BRPI1100867A2

BRPI1100867A2 - permutadores de calor e mÉtodo de fabrico dos mesmos

Info

Publication number: BRPI1100867A2
Application number: BRPI1100867-9A
Authority: BR
Inventors: Dan R Raduenz; Jason J Braum; Steve P Meshenky; Thomas R Grotophorst; Daniel E Hornback
Original assignee: Modine Mfg Co
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-08-07
Also published as: CN102213554B; AU2011201083A1; EP2372287B1; EP2372287A1; US20110226222A1; CN102213554A; KR20110105361A; US8844504B2; ZA201101912B; AU2011201083B2

Abstract

PERMUTADORES DE CALOR E MÉTODO DE FABRICO DOS MESMOS. Um refrigerador de recirculação dos gases de escape inclui uma entrada configurada para receber os gases de escape de um motor, uma saída configurada para receber os gases de escape de volta para o motor, e uma conduta de fluxo dos gases de escape. A conduta de fluxo inclui uma primeira extremidade adjacente à entrada, uma segunda extremidade adjacente à saida, um primeiro lado estreito, um segundo lado estreito, lados amplos substancialmerLte planos que se estendem entre os lados estreitos, um primeiro canal adjacente ao primeiro lado estreito e que se estende entre as extremidades, um segundo canal adjacente ao segundo lado estreito e que se estende entre as extremidades, e uma pluralidade de terceiros canais situados entre os primeiro e segundo canais e se estendendo entre as extremidades. Uma placa está localizada em uma extremidade da conduta de fluxo para inibir o fluxo de gases de escape através de pelo menos um dos primeiro e segundo canais, permitindo ao mesmo tempo o fluxo de gás de escape através dos terceiros canais.

Description

"PERMUTADORES DE CALOR E MÉTODO DE FABRICO DOS MESMOS"

Referências Cruzadas com Pedidos Relacionados

Este pedido reivindica a prioridade do pedido provisório de patentes dos EUA n° 61/315,055, depositado a 18 Março de 2010, em que todo o seu conteúdo se encontra incorporado a título de referência.

ANTECEDENTES

Os permutadores de calor usados para resfriar gases de todos os tipos são conhecidos na técnica. Apenas a título de exemplo, e para fins de ilustração da presente, muitos permutadores de calor são adaptados para esfriar os gases de escape (por exemplo, produzidos por motores de combustão interna, turbinas a gás, ou outros processos ou dispositivos de produção de gases de escape). Em certas aplicações, comumente referidas como recirculação dos gases de escape (EGR), uma parte dos gases de escape produzidos pelo motor é arrefecida e recirculada de volta para o coletor de admissão do motor. 0 gás de escape relativamente inerte é adicionado à nova carga de ar de combustão entregue ao coletor de admissão, e pode servir para diminuir a temperatura de combustão dentro do motor, reduzindo a taxa de formação de NOx, um poluente ambiental. Para atingir o exposto no presente pedido exemplificativo, é tipicamente necessário que a temperatura dos gases de escape recirculados seja substancialmente reduzida antes de sua reentrada no motor, e um ou mais permutadores de calor (arrefecedores EGR ou EGRC) são tipicamente usados para refrigerar os gases de escape recirculados.

A sujidade das superfícies dos permutadores de calor é um problema conhecido quando os permutadores de calor são expostos a vários tipos de gases. A sujidade se refere ao acúmulo de matéria nas superfícies do permutador de calor, o que tem um impacto negativo no desempenho do permutador de calor. Com referência novamente ao caso dos permutadores de calor de gases de escape, por exemplo, as partículas que são arrastadas na corrente de escape são depositadas sobre as superfícies que são expostas ao escape. O acúmulo de partículas na superfície provoca uma resistência adicional à transferência de energia térmica a partir de gases de escape para o fluido de refrigeração do permutador de calor e aumenta a queda de pressão através do permutador de calor pela constrição da área de fluxo disponível.

O impacto da sujidade é geralmente tido em conta ao dimensionar um permutador de calor para refrigeração através da aplicação de um fator de sujidade no cálculo de transferência de calor. O fator de sujidade diminui o coeficiente eficaz de transferência de calor global do permutador de calor, a fim de garantir que o permutador de calor será adequadamente dimensionado para a capacidade necessária de transferência de calor quando opera num estado sujo.

O fator de suj idade irá variar de acordo com as especificidade de cada geometria de permutador de calor, e também irá variar de acordo com as condições em que o permutador de calor é operado. Especificamente, é sabido que o fator de suj idade tem uma relação inversa com o número de Reynolds (Re) do fluxo. Como é sabido na técnica, o número de Reynolds relaciona as forças inerciais do fluxo com as forças viscosas do fluxo. O número de Reynolds pode ser calculado pela equação:

<formula>formula see original document page 3</formula>

onde m é a vazão mássica do fluido, A é a área transversal do percurso de fluxo, Dê o diâmetro hidráulico do caminho de fluxo, e μ é a viscosidade dinâmica do fluido.

Na concepção e dimensionamento de permutadores de calor, em geral, uma abordagem comum para melhorar o desempenho do permutador de calor é o aumento da densidade de área de superfície, ou a quantidade de superfície estendida por unidade de volume que é exposta ao fluido de permuta de calor. Esta abordagem resulta em uma diminuição do número de Reynolds, uma vez que o diâmetro hidráulico dos canais será reduzido. Em um permutador de calor exposto a gás de escape, esta diminuição no número de Reynolds, tenderá a aumentar o fator de acumulação de sujidade, reduzindo ou mesmo eliminando totalmente a melhoria desejada no desempenho do permutador de calor.

À luz da contínua necessidade de permutadores de calor que podem funcionar num estado sujo, com uma área de alta densidade de superfície, e/ou com uma reduzida sensibilidade à degradação de desempenho devida à sujidade, permutadores de calor melhorados continuam a ser boas adições à técnica.

