ES2234414B1 - HEAT EXCHANGER OF STACKED PLATES. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor de placas apiladas. Comprende una pluralidad de placas (1) apiladas entre las cuales circulan el líquido a refrigerar y el líquido refrigerante en dos circuitos independientes definidos por dichas placas (1), comprendiendo cada placa (1) una pluralidad de corrugaciones (2), unos orificios de entrada (3, 5) y salida (4, 6) del líquido a refrigerar y del líquido refrigerante respectivamente, mesetas de sellado (7 a 10) dispuestas alrededor de cada orificio (3 a 6) y medios de refuerzo (11, 12) de las placas (1). Se caracteriza por el hecho de que las mesetas (7 a 10) comprenden una geometría optimizada que permite aumentar el número de puntos de soldadura y acercarlos al perímetro de las mesetas (7 a 10), y los medios de refuerzo comprenden unas protuberancias (11, 12) próximas a los orificios (3 a 6) que permiten aumentar la superficie de contacto entre placas (1) adyacentes, mejorando la resistencia mecánica de dichas placas (1).Stacked plate heat exchanger. It comprises a plurality of stacked plates (1) between which the liquid to be cooled and the coolant circulate in two independent circuits defined by said plates (1), each plate (1) comprising a plurality of corrugations (2), holes of inlet (3, 5) and outlet (4, 6) of the liquid to be cooled and of the cooling liquid respectively, sealing plates (7 to 10) arranged around each hole (3 to 6) and reinforcing means (11, 12) of the plates (1). It is characterized by the fact that the plateaus (7 to 10) comprise an optimized geometry that allows to increase the number of welding points and bring them closer to the perimeter of the plateaus (7 to 10), and the reinforcement means comprise protrusions (11 , 12) close to the holes (3 to 6) that allow to increase the contact surface between adjacent plates (1), improving the mechanical resistance of said plates (1).
Description
Intercambiador de calor de placas apiladas.Stacked plate heat exchanger.
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor de placas apiladas.The present invention relates to a stacked plate heat exchanger.
La invención se aplica especialmente en la refrigeración del aceite para el motor y las transmisiones de vehículos. Para ambas aplicaciones en motor y transmisiones, el aceite es refrigerado mediante un intercambiador de calor con un líquido refrigerante, normalmente el usado en el circuito de refrigeración.The invention is especially applied in the engine oil cooling and transmissions of vehicles. For both engine and transmission applications, the oil is cooled by a heat exchanger with a coolant, normally used in the circuit refrigeration.
El intercambiador de calor de la invención también puede ser aplicado para el calentamiento del aceite.The heat exchanger of the invention It can also be applied for oil heating.
Son conocidos intercambiadores de calor que comprenden una pluralidad de placas apiladas entre las cuales circulan el líquido a refrigerar y el líquido refrigerante en dos circuitos independientes definidos por dichas placas, comprendiendo cada placa una pluralidad de corrugaciones, unos orificios de entrada y salida del líquido a refrigerar y del líquido refrigerante respectivamente, mesetas de sellado dispuestas alrededor de cada orificio y medios de refuerzo de las placas.Heat exchangers are known that they comprise a plurality of stacked plates between which the liquid to be cooled and the coolant circulate in two independent circuits defined by said plates, comprising each plate a plurality of corrugations, holes of inlet and outlet of liquid to be cooled and liquid refrigerant respectively, sealing plates arranged around each hole and reinforcement means of the plates.
El continuo y simultáneo aumento de la potencia y rendimiento del motor comporta un incremento de los requerimientos en los sistemas de refrigeración. Entre otros elementos del circuito de refrigeración, el aceite refrigerante es sometido a elevadas presiones y su diseño debe incluir algunos elementos destinados a afrontar estos requerimientos.The continuous and simultaneous increase in power and engine performance leads to increased requirements in refrigeration systems. Among other elements of cooling circuit, the refrigerant oil is subjected to high pressures and its design must include some elements intended to meet these requirements.
Para ello los intercambiadores de placas apiladas convencionales están provistos de diferentes soluciones, como se describe a continuación.For this the stacked plate exchangers Conventional are provided with different solutions, as described below.
