ES2228883T3 - Faja de refuerzo de colector para intercabiadores de calor. - Google Patents

Abstract

Un intercambiador de calor (10) que comprende: un conjunto de núcleo (12); una pluralidad de colectores (14, 16) para el conjunto de núcleo (12); y una faja (26) envuelta alrededor de parte del conjunto de núcleo (12), asegurando la faja (26) al menos un colector (14, 16) al conjunto de núcleo (12).

Description

Faja de refuerzo de colector para intercambiadores de calor.

Antecedentes del invento

El presente invento se refiere a intercambiadores de calor. Más específicamente, el presente invento se refiere a la fijación de colectores a un conjunto de núcleo de intercambiador de calor.

Los intercambiadores de calor pueden utilizarse en una diversidad de aplicaciones. Los intercambiadores de calor pueden utilizarse para transmitir calor de aire caliente a aire frío y, más generalmente, de un fluido caliente a un fluido frío. Los fluidos que pueden ser tratados van desde gases de escape calientes hasta fluidos criogénicos. El documento EP 1079194 muestra un intercambiador de calor de esta clase.

Los intercambiadores de calor se utilizan comúnmente en sistemas de control ambiental en aeronaves. Un intercambiador de calor típico para aeronaves incluye un conjunto de núcleo y colectores de entrada y de salida, estando los colectores pegados, soldados, remachados o asegurados de otra manera al conjunto de núcleo. Los colectores dirigen aire o fluidos caliente y frío hacia y desde pasos de lado caliente y de lado frío que se extienden a través del conjunto de núcleo. Durante el funcionamiento del intercambiador de calor, se suministra aire comprimido caliente de purga a los pasos del lado caliente y se suministra aire ambiente a los pasos del lado frío. El calor de la compresión se intercambia desde el circuito caliente que sigue los pasos del lado caliente al circuito frío que sigue los pasos del lado frío. El aire de purga puede ser suministrado por una etapa de compresor de un motor de una aeronave.

El aire de purga se suministra a alta presión. Además, los sistemas de control ambiental de una aeronave son hechos funcionar, con frecuencia, a gran altitud y a temperaturas extremas. En tal ambiente hostil, la carga estructural sobre los colectores puede desequilibrarse.

La carga desequilibrada puede hacer que los colectores se separen del conjunto de núcleo. Si tiene lugar la separación, las consecuencias pueden ser catastróficas.

Sumario del invento

De acuerdo con un aspecto del presente invento, un intercambiador de calor incluye un conjunto de núcleo; una pluralidad de colectores para el conjunto de núcleo; y una faja envuelta alrededor de parte del conjunto de núcleo. La faja asegura al menos un colector al conjunto de núcleo.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una ilustración de un intercambiador de calor antes de envolver una faja de refuerzo de colector alrededor de partes de su conjunto de núcleo;

la Figura 2 es una ilustración de un intercambiador de calor después de que la faja ha sido envuelta alrededor del conjunto de núcleo;

la Figura 3 es una vista frontal del intercambiador de calor de la Figura 2, representándose diferentes orientaciones de distintas capas de filamentos de la faja;

la Figura 4 es una ilustración de un intercambiador de calor alternativo después de que la faja ha sido envuelta alrededor del conjunto de núcleo;

la Figura 5 es una vista de una barra de refuerzo prolongada del intercambiador de calor de la Figura 4, siendo canalizados filamentos de la faja por la barra de refuerzo prolongada; y

la Figura 6 es una ilustración de un sistema de control ambiental que incluye un intercambiador de calor dotado de la faja de refuerzo de colectores.

