ES2217672T3 - Intercambiador de calor combinado, en particular para vehiculo automovil. - Google Patents

Intercambiador de calor combinado, en particular para vehiculo automovil.

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ES2217672T3 ES99122374T ES99122374T ES2217672T3 ES 2217672 T3 ES2217672 T3 ES 2217672T3 ES 99122374 T ES99122374 T ES 99122374T ES 99122374 T ES99122374 T ES 99122374T ES 2217672 T3 ES2217672 T3 ES 2217672T3
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Abstract

La invención se refiere a un condensador y refrigerador de aceite combinados para un vehículo automóvil que tiene un haz de tubos por secciones con tubos de diferentes diámetros para distintos usos. El refrigerante de aceite de un vehículo a motor combinado comprende un manojo de tubos (10) conectados a una caja duplicada (16, 18). Está dividido en la parte (A) que forma el refrigerador de aceite de la caja de cambios que tiene los tubos (12a) a través de los cuales pasa el aceite (H), y una parte (P) que forma el condensador con los tubos (12b) a través de los cuales fluye el refrigerante. El mismo flujo de aire enfría tanto al aceite como al refrigerante. Los dos juegos de tubos tienen distintos diámetros hidráulicos (DHa, DHb) relacionados mediante la siguiente inecuación: 0,8 mm2<=DHa x DHb<= 3 mm2. El diámetro hidráulico de los tubos refrigeradores de aceite es mayor que el diámetro hidráulico de los tubos del condensador.

