BR102016025292A2 - evaporador para evaporação de um primeiro fluido por meio do calor provido por um segundo fluído e sistema de recuperação de calor para veículos de combustão interna - Google Patents

Abstract

evaporador para evaporação de um primeiro fluido por meio do calor provido por um segundo fluído e sistema de recuperação de calor para veículos de combustão interna a presente invenção é um evaporador de fluxo cruzado adaptado para gerar vapor a partir do calor de gases de escape de um motor de combustão interna. o evaporador é constituído, dentre outros elementos, por duas chapas afastadas uma da outra, as quais contêm câmaras. os tubos de troca de calor se comunicam alternadamente com as câmaras de ambas as chapas, estabelecendo um caminho específico para o fluido destinado à mudança de fase. os tubos que se estendem entre as câmaras das duas chapas são dispostos transversalmente em relação ao fluxo do gás quente. esse evaporador é apropriado para sistemas de recuperação de calor usando um ciclo de rankine, fazendo uso do calor dos gases de escape. a invenção é caracterizada por uma configuração especial das paredes, o que impede a falha por rachadura ou dano causado como resultado da expansão diferencial entre os tubos trocadores e as ditas paredes.

Description

EVAPORADOR PARA EVAPORAÇÃO DE UM PRIMEIRO FLUIDO POR MEIO DO CALOR PROVIDO POR UM SEGUNDO FLUÍDO E SISTEMA DE RECUPERAÇÃO DE CALOR PARA VEÍCULOS DE COMBUSTÃO

INTERNA

Objetivo da invenção [0001] A presente invenção diz respeito a um evaporador de fluxo cruzado adaptado para gerar vapor a partir do calor de gases de escape de um motor de combustão interna. O evaporador é constituído, dentre outros elementos, de duas chapas afastadas uma da outra, as quais contem câmaras. Os tubos de troca de calor se comunicam alternadamente com as câmaras de ambas as chapas, estabelecendo um caminho específico para o fluido destinado às mudanças de fase. Os tubos que se estendem entre as câmaras de duas chapas são dispostos transversalmente em relação ao fluxo do gás quente.

[0002] Esse evaporador é adaptado para sistemas de recuperação de calor usando um ciclo de Rankine, fazendo uso do calor dos gases de escape.

[0003] A invenção é caracterizada por uma configuração especial das paredes, o que impede a falha por rachadura ou dano causado como resultado da expansão diferencial entre os tubos trocadores e as ditas paredes.

Fundamentos da Invenção [0004] Trocadores de calor são dispositivos destinados à transferência de calor a partir de um primeiro fluido quente para um segundo fluido, o qual está inicialmente em uma temperatura mais baixa.

[0005] Um caso específico de trocadores de calor são aqueles destinados para arrefecimento do gás de escape quente para sistemas de EGR (recirculação de gás de escape) através de um líquido de arrefecimento. Esse tipo de trocadores de calor deve superar problemas técnicos específicos, devido às alterações de temperatura em seus diferentes componentes.

[0006] Os intervalos de variação de temperatura vão a partir de seu estado de repouso, onde todos os componentes estão em temperatura ambiente, para seu modo de operação, onde os gases de entrada podem atingir mais de 600 graus centígrados, produzindo diferenças significativas na temperatura em diferentes peças do dispositivo.

[0007] A estrutura desse tipo de trocadores é configurada como um feixe de tubos para troca de calor através do qual o ar quente circula, e esse feixe de tubos é alojado em um invólucro, através da qual circula o líquido de arrefecimento.

[0008] Se o líquido de arrefecimento entra e sai aproximadamente em pontos do invólucro localizados próximos às extremidades do feixe de tubos, então os fluxos de gás e líquido circulam aproximadamente de acordo com a direção paralela, seja corrente ou contracorrente.

[0009] Problemas causados pela expansão termal são resolvidos através do uso de coletores intermediários, os quais recebem ou distribuem o gás quente, o qual possui, por sua vez, estruturas sanfonadas que compensam a expansão diferencial entre o feixe de tubos, em contato com o gás quente, e o invólucro, em contato com o líquido de arrefecimento.

[0010] Um tipo diferente de trocador de calor é o que consiste de evaporadores. Evaporadores são trocadores de calor projetados a transferir o calor de um gás quente a um líquido que não somente é aquecido como também altera de fase.

[0011] Os desafios técnicos apresentados em um evaporador são maiores do que aqueles de um trocador de calor, tal como o descrito no início dessa seção. A mudança de fase permite a diferenciação de três etapas em conexão com a temperatura e o estado da mudança de fase líquida: etapa de aquecimento do líquido a ser evaporado; etapa de mudança de fase; etapa de superaquecimento.

[0012] A primeira e a segunda etapa ocorrem em temperaturas não muito elevadas, desde que a temperatura de mudança de fase estabeleça uma barreira que impeça o aumento da temperatura acima da temperatura de evaporação. Em contraste, a etapa de superaquecimento não é limitada pela mudança de fase e pode aumentar a temperatura até valores próximos aos valores máximos de temperatura para os gases quentes.

[0013] As condições de temperatura de entrada dos dois fluidos, o gás quente que transfere seu calor e o líquido destinado a mudança de fase, não são sempre as mesmas e nem são as taxas de fluxo de entrada. A variação dessas variáveis significa que a interfase entre a primeira e a segunda etapa, e a interfase entre a segunda e a terceira etapa, não ocorrem no mesmo lugar dentro do evaporador, na conexão para o caminho do líquido destinado à mudança de fase dentro do dispositivo, ao invés disso pode ocorrer em diferentes locais dentro de um certo intervalo do caminho referido.

