ES2927999T3 - Intercambiador de calor y sistema de enfriamiento de un fluido que comprende un intercambiador de calor de este tipo - Google Patents
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Abstract
Un intercambiador de calor tubular (10) que comprende: una cámara de circulación de fluido (20) destinada a ser alimentada con un primer fluido, denominado fluido exterior, llevado a una primera temperatura, una matriz de intercambio de calor (30) alojada en dicha cámara de circulación y formado por una pluralidad de tubos de intercambio de calor (31) comprendiendo cada uno al menos un par de conductos (32; 33) encajados uno dentro del otro, que se extienden en una dirección, denominada dirección longitudinal, y que definen: un canal para la circulación de un fluido, denominado canal interior (32c; 33c), apto para poder ser alimentado con un segundo fluido, denominado fluido interior, llevado a una segunda temperatura, y un canal para la circulación de un fluido, denominado como canal intermedio (32d, 33d), y apto para poder ser alimentado con un tercer fluido, denominado fluido intermedio, llevado a una tercera temperatura, distinta de dicha primera temperatura. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Intercambiador de calor y sistema de enfriamiento de un fluido que comprende un intercambiador de calor de este tipo Campo técnico de la invención
La invención se refiere a un intercambiador de calor, en concreto, un intercambiador de calor tubular para un vehículo de transporte aéreo o ferroviario. La invención se refiere, igualmente, a un sistema de enfriamiento de un fluido que comprende un intercambiador de calor de este tipo. La invención también se refiere a un sistema de aire acondicionado de una cabina de un vehículo de transporte aéreo o ferroviario equipado con un sistema de enfriamiento de este tipo.
Antecedentes de la técnica
Un sistema de control ambiental de una cabina de una aeronave, más conocido bajo el acrónimo ECS para la denominación inglesa "Environmental Control System" ("Sistema de control ambiental") está destinado a proporcionar a la cabina de la aeronave (que designa, de manera general, cualquier espacio interior de la aeronave cuya presión y/o temperatura del aire debe estar controlada, tal como una cabina para pasajeros, el habitáculo de pilotaje, una bodega, etc.) un aire a presión y/o temperatura controladas.
Para esto, se conoce que se toma un aire a alta presión de los motores de propulsión de la aeronave y se trata este aire por una pluralidad de equipos para llevarlo a una temperatura y presión compatibles con las necesidades de la cabina.
De entre estos equipos, se encuentra al menos un intercambiador térmico aire/aire que tiene como propósito enfriar el aire tomado de los motores de propulsión de la aeronave por la implementación de intercambios térmicos entre este flujo de aire caliente y un flujo de aire frío.
De este modo, un intercambiador térmico de este tipo comprende, en general, un circuito caliente y un circuito frío transversales configurados para poder asegurar unos intercambios térmicos entre el flujo de aire vehiculado por el circuito caliente (también designado en lo sucesivo por el paso caliente) y el flujo de aire frío vehiculado por el circuito frío (también designado en lo sucesivo por el paso frío).
El circuito frío puede, por ejemplo, estar alimentado por un flujo de aire tomado del caudal secundario del motor, conocido bajo la denominación de fan air (aire de ventilador), cuya temperatura está cercana al entorno exterior de la aeronave y que, por lo tanto, puede alcanzar en vuelo unas temperaturas del orden de -50 °C y una presión del orden de 20 kPa (200 mbar).
El circuito frío también puede estar alimentado por un flujo de aire tomado de una toma de aire de la aeronave que alimenta un canal de aire, más conocido bajo la denominación de aire RAM.
El circuito caliente puede estar alimentado directamente por el aire tomado de los motores de propulsión o por un aire procedente de los motores y ya parcialmente tratado por un equipo aguas arriba del sistema de aire acondicionado. En el caso de los sistemas de aire acondicionado eléctricos, el circuito caliente puede estar alimentado por un aire tomado en el exterior de la aeronave y comprimido por unos compresores adaptados.
La mayor parte de los intercambiadores térmicos utilizados hoy en día a bordo de las aeronaves están constituidos por intercambiadores de calor del tipo de aletas o placas. Estos intercambiadores están formados por una cámara de intercambios térmicos de forma, generalmente, rectangular y comprenden unas capas apiladas de aletas, por ejemplo, corrugadas que forman unos canales de circulación apilados que se extienden alternativamente en unas direcciones perpendiculares de una capa a la otra. De este modo, el paso caliente que alimenta una cara del intercambiador circula en los canales de las diferentes capas y el paso frío que alimenta una cara perpendicular del intercambiador circula en los canales transversales intercalados entre dos canales del paso caliente. Esta arquitectura permite intercalar cada canal caliente entre dos canales fríos sobre toda la longitud del intercambiador y, por lo tanto, asegurar unos intercambios térmicos entre los dos fluidos.
La solicitud internacional WO201802171 a nombre del solicitante describe un intercambiador de calor de este tipo. El documento US 4.440.217 divulga un intercambiador de calor a contracorriente que tiene dos conductos dispuestos concéntricamente en una carcasa estanca.
