BR102013029900A2

BR102013029900A2 - Trocador de calor interno para sistema de condicionamento de ar

Info

Publication number: BR102013029900A2
Application number: BRBR102013029900-6A
Authority: BR
Inventors: Matt Garrisi; Charles Thrift; Dominik Kempf; Denny Liers
Original assignee: Ti Automotive Engineering Ct Heidelberg Gmbh
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2014-09-23
Also published as: JP2014115074A; DE202013011854U1; EP2735835A2; US20140151004A1; EP2735835A3; KR20140067929A; CN103836843A

Abstract

RESUMO Patente de Invenção: "TROCADOR DE CALOR INTERNO PARA SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR". A presente invenção refere-se a um trocador de calor interno para um sistema de condicionamento de ar, compreendendo um tubo externo e uma estrutura em linha disposta dentro do tubo externo, definindo um primeiro canal de fluxo sinuoso em serpentina, sendo que o segundo canal de fluxo é formado entre o tubo externo e a estrutura em linha. O primeiro canal de fluxo é formado por componentes extrudados unidos um ao outro para formar uma estrutura unitária inserida no segundo canal de fluxo que inclui elementos de canal opostos que definem uma trajetória em serpentina e dois invólucros colados nos elementos de canal definindo os lados da trajetória de fluxo e tendo aletas que se estendem perpendiculares à base disposta no segundo canal de fluxo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TROCADOR DE CALOR INTERNO PARA SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR".

A invenção refere-se a um trocador de calor interno para um sistema de condicionamento de ar, compreendendo um tubo externo e uma estrutura em linha disposta dentro do tubo externo, em que a estrutura em linha inclui um primeiro canal de fluxo, e em que um segundo canal de fluxo é formado entre o tubo externo e a estrutura em linha.

Um trocador de calor interno como esse é conhecido do documento DE 10 2007 015 186 Al. Um trocador de calor interno integrado no circuito refrigerante de um sistema de condicionamento de ar torna possível aumentar a eficiência de um sistema de condicionamento de ar pela transferência do calor do refrigerante de seu lado de pressão alta para o lado de pressão baixa. O refrigerante é líquido no lado de pressão alta, e gasoso no lado de pressão baixa, em que o refrigerante no lado de pressão alta é encaminhado através do primeiro canal de fluxo, e o refrigerante no lado de pressão baixa é encaminhado através do segundo canal de fluxo. Devido à pressão baixa e ao estado gasoso, o refrigerante encaminhado através do segundo canal de fluxo exibe uma capacidade de absorção de calor comparativamente pequena, que limita de forma geral a capacidade de transferência do trocador de calor interno.

Na maior parte do tempo, tanto o tubo externo que forma o segundo canal de fluxo quanto a estrutura em linha que forma o primeiro canal de fluxo dispostos dentro do tubo externo são projetados com uma seção transversal circular, em que o comprimento do tubo externo e a estrutura em 25 linha tubular são idênticas. Como o trocador de calor interno é designado para instalação em sistemas de condicionamento de ar móveis, por exemplo, em um veículo, é problemático que o tamanho, em particular o comprimento do trocador de calor interno, seja limitado. Por esse motivo, a capacidade de transferência de calor no geral também é limitada.

Essa descrição proporciona um trocador de calor interno que e

xibe uma alta capacidade de transferência de calor ao mesmo tempo em que tem um modelo compacto. Sob esse aspecto, o primeiro canal de fluxo tem uma configuração sinuosa, em serpentina. É vantajoso que o comprimento de tubo efetivo utilizável com propósitos de troca de calor possa ser significativamente aumentado dentro do trocador de calor interno. O resultado é que a capacidade de transferência de calor do trocador de calor aumenta, 5 enquanto seu comprimento geral permanece baixo. Ao mesmo tempo, a configuração sinuosa do primeiro canal do primeiro canal de fluxo proporciona um modelo estrutural particularmente compacto para o trocador de calor interno, tornando este último especialmente adequado para instalação em um sistema de condicionamento de ar móvel, por exemplo, em um veículo.