[0014] Além disso, a passagem do estado líquido para vapor e a passagem da mistura de líquido de vapor para o vapor superaquecido não é instantânea, de modo que um lugar preciso onde a divisão entre as etapas é estabelecida não pode ser identificado, ao invés disso tais divisões estão em um segmento específico.

[0015] Cada uma das etapas possui condições diferentes para troca de calor. Os coeficientes de transferência de troca de calor entre a superfície do tubo de troca de calor e o líquido (etapa i) são muito diferentes daquela de um fluxo de duas fases, ou seja, o fluxo formado pelo líquido- vapor (etapa ii), e muito diferente dos coeficientes de transferência de calor do vapor superaquecido (etapa iii).

[0016] Não somente os coeficientes de transferência de calor são diferentes, mas o volume específico no líquido é muito baixo em relação ao volume específico na mistura líquido-vapor, e essa por sua vez é baixa em relação ao volume específico do vapor quando a temperatura deste está subindo.

[0017] Todos esses fatores muito diferentes entre as três etapas tornam as variáveis do projeto diferentes e o evaporador possui dificuldades técnicas que um trocador de calor sem mudança de fase não apresenta, sobretudo quando o evaporador precisa ser compacto e ocupar o menor espaço possível.

[0018] Trocadores de calor são conhecidos por ser projetados para atuar como evaporadores em sistemas de recuperação de calor em motores de combustão interna para impulsão de veículos. Esses evaporadores aumentam a superfície para troca de calor pela organização de um par de feixes de tubos coaxiais. O líquido destinado à mudança de fase passa através do espaço entre o par de tubos coaxiais e o gás quente passa por ambos, internamente ao tubo interno e externamente ao tubo externo.

[0019] O fluido para mudança de fase passa entre duas superfícies quentes com uma pequena distância entre eles, de modo que o aumento da temperatura e a mudança de fase subsequente ocorre dentro de um comprimento do par de tubos coaxiais que é menor do que se somente um tubo para circulação do fluido de mudança de fase nele e o gás quente externamente deste, foram usados.

[0020] Com essa configuração, um dos problemas que existe é que as três etapas de trocador de calor ocorrem do início ao fim nos mesmos tubos, de modo que o projeto do trocador não pode ser otimizado para as três etapas ao mesmo tempo.

[0021] Como um exemplo dessa dificuldade, a velocidade do fluxo de entrada na fase líquida pode ser muito baixa, devido ao baixo valor do volume específico, enquanto na saída, a mesma taxa de fluxo líquido corresponde a um volume de vapor muito maior, o qual impõe valores de velocidade muito maiores do que aqueles da entrada do líquido.

[0022] A baixa velocidade na entrada pode levar à deposição de sujeira e a alta velocidade do vapor na saída pode gerar excessivas quedas de pressão.

[0023] A presente invenção evita esses problemas pelo uso de uma configuração de um fluxo cruzado entre o gás quente e o fluido de mudança de fase.

[0024] O evaporador é constituído, dentre outros elementos, de duas chapas afastadas uma da outra, as quais contem câmaras. Os tubos trocadores de calor se comunicam alternadamente com as câmaras de ambas as chapas.

[0025] O gás quente flui entre as chapas, paralela a ambas, em um volume fechado pelas paredes laterais. Com essa configuração, os tubos trocadores são transversais ao fluxo. O comprimento necessário para obter o vapor em uma temperatura específica é conseguido pela incorporação de um número de tubos necessários para atingir o comprimento que permite a transferência de calor suficiente e abranger, portanto, as três etapas.

[0026] Uma vantagem que essa configuração possui é a possibilidade de comunicar duas câmaras com mais do que um tubo de troca de calor de tal maneira que, após ocorrer uma mudança de fase, as câmaras entre as quais o fluido está sendo transferido pode ser comunicado com um número crescente de tubos. O número crescente de tubos é equivalente a um aumento na seção de passagem e assim o dispositivo leva em conta o aumento no volume específico com a mudança de fase.

[0027] A expansão do tubo de troca de calor depende do coeficiente de expansão térmica e do comprimento total do tubo. Com a configuração do dispositivo de acordo com a invenção, cada um dos tubos individuais que se estendem entre ambas as chapas é muito menor do que o comprimento total do caminho, de modo que o efeito de expansão é notavelmente reduzido.

[0028] No entanto, embora a expansão de cada um dos tubos seja notavelmente reduzida, os tubos que conduzem o primeiro fluido na primeira etapa, na segunda etapa e na terceira etapa estão em temperaturas muito diferentes, suas extremidades são ligadas às mesmas chapas. A expansão diferencial entre os tubos significa que ao longo do caminho do primeiro fluido dentro do evaporador, as chapas tendem a ser afastadas de uma forma desigual entre a entrada do primeiro fluido e a entrada do segundo fluido.

[0029] Além disso, essa expansão diferencial é restrita pelas paredes que encerram o volume onde o segundo fluido passa, ou seja, o gás quente, visto que tais paredes também estão ligadas às chapas conectadas nas extremidades dos tubos trocadores.

[0030] A expansão diferencial entre todos esses elementos estruturais gera tensões que podem originar a falha por rachadura do dispositivo.

[0031] A presente invenção estabelece uma configuração que resolve esse problema. Soluções adicionais são estabelecidas através de modalidades que provêm um dispositivo apresentando um maior uso de energia e tensões ainda mais baixas devido ao efeito de expansão térmica.

