ES2594361B1 - Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor - Google Patents

Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor Download PDF

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Abstract

Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor.#Comprende un haz de tubos (2) o placas dispuestos en el interior de una carcasa (3), definiendo dicha carcasa una entrada y salida de fluido refrigerante, estando dichos gases de escape destinados a circular por el interior de dichos tubos (2) o entre dichas placas, incluyendo el interior de cada uno de dichos tubos (2) o placas unos medios (8) perturbadores del flujo de gases para facilitar el intercambio de calor con un fluido refrigerante, caracterizado por el hecho de que dichos medios perturbadores comprenden al menos dos conjuntos (8a, 8b, 8c, 3d) de elementos (8) perturbadores dispuestos uno sobre otro en el interior de cada uno de dichos tubos (2) o entre dichas placas, definiendo cada uno de dichos conjuntos (8a, 8b, 8c, 8d) de elementos (8) perturbadores un subconjunto independiente de trayectorias (11a, 11b, 12a, 12b) de paso del flujo de gases.

Description

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DESCRIPCION
INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA GASES, EN ESPECIAL DE LOS GASES DE
ESCAPE DE UN MOTOR
La presente invencion se refiere a un intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. La invencion se aplica especialmente en intercambiadores de recirculacion de gases de escape de un motor (EGRC).
Antecedentes de la invencion
La funcion principal de los intercambiadores EGR es el intercambio de calor entre los gases de escape y el fluido refrigerante, con el fin de enfriar los gases.
Actualmente, los intercambiadores de calor EGR son ampliamente usados para aplicaciones Diesel con el fin de reducir las emisiones, y tambien son usados en aplicaciones de gasolina para reducir el consumo de combustible.
El mercado tiende a reducir el tamano de los motores, y a la aplicacion de los intercambiadores de calor EGR no solo en aplicaciones de alta presion (HP) sino tambien en los de baja presion (LP). Los fabricantes de vehlculos demandan intercambiadores de calor EGR con mayores ren- dimientos y, a la vez, el espacio disponible para colocar el intercambiador y sus componentes es cada vez mas pequeno y mas diflcil de integrar.
Adicionalmente, en muchas aplicaciones el flujo de fluido refrigerante disponible para enfriar los gases de escape tiende a ser menor aunque los rendimientos del intercambiador hayan ido incrementando.
La configuration actual de los intercambiadores EGR en el mercado se corresponde con un intercambiador de calor metalico fabricado generalmente de acero inoxidable o aluminio. Basi- camente, hay dos tipos de intercambiadores de calor EGR: un primer tipo consiste en una car- casa en cuyo interior se dispone un haz de tubos paralelos 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 entre dos placas, en capas alternadas, pudiendo incluir aletas para el mejorar el intercambio de calor.
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En el caso de intercambiadores de calor de haz de tubos, la union entre los tubos y la carcasa puede ser de diferentes tipos. Generalmente, los tubos estan fijados por sus extremos entre dos placas de soporte acopladas en cada extremo de la carcasa, presentando ambas placas de soporte una pluralidad de orificios para la colocation de los respectivos tubos.
Dichas placas de soporte estan fijadas a su vez a unos medios de conexion con la llnea de recirculation, que pueden consistir en una conexion en V o bien en un reborde periferico de conexion o brida, dependiendo del diseno de la llnea de recirculacion donde esta ensamblado el intercambiador. Dicha brida puede estar ensamblada junto con un deposito de gas, de manera que el deposito de gas es una pieza intermedia entre la carcasa y la brida, o bien la brida puede estar ensamblada directamente a la carcasa. Este ultimo diseno corresponde frecuentemente a los casos donde el intercambiador esta unido directamente a una valvula EGR, que tiene la funcion de controlar el paso de gases de escape a traves del mismo.
En algunas aplicaciones de circuitos EGR, es necesario enfriar la valvula EGR. En este caso, el diseno mas usual incluye un conducto by-pass que conduce el fluido de refrigeration, que circula a traves del intercambiador EGR, hacia la valvula EGR. Debido a que el intercambiador EGR esta ensamblado al circuito EGR a traves de una brida o reborde periferico, el conducto by-pass del fluido de refrigeracion debe ser fabricado a traves de dicha brida.
En ambos tipos de intercambiadores EGR, la mayor parte de sus componentes son metalicos, de modo que estan ensamblados por medios mecanicos y despues soldados en horno o soldados por arco o laser para asegurar una adecuada estanqueidad requerida para esta aplicacion.
Son conocidos intercambiadores EGR de tubos de section transversal sensiblemente rectangular, que utilizan unas aletas dispuestas en el interior de dichos tubos para mejorar la transferencia de calor mediante estas superficies secundarias, por lo que se consigue incrementar la superficie total de intercambio de calor.
