ES2257209A1 - Intercambiador de calor de placas apiladas. - Google Patents

Intercambiador de calor de placas apiladas.

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ES2257209A1 ES200500048A ES200500048A ES2257209A1 ES 2257209 A1 ES2257209 A1 ES 2257209A1 ES 200500048 A ES200500048 A ES 200500048A ES 200500048 A ES200500048 A ES 200500048A ES 2257209 A1 ES2257209 A1 ES 2257209A1
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Abstract

Intercambiador de calor de placas apiladas. Comprende una pluralidad de placas apiladas (1) provistas de corrugaciones (2), comprendiendo cada placa (1) unos pozos de entrada (3, 5) y salida (4, 6) del líquido a refrigerar y del líquido refrigerante respectivamente, y una placa de refuerzo superior (13) que cubre la pluralidad de placas corrugadas (1). Se caracteriza por el hecho de que comprende medios estabilizadores (14) de la presión ejercida sobre las placas (1), incluyendo dichos medios estabilizadores al menos un cuerpo hueco (14) apoyado sobre la placa de refuerzo superior (13) cubriendo las áreas inmediatamente superiores a los pozos de entrada (3) y salida (4) del líquido a refrigerar, de modo que el líquido a refrigerar es susceptible de penetrar dentro del al menos un cuerpo hueco (14) a través de al menos un orificio (15) practicado en la placa de refuerzo superior (13), equilibrándose la presión a ambos lados de la placa de refuerzo superior (13) y mejorando la resistencia mecánica de dichas placas (1).

Description

Intercambiador de calor de placas apiladas.
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor de placas apiladas.
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.
El intercambiador de calor de la invención también puede ser aplicado para el calentamiento del aceite.
Antecedentes de la invención
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 pozos de entrada y salida del líquido a refrigerar (por ejemplo aceite) y del líquido refrigerante (por ejemplo glicol al 35%) respectivamente. El intercambiador de calor suele estar colocado aguas debajo de una bomba de circulación volumétrica, la cual puede provocar diversos picos de alta presión especialmente en condiciones de arranque en frío.
Asimismo, 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.
Los requerimientos mecánicos más severos para un intercambiador de calor con respecto a su vida útil es la resistencia a los picos de presión en el circuito de aceite, para cualquier tipo o diseño. Pruebas experimentales convencionales establecen dos niveles de presión, siendo el más común 0-15 ó 0-20 bar, y un número mínimo de ciclos, que actualmente oscila entre uno y dos millones para 0-15 bar, o algunos cientos de miles para 0-20 bar.
Son conocidas dos tecnologías principales ampliamente usadas para los intercambiadores de calor de aceite de placas apiladas, dependiendo de la manera de potenciar el intercambio de calor: placas lisas con perturbadores o placas corrugadas. En referencia a la capacidad de los intercambiadores de calor de placas apiladas para cumplir con los requerimientos mecánicos, estas dos tecnologías difieren substancialmente.
En el caso de las placas lisas con perturbadores, entre cada par de placas lisas el elemento perturbador consigue romper reiteradamente la capa límite del fluido viscoso incrementando así el intercambio térmico; y en el caso de las placas corrugadas, esa ruptura la provoca el punto de soldadura que une las placas en cada cruce de dos corrugaciones. A pesar de otras ventajas que presentan las placas corrugadas, los perturbadores proporcionan un comportamiento mecánico esencialmente mejor debido a un diseño más denso y regular de las láminas a través de la placa y especialmente alrededor de los pozos de entrada y salida de líquido. Por el contrario, las placas corrugadas no presentan apenas puntos de soldadura cerca de los pozos de entrada y salida de líquido ni en los bordes de la placa, debido a las dimensiones limitadas y al radio de las corrugaciones.
Para solventar estos problemas, los intercambiadores de placas apiladas convencionales están provistos de diferentes soluciones, como se describe a continuación:
- Disponer de una placa de refuerzo superior consistente en una placa de mayor espesor o fabricada de materiales más resistentes.
- Disponer de un refuerzo de las placas alrededor de los pozos de entrada y salida de líquido, consistente en unas mesetas, normalmente de contorno circular, para asegurar el sellado de ambos circuitos entre placas y su resistencia, y algún elemento de refuerzo, por ejemplo, en forma de protuberancia circular.
- Aproximar el borde extremo de la placa al correspondiente orificio de entrada o salida de fluido, lo que implica tener dos diseños diferentes para los canales de líquido a refrigerar y del líquido refrigerante.
- Diseñar las corrugaciones de modo que estén dispuestas próximas a los puntos de soldadura de los pozos de entrada y salida de líquido.