Descrição da invenção [0032] Como indicado ao final da seção precedente, um primeiro aspecto da invenção é um evaporador para a evaporação de um primeiro fluido por meio do calor provido por um segundo fluido, o segundo fluido sendo um gás quente.

[0033] De acordo com um exemplo preferido, como será descrito abaixo, o fluido destinado à mudança de fase é etanol, um álcool ou o gás quente é um gás de escape de um motor de combustão interna. Uma aplicação muito útil é o uso do evaporador em um ciclo de Rankine para recuperar o calor dos gases de escape na forma de energia mecânica, que podem de outra forma acabar sendo descarregados na atmosfera.

[0034] O evaporador compreende: - uma primeira chapa e uma segunda chapa de frente uma à outra, e dispostas afastadas uma à outra, definindo uma face interna, a face estando em frente à outra chapa, e uma face oposta à face interna; em que cada uma das chapas compreende uma pluralidade de câmaras; - um coletor de admissão do primeiro fluido e um coletor de escape do primeiro fluido localizado em comunicação fluída um ao outro e com pelo menos uma câmara diferente de qualquer uma das chapas; - uma pluralidade de tubos de troca de calor, em que cada um dos tubos de troca de calor se estende entre uma câmara da primeira chapa e uma câmara da segunda chapa, em que cada câmara de uma chapa está em comunicação fluída com duas ou mais câmaras da outra chapa por meio de pelo menos dois tubos de troca de calor, exceto as câmaras em comunicação fluída com o coletor de admissão do coletor de escape; em que há, para cada um dos tubos de troca de calor, um caminho em comunicação fluída a partir do coletor de admissão até o coletor de escape que passa por dentro de dito tubo de troca de calor; - duas paredes laterais que se estendem entre a primeira chapa e a segunda chapa, alojando a pluralidade de tubos de troca de calor e estabelecendo, entre ambos, um espaço para a passagem do segundo fluido, em que o segundo fluido entra através de uma entrada e sai através de uma saída;

[0035] O fluxo do segundo fluido, o gás quente, é estabelecido entre uma entrada e uma saída do início ao fim em um espaço definido pelas duas chapas e pelas duas paredes laterais. Em uma configuração preferencial, as duas chapas são paralelas uma a outra e as paredes laterais são também paralelas uma a outra e perpendicular às duas chapas. Um prisma com base retangular é definido com essa configuração.

[0036] Os tubos de troca de calor se estendem entre as câmaras de ambas as chapas, atravessando o espaço interno definido pelas chapas e paredes. A disposição dos tubos trocadores em relação ao fluxo principal do segundo fluido é transversal.

[0037] Os tubos trocadores transferem alternadamente o fluxo do primeiro fluido de uma câmara da primeira chapa para outra câmara da segunda chapa. A primeira câmara é comunicada com o coletor de admissão do primeiro fluido.

[0038] A passagem de uma câmara localizada na primeira chapa para a câmara localizada na segunda chapa, ou vice-versa, é feita através dos tubos trocadores. Os tubos trocadores são localizados atravessando o fluxo do segundo fluido, ou seja, o gás quente. É nessa passagem através dos tubos trocadores onde o segundo fluido transfere seu calor ao primeiro fluido.

[0039] A última câmara é comunicada com o coletor de escape que coleta o primeiro fluido na fase de vapor superaquecido e o leva para o canal que o conduz para a aplicação a qual é destinado.

[0040] Quando o primeiro fluido entra está na fase líquida com um volume específico reduzido. A taxa de fluxo líquido necessário pode ser transportada por meio de um ou mais tubos trocadores. Portanto, as primeiras câmaras de ambas as chapas são conectadas através de um ou alguns tubos de troca de calor.

[0041] Uma vez que a primeira etapa do aumento de temperatura do líquido tenha passado, a mudança de fase começa onde o aparecimento de vapor aumenta o volume específico. Após passar por uma câmara específica, ou seja, a câmara onde a se espera que a segunda etapa comece, o número de tubos de troca de calor comunicando uma câmara com a próxima câmara da outra chapa é maior, dando origem a um aumento na seção de passagem que compensa o aumento referido no volume específico, reduzindo a queda de velocidade e pressão.

[0042] De acordo com os exemplos preferenciais da invenção, a disposição consecutiva das câmaras é ordenada de acordo com a direção do movimento do segundo fluido, ou seja, o gás quente, onde os caminhos transversais podem também ser extrudida em uma configuração em ziguezague, dependendo da largura do evaporador. Portanto, o conjunto de tubos trocadores é disposto em uma forma muito compacta e ordenada, e a ordem referida não impede o aumento do número de tubos por câmara.

[0043] Com essa configuração, o primeiro fluido entra em uma primeira câmara através do coletor de admissão. A partir dessa primeira câmara, passa à outra câmara da chapa oposta através de um ou mais tubos de troca de calor. Esse primeiro fluido passa alternadamente a partir das câmaras de uma chapa às câmaras de outra chapa, sendo capaz de aumentar o número de tubos de troca de calor comunicando uma câmara à outra para compensar o aumento em um volume específico devido à mudança de fase. Uma vez que a última câmara é alcançada, essa câmara é uma comunicação fluída com o coletor de escape, que descarrega o primeiro fluido na forma de vapor superaquecido.

[0044] Além disso, no evaporador as paredes laterais são deformáveis elasticamente, permitindo compensar a expansão diferencial entre os tubos de troca de calor e as paredes laterais referidas.

[0045] As paredes do evaporador estão em contato com o segundo fluido, ou seja, o gás quente, enquanto que os tubos de troca de calor estão em contato com ambos os fluidos, com o primeiro fluido deste em uma porção interna e com o segundo fluido deste em uma porção externa. Essas duas diferentes condições dão origem a expansões na direção dos tubos trocadores, que são também diferentes.