El documento US 2013/206374 divulga un intercambiador de calor que comprende una parte central provista de un número máximo de subcanales.
El documento WO 2016/057443 divulga un intercambiador de calor de flujo ramificado de múltiples ramas para una aplicación aeronáutica.
Estos intercambiadores térmicos permiten enfriar el aire tomado de los motores o el aire ambiente comprimido por unos compresores dedicados, antes de ser tratado por los otros equipos del sistema de aire acondicionado para poder alimentar la cabina de la aeronave. La capacidad de enfriamiento de un intercambiador es directamente proporcional a su espacio necesario.
Ahora bien, el espacio necesario y el peso de un intercambiador térmico son dos características críticas para los fabricantes de aviones que buscan de manera permanente limitar al máximo el peso y el volumen del intercambiador, teniendo como propósito al mismo tiempo unas prestaciones de enfriamiento importantes.
Por lo tanto, los inventores han buscado una nueva solución que permita aumentar las superficies de intercambios dentro del intercambiador, limitando al mismo tiempo al máximo el espacio necesario del intercambiador.
Los inventores han buscado, en concreto, desarrollar un intercambiador de calor que pueda utilizarse, no solamente en el marco de los sistemas de aire acondicionado de un vehículo de transporte, tal como una aeronave, sino, igualmente, en cualesquiera tipos de sistemas de enfriamiento que necesitan el enfriamiento de un fluido caliente procedente de una fuente de fluido caliente por un fluido frío procedente de una fuente de fluido frío.
A este respecto, la invención no se limita solamente a los intercambiadores de calor destinados a los sistemas de aire acondicionado, sino, igualmente, a los intercambiadores de calor destinados a cualesquiera tipos de aplicaciones de intercambios térmicos.
Objetivos de la invención
La invención tiene como propósito proporcionar un intercambiador de calor que supere al menos ciertos inconvenientes de las soluciones conocidas.
La invención tiene como propósito, en particular, proporcionar, en al menos un modo de realización, un intercambiador de calor que permite optimizar las superficies de intercambios.
La invención tiene como propósito, igualmente, proporcionar, en al menos un modo de realización, un intercambiador que presenta un espacio necesario reducido con respecto a los intercambiadores de calor existentes.
La invención también tiene como propósito proporcionar, en al menos un modo de realización, un intercambiador cuyas pérdidas de cargas son reducidas.
La invención también tiene como propósito proporcionar, en al menos un modo de realización, un intercambiador que puede empotrarse en una conducción de circulación de fluido para funcionalizar una conducción de este tipo y, de este modo, reducir el espacio necesario del sistema.
La invención también tiene como propósito proporcionar un sistema de enfriamiento de un fluido caliente por un fluido frío equipado con un intercambiador de calor según la invención.
La invención también tiene como propósito proporcionar un sistema de aire acondicionado equipado con un intercambiador de calor según la invención.
La invención también tiene como propósito proporcionar un vehículo de transporte aéreo o ferroviario equipado con un sistema de aire acondicionado según la invención.
Exposición de la invención
Para hacer esto, la invención se refiere a un intercambiador de calor que comprende:
- una cámara de circulación de fluido que comprende una entrada de fluido y una salida de fluido destinada a estar alimentada por un primer fluido, denominado fluido exterior, llevado a una primera temperatura,
- una matriz de intercambios térmicos alojada en dicha cámara de circulación y formada por una pluralidad de tuberías de intercambios térmicos que comprenden cada una al menos un par de conductos anidados uno en el otro, denominados respectivamente conducto interior y conducto exterior, que se extienden a lo largo de una dirección, denominada dirección longitudinal y que definen:
o un canal de circulación de un fluido, denominado canal interior, delimitado por dicho conducto interior y adaptado para poder estar alimentado por un segundo fluido, denominado fluido interior, llevado a una segunda temperatura y
o un canal de circulación de un fluido, denominado canal intermedio, delimitado por el espacio entre conductos entre dicho conducto interior y dicho conducto exterior y adaptado para poder estar alimentado por un tercer fluido, denominado fluido intermedio, llevado a una tercera temperatura, distinta de dicha primera temperatura.
El intercambiador de calor según la invención está caracterizado por que al menos una tubería de intercambios térmicos - en concreto, cada tubería de intercambios térmicos - comprende al menos dos pares de conductos anidados, estando dichos pares unidos entre sí por al menos un espaciador transversal.
Un intercambiador de calor según la invención presenta una configuración particular con una matriz de intercambios térmicos formada por una pluralidad de tuberías de intercambios térmicos alojadas en una cámara de circulación de fluido, de las que al menos una tubería de intercambios térmicos comprende al menos dos pares de conductos anidados uno en el otro. Una configuración de matriz de intercambios térmicos de este tipo presenta la ventaja de tener una doble superficie de intercambios térmicos y, de este modo, de aumentar las superficies de intercambios térmicos, disminuyendo al mismo tiempo el espacio necesario de dicho intercambiador de calor.