O exterior da estrutura em linha que forma o primeiro canal de

fluxo inclui nervuras condutoras de calor. As nervuras condutoras de calor procedem preferivelmente da estrutura que forma o primeiro canal de fluxo centralizadamente no tubo externo e se estende na direção da parede interna do tubo externo. As nervuras condutoras de calor se estendem Iongitudi15 nalmente com relação ao tubo externo, perpendiculares à estrutura em linha que forma o primeiro canal de fluxo, de modo que o fluido guiado no segundo canal de fluxo flui ao longo das nervuras condutoras de calor, e absorve o calor emitido pelas nervuras condutoras de calor. Elas aumentam a superfície externa da estrutura em linha do primeiro canal de fluxo, aumentando 20 assim a capacidade de transferência de calor. As nervuras condutoras de calor estão integradas com a estrutura que forma o primeiro canal de fluxo, de modo que o calor possa ser diretamente transferido do fluido transportado pelo primeiro canal de fluxo para as nervuras condutoras de calor.

As nervuras condutoras de calor podem se estender para a regi25 ão da parede interna do tubo externo. Entretanto, a fim de simplificar a instalação, as nervuras condutoras de calor são projetadas de maneira a não tocar a parede interna do tubo externo. Uma folga vantajosamente ergue-se entre as nervuras condutoras de calor e a parede interna do tubo externo, em que a largura da folga mede preferivelmente entre 0,5mm e 2,5mm, pre30 ferivelmente 1,5mm. É especialmente vantajoso nessa modalidade que as nervuras condutoras de calor se estendam quase completamente através do segundo canal de fluxo. O resultado é que se formam canais entre as nervuras condutoras de calor, e uma transferência de calor particularmente efetiva é provocada. Ao mesmo tempo, as nervuras condutoras de calor, daí a estrutura em linha como tal, estão separadas da parede interna do tubo externo de maneira tal que a estrutura em linha possa ser facilmente instalada através da inserção no tubo externo.

A estrutura em linha que forma o primeiro canal de fluxo consiste de múltiplas partes. Isso aumenta o potencial de fabricação da estrutura em linha, uma vez que o primeiro canal de fluxo tem um formato complexo devido à sua configuração sinuosa, em serpentina.

A estrutura em linha pode incluir invólucros que são dotados pe

lo menos com nervuras condutoras de calor, e interconectados por meio de elementos de canal. A fim de fabricar uma estrutura em linha desse tipo, os invólucros e elementos de canal são primeiramente preparados e fabricados, por exemplo, por extrusão. As nervuras condutoras de calor são formadas 15 no invólucro de uma maneira materialmente uniforme como uma peça inteiriça. Uma superfície plana do invólucro forma uma parede interna do primeiro canal de fluxo, seção por seção. Como conseqüência, a formação da parte lateral do invólucro determina a forma do canal de fluxo.

Os elementos de canal são preferivelmente em forma de alvéolo 20 com projeções espaçadas. Dois elementos de canal são preferivelmente colocados frente a frente relativamente às paredes transversais, o que estabelece a forma sinuosa em serpentina por um lado, e também, por outro lado, forma paredes limítrofes laterais do primeiro canal de fluxo. Os elementos de canal incluem uma base plana que forma as paredes limítrofes laterais do 25 primeiro canal de fluxo, e tem projeções em forma de agulha situadas na mesma. Para se fabricar a estrutura em linha e o primeiro canal de fluxo, dois elementos de canal estão dispostos voltados um para o outro, em que as projeções estão frente a frente. O deslocamento lateral dos elementos de canal proporciona a estrutura sinuosa.

O primeiro canal de fluxo formado pela estrutura em linha pode

exibir uma seção transversal que é retangular, pelo menos em partes. Um canal como esse é fácil de fabricar, e tem uma área de superfície maior que um canal circular.

Os elementos da estrutura em linha podem consistir em um material metálico. Em particular, materiais que são fáceis de processar e têm uma alta condutividade térmica são considerados. Esses materiais vantajo5 sos incluem ligas de alumínio, que apresentam, por um lado, alta condutividade térmica e, por outro lado, podem ser processadas por extrusão, tornando a estrutura em linha simples e eficiente quanto ao custo de fabricação.

Os elementos da estrutura em linha podem ser materialmente colados um no outro. Dessa forma, é possível juntar os elementos através de colagem ou soldagem adesiva. A colagem material permite uma conexão compacta e durável dos elementos, a fim de evitar vazamentos. Além disso, o método é simples e eficiente em relação ao custo.

