ES2305487T3 - Intercambiador de calor de placas apiladas. - Google Patents

Intercambiador de calor de placas apiladas. Download PDF

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Karsten Emrich
Daniel Hendrix
Joachim Kopp
Wolfgang Kramer
Florian Moldovan
Jens Richter
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Abstract

Intercambiador de calor de placas apiladas, formado por una pluralidad de placas (12, 13) apiladas unas encima de otras, de un primer y un segundo tipo, para la formación de canales de circulación para un primer y un segundo medios, formando las placas (12, 13) un bloque de intercambiador de calor (2) con un lado superior y uno inferior así como con dos superficies laterales (10) opuestas entre sí y unas superficies frontales (9), y estando en conexión de fluido los primeros canales de circulación para el primer medio cerrado por el perímetro y con unos canales de distribución y colectores dispuestos perpendicularmente con respecto al plano de la placa, que desembocan en cada caso en unas tubuladuras de entrada o de salida (6, 7) dispuestas en cada caso sobre el lado superior y/o inferior (3, 11), estando formados los segundos canales de circulación (24) en las superficies frontales (9) en su mayor parte abiertos y en las superficies laterales (10) cerrados y formando los lados (9) abiertos un plano de entrada y uno de salida para el segundo medio, caracterizado porque a las superficies frontales (9) se conectan una caja de entrada y una de salida (4, 5) para el segundo medio y las cajas de entrada y/o de salida (4, 5) son formadas mediante unas tiras de chapa dobladas y por unas placas de recubrimiento (3a, 11a; 3b, 11b) que sobresalen por encima de las superficies frontales (9).

Description

Intercambiador de calor de placas apiladas.
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor de placas apiladas según el preámbulo de la reivindicación 1.
Los intercambiadores de calor de placas apiladas se dieron a conocer por los documentos DE-A 43 14 808 y DE-C 195 11 991 de la solicitante. La forma constructiva en pila es ventajosa en lo que se refiere a los costes para los intercambiadores de calor en la medida en que se utiliza una pluralidad de piezas iguales estructuradas de manera relativamente sencilla. De acuerdo con el documento DE-A 43 14 808 el intercambiador de calor puede fabricarse con un único tipo de placa el cual, durante el montaje y el apilado unas encima de otras, es girado en cada caso 180 grados. En el documento DE-C 195 11 991 se utilizan en una forma de realización dos tipos de placa distintos, con el fin de conseguir alturas de canal distintas. Esto es en especial ventajoso cuando el intercambiador de calor es atravesado por un medio líquido y uno gaseoso, por ejemplo refrigerante y aire de admisión de un motor de combustión interna. Las tubuladuras de conexión para el aire de admisión y el refrigerante están dispuestas, en este intercambiador de calor de discos de pila, o bien todas en un lado, por ejemplo el lado superior, o en dos lados, por ejemplo el lado superior y el lado inferior del intercambiador de calor. Las tubuladuras de entrada y salida están orientadas por regla general alineadas con canales de distribución y colectores dentro del bloque del intercambiador de calor, y los medios de intercambio de calor circulan, transversalmente con respecto a los canales de distribución y colectores, a través de canales de circulación entre los discos de pila o placas de intercambiador de calor. Gracias a esto, resulta para ambos medios una desviación de 90º doble la cual aumenta la caída de presión en el intercambiador de calor. Una caída de presión de este tipo es indeseada en especial para la conducción de aire de admisión.
Por el documento DE 100 24 389, se conoce un dispositivo de intercambio de calor de gas de escape. El dispositivo de intercambio de calor de gas de escape presenta una pluralidad de unidades, las cuales están formadas cada una por un par de placas de laminación, que están laminadas y conectadas entre sí en el recorrido de la soldadura.
Por lo tanto, la presente invención se plantea el problema de mejorar un intercambiador de calor de forma apilada según el tipo mencionado al principio en el sentido de que la caída de presión se reduzca por lo menos para un medio.
La solución de este problema tiene lugar mediante las características de la reivindicación 1. Según la invención, ya no tiene lugar para el medio, es decir por ejemplo el aire de admisión o el gas de escape, ninguna desviación 90º, más bien el medio gaseoso circula a través de intercambiador de calor directamente en dirección longitudinal. Esto se consigue, a diferencia de la forma apilada usual, gracias a que las placas apiladas unas encima de otras están formadas cerradas únicamente en dos lados opuestos y abiertas en los dos lados frontales. Las placas para el otro medio, es decir por ejemplo el refrigerante, están por el contrario - como era usual hasta ahora - cerradas por el lado del perímetro y conectadas en cada caso con un canal de distribución o uno colector. Es ventajoso además que se pueda conservar la forma apilada económica con la reducción simultánea de la caída de presión para un medio gaseoso.