Description

Intercambiador de calor combinado, en particular para vehículo automóvil.
La invención se refiere a un intercambiador de calor combinado, en particular para vehículo automóvil, según el preámbulo de la reivindicación 1. Un intercambiador de este tipo es conocido por el documento EP-A-0.361.358.
En un intercambiador de calor de este tipo, los dos fluidos son refrigerados por un mismo flujo de aire que barre el haz.
La invención se refiere más particularmente a un intercambiador de calor combinado en el cual el haz de tubos se divide en una parte que forma un refrigerador de aceite, cuyos tubos son adecuados para ser recorridos por aceite, y en una parte que forma un condensador, cuyos tubos son adecuados para ser recorridos por un fluido refrigerante.
En un intercambiador de calor de este tipo, el aceite es típicamente el aceite de transmisión, en particular para una caja de cambios automática de vehículo automóvil. En cuanto al condensador, sirve para refrigerar el fluido refrigerante de una instalación de climatización de vehículo automóvil.
En el momento actual, la refrigeración del fluido refrigerante y la refrigeración del aceite de transmisión son realizadas por dos intercambiadores separados, habitualmente un condensador de circulación paralela y un intercambiador de aceite, del tipo de hojas, situado en la proximidad del condensador.
Es conocido, por otro lado, por el Modelo de Utilidad japonés nº 61-167202 realizar un intercambiador de calor combinado que comprende una parte que forma condensador y una parte que forma intercambiador de calor. Este intercambiador de calor comprende un haz común de tubos unido a dos cajas colectoras tubulares.
La realización de un intercambiador de calor combinado, que comprende una parte que forma un refrigerador de aceite y una parte que forma un condensador, plantea numerosos problemas debido a que los dos fluidos presentan características muy diferentes. Así, la viscosidad del aceite es muy superior a la del refrigerante y la pérdida de carga del aceite es por consiguiente muy elevada.
Además, los dos fluidos circulan a temperaturas muy diferentes, siendo la del aceite muy superior a la del fluido refrigerante. Estas diferencias de temperaturas importantes son susceptibles de producir fenómenos de dilatación diferencial que pueden dañar al intercambiador de calor y conducir a fugas.
Además, puede suceder que el fluido refrigerante sea calentado por el aceite, lo cual conduce entonces a una degradación de los rendimientos de la parte condensador.
La invención aporta una solución a los problemas indicados anteriormente.
La misma propone a este efecto un intercambiador de calor combinado, según la reivindicación 1.
Así, el intercambiador de calor combinado de la invención comprende tubos diferentes, es decir que los tubos de la parte condensador están adaptados para la circulación del fluido refrigerante, mientras que los tubos de la parte refrigerador de aceite están adaptados para la circulación del aceite.
Además, es esencial que el producto de los diámetros hidráulicos respectivos DHa y DHb de los tubos cumpla con la relación de desigualdad precedente.
En efecto, se ha observado que cuando el producto DHa x DHb es superior a 3,00 mm^{2}, la potencia térmica intercambiada a nivel de cada uno de los dos fluidos cae de forma significativa. Además, cuando este producto es inferior a 0,8 mm^{2}, la pérdida de carga del circuito de aceite aumenta muy fuertemente.
Los tubos del haz son ventajosamente tubos de canales múltiples.
De preferencia, el diámetro hidráulico de los tubos de la parte refrigerador de aceite es superior al diámetro hidráulico de los tubos de la parte condensador.
Resulta particularmente ventajoso que el número de canales de los tubos de la parte refrigerador de aceite sea inferior al número de canales de los tubos de la parte condensador. Ello significa, en otras palabras, que los tubos de la parte refrigerador de aceite comprenden menos tabiques que los tubos de la parte condensador. Esto permite aumentar el diámetro hidráulico y reducir así de forma importante la pérdida de carga generada por la circulación del aceite en estos tubos.
Los tubos del haz son ventajosamente obtenidos por extrusión.
Según otra característica de la invención, los tubos del haz están unidos a dos cajas colectoras de las cuales cada una comprende un tabique de separación para aislar el aceite que circula por la parte refrigerador de aceite y el fluido refrigerante que circula por la parte condensador.
Habida cuenta de las diferencias de temperatura entre estos dos fluidos, se tiene interés por utilizar tabiques que forman aislante térmico.
Según aún otra característica de la invención, el intercambiador de calor comprende medios que forman barrera térmica entre los tubos de la parte refrigerador de aceite y los tubos de la parte condensador.
Estos medios permiten limitar las tensiones debidas a los fenómenos de dilatación diferencial e impedir un calentamiento del fluido refrigerante por el aceite, que se encuentra a una temperatura muy superior.
En una forma de realización de la invención, los medios que forman barrera térmica comprenden un tubo del haz, denominado "tubo inactivo" o "tubo muerto", que no es recorrido por fluido alguno y que desemboca entre dobles tabiques de cada una de las cajas colectoras.
En otra forma de realización de la invención, en la cual elementos de intercalación están previstos entre los tubos del haz, los medios que forman barrera térmica comprenden una región desprovista de elementos de intercalación ondulados, que se extiende entre dos tubos adyacentes pertenecientes respectivamente a la parte refrigerador de aceite y a la parte condensador.
Según otra característica de la invención, el haz y las cajas colectoras se ensamblan por soldadura.
Así, el intercambiador de calor combinado de la invención puede ser realizado según la tecnología bien conocida de los intercambiadores soldados, tal como la utilizada por ejemplo en la realización de los condensadores.
En la descripción que sigue, realizada a título de ejemplo, se hace referencia al dibujo adjunto, en el cual:
- la figura 1 es una vista en sección longitudinal de un intercambiador de calor combinado según una primera forma de realización de la invención;
- la figura 2 es una vista en sección, a escala ampliada, de un tubo de la parte refrigerador de aceite;
- la figura 3 es una vista en sección, a escala ampliada, de un tubo de la parte condensador;
- la figura 4 es una vista parcial en sección longitudinal de un intercambiador combinado según una segunda forma de realización de la invención; y