A estrutura em linha pode ser inserida no tubo externo. Isso faz o trocador de calor interno particularmente simples de fabricar.

As faces de extremidade opostas da estrutura em linha podem ter encaixes de tubo para o primeiro canal de fluxo de modo a transportar um fluxo através do primeiro canal de fluxo. O encanamento no lado de pressão alta do sistema de ar condicionado pode estar enganchado até onde nesses encaixes de tubo.

O tubo externo pode estar fechado com uma tampa em cada face de extremidade, em que cada uma inclui uma junta de cano para conexão entre o encanamento do sistema e o segundo canal de fluxo. O encanamento no lado de pressão baixa do sistema de ar condicionado pode estar en25 ganchado nesses encaixes de tubo. As tampas preferivelmente mostram também um furo vazado para um encanamento conectado aos encaixes de cabo conectados ao primeiro canal de fluxo. O furo vazado é projetado aqui de maneira a evitar vazamento. Como conseqüência, os encaixes de cano formam elementos conectores para integrar o trocador de calor interno ao 30 sistema de condicionamento de ar.

O diâmetro interno do tubo externo mede preferivelmente entre 25mm e 35mm. A largura do primeiro canal de fluxo mede preferivelmente entre 3,5mm e 5,5mm. Essas dimensões proporcionam um trocador de calor interno compacto, o qual é especialmente bem adequado para integração em um sistema de condicionamento de ar móvel de um veículo. Ao mesmo tempo, entretanto, a capacidade de transferência de calor é alta, em torno de 5 600W (watts), proveniente de uma extensão de aproximadamente 500mm para o trocador de calor.

O trocador de calor interno de acordo com a invenção é preferivelmente usado em um sistema de condicionamento de ar móvel, em particular em um sistema de condicionamento de ar para veículo. O modelo es10 trutural compacto, o formato tubular e alta capacidade de transferência de calor fazem o trocador de calor interno de acordo com a invenção especialmente apropriada para integração em um sistema de condicionamento de ar móvel de um veículo.

Diversas modalidades do trocador de calor interno de acordo com a invenção serão descritos em maior detalhe a seguir com referência aos desenhos anexos, os quais ilustram de forma esquemática:

A Figura 1 - o circuito de condicionamento de ar de um sistema de condicionamento de ar móvel com um trocador de calor interno;

A Figura 2 é uma seção transversal do trocador de calor interno; A Figura 3 é uma primeira vista em perspectiva explodida do tro

cador de calor interno;

A Figura 4 é uma segunda vista em perspectiva explodida do trocador de calor interno;

A Figura 5 é uma terceira vista em perspectiva explodida do trocador de calor interno;

A Figura 6 é uma quarta vista em perspectiva explodida do trocador de calor interno;

A Figura 7 é uma vista em perspectiva do trocador de calor interno montado.

A Figura 1 apresenta uma vista esquemática do circuito de con

dicionamento de ar de um sistema de condicionamento de ar móvel 2, em particular o sistema de condicionamento de ar de um veículo. O sistema de condicionamento de ar consiste em um arranjo de encanamento de circuito fechado entre componentes de sistema, no qual circula um refrigerante. O refrigerante é comprimido por um compressor 17, e flui para um condensador 18, onde o refrigerante é liqüefeito. Após sair do condensador, o refrige5 rante se encontra no estado líquido, e apresenta uma temperatura de 300C a 50°C (centígrados) a uma pressão de (7 bar a 15 bar) (barômetros). O refrigerante liqüefeito é fornecido neste momento para o primeiro canal de fluxo 5 do trocador de calor interno 1 de acordo com a invenção, onde o refrigerante que sai do condensador 18 libera calor para o refrigerante gasoso que 10 está saindo do evaporador 20 passa através do segundo fluxo de canal 6. O refrigerante líquido então flui para o interior da válvula de expansão 19, onde a pressão de refrigerante é reduzida. O refrigerante absorve calor no evaporador 20, onde ele é evaporado e se torna então gasoso. O refrigerante gasoso, aquecido, tem uma temperatura de -1 qC a 15°C a uma pressão de (2,5 15 bar a 4 bar). O refrigerante gasoso flui através do segundo fluxo de canal 6 do trocador de calor interno 1, e absorve calor do refrigerante líquido encaminhado ao longo do primeiro canal de fluxo 5.