RESUMO DA INVENÇÃO

Em algumas formas de realização da invenção, um refrigerador EGR inclui uma conduta de fluxo de gás de escape com primeira e segunda partes laterais opostas de forma arqueada estreitas com as laterais largas e praticamente plana a prolongarem-se entre elas. A conduta do fluxo dos gases de escape inclui um primeiro canal de fluxo adjacente ao primeiro lado de forma arqueada estreita, com uma primeira superfície de fluxo e um primeiro diâmetro hidráulico. A conduta de fluxo de gás de escape inclui ainda um segundo canal de fluxo adjacente ao segundo lado estreito de forma arqueada, com uma segunda área de fluxo e um segundo diâmetro hidráulico semelhante à primeira área de fluxo e ao primeiro diâmetro hidráulico, respectivamente. A conduta do fluxo dos gases de escape ainda compreende uma pluralidade de terceiros canais de fluxo situados entre os primeiro e segundo canais de fluxo, tendo cada um dos terceiros canais de fluxo uma terceira área de fluxo e um terceiro diâmetro hidráulico. A terceira área de fluxo é substancialmente menor do que as primeira e segunda áreas de fluxo, e o terceiro diâmetro hidráulico é substancialmente menor do que os primeiro e segundo diâmetros hidráulicos. Um fluido que flui através da conduta do fluxo de gás de escape é substancialmente impedido de aceder aos primeiro e segundo canais de fluxo por uma placa localizada em uma entrada e em uma saída da conduta do fluxo de gás de escape.

Em algumas formas de realização, a conduta de fluxo de gás de escape é uma de uma pluralidade de condutas fluxo de gás de escape semelhantes, e a placa substancialmente bloqueia o acesso aos primeiro e segundo canais de fluxo da pluralidade de condutas de fluxo de gás de escape.

Em algumas formas de realização, o refrigerador EGR ainda inclui um cabeçalho para receber um de uma extremidade de entrada e uma extremidade de saída da conduta do fluxo de gás de escape. Em algumas formas de realização, a placa de bloqueio de fluxo é anexada ao cabeçalho em pelo menos um ponto de fixação.

Em algumas formas de realização, a pluralidade de terceiros canais de fluxo é, pelo menos, parcialmente definida por uma estrutura de rebarba convoluta. Em algumas formas de realização, a estrutura de rebarba convoluta inclui cristas de rebarba ligadas aos lados achatados e largos da conduta de fluxo de gás de escape.

Em uma forma de realização, a invenção proporciona um arrefecedor de recirculação dos gases de escape configurado para esfriar os gases de escape de um motor, em que o arrefecedor de recirculação dos gases de escape compreende uma entrada configurada para receber o gás de escape do motor, uma saída configurada para direcionar o gás de escape de volta para o motor, uma conduta de fluxo de gás de escape, incluindo uma primeira extremidade adjacente à entrada, uma segunda extremidade adjacente à saída, um primeiro lado estreito, um segundo lado estreito oposto ao primeiro lado estreito, lados largos substancialmente planos que se estendem entre o primeiro lado estreito e o segundo lado estreito, um primeiro canal adjacente ao primeiro lado estreito e que se estende entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, um segundo canal adjacente ao segundo lado estreito e que se estende entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, e uma pluralidade de terceiros canais localizados entre o primeiro canal e o segundo canal e que se estende entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, e uma placa localizada em uma das primeira e segunda extremidades da conduta do fluxo de gás de escape para inibir o fluxo de gás de escape através de pelo menos um de entre o primeiro canal e o segundo canal, permitindo ao mesmo tempo o fluxo de gás de escape através da pluralidade de terceiros canais.

Em outra forma de realização, a invenção proporciona um refrigerador para a recirculação dos gases de escape configurado para esfriar os gases de escape de um motor, em que o refrigerador de recirculação dos gases de escape compreende uma entrada configurada para receber o gás de escape do motor, uma saída configurada para direcionar os gases de escape de volta para o motor, uma conduta de fluxo de gás de escape, incluindo uma primeira extremidade adjacente à entrada, uma segunda extremidade adjacente à saída, um primeiro lado de forma arqueada, um segundo lado de forma arqueada oposto ao primeiro lado de forma arqueada, lados amplos substancialmente planos que se estendem entre o primeiro lado de forma arqueada e o segundo lado de forma arqueada, um primeiro canal adjacente ao primeiro lado de forma arqueada e que se estende entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, tendo o primeiro canal um primeiro diâmetro hidráulico, um segundo canal adjacente ao segundo lado de forma arqueada e que se estende entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, em que o segundo canal tem um segundo diâmetro hidráulico, e uma pluralidade de terceiros canais situados entre o primeiro canal e o segundo canal, cada um dos terceiros canais com um terceiro diâmetro hidráulico, sendo o terceiro diâmetro hidráulico menor do que o primeiro diâmetro hidráulico e uma placa localizada em uma de entre as primeira e segunda extremidades da conduta de fluxo de gás de escape para inibir a saída de fluxo de gases de escape através de pelo menos um dos primeiro canal e segundo canal, permitindo ao mesmo tempo o fluxo de gases de escape através da pluralidade de terceiros canais.

Embora os tipos de permutadores de calor e as aplicações descritas aqui sejam permutadores de calor EGR, será apreciado que as várias características, estruturas e métodos descritos sejam aplicáveis aos permutadores de calor utilizados para o resfriamento de qualquer outro tipo de gás em qualquer aplicação.

Outros objetos, características e vantagens da invenção se tornarão aparentes a partir de uma leitura da totalidade da memória descritiva, incluindo os desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A FIG. 1 é uma vista em perspectiva de um refrigerador de EGR de acordo com uma forma de realização da invenção.

A FIG. 2 é uma vista em perspectiva de uma porção do refrigerador EGR da FIG. 1, com algumas partes removidas.

A FIG. 3 é uma vista parcial secional tomada ao longo da linha III-III da FIG. 1.

A FIG. 4 é uma vista em detalhe da seção IV da FIG. 3.

A FIG. 5 é uma vista em perspectiva de uma conduta de fluxo de gás de escape a partir da forma de realização da FIG. 1.

A FIG. 6 é uma comparação entre áreas de fluxo dentro da conduta de fluxo de gás de escape da FIG. 5.