[0046] Dado que as paredes laterais e os tubos trocadores são anexados à primeira e à segunda chapa, a expansão diferencial causa tensões que podem originar dano estrutural ou mesmo a falha por rachadura do evaporador.

[0047] Não há somente expansão diferencial entre as paredes e os tubos trocadores, porém a expansão e as diferenças na expansão entre esses componentes se alteram pelo menos ao longo da direção do movimento para frente do primeiro fluido, o fluido que altera a fase, visto que dependendo da fase de tal fluido, as temperaturas dos tubos são diferentes e a variação destas não é linear mesmo ao longo do caminho dos tubos.

[0048] Todas essas causas são motivos para a falha por rachadura do evaporador, ou pelo menos para a geração de tensões que causam danos às soldas, ou elas são uma causa de fadiga nos materiais. A invenção resolve esse problema incorporando paredes laterais deformáveis elasticamente que produzem para a expansão imposta pelo feixe de tubos, reduzindo drasticamente tensões devido às expansões diferenciais identificadas acima.

[0049] A característica deformável elasticamente significa que o material a partir do qual a peça é feita permite deformação no caso de tensão e que, após a deformação, a peça recupera sua forma original quando as causas geradoras da referida deformação referida cessam. No entanto, no âmbito da invenção a existência de pequenas deformações plásticas, particularmente em condições de fadiga térmica, é permitida.

[0050] No sentido estrito, quando ocorre deformação plástica, tal deformação é referida como deformação elastoplástica. Essas pequenas deformações elastoplásticas continuam a favorecer a solução do problema, dado que elas também absorvem as expansões diferenciais entre os elementos.

[0051] O termo deformável elasticamente usado do início ao fim na descrição e reivindicações deve ser interpretado no seu sentido mais amplo, onde é possível que uma porcentagem pequena de deformação seja de deformação plástica.

[0052] O resultado é uma redução das tensões máximas obtida em dadas peças estruturais do evaporador, aumentando a vida útil do evaporador referido, como se não estivesse sujeito ao mesmo grau de fadiga térmica.

[0053] Várias soluções técnicas adicionais resolvendo outros problemas específicos serão mostrados por meio da descrição das modalidades.

Descrição dos Desenhos [0054] Estas e outras características e vantagens da invenção serão melhor compreendidas baseadas na seguinte descrição detalhada de uma modalidade preferencial dada exclusivamente a título de exemplo ilustrativo e não limitante, em referência às figuras anexas.

[0055] A Figura 1 mostra uma vista em perspectiva de uma modalidade da invenção. Nessa figura, alguns tubos de troca de calor foram removidos intencionalmente removidos do interior para maior clareza.

[0056] A Figura 2 mostra uma vista esquemática em seção de outra modalidade da invenção que permite observar o interior do evaporador, as duas chapas e algumas das câmaras, bem como os tubos trocadores que vão de uma chapa a outra.

[0057] A Figura 3A mostra um detalha de uma seção esquemática de outra modalidade que permite observar um detalhe construtivo da chapa, fabricada por meio de chapas cortadas por matriz, nas quais as câmaras são configuradas.

[0058] A Figura 3B mostra uma vista superior de uma modalidade de uma das chapas de metal cortadas por matriz, dando origem a uma das chapas principais do evaporador.

[0059] A Figura 4 mostra uma vista perspectiva de uma das chapas de acordo com outra modalidade, na qual as câmaras são configuradas.

[0060] A Figura 5 mostra uma seção transversal em relação à direção longitudinal X-X' definida pela direção do fluxo do segundo fluido de uma modalidade com as primeiras paredes situadas externamente e as segundas paredes internamente.

[0061] A Figura 6 mostra uma vista perspectiva de uma modalidade de uma parede deformável elasticamente.

Descrição detalhada da invenção [0062] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, a presente invenção diz respeito à um evaporador destinado à transferência de calor de um gás quente para um líquido, que aumenta sua temperatura, altera de fase e sai como vapor superaquecido.

[0063] Nas modalidades, o gás quente, a um identificado como segundo fluido, é o gás de escape de um motor de combustão interna. Nessas modalidades, o primeiro fluido é etanol. O etanol entra na fase líquida dentro do evaporador. A transferência de calor do segundo fluido para o primeiro fluido leva à uma primeira etapa onde a temperatura do primeiro fluido aumenta até atingir a temperatura de ebulição; em uma segunda etapa muda de fase, mantendo a temperatura aproximadamente igual à temperatura de ebulição; e em uma terceira etapa, na fase de vapor a temperatura aumenta ainda mais.

[0064] Nessa modalidade, o vapor de etanol superaquecido é usado em um ciclo de Rankine para gerar energia mecânica recuperando parte do calor a partir dos gases de escape do motor de combustão interna.

[0065] Como mostrado nas Figuras 1 e 2, de acordo com as modalidades da invenção, o evaporador é formado por duas chapas retangulares (1, 2), com dois lados mais compridos e dois lados mais curtos, afastados e paralelos uns aos outros. Nas figuras, as chapas paralelas (1, 2) são retratadas como sendo horizontais em cima e embaixo de acordo com a orientação dos desenhos.

[0066] Os lados mais compridos das chapas (1, 2) são conectados por meio das respectivas paredes laterais (6) na forma de uma chapa plana que limita um volume interno com formato prismático com bases essencialmente retangulares. Essas paredes laterais (6) são paredes retratadas como sendo verticais na Figura 1.