A Figura 2 mostra uma vista em corte do trocador de calor interno 1 para um sistema de condicionamento de ar 2, em particular para um 20 sistema de condicionamento de ar móvel para uso em um veículo. O trocador de calor interno 1 é tubular quanto ao modelo, e abrange um tubo externo 3 e uma estrutura em linha 4 disposta dentro do tubo externo 3. A estrutura em linha 4 é mostrada inserida no tubo externo 3.

A estrutura em linha 4 forma um primeiro canal de fluxo 5. O se25 gundo canal de fluxo 6 é formado entre o tubo externo 3 e a estrutura em linha 4. A estrutura em linha 4 é configurada aqui de maneira tal que o primeiro canal de fluxo 5 tenha um modelo sinuoso em serpentina de configuração em corte retangular. O diâmetro interno do tubo externo 3 mede 30mm, e a largura do primeiro canal de fluxo 5 mede 4,5mm.

Cada uma das Figuras 3 a 6 apresenta vistas em perspectiva

explodidas do trocador de calor interno 1 de acordo com a invenção em vários estágios de montagem. Como é evidente a partir das figuras, o lado de fora da estrutura em linha 4 exibe nervuras condutoras de calor 7, que se estendem a partir das porções da estrutura em linha 4 que formam o primeiro fluxo de canal 5 para o interior da região da superfície de parede interna do tubo externo 3. As nervuras condutoras de calor 7 se estendem Iongitudi5 nalmente ao longo da direção de fluxo do segundo canal de fluxo de modo que o refrigerante encaminhado através do segundo canal de fluxo 6 flua ao longo das nervuras condutoras de calor 7 e absorva calor.

A distância entre as bordas externas das nervuras condutoras de calor 7 e a parede interna 8 do tubo externo 3 é selecionada aqui de maneira que a estrutura em linha 4 possa ser facilmente instalada através da inserção. A distância nessa modalidade mede 1,5mm.

Como é mostrado nas Figuras 3 a 5, a estrutura em linha 4 consiste em múltiplas partes, e inclui dois invólucros 9 dotados das nervuras condutoras de calor 7 que se estendem perpendicularmente a uma base e 15 são unidas uma à outra por dois elementos de canal 10. Pelo fato das nervuras 7 serem perpendiculares a uma base, as nervuras têm comprimento variável para acompanhar a forma da superfície de parede cilíndrica do tubo externo 3.

Os elementos de canal 10 são projetados em forma de alvéolo, e 20 unidos à base de cada invólucro 9 nas superfícies superior e inferior dos eIementos de canal. Os elementos de canal 10 incluem projeções 16, em que os elementos de canal 10 são unidos pelos invólucros aos elementos de canal desnivelados entre si de uma maneira tal que proporciona a estrutura sinuosa em serpentina que forma o primeiro canal de fluxo 5.

A estrutura em linha 4 que define o primeiro canal de fluxo 5

compreende, desta forma, múltiplos componentes colados juntos para formar uma estrutura unitária. Esses componentes incluem dois invólucros 9 cada um com uma superfície de base plana. As nervuras 7 se estendem perpendicularmente a cada base. A estrutura em linha 4 inclui ainda dois 30 elementos de canal 10 que incluem uma série de projeções espaçadas 16 que definem uma série de paredes paralelas unidas por paredes semicirculares curvas. Como se vê melhor na Figura 2, os elementos de canal 10 estão dispostos com as projeções 16 de um elemento de canal 10 encaixadas entre as projeções 16 do outro elemento de canal 10 para formar o primeiro canal de fluxo em serpentina 5. Isto é, as extremidades das projeções espa5 çadas 16 de um elemento de canal 10 estão dispostas voltadas para o centro das superfícies de parede curva semicilíndricas do outro elemento de canal 10.

A superfície plana da base de cada invólucro 9 está colada em uma das paredes laterais dos elementos de canal opostos 10 para formar o primeiro canal de fluxo 5 impermeável a fluido.