Más particularmente, un intercambiador de calor según la invención comprende una cámara en la que circula un fluido llevado a una primera temperatura. Una pluralidad de tuberías de intercambios térmicos que comprenden cada una al menos un par de conductos anidados uno en el otro está dispuesta en esta cámara. Cada tubería comprende al menos un par de conductos definido por un conducto interior alojado en un conducto exterior que delimitan respectivamente un canal interior y un canal intermedio entre conductos. También, cada canal (respectivamente el canal interior y el canal intermedio) puede estar alimentado por un fluido dedicado.
Según la invención, dichos conductos exterior e interior están anidados uno en el otro, con el fin de permitir que el fluido intermedio circule en el canal intermedio delimitado por el espacio entre conductos y que el fluido interior circule en el canal interior delimitado por el conducto interior. El conducto interior forma la superficie de intercambios térmicos entre el fluido interior y el fluido intermedio, mientras que el conducto exterior forma la superficie de intercambios térmicos entre el fluido exterior que alimenta la cámara y el fluido intermedio. Los conductos anidados forman, por lo tanto, una doble superficie de intercambios térmicos para el fluido intermedio.
De este modo, el fluido intermedio que circula en el conducto intermedio puede calentarse o enfriarse (según las temperaturas de los fluidos interior, intermedio y exterior) a la vez por el fluido interior que circula en el canal interior y por el fluido exterior que circula en la cámara de circulación de fluido. Este doble intercambio térmico permitido por la estructura particular del intercambiador según la invención permite, por lo tanto, enfriar y/o calentar el fluido intermedio con una mejor eficacia que los sistemas de la técnica anterior.
Según la invención, la configuración de los conductos anidados permite no solamente formar una doble zona de intercambios térmicos, sino, igualmente, reducir el espacio necesario del intercambiador. En particular, el doble intercambio térmico presenta la ventaja de disminuir el número de tuberías de intercambios térmicos dentro de un intercambiador, beneficiándose al mismo tiempo de una superficie de intercambios equivalente a la de un intercambiador existente. El intercambiador según la invención permite aumentar la superficie de intercambios con respecto a un intercambiador existente y, por lo tanto, obtener un intercambiador de calor de más prestación, con espacio necesario equivalente u obtener con prestación equivalente, un espacio necesario reducido.
Según la invención, dichos fluidos interior y exterior destinados a alimentar respectivamente dicho canal interior de un par de conductos anidados y dicha cámara de circulación de fluido provienen de una misma fuente de fluido.
De este modo, dichos fluidos exterior e interior son de misma naturaleza y pueden llevarse a la misma temperatura. Los fluidos interior y exterior rodean, de este modo, al fluido intermedio que circula en el canal intermedio. Por lo tanto, el fluido intermedio experimenta unos intercambios térmicos de misma naturaleza, a la vez al nivel de la pared interna delimitada por el conducto interior y al nivel de la pared externa delimitada por el conducto exterior.
Además, según la invención, el fluido exterior e interior es el fluido del paso frío y el fluido intermedio es el fluido del paso caliente. El paso frío permite, de este modo, enfriar el paso caliente circulando alrededor de este en la cámara e, igualmente, en el centro del paso caliente circulando en el conducto interior que delimita el canal interior.
El fluido intermedio se enfría, de este modo, más eficazmente, dado que dichos conductos anidados que delimitan el espacio entre conductos en el que puede circular el fluido intermedio, están ambos dos en contacto con un fluido llevado a una temperatura inferior. En este caso, se facilita el enfriamiento del fluido intermedio y se mejora el rendimiento de enfriamiento de dicho fluido.
Según la invención, el canal interior puede comunicarse con dicha cámara de circulación de fluido, de modo que el fluido que circula en dicha cámara es el mismo fluido que circula en dicho canal interior.
Dicho conducto interior de la tubería de intercambios térmicos desemboca, entonces, directamente en dicha cámara de circulación de fluido. También, un mismo sistema de alimentación es suficiente para alimentar a la vez el canal interior y dicha cámara de circulación. De este modo, esta configuración no necesita más que un único fluido que atraviesa la cámara de circulación de fluido de la entrada hacia la salida, alimentando al mismo tiempo dichos canales interiores de las tuberías de intercambios térmicos.
Según la invención, el espaciador transversal, también designado en el texto por "espaciador de unión", dispuesto entre los pares de conductos anidados puede crear unas turbulencias dentro de la cámara de circulación de fluido que mejora los intercambios térmicos entre el fluido exterior que circula en la cámara y el fluido intermedio que circula en los canales intermedios.
El espaciador de unión puede presentar, igualmente, una funcionalidad de intercambios de calor conduciendo al menos una parte del calor capturado del conducto exterior hacia la cámara de mezcla.
Además, una tubería según la invención equipada con un espaciador es rígida, de modo que una pluralidad de tuberías según la invención permite, cuando las tuberías están asociadas unas a las otras, formar una red de matriz compacta de tuberías de intercambios.
Según una variante de la invención, los flujos de fluido interior, intermedio y exterior son unos flujos de aire, procedentes respectivamente de un flujo de aire caliente, por ejemplo, tomado de un motor de propulsión de una aeronave y un flujo de aire frío, tomado, por ejemplo, en el exterior de la aeronave.
