ES2285337T3 - Intercambiador de calor con perfil abierto como alojamiento. - Google Patents

Abstract

Intercambiador de calor, que consta de tubos planos (3) que tienen lados anchos y estrechos (33, 32), cuyos tubos están dispuestos relativamente entre sí formando canales (10), en el que por ejemplo un gas, tal como un gas de escape o aire de alimentación, fluye a través de los tubos planos (3) y es enfriado entonces a través de un medio refrigerante, que fluye a través de los canales (10) entre los tubos planos (3), y cuyo intercambiador tiene un alojamiento (11) en el que está dispuesta una pila de tubos planos (3), caracterizado porque el alojamiento (11) está realizado como perfil abierto con dos alas (12, 13) que tienen un borde de unión (20), cuyo alojamiento sólo rodea una parte del perímetro completo de la(s) pila(s) de tubos planos (3), en que los tubos planos (3) se mantienen separados y los canales (10) están cerrados hacia el lado abierto y el borde de unión (20) está unido con los lados anchos (33) o lados estrechos (32) de los tubos planos exteriores.

Description

Intercambiador de calor con perfil abierto como alojamiento.

La invención se refiere a un intercambiador de calor, que consta de tubos planos que tienen lados anchos y estrechos, cuyos tubos están dispuestos relativamente entre sí formando canales, en el que por ejemplo un gas, tal como un gas de escape o aire de alimentación, fluye a través de los tubos planos y es enfriado entonces a través de un medio refrigerante, que fluye a través de los canales entre los tubos planos, y cuyo intercambiador tiene un alojamiento en el que está dispuesta una pila de tubos planos.

Un intercambiador de calor de este tipo se describió en la solicitud de patente europea presentada hace poco y todavía no publicada con el número de solicitud EP 04 019 339.3. Aquí se trata especialmente de un intercambiador de calor para gas de escape que debe tener una derivación 4'. Para explicar el alojamiento 11' mostrado en las figuras 9 y 10 de allí, la figura 10 fue añadida como figura 1 a esta solicitud y fue dotada de la indicación "Estado de la técnica". El alojamiento 11' comprende ahí todo el perímetro de la pila de tubos planos 3', como deja clara una mirada a las figuras. Además de ello, los tubos planos 3' no están deformados allí en sus lados anchos 33'. Los canales 10' han sido formados allí mediante piezas de inserción.

La tarea de la presente invención consiste en simplificar aún más el intercambiador de calor en lo relativo a su construcción, en que el intercambiador de calor puede estar realizado o bien con o bien sin derivación.

La solución conforme a la invención se produce en un intercambiador de calor correspondiente al preámbulo con las propiedades caracterizantes de la reivindicación 1.

El alojamiento está conformado como perfil abierto con dos alas, que sólo rodea una parte del perímetro de la pila de tubos planos, en que la parte rodeada encierra aproximadamente tres lados del perímetro pero al menos más del 50% hasta el 90% del perímetro completo. Los tubos planos se mantienen separados, para formar los canales. Los canales están cerrados hacia fuera, hacia el lado no rodeado por el alojamiento. Para ello, los tubos planos tienen preferentemente una ampliación de sección transversal continua en la dirección longitudinal. No se prefiere, pero es realizable disponer para esta función en vez de la ampliación de sección transversal una pieza adicional entre los tubos planos. La construcción ha sido simplificada por ello adicionalmente, ya que un alojamiento así puede fabricarse de forma considerablemente más sencilla, ya que puede verse, dicho a grandes rasgos, como una chapa con dos rebordes plegados paralelos. Los tubos planos pueden ser insertados o montados también de forma considerablemente más sencilla en un alojamiento así.

Una derivación puede estar prevista, o no, según el caso de aplicación, en la parte, no rodeada por el alojamiento, del perímetro de la pila de tubos planos. No se descarta además que la parte no rodeada pueda ser cubierta en otro caso de aplicación por una tapa separada. Preferentemente, esta parte está realizada sin embargo sin cubierta de ningún tipo.