De acuerdo con la invención, están colocados sobre la superficies frontales del bloque del intercambiador de calor cajas de entrada y salida con tubuladuras de entrada y salida. Las cajas son formadas a partir de una chapa doblada y dos placas de cierre que sobresalen por encima de las superficies frontales.
A partir de las reivindicaciones subordinadas, resultan estructuraciones ventajosas de la invención.
Las tubuladuras están dispuestas alineadas entre sí. Gracias a esto, se alcanza una caída de presión esencialmente pequeña para el medio gaseoso, por ejemplo aire de admisión, gas de escape. Cuando las condiciones de montaje lo exigen la tubuladuras de entrada o de salida puede estar conectadas también bajo un ángulo que se puede predeterminar de hasta 90º con la caja de entrada o salida.
De este modo, se puede conservar la forma constructiva enteramente metálica, por ejemplo de acero o de aluminio, para este intercambiador de calor, el cual por consiguiente puede ser soldado como un todo "de un golpe" en el horno para soldeo fuerte. Las cajas de entrada y salida pueden estar realizadas, sin embargo, también como unidades constructivas independientes y ser conectadas independientemente del proceso de soldadura, en especial después del proceso de soldadura, con el bloque del intercambiador de calor, por ejemplo mediante soldadura o pegado.
De acuerdo con otra estructuración ventajosa de la invención los canales de circulación para el primer medio, por ejemplo el refrigerante, están cerrados por el lado del perímetro, y ello mediante un borde circulante con un pliegue circulante, el cual está soldado con una placa contigua. Por consiguiente, la corriente de refrigerante está obturada herméticamente frente al segundo medio, por ejemplo frente al aire de admisión o el gas de escape. Los canales de circulación para el segundo medio son directamente contiguos a los canales de circulación para el refrigerante, de todos modos los canales de circulación de aire de admisión están en gran parte abiertos en ambos lados frontales del bloque del intercambiador de calor. Para aumentar la potencia de intercambio de calor pueden estar dispuestas en los canales de circulación para el aire de admisión o para el gas de escape chapas de turbulencia, las cuales están soldadas con las placas contiguas y por consiguiente procuran una mayor resistencia del bloque del intercambiador de calor. En los canales de circulación para el refrigerante pueden estar dispuestas también de forma análoga chapas de turbulencia.
De acuerdo con un perfeccionamiento ventajoso de la invención los canales de distribución y colectores para el refrigerante son formados mediante estampaciones en forma de copa de ambas placas. Las estampaciones están situadas unas encima de otras y son soldadas en la zona de sus superficies de contacto, de manera que resultan canales continuos para el refrigerante. Son asimismo posibles alternativas tales como anillos intermedios o manguitos así como secciones de canal metidas unas en otras.
En otra forma de realización las estampaciones en forma de copa están formadas fuera del bloque del intercambiador de calor, con lo cual es posible una mejor conducción del segundo medio dentro del bloque del intercambiador de calor.
Como perfeccionamiento ventajoso de la invención los canales de circulación para el aire de admisión están formados por un tipo de placa especial, el cual presenta biselados laterales. Estos biselados están acodados o bien de forma simple para dar un perfil en forma de L o de manera doble para dar un perfil en forma de C y forman con ello superficies de apoyo con los discos contiguos en cada caso. En la zona de estas superficies de apoyo o de contacto los discos son soldados entre sí y forman, por consiguiente, los canales de circulación cerrados hacia fuera para el aire de admisión, es decir también las paredes de cierre laterales del bloque del intercambiador de calor.
En los dibujos se muestran unos ejemplos de formas de realización de la invención y se describen a continuación con mayor detalle. En los dibujos:
la Fig. 1 muestra un radiador de aire de admisión/refrigerante,
la Fig. 2 muestra el radiador de aire de admisión/refrigerante según la Fig. 1 sin cajas de aire,
la Fig. 3 muestra el bloque del intercambiador de calor del radiador de aire de admisión/refrigerante según la Fig. 1 o la Fig. 2 en representación en perspectiva,
la Fig. 4 muestra el bloque del intercambiador de calor según la Fig. 3 como vista desde delante,
la Fig. 5, 5a, b, c muestran un primer tipo de placa (placa de refrigerante) en diferentes vistas,
la Fig. 6, 6a, 6b muestran un segundo tipo de placa (placa de aire de admisión) en diferentes vistas,
la Fig. 7 muestra una sección del bloque del intercambiador de calor en una primera modificación,
la Fig. 8 muestra una sección del bloque del intercambiador de calor con una segunda modificación,
la Fig. 9 muestra una sección del bloque del intercambiador de calor con una tercera modificación,
la Fig. 10 muestra una sección del bloque del intercambiador de calor con una cuarta modificación, y
la Fig. 11 muestra una sección del bloque del intercambiador de calor con una quinta modificación.