- la figura 5 es una vista parcial en sección longitudinal de un intercambiador del intercambiador de calor combinado según una tercera forma de realización según la invención.
El intercambiador de calor combinado representado en la figura 1 comprende un haz 10, también llamado cuerpo, compuesto por una multiplicidad de tubos 12 que se extienden paralelamente entre sí y entre los cuales están dispuestos elementos de intercalación ondulados 14 que forman aletas de refrigeración. Los extremos de los tubos 12 desembocan, por un extremo, en una caja colectora común 16 y, por el otro extremo, en otra caja colectora común 18. Estas dos cajas colectoras son de configuración tubular y se extienden paralelamente entre sí.
Los diferentes componentes del intercambiador de calor, es decir los tubos 12, las aletas y las cajas colectoras 16 y 18 son metálicas y ensambladas entre sí por soldadura.
El haz está dividido en dos partes, a saber una parte A que forma refrigerador de aceite y compuesta por tubos 12a y una parte B que forma condensador y compuesta por tubos 12b. Los tubos 12a son adecuados para ser recorridos por aceite H, tal como aceite de transmisión para una caja de cambios automática de vehículo automóvil. Los tubos 12b son adecuados para ser recorridos por un fluido refrigerante R de una instalación de climatización de vehículo automóvil. Se comprenderá que estos dos fluidos circulan por dos partes diferentes del haz y están destinados para ser barridos por un mismo flujo de aire que barre el haz 10.
Las cajas colectoras 16 y 18 comprenden tabiques aislantes respectivos 20 y 22 para aislar uno del otro los dos fluidos.
El tabique 20 divide la caja colectora 16 en un compartimiento 24 para el aceite (aquí situado en la parte superior) y un compartimiento 26 para el fluido refrigerante (aquí colocado en la parte inferior). De forma correspondiente, el tabique 22 divide la caja colectora 18 en un compartimiento 28 para el aceite (aquí situado en la parte superior) y un compartimiento 30 para el fluido refrigerante (aquí situado en la parte inferior).
El aceite a refrigerar penetra en el compartimiento 24 por un conducto de entrada 32, circula seguidamente por los tubos 12a por una circulación paralela para penetrar en el compartimiento 28. El mismo deja seguidamente el compartimiento 28 por un conducto de salida 34.
El compartimiento 26 está así mismo dividido en dos partes, a saber una parte superior 36 y una parte inferior 38, mediante un tabique 40. De igual modo, el compartimiento 30 de la caja colectora 18 está dividido en dos partes, a saber una parte superior 42 y una parte inferior 44, por un tabique 46. El fluido refrigerante R penetra en el compartimiento 36 por un conducto 48, circula por una parte de los tubos 12b para penetrar en el compartimiento 42, luego circula en sentido inverso para penetrar en el compartimiento 38. Seguidamente, el fluido refrigerante penetra en el compartimiento 44, circulando de nuevo en sentido inverso, y deja el intercambiador de calor por un conducto de salida 50. Así, en este ejemplo, el fluido refrigerante R circula de forma alterna según un modo de tres pases.
Es importante que los tabiques de separación 20 y 22 constituyan un aislamiento térmico dado que el aceite H se encuentra a una temperatura muy superior a la del fluido refrigerante R.
Los tubos 12a y 12b (figuras 2 y 3) son tubos planos de canales múltiples, obtenidos por extrusión a partir de una aleación metálica apropiada, generalmente a base de aluminio.
En el ejemplo, cada tubo 12a (figura 2) comprende dos canales 52 separados por un tabique 54, mientras que cada tubo 12b (figura 3) comprende cuatro canales 56 separados por tres tabiques 58.
Sin embargo, los tubos 12a y 12b tienen la misma sección transversal exterior, lo cual permite una estandarización de fabricación, en el sentido de que los extremos de los tubos son recibidos en orificios idénticos previstos en las cajas colectoras 16 y 18.
Los tubos 12a y 12b tienen diámetros hidráulicos DH, respectivamente DHa y DHb.
Se recordará aquí que el diámetro hidráulico DH de un tubo está definido por la fórmula DH = 4S/P, en la cual S designa el área de la sección interna del tubo (expresada aquí en mm^{2}) y P el perímetro interno, también llamado "perímetro mojado", del tubo (aquí expresado en mm).
Los tubos 12a y 12b tienen así características propias que permiten adaptarlos respectivamente a la refrigeración de aceite y a la refrigeración del fluido refrigerante. Debido a que los tubos 12a tienen menos canales (y por consiguiente menos tabiques) que los tubos 12b, el diámetro hidráulico de los tubos 12a se aumenta, lo cual permite reducir de forma importante la pérdida de carga generada por la circulación del aceite en los tubos 12a.
Conforme a la invención, el producto DHa X DHb presenta un valor que cae en un intervalo definido por la desigualdad siguiente:
0,8 mm^{2} \leq DHa x DHb \leq 3,00 mm^{2}.
Cuando se respeta esta desigualdad, se obtiene un intercambiador de calor combinado en el cual la potencia térmica intercambiada a nivel de cada uno de los dos fluidos es óptimo, limitando la pérdida de carga del circuito de aceite.
Como se ha indicado anteriormente, debido a que los tubos 12a y 12b son recorridos por fluidos a temperaturas diferentes, fenómenos de dilatación diferencial corren el riesgo de aparecer y producir tensiones, particularmente a nivel de las juntas de soldadura entre los tubos y las cajas colectoras.
En la forma de realización de la figura 1, se prevén tabiques 20 y 22 particularmente aislantes que, ventajosamente, pueden ser dobles tabiques.
Se hace ahora referencia a la figura 4 que muestra otra forma de realización de la invención con medios que forman barrera térmica entre los tubos 12a y los tubos 12b.
En esta forma de realización, el haz 10 comprende un tubo inactivo 12i, también llamado "tubo muerto", que no es recorrido por fluido alguno y que desemboca entre un doble tabique 20 de la caja colectora 16 y un doble tabique 22 de la caja colectora 18.
El intercambiador de calor de la figura 5 comprende otros medios que forman barrera térmica. Para ello, el haz está previsto con el fin de comprender una región 60 desprovista de elemento de intercalación ondulados, que se extiende entre las partes A y B del haz, es decir entre dos tubos adyacentes 12a y 12b pertenecientes a estas dos partes A y B.
En un ejemplo de realización, los tubos 12a y 12b tienen cada uno una longitud de 600 mm. El diámetro hidráulico DHa de cada uno de los tubos 12a es igual a 1,6, mientras que el diámetro hidráulico DHb de cada uno de los tubos 12b es igual a 1,313, siendo así el producto DHa x DHb igual a 2,1.
Bien entendido, la invención no se limita a las formas de realización descritas anteriormente y se extiende a otras variantes.