Ventajosamente y según la invención, al menos una tubería de intercambios térmicos - en concreto, cada tubería de intercambios térmicos - comprende al menos dos pares de conductos anidados cuyos dichos canales intermedios están alimentados por un mismo distribuidor de fluido intermedio.
Según esta variante ventajosa, un distribuidor permite alimentar los diferentes pares de conductos anidados de la tubería de intercambios térmicos.
Un distribuidor de fluido intermedio de este tipo está formado, por ejemplo, por un tubo que comprende una entrada de fluido intermedio que se divide en varios tubos para formar varias fuentes de alimentación de fluido intermedio de los canales intermedios. En el caso en que la tubería comprende dos pares de conductos anidados, el distribuidor presenta una entrada de fluido y dos salidas de fluido que desembocan en cada uno de los dos canales intermedios de dichos dos pares de conductos anidados.
Preferentemente, dicho distribuidor presenta una forma general de Y, formando la base de la Y la entrada del fluido intermedio en la tubería y formando las dos ramas de la Y unos canales de alimentación de los canales intermedios. Cada distribuidor se puede unir a un mismo sistema de alimentación para facilitar la distribución de fluido intermedio en el conjunto de los distribuidores y, a continuación, en los canales intermedios de las diferentes tuberías de intercambios térmicos.
En el caso en que la tubería comprende tres pares de conductos anidados, el distribuidor presenta una entrada de fluido y tres salidas de fluido que desembocan en cada uno de los tres canales intermedios de los tres pares de conductos anidados. Por supuesto, nada impide prever unas tuberías que comprenden más de tres pares de conductos anidados para un efecto equivalente.
Un distribuidor según esta variante de la invención permite, por lo tanto, alimentar una pluralidad de canales intermedios de una pluralidad de pares de conductos por una sola alimentación de fluido intermedio.
Ventajosamente y según la invención, al menos un conducto interior - en concreto, cada conducto interior - de al menos un par de conductos anidados - en concreto, de cada par de conductos anidados - atraviesa dicho distribuidor de fluido intermedio.
Esto permite alimentar los canales interiores, ya sea directamente por el fluido que circula en la cámara de circulación, ya sea por un fluido dedicado a los canales interiores, en cuyo caso los conductos interiores atraviesan, igualmente, la cámara de circulación de fluido exterior.
Según esta variante, un sistema de alimentación de fluido intermedio puede distribuir dicho fluido intermedio en dichos canales intermedios mediante los distribuidores. La alimentación de fluido interior puede hacerse gracias a un segundo sistema de alimentación dedicado a la distribución de dicho fluido interior que puede alimentar dichos canales interiores que pueden prolongarse fuera de la cámara de circulación.
Ventajosamente y según la invención, al menos un conducto interior - en concreto, cada conducto interior - de al menos un par de conductos anidados - en concreto, de cada par de conductos anidados - atraviesa dicho distribuidor de fluido intermedio y desemboca en dicha cámara de circulación.
Según esta variante, los conductos interiores desembocan directamente en la cámara de circulación de fluido, de modo que la alimentación de la cámara de circulación de fluido permite, igualmente, la alimentación de los canales interiores delimitados por los conductos interiores.
Ventajosamente y según la invención, al menos un espaciador transversal - en concreto, cada espaciador transversal
- comprende al menos una abertura configurada para permitir el paso de dicho fluido exterior entre dichos pares de conductos anidados unidos por este espaciador según una dirección que presenta un ángulo comprendido entre 0° y 90° con respecto a dicha dirección longitudinal.
Según esta variante, dicho espaciador transversal comprende al menos una abertura para permitir una mejor circulación de dicho fluido exterior dentro de la cámara de circulación entre los pares de conductos.
Según esta variante, el fluido exterior se reparte de manera homogénea en dicha cámara de circulación, con el fin de favorecer los intercambios térmicos entre dicho fluido exterior y dicho fluido intermedio que circula en el canal intermedio de las tuberías.
Ventajosamente y según la invención, al menos una tubería de intercambios térmicos - en concreto, cada tubería de intercambios térmicos - comprende al menos un par de conductos anidados cuyos conductos están unidos uno al otro por una varilla de confluencia que se extiende en el canal intermedio entre el conducto interior y el conducto exterior.
Según esta variante, los conductos interior y exterior que juntos forman un par de conductos anidados de la tubería están unidos mecánicamente por al menos una varilla de confluencia que se extiende en el espacio entre conductos entre los conductos para hacer rígido el conjunto formado, de este modo.
Ventajosamente y según la invención, al menos una tubería de intercambios térmicos - en concreto, cada tubería de intercambios térmicos - comprende al menos un par de conductos anidados cilíndricos.
Según esta variante, los conductos son cilíndricos. Un conducto cilíndrico se entiende en el sentido matemático del término, es decir, que un conducto de este tipo es un sólido generado por una recta que se desplaza paralelamente a sí misma sobre una generatriz. Una generatriz de este tipo puede ser cuadrada, circular, ovalada, etc.
Preferentemente, los conductos anidados son cilíndricos de base circular.