Las alas se extienden preferentemente en la dirección de los lados anchos de los tubos planos y están unidas con los lados anchos de los tubos planos exteriores de la pila. En un caso de aplicación no preferido, las alas se extienden en la dirección de los lados estrechos de los tubos planos, llevándose a cabo entonces la unión al lado estrecho de un tubo plano.

En el caso de aplicación preferido, los tubos planos tienen una ampliación de sección transversal que se extiende en la dirección longitudinal de los mismos, a cuya ampliación están unidas las alas preferentemente con los lados anchos de los tubos planos.

La ampliación de sección transversal puede estar prevista en uno o preferentemente en los dos lados anchos de los tubos planos. Esta ampliación se extiende a modo de tiras sobre toda la longitud de los tubos planos.

Las alas del alojamiento poseen un borde de unión, que preferentemente está rebajado y que asume la unión preferentemente con la ampliación de sección transversal. Entre el alojamiento y el lado ancho del tubo plano exterior ha sido formado con ello igualmente un canal para el medio refrigerante.

Todos los tubos planos están realizados de una pieza o de dos piezas y están dispuestos uno sobre otro, dejando espacios intermedios que forman los canales, en que los canales o respectivamente los espacios intermedios están formados mediante el recurso de que los tubos planos están en contacto entre sí preferentemente con su ampliación de sección transversal. En tubos planos realizados de dos piezas se prefiere un procedimiento de soldadura indirecta para la unión metálica. Si por el contrario están previstos tubos planos de una pieza, éstos son realizados preferentemente como tubos planos soldados por soldadura autógena, los cuales son fabricados sobre trenes de fabricación en sí conocidos a partir de banda de chapa.

Por ejemplo, una soldadura longitudinal puede estar dispuesta en uno de los dos lados estrechos. La ampliación de sección transversal se lleva a cabo en el curso de la fabricación de tubos planos descrita.

En tubos planos de dos piezas pueden existir dos placas deformadas idénticas o diferentes, en que los canales están formados por la deformación de las placas.

Existe un depósito colector de entrada y preferentemente también un depósito colector de salida separado para el gas.

Uno de los lados del alojamiento y los depósitos colectores están equipados con molduras receptoras para el segmento correspondiente del borde de unión de los tubos planos. Los tubos planos tienen preferentemente un inserto interior. El inserto interior es una chapa ondulada, cuyas ondulaciones forman preferentemente pasos de flujo discretos para el gas.

Mediante el inserto interior introducido y mediante una chapa de separación en el depósito colector de entrada o respectivamente de salida puede formarse la ya citada derivación dentro de los tubos planos.

Esto tiene la ventaja no insignificante de que al menos el paso de flujo, que limita con la derivación, del inserto interior esencialmente no es atravesado por el gas, con lo que se suprime el paso de calor. El gas de escape que fluye a través de la derivación no debe ser enfriado en lo esencial.

En lo relativo a otras propiedades se hace referencia a las otras reivindicaciones subordinadas. La invención se describe a continuación según ejemplos de realización. A partir de esta descripción pueden derivarse propiedades y ventajas adicionales, que pueden revelarse posteriormente como particularmente importantes.

La figura 1 muestra un estado de la técnica no publicado anteriormente;

la figura 2 una vista sobre un intercambiador de calor;

la figura 3 una vista en perspectiva sobre una pila desmontada de tubos planos;

las figuras 4 y 5 vistas en perspectiva sobre un intercambiador de calor montado;

la figura 6 una vista lateral de un intercambiador de calor;

la figura 7 una vista desde arriba sobre un intercambiador de calor con depósito colector de entrada y de salida;

la figura 8 una vista en perspectiva de una parte de tubo plano;

la figura 9 una sección transversal de un tubo plano de una pieza;

la figura 10 una sección transversal de otro tubo plano de una pieza;

las figuras 11-14 realizaciones perfeccionadas de intercambiadores de calor en representaciones en perspectiva;

las figuras 15 y 16 dos secciones transversales con diversos tubos planos de dos piezas;

las figuras 17-22 vistas en perspectiva sobre intercambiadores de calor conforme a las figuras 16 y 17, dibujados con y sin depósitos colectores;

la figura 23 muestra tubos planos, que sólo tienen una ampliación de sección transversal en un lado ancho.

