ES2204466T3 - Intercambiador de calor por placas, en especial para refrigerar un aceite de un vehiculo automovil. - Google Patents
Intercambiador de calor por placas, en especial para refrigerar un aceite de un vehiculo automovil.Info
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Abstract
Intercambiador de calor que comprende una multiplicidad de placas apiladas (10) provistas cada una de un borde periférico levantado (14), y en el cual los indicados bordes periféricos están montados de forma estanca para delimitar entre las placas unos primeros canales de circulación (22) para un primer fluido (F1) que alternan con unos segundos canales de circulación (24) para un segundo fluido (F2), comprendiendo el intercambiador además una entrada (26) y una salida (28) para el primer fluido (F1) así como una entrada (30) y una salida (32) para el segundo fluido (F2), caracterizado por el hecho de que las placas (10) son idénticas entre sí y tienen la forma general de un cuadrado, por el hecho de que presentan cada una un fondo (12) que tiene ondulaciones (16) definidas por generatrices que se extienden en una dirección dada, por el hecho de que las placas (10) están dispuestas de forma alterna girándose 90o con relación a la(s) placa(s) adyacente(s), de forma que cada canal (22; 24) esté delimitado por ondulaciones cruzadas de 90o, y por el hecho de que la entrada (26) y la salida (28) del primer fluido (F1) se sitúan sensiblemente en una diagonal del cuadrado, mientras que la entrada (30) y la salida (32) del segundo fluido (F2) se sitúan sensiblemente en otra diagonal del cuadrado.
Description
Intercambiador de calor por placas, en especial
para refrigerar un aceite de un vehículo automóvil.
La invención se refiere a los intercambiadores de
calor, en especial para vehículos automóviles.
La invención se refiere más particularmente a un
cambiador de calor que comprende una multiplicidad de placas
apiladas provistas cada una de un borde periférico levantado, y en
el cual los indicados bordes periféricos están montados de forma
estanca para delimitar entre las placas unos primeros canales de
circulación para un primer fluido que alternan con unos segundos
canales de circulación para un segundo fluido, incluyendo el
intercambiador además una entrada y una salida para el primer
fluido así como una entrada y una salida para el segundo
fluido.
Un intercambiador de calor de este tipo, llamado
también "intercambiador de placas", o "intercambiador de
hojas", es conocido en particular por la publicación del
documento DE-A-195 11 991. Un
intercambiador de calor de este tipo se utiliza por ejemplo como
refrigerador de aceite para vehículo automóvil, para asegurar la
refrigeración del aceite del motor o también la refrigeración del
aceite de la caja de cambios automática, por intercambio térmico
con un fluido de refrigeración, habitualmente el que sirve para la
refrigeración del motor del vehículo.
En un intercambiador de calor de este tipo, las
placas se realizan habitualmente por embutición de una chapa
metálica, y se apilan, de forma que sus bordes periféricos
respectivos encajen los unos en los otros y sean seguidamente
soldados entre sí para asegurar la estanqueidad, lo cual permite
definir canales de circulación de fluido. El intercambiador de
calor resulta así de un apilado de placas y no necesita caja.
Se prevé entonces un tubo de entrada y un tubo de
salida para un primer fluido que se comunican con una primera serie
de canales, así como un tubo de entrada y un tubo de salida para
un segundo fluido que se comunican con una segunda serie de
canales, de forma que los canales de la primera serie se alternen
con los canales de la segunda serie.
Las placas presentan unas aberturas situadas a la
derecha de los tubos anteriormente citados y alternativamente
hechas estancas, bien sea por embutidos, o por anillos adicionados,
para asegurar o impedir el paso de uno u otro fluido.
En los intercambiadores de calor conocidos de
este tipo, se prevén habitualmente placas de dos tipos diferentes
que están dispuestas de forma alternativa, lo cual aumenta
particularmente los costes de material y utillaje.
Estas placas presentan un fondo generalmente
plano y está previsto, en cada canal de circulación, un elemento
perturbador para favorecer una circulación turbulenta del fluido y
por consiguiente el intercambio térmico.
Además, generalmente es necesario prever
elementos perturbadores diferentes para el primer fluido y el
segundo fluido, lo cual complica también la fabricación del
intercambiador de calor.
Así, todos estos intercambiadores de calor
conocidos necesitan un gran número de piezas de tipos diferentes
para montar.
