ES2454416T3 - Intercambiador de calor especialmente para vehículo automóvil - Google Patents

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Abstract

Intercambiador de calor entre un primer fluido a temperatura elevada y un segundo fluido, de tipo líquido, comprendiendo el citado intercambiador: - un haz (3) de intercambio de calor que define, por una parte, primeros canales (13 de circulación del primer fluido y segundos canales (15) de circulación del segundo fluido, para un intercambio de calor entre los primero y segundo fluidos, y - una carcasa de distribución de entrada (7) del primer fluido, comprendiendo el citado intercambiador además un medio de estrangulamiento (17) para acelerar el flujo del segundo fluido en los citados segundos canales (15), estando dispuesto el citado medio de estrangulamiento (17) en la proximidad de la citada carcasa de entrada (7) del primer fluido y caracterizado por que el medio de estrangulamiento (17) presenta sensiblemente una forma general de peine que presenta una pluralidad de brazos (25) que atraviesan el citado haz (3).

Description

Intercambiador de calor especialmente para vehículo automóvil
La invención concierne a un intercambiador de calor especialmente para vehículo automóvil de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Un intercambiador de este tipo es conocido por ejemplo por los documentos WO 01/87477 y EP 0 396 868.
Un ámbito de aplicación preferente de la invención es el de los motores sobrealimentados, para vehículo automóvil, que utilizan un intercambiador de calor denominado « refrigerador de aire de sobrealimentación » para refrigerar el aire de sobrealimentación.
En efecto, los motores térmicos sobrealimentados o turbocomprimidos, en particular los motores diesel, son alimentados por un aire a presión denominado « aire de sobrealimentación » que proviene de un compresor o de un turbocompresor. A consecuencia de su compresión, este aire se encuentra a una temperatura demasiado elevada y es deseable para un buen funcionamiento del motor refrigerarle antes de su admisión en el motor.
Para esto se utiliza de manera clásica un refrigerador de aire de sobrealimentación. Este refrigerador tiene la función de refrigerar el aire de sobrealimentación por intercambio térmico con otro fluido como el aire exterior o como un líquido de refrigeración como el agua glicolada.
Se conocen varias estructuras para tales intercambiadores o refrigeradores. Especialmente, se conoce un intercambiador de calor que comprende u haz de intercambio de calor montado en el interior de una carcasa. El haz de intercambio de calor comprende por ejemplo un apilamiento de placas paralelas o de tubos dispuestos paralelamente para transportar el primer fluido mientras que un segundo fluido fluye entre los tubos. El cárter que recibe este haz de intercambio de calor está generalmente abierto en sus dos extremidades para ser unido a carcasas de distribución de fluido: una carcasa de entrada y una carcasa de salida.
Sin embargo, en el tipo de intercambiador líquido / aire, cuando el líquido de refrigeración llega al nivel de la carcasa de entrada del aire de sobrealimentación a temperatura elevada, se corre un riesgo de cavitación del líquido.
En ciertas franjas de funcionamiento, se corre un riesgo de que aparezcan fenómenos de cavitación cuando el líquido experimenta una elevación de temperatura. Este fenómeno puede generar deterioros del intercambiador y en particular en la proximidad de la carcasa de entrada de aire.
La invención tiene por objetivo reducir estos fenómenos de cavitación y así impedir un deterioro precoz del intercambiador.
A tal efecto, la invención tiene por objeto un intercambiador de calor de acuerdo con la reivindicación 1.
Este medio de estrangulamiento permite acelerar el flujo del segundo fluido a nivel de la entrada del primer fluido más caliente. Se reducen así los riesgos de cavitación del segundo líquido por elevación de su temperatura.
El citado intercambiador puede además comprender una o varias de las características siguientes, tomadas separadamente o en combinación:
-
los citados fluidos circulan en contracorriente;
-
los citados segundos canales de circulación comprenden respectivamente un conducto de aceleración aguas abajo del medio de estrangulamiento en la dirección de circulación del segundo fluido;
-
el medio de estrangulamiento comprende al menos una pared que delimita un conducto de aceleración en un segundo canal de circulación;
-
el medio de estrangulamiento define un gollete de estrangulamiento que comunica con el citado conducto de circulación;
-
el citado intercambiador comprende perturbadores de flujo del segundo fluido en los citados segundos canales de circulación;
-
el conducto de aceleración forma una zona provista de perturbadores;
-
el conducto de aceleración forma una zona libre desprovista de perturbadores;
-
los citados perturbadores están realizados en forma de placas que presentan motivos de perturbación del flujo
del segundo fluido, presentando las citadas placas respectivamente una longitud inferior a la longitud total del
citado haz;
-
el medio de estrangulamiento forma una sola pieza con los citados perturbadores;
-
el medio de estrangulamiento es una pieza adicional del citado intercambiador; -la carcasa de distribución de entrada del primer fluido comprende una placa colectora de entrada y el citado haz comprende un apilamiento de tubos que desembocan en la placa colectora de entrada, y el medio de estrangulamiento está dispuesto en la proximidad de la citada placa colectora de entrada; -el citado intercambiador está configurado para refrigerar el aire de sobrealimentación de un motor de vehículo automóvil y el primer fluido es el aire de sobrealimentación y el segundo fluido agua glicolada.
Otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto de modo más claro con la lectura de la descripción que sigue, dada a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, y de los dibujos anejos, en los cuales: -la figura 1a representa una vista en despiece ordenado de un intercambiador de calor, -la figura 1b representa elementos ensamblados del intercambiador de la figura 1a, -la figura 2a es una vista en perspectiva que representa parcialmente un haz de intercambio del intercambiador
de la figura 1a, -la figura 2b es una vista parcial de costado del haz de intercambio de la figura 2a, -la figura 2c es una vista desde arriba que representa de modo esquemático el haz de intercambio de las figuras
2a y 2b, -la figura 3 representa de modo esquemático un medio de estrangulamiento montado en el haz de intercambio
de las figuras 2a a 2c. En estas figuras, los elementos sensiblemente idénticos llevan las mismas referencias. La invención concierne a un intercambiador de calor 1, en particular para refrigerar el aire de sobrealimentación
para motor térmico, tal como un motor diesel de vehículo automóvil. De acuerdo con el modo de realización descrito, este intercambiador es un intercambiador denominado de « aireagua », es decir un intercambiador en el cual los fluidos que intercambian calor son el aire y el agua. En el caso de
un refrigerador de aire de sobrealimentación, el agua es preferentemente el agua del circuito de refrigeración denominado de « baja temperatura » del citado motor, se trata típicamente de agua glicolada. En las figuras 1a y 1b se ha representado un intercambiador 1 de calor de este tipo. Este intercambiador 1 presenta
una forma general sensiblemente paralelepipédica. El intercambiador 1 comprende: -un haz 3 de intercambio de calor entre el aire y el agua, -un cárter 5 de recepción del haz de intercambio 3, -una carcasa de distribución de entrada 7 del aire, y -una carcasa de distribución de salida 9 del aire.
El haz de intercambio
Como se observa en las figuras 2a a 2c, el haz 3 presenta una forma general sensiblemente paralelepipédica con una longitud L, una anchura l, y un grosor e.
Este haz 3 de intercambio de calor comprende un apilamiento de tubos 11 paralelo para el flujo del aire.
El intercambiador 1 ilustrado en este ejemplo comprende un haz de seis tubos 11; naturalmente, éste podría comprender un número inferior o superior.
Estos tubos 11 presentan respectivamente una forma general sensiblemente aplanada.
Los tubos 11 definen respectivamente primeros canales de circulación 13 para el aire.
Pueden preverse aletas de perturbación, por ejemplo de forma sensiblemente ondulada, dispuestas en el interior de estos tubos para perturbar el flujo del aire y aumentar la superficie de intercambio para facilitar los intercambios térmicos entre el aire y el agua a través de las paredes de los tubos 11. Las aletas pueden estar por ejemplo soldadas a los tubos. Estas aletas son bien conocidas por el especialista en la materia y no se describen ahora más en detalle.
Los tubos 11 definen igualmente entre sí segundos canales de circulación 15 para el flujo del agua.
Además, el intercambiador 1 comprende un medio de estrangulamiento 17 para acelerar el flujo del segundo fluido, el agua, a nivel de la entrada de aire caliente. Este medio de estrangulamiento 17 está dispuesto en la proximidad de la carcasa de entrada 7 del aire. En el ejemplo ilustrado, los dos fluidos circulan en contracorriente, en consecuencia la entrada de aire se encuentra a nivel de la salida del agua y la salida de aire se encuentra a nivel de la entrada del agua.
Este medio de estrangulamiento 17 delimita en los segundos canales de circulación un conducto de aceleración 19 para el flujo del agua (véanse las figuras 2a, 2c). Este conducto de aceleración 19 está aguas abajo del medio de estrangulamiento 17.
Así, un segundo canal de circulación 15 presenta una primera zona Z1 ancha por la cual fluye el agua según una primera dirección general D1 representada esquemáticamente en la figura 2c y una segunda zona Z2 más reducida con respecto a la primera zona Z1, estando definida esta zona Z2 por el conducto de aceleración 19 y por la cual fluye el agua según una dirección D2 sensiblemente perpendicular a la dirección D1.