Los ejemplos de realización mostrados en las figuras se refieren a intercambiadores de calor para gas de escape, enfriados mediante el líquido refrigerante del motor de combustión interna, para un un vehículo automóvil, que están incluidos de modo conocido y no mostrado en un sistema de recirculación de gas de escape, de lo cual no debe resultar sin embargo ninguna limitación con relación a ello.

En los ejemplos de realización mostrados son apilados uno sobre otro simplemente tres o respectivamente cuatro tubos planos 3 y son dotados de respectivamente un depósito colector 21, 22 (figuras 7, 21, 22) en los lados frontales del intercambiador de calor. El número de tubos planos 3 es libre, se orienta respectivamente según las necesidades del caso de aplicación particular.

En los ejemplos de realización conforme a las figuras 2 hasta 14 se han empleado tubos planos 3 de una pieza, que han sido fabricados preferentemente a partir de chapa de acero fino soldable por soldadura indirecta. En el caso de un intercambiador de calor para por ejemplo aire de alimentación se emplea chapa de aluminio. En los ejemplos de realización citados ha sido formada en los dos lados anchos 33 de cada uno de los tubos planos 3 respectivamente una ampliación de sección transversal 14, que se extiende sobre toda la longitud de los tubos planos 3. Los tubos planos 3 son fabricados sobre trenes de fabricación conocidos a partir de banda continua de chapa, en que preferentemente en uno de los lados estrechos 32 se prevé una soldadura longitudinal 37. Dos estructuraciones diferentes de los tubos planos 3 están representadas en las figuras 9 y 10. Conforme a la figura 9, la ampliación de sección transversal 14 ha sido conformada de modo relativamente ancho y se extiende hasta el lado estrecho 32, en la figura 9 el lado estrecho 32 situado a la derecha. Una parte de este tubo plano 3 ha sido representada también en la figura 8 como vista en perspectiva. A diferencia de ello, los tubos planos 3 conforme a la figura 10 poseen una ampliación de sección transversal 14, que no llega hasta el lado estrecho 32, en que la ampliación de sección transversal 14 que se representa como tira longitudinal continua también es más estrecha que la de la figura 9.

Que es en principio también posible llevar a cabo la ampliación de sección transversal 14 solamente en uno de los lados anchos 33 de los tubos planos 3 y formar la pila a partir de tales tubos planos 3, se ha indicado en la figura 23 mediante sólo dos tubos planos 3. La altura del canal 10 puede determinarse naturalmente mediante la altura del escalón 14 (ampliación de sección transversal). En tales casos puede rebajarse algo más fuertemente el borde de unión 20 del alojamiento 11, para obtener la anchura deseada del canal exterior 10. El alojamiento 11 ha sido indicado ahí simplemente mediante una línea de puntos y rayas. Posiblemente son también ventajosas sin embargo aplicaciones en las que puede renunciarse a un canal exterior 10, de forma que no es necesario un rebajo del borde de unión 20.

Por ejemplo las figuras 5 u 11 muestran que el alojamiento 11 está realizado como perfil abierto con dos alas 12, 13, que sólo rodea una parte del perímetro total de la pila de tubos planos 3, en que la parte rodeada es claramente mayor que la mitad del perímetro total. Las dos alas 12, 13 se extienden aproximadamente de forma paralela desde una sección de base 15 del alojamiento 11. Las dos alas 12, 13 poseen preferentemente la misma longitud. Los canales 10 entre los tubos planos 3 son cerrados mediante la ampliación de sección transversal 14 hacia el lado abierto del alojamiento 11 en los dibujos mostrados.

En la figura 5 han sido empleados tubos planos 3 que se muestran en la figura 10. En la figura 11 han sido empleados tubos planos 3 que se muestran en la figura 9, en que el tamaño de la ampliación de sección transversal 14 ha sido reducido algo en comparación con dicha figura. El alojamiento 11 rodea en el intercambiador de calor de la figura 11 aproximadamente tres lados de la pila de tubos planos 3, a saber uno de los lados formados por los lados estrechos 32 y los dos lados formados por los lados anchos 33. El otro lado formado por los lados estrechos 32 queda sin otra cubierta. A diferencia de ello, los lados anchos 33 en la figura 5 no son rodeados completamente sino sólo en su mayor parte por las dos alas 12, 13 del alojamiento 11. Las dos alas 12 y 13 poseen un borde de unión 20 rebajado. Éste sirve para la unión a la ampliación de sección transversal 14 del lado ancho 33 de los tubos planos 3 situados exteriormente pero también para la unión en la zona de los extremos de tubo plano 35.

