ES2299798T3 - Intercambiador de calor en apilamiento de placas. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor que comprende un apilamiento de placas que delimitan canales, distribuidores de entrada y de salida de los fluidos, en el que al menos una de las placas comprende una envoltura exterior (1) y tabiques (6) que dividen un volumen circunscrito por la envoltura en canales de una primera categoría (7) y de una segunda categoría (8), comprendiendo los distribuidores que comunican con los canales de la primera categoría y distribuidores que comunican con los canales de la segunda categoría, estando los canales de la segunda categoría (8) separados de los canales de la primera categoría (7) por los tabiques (6), caracterizado porque la envoltura posee relieves (2), extendiéndose los relieves y los canales en una misma dirección longitudinal, la primera categoría de los canales (7) se extiende hasta los relieves, y los relieves y la envoltura se cortan (10) en una parte en la dirección longitudinal abriendo los canales de la primera categoría para comunicar con los distribuidores que comunican con los canales (7) de la primera categoría.
Description
Intercambiador de calor en apilamiento de
placas.
El objeto de la invención se refiere a un
intercambiador de calor de placas.
Los intercambiadores de calor se utilizan
habitualmente en diversos campos técnicos, como los transportes, la
climatización, la industria térmica o las pilas de combustible.
Existen también numerosas familias si se tiene en cuenta su
estructura o el modo en que se construyen y disponen los canales de
transporte de los fluidos. Los intercambiadores de calor de los que
forma parte la invención comprenden placas en las cuales se han
abiertos los canales de transporte. Tal estructura ofrece las
ventajas de ser compacta a la vez que tiene una buena resistencia
mecánica, especialmente respecto de los fluidos a alta presión. Se
describe un ejemplo reciente en el documento US 6 467 535 B1, en el
que las placas comprenden una envoltura exterior que circunscribe
un volumen que unos tabiques, formando una sola pieza con la
envoltura, dividen en canales de circulación de los dos fluidos.
Tales placas se pueden fabricar, monobloques por un procedimiento de
extrusión que, conjuntamente con un espesor suficiente de la
envoltura y de los tabiques, garantiza la resistencia deseada.
Sigue habiendo sin embargo un problema de
conexión de los canales de las placas. Como los canales son
paralelos y adyacentes, los conductos que llevan los dos fluidos al
intercambiador y que se los llevan del mismo también deben serlo,
alternando en el ancho de la placa, lo cual es muy apremiante puesto
que el montaje es delicado y que los conductos también deben
resistir a las presiones de fluidos, ahora bien es improbable que se
puedan construir con la misma resistencia que los canales. Las
conexiones se convierten de este modo en los lugares débiles del
intercambiador de calor, sin que sea posible reforzarlas.
Por esta razón se ha concebido la invención,
utilizando una placa de intercambiador de calor de forma particular
y que se presta fácilmente a conexiones por medios sencillos.
En su forma general, la placa de intercambiador
de calor comprende una envoltura exterior y tabiques que dividen un
volumen circunscrito por la envoltura en canales, y la envoltura
tiene relieves, extendiéndose los relieves y los canales en una
misma dirección longitudinal, una primera categoría de los canales
se extiende hasta los relieves, y los relieves y la envoltura se
cortan en una parte en la dirección longitudinal abriendo los
canales de la primera categoría.
Los relieves se pueden establecer en dos lados
opuestos de la envoltura.
Unas placas de este tipo pertenecen a la técnica
conocida representada por el documento
US-A-4.746.479 y por el documento
EP-A-1.471.321, siendo este último
documento pertinente según el artículo 54(3) de la CBE.
El intercambiador de calor según la invención
comprende al menos una de estas placas en un apilamiento, así como
un marco que rodea el apilamiento y conductos de entrada y de salida
de fluido que atraviesan el marco y que se comunican con los
canales, y es relevante porque los conductos comprenden por una
parte conductos que se comunican con los canales de la primera
categoría y que se extienden por un primer lado del marco, y por
otra parte conductos que se comunican con una segunda categoría de
canales (separados de los primeros por un tabique y que transportan
el otro fluido) y que se extienden por un segundo lado del marco que
es diferente del primero. Típicamente, el marco comprende cuatro
lados formando un rectángulo, siendo dicho primer lado y dicho
segundo lado perpendiculares entre si; los dos últimos lados, o uno
de ellos, pueden comprender otros conductos de entrada y de salida
del fluido o conductos de conexión entre dos placas. El marco
también se puede constituir simplemente mediante dos piezas
independientes al nivel de los extremos de los conductos.