Según esta variante, dichos conductos cilíndricos están optimizados para estar dispuestos en una cámara de circulación de fluido que preferentemente es, igualmente, cilíndrica de base circular. En otros términos, el intercambiador de calor forma, entonces, un intercambiador tubular cilíndrico que puede empotrarse en una conducción cilíndrica. De este modo, el intercambiador de calor tubular que comprende una cámara cilíndrica se puede integrar fácilmente dentro de una canalización cilíndrica de circulación de fluido.
Un intercambiador según esta variante de la invención, empotrado en una conducción cilíndrica, permite funcionalizar esta conducción y, por lo tanto, limitar el espacio necesario del intercambiador alojándolo dentro de un equipo ya presente, que libera, de este modo, espacio en el exterior de la conducción.
Según esta variante, la forma cilíndrica de los conductos también permite disminuir los esfuerzos de presión que se ejercen sobre las paredes de los conductos anidados por los fluidos que circulan en el interior y en el exterior de los conductos.
Las tuberías de intercambios térmicos de un intercambiador de calor según la invención también pueden presentar unas formas cualesquiera. De este modo, las tuberías pueden ser, por ejemplo, cilíndricas extendiéndose de manera rectilínea a lo largo de una dirección longitudinal, pero nada impide prever otros modos de realización en los que las tuberías son curvas o dibujan unas espirales o cualquier otra forma.
Ventajosamente y según la invención, al menos una tubería de intercambios térmicos - en concreto, cada tubería de intercambios térmicos - comprende al menos un par de conductos anidados concéntricos.
Esta variante ventajosa permite, en concreto, homogeneizar los esfuerzos que se ejercen sobre los conductos y simplificar las operaciones de anidamiento de los conductos uno en el otro.
Ventajosamente y según la invención, dicho intercambiador de calor comprende, además, una carcasa, delimitando dicha carcasa la cámara de circulación de fluido.
Según esta variante, la cámara del intercambiador está delimitada por una carcasa que comprende al menos una pluralidad de tuberías dispuestas en dicha cámara, de manera que el intercambiador se integre en una canalización, preferentemente cilíndrica.
La invención se refiere, igualmente, a un sistema de enfriamiento de un fluido que presenta una primera temperatura, denominado fluido caliente, por un fluido que presenta una segunda temperatura, denominado fluido frío, que comprende un circuito de fluido caliente adaptado para poder estar alimentado de fluido caliente por una fuente de fluido caliente y un circuito de fluido frío adaptado para poder estar alimentado de fluido frío por una fuente de fluido frío.
Un sistema de enfriamiento según la invención está caracterizado por que comprende, además, un intercambiador de calor según la invención, alimentando dicho circuito caliente dichos canales intermedios y alimentando dicho circuito frío dichos canales interiores y dicha cámara de circulación de dicho intercambiador.
Un sistema de enfriamiento según la invención puede implementarse en todas las aplicaciones que necesitan enfriar un fluido caliente por un fluido frío (enfriamiento de electrónica por un fluido caloportador; enfriamiento de un aire tomado de un motor de propulsión para un sistema de aire acondicionado; etc.). Los fluidos pueden ser de misma naturaleza (aire/aire o líquido/líquido) o de naturaleza diferente (aire/líquido o líquido/aire).
Las ventajas de un intercambiador de calor según la invención se aplican mutatis mutandis a un sistema de enfriamiento según la invención.
Ventajosamente y según la invención, dichos canales intermedios y dichos canales interiores están alimentados a contracorriente por dichos circuitos caliente y frío respectivamente.
Según esta variante, el fluido interior circula en el canal interior de cada tubería a contracorriente del fluido intermedio que circula en el canal intermedio de cada tubería, es decir, que los fluidos circulan cada uno en unas direcciones opuestas. Como variante o en combinación, el fluido exterior puede circular, igualmente, a contracorriente de dicho fluido intermedio.
La invención se refiere, igualmente, a un sistema de aire acondicionado de una cabina de un vehículo de transporte que comprende al menos un sistema de enfriamiento de aire según la invención.
Según esta variante, el circuito de aire caliente está alimentado, por ejemplo, por un aire tomado de un motor de propulsión de la aeronave y dicho circuito de aire frío se toma, por ejemplo, del caudal secundario del motor de la aeronave o en el exterior de la aeronave.
Por supuesto, nada impide utilizar un intercambiador según la invención previendo que el fluido caliente no proceda de una toma de los motores de propulsión de la aeronave, lo que puede ser el caso, por ejemplo, en el marco de sistemas de aire acondicionado eléctricos para los que el aire caliente se obtiene por unos medios de compresión del aire tomado en el exterior de la aeronave.
La invención se refiere, igualmente, a un vehículo de transporte aéreo, ferroviario o automóvil que comprende al menos un motor de propulsión, una cabina y al menos un sistema de aire acondicionado de dicha cabina, caracterizado por que el sistema de aire acondicionado de la cabina es un sistema de aire acondicionado según la invención.
Las ventajas de un sistema de aire acondicionado según la invención se aplican mutatis mutandis a un vehículo de transporte según la invención.