Como dejan claro por ejemplo las figuras 3, 4 y 8, los extremos 35 de los tubos planos 3 son conformados, para llevar sus lados anchos 33 en esta zona a estar completamente en contacto. Una placa de tubos, en cuyas aberturas desembocan los extremos de tubo, no existe en los ejemplos de realización mostrados. Los dibujos muestran que el grado de conformación de los extremos de tubo plano 35 es bastante pequeño, de forma que a este respecto no hay que plantear exigencias particulares al material de trabajo. El tamaño de la conformación corresponde a la altura de la ampliación de sección transversal 14, que facilita adicionalmente la conformación de los extremos de tubo plano 35 porque no es necesaria ninguna extensión considerable del material. Es importante que los radios entre los lados estrechos 32 y los lados anchos 33 de los tubos 3 sean realizados de forma bastante pequeña en la zona de los extremos de tubo plano 35, ya que a través de ello se apoya la soldadura sin errores o respectivamente el cierre estanco en general.

Las figuras 15-22 se refieren a otros ejemplos de realización, en los cuales los tubos planos están realizados de dos piezas. Las figuras 15 y 16 muestran una sección transversal a través de dos intercambiadores de calor diferentes, en que la diferencia consiste en que en la figura 15 los tubos planos 3 están formados por dos placas 1 y 2 deformadas idénticas y en la figura 16 han sido previstas para la formación de los tubos planos 3 respectivamente dos placas 1, 2 deformadas de modo diferente. Las dos placas 1 y 2 son ensambladas por el borde de unión 40 bilateral formando respectivamente un tubo plano 3. Los tubos planos 3 son apilados y el alojamiento 11 es colocado sobre la pila. Además de ello, el depósito colector de entrada 21 y el depósito colector de salida 22 son añadidos a los extremos opuestos de la pila, como puede verse en las figuras 17-22. Las figuras 17-22 se refieren a las dos figuras 15 y 16 explicadas. En el ejemplo según las figuras 15, 18, 20 y 22, el borde de unión 40 se encuentra respectivamente sobre el plano longitudinal central, paralelo a los lados anchos 33, del tubo plano 3. En el ejemplo según las figuras 16, 17, 19 y 21, el borde de unión 40 discurre por fuera del plano longitudinal central, a saber en el plano de la placa 2, que sólo está deformada ligeramente. (Ampliación de sección transversal 14) Los depósitos colectores 21, 22 y el alojamiento 11 tienen en sus bordes de unión molduras receptoras 41, cuya geometría está realizada de tal modo que cada moldura receptora 41 puede rodear el correspondiente segmento de un borde de unión 40, para que sea posible ahí una unión metálica estanca, en particular una unión por soldadura indirecta. Después de que a saber el intercambiador de calor, como se ha descrito, ha sido montado, es llevado a un horno para soldadura indirecta, para llevar a cabo todas las uniones en una operación. En la solicitud de patente europea EP 1 376 043 A2 de la misma solicitante han sido ya descritas uniones así de los depósitos colectores. Con esto se hace referencia a ello, para ahorrar realizaciones adicionales en este punto. Allí no existe ningún alojamiento, a diferencia de aquí.