La Fig. 1 muestra un radiador de aire de admisión/refrigerante 1 de forma apilada para un motor de combustión interna de un vehículo automóvil con un circuito de refrigerante y aire de admisión no representado. El radiador de aire de admisión/refrigerante 1 comprende en su núcleo de un bloque de intercambiador de calor 2, el cual es cerrado hacia arriba por una placa de cierre 3 y frontalmente por cajas de aire 4, 5. El bloque del intercambiador de calor 2 es recorrido, por un lado, por refrigerante, el cual entra por una tubuladura de entrada de refrigerante 6 dispuesta sobre el lado superior 3 y sale de nuevo a través de una tubuladura de refrigerante 7 dispuesta asimismo en el lado superior 3. El aire de admisión (calentado mediante un compresor no representado) entra a través de una tubuladura de entrada 8, dispuesta en posición central en una caja de aire 4, en el radiador de aire de admisión/refrigerante 1 y lo abandona enfriado a través de una tubuladura de salida, no visible, dispuesta alineada, la cual está dispuesta en el canal de salida 5.
La Fig. 2 muestra el radiador de aire de admisión/refrigerante 1 sin las cajas de aire 4 y 5, según la Fig. 1. El bloque del intercambiador de calor 2 presenta una superficie frontal 9 abierta y una superficie lateral 10 cerrada y es cubierto hacia arriba por la placa de cierre 3 y hacia abajo por una placa de cierre 11. La placa 3 superior sobresale con una zona 3a y la placa 11 inferior con una zona 11a por encima de la superficie frontal 9. Las dos zonas 3a, 11a forman, por consiguiente, las superficies laterales de la caja de aire 4 (Fig. 1), la cual está doblada a partir de una chapa. De forma análoga, las placas 3, 11 sobresalen por encima de la superficie frontal posterior, no visible, del bloque del intercambiador de calor 2, y ello con las zonas 3b, 11b. La caja de aire 5 (Fig. 1) está formada por consiguiente de forma análoga a la caja de aire 4.
La Fig. 3 muestra en representación en perspectiva el bloque del intercambiador de calor 2, el cual está formado por dos tipos de placa diferentes apiladas unas encima de otras con piezas añadidas de turbulencia. La placa del primer tipo es una denominada placa de refrigerante 12, y la placa del segundo tipo es una así llamada placa de aire de admisión 13. La placa de refrigerante 12 presenta dos aberturas 15, 16 formadas de forma circular (ambas placas se describen con mayor precisión para la Fig. 5 y la Fig. 6). Entre ambas placas 12, 13 hay dispuestas chapas de turbulencia 14 para el aire de admisión, el cual entra a través del lado frontal 9 abierto en el bloque del intercambiador de calor 2. El bloque del intercambiador de calor 2 presenta una superficie frontal 10 cerrada, la cual es formada por los biselados 13a de las placas de aire de admisión 13. La superficie lateral opuesta (no visible en esta representación) está formada de manera análoga.
La Fig. 4 muestra el bloque del intercambiador de calor 2 en una vista desde delante, es decir con vista sobre la superficie frontal 9 y en la dirección de circulación del aire de admisión. El bloque del intercambiador de calor 2 está formado por lo tanto por las placas de refrigerante 12 y las placas de aire de admisión 13, las cuales están apiladas alternativamente unas encima de otras. La placa de refrigerante 12 presenta un rebaje 17 en forma de cuba, a partir de la cual están estampadas dos elevaciones 18, 19 de tipo copa, las cuales presentan en el interior las aberturas 15, 16 (comp. con la Fig. 3). El disco de refrigerante 12 está cerrado hacia arriba (en el dibujo) mediante un pliegue 12a circulatorio plano. Sobre este pliegue 12a se apoya el disco de aire de admisión 13, el cual forma por consiguiente con el pliegue 12a una superficie de contacto circulante para la soldadura de ambas placas 12, 13 en esta zona. La placa de aire de admisión 13 se extiende lateralmente en cada caso más allá del pliegue 12a y presenta allí a ambos lados biselados 13a en forma de un perfil en forma de C. Las ramas superior e inferior (horizontales en el dibujo) del perfil en forma de C forman en cada caso con la rama inferior o superior de los perfiles en forma de C contiguos superficies de contacto para la soldadura. Alineados con las estampaciones 18, 19 de tipo copa de las placas de refrigerante 12 están dispuestas en las placas de aire de admisión 13 estampaciones 20, 21 correspondientes, dirigidas opuestas, de manera que al apilar las placas 12, 13 están colocadas unas encima de otras en cada caso estampaciones 18, 20 y 19, 21 y forman con ello un canal de distribución 22, que pasa de arriba abajo, y un canal colector 23 para el refrigerante. La entrada de refrigerante y la salida de refrigerante están caracterizadas mediante flechas con las designaciones de KME y KMA. Los canales de circulación para el refrigerante corresponden por lo tanto a los rebajes 17 en forma de cuba en los cuales están dispuestas chapas de turbulencia no representadas tampoco. Entre en cada caso una placa de refrigerante 12, es decir su lado de aire, y una placa de aire de admisión 13 contigua están dispuestas piezas insertadas de turbulencia 14 las cuales son por consiguiente parte de los canales de circulación 24 para el aire de admisión. Como se ha mencionado anteriormente, el aire de admisión entra en el bloque del intercambiador de calor 2 perpendicularmente respecto del plano del dibujo y circula a través de él en dirección recta - sin tener en cuenta las desviaciones a causa de las estampaciones 18 a 21 de tipo copa.