Descripción detallada del invento

El presente invento está incorporado en un intercambiador de calor que incluye un conjunto de núcleo, colectores de entrada y de salida para el conjunto de núcleo y una faja de refuerzo de colectores envuelta alrededor de parte del conjunto de núcleo. El conjunto de núcleo no está limitado a ningún tipo particular. Por ejemplo, el conjunto de núcleo puede ser de un tipo de placas-aletas. Los colectores de entrada y de salida pueden estar soldados (aunque no necesariamente) o unidos de otro modo al conjunto de núcleo. La faja de refuerzo asegura los colectores de entrada y de salida al conjunto de núcleo. La faja de refuerzo proporciona resistencia en áreas muy sometidas a esfuerzos y, por tanto, impide la separación de colectores/conjunto de núcleo en condiciones ambientales hostiles. Incluso cuando se compara con métodos usuales para asegurar los colectores al conjunto de núcleo, la faja de refuerzo proporciona una mayor resistencia con una fracción del peso.

Se hace referencia a la Figura 1, que muestra el intercambiador de calor 10 sin la faja de refuerzo. El intercambiador de calor 10 incluye un conjunto de núcleo 12, un colector de entrada 14 unido a un lado del conjunto de núcleo 12, y un colector 16 de salida unido al mismo lado del conjunto de núcleo 12, adyacente al colector de entrada 14. El colector de entrada 14 incluye una abertura de entrada 18 y el colector de salida 16 incluye una abertura de salida 20. Aunque para cada colector se muestra una sola abertura, los colectores 14 y 16 pueden tener una pluralidad de aberturas de entrada y de salida dispuestas paralelas entre sí. Los colectores 14 y 16 de entrada y de salida pueden estar formados como miembros separados posicionados uno o junto a otro o, preferiblemente, como un miembro único. Aunque los colectores 14 y 16 se muestran montados en el mismo lado del conjunto de núcleo 12, los colectores de entrada y de salida 14 y 16 pueden estar montados a lados opuestos del conjunto de núcleo 12.

El colector de entrada 14 puede dirigir un fluido a alta presión a primeros pasos de fluido dentro del conjunto de núcleo 12 y el colector de salida 16 puede dirigir el fluido a alta presión desde los primeros pasos de fluido. Aunque no se muestra, es evidente que el primer paso de fluido tiene una configuración curvada (porque las aberturas 18 y 20 de entrada y de salida están dispuestas en el mismo lado del conjunto de núcleo 12). Como resultado, el fluido a presión circula dos o más veces por el conjunto de núcleo 12 y los primeros pasos de fluido se denominan, comúnmente, del tipo multi-flujo o de flujo inverso. Típicamente, se producirá una caída de presión a través de los primeros pasos de fluido durante el funcionamiento del intercambiador de calor 10. La magnitud de la caída de presión dependerá, en parte, de la configuración de flujo dentro del conjunto de núcleo 12.

Un par de partes de pestaña 22 y 24 se encuentran en lados opuestos del conjunto de núcleo 12. Estas partes de pestaña 22 y 24 permiten que un segundo par de colectores se unan al conjunto de núcleo 12. El segundo par de colectores dirigen un fluido a menor presión a segundos pasos de fluido dentro del conjunto de núcleo 12 y dirigen el fluido a menor presión desde los segundos pasos de fluido. Los segundos pasos de fluido pueden ser relativamente rectos. Todavía se producirá una caída de presión a través de los segundos pasos de fluido durante el funcionamiento del intercambiador de calor 10.

El conjunto de núcleo 12 puede ser metálico o no metálico. Similarmente, los colectores 14 y 16 pueden ser metálicos o no metálicos.

Volviendo ahora a las Figuras 2 a 4, la faja 26 de refuerzo de colectores se envuelve alrededor de las partes muy sometidas a esfuerzos del conjunto de núcleo 12 y los colectores 14 y 16, creando una frontera que mantiene tanto las necesidades de presión como las de carga. La faja 26, que recuerda a una tela reforzada, puede incluir varios filamentos 28 separados que se unen entre sí. Los filamentos 28 pueden estar formados de un material compuesto tal como vidrio, carbono, KEVLAR®, estratificados de poliimida o plásticos reforzados. Alternativamente, puede utilizarse un material previamente impregnado (pre-preg). Los filamentos 28 pueden, incluso, estar hechos de un metal tal como acero. Características tales como diámetro, rigidez y resistencia a la tracción de los hilos 28 son específicos de la aplicación. Se prefiere una pluralidad de filamentos 28 separados porque la pluralidad de filamentos 28 presentan, juntos, una resistencia suficiente para mantener los colectores 14 y 16 en posición a pesar de la carga desequilibrada sobre el intercambiador de calor 10 durante el funcionamiento.