[0067] Os lados mais curtos das chapas correspondentes às extremidades do evaporador onde a entrada (I2) para o segundo fluido é localizada, e a saída (O2) é localizada na extremidade oposta. A direção do segundo fluido estabelece uma direção longitudinal identificada como X-X' na Figura 2.

[0068] Cada uma das chapas (1, 2) possui uma pluralidade de câmaras (1.1, 2.1). Tubos trocadores (3) se estendem de uma câmara (1.1, 2.1) de uma chapa (1, 2) para outra câmara (1.1, 2.1) de outra chapa (1, 2). Os tubos de troca de calor (3) são dispostos transversalmente ao fluxo do segundo fluido; ou seja, transversalmente à direção longitudinal X-X'.

[0069] Cada câmara (1.1, 2.1) possui tubos trocadores (3) de modo que está em comunicação fluída com duas ou mais câmaras (1.1, 2.1) de outra chapa (1, 2). A câmara recebe o primeiro fluido através de tubos trocadores (3) vindos de uma câmara (1.1, 2.1) de outra chapa (1, 2) e o fluido são em relação a outra câmara da outra chapa (1, 2) através de outros tubos trocadores (3) os conectando.

[0070] A Figura 2 retrata esquematicamente essa condição pela compensação das câmaras (1.1) da primeira chapa (1) e as câmaras (2.1) da segunda chapa (2) de acordo com a direção longitudinal X-X'.

[0071] Por meio dessa conexão das câmaras (1.1, 2.1), o primeiro fluido passa através das câmaras sequencialmente, atravessando de uma chapa (1,2) à outra através dos tubos trocadores (3).

[0072] De acordo com uma vista em seção retratada na Figura 2, o fluxo do primeiro fluido segue um caminho em ziguezague, alternando entre a primeira chapa (1) e a segunda chapa (2), se movendo da esquerda para a direita. No entanto, podem haver câmaras adicionais (1.1, 2.1) de acordo com a direção transversal as quais são prolongadas de acordo com a direção perpendicular ao plano do papel, como retratado na Figura 2, de modo que o caminho pode também alternar entre a primeira chapa (1) e a segunda chapa (2), seguindo um caminho em ziguezague, antes de passar para a próxima câmara (1.1,2.1) de acordo com a direção X-X'.

[0073] Outra opção que permite o aumento do volume de fluxo que é conduzido é o uso de duas ou mais fileiras de tubos na comunicação entre as duas câmaras.

[0074] Os tubos de troca de calor (3) são distribuídos dentro do volume prismático definido pelas chapas (1, 2) e pelas paredes laterais (6) com uma orientação transversal à direção do fluxo principal do segundo fluido. O caminho seguido pelo primeiro fluido no caminho, alternando entre a primeira chapa (1) e a segunda chapa (2), dependerá de como as câmaras (1.1, 2.1) de ambas as chapas (1, 2) são sobrepostas, sobreposição sendo entendida como que obtida por meio de uma projeção de acordo com a direção perpendicular a qualquer um dos planos médios das chapas (1, 2). As câmaras (1.1, 2.1) entre as quais a passagem do primeiro fluido na primeira chapa (1) e na segunda chapa (2) é alternada sendo mostrada como sendo sobreposta consecutivamente de acordo com a projeção na direção perpendicular a ambas as chapas (1,2).

[0075] A referida Figura 2 mostra uma primeira câmara (1.1) da primeira chapa (1) na comunicação fluída com um coletor de admissão (4). O caminho do primeiro fluido termina em uma última câmara (2.1) da segunda chapa (2) em comunicação fluída com um segundo coletor de saída (5).

[0076] No exemplo mostrado na Figura 1 o coletor de admissão (4) e o coletor de escape (5) estão na mesma chapa (1), enquanto no exemplo mostrado na Figura 2 eles estão em chapas diferentes (1,2).

[0077] Na modalidade das Figuras 2 e 5, as chapas (1, 2) possuem câmaras (1.1, 2.1) configuradas por meio de usinagem. A usinagem das câmaras (1.1, 2.1) dá origem a ranhuras, tais quais as mostradas na Figura 4. Nas Figuras 2 e 5, os tubos de troca de calor (3) são retratados como sendo paralelos e na Figura 4, as perfurações que recebem os tubos trocadores (3) são compensadas, deixando uma distribuição escalonada.

[0078] Cada uma das ranhuras é fechada com uma chapa de metal superior, configurando cada uma das câmaras (1.1, 2.1) nessas a partir das ranhuras.

[0079] O detalhe da Figura 3A mostra uma forma alternativa de configuração das chapas principais (1, 2) de um evaporador). Cada uma das chapas principais (1, 2) por sua vez é formada por uma primeira chapa elemental (1.2, 2.2) possuindo perfurações para permitir a passagem de tubos de troca de calor (3) e uma segunda chapa elemental cortada por matriz (1.3, 2.3) com perfurações para configurar as câmaras (1.1, 2.1) a primeira chapa elemental (1.2, 2.2) e a segunda chapa elemental (1.3, 2.3) sendo anexadas umas às outras.

[0080] Nesse exemplo particular, para limitar a espessura da chapa a ser cortada por matriz, duas chapas cortadas por matriz são usadas, e uma vez empilhadas forma, a segunda chapa elemental cortada por matriz (1.3, 2.3). A espessura desejada, ou em outras palavras, a altura da câmara (1.1, 2.1) formada pelas perfurações, pode ser obtida pelo empilhamento de uma pluralidade de chapas (1.3, 2.3).