La invención se refiere, igualmente, a un intercambiador de calor, un sistema de enfriamiento de un fluido, un sistema de aire acondicionado y una aeronave, caracterizados en combinación por todo o parte de las características mencionadas más arriba o en lo sucesivo.
Lista de las figuras
Otras finalidades, características y ventajas de la invención aparecerán a la lectura de la siguiente descripción dada a título únicamente no limitativo y que hace referencia a las figuras adjuntas en las que:
[Fig. 1] es una vista esquemática en corte de un intercambiador según un modo de realización de la invención.
[Fig. 2] es una vista esquemática en perspectiva de una pluralidad de tuberías de intercambios térmicos que forman la matriz de intercambios térmicos de un intercambiador según un modo de realización de la invención.
[Fig. 3a] es una vista esquemática en perspectiva delantera de una tubería de un intercambiador según un modo de realización de la invención.
[Fig. 3b] es una vista esquemática en perspectiva trasera de una tubería de un intercambiador según un modo de realización de la invención.
[Fig. 4a] es una vista esquemática en perspectiva delantera de una tubería de un intercambiador según otro modo de realización de la invención.
[Fig. 4b] es una vista esquemática en perspectiva trasera de una tubería de un intercambiador según otro modo de realización de la invención.
[Fig. 5] es una vista esquemática de una matriz de intercambios térmicos de un intercambiador según un modo de realización de la invención.
[Fig. 6] es una vista esquemática de una matriz de intercambios térmicos de un intercambiador según un modo de realización de la invención.
[Fig. 7] es una vista esquemática de una aeronave según un modo de realización de la invención.
Descripción detallada de un modo de realización de la invención
En las figuras, las escalas y las proporciones no se respetan estrictamente y esto, con unos fines de ilustración y de claridad. En toda la descripción detallada que sigue con referencia a las figuras, salvo indicación contraria, cada elemento del intercambiador de calor tubular se describe tal como está dispuesto cuando el intercambiador está alojado en una conducción de circulación de aire que se extiende a lo largo de una dirección, denominada dirección longitudinal, que coincide con la dirección a lo largo de la que se extienden las tuberías de intercambios térmicos del intercambiador. Esta configuración se representa, en concreto, en la figura 1.
Además, los elementos idénticos, similares o análogos se designan por las mismas referencias en todas las figuras.
En toda la continuación, la descripción considera que el intercambiador de calor está instalado dentro de un sistema de aire acondicionado, entendiéndose que el intercambiador se puede utilizar para otras aplicaciones que no sean el enfriamiento de un aire a alta temperatura, tomado, por ejemplo, de un motor de propulsión de una aeronave.
La figura 1 ilustra de manera esquemática un intercambiador de calor tubular 10 empotrado en una conducción de circulación de aire 23. El intercambiador puede comprender una carcasa empotrada en la conducción 23.
El intercambiador 10 comprende, además, una matriz de intercambios térmicos 30, alojada en una cámara de circulación de fluido 20 y formada por una pluralidad de tuberías de intercambios térmicos 31 que se extienden según una dirección longitudinal 70, que coincide, por ejemplo, con la dirección a lo largo de la que se extiende la conducción 23.
La cámara 20 está alimentada por un aire llevado a una primera temperatura. Este aire es, por ejemplo, un aire tomado en el exterior de la aeronave. Este aire fresco está representado esquemáticamente por la flecha referenciada 72a en la figura 1.
Las tuberías de intercambios térmicos 31 presentan, en el modo de realización de las figuras 2, 3a, 3b, 5 y 6, una forma de Y, formando la base de la Y un distribuidor de alimentación de canales intermedios 50, que forman las ramas de la Y, de un aire intermedio llevado a una segunda temperatura, distinta de la temperatura del aire que alimenta la cámara 20. Este aire intermedio es, por ejemplo, uno aire caliente tomado de los motores de propulsión de la aeronave. Este aire caliente está representado esquemáticamente por la flecha referenciada 71 en la figura 1.
Las tuberías 31 están configuradas, igualmente, para presentar unos canales interiores alimentados de un aire fresco, que puede ser el mismo aire que el que alimenta la cámara 20. Este aire está representado esquemáticamente por la flecha 72b en la figura 1. Según otro modo de realización, los canales interiores pueden estar alimentados por un aire llevado a otra temperatura distinta de las temperaturas del aire exterior y del aire intermedio.
La figura 2 ilustra de manera más detallada una porción de la matriz de intercambios térmicos de un intercambiador según la invención. Cada tubería comprende dos pares 32; 33 de conductos concéntricos conjugados unidos a un distribuidor de fluido intermedio 50. El distribuidor 50 comprende una entrada de fluido intermedio 51 alimentada por un sistema de alimentación no representado en detalle en las figuras y dos salidas de fluido 52 que permiten alimentar los canales intermedios 32d y 33d de los pares 32; 33 de conductos anidados uno en el otro. Los dos pares 32, 33 de conductos están unidos entre sí mediante un espaciador transversal 40 que comprende, además, una abertura 41 que permite el paso del aire que circula en la cámara 20.