A FIG. 7 é um vista em perspectiva de uma placa de bloqueio de fluxo da forma de realização da FIG. 1.

A FIG. 8 é um gráfico mostrando resultados de teste de desempenho de um refrigerador EGR de acordo com uma forma de realização da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Antes de qualquer uma das formas de realização da invenção ser explicada em detalhes, é preciso entender que a invenção não está limitada na sua aplicação aos detalhes da construção e arranjo dos componentes indicados na seguinte descrição ou ilustrados nos desenhos a seguir. A invenção é capaz de outras formas de realização e de ser praticada ou ser realizada de diversas maneiras. Além disso, é preciso entender que a fraseologia e a terminologia utilizada neste documento se destina à descrição e não deve ser considerada como uma limitação. 0 uso de "incluindo", "compreendendo", ou "tendo" e suas variações aqui servem para abranger os itens enumerados em seguida e equivalentes dos mesmos, bem como itens adicionais. A menos que seja especificado ou limitado em contrário, os termos "montado", "conectado", "apoiado" e "associado" e suas variações são utilizados de um modo abrangente e englobam as montagens diretas e indiretas, as conexões, os suportes e os acoplamentos. Além disso, "ligado" e "associado" não estão restritos às conexões ou ligações físicas ou mecânicas.

Uma forma de realização de um permutador de calor 1 de acordo com a presente invenção é mostrado nas Figs. 1- 4 e inclui um compartimento externo 2, um tanque de gás de escape de entrada de 3 e um tanque de gás de escape de saída 4 em lados opostos do compartimento 2, e as portas de refrigeração 5 e 6. A forma de realização mostrada pode ser especialmente útil como refrigerador EGR para esfriar um fluxo de gases de escape de recirculação que entram no permutador de calor 1 através de uma porta de entrada de fluxo escape 7 a partir do coletor de escape de um motor de combustão interna (não mostrado) , e para entregar o fluxo resfriado do fluxo de escape de saída ou da porta de saída 8 a um coletor de admissão do motor. Deve-se reconhecer, no entanto, que o permutador de calor 1 pode ser útil como um refrigerador de gás de escape ou como um permutador de calor para a refrigeração ou aquecimento de quaisquer outros gases em qualquer outra aplicação também.

Referindo-se às Figs. 1 e 2, o permutador de calor 1 da forma de realização ilustrada ainda inclui uma pluralidade de condutas de gás de fluxo de escape 10 que se estendem entre o tanque de entrada 3 o tanque de saída 4. As condutas de fluxo de gás de escape 10 são dispostas em relação espaçada para permitir que um fluxo de refrigerante passe sobre as superfícies externas das condutas 10, a fim de facilitar a remoção do calor de um fluxo de gás de escape passando pelas condutas 10. O refrigerante pode ser canalizado através do permutador de calor 1 a partir da porta de refrigeração 6 até à porta de refrigeração 5, a fim de colocar o refrigerante em uma orientação de fluxo contra-corrente com relação ao fluxo de gás de escape, ou a partir da porta de refrigeração 5 até à porta de refrigeração 6, de forma a colocar o fluxo de refrigerante em uma orientação do fluxo concorrente em relação ao fluxo de gás de saída. Ainda outras relações de fluxo entre o fluxo de líquido de arrefecimento e o fluxo dos gases de escape são possíveis, e se inserem no espírito e escopo da presente invenção.

O refrigerante, que é dirigido ao longo das condutas de escape do fluxo de gás 10 para remover o calor dos gases de escape pode ser qualquer fluxo líquido ou gasoso que está a uma temperatura mais baixa do que o fluxo dos gases de escape. Por exemplo, o refrigerante pode ser um arrefecimento do motor típicos, tais como glicol de etileno, propileno glicol, água ou uma mistura dos mesmos. Em algumas formas de realização, o refrigerante pode ser um material de refrigeração ou um fluido de trabalho para um ciclo Rankine. Em outras formas de realização o refrigerante pode ser ar.

Muito embora a forma de realização ilustrada descreva dezoito condutas de escape do fluxo de gás 10 dispostas em duas fileiras de nove condutas cada, deve-se entender que tanto o número de linhas como o número de condutas dentro de cada linha pode ser maior ou menor do que o número apresentado, dependendo da aplicaçao específica pretendida.

A FIG. 5 mostra uma das condutas dos gases de escape de fluxo 10 em maior detalhe. A conduta de fluxo dos gases de escape 10 inclui uma primeira extremidade 30 adjacente à porta de entrada 7 e uma segunda extremidade 31 adjacente à porta de saída 8. A conduta do fluxo de gás de escape 10 na forma de realização ilustrada também tem um lado de forma arqueada estreito 12, um segundo lado de forma arqueada estreita 13 em frente ao primeiro lado estreito 12, e lados praticamente planos amplos 14, 15 que se estendem entre os lados estreitos 12, 13 para formar uma conduta de fluxo fechada. A forma arqueada dos lados estreitos 12, 13 pode proporcionar maior durabilidade ao permutador de calor 1, eliminando os aumentos de tensão geométricos que podem ocorrer nos cantos de uma conduta de fluxo de forma retangular. Em outras formas de realização, no entanto, as condutas de fluxo 10 com outras formas (por exemplo, um primeiro lado estreito de forma arqueada e um segundo lado estreito geralmente de forma retangular, com primeiro e segundo lados estreitos geralmente retangulares, com primeiro e/ou segundo lados estreitos tendo formatos triangulares ou outras formas facetadas, e afins) podem ser alternativamente utilizadas.