Existen diferentes tipos de aletas para tubos, como por ejemplo la aleta conocida como "offset fin” que presenta una configuration de perfil sensiblemente rectangular repetitivo en la direction transversal, y con trayectorias en zig-zag intercomunicadas segun la direction longitudinal, o por ejemplo la aleta conocida como "wavy fin” con canales que definen trayectorias onduladas o sinusoidales.
Un objetivo principal de los intercambiadores de calor EGR es conseguir una distribution del flujo de gases apropiada dentro de los canales de paso de los gases, en este caso dentro de los tubos o placas, de modo que se garantice un flujo de calor uniforme en todo el intercambiador y se aproveche toda el area de intercambio disponible. Por tanto, es importante la forma del 5 deposito de gas u otros elementos que pueden ser ensamblados al intercambiador de calor EGR en la trayectoria de paso de los gases, especialmente en la zona de entrada. El diseno de estos componentes es esencial dentro del diseno total del intercambiador. No obstante, existen limitaciones externas que hacen diflcil la optimization de este diseno, ya que la forma y el volumen de estos componentes estan determinados por el entorno donde esta ubicado el 10 intercambiador EGR.
La compactacion del diseno de las aletas en el interior de los tubos o placas permitirla obtener intercambiadores de menor longitud y, en consecuencia, permitirla ganar un espacio que redundarla positivamente en la optimizacion del diseno de elementos de ensamble como el deposito de gas. Sin embargo, los procesos de fabrication de los perturbadores tienen una 15 limitation en factibilidad ligada a la combination de densidad de superficie de intercambio y altura de la aleta.
Description de la invention
El objetivo del intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor de la presente invencion es solventar los inconvenientes que presentan los 20 intercambiadores conocidos en la tecnica, proporcionando un intercambiador compacto y de reducida longitud con una optima transferencia de calor en la entrada del flujo de gases.
El intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor, objeto de la presente invencion, es del tipo que comprende un haz de tubos o placas dispuestos en el interior de una carcasa, definiendo dicha carcasa una entrada y salida de fluido refrigerante 25 estando dichos gases destinados a circular por el interior de dichos tubos o entre dichas placas, incluyendo el interior de cada uno de dichos tubos o placas unos medios perturbadores del flujo de gases para facilitar el intercambio de calor con el fluido refrigerante, y se caracteriza por el hecho de que los medios perturbadores incluyen al menos dos conjuntos de elementos perturbadores dispuestos uno sobre otro en el interior de cada uno de dichos tubos 30 o entre dichas placas, definiendo cada uno de dichos conjuntos un subconjunto independiente de trayectorias de paso del flujo de gas en el interior de dichos tubos o placas.
La inclusion de dos conjuntos de elementos perturbadores dispuestos uno sobre otro en el interior de los tubos o entre dichas placas permite mejorar la compacidad de la superficie de
intercambio y reducir la longitud del intercambiador, ganando espacio para el diseno optimo
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de los elementos de ensamble, como por ejemplo, el deposito de gas o las bridas de conexion, mejorando la eficacia de los intercambiadores existentes.
Segun una realization preferida, cada conjunto de elementos perturbadores comprende una pluralidad de aletas para el intercambio de calor, definiendo la pluralidad de aletas de cada conjunto un subconjunto independiente de trayectorias para el paso del flujo de gases en el interior de dichos tubos o entre dichas placas. Ventajosamente, estas aletas se obtienen a partir de una lamina de metal.
De acuerdo con esta realizacion, la altura interior de los tubos o placas del intercambiador se disena de modo que es posible introducir en su interior al menos dos conjuntos de aletas dispuestos apilados uno sobre otro. Cada uno de estos conjuntos define un subconjunto independiente de trayectorias para el paso del flujo de gases.
Ventajosamente, las aletas de ambos conjuntos presentan una configuration de perfil sensiblemente rectangular repetitivo en la direction transversal.
Segun una realizacion, las aletas de ambos conjuntos presentan una configuracion tipo "offset fin” que define trayectorias en zig-zag para el paso del flujo de gases segun la direccion longitudinal, estando intercomunicadas dichas trayectorias segun dicha misma direccion longitudinal.
La utilization de dos conjuntos independientes de aletas intercomunicadas permite obtener un intercambiador muy compacto y de reducida longitud.
Segun otra realizacion, las aletas de ambos conjuntos presentan una configuracion tipo "wavy fin” que define trayectorias sinusoidales segun la direccion longitudinal para el paso del flujo de gases.
La utilizacion de dos conjuntos independientes de aletas sinusoidales permite obtener un intercambiador compacto particularmente util para evitar la perdida de presion de los gases.