En este caso, la estanqueidad lateral de las
placas se realiza mediante montaje de los relieves de extremos
laterales de la misma.
La ventaja fundamental de la invención es que
los conductos de entrada y de salida de dos fluidos ni se
entremezclan ni son adyacentes, sino que están separados, estando
situado los conductos que conducen a los canales que se extienden
en los relieves en un lado lateral de la placa y estando situados
los conductos que conducen a los otros canales en un lado de
extremo longitudinal de la placa.
Los canales de las dos categorías pueden adoptar
formas diferentes, pero es ventajoso que al menos los de la primera
categoría tengan una sección oblonga, teniendo los de la segunda
categoría una sección de forma más regular.
La superficie de intercambio es mayor si los
canales tienen superficies de delimitación que están ranuradas en
la dirección longitudinal.
Las placas se construyen ventajosamente por
extrusión.
La invención se describirá ahora en relación con
las figuras, en las cuales:
- las figuras 1 y 2 ilustran una primera
realización de la invención,
- las figuras 3, 4 y 5 representan algunas
variantes posibles de la primera realización,
- las figuras 6 y 7 representan dos vistas de un
apilamiento de placas,
- las figuras 8 y 9 dos realizaciones de
intercambiador de calor,
- la figura 10 un modo posible de montaje de
placas, y
- las figuras 11 y 12 ilustran dos otras
realizaciones de intercambiador.
Una placa de intercambiador de calor presenta la
sección ilustrada en la figura 1, con una envoltura 1 exterior que
comprende relieves 2 periódicos en voladizo sobre dos caras
principales 3 y 4 y opuestas de esta placa 5 y que se extienden en
una dirección longitudinal; la placa 5 comprende también tabiques 6
que se extienden desde una cara 3 a la otra 4 en la vertical de los
relieves 2, y que se extienden también en la dirección longitudinal.
Estos tabiques 6 delimitan canales 7 y 8, de los cuales los de una
primera categoría 7 se extienden bajo los relieves 2 y dentro de
los mismos, y los de una segunda categoría 8 se extienden entre los
relieves 2 alternándose con los anteriores. Los canales de primera
categoría 7 tienen una sección sensiblemente rectangular u oblonga,
y los de segunda categoría 8 una sección de dimensión más
regular.
Se prevé que los relieves 2 se corten o entallen
al menos en una parte de la longitud de la placa 5 para de este
modo abrir lateralmente los canales de primera categoría 7. La
figura 2 ilustra con las flechas A que circula un fluido
introducido en la placa 5, por el corte 10 así formado, en todos los
canales de primera categoría 7, y también, en los canales de
segunda categoría 9, en canales de tercera categoría 9 que se
extienden entre los relieves 2. Uno de los fluidos de intercambio de
calor seguirá efectivamente estas vías y el otro circulará en los
canales de segunda categoría 8 según las flechas B. Al no alcanzar e
corte 10 los canales de segunda categoría 8, los fluidos permanecen
separados.
Se han representado canales 7 y 8 sensiblemente
rectangulares; serían posibles otras secciones, como lo representan
las figuras 3 y 4 que ilustran canales de primera categoría 7
elípticos y canales de segunda categoría 8 respectivamente
circulares y elípticos; otro tipo de disposición es el de la figura
5, que muestra que los canales 7 y 8 pueden presentar paredes que
los delimitan provistas de microranuras longitudinales 11 que les
dan una sección dentada que aumenta la superficie de intercambio de
calor entre los fluidos. Se adoptará por lo tanto esta disposición
ante todo en las paredes laterales, que son las caras de los
tabiques 6.