Un tipo de intercambiadores convencionales comprende para cada placa, unas mesetas, normalmente de contorno circular, para asegurar el sellado de ambos circuitos entre placas y su resistencia, y un único elemento de refuerzo, por ejemplo, en forma de protuberancia circular.A type of conventional exchangers comprises for each plate, some plateaus, usually contour circular, to ensure the sealing of both circuits between plates and its resistance, and a single reinforcing element, for example, in circular bulge shape.
Otro tipo de intercambiadores convencionales comprende para cada placa, unas mesetas con una geometría particular, definida por un arco de circunferencia seguido en ambos extremos de dos tramos rectos unidos a su vez a las corrugaciones de la placa, las cuales actúan además como elementos de refuerzo.Other type of conventional exchangers comprises for each plate, some plateaus with a geometry particular, defined by an arc of circumference followed in both ends of two straight sections joined in turn to the corrugations of the plate, which also acts as reinforcement elements.
Sin embargo, en la práctica se ha comprobado que en condiciones normales, la superficie más afectada en el intercambiador de calor es la correspondiente al circuito o canal del aceite y el área más afectada dentro de este canal es la zona que rodea a las mesetas. Los puntos de soldadura más cercanos alrededor de las mesetas y alrededor del citado único elemento de refuerzo son responsables de soportar las condiciones de presión.However, in practice it has been proven that under normal conditions, the most affected area in the heat exchanger is the one corresponding to the circuit or channel of the oil and the most affected area within this channel is the area surrounding the plateaus. The nearest welding points around the plateaus and around the aforementioned single element of reinforcement are responsible for withstanding the conditions of Pressure.
Bajo estas fuertes condiciones de presión, por ejemplo, en el arranque en frío o en demandas de flujo de aceite máximas, pueden presentarse dos fenómenos de rotura, principalmente:Under these strong pressure conditions, for For example, cold start or oil flow demands maximum, two breakage phenomena can occur, mainly:
- Una rotura en la unión de la protuberancia de refuerzo de las placas. Alrededor de dicha protuberancia de refuerzo, se halla el área de la placa sometida a la máxima presión con respecto al resto de puntos de soldadura, y como resultado del efecto de la presión, el material de la placa acaba rasgándose.- A break in the junction of the bulge of plate reinforcement. Around said bump of reinforcement, is the area of the plate under maximum pressure with respect to the rest of welding points, and as a result of pressure effect, the plate material ends up tearing.
- Una rotura en las zonas del contorno de los canales de aceite. De manera similar a las protuberancias de refuerzo, este área representa un segundo punto crítico. Con respecto a la superficie total de la placa, es el área más grande bajo presión.- A break in the contour areas of the oil channels Similar to the bumps of reinforcement, this area represents a second critical point. With with respect to the total surface of the plate, it is the largest area under pressure.
Como se ha mencionado anteriormente, debido al incremento de las prestaciones del motor, todos los componentes situados en el circuito del aceite serán sometidos a elevadas condiciones de resistencia. Por tanto, seria necesario diseñar unas geometrías apropiadas en las áreas críticas para solucionar los citados inconvenientes.As mentioned above, due to increased engine performance, all components located in the oil circuit will be subjected to high resistance conditions. Therefore, it would be necessary to design some appropriate geometries in the critical areas to solve the cited inconveniences.
El objetivo del intercambiador de calor de placas apiladas de la presente invención es solventar los inconvenientes que presentan los intercambiadores conocidos en la técnica, proporcionando una mejora de la resistencia mecánica de las placas.The purpose of the plate heat exchanger stacked of the present invention is to solve the drawbacks presented by exchangers known in the art, providing an improvement in the mechanical resistance of plates.
El intercambiador de calor de placas apiladas, objeto de la presente invención, se caracteriza por el hecho de que las mesetas comprenden una geometría optimizada que permite aumentar el número de puntos de soldadura y acercarlos al perímetro de las mesetas, y los medios de refuerzo comprenden unas protuberancias próximas a los orificios que permiten aumentar la superficie de contacto entre placas adyacentes, mejorando la resistencia mecánica de dichas placas.The stacked plate heat exchanger, object of the present invention, is characterized by the fact that the plateaus comprise an optimized geometry that allows increase the number of welding points and bring them closer to the perimeter of the plateaus, and the reinforcement means comprise some protrusions near the holes that allow to increase the contact surface between adjacent plates, improving the mechanical resistance of said plates.
