 O intercambiador y sus componentes es cada vez menor. Los entornos donde el intercambiador EGR debe ser integrado son cada vez más complicados. De este modo, es importante desarrollar intercambiadores EGR compactos provistos de partes integradas que puedan ser colocados en el espacio disponible.
15 DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objetivo del intercambiador de calor de placas apiladas de la presente invención es solventar los inconvenientes que presentan los intercambiadores conocidos en la técnica, proporcionando una reducción o eliminación de la proporción
2 O de flujo de entrada del fluido a refrigerar que no entra en el intercambiador y se introduce directamente con el flujo de salida del fluido a refrigerar en intercambiadores con configuración en quot;Uquot;.
El Intercambiador de calor de placas apiladas, objeto de la presente invención, comprende una pluralidad de placas apiladas entre las cuales circulan el 2 5 fluido a refrigerar y el fluido refrigerante entre dos circuitos independientes definidos por dichas placas, en capas alternadas, incluyendo el circuito del fluido a refrigerar una configuración en quot;Uquot; en la cual la entrada y salida de dicho fluido a refrigerar están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto del conjunto de placas apiladas, estando el extremo opuesto cerrado, y definiendo dichas placas unos canales
3 O de ida y unos canales de retomo, y comprendiendo una brida de sujeción acoplada en dicho extremo abierto, y se caracteriza por el hecho de que comprende medios de separación de ambos flujos de entrada y salida del fluido a refrigerar, y estando dichos medios de separación integrados en dicha brida de sujeción. De esta manera, los medios de separación permiten integrar la función

3 5 de cierre entre el flujo de entrada y salida del fluido a refrigerar, por lo que actúan
como una barrera separadora entre el flujo de entrada y salida del fluido a refrigerar, y además evitan en lo posible el bypass de flujo entre dicha entrada y salida. Ventajosamente, dichos medios de separación incluyen una pared a modo de barrera acoplada a la cara externa de la brida de sujeción, siendo dicha pared
5 susceptible de dividir el área de entrada y salida de fluido a refrigerar en dicho extremo abierto del conjunto de placas apiladas. Por tanto, dicha pared debe estar adaptada al diseño de las placas en cada configuración.
También ventajosamente, dicha pared separadora es susceptible de entrar en contacto directo con un obturador o solapa de una válvula EGR para el 1 O cierre de ambos flujos de entrada y salida del fluido a refrigerar a través del
intercambiador.
Por tanto, al estar dicha pared integrada en la parte externa de la brida, también realiza la función de interface entre el intercambiador y la válvula o tubería EGR,
15 Preferentemente, dicha pared puede ser una p1eza independiente acoplada a la brida o bien puede estar fabricada en una única pieza integrada con la brida. Asimismo, la configuración de la brida puede variar en función de la configuración del intercambiador EGR. De acuerdo con una realización de la invención, en la que el
2 O intercambiador es del tipo de configuración en quot;Uquot; vertical, donde el flujo de fluido a refrigerar es dirigido a través de la totalidad de los canales del circuito de fluido a refrigerar de la mitad de las placas, y es regresado por otros canales del circuito de fluido a refrigerar pertenecientes al resto de placas completamente diferentes, se caracteriza por el hecho de que la pared separadora está integrada en la brida en una
2 5 posición sensiblemente horizontal y soldada en horno a una placa intermedia destinada a separar ambos flujos de entrada y salida del fluido a refrigerar. De acuerdo con otra realización de la invención, en la que el intercambiador es del tipo de configuración en quot;Uquot; horizontal, donde el flujo de fluido a refrigerar es dirigido a través de la mitad de los canales de la totalidad de placas, y es
3 O regresado por la otra mitad de canales del circuito de fluido a refrigerar pertenecientes a las mismas placas, se caracteriza por el hecho de que la pared separadora está integrada en una posición sensiblemente vertical y soldada en horno a la placas en una posición intermedia prevista para separar ambos flujos de entrada y salida del fluido a refrigerar.

Ventajosamente, en la realización de la configuración en quot;Uquot;
horizontal, la pared separadora comprende unos alojamientos susceptibles de ser encajados en los extremos de las placas.
De este modo, esta unión por encaje permite reducir al máximo el posible bypass interno, lo cual mejora el rendimiento térmico del intercambiador. 5 Asimismo, la pared está en contacto directo con las placas para su soldadura en horno
con dichas placas, y con unas aletas o perturbadores para reducir el posible bypass. Preferentemente, el intercambiador comprende un depósito de gas acoplado en el extremo cerrado del conjunto de placas apiladas.
10 BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
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 representan dos casos prácticos de realización del
15 intercambiador de calor de placas apiladas de la invención, en los cuales: la figura 1 es una vista en perspectiva del conjunto de placas apiladas mostrando la pared separadora integrada en la brida, para un intercambiador de calor EGR de configuración en quot;Uquot; vertical, según una primera realización de la invención;
la figura 2 es una vista en perspectiva del conjunto de placas apiladas 2 O según la figura 1, mostrando el flujo de entrada y salida de gases, y el posible bypass entre dichos flujos; la figura 3 es una vista en perspectiva del intercambiador de calor montado, según la figura 1; la figura 4 es una vista frontal del intercambiador de calor montado, 2 5 según la figura 1;
la figura 5 es una vista en perspectiva del conjunto de placas apiladas mostrando la pared separadora integrada en la brida, para un intercambiador de calor EGR de configuración en quot;Uquot; horizontal, según una segunda realización de la invención;
3 O la figura 6 es una vista en perspectiva del conjunto de placas apiladas según la figura 5, mostrando el flujo de entrada y salida de gases, y el posible bypass entre dichos flujos;