Claims (11)

1. Intercambiador de calor combinado que comprende un haz (10) de tubos (12) conectados a unas cajas colectoras (16, 18) y dividido en una parte (A) que forma un refrigerador de aceite de la cual los tubos (12a) son adecuados para ser recorridos por un primer fluido, a saber aceite (H), por una parte, y en una parte (B) de la cual los tubos (12b) son adecuados para ser recorridos por un segundo fluido, por otra parte, siendo los tubos (12a) de la parte (A) y los tubos (12b) de la parte (B) diferentes,
caracterizado por el hecho de que la parte (B) es un condensador de la cual los tubos (12b) son adecuados para ser recorridos por un fluido refrigerante (R) y por el hecho de que los tubos (12a) de la parte refrigerador de aceite (A) y los tubos (12b) de la parte condensador (B) tienen diámetros hidráulicos respectivos (DHa, DHb) relacionados por las desigualdades siguientes:
1
donde el diámetro hidráulico (DH) de un tubo está definido por la fórmula DH = 4S/P, en la cual S designa el área de la sección del tubo, expresada en mm^{2}, y P el perímetro interno, o "perímetro mojado", del tubo, expresado en mm.
2. Intercambiador de calor según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que comprende solamente dos cajas colectoras (16, 18).
3. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por el hecho de que los tubos (12a, 12b) del haz (10) son tubos de canales múltiples.
4. Intercambiador de calor según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que el número de canales (52) de los tubos (12a) de la parte refrigerador de aceite (A) es inferior al número de canales (56) de los tubos (12b) de la parte condensador (B).
5. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que los tubos (12a, 12b) del haz son obtenidos por extrusión.
6. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que las cajas colectoras (16, 18) comprenden cada una un tabique de separación (20, 22) para aislar el aceite (H) que circula por la parte refrigerador de aceite (A) y el fluido refrigerante (R) que circula por la parte condensador (B).
7. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que medios que forman barrera térmica están previstos entre los tubos (12a) de la parte refrigerador de aceite (A) y los tubos (12b) de la parte condensador (B).
8. Intercambiador de calor según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que los medios que forman barrera térmica comprenden un tubo (12i) del haz, llamado "tubo inactivo" o "tubo muerto", que no es recorrido por fluido alguno y que desemboca entre dobles tabiques (20, 22) de cada una de las cajas colectoras (16, 18).
9. Intercambiador de calor según la reivindicación 7, en el cual elementos de intercalación ondulados (14) están previstos entre los tubos del haz, caracterizado por el hecho de que los medios que forman barrera térmica comprenden una región (60) desprovista de elementos de intercalación ondulados, que se extiende entre dos tubos adyacentes (12a, 12b) pertenecientes respectivamente a la parte refrigerador de aceite y a la parte condensador.
10. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que el haz (10) de tubos (12) y las cajas colectoras (16, 18) se ensamblan mediante soldadura.
11. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por el hecho de que el primer intercambiador es un refrigerador de aceite de transmisión de caja de cambios automática.
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