[0081] A Figura 3B mostra uma segunda chapa cortadas por matriz (1.3, 2.3) com perfurações que dão origem às câmaras (1.1,2.1).

[0082] Nos exemplos descritos, se as ranhuras são formadas por uma operação de usinagem na chapa (1, 2) ou são obtidas pelo empilhamento das segundas chapas cortadas por matriz (1.3, 2.3), as paredes internas (1.1.1, 2.1.1) das ranhuras são perpendiculares ao plano principal da chapa (1, 2). No entanto, outros métodos para produzir uma ranhura não têm de dar origem às paredes verticais.

[0083] A Figura 5 mostra uma seção do evaporador perpendicular à direção X-X' estabelecida pelo fluxo do segundo fluido e de acordo com uma modalidade.

[0084] De acordo com a seção e de acordo com a posição mostrada na Figura 5, a primeira chapa (1) é disposta no topo e a segunda chapa (2) é disposta na parte inferior. A seção coincide com as câmaras (1.1, 2.1) as quais, tanto na chapa superior (1) e na chapa inferior (2), se estendem ao longo de toda a largura.

[0085] Se a seção estiver estabelecida em um ponto próximo à entrada do primeiro fluido, essa mesma seção pode apresentar um número de câmaras (1.1, 2.1) de modo que também há uma troca entre as duas chapas (1, 2) de acordo com o caminho transversal. Esse caminho transversal poderia ser contido no plano correspondente à seção.

[0086] Os tubos de troca de calor (3) são submetidos ao calor do gás quente na superfície externa desta e ao primeiro fluido, etanol, com uma temperatura mais baixa, na superfície interna desta. Particularmente na primeira etapa, a temperatura dos tubos está abaixo da temperatura de ebulição para o etanol. Na extremidade do evaporador, os tubos estão em temperaturas próximas à temperatura de entrada do gás quente visto que o etanol está superaquecido. Esse gradiente de temperatura dá origem à expansão progressiva de uma extremidade do evaporador à extremidade oposta.

[0087] As chapas (1, 2) são ligadas através de ambos os tubos de troca de calor (3) e as paredes (6). De acordo com um exemplo mostrado na Figura 1, as paredes (6) estão em contato com o gás quente.

[0088] O maior espaçamento entre as chapas (1, 2) e o fato de que esse espaçamento é maior em uma extremidade do que na outra, gera tensões nas paredes (6). Essa tensão pode dar origem a valores excessivos causando danos ao evaporador ou mesmo a sua falha por rachadura.

[0089] A invenção estabelece como uma condição que as paredes (6) precisam ser deformáveis elasticamente, de modo que a tensão gerada pela diferença maior na expansão térmica com os tubos trocadores é compensada com a deformação elástica das paredes (6). Uma maneira particular de realização das paredes (6) serem deformáveis elasticamente é usando as chapas com uma ou mais crimpagens ou corrugações (6.1) de acordo com a direção transversal à direção na qual elas são desejadas para ser deformáveis elasticamente.

[0090] Uma configuração particular das crimpagens (6.1) é senoidal. A vantagem de tais crimpagens (6.1) é que as duas direções principais do plano contendo a chapa no caminho da crimpagem ao longo da senoide são combinadas e uma maior rigidez contra dobragem é mantida enquanto provê a capacidade de ser deformável elasticamente em relação à tensão na direção transversal ao eixo principal da senoide.

[0091] A fim de compensar a expansão progressiva dos tubos de troca de calor (3) de acordo com a direção longitudinal X-X' na qual o gás quente flui, de acordo com uma modalidade as crimpagens (6.1) se estendem de acordo com a direção longitudinal X-X' referida, seja ela longitudinal ou senoidal.

[0092] De acordo com outra modalidade, os tubos de troca de calor (3) também são deformáveis elasticamente. Uma maneira de fazê-los deformáveis elasticamente é através de uma ondulação helicoidal.

[0093] A compressão dos tubos de troca de calor (3) reduz o intervalo entre as chapas como um resultado da expansão e reduz ainda mais as tensões em uma maior extensão.

[0094] A expansão que ocorre nas paredes (6) é causada principalmente pelo fato de que elas estão em contato direto com o gás quente. De acordo com a modalidade mostrada na Figura 5, o evaporador compreende segundas paredes (7), situadas no interior e afastadas das primeiras paredes (6). Agora essas segundas paredes (7) internas estão em contato direto com o gás quente. As segundas paredes também se estendem entre a primeira chapa (1) e a segunda chapa (2). Essas segundas paredes são deformáveis elasticamente de modo que a expansão causada como resultado do gás quente é compensada com usa capacidade de ser deformável elasticamente.

[0095] No gráfico retratado, a linha ondulada tem sido usada para mostrar que possui uma configuração ondulada (7.1), a qual provê as segundas paredes referidas com seu comportamento deformável elasticamente.

[0096] Nessa modalidade as primeiras paredes (6) deformáveis elasticamente e as segundas paredes (7) deformáveis elasticamente tem sido selecionadas, onde a rigidez das primeiras paredes (6) é maior do que a rigidez das segundas paredes (7). Com essa configuração, as paredes internas demarcam o fluxo do gás quente e não aumentam as tensões devido aos efeitos mais notáveis de expansão, e as primeiras paredes (6) provêm a rigidez necessária para todo o conjunto sem gerar tensões que geram fraturas visto que elas também são deformáveis elasticamente.

[0097] Entre as primeiras paredes (6) e as segundas paredes (7) há uma câmara (10) que pode conter os meios de isolamento, impedindo o escoamento de calor reduzindo a capacidade de recuperação de calor do dispositivo.