Las figuras 3a y 3b ilustran una tubería en forma de Y 31. La tubería en forma de Y 31 se puede fabricar por un sistema de impresión aditiva, tal como una impresora 3D.
Tal como se ilustra en estas figuras, la tubería en forma de Y 31 comprende dos pares 32; 33 de conductos anidados uno en el otro, que son, igualmente, concéntricos en el modo de realización de las figuras. Cada par de conducto está formado por dos conductos anidados, respectivamente un conducto interior 32a; 33a y un conducto exterior 32b; 33b.
Los conductos interiores 32a; 33a delimitan un canal interior de circulación del aire interior 32c; 33c, que es, por ejemplo, un aire frío.
El espacio entre conductos formado por el conducto interior 32a; 33a y el conducto exterior 32b; 33b delimita un canal intermedio de circulación de un aire intermedio 32d; 33d, que es, por ejemplo, un aire caliente.
El conducto exterior 32b; 33b está unido a las dos salidas de fluido 52 del distribuidor 50, de modo que el fluido intermedio que alimenta al distribuidor por la entrada 51 se distribuye a los canales intermedios 32d; 33d.
El canal interior 32c; 33c de cada par de conductos desemboca en la cámara de circulación de fluido 20, de modo que el flujo de aire que circula en el canal interior es el flujo de aire que circula en la cámara 20. Para hacer esto, las salidas 52 del distribuidor 50 unidas a los conductos externos 32b; 33b están atravesadas por el conducto interno 32a; 33a que desemboca directamente en la cámara de circulación de fluido 20, de modo que la cámara 20 y los canales interiores están alimentados por el mismo flujo de aire fresco.
La matriz 30 está formada por tuberías en forma de Y 31 cuyos pares 32; 33 de conductos concéntricos conjugados son paralelos entre sí. Las tuberías en forma de Y 31 están asociados unas a las otras para formar una capa de tuberías 31. Se pueden apilar varias capas unas sobre las otras para constituir una red de matriz de tuberías 31 dentro de una cámara 20 para formar la matriz 30. Las capas de tuberías en forma de Y 31 se pueden apilar, de modo que las entradas 51 del conjunto de distribuidores 50 estén escalonadas unas con respecto a las otras; creando, de este modo, unos espacios para el paso del fluido exterior que circula en la cámara 20.
Las figuras 4a y 4b ilustran una tubería según otro modo de realización de la invención. En este modo de realización, la tubería comprende un distribuidor 50 y tres pares 32, 33, 34 de conductos anidados uno en el otro. Además, el distribuidor 50 alimenta en paralelo los tres pares 32, 33, 34 de conductos a partir de una sola alimentación del distribuidor.
Según otros modos de realización no representados, una tubería puede comprender cuatro pares de conductos anidados o más.
En la figura 5, se distingue a ambos lados de la entrada 51 del distribuidor 50, los canales interiores 32c y 33c en los que circula el fluido interior que alimenta, igualmente, la cámara 20 en la que se aloja la matriz de intercambios térmicos 30 y no representada en esta figura.
La figura 6 ilustra de manera esquemática los pares 32; 33 de conductos anidados y, en concreto, los conductos exteriores 32b y 33b que están unidos entre sí por el espaciador transversal 40.
El intercambiador de calor 10 puede estar integrado según este modo de realización en un sistema de aire acondicionado 62. Además, las tuberías 31 tales como se ilustran son cilíndricas y permiten, de este modo, obtener una matriz cilíndrica 30 que puede alojarse en una cámara 20 delimitada por una carcasa cilíndrica, que puede integrarse en una canalización de circulación de aire cilíndrica y, en concreto, en un sistema de aire acondicionado 62 que equipa una aeronave 60.
Tal como se ha ilustrado por la figura 7, el sistema de aire acondicionado 62 comprende un circuito caliente y un circuito frío destinado a alimentar el intercambiador tubular según la invención. El fluido intermedio es el fluido vehiculado por el circuito caliente y es, por ejemplo, un aire tomado de los motores de propulsión 61 de la aeronave. El circuito frío que permite proporcionar el fluido interior y el fluido exterior es, por ejemplo, un circuito de aire tomado del caudal secundario del motor o un aire tomado en el exterior de la aeronave.
El intercambiador de calor tubular 10 puede empotrarse directamente en una canalización de circulación de aire y, en concreto, en un sistema de aire acondicionado 62 que equipa una aeronave 60. Según este modo de realización, el espacio necesario del intercambiador 10 está, de este modo, limitado teniendo al mismo tiempo una superficie de intercambios térmicos aumentada con un sistema de conductos anidados que permiten un doble intercambio térmico.
La presente invención se ha descrito en relación con una aplicación aeronáutica, en particular, para un sistema de aire acondicionado de una cabina de aeronave.
Siendo esto así, se puede implementar un intercambiador de calor según la invención, no solamente en el marco de los sistemas de aire acondicionado de un vehículo de transporte, tal como una aeronave, sino, igualmente, en cualesquiera tipos de sistemas de enfriamiento que necesitan el enfriamiento de un fluido caliente procedente de una fuente de fluido caliente por un fluido frío procedente de una fuente de fluido frío.