A conduta do fluxo de gás de escape 10 compreende um primeiro canal 16 adjacente ao primeiro lado estreito de forma arqueada 12, e um segundo canal 17 adjacente ao segundo lado estreito de forma arqueada 13. Os primeiro e segundo canais 16, 17 se estendem entre a primeira extremidade 30 e a segunda extremidade 31 da conduta do fluxo de gás de escape 10 para direcionar os gases de escape a partir da porta de entrada 7 para a porta de saída 8. A conduta do fluxo de gás de escape 10 compreende ainda uma pluralidade de terceiros canais 18 localizados entre os canais 16, 17. Os terceiros canais 18 se estendem entre a primeira extremidade 30 e a segundo extremidade 31 da conduta do fluxo de gás de escape 10 para direcionar os gases de escape a partir da porta de entrada 7 na direção da porta de saída 8. A pluralidade de terceiros canais 18 pode ser ao menos parcialmente definida por uma estrutura de rebarba convoluta 11 localizada dentro da conduta de fluxo de gás de escape 10. Em algumas formas de realização, uma parte ou a totalidade da estrutura de rebarba 11 é definida por um elemento distinto (por exemplo, um "encaixe") acolhido dentro da conduta do fluxo de gás 10. Em algumas formas de realização, pode ser vantajoso que a estrutura de rebarba convoluta 11 inclua várias cristas 28, que estão ligadas a um ou a ambos os lados amplos planos 14, 15, por exemplo, por soldadura.

a FIG. 6 retrata os canais 17, 18 lado a lado em uma escala comum de comparação. Deve ser facilmente perceptível a partir da inspeção da FIG. 6 que a área transversal do canal 18 é substancialmente menor do que a área transversal do canal 17. Na forma de realização ilustrada, a relação entre a área transversal do canal 18 e a área da seção transversal do canal 17 é de cerca de 0,36. Em outras formas de realização, a relação entre a área transversal do canal 18 e a área da seção transversal do canal 17 pode estar compreendida num intervalo de cerca de 0,30 a cerca de 0,50. Outras diferenças entre a área transversal do canal 16 e/ou 17 e os canais intermédios 18 são possíveis em outras formas de realização, incluindo aqueles com rebarbas convolutas 11 de diferentes tamanhos e formas, condutas de fluxo 10 com diferentes formas laterais estreitas, e afins.

Ao realizar cálculos do comportamento de transferência de calor e/ou queda de pressão de um fluido que flui através de um canal, é útil considerar o diâmetro hidráulico do canal como um comprimento característico. 0 diâmetro hidráulico é convencionalmente definido como sendo igual a quatro vezes a proporção de área do canal de fluxo em relação ao seu perímetro molhado. Para os canais 17, 18 da FIG. 6, os perímetros molhados são indicados como 19 e 20, respectivamente. Na forma de realização ilustrada, a relação entre o diâmetro hidráulico do terceiro canal 18 em relação ao diâmetro hidráulico do segundo canal 17 é de cerca de 0,40. Em outras palavras, o diâmetro hidráulico do segundo canal 17 é de aproximadamente duas vezes e meia maior que o diâmetro hidráulico de cada um da pluralidade de terceiros canais 18 na forma de realização ilustrada. Nas outras formas de realização, a relação entre o diâmetro hidráulico do terceiro canal 18 e o diâmetro hidráulico do segundo canal 17 pode estar num intervalo de cerca de 0,30 a cerca de 0,50. Em ainda outras formas de realização, a relação entre o diâmetro hidráulico do terceiro canal 18 e o diâmetro hidráulico do segundo canal 17 pode ser inferior a cerca de 0,75. Deve ser entendido que o primeiro canal 16 da forma de realização ilustrada, embora não mostrado na FIG. 6, é semelhante tanto na área de fluxo como no diâmetro hidráulico ao segundo canal 17, e tem aproximadamente as mesmas taxas de fluxo de área e diâmetro hidráulico para os canais 18.

Deve ser facilmente apreciado pelos peritos na técnica dos permutadores de calor que o diâmetro hidráulico da pluralidade de terceiros canais 18 será reduzido à medida que o espaçamento de centro a centro das cristas 28 da estrutura de rebarba convoluta 11 é diminuído. Tal diminuição pode ser vista como vantajosa para o desempenho térmico do permutador de calor 1, uma vez que irá aumentar a quantidade de área de superfície exposta à convecção do fluido que passa através da conduta de fluxo 10, embora à custa de um aumento na queda da pressão imposta ao fluido. O diâmetro hidráulico dos primeiro e segundo canais 16, 17 não é, contudo, afetado por essa mudança de espaçamento de centro para centro, uma vez que o perfil arqueado dos lados estreitos 12, 13 se opõe à extensão da inserção convoluta 11 para o interior dos canais 16, 17. Os inventores descobriram que quando a razão acima mencionada entre o diâmetro hidráulico dos canais 18 e o dos canais 16, 17 é reduzida para ser substancialmente menor do que um valor de 1,0 então o permutador de calor 1 pode ter uma predisposição para ter uma alta suscetibilidade à degradação de desempenho devido à sujidade. Isto pode ser visto pela linha tracejada 26 na FIG. 8, que mostra dados de teste de um refrigerador de EGR com condutas de fluxo de escape 10, conforme ilustrado na FIGS. 5 e 6. 0 resfriador EGR foi testado em condições normais de funcionamento, passando o fluxo de escape de um motor de combustão interna por meio das condutas de fluxo dos gases de escape, com um fluxo de refrigerante a remover o calor do fluxo de escape que passa através das condutas de fluxo de escape 10. O fluxo dos gases de escape entra nas condutas 10 de fluxo de gás de escape a uma temperatura de aproximadamente 600°C, como é típico para refrigeradores EGR em aplicações veiculares. O gráfico da FIG. 8 mostra a temperatura do fluxo de saída de escape dos gases de escape refrigerados que saem das condutas de fluxo de gás de escape ao longo da duração do ensaio. Como foi evidenciado pelo gráfico, o desempenho de transferência de calor do refrigerador EGR diminui com maior tempo de teste, devido à sujidade das superfícies do permutador de calor expostas ao gás de escape. 0 resultante aumento da temperatura da saída dos gases de escape que saem das condutas 10 de fluxo de gás de escape não é desejável para os refrigeradores EGR.

Os dados de teste tais como o representados pela linha tracejada 26 podem ser usados para determinar um fator de sujidade apropriado para o uso no dimensionamento de um permutador de calor, como por exemplo, um refrigerador EGR, para aplicações específicas. Tal fator de sujidade pode ser usado para garantir que o permutador de calor é dimensionado para oferecer um desempenho aceitável, mesmo quando operado em condições previsíveis de sujidade.