Preferiblemente, los dos conjuntos de elementos perturbadores estan unidos uno sobre otro mediante soldadura o mediante medios mecanicos, al objeto de asegurar una correcta transferencia de calor.
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Opcionalmente, dichos conjuntos de elementos perturbadores estan dispuestos uno sobre el otro de modo que un extremo de uno de los conjuntos queda situado segun la direction longitudinal en una position avanzada o retrasada respecto a la position del extremo del otro conjunto situado en una posicion inferior.
Breve description de las figuras
Para mejor comprension de cuanto se ha expuesto se acompanan unos dibujos en los que, esquematicamente y tan solo a tltulo de ejemplo no limitativo, se representan dos casos practicos de realization de un intercambiador de calor de la presente invention, en los que:
La figura 1 es una vista en perspectiva que muestra la carcasa exterior de un intercambiador de calor de tubos paralelos y algunos de sus elementos de ensamble o conexion.
La figura 2 es una vista en perspectiva de dos conjuntos independientes de elementos perturbadores configurados a modo de aletas de tipo "offset fin”.
La figura 3 es una section transversal de un tubo de paso de gases del intercambiador de calor de la figura 1 con los conjuntos de elementos perturbadores de la figura 2.
La figura 4 es una seccion longitudinal de un tubo de paso de gases del intercambiador de calor de la figura 1 que contiene en su interior los conjuntos de elementos perturbadores de la figura 2.
La figura 5 es una vista en perspectiva de dos conjuntos de elementos perturbadores configurados a modo de aletas de tipo "wavy fin”.
La figura 6 es una seccion transversal de un tubo de paso de gases de un intercambiador de calor similar al de la figura 1 que contiene en su interior los conjuntos de elementos perturbadores de la figura 5.
La figura 7 es una seccion longitudinal de un tubo de paso de gases de un intercambiador que contiene en su interior los conjuntos de elementos perturbadores de la figura 5.
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Descripcion de realizaciones preferidas
De acuerdo con las realizaciones de la invention mostradas en las figuras 1 a 7, el intercambiador de calor 1 para gases, en especial de los gases de escape de un motor, comprende un haz de tubos 2 dispuestos en el interior de una carcasa 3 definiendo dichos tubos 2 una entrada y salida de gases. Estos tubos 2 estan destinados a la circulation de los gases para el intercambio de calor con un fluido refrigerante. En uno de los extremos del intercambiador se situa un deposito de gas 6 y una brida 7 de conexion con la llnea de recirculacion de gases.
Las figuras 2 a 4 corresponden a una primera realization del intercambiador 1 que incluye dos conjuntos 8a, 8b de elementos perturbadores configurados a modo de aletas 8 dispuestos apilados uno sobre otro en el interior de los tubos 2 de paso de gases. En esta primera realizacion, la section de cada tubo 2 es sensiblemente rectangular y las aletas 8 se obtienen a partir de una lamina de metal formando una configuration de elementos perturbadores de perfil sensiblemente rectangular que define unas trayectorias 10a, 10b en zig-zag intercomunicadas segun la direction longitudinal para el paso del flujo de gas.
Tal y como puede verse en las figuras 2 y 3, los dos conjuntos 8a, 8b de elementos perturbadores, en este caso aletas 8, estan dispuestos unidos y apilados uno sobre otro de modo que definen dos subconjuntos independientes 10a, 10b de trayectorias para el paso del flujo de gases. La union de los dos conjuntos de aletas 8 puede llevarse a cabo mediante soldadura o mediante medios mecanicos.
Las figuras 5 a 7 corresponden a una segunda realizacion del intercambiador 1 que incluye tambien dos conjuntos 8c, 8d de elementos perturbadores configurados a modo de aletas 8 dispuestos apilados uno sobre otro en el interior de un tubo 2 que, en este caso, define dos camaras interiores 2a, 2b para el paso de flujo de gas.
En esta segunda realizacion de las figuras 5 a 7, las aletas 8 de ambos conjuntos 8c, 8d presentan una configuracion que define trayectorias 11a, 11b sinusoidales segun la direccion longitudinal para el paso del flujo de gas (ver figura 5). Al igual que en la realizacion anterior, los dos conjuntos 8c, 8d de elementos perturbadores estan apilados uno sobre otro de modo que definen dos subconjuntos independientes 11a,11b de trayectorias para el paso del flujo de gases en el interior de cada tubo 2 del intercambiador.