A este respecto, un intercambiador de calor según la invención puede equipar, no solamente unos sistemas tales como se describen en la solicitud EP3342709 a nombre del solicitante, sino, igualmente, unos sistemas tales como se describen en las solicitudes EP3190282, WO201634830, EP3392146, WO2018122334, FR2894563 o FR3051894. Por supuesto, esta lista no es limitativa y no se cita más que para permitir que el experto en la materia perciba el potencial de aplicación de un intercambiador de calor según la invención.
Claims (13)
1. Intercambiador de calor (10) que comprende:
- una cámara de circulación de fluido (20) que comprende una entrada de fluido (21) y una salida de fluido (22) destinada a estar alimentada por un primer fluido, denominado fluido exterior, llevado a una primera temperatura, - una matriz de intercambios térmicos (30) alojada en dicha cámara de circulación (20) y formada por una pluralidad de tuberías de intercambios térmicos (31) que comprenden cada una al menos un par (32; 33) de conductos anidados uno en el otro, denominados respectivamente conducto interior (32a; 33a) y conducto exterior (32b; 33b) que se extienden a lo largo de una dirección, denominada dirección longitudinal (70) y que definen:
o un canal de circulación de un fluido, denominado canal interior (32c; 33c), delimitado por dicho conducto interior (32a; 33b) y adaptado para poder estar alimentado por un segundo fluido, denominado fluido interior, llevado a una segunda temperatura y
o un canal de circulación de un fluido, denominado canal intermedio (32d; 33d), delimitado por el espacio entre conductos entre dicho conducto interior (32a; 33a) y dicho conducto exterior (32b; 33b) y adaptado para poder estar alimentado por un tercer fluido, denominado fluido intermedio, llevado a una tercera temperatura, distinta de dicha primera temperatura,
caracterizado por que al menos una tubería de intercambios térmicos (31) comprende al menos dos pares (32; 33) de conductos anidados, estando dichos pares unidos entre sí por al menos un espaciador transversal (40).
2. Intercambiador de calor según la reivindicación 1, caracterizado por que al menos una tubería de intercambios térmicos (31) comprende al menos dos pares (32; 33) de conductos anidados cuyos dichos canales intermedios (32d; 33d), están alimentados por un mismo distribuidor de fluido intermedio (50).
3. Intercambiador de calor según la reivindicación 2, caracterizado por que al menos un conducto interior (32a; 33a) de al menos un par (32; 33) de conductos anidados atraviesa dicho distribuidor de fluido intermedio (50).
4. Intercambiador de calor según la reivindicación 3, caracterizado por que al menos un conducto interior (32a; 33a) de al menos un par (32; 33) de conductos anidados atraviesa dicho distribuidor de fluido intermedio (50) y desemboca en dicha cámara de circulación (20).
5. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que al menos un espaciador transversal (40) comprende al menos una abertura (41) configurada para permitir el paso de dicho fluido exterior entre dichos pares de conductos anidados unidos por este espaciador según una dirección que presenta un ángulo comprendido entre 0° y 90° con respecto a dicha dirección longitudinal (70).
6. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que al menos una tubería de intercambios térmicos (31) comprende al menos un par de conductos anidados cuyos conductos están unidos uno al otro por una varilla de confluencia que se extiende en el canal intermedio entre el conducto interior y el conducto exterior.
7. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que al menos una tubería de intercambios térmicos (31) comprende al menos un par (32; 33) de conductos anidados cilíndricos.
8. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que al menos una tubería de intercambios térmicos (31) comprende al menos un par de conductos anidados concéntricos.
9. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que comprende, además, una carcasa que aloja dichas tuberías de intercambios térmicos, delimitando dicha carcasa la cámara de circulación de fluido (20).
10. Sistema de enfriamiento de un fluido que presenta una primera temperatura, denominado fluido caliente, por un fluido que presenta una segunda temperatura, denominado fluido frío, que comprende un circuito de fluido caliente adaptado para poder estar alimentado de fluido caliente por una fuente de fluido caliente y un circuito de fluido frío adaptado para poder estar alimentado de fluido frío por una fuente de fluido frío, caracterizado por que comprende, además, un intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 9, alimentando dicho circuito caliente dichos canales intermedios y alimentando dicho circuito frío dichos canales interiores y dicha cámara de circulación de dicho intercambiador.
11. Sistema de enfriamiento según la reivindicación 10, caracterizado por que dichos canales intermedios y dichos canales interiores están alimentados a contracorriente por dichos fluidos caliente y frío respectivamente.
12. Sistema de aire acondicionado de una cabina de un vehículo de transporte que comprende al menos un sistema de enfriamiento de aire de acuerdo con la reivindicación 10 u 11.
13. Vehículo de transporte aéreo, ferroviario o automóvil que comprende al menos un motor de propulsión (61), una cabina y al menos un sistema de aire acondicionado de dicha cabina, caracterizado por que el sistema de aire acondicionado de la cabina es un sistema de aire acondicionado (62) según la reivindicación 12.
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