La Figura 2 ilustra muestra un diseño de envoltura en el que los filamentos 28 están envueltos en torno a todas las superficies de los colectores 14 y 16, excepto en las aberturas 18 y 20. Los filamentos 28 también están envueltos alrededor de una placa lateral 13 (no visible, pero indicada en general con 13) del conjunto de núcleo 12, en oposición a los colectores 14 y 16. La faja 28 está envuelta alrededor de las placas laterales del conjunto de núcleo 12 con el fin de no interferir con el flujo de aire ni con los colectores (no mostrados) que están unidos a las partes de pestaña 22 y 24.

Se dirige la atención a la Figura 3, que muestra que la faja 26 tiene múltiples capas 28a, 28b y 28c de filamentos 28. Cada una de estas capas 28a, 28b y 28c contribuye a la resistencia global de la faja 26. Con el fin de hacer máxima la resistencia global, las capas 28a, 28b y 28c pueden estar dispuestas en ángulo entre sí, creando un conjunto de filamentos enrollados similar a las telas de una cubierta de neumático para automóvil. Las capas 28a, 28b y 28c están orientadas, de preferencia, en un ángulo de aproximadamente cuarenta y cinco (45º) grados una con relación a otra.

La Figura 4 ilustra un intercambiador de calor 110 alternativo en el que tres grupos separados 126a, 126b y 126c de filamentos 128 de la faja aseguran los colectores 114 y 116 al conjunto de núcleo 12. Los grupos 126a, 126b y 126c aseguran una parte media y partes extremas de los colectores 114 y 116. Cada grupo 126a, 126b y 126c de filamentos 128 está alineado con una superficie que se extiende desde una barra de refuerzo del conjunto de núcleo 112 y es canalizado por ella. Como resultado, ninguno de los filamentos 128 bloquea los pasos de flujo de aire a través del conjunto de núcleo 112.

La Figura 5 ilustra con mayor detalle una barra de refuerzo 134 modificada del conjunto de núcleo 112. Un conjunto de núcleo 112 del tipo placas-aletas incluye una pila de conjuntos 130 de aletas y placas 132 de tubos. Las placas 132 de tubos posicionadas entre los conjuntos 130 de aletas, soportan a los conjuntos 130 de aletas en sus posiciones apropiadas al tiempo que impiden que escape fluido entre los pasos de fluido. Barras de cierre y barras 134 de refuerzo están aseguradas en los extremos de las placas 132 de tubos y proporcionan un bastidor para los conjuntos 130 de aletas. Las barras de refuerzo 134 pueden estar dispuestas alrededor del conjunto de núcleo 12.

Algunas de las barras de refuerzo (incluyendo la barra de refuerzo 134 representada en la Figura 5) están modificadas para tener una superficie de soporte 135 prolongada, sustancialmente en forma de yugo, para soportar y canalizar los filamentos 128 de la faja. La superficie prolongada 135 podría extenderse desde o hacia el conjunto de núcleo 112, dependiendo de la presión de compresión a ser ejercida por el material de faja sobre el intercambiador de calor 110. El número, la situación y la separación de las barras de refuerzo modificadas 134 son cuestión de diseño.

El conjunto de núcleo 112, incluyendo las barras de refuerzo 134 puede estar hecho de un metal tal como acero o aluminio, o un material no metálico tal como un material compuesto de carbono. Si el conjunto de núcleo 112 está hecho de un material extrudible tal como aluminio, las barras de refuerzo 134 pueden estar formadas por extrusión.