De acuerdo con la presente invention, la altura interior de los tubos 2 de paso de gases del intercambiador 1 se disena de modo que es posible introducir en su interior al menos dos conjuntos 8a, 8b o 8c, 8d de aletas 8, dispuestos apilados uno sobre otro. Gracias a ello, es 5 posible obtener un intercambiador de diseno compacto como el representado en la figura 1. Este intercambiador 1 presenta una muy elevada eficacia y reducida longitud de tubos 2, lo que permite ganar espacio para el diseno optimo y la facilidad de montaje de los elementos de ensamble, como por ejemplo, el deposito 6 de gas o la brida 7 de conexion con la llnea de recirculacion de gases.
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En las dos realizaciones que se describe, los dos conjuntos de aletas 8a, 8b y 8c, 8d se han dispuesto uno sobre otro de modo que un extremo de uno de los conjuntos de aletas 8a, 8c queda situado en una position avanzada o retrasada segun la direction longitudinal respecto a la posicion del extremo 8b, 8d del otro conjunto de aletas 8 situado en una posicion inferior 15 (ver figuras 2, 3, 5 y 7).
A pesar de que se ha hecho referencia a una realization concreta de la invencion, es evidente para un experto en la materia que el intercambiador descrito es susceptible de numerosas variaciones y modificaciones, y que todos los detalles mencionados pueden ser substituidos 20 por otros tecnicamente equivalentes, sin apartarse del ambito de protection definido por las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, aunque en las figuras se ha representado realizaciones de elementos perturbadores configurados a modo de aletas 8 tipos "offset fin” o "wavy fin”, la misma invencion podrla implementarse con elementos perturbadores de una configuration distinta dispuestos uno sobre otro en el interior de tubos o placas.

Claims (8)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    REIVINDICACIONES
    1. Intercambiador (1) de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor, que comprende un haz de tubos (2) o placas dispuestos en el interior de una carcasa (3), definiendo dicha carcasa (3) una entrada y salida de un fluido refrigerante , estando dichos gases de escape destinados a circular por el interior de dichos tubos (2) o entre dichas placas, incluyendo el interior de cada uno de dichos tubos (2) o placas unos medios (8) perturbadores del flujo de gases para facilitar el intercambio de calor con el fluido refrigerante, caracterizado por el hecho de que dichos medios perturbadores comprenden al menos dos conjuntos (8a, 8b, 8c, 8d) de elementos (8) perturbadores dispuestos uno sobre otro en el interior de cada uno de dichos tubos (2) o entre dichas placas, definiendo cada uno de dichos conjuntos (8a,8b,8c,8d) de elementos (8) perturbadores un subconjunto independiente de trayectorias (11a,11b,12a,12b) de paso del flujo de gases en el interior de dichos tubos (2) o placas.
  2. 2. Intercambiador (1) de calor segun la reivindicacion 1, en el que cada conjunto (8a, 8b, 8c, 8d) de elementos perturbadores comprende una pluralidad de aletas (8) para el intercambio de calor, definiendo la pluralidad de aletas (8) de cada conjunto (8a, 8b, 8c, 8d) un subconjunto independiente de trayectorias (10a, 10b, 11a, 11b) para el paso del flujo de gases en el interior de dichos tubos (2) o placas.
  3. 3. Intercambiador (1) de calor segun la reivindicacion 2, en el que las aletas (8) de ambos conjuntos (8a,8b,8c,8d) presentan una configuracion de perfil sensiblemente rectangular repetitivo en la direccion transversal.
  4. 4. Intercambiador (1) de calor segun la reivindicacion 3, en el que las aletas (8) de ambos conjuntos (8a,8b) presentan una configuracion que define trayectorias (11a,11b) en zig-zag segun la direccion longitudinal para el paso del flujo de gases, estando intercomunicadas dichas trayectorias (10a,10b) segun dicha direccion longitudinal.
  5. 5. Intercambiador (1) de calor segun la reivindicacion 3, en el que las aletas (8) de ambos conjuntos (8c, 8d) presentan una configuracion que define trayectorias (11a, 11b) sinusoidales segun la direccion longitudinal para el paso del flujo de gases.
  6. 6. Intercambiado (1) de calor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos elementos perturbadores o aletas (8) se obtienen a partir de una lamina de metal.
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  7. 7. Intercambiador (1) de calor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos dos conjuntos (8a, 8b, 8c, 8d) de elementos (8) perturbadores estan unidos uno sobre otro mediante soldadura o mediante medios mecanicos.
  8. 8. Intercambiador (1) de calor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos dos conjuntos (8a, 8b, 8c, 8d) de elementos (8) perturbadores estan dispuestos uno sobre otro de modo que un extremo de uno de los conjuntos queda situado en una posicion avanzada o retrasada segun la direccion longitudinal respecto a la posicion del extremo del otro conjunto situado en una posicion inferior.
    5
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