Muito embora não se queira subscrever uma determinada teoria sobre a sujidade e sobre o impacto da sujidade num permutador de calor, acredita-se que pelo menos uma certa quantidade de degradação do desempenho observado devido à sujidade pode ser o resultado de uma redistribuição não preferencial do fluxo dos gases de escape que ocorrem quando as superfícies ficam sujas. Especificamente, como uma camada de materiais em partículas se forma nas superfícies da estrutura de rebarba convoluta 11, o percentual de redução na área de fluxo da pluralidade de terceiros canais 18 será substancialmente maior do que o percentual de redução na área de fluxo dos primeiro e segundo canais 16 e 17, devido à menor proporção de área de fluxo a ser molhada (por exemplo, suja) em comparação com perímetro dos canais 18, como evidenciado pelo seu menor diâmetro hidráulico. A redução na área de fluxo resulta em uma correspondente redução no diâmetro hidráulico, sendo que ambos contribuem para uma maior resistência ao fluxo através dos canais (ou seja, queda de pressão acrescida). Como os canais 16, 17, 18 estão hidraulicamente em paralelo, a queda de pressão em todos os canais é idêntica, e a distribuição de fluxo dos gases entre os canais irá ajustar-se conforme o necessário.

Assim, a percentagem do fluxo total de gás de escape que passa através dos primeiro e segundo canais 16, 17 aumentará à medida que as superfícies se sujam e a relação entre o diâmetro hidráulico dos terceiros canais 18 e o diâmetro hidráulico dos primeiro e segundo canais 16, 17 diminui. Acredita-se que a redistribuição do fluxo para equilibrar a queda de pressão através dos canais resulta em uma redução da velocidade do fluxo através dos terceiros canais 18 e um aumento da velocidade de fluxo através dos primeiro e segundo canais 16, 17. É bem conhecido que a taxa de sujidade é inversamente proporcional à velocidade de fluxo.Embora não querendo se comprometer com a teoria, os inventores acreditam que é criado um mecanismo de feedback positivo, pelo qual a sujidade leva à redistribuição do fluxo afastando-se dos terceiros canais 18, o que leva a um aumento de suj idade desses canais 18, levando a uma redistribuição do fluxo adicional e assim por diante, até que uma condição de operação estável suja seja alcançada na qual uma parcela substancial do fluxo total de gás de escape é direcionada através dos primeiro e segundo canais 16, 17.

A fim de melhorar o desempenho térmico do permutador de calor 1, quando a operar em uma condição suja, o permutador de calor das FIGS. 1-4 inclui uma placa de bloqueio de fluxo 9 posicionada na extremidade de saída 31 das condutas do fluxo de gás de escape 10. A placa de bloqueio de fluxo 9 inclui aberturas 22 (FIG. 7) alinhadas com pelo menos alguns de entre a terceira pluralidade de canais 18 de pelo menos algumas das condutas de fluxo de gás de escape 10. A placa de bloqueio de fluxo 9 da forma de realização ilustrada tem aberturas 22 que são comuns aos canais 18 às várias condutas de escape do fluxo de gás 10. No entanto, em algumas formas de realização, cada canal de fluxo de gás de escape 10, pode ter a sua própria abertura 22.

Com referência contínua à forma de realização ilustrada, a placa de bloqueio de fluxo 9 inclui uma superfície 23 que pode ser vantajosamente posicionada adjacente a uma das extremidades 30, 31 (por exemplo, a extremidade de saída 31) das condutas de fluxo de gás de escape 10. As extremidades 31 penetram e são recebidas por um cabeçalho 21 (FIG. 4) do permutador de calor 1. Como pode ser melhor observado na FIG. 4, estas extremidades 31 podem se estender por uma certa porção para além da superfície do cabeçalho de 21, devido, por exemplo, às tolerâncias de fabrico e de montagem.

Também incluída na ilustrada placa de bloqueio de fluxo 9 está uma pluralidade de superfícies 25 que são defasadas da face 23. Em algumas formas de realização, cada uma das superfícies 25 é definida por uma superfície elevada placa de bloqueio de fluxo 9 (quando vista na orientação da FIG. 7, por exemplo). As superfícies elevadas 25 podem ter qualquer forma desejada. Na forma de realização ilustrada, as superfícies elevadas 25 são em forma de platôs que estão substancialmente planos e lisos. Em outras formas de realização, as superfícies elevadas 25 podem ser em forma de picos pontiagudos, de picos arredondados, ou como uma combinação de formas diferentes. As superfícies de 25 podem diretamente ligar ou encaixar de encontro à face do cabeçalho 21, e a placa de bloqueio de fluxo 9 pode ser pelo menos parcialmente ligada ao cabeçalho 21 em uma ou mais das superfícies 25, como seja por meio de soldadura, de brasagem ou outros processos de ligação.

A placa de bloqueio de fluxo 9 ainda inclui uma pluralidade de superfícies 24 defasadas da face 23 e posicionadas de modo a serem recebidas dentro das condutas de fluxo de gás de escape 10 que se encontram próximas (isto é, ao lado) nos lados estreitos arqueados 12, 13. Em algumas formas de realização, as superfícies 24 também são adjacentes a uma extremidade da estrutura de rebarba convoluta 11. Isto fornece um caminho tortuoso para o fluxo dos gases de escape que passam através dos primeiro e segundo canais 16, 17 de cada uma das condutas de escape do fluxo de gás 10. Dessa forma, o fluxo de gás de escape é direcionado através desses canais (por exemplo, os terceiros canais 18) que estão em alinhamento com as aberturas 22. Em algumas formas de realização, todo ou quase todo o fluxo dos gases de escape é dirigido desta forma. Tal como acontece com as superfícies elevadas 25 descritas acima, cada uma das superfícies 24 é definida por uma superfície elevada da placa de bloqueio de fluxo 9 (quando vista na orientação da Fig. 7, por exemplo). Na forma de realização ilustrada, as superfícies elevadas 24 são em forma de platôs. Em outras formas de realização, as superfícies 24 podem ser em forma de picos pontiagudos, de picos arredondados, ou como uma combinação de formas diferentes.