Una vez que los filamentos han sido tendidos en la superficie prolongada 135 y se ha envuelto la faja 126 alrededor de partes del conjunto de núcleo 112, pueden instalarse las pestañas 122 y 124 (véase la Figura 4). Así, los filamentos 128 son fijados por las pestañas 122 y 124.

Se describirá ahora un método de envolver una faja de fibra de carbono alrededor de un conjunto de núcleo. El método se pone en práctica después de fabricado el conjunto de núcleo y una vez que los colectores han sido unidos al conjunto de núcleo o han sido posicionados contra él.

Telas únicas o múltiples (denominadas también "capas") del material de fibra de carbono impregnado con resina se colocan, de una en una, en un molde hasta que se obtiene la acumulación deseada. El intercambiador de calor se convierte en el mandril para contornear la faja. Cada tela aumentará usualmente el grosor de la faja en, aproximadamente, 0,254 mm (0,010 pulgadas). Cada tela puede ser tendida en un ángulo de, sustancialmente, cuarenta y cinco grados con respecto a la tela previa, siempre que pueda conseguirse tal orientación. Las telas se cortan a su longitud apropiada, dejando generalmente una pequeña parte que se extienda más allá del borde del molde. Puede utilizarse una plantilla para cortar el material de fibra de carbono.

Una vez conseguido el estratificado sobre el intercambiador de calor, las telas individuales pueden adherirse por calor mediante soplantes de aire caliente. El estratificado puede cubrirse con una capa constituida por una lámina de celofán perforada.

Puede utilizarse una bolsa de vacío para reducir la unión de resinas y mejorar la resistencia. La bolsa de vacío se aplica al estratificado, encerrando la bolsa el molde y las telas de fibra de carbono. Se cierra la bolsa y se aplica lentamente el vacío. Una vez que la bolsa ha sido llevada apretadamente contra el estratificado y el molde, se eliminan el aire y la resina en exceso utilizando rodillos o dispositivos similares.

Luego, se cura la faja. Durante el curado, se aumenta la temperatura por pasos hasta alcanzar una temperatura de, aproximadamente, 177ºC (350ºF). Después de curada la faja, se elimina el vacío. El material puede ser sometido, después, a un calentamiento adicional durante un proceso de curado posterior. Una vez que se ha curado la faja, el intercambiador de calor está listo para funcionar.

Los componentes del intercambiador de calor pueden ser reparados o sustituidos después de que se ha curado la faja. La faja se corta, se rompe o se retira de otra manera para acceder a los componentes. Una vez que se han sustituido los componentes, puede envolverse una nueva faja alrededor del conjunto de núcleo.

La faja puede proporcionar una resistencia mecánica muy elevada en ambas direcciones, longitudinal y transversal. Sin embargo, la faja puede utilizarse aún cuando los colectores se suelden o se unan de otra forma al conjunto de núcleo. La combinación integra efectivamente la resistencia de la unión pegada con la resistencia inherente de la faja. Además, permite realizar menor número de soldaduras.

Aunque no se muestra, la faja puede utilizarse, también, para asegurar el segundo par de colectores al conjunto de núcleo.

Puede diseñarse una faja hecha de plástico reforzado para proporcionar una vía de enfriamiento para corregir las limitaciones térmicas del plástico reforzado.

La faja no está limitada en cuanto al número de capas ni en cuanto a la orientación antes descrita de las capas. Como cuestión de diseño, el número de capas envueltas alrededor del conjunto de núcleo puede seleccionarse para contrarrestar la carga esperada sobre los colectores.

La faja no está limitada a los diseños de envoltura ilustrados en las Figuras. La faja puede rodear parcialmente el conjunto de núcleo, puede rodear por completo el conjunto de núcleo, puede estar unida a lados opuestos del conjunto de núcleo, etc.