Las figuras 6 y 7 representan un apilamiento de
placas 5, estando los relieves 2 de placas 5 apiladas apoyados
mutuamente y cerrando éstos las secciones de los canales de tercera
categoría 9. El intercambiador se puede completar con un marco 12
montado alrededor del apilamiento de las placas 5 (que comprende
también dos placas de extremos, macizas, no representadas). El
marco 12 posee cuatro lados formando un rectángulo, y se ajusta
alrededor de las placas 5 conectándose a los canales 7 y 8. Está
compuesto por marcos elementales 15 de una altura al menos igual a
las placas 5, que rodean respectivamente y que se encuentran
apilados como éstas. Los canales 8 de segunda categoría se abren
mediante un mecanizado más allá del corte 10 y se ajustan en
dentados 40 mecanizados en un primer lado 14 de los marcos
elementales 15. Se perfora un segundo lado 16 de los marcos
elementales 15, adyacente al anterior, con orificios 41 enfrente del
corte 10. Se observará que el intercambio de calor se efectúa por
todos los lados de los canales 8 de segunda categoría, hacia los
canales 7 y 9 de primera y tercera categoría que les rodean casi
por completo, y que por lo tanto es muy bueno.
Se garantiza la estanqueidad y la cohesión del
intercambiador de calor mediante soldaduras o encoladuras 42 entre
los marcos elementales 15. Se puede conseguir también la
estanqueidad por soldadura periférica. Por otra parte, no es
necesaria la adición de juntas de estanqueidad.
El conjunto se completa con distribuidores como
el de la figura 8. El primer lado 14 recibe un distribuidor 18 de
salida del segundo fluido y pone en comunicación los canales de
segunda categoría 8 con un conducto 19 de salida. Un tercer lado 20
del marco 12, opuesto al primero y conectado a los canales de
segunda categoría 8 del mismo modo, recibe un distribuidor 21
similar al anterior y que comprende un conducto 22 de entrada del
segundo fluido. El segundo lado 16 del marco 12 recibe un tercer
distribuidor 23, que es un distribuidor de entrada del primer
fluido y pone en comunicación un conducto 24 de entrada con los
orificios 41, los cortes 10 y los canales de primera y tercera
categoría 7 y 9. Finalmente, un cuarto lado 25 del marco 12 recibe
un distribuidor 26 de salida del primer fluido provisto de un
conducto 27; este distribuidor 26 se encuentra en el extremo
longitudinal opuesto al distribuidor 23 anterior del apilamiento de
las placas 5; los distribuidores 23 y 26, y sus conexiones y
comunicaciones, son similares.
Este dispositivo permite una circulación a
contracorriente en el intercambiador de calor. Una configuración de
circulación de corriente paralela también es posible. Evidentemente,
son posibles otros motivos y uno de ellos se representa en la
figura 9, en la cual los distribuidores 18 y 23 se sustituyen por
distribuidores 28 y 29 que presentan cada uno un conducto de
entrada 30 ó 31 y un conducto de salida 32 ó 33 cada uno de los
cuales comunica con una parte respectiva del distribuidor y con un
grupo respectivo de las placas 5 y de los canales. Los otros
distribuidores 21 y 26 se sustituyen por cajas ciegas que permiten
el paso del fluido respectivo de uno de los grupos de las placas 5
y de los canales al otro grupo. Este dispositivo permite por lo
tanto configuraciones de circulación multipasadas en cada uno de los
dos fluidos. Evidentemente se deben separar dos grupos de placas 5
y de canales mediante una placa continua.
Las placas 5 se pueden construir mediante un
procedimiento de extrusión utilizando un material apropiado,
metálico o polimérico, lo cual les da una estructura unitaria de
sección uniforme, y a continuación se lleva a cabo un mecanizado
sencillo a fin de realizar los cortes 10. Se puede dejar que existan
topes 36 para limitar la penetración de las placas 5 en los
extremos longitudinales del marco 12. Se debe mencionar igualmente
la posibilidad, representada en la figura 10, de construir los
extremos de las placas 5 en dirección transversal con formas
complementarias 37 y 38, para permitir un montaje por empalme que da
una placa resultante más ancha.
No es necesario una construcción con el marco 12
rodeando por completo las placas 5 para construir un intercambiador
de calor. Es posible utilizar piezas de extremo, colocadas sólo en
los extremos longitudinales de las placas. Como en la realización
anterior, se podrían apilar y montar piezas con la misma altura que
las placas 5. Una de estas piezas en forma de peine, se representa
en la figura 11 con la referencia 50. Está compuesta por una
superficie inferior 43 y de dientes 44 que se levantan sobre la
misma. Los canales 8 de segunda categoría se ajustan todavía en los
dentados 45, similares a los dentados 40, que separan los dientes
44. La placa 5 se mantiene en posición mediante la superficie
inferior 43 de otra pieza 50 de extremo que se coloca en la
anterior y que recibirá otra placa 5.