- Adaptar las mesetas de sellado alrededor de los pozos de entrada y salida de líquido al borde extremo de la placa y a las corrugaciones.
- Diseñar refuerzos específicos a modo de protuberancias para evitar zonas lisas sin puntos de soldadura.
Todo ello permite aumentar la superficie de contacto entre placas adyacentes, mejorando la estructura de celosía en el entorno de los pozos, y mejorando definitivamente la resistencia mecánica del conjunto. No obstante, ninguna de estas soluciones parece ser suficientemente efectiva.
Bajo estas fuertes condiciones de presión, por ejemplo, en el arranque en frío o en demandas de flujo de aceite máximas, puede presentarse un fenómeno de rotura. Principalmente dicha rotura a modo de grieta se produce generalmente en la última placa corrugada, es decir la placa corrugada contigua a la citada placa de refuerzo superior, causando además una fuga entre circuitos. Esta última placa corrugada es la que sufre una mayor carga porque los puntos de soldadura bajo esta placa de refuerzo superior están sometidos a tracción debido a la presión del aceite, soportando dichos puntos la presión sin ser capaces de repartir los esfuerzos al conjunto de placas. El resto de puntos de soldadura tiene un nivel de tensión mucho menor y su resistencia a la fatiga es considerablemente superior. Por tanto, sería necesario tener una repartición más homogénea de las tensiones provocadas sobre la última placa corrugada con el fin de aumentar la vida útil del intercambiador de calor.
Descripción de la invención
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 un considerable aumento de la vida útil del mismo.
El intercambiador de calor de placas apiladas, objeto de la presente invención, es del tipo que comprende una pluralidad de placas apiladas provistas de corrugaciones, circulando entre dichas placas el líquido a refrigerar y el líquido refrigerante en dos circuitos independientes definidos por dichas placas, comprendiendo cada placa unos pozos de entrada y salida del líquido a refrigerar y del líquido refrigerante respectivamente, medios de refuerzo de las placas, y una placa de refuerzo superior que cubre la pluralidad de placas corrugadas; y se caracteriza por el hecho de que comprende medios estabilizadores de la presión ejercida sobre las placas, incluyendo dichos medios estabilizadores al menos un cuerpo hueco apoyado sobre la placa de refuerzo superior cubriendo las áreas inmediatamente superiores a los pozos de entrada y salida del líquido a refrigerar, de modo que el líquido a refrigerar es susceptible de penetrar dentro del al menos un cuerpo hueco a través de al menos un orificio practicado en la placa de refuerzo superior, equilibrándose la presión a ambos lados de la placa de refuerzo superior y mejorando la resistencia mecánica de dichas placas.
De este modo, cuando el líquido a refrigerar rellena el espacio interior del al menos un cuerpo hueco, la presión sobre la placa de refuerzo superior compensa la misma presión sobre su cara inferior, de modo que la zona bajo el cuerpo hueco está trabajando en equilibrio hidrostático. En consecuencia, se consigue incrementar considerablemente la vida útil del conjunto frente a las solicitaciones de presión a las que está sometido el intercambiador de calor.
El intercambiador de calor es del tipo que las placas apiladas están unidas entre sí mediante puntos de soldadura efectuados en cada cruce de corrugaciones de las placas contiguas. Preferentemente, la zona de apoyo del al menos un cuerpo hueco está posicionada sobre la placa de refuerzo superior entre una primera hilera y al menos una segunda hilera de puntos de soldadura más próximos a los correspondientes pozos de entrada y salida del líquido a refrigerar. Con esta disposición del cuerpo hueco, los puntos de soldadura están en completo equilibrio hidrostático.
Opcionalmente, algunos puntos de soldadura de la primera hilera quedan fuera de la periferia del al menos un cuerpo hueco.
En este caso, el área no cubierta por el cuerpo hueco deberá ser menor que el área que puede generar una fuerza neta para provocar la deformación plástica en los puntos de soldadura.
Según una realización de la presente invención, el al menos un cuerpo hueco está fijado a la placa superior. En este caso, el cuerpo hueco es un componente adicional, y tiene la ventaja de la estandarización del resto de los componentes, de modo que dicho cuerpo hueco forma parte de la adaptación dependiendo de los requerimientos del fabricante de vehículos.
Ventajosamente, el al menos un cuerpo hueco presenta un reborde externo con una amplitud apropiada para permitir una correcta unión sobre la placa de refuerzo superior.
Preferentemente, el al menos un cuerpo hueco comprende medios posicionadores para el correcto ensamblaje y posicionado durante su unión a la placa de refuerzo superior.