La invención tiene particularmente por objeto
superar los inconvenientes anteriormente mencionados.
La invención trata principalmente de proporcionar
un intercambiador de calor de placas del tipo definido
anteriormente, que comprende un número mínimo de piezas de tipos
diferentes, y en particular que está desprovisto de elementos
perturbadores.
La invención trata igualmente de proporcionar
dicho intercambiador de calor de placas adecuado para mejorar el
intercambio térmico entre los dos fluidos, sin aumento de la
pérdida de carga del circuito del primer fluido y del circuito del
segundo fluido.
Un intercambiador correspondiente al preámbulo de
la reivindicación 1, es conocido por el documento GB 2.278.430.
La invención propone a este respecto un
intercambiador de calor del tipo definido en la introducción, en el
cual las placas son idénticas entre sí y tienen la forma general de
un cuadrado, presentando las indicadas placas cada una un fondo
con ondulaciones definidas por generatrices que se extienden en una
dirección dada, y estas placas están dispuestas de forma alterna
girándose 90º con relación a la(s) placa(s)
adyacente(s), de modo que cada canal esté delimitado por
ondulaciones cruzadas de 90º, y en el cual la entrada y la salida
del primer fluido se sitúen sensiblemente sobre una diagonal del
cuadrado, mientras que la entrada y la salida del segundo fluido se
sitúan sensiblemente sobre otra diagonal del cuadrado.
De este modo, el intercambiador de calor se forma
a partir de placas de un solo tipo lo cual reduce el número de
tipos de piezas y facilita las operaciones de montaje.
Se definen así canales tridimensionales de forma
particular delimitados cada uno entre dos fondos ondulados, cuyas
ondulaciones respectivas se extienden en direcciones sensiblemente
perpendiculares entre sí.
Además, como las entradas y salidas de fluido
están situadas sobre diagonales del cuadrado, es posible superponer
una placa por encima de otra girándola 90º.
Las ondulaciones proporcionan un valor del
diámetro hidráulico determinado e igual para los dos fluidos.
Se recordará que para un canal tridimensional de
este tipo, el diámetro hidráulico está definido por la relación
D_{h} = 4 X Volumen ocupado por el fluido/Superficie húmeda.
Según la invención, cada canal tiene un diámetro hidráulico
(D_{h}) de valor elegido, definido por la relación D_{h} = 2.h,
donde h representa la altura del canal, es decir la mitad de la
separación máxima entre las crestas respectivas de las ondulaciones
de una primera placa y las crestas respectivas de las ondulaciones
de una segunda placa adyacente.
Se ha observado que, cuando el valor del diámetro
hidráulico D_{h} se selecciona y está comprendido entre 1 y 3
mm, se obtiene un intercambio térmico óptimo entre los dos fluidos,
sin aumento de la pérdida de carga de uno u otro de estos
fluidos.
De forma ventajosa, el valor del diámetro
hidráulico D_{h} es sensiblemente igual a 1,8 mm.
En la invención, las ondulaciones de dos placas
adyacentes se encuentran preferentemente en contacto mutuo.
Las ondulaciones de las placas son ventajosamente
de forma sensiblemente sinusoidal.
Según otra característica de la invención, las
placas están formadas por embutición de una chapa metálica,
preferentemente a base de aluminio.
Los bordes levantados de las placas están
ventajosamente ensamblados entre sí mediante soldadura.
En una aplicación preferencial de la invención,
el cambiador de calor se realiza en forma de un refrigerador de
aceite para vehículo automóvil, en el cual uno de los fluidos es el
aceite del motor o el aceite de la caja de cambios automática del
vehículo, mientras que el otro fluido es un fluido de
refrigeración.
En la descripción que sigue, realizada solamente
a título de ejemplo, se hace referencia a los dibujos adjuntos, en
los cuales:
- la figura 1 es una vista en perspectiva de un
intercambiador de calor por placas según la invención;
- la figura 2 es una vista parcial en sección del
intercambiador de calor de la figura 1; y
- la figura 3 es una vista por encima del
intercambiador de calor de la figura 1.
El intercambiador de calor representado en la
figura 1 comprende una multiplicidad de placas 10, también llamadas
"medias-hojas", apiladas según una dirección
de ensamblado o apilado, según una técnica de ensamblado llamada
"en escamas".