[0098] O ar, um arrefecedor, etanol ou mesmo o vácuo são considerados dentre os meios de isolamento.

[0099] De acordo com outra modalidade, quando o primeiro fluido, nesse caso etanol, está na fase líquida feito para passar através da câmara (10 formada entre as primeiras paredes (6) e as segundas paredes (7). Esse líquido arrefece ambas as paredes (6, 7) e em particular as segundas paredes (7) as quais estão em uma temperatura maior do que as que estão em contato direto com o gás quente.

[00100] Como um efeito adicional, a temperatura do primeiro fluido aumenta. A passagem através da câmara (10) é realizada antes da introdução do primeiro fluido na entrada para o coletor (4) que se comunica com a primeira câmara (1.1) da primeira chapa (1). O primeiro fluido, portanto, possui uma temperatura próxima à temperatura de ebulição, e a energia exigida para a primeira etapa, bem como o comprimento total do trocador de calor, são reduzidos.

[00101] De acordo com a modalidade mostrada nas Figuras 2, 3A e 5, o evaporador inclui duas chapas de proteção (11). A primeira chapa (1) possui uma chapa de proteção (11) afastada da chapa (1) referida como mostrada na parte superior do evaporador e a segunda chapa (2) possui uma chapa de proteção (11) também afastada da segunda chapa (2).

[00102] O espaço entre a primeira chapa (1) e sua chapa de proteção (11), ou o espaço entre a segunda chapa (2) e sua chapa de proteção (11), forma uma câmara protegendo as soldas entre os tubos trocadores (3) e as chapa principais (1, 2).

[00103] As chapas de proteção (11) possuem perfurações que permitem a passagem dos tubos trocadores (3). As perfurações das chapas de proteção (11) permitem a passagem através da mesma, mas as chapas (11) não são necessariamente anexadas aos tubos trocadores (3). Como elas não são anexadas aos tubos trocadores (3), não há danos às soldas, nem são elas afetadas pela expansão dos tubos trocadores (3).

[00104] A Figura 5 mostra as segundas paredes (7), independente das chapas de proteção (11). De acordo com outra modalidade, ambas são configuradas de uma ou da mesma chapa.

[00105] De acordo com outra modalidade, as segundas paredes (7) internas são prolongadas dentro do coletor de admissão (8) do segundo fluido, dentro do coletor de escape (9) do segundo fluido, ou dentro de ambos. Esse prolongamento é afastado do coletor correspondente (8, 9) formando uma câmara que oferece proteção do contato direto com o gás quente.

[00106] A Figura 6 mostra uma modalidade de uma parede lateral (6, 7), com os prolongamentos para os coletores (8, 9). O uso de duas peças simétricas como mostrado, de frente uma à outra, estabelece as paredes de ambos os lados do evaporador, assim como as câmaras para proteção dos coletores (8, 9). Essa parede lateral (6, 7) mostra uma ondulação que é prolongada ao longo da direção longitudinal X-X' de modo que a parede lateral (6, 7) é deformável elasticamente pelo menos na direção que junta a primeira chapa (1) e a segunda chapa (2).

[00107] A configuração das primeiras paredes internas (6) e das segundas paredes internas (7) podem diferir nas dimensões das peças destas, de modo que as paredes (6) e outras paredes (7) podem ser dispostas paralelas, pode manter as superfícies dentro do coletor de admissão (8) e do coletor de escape (9) formando câmaras internas em ambos os casos, e pode também diferir na ondulação ou crimpagem (6.1, 7.1) provendo o comportamento deformável elasticamente para determinar o grau de rigidez deste.

[00108] Uma vez que as duas peças são anexadas como mostrado na Figura 6, a borda superior é configurada para ser adaptada à periferia da primeira chapa (1) e a borda inferior é configurada para ser adaptada à periferia da segunda chapa (2).

[00109] Portanto, cada uma das peças mostram uma configuração com formato de U, enquanto os braços do U são os prolongamentos alojados no interior dos coletores (8, 9) do segundo fluido. Uma vez que eles são anexados um ao outro, eles dão origem às paredes (6, 7) do evaporador.

[00110] No início da descrição, foi indicado que a expansão dos tubos trocadores (3) é maior em uma extremidade do evaporador do que na outra extremidade. No caso geral, dado que as três etapas são identificadas no evaporador, o aumento da temperatura não é linear, nem o grau de expansão dos tubos trocadores (3) de acordo com a direção longitudinal XX' de acordo com a direção do movimento para frente no fluxo do segundo fluido.

[00111] De acordo com outra modalidade, a primeira chapa (1), a segunda chapa (2) ou ambas (1, 2) são deformáveis elasticamente, permitindo a dobragem de acordo com um eixo paralelo a tais placas e perpendicular à direção longitudinal X-X'.

[00112] A propriedade de ser deformável elasticamente de acordo com essa direção, de acordo com as modalidades descritas, é alcançada pela configuração das câmaras (1.1, 2.1) das chapas de acordo com a direção transversal em relação aos lados mais largos das chapas (1, 2) e pela escolha dos meios de fechamento das câmaras na face exterior, facilitando a deformação elástica referida.