A placa de bloqueio de fluxo da forma de realização ilustrada é uma única placa de bloqueio de fluxo 9 adaptada para bloquear múltiplos canais 16, 17 das condutas de fluxo 10. Em algumas formas de realização, duas ou mais placas de bloqueio de fluxo 9 podem estar localizadas nas extremidades 30, 31 de um conjunto de condutas de fluxo para atingir este mesmo objetivo. Apenas a título de exemplo, a placa de bloqueio de fluxo 9 que é mostrada na FIG. 7 pode ser substituída por duas ou mais placas de bloqueio de fluxo 9 colocadas lado a lado que definem em conjunto a mesma forma que se encontra apresentada na FIG. 7. A placa de bloqueio de fluxo 9 da FIG. 7 pode ser construída com um qualquer número de placas de bloqueio de fluxo, cada uma das quais se encontra configurada e posicionada para bloquear (por exemplo, cobrir) dois ou mais canais 16, 17. Em algumas formas de realização, uma placa de bloqueio de fluxo 9 é configurada e posicionada para bloquear dois ou mais canais 16, 17 e/ou para se prolongar entre condutas de fluxo de gás de escape 10 em dois ou mais locais. Além disso, uma tal placa de bloqueio de fluxo 9 pode bloquear apenas os canais 16, 17 localizados em um lado comum estreito 12, 13 de duas ou mais condutas de gás de escape adjacentes 10, e/ou pode bloquear os canais 16, 17 em ambos os lados estreitos 12, 13 da mesma conduta de fluxo de gás de escape 10. Dependendo do tamanho e da forma da placa de bloqueio de fluxo 9, qualquer número e combinação de canais 16, 17 em um conjunto de condutas de fluxo de gás de escape 10 pode ser bloqueado por uma placa de bloqueio de fluxo 9. Da mesma forma, dependendo do tamanho e da forma da placa de bloqueio de fluxo 9, tais placas de bloqueio de fluxo 9 podem se estender a qualquer número e combinação de posições entre as condutas de fluxo de gás de escape 10.

Muito embora a placa de bloqueio de fluxo 9 da forma de realização ilustrada cubra e bloqueie os canais 16, 17 em ambos os lados estreitos 12, 13 de cada conduta de fluxo de gás de escape 10 do permutador de calor 1, deve salientar-se que a placa de bloqueio de fluxo 9 pode cobrir e bloquear qualquer subconjunto de canais 16, 17, com base pelo menos em parte na forma da placa de bloqueio de fluxo 9 selecionada.

Com referência continuada à placa de bloqueio de fluxo 9 da forma de realização ilustrada, as superfícies 24, 25 da placa de bloqueio de fluxo 9 são ligadas umas às outras por teias 33 de material integrante das superfícies 24, 25. Estas teias de material 33 conectam todas as superfícies 24, 25 umas às outras na forma de realização ilustrada. Em outras formas de realização, qualquer outro formato, número e localização das teias 33 pode ser usado para conectar qualquer número de superfícies 24 e/ou 25 umas às outras para ao menos parcialmente definirem a placa de bloqueio de fluxo 9. Essas teias 33 podem, por exemplo, se estender entre, e conectar as, superfícies adjacentes 24 da placa de bloqueio de fluxo 9 abrangendo os canais 16, 17 nos lados estreitos 12, 13 das condutas de fluxo dos gases de escape 10. As teias 33 também podem se estender entre, e conectar as, superfícies adjacentes 25 da placa de bloqueio de fluxo 9 localizada entre condutas de gás de escape adjacentes 10, e/ou pode se estender entre, e conectar, cada um desses tipos de superfícies 24, 25.

Como descrito acima, cada uma das superfícies 24, 25 de placa de bloqueio do fluxo da forma de realização ilustrada tem uma porção elevada respectiva. Neste sentido, as superfícies 24, 25 podem, cada uma, ser definida por uma projeção com uma forma adequada para inserção dentro das extremidades dos canais 16, 17 ou em locais entre as condutas de fluxo de gás de escape 10. Em outras formas de realização, qualquer número de superfícies 24 e/ou 25 pode ser substancialmente plana, e não precisam necessariamente de se estender para esses locais para realizar as funções aqui descritas. Por exemplo, algumas ou todas as superfícies 24 da placa de bloqueio de fluxo 9 podem ser substancialmente planas, e podem ser posicionadas para cobrir os lados estreitos 12, 13 dos canais 16, 17. Em ainda outras formas de realização, qualquer número de superfícies 24 pode, ao invés, ser definido por um recesso na placa de bloqueio de fluxo 9 dentro da qual um dos lados estreitos 12, 13 da conduta de fluxo de gás de escape 10 é recebido para cobrir e bloquear o canal correspondente 16, 17 da conduta de fluxo de gás de escape 10.

Nas formas de realização em que as superfícies 24 da placa de bloqueio de fluxo 9 se estendem para os canais 16, 17, ou em que as superfícies 24 da placa de bloqueio de fluxo 9 recebem os lados estreitos 12, 13 adjacentes aos canais 16, 17, as superfícies 24 podem, cada uma, ter uma forma correspondente à forma interior ou exterior dos lados estreitos 12, 13, respectivamente. A correspondência da forma das superfícies 24 deste modo pode melhorar a capacidade da placa de bloqueio de fluxo 9 para executar a sua função.

A placa de bloqueio de fluxo 9 pode ser fabricada em uma série de maneiras diferentes, como sejam, por estampagem, moldagem, usinagem, e afins. Em algumas formas de realização, a placa de bloqueio de fluxo 9 pode ser produzida a partir de uma única folha de material com uma espessura constante ou substancialmente constante, e que é formada de qualquer forma adequada para o formato final desejado para a instalação nas condutas 10 de fluxo de gás de escape. Assim, as superfícies 24, 25 descritas aqui podem ser criadas sendo forçadas a sair do plano em relação às superfícies envolventes (por exemplo, as teias de 33) da folha de material.