En la figura 12 se muestra una pieza 51 de
extremo en forma de placa agujereada, a través de la cual pasan los
extremos de los canales 8 de segunda categoría de cualquier
apilamiento de las placas 5. Esta placa agujereada 51 es de
estructura unitaria desde su origen.
Unos distribuidores similares a los anteriores
pueden comunicar con los canales 7 y 9 de primera y tercera
categoría, incluso si los lados laterales del apilamiento de las
placas 5 no están revestidos. Las uniones de las placas 5 se
sueldan o encolan, no siendo necesario ningún material de
estanqueidad.
La invención se puede aplicar a canales cuyo
diámetro hidráulico es de aproximadamente 0,5 mm, con un coste de
fabricación reducido.
Claims (9)
1. Intercambiador de calor que comprende un
apilamiento de placas que delimitan canales, distribuidores de
entrada y de salida de los fluidos, en el que al menos una de las
placas comprende una envoltura exterior (1) y tabiques (6) que
dividen un volumen circunscrito por la envoltura en canales de una
primera categoría (7) y de una segunda categoría (8), comprendiendo
los distribuidores que comunican con los canales de la primera
categoría y distribuidores que comunican con los canales de la
segunda categoría, estando los canales de la segunda categoría (8)
separados de los canales de la primera categoría (7) por los
tabiques (6), caracterizado porque la envoltura posee
relieves (2), extendiéndose los relieves y los canales en una misma
dirección longitudinal, la primera categoría de los canales (7) se
extiende hasta los relieves, y los relieves y la envoltura se cortan
(10) en una parte en la dirección longitudinal abriendo los canales
de la primera categoría para comunicar con los distribuidores que
comunican con los canales (7) de la primera categoría.
2. Intercambiador de calor según la
reivindicación 1, caracterizado porque la utilización de un
marco (12) que rodea el apilamiento de placas (5), los
distribuidores comprenden distribuidores que comunican con los
canales de la primera categoría y que se extienden sobre un primer
lado del marco y distribuidores que comunican con una segunda
categoría de los canales, que se extienden sobre un segundo lado del
marco, estando los canales de la segunda categoría (8) separados de
los canales de la primera categoría (7) por tabiques (6), siendo el
primer lado y el segundo lado del marco diferentes.
3. Intercambiador de calor según la
reivindicación 1, caracterizado por la utilización de piezas
de extremos en los extremos longitudinales, los distribuidores
comprenden distribuidores que comunican con los canales de la
primera categoría y que se extienden sobre un lado lateral del
apilamiento y distribuidores que comunican con una segunda
categoría de los canales y que se extienden sobre una pieza de
extremo, estando los canales de la segunda categoría (8) separados
de los canales de la primera categoría (7) por tabiques (6), siendo
diferentes el primer lado y el segundo lado del marco.
4. Intercambiador de calor según la
reivindicación 2, caracterizado porque el marco comprende
cuatro lados formando un rectángulo, cuyos primer y segundo lados,
son perpendiculares entre sí.
5. Intercambiador de calor según una cualquiera
de las reivindicaciones 2 ó 4, caracterizado porque el marco
(12) está compuesto por marcos elementales (15) de igual altura que
las placas, apilados y unidos (42) entre sí, y que comprenden
dentados (40) de alojamiento de extremos abiertos de los canales de
segunda categoría y orificios (41) dispuestos delante de las partes
cortadas de los relieves y de la envoltura.
6. Intercambiador de calor según la
reivindicación, caracterizado porque los canales de la
primera categoría tienen una sección oblonga.
7. Intercambiador de calor según una cualquiera
de las reivindicaciones 1 ó 6, caracterizado porque los
canales tienen superficies de delimitación ranuradas en dirección
longitudinal.
8. Intercambiador de calor según una cualquiera
de las reivindicaciones 1, 6 ó 7, caracterizado porque los
relieves (2) están constituidos en dos caras (3, 4) opuestas de la
envoltura.
9. Intercambiador de calor según una cualquiera
de las reivindicaciones 1, 6, 7 u 8, caracterizado porque la
placa es de estructura unitaria, de sección uniforme y fabricada por
extrusión.
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