Para esto, como se observa mejor en la figura 2c, el medio de estrangulamiento 17 está dispuesto en el sentido de la anchura l, pero en una longitud predefinida y no en toda la anchura l, de modo que define un gollete de estrangulamiento 21 a través del cual pasa el agua para acceder al conducto de aceleración 19. Así pues, el gollete de estrangulamiento 21 comunica por una parte con la primera zona Z1 y por otra con la segunda zona Z2 definida por el conducto de aceleración 19.
De acuerdo con la invención, este medio de estrangulamiento 17 está realizado con una forma general sensiblemente de peine (véase la figura 3).
Este peine 17 comprende un mango 23 y una pluralidad de brazos 25 que se extienden del mango 23, estando dispuesto el peine 17 de modo que el mango 23 se extiende en el sentido de la anchura l del haz 3, y los brazos 25 atraviesan el apilamiento de tubos 11 del haz 3 (véanse las figuras 2a, 2b).
El mango 23 forma una pared que distingue la primera zona Z1 de la segunda zona Z2 más estrecha a nivel de un tubo 11 terminal del haz 3 (véase la figura 2c).
Los brazos 25 permiten a su vez delimitar la primera zona Z1 y la segunda zona Z2 a través del apilamiento de tubos 11 (véanse las figuras 2a y 2b).
Pueden preverse además perturbadores 27 del flujo de agua montados en el interior de estos segundos canales 15. Estos perturbadores 27 están representados de modo parcial y esquemático en las figuras 1a, 2a y 2b.
Estos perturbadores 27 pueden estar fijados por ejemplo por soldadura a los tubos 11.
Estos perturbadores 27 se presentan en forma de placas que se extienden entre dos tubos 11.
Estas placas pueden extenderse en toda la longitud entre dos tubos 11 o según una segunda variante ilustrada en las figuras 2a a 2c en una longitud predefinida L’ y no en toda la longitud L.
Así, de acuerdo con la primera variante (no ilustrada), la primera zona Z1 y la segunda zona Z2 están provistas de perturbadores 27. Mientras que de acuerdo con la segunda variante, la primera zona Z1 comprende perturbadores 27 y la segunda zona Z2 definida por el conducto de aceleración 19 está desprovista de perturbadores 27.
Esta placa 27 está por ejemplo soldada en cada lado a las superficies laterales de los tubos 11 que definen un segundo canal 15.
Los perturbadores 27 tiene una forma que crea turbulencias en el flujo de agua que pasa a través de ellos. En este caso, los perturbadores 27 se presentan en forma de una pared gofrada, o que presenta motivos en almena 29. Estos elementos de pared que presentan motivos en almena 29 están por ejemplo dispuestos en filas al tresbolillo una respecto de otra. Así pues, por los segundos canales 15 circula agua entre los tubos 11 de circulación de aire y su flujo es perturbado por los perturbadores 27, lo que facilita los intercambios térmicos con el aire a través de las paredes de los tubos 11.
En el ejemplo ilustrado, las dos zonas Z1 y Z2 de un segundo canal 15 están delimitadas por una pieza adicional que forma el medio de estrangulamiento 17, pero naturalmente puede preverse por ejemplo que este medio de estrangulamiento forme una sola pieza con los perturbadores 27 o cualquier otra solución.
Cárter
Refiriéndose de nuevo a las figuras 1a y 1b, se describe ahora el cárter 5 que recibe el haz 3 de tubos 11 y el medio de estrangulamiento 17.
Este cárter de recepción 5 presenta dos aberturas 31 laterales a una y otra parte del haz 3 en el sentido de la longitud L del intercambiador 1. En la figura 1b está representada una sola abertura 31. Estas aberturas 31 permiten el ensamblaje del haz 3 con las carcasas de distribución 7, 9; en la figura 1b está representado una sola carcasa (la carcasa de entrada 7).
El cárter 5 comprende orificios de entrada 33 y de salida 35 de agua en el intercambiador 1, asociados a tubos de entrada 33’ y de salida 35’ unidos a un circuito de agua en el cual está montado el intercambiador 1.
Además, este cárter de recepción 5 puede estar formado por ejemplo por dos semicárteres ensamblados y que presenten por ejemplo cada uno una forma sensiblemente en « L ».
Carcasa de distribución de aire
Como se citó anteriormente, el intercambiador 1 comprende, en cada una de sus extremidades, una carcasa de distribución de aire; por una parte, una carcasa 7 de distribución de entrada de aire y, por otra, una carcasa 9 de distribución de salida de aire.
La carcasa de distribución de salida 9 es, de acuerdo con el modo de realización descrito, semejante a la carcasa de entrada 7 y está montada de manera simétrica; naturalmente, de acuerdo con otra forma de realización, las carcasas de entrada 7 y de salida 9 pueden ser diferentes.