la figura 7 es una vista ampliada de la pared separadora mostrando los encajes de unión con las placas, según el intercambiador de la figura 5; 3 5 la figura 8 es una vista en perspectiva del intercambiador de calor
montado, según la figura 5; y la figura 9 es una vista frontal del intercambiador de calor montado, según la figura 5.
5 DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERIDAS
Haciendo referencia a las figuras 1 a 4, el intercambiador de calor 1 EGR comprende una pluralidad de placas apiladas 2 entre las cuales circulan el gas a refrigerar y el fluido refrigerante entre dos circuitos independientes definidos por
1 O dichas placas 2, en capas alternadas. Cada placa 2 incluye una pared lateral longitudinal de cierre 3, tal como se puede apreciar en las figuras 1 y 2, estando cada par de placas 2 montadas con sus respectivas paredes laterales 3 dispuestas en los extremos longitudinales para la separación y cierre de los circuitos.
15 El intercambiador 1 también incluye una carcasa 4 prevista para alojar en su interior el conjunto de placas apiladas 2, según se puede apreciar en las figuras 3 y 4, así como una brida de sujeción 5 acoplada en dicho extremo abierto y un depósito de gas 6 en dicho extremo cerrado. Asimismo, la configuración de la brida 5 puede variar en función de la configuración del intercambiador l.
2 O En este caso, el circuito del gas a refrigerar incluye una configuración en quot;Uquot; en la cual la entrada y salida de los gases están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto del conjunto de placas apiladas 2, estando el extremo opuesto cerrado, y definiendo dichas placas unos canales de ida y unos canales de retomo. El intercambiador 1 también comprende una pared 7 a modo de
2 5 barrera para la separación de ambos flujos de entrada y salida de los gases, estando dicha pared 7 integrada en la brida de sujeción 5. Además, dicha pared 7 puede ser una pieza independiente acoplada a la brida 5 o bien puede estar fabricada en una única pieza integrada con la brida 5.
Existen dos posibilidades de configuraciones en quot;Uquot;, horizontal o 3 O vertical, en los intercambiadores EGR de placas apiladas, tal como se explicará a continuación.
Una primera realización de la invención se muestra en las figuras 1 a 4, en la que el intercambiador 1 es del tipo de configuración en quot;Uquot; vertical, es decir, el flujo de los gases es dirigido a través de la totalidad de los canales del circuito de los

3 5 gases de la mitad de las placas 2, y es regresado por otros canales del circuito de los
gases pertenecientes al resto de placas 2 completamente diferentes.
En este caso, la pared separadora 7 está integrada en la brida 5 en una posición sensiblemente horizontal y soldada en horno a una placa intermedia 2a destinada a separar ambos flujos de entrada y salida de los gases.
5 De esta manera, la pared de separación 7 permite integrar la función de cierre entre el flujo de entrada y salida de los gases, por lo que actúa como una barrera separadora entre el flujo de entrada y salida de los gases, y además evita en lo posible el bypass de flujo entre dicha entrada y salida.
En la figura 2 se ha ilustrado mediante flechas blancas el sentido del 1 O flujo de entrada y salida de los gases, y mediante una flecha negra el posible bypass entre dichos flujos.
Dicha pared separadora 7 está acoplada a la cara externa de la brida de sujeción 5, siendo dicha pared 7 susceptible de dividir el área de entrada y salida de los gases en dicho extremo abierto del conjunto de placas apiladas 2. Por tanto, dicha pared
15 7 debe estar adaptada al diseño de las placas 2 en cada configuración. Además, dicha pared separadora 7 es susceptible de entrar en contacto directo con un obturador o solapa de una válvula EGR (no representada) para el cierre de ambos flujos de entrada y salida de los gases a través del intercambiador l. Por tanto, al estar dicha pared 7 integrada en la parte externa de la
2 O brida 5, también realiza la función de interface entre el intercambiador 1 y la válvula
o tubería EGR
Una segunda realización de la invención se muestra en las figuras 5 a 9, en la que el intercambiador 1' es del tipo de configuración en quot;Uquot; horizontal, es decir, el flujo de los gases es dirigido a través de la mitad de los canales de la totalidad de
2 5 placas 2, y es regresado por la otra mitad de canales del circuito de los gases pertenecientes a las mismas placas 2. En este caso, la pared separadora 7 está integrada en una pos1c1on sensiblemente vertical y soldada en horno a la placas 2 en una posición intermedia prevista para separar ambos flujos de entrada y salida de los gases.
3 O Del mismo modo, en la figura 6 se ha ilustrado mediante flechas blancas el sentido del flujo de entrada y salida de gases, y mediante una flecha negra el posible bypass entre dichos flujos.