Las placas 10 son aquí idénticas entre sí y
presentan cada una un fondo 12 rodeado por un borde periférico 14
que es generalmente plano y levantado hacia arriba. El fondo 12
tiene aquí la forma de un cuadrado con ángulos redondeado y está
provisto de ondulaciones 16, de forma sensiblemente sinusoidal,
definidas por generatrices paralelas entre sí y paralelas a los dos
lados opuestos 18 del cuadrado y por consiguiente perpendiculares a
los otros dos lados opuestos 20 del cuadrado (figuras 1 y 3).
Las placas 10 se forman por embutición de una
chapa metálica preferiblemente a base de aluminio, que está
ventajosamente revestida por un chapado de soldadura por al menos
una de sus superficies.
Para formar el intercambiador, las placas 10 se
apilan y se ponen así en contacto mutuo por su periferia por sus
bordes levantados respectivos 14, que se sueldan juntos para
asegurar una unión mecánica estanca.
Las placas 10 están dispuestas de forma
alternativa girándose cada vez cada una 90º con relación a
la(s) placa(s) adyacente(s), si bien las
ondulaciones respectivas 16 de dos placas adyacentes se cruzan 90º
(figura 2). Por otro lado, las ondulaciones de dos placas 10
adyacentes se encuentran en contacto mutuo.
Las placas 10 delimitan así entre sí unos canales
22 para un primer fluido F1 que alternan con canales 24 para un
segundo fluido F2.
El intercambiador de calor comprende además
(figura 1) un tubo de entrada 26 y un tubo de salida 28 para el
primer fluido F1, así como un tubo de entrada 30 y un tubo de
salida 32 para el segundo fluido F2.
Los tubos 26 y 28 se encuentran en una diagonal
del cuadrado formado por la placa 10 situada en un extremo de la
pila y los tubos 30 y 32 se encuentran en otra diagonal de este
cuadrado (figura 3). Los tubos 26, 28, 30 y 32 están montados
respectivamente sobre cuatro aberturas circulares 34, 36, 38 y 40
de la placa superior de la pila (figura 3). Estas aberturas tienen
todas el mismo diámetro y están situadas a idéntica distancia del
centro del cuadrado. Así cuando las placas 10 están apiladas, las
mismas pueden comunicarse entre sí por cuatro series de aberturas
alineadas.
Los conductos 26, 28, 30 y 32 se prolongan en el
interior de la pila y están previstos unos medios que permiten
poner en comunicación los tubos 26 y 28 con los primeros canales
22, por una parte, y los tubos 30 y 32 con los segundos canales 24,
por otra parte. Estos medios de comunicación, por si mismo
conocidos, no se describen. Detalles a este respecto pueden ser
encontrados particularmente en la publicación del documento
DE-A-195 11 991 anteriormente
citada.
Las ondulaciones respectivas 16 de las placas 10
permiten dar a los canales 22 y 24 una estructura tridimensional
particular que favorece una circulación turbulenta del fluido F1 y
del fluido F2 y, por consiguiente, un buen intercambio térmico
entre ellos. Esto permite suprimir los elementos perturbadores que,
hasta ahora, habían sido considerados como necesarios en este tipo
de intercambiadores de calor de placas.
La circulación de los fluidos F1 y F2 en los
canales se realiza a 90ºC con relación a las ondulaciones, como se
ha mostrado por la flecha E para el fluido f2 (figura 3).
En la invención, es además esencial que el
diámetro hidráulico de los canales 22 y 24 tenga un valor
elegido.
Por norma general, el diámetro hidráulico está
definido por la relación D_{h} = 4 x Volumen ocupado por el
fluido/Superficie húmeda.
Aquí, en el caso de un canal de poco espesor, el
diámetro hidráulico D_{h} puede expresarse, de un modo
simplificado, por la relación siguiente:
D_{h} = 2 x
h,
donde h representa la altura media del
canal.
Haciendo referencia a la figura 2, h representa
la mitad de la separación máxima entre las crestas respectivas 40 y
42 de las ondulaciones respectivas 16 de dos placas 10
adyacentes.
Aquí, el valor del diámetro hidráulico D_{h}
debe estar comprendido entre 1 y 3 mm. Ventajosamente, este valor
es sensiblemente igual a 1,8 mm.