Muito embora a forma de realização ilustrada inclua a placa de bloqueio de fluxo na extremidade de saída de gás de escape 31 das condutas de fluxo 10, o mesmo efeito ou um efeito similar pode ser conseguido através da colocação de uma placa de bloqueio de fluxo 9 na extremidade de entrada 3 0 das condutas de fluxo 10 no lugar de, ou em acréscimo à, placa de bloqueio de fluxo 9 na extremidade de saída 31.

Dificultando a capacidade dos gases de escape para contornar os terceiros canais 18 em favor dos primeiro e segundo canais 16, 17 com a placa de bloqueio de fluxo 9 ajuda a manter o desempenho térmico do permutador de calor 1. Em particular, se o permutador de calor 1 não incluir a placa de bloqueio de fluxo 9, o desempenho térmico pode ser reduzido devido ao mecanismo de feedback acima descrito. A fim de avaliar os benefícios decorrentes da placa de bloqueio de fluxo 9, um permutador de calor idêntico ao usado para gerar os dados de teste da linha tracejada 26, com exceção da adição de uma placa de bloqueio de fluxo 9, foi testado de maneira idêntica. Os resultados desse teste são indicados pela linha sólida 27 na FIG. 8. Como está evidenciado pelo gráfico, o permutador de calor 1 com a placa de bloqueio de fluxo 9 mostrou um melhor desempenho na condição limpa (ou seja, nas 0 horas de tempo em teste). No entanto, como os permutadores de calor se sujaram ao longo do teste, o permutador de calor 1 com a placa de bloqueio de fluxo 9 apresentaram um desempenho melhorado no desempenho térmico em relação a um permutador de calor, sem uma placa de bloqueio de fluxo. Surpreendentemente, os permutadores de calor que operam na condição suja produziram uma queda de pressão quase idêntica, sugerindo que os terceiros canais 18 no permutador de calor 1 com a placa de bloqueio de fluxo 9 experimentaram uma menor constrição de canal de fluxo devido à sujidade do que os canais de fluxo no permutador de calor sem a placa de bloqueio de fluxo.

A adição de uma placa de bloqueio de fluxo 9 pode principalmente proporcionar uma desejável melhoria no desempenho de transferência de calor de um permutador de calor dos gases de escape quando a relação do diâmetro hidráulico dos terceiros canais 18 em relação ao diâmetro hidráulico dos primeiro e segundo canais 16, 17 é menor do que 0,75. Em algumas formas de realização, a relação poderá ser inferior a 0,5, a fim de proporcionar uma melhoria especialmente desejável no desempenho de transferência de calor em determinadas aplicações.

Várias alternativas para determinadas características e elementos da presente invenção são descritas com referência a formas de realização específicas da presente invenção. Com a exceção de características, elementos e modos de operação que se excluem mutuamente ou que são incompatíveis com cada forma de realização descrita acima, deve-se observar que as características, elementos e modos de operação alternativos, descritos acima com referência a uma forma de realização em especial, são aplicáveis a outras formas de realização.

As formas de realização acima descritas e ilustradas nas figuras são apresentadas a título de exemplo e não são destinadas a representar uma limitação em relação aos conceitos e aos princípios da presente invenção. Como tal, será apreciado por quem detiver conhecimentos comuns na técnica que diversas alterações nos elementos e na sua configuração e arranjo são possíveis, sem se afastar do espírito e do escopo da presente invenção. Por exemplo, o permutador de calor 1 ilustrado nas Figs. 1-4 tem um compartimento externo 2 no interior do qual uma pluralidade de condutas de fluxo 10 estão localizadas (e parcialmente cobertas por uma ou mais placas de bloqueio de fluxo 9, como acima descrito), o tanque de entrada dos gases de escape 3, o tanque de saída dos gases de escape 4, e o fluxo de entrada de fluxo de escape e as portas de saída 7, 8. Será apreciado que em outras aplicações, outras configurações de um permutador de calor 1 são possíveis enquanto se utilizam características da presente invenção, como permutadores de calor com diferentes formas e tamanhos, permutadores de calor com mais de um tanque de gás de escape de entrada e/ou tanque de saída, e permutadores de calor com mais de uma porta de fluxo de escape de entrada e/ou portas de saída. Como outro exemplo, o permutador de calor 1 pode ter um qualquer número desejado de placas de bloqueio de fluxo 9, cada uma das quais pode bloquear o fluxo do fluido através da pluralidade de condutas de fluxo 10.

Várias características e vantagens da invenção são definidas nas reivindicações que se seguem.

1. Um refrigerador de recirculação de gases de escape configurado para esfriar os gases de escape de um motor, em que o refrigerador de recirculação de gases de escape é caraterizado pelo fato de compreender:

uma entrada configurada para receber o gás de escape do motor;

uma saída configurada para direcionar os gases de escape de volta para o motor;

uma conduta de fluxo dos gases de escape, incluindo

uma primeira extremidade adjacente à entrada,

uma segunda extremidade adjacente à saída,

um primeiro lado estreito,

um segundo lado estreito oposto ao primeiro lado estreito,

lados amplos substancialmente planos que se estendem entre o primeiro lado estreito e o segundo lado estreito,

um primeiro canal adjacente ao primeiro lado estreito e que se estende entre a primeira extremidade e a segunda extremidade,

um segundo canal adjacente ao segundo lado estreito e que se estende entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, e

uma pluralidade de terceiros canais situados entre o primeiro canal e o segundo canal e que se estendem entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, e

uma placa localizada em uma das primeira e segunda extremidades da conduta de escape do fluxo de gás para inibir o fluxo de gases de escape através de pelo menos

um de entre o primeiro canal e o segundo canal,

permitindo ao mesmo tempo o fluxo de escape de gás através da pluralidade de terceiros canais.

2. 0 permutador de calor da reivindicação 1, que compreende ainda um cabeçalho que recebe uma parte da conduta de fluxo de gás de escape, caraterizado pelo fato de que a placa é acoplada diretamente ao cabeçalho.

3. O permutador de calor da reivindicação 1, caraterizado pelo fato de que a conduta de fluxo de gás de escape inclui uma estrutura de rebarba que divide a conduta do fluxo de gás de escape numa pluralidade de terceiros canais.