Por una parte, esta optimizada geometría de las mesetas permite una mejor adaptación de las mismas al contorno de la placa y una mayor cercanía de éstas a los lados de la placa, maximizándose al mismo tiempo el número de puntos de soldadura. Por otra parte, se consigue incrementar las dimensiones de las protuberancias de refuerzo, especialmente en la cara de la placa en contacto con el aceite.On the one hand, this optimized geometry of plateaus allows a better adaptation of them to the contour of the plate and greater proximity of these to the sides of the plate, while maximizing the number of welding points. By On the other hand, it is possible to increase the dimensions of the reinforcement bumps, especially on the face of the plate in Contact with oil.
De este modo, se obtiene una minimización del área bajo presión alrededor de las protuberancias de refuerzo y de las mesetas, y en consecuencia, un aumento de la resistencia mecánica de las placas.In this way, a minimization of the area under pressure around the reinforcing protrusions and of the plateaus, and consequently, an increase in resistance plate mechanics.
De acuerdo con una realización de la presente invención, la geometría del contorno de las mesetas de sellado está definida por:In accordance with an embodiment of the present invention, the contour geometry of the sealing plateaus is defined by:
- una primera línea curvada sensiblemente paralela al contorno del vértice de la placa donde se encuentra la meseta, que permite reducir la distancia libre entre la meseta y el borde para limitar la tensión en esta zona y, al acercar la meseta al borde de la placa, queda más espacio central que puede emplearse en incrementar el número de corrugaciones, es decir, de puntos de soldadura;- a substantially curved first line parallel to the contour of the vertex of the plate where the plateau, which allows to reduce the free distance between the plateau and the edge to limit the tension in this area and, when approaching the plateau at the edge of the plate, there is more central space that can be used in increasing the number of corrugations, that is, of points of welding;
- una segunda línea recta que forma un ángulo \alpha_{1} comprendido entre +10º y -10º con respecto al eje central longitudinal de la placa, que facilita la presencia de puntos de soldadura cerca del perímetro de las mesetas;- a second straight line that forms an angle α_ {1} between + 10º and -10º with respect to the axis longitudinal central of the plate, which facilitates the presence of welding points near the perimeter of the plateaus;
- una tercera línea recta que forma un ángulo \alpha_{2} sensiblemente igual al ángulo que forman las corrugaciones con respecto al eje central longitudinal de la placa más un intervalo comprendido entre +10º y -10º, que permite definir la meseta situada en el borde derecho superior de la placa, y además esta disposición permite incluir una corrugación completa en las placas, en lugar de medias corrugaciones, y en consecuencia un mayor número de puntos de soldadura y más cercanos a las mesetas; y- a third straight line that forms an angle α2 significantly similar to the angle formed by the corrugations with respect to the central longitudinal axis of the plate plus an interval between + 10º and -10º, which allows defining the plateau located on the upper right edge of the plate, and In addition, this provision allows a complete corrugation to be included in the plates, instead of half corrugations, and consequently a greater number of welding points and closer to the plateaus; Y
- una cuarta línea recta que forma un ángulo \alpha_{3} suplementario a dicho ángulo \alpha_{2} más un intervalo comprendido entre +10º y -10º, que permite definir la meseta situada en el borde izquierdo superior de la placa, y del mismo modo esta disposición permite incluir una corrugación completa en las placas, en lugar de medias corrugaciones, y en consecuencia un mayor número de puntos de soldadura y más cercanos a las mesetas.- a fourth straight line that forms an angle ? 3 supplementary to said angle? 2 plus a interval between + 10º and -10º, which allows defining the plateau located on the upper left edge of the plate, and of the in the same way this provision allows to include a complete corrugation on the plates, instead of half corrugations, and accordingly a greater number of welding points and closer to plateaus
Ventajosamente, las placas comprenden protuberancias de refuerzo a ambos lados de las mesetas, lo que proporciona una resistencia adicional en la acción de los puntos de soldadura.Advantageously, the plates comprise reinforcement protuberances on both sides of the plateaus, which provides additional resistance in the action of the points of welding.