REIVINDICAÇÕES

Claims (17)

1. Evaporador para evaporação de um primeiro fluido por meio do calor provido por um segundo fluido, o segundo fluido sendo um gás quente, em que dito evaporador compreende: uma primeira chapa (1) e uma segunda chapa (2) voltadas uma para a outra e dispostas espaçadas entre si, definindo uma face interna, a face estando voltada para a outra chapa, e uma face oposta à face interna; em que cada uma das chapas (1, 2) compreende uma pluralidade de câmaras (1,1; 2,1); um coletor de admissão (4) do primeiro fluido e um coletor de escape (5) do primeiro fluido situados em comunicação fluída entre si e com pelo menos uma câmara (1,1; 2,1) diferente de qualquer uma das chapas (1,2); uma pluralidade de tubos de troca de calor (3), em que cada um dos tubos de troca de calor (3) se estende entre uma câmara (1,1) da primeira chapa (1) e uma câmara (2,1) da segunda chapa (2); em que cada câmara (1,1; 2,1) de uma chapa (1, 2) está em comunicação fluída com duas ou mais câmaras (1,1; 2,1) da outra chapa (1, 2) por meio de pelo menos dois tubos de troca de calor (3), exceto as câmaras (1,1; 2,1) em comunicação fluída com o coletor de admissão (4) do coletor de escape (5); em que há, para cada um dos tubos de troca de calor (3), um caminho em comunicação fluída a partir do coletor de admissão (4) até o coletor de escape (5), passando por dentro de dito tubo de troca de calor (3); duas paredes laterais (6) que se estendem entre a primeira chapa (1) e a segunda chapa (2), que alojam a pluralidade de tubos de troca de calor (3) e que estabelecem, entre ambos, um espaço para a passagem do segundo fluido, em que o segundo fluido entra através de uma entrada (I2) e sai através de uma saída (O2); o evaporador caracterizado pelo fato de que as paredes laterais (6) são deformáveis elasticamente, o que permite compensar a expansão diferencial entre os tubos de troca de calor (3) e as ditas paredes laterais (6).

2. Evaporador, de acordo com a reivindicação anterior, caracterizado pelo fato de que os tubos (3) são deformáveis elasticamente de acordo com sua direção longitudinal.

3. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o dito evaporador compreende adicionalmente segundas paredes (7) situadas entre a primeira chapa (1) e a segunda chapa (2), tais segundas paredes (7) sendo afastadas das primeiras paredes (6), em que as segundas paredes (7) são deformáveis elasticamente e são dispostas internamente em relação às primeiras paredes (6).

4. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as primeiras paredes laterais (6), as segundas paredes laterais (7) ou ambas são deformáveis elasticamente por meio de uma ou mais crimpagens ou corrugações (6.1, 7.1).

5. Evaporador, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que as crimpagens (6.1, 7.1) possuem uma direção principal de acordo com a direção longitudinal estabelecida entre a entrada (I2) e a saída (O2) do segundo fluido.

6. Evaporador, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que as crimpagens (6.1, 7.1) apresentam uma trajetória senoidal.

7. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 6, caracterizado pelo fato de que a constante de rigidez das segundas paredes (7) deformáveis elasticamente é menor do que a constante de rigidez das primeiras paredes (6) deformáveis elasticamente.

8. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações, caracterizado pelo fato de que a entrada de gás (I2), a saída de gás (O2) ou ambas possuem um coletor (8, 9).

9. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores e com qualquer uma das reivindicações de 3 a 8, caracterizado pelo fato de que: 1. as segundas paredes (7) são prolongadas dentro de um ou mais coletores de admissão/escape do segundo fluido (8, 9); e, 2. pelo menos um prolongamento das segundas paredes (7) dentro do coletor (8, 9) é afastado do dito coletor (8, 9).

10. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 9, caracterizado pelo fato de que entre as primeiras paredes (6) e as segundas paredes (7) existe uma câmara que está em comunicação fluída com o coletor de admissão (4) do primeiro fluido, de modo que a entrada do primeiro fluido no evaporador é realizada por meio da passagem anterior através da câmara formada entre as primeiras e segundas paredes (6, 7).

11. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende: - ou uma primeira chapa de proteção (11) localizada no espaço de passagem do segundo fluido, afastada da primeira chapa (1), - ou então uma segunda chapa de proteção (11) localizada no espaço de passagem do segundo fluido, afastada da segunda chapa (2); ou, - ou então ambas as chapas de proteção (11); em que as chapas de proteção (11) possuem múltiplas perfurações para a passagem dos tubos de troca de calor (3) deixando uma câmara entre as ditas chapas de proteção (11) e suas chapas correspondentes (1, 2) para proteção das soldas entre os tubos de troca de calor (3) e as ditas chapas (1,2).

12. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 11, caracterizado pelo fato de que as segundas paredes (7) e a chapa ou chapas de proteção (11) são configuradas como uma peça única.

13. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 12, caracterizado pelo fato de que existem meios de isolamento térmico na câmara (10) situada entre as primeiras paredes (6) e as segundas paredes (7).

14. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 3 a 13, caracterizado pelo fato de que as primeiras paredes (6), ou mesmo as segundas paredes (7) ou ambas (6, 7), se estendem ao longo do lado externo da primeira chapa (1) e ao longo do lado externo da segunda chapa (2), sendo ligadas uma à outra, configurando um invólucro.

15. Evaporador, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que as primeiras paredes (6), ou mesmo as segundas paredes (7) ou ambas, são configuradas à maneira de duas metades com formato de U ligadas uma à outra.

16. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a primeira chapa (1), a segunda chapa (2) ou ambas (1, 2) permitem dobragem de acordo com a direção perpendicular em relação à direção longitudinal estabelecida entre a entrada (I2) e a saída (O2) do segundo fluido.

17. Sistema de recuperação de calor para veículos de combustão interna, caracterizado pelo fato de compreender um evaporador conforme qualquer uma das reivindicações anteriores.