El intercambiador de calor constituye
ventajosamente un refrigerador de aceite. Puede ser utilizado para
refrigerar el aceite del motor o el aceite de la caja de cambios
automática de un vehículo automóvil. En este caso, uno de los
fluidos está constituido por este aceite, mientras que el otro
fluido está constituido por un fluido de refrigeración. Este último
es ventajosamente el líquido que sirve habitualmente para la
refrigeración del motor del vehículo automóvil.
Cuando el intercambiador de calor se utiliza para
refrigerar el aceite del motor, se fija entonces bien sea
directamente sobre el bloque-motor, o sobre una caja
de filtración conectada directamente con el motor. El cambiador
puede entonces conectarse con el circuito del fluido de
refrigeración por unos conductos.
En el caso de la refrigeración del aceite de la
caja de cambios automática, el intercambiador de calor puede
conectarse directamente con el cárter de aceite de la caja de
cambios.
Se ha observado que un cambiador de calor de esta
clase permite una mejora del intercambio térmico entre los dos
fluidos, sin aumento de la pérdida de carga del circuito de aceite
y del circuito del líquido de refrigeración. Ensayos han mostrado
que, con relación a un intercambiador de calor por placas clásico
provisto de perturbadores, el intercambiador de calor según la
invención libera una potencia térmica que puede ser superior al 15%
y una pérdida de carga que puede reducirse del 30 al 40%.
Bien entendido, la invención no se limita a
la
forma de realización descrita anteriormente a título de ejemplo sino que se extiende igualmente a otras variantes.
forma de realización descrita anteriormente a título de ejemplo sino que se extiende igualmente a otras variantes.
Claims (9)
1. Intercambiador de calor que comprende una
multiplicidad de placas apiladas (10) provistas cada una de un
borde periférico levantado (14), y en el cual los indicados bordes
periféricos están montados de forma estanca para delimitar entre
las placas unos primeros canales de circulación (22) para un primer
fluido (F1) que alternan con unos segundos canales de circulación
(24) para un segundo fluido (F2), comprendiendo el intercambiador
además una entrada (26) y una salida (28) para el primer fluido
(F1) así como una entrada (30) y una salida (32) para el segundo
fluido (F2), caracterizado por el hecho de que las placas
(10) son idénticas entre sí y tienen la forma general de un
cuadrado, por el hecho de que presentan cada una un fondo (12) que
tiene ondulaciones (16) definidas por generatrices que se extienden
en una dirección dada, por el hecho de que las placas (10) están
dispuestas de forma alterna girándose 90º con relación a
la(s) placa(s) adyacente(s), de forma que cada
canal (22; 24) esté delimitado por ondulaciones cruzadas de 90º, y
por el hecho de que la entrada (26) y la salida (28) del primer
fluido (F1) se sitúan sensiblemente en una diagonal del cuadrado,
mientras que la entrada (30) y la salida (32) del segundo fluido
(F2) se sitúan sensiblemente en otra diagonal del cuadrado.
2. Intercambiador de calor según la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que cada
canal (22; 24) tiene un diámetro hidráulico (D_{h}) de valor
elegido, definido por la relación D_{h} = 2.h, donde h representa
la media altura del canal, es decir la mitad de la separación
máxima entre las crestas respectivas (40, 42) de las ondulaciones
respectivas (16) de las placas adyacentes (10) que delimitan el
canal.
3. Intercambiador de calor según la
reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el valor
del diámetro hidráulico D_{h} está comprendido entre 1 y 3
mm.
4. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 2 y 3, caracterizado por el hecho de que el
valor del diámetro hidráulico D_{h} es sensiblemente igual a 1,8
mm.
5. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que las
ondulaciones (16) de dos placas (10) adyacentes están en contacto
mutuo.
6. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que las
ondulaciones (16) de las placas (10) son de forma prácticamente
sinusoidal.
7. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que las
placas (10) se forman por embutición de una chapa metálica,
preferentemente a base de aluminio.
8. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que los
bordes levantados (14) de las placas (10) se unen entre sí por
soldadura.
9. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que uno
de los fluidos es el aceite de un motor o el aceite de una caja de
cambios automática de un vehículo automóvil, mientras que el otro
fluido es un fluido de refrigeración.
Applications Claiming Priority (2)
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