Las estructuraciones básicas descritas, es decir con tubos planos 3 o bien de una pieza o bien de dos piezas, permiten perfeccionamientos cuyas ventajas están en el ámbito de la eficiencia de intercambio de calor. Éstas resultan de que para el líquido refrigerante puede crearse con medios muy sencillos un camino de flujo sinuoso a través de los canales 10 del intercambiador de calor. En las figuras 2 y 3 ha sido previsto para este fin introducir en los canales 10 una pieza de inserción 50 de diseño plano hecha de chapa muy fina, que está dotada de molduras 51 para la desviación del flujo. Unas flechas correspondientes ilustran el camino de flujo, en que las flechas dibujadas sólo sirven para una mayor claridad y no para la fijación a un determinado principio de flujo de paso, por ejemplo a contracorriente o a favor de corriente. Alternativamente o adicionalmente es posible realizar también en el alojamiento 11 molduras 17, que sirven para el mismo fin. Esto se ha indicado por ejemplo en la figura 12. Unas molduras 17 afectan al flujo en el canal 10 situado exteriormente mientras que las otras molduras 51 afectan al flujo de paso por los canales 10 entre los tubos planos 3. Las piezas de inserción 50 son previstas particularmente en conexión con tubos planos 3 de una pieza soldados por soldadura autógena. Por lo demás, su efecto puede conseguirse también mediante la deformación dirigida de los lados anchos 33 de los tubos planos 3, lo que es más fácilmente realizable en particular en tubos planos 3 de dos piezas.

En los tubos planos 3 de todos los ejemplos de realización han sido introducidos insertos interiores 5 ondulados con pasos de flujo 25 preferentemente discretos para el gas de escape. Los insertos interiores 5 se extienden en la dirección longitudinal de los tubos planos 3 aproximadamente por toda su longitud. En la dirección transversal puede quedar libre una habitualmente pequeña parte de la sección transversal completa de los tubos planos 3 para la creación de una derivación de gas de escape 4. Ésta se encuentra, cuando debe estar prevista, siempre en la zona de la ampliación de sección transversal 14 de los tubos planos 3. Este tipo de realización de la derivación tiene la ventaja de que la derivación 4, en la que no debe existir en lo posible ningún enfriamiento de los gases de escape, puede ser aislada muy fácilmente, mediante el recurso de que se procura que el paso de flujo 25, situado junto a la derivación 4, del inserto interior 5 no sea atravesado por el gas de escape. Esto se realiza mediante una chapa de separación, no mostrada, en el depósito colector, que tiene un pie que cierra el paso. Los otros detalles con respecto a esto han sido descritos en la solicitud de patente europea no publicada anteriormente, citada en la página 1, a la que se hace referencia a este respecto. El hecho de que todas las figuras que muestran los insertos interiores 5 muestran aparentemente también una derivación 4 es puramente casual y no debe indicar que ésta sea imprescindible. Depende más bien de las condiciones de aplicación el que esté prevista o no una derivación 4. Por ejemplo no se ha previsto hasta ahora, en la aplicación para vehículos industriales, ninguna derivación de gas de escape, ya que los vehículos industriales se hacen funcionar sólo con interrupciones pequeñas, es decir en funcionamiento continuo. Una derivación 4 tiene sentido particular cuando el funcionamiento está asociado a interrupciones constantes, como es por ejemplo a menudo el caso en turismos.

Finalmente hay que llamar la atención aún sobre la figura 14. Ahí se ha previsto, de forma contigua al borde de unión 20 del alojamiento 11, una tapa de cubierta 60, que ha sido fijada igualmente con su borde de unión a la ampliación de sección transversal 14. Esta estructuración será preferida posiblemente cuando la tira de la ampliación de sección transversal 14 debe estar situada más allá en dirección al centro del tubo plano que lo mostrado en la figura 10.

Los ejemplos de realización mostrados y descritos muestran intercambiadores de calor con sólo una pila de tubos planos 3, que consta de tres o cuatro tubos planos 3. Como se ha expuesto ya anteriormente, el número de tubos planos 3 por cada pila se ajusta en función del objetivo. Además de ello hay ejemplos de realización no mostrados, que poseen varias pilas de tubos planos 3.