Según otra realización de la presente invención, el al menos un cuerpo hueco y la placa de refuerzo superior están integradas en una única pieza. De este modo, se minimizan los costes de producción.
Según otra realización de la presente invención, los medios estabilizadores comprenden dos cuerpos huecos dispuestos respectivamente sobre el orificio de entrada y el orificio de salida del líquido a refrigerar.
Ventajosamente, cada cuerpo hueco presenta una forma semiesférica. La forma preferida para el cuerpo hueco es una semiesfera, de modo que las tensiones están distribuidas regularmente y evitan puntos débiles. Sin embargo, también puede presentar una geometría optimizada para adaptarse a la geometría de la placa corrugada.
Preferentemente, ambos cuerpos huecos están comunicados con el interior del intercambiador de calor mediante dos orificios practicados en la placa de refuerzo superior y posicionados sobre los correspondientes pozos de entrada y salida del líquido a refrigerar.
Según otra realización de la presente invención, los medios estabilizadores comprenden un único cuerpo hueco dispuesto sobre ambos pozos de entrada y salida del líquido a refrigerar.
Preferentemente, el único cuerpo hueco está comunicado con el interior del intercambiador de calor mediante un orificio practicado en la placa de refuerzo superior y posicionado sobre uno de los pozos de entrada o de salida del líquido a refrigerar.
Ventajosamente, el único cuerpo hueco está comunicado con el interior del intercambiador de calor mediante dos orificios practicados en la placa de refuerzo superior y posicionados sobre los correspondientes pozos de entrada y salida del líquido a refrigerar. En este caso, una parte del flujo de líquido a refrigerar puede ser transferido a través del interior del cuerpo hueco, a modo de by-pass, al intercambiador de calor. Por tanto, dicho cuerpo hueco realiza ambas funciones de equilibrador de presión y de by-pass.
Alternativamente, uno de los dos orificios practicados en la placa de refuerzo superior presenta un diámetro tan pequeño que el líquido a refrigerar conducido a su través es sensiblemente despreciable. En este caso, el cuerpo hueco no realiza la función de by-pass, pero sirve para desgasificar apropiadamente dicho cuerpo hueco.
Preferiblemente, el único cuerpo hueco presenta una forma de medio cilindro con los extremos esféricos.
Breve descripción de los dibujos
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:
la figura 1 es una vista en planta de una placa corrugada;
la figura 2 es una vista en alzado del intercambiador de calor provisto de un cuerpo hueco estabilizador;
la figura 3 es una vista en planta del intercambiador de calor de la figura 2;
la figura 4 es una vista en planta del intercambiador de calor antes del montaje del cuerpo hueco estabilizador, mostrando unos orificios de paso del aceite practicados en la placa de refuerzo superior;
la figura 5 es una vista en planta del cuerpo hueco estabilizador según una primera realización;
la figura 6 es una vista en sección transversal según la línea VI-VI de la figura 5;
la figura 7 es una vista en planta del cuerpo hueco estabilizador según una segunda realización; y
la figura 8a muestra una vista en sección transversal parcial del intercambiador de calor mostrando la fuerza aplicada sobre la primera hilera de puntos de soldadura en el caso de no utilizar ningún cuerpo hueco estabilizador;
la figura 8b muestra una vista en sección transversal parcial del intercambiador de calor mostrando la fuerza aplicada sobre la primera hilera de puntos de soldadura en el caso de utilizar un cuerpo hueco estabilizador posicionado dejando fuera de su perímetro la primera hilera de puntos de soldadura; y
la figura 8c muestra una vista en sección transversal parcial del intercambiador de calor mostrando la fuerza aplicada sobre la primera hilera de puntos de soldadura en el caso de utilizar un cuerpo hueco estabilizador posicionado entre la primera y segunda hileras de puntos de soldadura.
Descripción de una realización preferida
El intercambiador de calor de placas apiladas de la invención 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 glicol al 35%, 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.
Tal como se puede apreciar en la figura 1, cada placa 1 comprende una pluralidad de corrugaciones 2, un pozo de entrada 3 y otro de salida 4 para el aceite, y un pozo 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.
Preferentemente, cada placa 1 también comprende unas mesetas de sellado 7 a 10 dispuestas alrededor de cada pozo 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. La geometría del contorno de las mesetas de sellado 7 a 10 está diseñada de modo que permite reducir la distancia libre entre cada meseta 7 a 10 y el borde de la placa 1 para limitar la tensión en esta zona, quedando más espacio central que puede emplearse en incrementar el número de corrugaciones 2, y por tanto, de puntos de soldadura entre placas contiguas.