Además, en esta realización de la configuración en quot;Uquot; horizontal, la pared separadora 7 comprende unos alojamientos 8 susceptibles de ser encajados en 3 5 los extremos de las placas 2, tal como se puede apreciar en la figura 7.
De este modo, esta unión por encaje permite reducir al máximo el posible bypass interno, lo cual mejora el rendimiento térmico del intercambiador l. Asimismo, la pared 7 está en contacto directo con las placas 2 para su soldadura en horno con dichas placas 2, y con unas aletas o perturbadores (no representados) para
5 reducir el posible bypass.
Por otra parte, en ambas realizaciones, la carcasa 4 incluye dos depósitos laterales 4a unidos entre sí destinados a recibir el flujo lateral de entrada y salida de fluido refrigerante en el conjunto de placas apiladas 2, tal como se muestra en las figuras 3 y 8.
10 El intercambiador 1 también comprende un pozo de entrada 9 y un pozo de salida 1 O del fluido refrigerante dispuestos en laterales opuestos de la carcasa 4, tal como puede observarse en las figuras 4 y 9. Este diseño de placas 2 laterales puede permitir la conexión lateral de los pozos 9,10 del fluido refrigerante, para proporcionar al intercambiador 1 una

15 distribución del flujo de fluido refrigerante lateral, lo cual presenta muchos beneficios para integrar un intercambiador de calor EGR de placas apiladas 2 en un espacio reducido o complicado del entorno del bloque motor.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    l. Intercambiador de calor (1) de placas apiladas, que comprende una
    pluralidad de placas apiladas (2) entre las cuales circulan el fluido a refrigerar y el
    5
    fluido refrigerante entre dos circuitos independientes definidos por dichas placas (2),
    en capas alternadas, incluyendo el circuito del fluido a refrigerar una configuración
    en quot;Uquot; en la cual la entrada y salida de dicho fluido a refrigerar están dispuestas
    adyacentes en un mismo extremo abierto del conjunto de placas apiladas, estando el
    extremo opuesto cerrado, y definiendo dichas placas (2) unos canales de ida y unos
    1 O
    canales de retomo, y comprendiendo una brida de sujeción (5) acoplada en dicho
    extremo abierto, caracterizado por el hecho de que comprende medios de separación
    (7) de ambos flujos de entrada y salida del fluido a refrigerar, y estando dichos
    medios de separación (7) integrados en dicha brida de sujeción ( 5).
  2. 2. Intercambiador (1), según la reivindicación 1, en el que dichos
    15
    medios de separación incluyen una pared (7) a modo de barrera acoplada a la cara
    externa de la brida de sujeción (5), siendo dicha pared (7) susceptible de dividir el
    área de entrada y salida de fluido a refrigerar en dicho extremo abierto del conjunto
    de placas apiladas (2).
  3. 3. Intercambiador (1), según la reivindicación 2, en el que dicha pared
    2 O
    separadora (7) es susceptible de entrar en contacto directo con un obturador o solapa
    de una válvula EGR para el cierre de ambos flujos de entrada y salida del fluido a
    refrigerar a través del intercambiador (1 ).
  4. 4. Intercambiador (1), según la reivindicación 2 o 3, en el que dicha
    pared (7) es una pieza independiente acoplada a la brida (5) o bien está fabricada en
    2 5
    una única pieza integrada con la brida (5).
  5. 5. Intercambiador (1), según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a
    4, del tipo de configuración en quot;Uquot; vertical, donde el flujo de fluido a refrigerar es
    dirigido a través de la totalidad de los canales del circuito de fluido a refrigerar de la
    mitad de las placas (2), y es regresado por otros canales del circuito de fluido a
    3 O
    refrigerar pertenecientes al resto de placas (2) completamente diferentes, caracterizado
    por el hecho de que la pared separadora (7) está integrada en la brida ( 5) en una
    posición sensiblemente horizontal y soldada en horno a una placa intermedia (2a)
    destinada a separar ambos flujos de entrada y salida del fluido a refrigerar.
  6. 6. Intercambiador (1), según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a
    3 5
    4, del tipo de configuración en quot;Uquot; horizontal, donde el flujo de fluido a refrigerar es
    dirigido a través de la mitad de los canales de la totalidad de placas (2), y es regresado
    por la otra mitad de canales del circuito de fluido a refrigerar pertenecientes a las
    mismas placas (2), caracterizado por el hecho de que la pared separadora (7) está
    integrada en una posición sensiblemente vertical y soldada en horno a la placas (2) en
    5
    una posición intermedia prevista para separar ambos flujos de entrada y salida del
    fluido a refrigerar.
  7. 7. Intercambiador (1), según la reivindicación 6, en el que la pared
    separadora (7) comprende unos alojamientos (8) susceptibles de ser encajados en los
    extremos de las placas (2).
    1 O
    8. Intercambiador (1), según la reivindicación 1, que comprende un
    depósito de gas (6) acoplado en el extremo cerrado del conjunto de placas apiladas
    (2).
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