Preferentemente, las protuberancias de refuerzo presentan una forma circular u ovalada, ya que se trata de diseños sencillos, aunque también pueden utilizarse otras geometrías diferentes.Preferably, the reinforcing protuberances they have a circular or oval shape, since they are designs simple, although other geometries can also be used different.
Con el fin de facilitar la descripción de cuanto se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de realización del intercambiador de calor de placas apiladas de la invención, en los cuales:In order to facilitate the description of how much It has been exposed above are attached some drawings in which, schematically and only by way of non-limiting example, represents a practical case of realization of the exchanger of heat of stacked plates of the invention, in which:
la figura 1 es una vista en planta de una placa corrugada según la invención;Figure 1 is a plan view of a plate corrugated according to the invention;
la figura 2 es una vista ampliada de la meseta situada en el borde izquierdo superior de la placa, mostrando los ángulos que definen su geometría; yFigure 2 is an enlarged view of the plateau located on the upper left edge of the plate, showing the angles that define its geometry; Y
la figura 3 es una vista ampliada de la meseta situada en el borde derecho superior de la placa.Figure 3 is an enlarged view of the plateau located on the upper right edge of the plate.
El intercambiador de calor de placas apiladas comprende una pluralidad de placas 1 apiladas una sobre otra. En los circuitos o espacios definidos entre cada dos placas 1 circulan alternadamente el aceite de motor a refrigerar y el líquido refrigerante, por ejemplo agua, de modo que, en un primer espacio entre placas circula un fluido y en el espacio contiguo entre placas circula el otro fluido, y así sucesivamente.Stacked plate heat exchanger It comprises a plurality of plates 1 stacked on top of each other. In the circuits or spaces defined between each two plates 1 circulate alternately the engine oil to be cooled and the liquid refrigerant, for example water, so that, in a first space a fluid circulates between plates and in the adjoining space between plates circulates the other fluid, and so on.
Tal como se puede apreciar en la figura 1, cada placa 1 comprende una pluralidad de corrugaciones 2, un orificio de entrada 3 y otro de salida 4 para el aceite, y un orificio de entrada 5 y otro de salida 6 para el líquido refrigerante, formando respectivamente los conductos de entrada y salida de aceite y de líquido refrigerante.As can be seen in figure 1, each plate 1 comprises a plurality of corrugations 2, an orifice of inlet 3 and outlet 4 for oil, and an orifice of inlet 5 and outlet 6 for the coolant, forming respectively the oil inlet and outlet ducts and coolant
Cada placa 1 también comprende unas mesetas de sellado 7 a 10 dispuestas alrededor de cada orificio 3 a 6, y unas protuberancias 11, 12 de refuerzo colocadas alrededor de las mesetas 7 a 10, para mantener la correcta distancia entre las placas 1 y también para mejorar su comportamiento mecánico.Each plate 1 also comprises plateaus of sealed 7 to 10 arranged around each hole 3 to 6, and about reinforcement protuberances 11, 12 placed around the plateaus 7 to 10, to maintain the correct distance between the 1 plates and also to improve their mechanical behavior.
Los cuatro orificios 3 a 6 con sus respectivas mesetas 7 a 10 están posicionados próximos a los vértices de cada placa 1. Dos de las mesetas 7, 8 están dispuestas sobre la cara de la placa 1 en contacto con el aceite, mientras que las otras dos restantes 9, 10 están dispuestas sobre la cara de la placa 1 en contacto con el líquido refrigerante.The four holes 3 to 6 with their respective plateaus 7 to 10 are positioned next to the vertices of each plate 1. Two of the plateaus 7, 8 are arranged on the face of plate 1 in contact with the oil, while the other two remaining 9, 10 are arranged on the face of the plate 1 in contact with the coolant.