Claims (16)

1. Intercambiador de calor, que consta de tubos planos (3) que tienen lados anchos y estrechos (33, 32), cuyos tubos están dispuestos relativamente entre sí formando canales (10), en el que por ejemplo un gas, tal como un gas de escape o aire de alimentación, fluye a través de los tubos planos (3) y es enfriado entonces a través de un medio refrigerante, que fluye a través de los canales (10) entre los tubos planos (3), y cuyo intercambiador tiene un alojamiento (11) en el que está dispuesta una pila de tubos planos (3), caracterizado porque el alojamiento (11) está realizado como perfil abierto con dos alas (12, 13) que tienen un borde de unión (20), cuyo alojamiento sólo rodea una parte del perímetro completo de la(s) pila(s) de tubos planos (3), en que los tubos planos (3) se mantienen separados y los canales (10) están cerrados hacia el lado abierto y el borde de unión (20) está unido con los lados anchos (33) o lados estrechos (32) de los tubos planos exteriores.

2. Intercambiador de calor según la reivindicación 1, caracterizado porque el alojamiento (11) tiene una separación por todos los lados respecto al perímetro de la pila, de modo que entre el lado interior del alojamiento (11) y la pila existe un canal (10).

3. Intercambiador de calor según las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque las alas (12, 13) se extienden en la dirección de los lados anchos (33) de los tubos planos (3) y están unidas con los lados anchos (33) de los tubos planos (3) exteriores.

4. Intercambiador de calor según las reivindicaciones 1, 2 ó 3, caracterizado porque para mantener la separación está prevista una ampliación de sección transversal (14) que se extiende en la dirección longitudinal de los tubos planos (3), a cuya ampliación están unidas las alas (12, 13) preferentemente con los lados anchos (33) de los tubos planos (3).

5. Intercambiador de calor según la reivindicación 1 ó 4, caracterizado porque la ampliación de sección transversal (14) está prevista en uno o preferentemente en los lados anchos (33) de los tubos planos (3) y se extiende en una tira sobre toda la longitud de los tubos planos (3).

6. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el borde de unión (20) está preferentemente rebajado y asume la unión con la ampliación de sección transversal (14).

7. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque todos los tubos planos (3) están realizados de una pieza o de dos piezas y están dispuestos uno sobre otro, dejando espacios intermedios que forman los canales (10), en que los canales (10) o respectivamente los espacios intermedios están formados mediante el recurso de que los tubos planos (3) están en contacto entre sí preferentemente con su ampliación de sección transversal (14).

8. Intercambiador de calor según la reivindicación 7, caracterizado porque en tubos planos (3) de dos piezas están previstas dos placas (1, 2) deformadas idénticas o diferentes, en que los canales (10) están formados por la deformación de las placas (1, 2).

9. Intercambiador de calor según la reivindicación 7, caracterizado porque en lo que se refiere a tubos planos (3) fabricados de una pieza se trata preferentemente de tubos planos (3) soldados por soldadura autógena, que tienen por ejemplo en uno de los dos lados estrechos (32) una soldadura longitudinal (37), en que la ampliación de sección transversal (14) se lleva a cabo en el curso de la fabricación de tubos planos a partir de una banda de chapa.

10. Intercambiador de calor, en particular según las reivindicaciones 1 y 8, caracterizado porque en el borde de unión (20) del alojamiento (11) están previstas molduras receptoras (41) para la recepción del segmento correspondiente del otro borde de unión (40) de los tubos planos (3) de dos piezas.

11. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque existen un depósito colector de entrada y uno de salida (21, 22) para el gas.

12. Intercambiador de calor, en particular según las reivindicaciones 1, 8, 10 y 11, caracterizado porque también dos lados del borde de unión de los depósitos colectores (21, 22) están equipados con molduras receptoras (41).

13. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los tubos planos (3) tienen un inserto interior (5).

14. Intercambiador de calor según la reivindicación 13, caracterizado porque el inserto interior (5) es una chapa ondulada, cuyas ondulaciones forman pasos de flujo (25) discretos para el gas.

15. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque mediante el inserto interior (5) introducido y mediante una chapa de separación puede formarse en el depósito colector de entrada o respectivamente de salida (21, 22) una derivación (4) dentro de los tubos planos (3).

16. Intercambiador de calor según la reivindicación 14 y 15, caracterizado porque al menos el paso de flujo (25), que limita con la derivación, del inserto interior (5) en lo esencial no es atravesado por el gas, con lo que se suprime el paso de calor a la derivación (4).