Como puede observarse en las figuras 2 y 3, el intercambiador de calor incluye también una placa de refuerzo superior 13 que cubre la pluralidad de placas corrugadas 1.
El intercambiador de calor también comprende un cuerpo hueco 14 estabilizador de la presión ejercida sobre las placas 1, el cual está fijado sobre la placa de refuerzo superior 13 cubriendo las áreas inmediatamente superiores a los pozos de entrada 3 y salida 5 del aceite.
Según puede apreciarse en la figura 4, sobre la placa de refuerzo superior 13 se han practicado dos orificios 15 en el centro de los pozos 3,4 de aceite, de modo que el aceite es susceptible de penetrar dentro del cuerpo hueco 14 a su través, equilibrándose así la presión a ambos lados de la placa superior 13 y mejorándose la resistencia mecánica de dichas placas 1. En consecuencia, se consigue incrementar considerablemente la vida útil del conjunto frente a las solicitaciones de presión a las que está sometido el intercambiador de calor.
Haciendo referencia a las figuras 5 y 6, el cuerpo hueco 14 presenta una forma semicilíndrica o de medio tubo con los extremos esféricos y un amplio borde externo 17 para permitir una buena soldadura a la placa de refuerzo superior 13.
Alternativamente, según puede observarse en la figura 7, el cuerpo hueco 14 puede incluir dos orificios posicionadores 18 para proporcionar un correcto ensamblaje y mantener el cuerpo hueco 14 en su lugar durante la soldadura.
Tal como se ha comentado, las placas apiladas 1 están unidas entre sí mediante puntos de soldadura 16 efectuados en cada cruce de corrugaciones 2 de las placas 1 contiguas. La fuerza neta que actúa sobre el cuerpo hueco 14 es transmitida a su periferia y por tanto más cerca de los puntos de soldadura 16.
La figura 8a muestra el caso en que no se utiliza ningún cuerpo hueco estabilizador 14, como ocurría en el estado de la técnica. La fuerza neta está aplicada en su totalidad sobre la primera hilera 16a de puntos de soldadura más cercanos a los pozos de entrada 3 y salida 4 del aceite. En este caso, la fuerza no puede repartirse al resto del conjunto de placas con el consiguiente riesgo de rotura de dicha placa corrugada final.
La figura 8b muestra el caso en que se utiliza el cuerpo hueco estabilizador 14, el cual ha sido posicionado dejando fuera de su perímetro la primera hilera 16a de puntos de soldadura. La fuerza neta sobre la primera hilera 16a de puntos de soldadura representa una parte de la fuerza total, mientras que la fuerza que actúa sobre el cuerpo hueco 14 está distribuida en más puntos de soldadura. Por tanto, el cuerpo hueco 14 compensa parcialmente la presión.
La figura 8c muestra el caso en que el cuerpo hueco estabilizador 14 ha sido posicionado entre la primera hilera 16a y segunda hilera 16b de puntos de soldadura. La fuerza neta sobre la primera hilera 16a de puntos de soldadura es igual a cualquier otro punto de soldadura. La fuerza neta que actúa sobre el cuerpo hueco estabilizador 14 está distribuida en muchos más puntos de soldadura. Esta es la disposición preferida ya que el cuerpo hueco 14 compensa totalmente la presión.
En consecuencia, la zona de apoyo del cuerpo hueco 14 debe estar posicionada sobre la placa de refuerzo superior 13 entre la primera hilera 16a y al menos la segunda hilera 16b de puntos de soldadura. Si algunos de estos puntos de soldadura no están cubiertos por el cuerpo hueco 14, el área no cubierta debe ser menor que el área que puede generar una fuerza neta para provocar la deformación plástica en los puntos de soldadura.
La amplitud del cuerpo hueco 14 tiene que ser mayor que la distancia desde el centro de los pozos 3,4 del aceite y la primera hilera 16a de puntos de soldadura alrededor de cada pozo 3,4.
Unos resultados experimentales indicaron que la vida útil del conjunto se ha incrementado por un factor de 20, desde aproximadamente 20 Kciclos hasta 300-400 kciclos a 0-20 bar e incluso hasta 1.2 Mciclos.
En este ejemplo el cuerpo hueco 14 además de tener la función de estabilizador de la presión tal como se ha comentado, también funciona como conducto by-pass, de modo que dichos orificios 15 permiten que el aceite pueda circular desde el pozo de entrada 3 hacia el pozo de salida 4 a través del interior del cuerpo hueco 14. La cantidad de aceite conducido a través del by-pass está determinada mediante el diámetro de los orificios 15.