Los tubos 11 desembocan en las carcasas 7, 9. De modo más preciso, cada carcasa 7, 9 comprende una placa colectora 37, 39 (véase la figura 1a) en la cual desembocan las extremidades de los tubos 11. La carcasa de entrada 7 comprende una placa colectora de entrada 37 y la carcasa de salida 9 comprende una placa colectora de salida
39.
Una placa colectora 37, 39 de este tipo presenta de modo conocido orificios (no representados) para recibir las extremidades de los tubos 11. Cada orificio puede estar bordeado por un gollete (no representado) que se ciñe a la extremidad de un tubo 11, los golletes permiten separar las extremidades de los tubos 11. Los tubos 11 están por ejemplo soldados a estos golletes (no representados).
Las carcasas 7, 9 de distribución están unidas a canalizaciones de un circuito de aire en el cual está montado el intercambiador 1 y presentan respectivamente un tubo de entrada 41 y de salida 43. El aire es introducido en los tubos 11 por intermedio de la carcasa 7 de distribución de entrada y es recogido a la salida de los tubos 11 por la carcasa de distribución de salida 9.
A fin de asegurar la estanqueidad del intercambiador 1, un medio de estanqueidad (no representado) está dispuesto entre el haz 3 y cada carcasa de distribución 7, 9. Este medio de estanqueidad puede comprender por ejemplo pegamento o una junta de estanqueidad o un cordón de soldadura.
Así, con la disposición del medio de estrangulamiento 17 en los segundos canales 15 de circulación del agua en la proximidad de la carcasa de entrada 7 de aire caliente, el flujo del agua es acelerado en la proximidad de esta carcasa de entrada 7 de aire caliente.
Acelerando la velocidad del agua en la proximidad del aire caliente entrante, se reduce así el riesgo de cavitación generado por una elevación puntual de la temperatura del agua y por consiguiente los riesgos de desgaste en particular a nivel de la placa colectora 37 de la carcasa de entrada 7 del aire caliente.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Intercambiador de calor entre un primer fluido a temperatura elevada y un segundo fluido, de tipo líquido, comprendiendo el citado intercambiador:
    -
    un haz (3) de intercambio de calor que define, por una parte, primeros canales (13 de circulación del primer fluido y segundos canales (15) de circulación del segundo fluido, para un intercambio de calor entre los primero y segundo fluidos, y
    -
    una carcasa de distribución de entrada (7) del primer fluido,
    comprendiendo el citado intercambiador además un medio de estrangulamiento (17) para acelerar el flujo del segundo fluido en los citados segundos canales (15), estando dispuesto el citado medio de estrangulamiento (17) en la proximidad de la citada carcasa de entrada (7) del primer fluido y caracterizado por que el medio de estrangulamiento (17) presenta sensiblemente una forma general de peine que presenta una pluralidad de brazos
    (25) que atraviesan el citado haz (3).
  2. 2.
    Intercambiador de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que los citados segundos canales (15) de circulación comprenden respectivamente un conducto de aceleración (19) aguas abajo del medio de estrangulamiento en la dirección de circulación del segundo fluido.
  3. 3.
    Intercambiador de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por que el medio de estrangulamiento (17) comprende al menos una pared (23) que delimita un conducto de aceleración (19) en un segundo canal de circulación (15).
  4. 4.
    Intercambiador de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 o 3, caracterizado por que el medio de estrangulamiento (17) define un gollete de estrangulamiento (21) que comunica con el citado conducto de aceleración (19).
  5. 5.
    Intercambiador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado por que comprende perturbadores (27) de flujo del segundo fluido en los citados segundos canales (15) de circulación y por que el conducto de aceleración (19) forma una zona (Z2) libre desprovista de perturbadores (27).
  6. 6.
    Intercambiador de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que los citados perturbadores (27) están realizados en forma de placas que presentan motivos (29) de perturbación del flujo del segundo fluido, presentando las citadas placas respectivamente una longitud inferior (L’) a la longitud (L) total del citado haz (3).
  7. 7.
    Intercambiador de acuerdo con una de las reivindicaciones 5 o 6, caracterizado por que el medio de estrangulamiento (17) forma una sola pieza con los citados perturbadores (27).
  8. 8.
    Intercambiador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que el medio de estrangulamiento (17) es una pieza adicional del citado intercambiador.
  9. 9.
    Intercambiador de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la carcasa de distribución de entrada (7) del primer fluido comprende una placa colectora de entrada (37) y el citado haz (3) comprende un apilamiento de tubos (11) que desembocan en la placa colectora de entrada (37), caracterizado por que el medio de estrangulamiento está dispuesto en la proximidad de la citada placa colectora.
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