Como puede observarse en la figura 2, la geometría del contorno de las mesetas de sellado 7 a 10 está definida por:As can be seen in Figure 2, the contour geometry of sealing plates 7 to 10 is defined by:
- una primera línea curvada L1 sensiblemente paralela al contorno del vértice de la placa 1 donde se encuentra la meseta 7 a 10, que permite reducir la distancia libre entre la meseta 7 a 10 y el borde para limitar la tensión en esta zona y, al acercar la meseta 7 a 10 al borde de la placa 1, queda más espacio central que puede emplearse en incrementar el número de corrugaciones 2, es decir, de puntos de soldadura;- a first curved line L1 noticeably parallel to the contour of the vertex of plate 1 where the plateau 7 to 10, which allows to reduce the free distance between the plateau 7 to 10 and the edge to limit the tension in this area and, at bring the plateau 7 to 10 to the edge of plate 1, there is more space central that can be used to increase the number of corrugations 2, that is, weld points;
- una segunda línea recta L2 que forma un ángulo \alpha_{1} comprendido entre +10º y -10º con respecto al eje central longitudinal de la placa 1, que facilita la presencia de puntos de soldadura cerca del perímetro de las mesetas 7 a 10;- a second straight line L2 that forms an angle α_ {1} between + 10º and -10º with respect to the axis longitudinal central of the plate 1, which facilitates the presence of welding points near the perimeter of the 7 to 10 plateaus;
- una tercera línea recta L3 que forma un ángulo \alpha_{2} sensiblemente igual al ángulo que forman las corrugaciones 2 con respecto al eje central longitudinal de la placa 1 más un intervalo comprendido entre +10º y -10º, que permite definir la meseta 8 situada en el borde derecho superior de la placa 1 (ver figuras 1 y 3), y además esta disposición permite incluir una corrugación completa en las placas 1, en lugar de medias corrugaciones, y en consecuencia un mayor número de puntos de soldadura y más cercanos a las mesetas 7 a 10; y- a third straight line L3 that forms an angle α2 significantly similar to the angle formed by the corrugations 2 with respect to the longitudinal central axis of the plate 1 plus an interval between + 10º and -10º, which allows define the plateau 8 located on the upper right edge of the plate 1 (see figures 1 and 3), and also this provision allows to include a full corrugation on plates 1, instead of tights corrugations, and consequently a greater number of points of welding and closer to the plateaus 7 to 10; Y
- una cuarta línea recta L4 que forma un ángulo \alpha_{3} suplementario a dicho ángulo \alpha_{2} más un intervalo comprendido entre +10º y -10º, que permite definir la meseta 7 situada en el borde izquierdo superior de la placa 1, y del mismo modo esta disposición permite incluir una corrugación completa en las placas 1, en lugar de medias corrugaciones, y en consecuencia un mayor número de puntos de soldadura y más cercanos a las mesetas 7 a 10.- a fourth straight line L4 that forms an angle ? 3 supplementary to said angle? 2 plus a interval between + 10º and -10º, which allows defining the plateau 7 located on the upper left edge of plate 1, and of the In the same way, this provision allows a corrugation complete on plates 1, instead of half corrugations, and in consequently a greater number of welding points and closer to the plateaus 7 to 10.
Cada placa 1 comprende además dos protuberancias de refuerzo 11 en forma circular, y otras dos protuberancias 12 en forma ovalada.Each plate 1 also comprises two protuberances of reinforcement 11 in circular form, and two other protuberances 12 in Oval shaped.
Gracias a la optimizada geometría de las mesetas 7 a 10 y al aumento de las dimensiones de las protuberancias de refuerzo 11, 12 con respecto a las placas del estado de la técnica, se obtiene una minimización del área bajo presión alrededor de las protuberancias de refuerzo 11, 12 y de las mesetas 7 a 10, y en consecuencia, un aumento de la resistencia mecánica de las placas 1.Thanks to the optimized geometry of the plateaus 7 to 10 and to the increase in the dimensions of the bumps of reinforcement 11, 12 with respect to prior art plates, a minimization of the area under pressure is obtained around the reinforcement protuberances 11, 12 and plateaus 7 to 10, and in consequently, an increase in the mechanical resistance of the plates one.
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