Claims (15)

1. Intercambiador de calor de placas apiladas, que comprende una pluralidad de placas apiladas (1) provistas de corrugaciones (2), circulando entre dichas placas el líquido a refrigerar y el líquido refrigerante en dos circuitos independientes definidos por dichas placas (1), comprendiendo cada placa (1) unos pozos de entrada (3,5) y salida (4,6) del líquido a refrigerar y del líquido refrigerante respectivamente, medios de refuerzo (7 a 12) de las placas, y una placa de refuerzo superior (13) que cubre la pluralidad de placas corrugadas (1), caracterizado por el hecho de que comprende medios estabilizadores (14) de la presión ejercida sobre las placas (1), incluyendo dichos medios estabilizadores al menos un cuerpo hueco (14) apoyado sobre la placa de refuerzo superior (13) cubriendo las áreas inmediatamente superiores a los pozos de entrada (3) y salida (4) del líquido a refrigerar, de modo que el líquido a refrigerar es susceptible de penetrar dentro del al menos un cuerpo hueco (14) a través de al menos un orificio (15) practicado en la placa de refuerzo superior (13), equilibrándose la presión a ambos lados de la placa de refuerzo superior (13) y mejorando la resistencia mecánica de dichas placas (1).
2. Intercambiador, según la reivindicación 1, del tipo que las placas apiladas (1) están unidas entre sí mediante puntos de soldadura (16) efectuados en cada cruce de corrugaciones (2) de las placas (1) contiguas, caracterizado por el hecho de que la zona de apoyo del al menos un cuerpo hueco (14) está posicionada sobre la placa de refuerzo superior (13) entre una primera hilera (16a) y al menos una segunda hilera (16b) de puntos de soldadura más próximos a los correspondientes pozos de entrada (3) y salida (4) del líquido a refrigerar.
3. Intercambiador, según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que algunos puntos de soldadura de la primera hilera (16a) quedan fuera de la periferia del al menos un cuerpo hueco (14).
4. Intercambiador, según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el al menos un cuerpo hueco (14) está fijado a la placa superior (13).
5. Intercambiador, según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el al menos un cuerpo hueco (14) presenta un reborde externo (17) con una amplitud apropiada para permitir una correcta unión sobre la placa de refuerzo superior (13).
6. Intercambiador, según cualquiera de las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado por el hecho de que el al menos un cuerpo hueco (14) comprende medios posicionadores (18) para el correcto ensamblaje y posicionado durante su unión a la placa de refuerzo superior (13).
7. Intercambiador, según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el al menos un cuerpo hueco (14) y la placa de refuerzo superior (13) están integradas en una única pieza.
8. Intercambiador, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que los medios estabilizadores comprenden dos cuerpos huecos dispuestos respectivamente sobre el orificio de entrada (3) y el orificio de salida (4) del líquido a refrigerar.
9. Intercambiador, según la reivindicación 8, caracterizado por el hecho de que cada cuerpo hueco (14) presenta una forma semiesférica.
10. Intercambiador, según la reivindicación 8 o 9, caracterizado por el hecho de que ambos cuerpos huecos están comunicados con el interior del intercambiador de calor mediante dos orificios (15) practicados en la placa de refuerzo superior (13) y posicionados sobre los correspondientes pozos de entrada (3) y salida (4) del líquido a refrigerar.
11. Intercambiador, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que los medios estabilizadores comprenden un único cuerpo (14) hueco dispuesto sobre ambos pozos de entrada (3) y salida (4) del líquido a refrigerar.
12. Intercambiador, según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el único cuerpo hueco (14) está comunicado con el interior del intercambiador de calor mediante un orificio (15) practicado en la placa de refuerzo superior (13) y posicionado sobre uno de los pozos de entrada (3) o de salida (4) del líquido a refrigerar.
13. Intercambiador, según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que el único cuerpo hueco (14) está comunicado con el interior del intercambiador de calor mediante dos orificios (15) practicados en la placa de refuerzo superior (13) y posicionados sobre los correspondientes pozos de entrada (3) y salida (4) del líquido a refrigerar.
14. Intercambiador, según la reivindicación 13, caracterizado por el hecho de que uno de los dos orificios (15) practicados en la placa de refuerzo superior (13) presenta un diámetro tan pequeño que el líquido a refrigerar conducido a su través es sensiblemente despreciable.
15. Intercambiador, según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado por el hecho de que el único cuerpo hueco (14) presenta una forma de medio cilindro con los extremos esféricos.
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