El número de grupos de fajas y la colocación específica de los grupos de fajas son, asimismo, cuestión de diseño. Pueden envolverse áreas selectivas (por ejemplo, fuertemente cargadas) del intercambiador de calor para retener los colectores en posición.

El intercambiador de calor puede utilizarse en una diversidad de aplicaciones. El intercambiador de calor puede utilizarse como intercambiador de calor aire-aire o fluido-fluido. Los fluidos que pueden tratarse van desde gases de escape a fluidos criogénicos.

Por ejemplo, el intercambiador de calor puede utilizarse como refrigerador de una combinación aceite/combustible. El aceite circula por los pasos del lado caliente y el combustible fluye por los pasos del lado frío. El calor del aceite se transmite al combustible. La faja reduce las probabilidades de que los colectores se separen del conjunto de núcleo y se inicie un incendio.

Refiriéndonos ahora a la Figura 6, el intercambiador de calor 150 puede utilizarse en un sistema de control ambiental para aeronaves ("ECS") 152. Aire comprimido caliente (por ejemplo, aire purgado de una etapa de compresor de un motor de avión) es suministrado al colector de entrada del intercambiador de calor 150 (por el paso 151) y circula por los pasos del lado caliente del conjunto de núcleo. El calor de la compresión es transmitido del aire comprimido, caliente, al aire ambiente que circula por los pasos del lado frío del conjunto de núcleo. El colector de salida del intercambiador de calor 150 es acoplado a una entrada de un sistema 154 de acondicionamiento de aire. Los colectores que dirigen el aire comprimido al conjunto de núcleo y desde él, se aseguran al conjunto de núcleo mediante, por lo menos, una faja de refuerzo.

El aire comprimido que ha sido enfriado por el intercambiador de calor 150 es suministrado al sistema 154 de acondicionamiento de aire (por el paso 153). El sistema 154 de acondicionamiento de aire expande el aire de purga y elimina las gotitas de agua arrastradas en el aire de purga por separación o extracción de agua. El aire acondicionado enfriado que sale del sistema 154 de acondicionamiento de aire es suministrado a una cabina de aeronave o a otro compartimiento cerrado (a través del paso 155).

El presente invento no está limitado a las realizaciones específicas antes descritas. En cambio, el presente invento se considera de acuerdo con las reivindicaciones que siguen.

Claims (9)

1. Un intercambiador de calor (10) que comprende:

un conjunto de núcleo (12);

una pluralidad de colectores (14, 16) para el conjunto de núcleo (12); y

una faja (26) envuelta alrededor de parte del conjunto de núcleo (12), asegurando la faja (26) al menos un colector (14, 16) al conjunto de núcleo (12).

2. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, en el que la faja (26) incluye una pluralidad de filamentos (28).

3. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, en el que la faja (26) incluye múltiples capas (28a, 28b, 28c), estando las capas (28a, 28b, 28c) orientadas en distinto ángulo una con relación a otra.

4. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, en el que la faja (26) se envuelve alrededor de los colectores (14, 16) que dirigen fluidos a alta presión al conjunto de núcleo (12) y desde él.

5. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, en el que la faja (26) se envuelve alrededor de, sustancialmente, todas las superficies de los colectores (14, 16).

6. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, que comprende, además, grupos adicionales de fajas (126a, 126b, 126c) para asegurar al menos un colector (114, 116) al conjunto de núcleo (112).

7. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, en el que el conjunto de núcleo (112) incluye una pluralidad de barras de refuerzo (134); y en el que la faja (128) se extiende a lo largo de un extremo (135) de, al menos, una de las barras de refuerzo (134).

8. El intercambiador de calor de la reivindicación 7, en el que una superficie (135) se extiende desde, al menos, una de las barras de refuerzo (134), soportando la superficie prolongada (135) y canalizando la faja (128).

9. El intercambiador de calor de la reivindicación 1, en el que la faja (26) se envuelve alrededor de áreas sometidas a elevados esfuerzos del intercambiador de calor (10).