Os elementos da estrutura em linha 4, os invólucros 9 e os elementos de canal 10 podem consistir de um material metálico, nessa modalidade exemplificativa uma liga de alumínio formada por um processo de extrusão. Os elementos 9 e 10 da estrutura em linha 4 estão firmemente cola15 dos um ao outro por meio de uma conexão soldada. Outros materiais e processos de fabricação podem ser usados.

As faces de extremidade opostas 11 da estrutura em linha 4 incluem conexões de cano 27 para receber tubos 12 do sistema de condicionamento de ar 2 em relação impermeável a fluido. Os encaixes de cano 27 20 recebem uma extremidade de um cano 12 em relação impermeável a fluido e se comunicam com o primeiro canal de fluxo 5 de modo a poder transportar um fluxo através do primeiro canal de fluxo 5.

As extremidades do tubo externo 3 são fechados com tampas 14 que incluem encaixes de cano 15 que se comunicam com o segundo canal 25 de fluxo 6. Os encaixes de cano 15 recebem cada um uma extremidade de tubo do cano 22 em relação impermeável a fluido para transportar fluxo para o segundo canal de fluxo 6 e vindo do mesmo. As tampas 14 também incluem passagens 23 através das quais se estendem em relação impermeável a fluido os canos 12 do sistema conectado ao primeiro canal de fluxo 5.

A Figura 7 apresenta uma vista espacial do trocador de calor in

terno 1. O trocador de calor 1 é tubular no desenho, e tem uma capacidade de transferência de calor de 600 W a um diâmetro de 40mm e comprimento de 130mm. O resultado é que o trocador de calor interno 1 é adequado para integração a um sistema de condicionamento de ar móvel 2.

Variações e modificações do que foi dito estão dentro do escopo da presente invenção. Entende-se que a invenção divulgada e definida aqui 5 se estende a todas as combinações alternativas de duas ou mais características individuais mencionadas ou evidentes a partir do texto e/ou desenhos. Todas essas diferentes combinações constituem vários aspectos alternativos da presente invenção. As modalidades descritas aqui explicam os melhores modos conhecidos para pôr em prática a invenção e vão permitir que outros 10 especialistas na técnica utilizem a invenção. As reivindicações devem ser interpretadas como inclusivas de modalidades alternativas até o ponto permitido pela técnica anterior.

Claims

1. Trocador de calor interno para um sistema de condicionamento de ar, compreendendo um tubo externo e uma estrutura em linha disposta dentro do tubo externo, em que a estrutura em linha inclui um primeiro canal de fluxo, e em que um segundo canal de fluxo é formado entre o tubo externo e a estrutura em linha, caracterizado pelo fato de que o primeiro canal de fluxo tem uma configuração sinuosa.

2. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, em que o referido primeiro canal de fluxo tem uma configuração em serpentina.

3. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o lado de fora da estrutura em linha inclui nervuras condutoras de calor.

4. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as nervuras condutoras de calor se estendem até a região da parede interna do tubo externo.

5. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura em linha consiste de múltiplas partes.

6. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura em linha interconectada por meio de elementos de canal inclui invólucros e é dotada de nervuras condutoras de calor.

7. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que existem dois elementos de canal que são em forma de alvéolo com projeções que definem uma série de paredes paralelas unidas por paredes curvas semicirculares.

8. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a referida projeção de um elemento de canal está espaçada entre a projeção do outro elemento de canal.

9. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os elementos da estrutura em linha consistem de material metálico.

10. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os elementos da estrutura em linha estão firmemente colados um no outro.

11. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura em linha está inserida no tubo externo.

12. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as faces da estrutura em linha acomodam encaixes de cano, em que os encaixes de cano estão conectados com o primeiro canal de fluxo de modo a poder transportar um fluxo.

13. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as faces do tubo externo estão fechadas com uma tampa respectiva, em que as tampas apresentam juntas de cano, que estão conectadas ao primeiro canal de fluxo e ao segundo canal de fluxo.

14. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o diâmetro interno do tubo externo mede entre 25mm e 35mm.

15. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a largura do primeiro canal de fluxo mede entre 3,5mm e 5,5mm.

16. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro canal de fluxo inclui pelo menos seções tendo uma seção transversal que é retangular.

17. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ele é projetado para uso em um sistema de condicionamento de ar móvel.

18. Trocador de calor interno, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o referido primeiro canal de fluxo tem um corte transversal que é retangular.