4. 0 permutador de calor da reivindicação 1, caraterizado pelo fato de que o primeiro canal tem um primeiro diâmetro hidráulico, o segundo canal tem um segundo diâmetro hidráulico, e pelo menos um dos terceiros canais tem um terceiro diâmetro hidráulico que é menor do que o primeiro diâmetro hidráulico.

5. 0 permutador de calor da reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o segundo diâmetro hidráulico é semelhante ao primeiro diâmetro hidráulico.

6. O permutador de calor da reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a placa inclui uma abertura em linha com pelo menos uma parte da pluralidade de terceiros canais para permitir que os gases de escape fluam através da pluralidade de terceiros canais.

7. O permutador de calor da reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a placa inibe o gás de exaustão de fluir através de ambos os canais do primeiro e do segundo canal.

8. O permutador de calor da reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a placa inclui uma face e uma superfície defasada da face, e a superfície é recebida dentro da conduta de fluxo de gás de escape adjacente ao primeiro lado estreito para substancialmente bloquear o fluxo de gás de escape através do primeiro canal.

9. O permutador de calor da reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a conduta de fluxo de gás de escape inclui uma estrutura de rebarba que divide a conduta de fluxo de gás de escape numa pluralidade de terceiros canais, e a superfície desfasada da face contacta com a estrutura de rebarba.

10. O permutador de calor da reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a superfície é uma primeira superfície, na qual a placa inclui ainda uma segunda superfície defasada da face, e em que a segunda superfície é recebida dentro da conduta de fluxo de gás de escape adjacente ao segundo lado estreito para substancialmente bloquear o fluxo de gás de escape através do segundo canal.

11. O permutador de calor da reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro lado estreito e o segundo lado estreito da conduta de fluxo dos gases de escape serem de forma arqueada.

12. O permutador de calor da reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a conduta de fluxo de gás de escape ser uma de uma pluralidade de condutas de fluxo de gás de escape, em que cada uma de entre a pluralidade de condutas de fluxo de gás de escape, inclui,

uma primeira extremidade adjacente à entrada,

uma segunda extremidade adjacente à saída,

um primeiro lado estreito,

um segundo lado estreito oposto ao primeiro lado estreito,

uma pluralidade de terceiros canais situados entre o primeiro canal e o segundo canal e que se estende entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, e

em que a placa está localizada em uma das primeiras extremidades e das segundas extremidades da pluralidade de condutas de fluxo de gás de escape e se estende entre a pluralidade de condutas de fluxo de gás de escape, inibindo a placa que o gás de escape flua através de pelo menos um dos primeiro e segundo canais de cada conduta de fluxo de gás, permitindo o fluxo de gás de escape através da pluralidade de terceiros canais de cada conduta de fluxo de gás de escape.

13. Um refrigerador de recirculação de gases de escape configurado para esfriar os gases de escape de um motor, caracterizado pelo fato de que o permutador de calor compreende:

uma entrada configurada para receber o gás de escape do motor;

uma conduta de fluxo de gás de escape, incluindo uma primeira extremidade adjacente à entrada,

uma segunda extremidade adjacente à saída,

um primeiro lado de forma arqueada,

um segundo lado de forma arqueada oposto ao primeiro lado de forma arqueada,

lados amplos substancialmente planos que se estendem entre o primeiro lado de forma arqueada e o segundo lado de forma arqueada,

um primeiro canal adjacente ao primeiro lado de forma arqueada e que se estende entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, em que o primeiro canal tem um primeiro diâmetro hidráulico,

um segundo canal lateral adjacente segundo lado de forma arqueada e que se estende entre a primeira extremidade e a segunda extremidade, em que o segundo canal tem um segundo diâmetro hidráulico, e

uma pluralidade de terceiros canais situados entre o primeiro canal e o segundo canal, cada um dos terceiros canais com um terceiro diâmetro hidráulico, sendo o terceiro diâmetro hidráulico menor do que o primeiro diâmetro hidráulico e

uma placa localizada em uma de entre as primeira extremidade e a segunda extremidade da conduta de fluxo de gás de escape para inibir o fluxo de gases de escape através de pelo menos um de entre os primeiro canal e o segundo canal, permitindo o fluxo de gás de escape através da pluralidade de terceiros canais.

14. 0 permutador de calor da reivindicação 13, que compreende ainda uma pluralidade de condutas de fluxo de gás de escape semelhantes à conduta de fluxo de gás de escape, caracterizado pelo fato de que a placa inibe o fluxo de gases de escape através de pelo menos um dos primeiro canal e do segundo canal de cada conduta de fluxo de gás de escape, permitindo ao mesmo tempo o fluxo de gás de escape através da pluralidade de terceiros canais de cada conduta de fluxo de gases de escape.

15. 0 permutador de calor da reivindicação 13, que compreende ainda um cabeçalho que recebe uma parte da conduta de fluxo de gás de escape, caraterizado pelo fato de que a placa é acoplada diretamente ao cabeçalho.

16. 0 permutador de calor da reivindicação 13, caraterizado pelo fato de que a relação entre o terceiro diâmetro hidráulico e o primeiro diâmetro hidráulico ser inferior a 0,75.

17. 0 permutador de calor da reivindicação 13, caraterizado pelo fato de que a relação entre o terceiro diâmetro hidráulico e o primeiro diâmetro hidráulico é de aproximadamente 0,4.

18. O permutador de calor de reivindicação 13, caraterizado pelo fato de que o segundo diâmetro hidráulico é semelhante ao primeiro diâmetro hidráulico.

19. O permutador de calor da reivindicação 13, caraterizado pelo fato de que a placa inclui uma abertura em linha com pelo menos uma parte da pluralidade de terceiros canais para permitir o fluxo de gás de escape através da pluralidade de terceiros canais.

20. O permutador de calor de reivindicação 13, caraterizado pelo fato de que a placa inclui uma face e uma superfície desfasada da face, e em que a superfície é recebida dentro da conduta de gás de escape adjacente ao primeiro lado de forma arqueada para substancialmente bloquear o fluxo de gás de escape através do primeiro canal.