Las Figs. 5, 5a a 5c muestran unas vistas de la placa de refrigerante 12. Las Figuras 5, 5a y 5b muestran la placa 12 rectangular, redondeadas en las esquinas, con dos aberturas 15, 16 dispuestas diagonalmente entre sí, las cuales están estampadas de la placa. La placa 12 está embutida a profundidad y presenta el rebaje 17 (comp. con la Fig. 5c), cuyo borde superior se transforma en la brida circulante o el pliegue 12a. Al rebaje 17 se conectan, en la zona de las aberturas 15 y 16, las estampaciones 18, 19 de tipo copa. La representación muestra sin embargo placas 12 únicamente rectangulares, si bien son imaginables también otras formas geométricas, en especial cuando las estampaciones de tipo copa están dispuestas fuera de la dirección principal del flujo.
La Fig. 6, la Fig. 6a y la Fig. 6b muestran la placa de aire de admisión 13 en diferentes vistas, utilizándose de nuevo los números de referencia anteriores. La placa de aire de admisión 13 corresponde en planta (Fig. 6a) a la placa de refrigerante 12, si bien es algo más ancha en la dirección de los biselados 13a. La placa de aire de admisión 13 presenta una parte 13b plana, la cual tiene por lo menos el tamaño para tapar el pliegue 12a de la placa de refrigerante 12. Los biselados 13a forman un perfil en forma de C con una superficie 13a vertical y una superficie 13c horizontal. Ésta última está en contacto, para un apilamiento según la Fig. 4, con el lado inferior 13b de la placa de aire de admisión 13 contigua. A partir de la parte 13b plana de la placa de aire de admisión 13 están formadas las dos estampaciones 20, 21 de tipo copa con aberturas 25, 26 troqueladas, las cuales en cuanto a su posición coinciden con las estampaciones 18, 19 o las aberturas 15, 16 de la placa de refrigerante 12.
La Fig. 7 muestra una sección de una forma de realización modificada de un bloque del intercambiador de calor 27 con placas de aire de admisión 28 modificadas. Estas últimas presentan un biselado o un borde 28a vertical el cual presenta una altura h tal que se da un solapamiento a con la placa de aire de admisión 28 contigua y con ello se crea una superficie de contacto para la soldadura.
La Fig. 8 muestra una sección ampliada del bloque del intercambiador de calor 2 de la Fig. 4 con la placa de aire de admisión 13 y el biselado 13a, 13c doble para dar un perfil en forma de C. Esta placa de aire de admisión 13 está representada en la Fig. 6 como pieza individual. Se aprecia que la rama 13c superior del perfil en forma de C está en contacto con el lado inferior de la pieza 13b plana de la placa de aire de admisión 13 y forma, por consiguiente, una superficie de soldadura.
La Fig. 9 muestra otra modificación del bloque del intercambiador de calor 29 con una placa de aire de admisión 30 y una placa de refrigerante 31 modificada, cuyo pliegue 32 está prologado hacia fuera. La placa de aire de admisión 31 presenta - como está representado también en la Fig. 6 - un perfil del borde 30a, 30c en forma de C de manera que el pliegue 32 prolongado pasa a situarse sobre la rama 30c del perfil en forma de C y forma con ello una superficie de soldadura. Sobre el pliegue 32 se apoya la pieza 30b plana de la placa de aire de admisión 30.
La Fig. 10 muestra otra modificación del bloque del intercambiador de calor 33 con una placa de refrigerante 34 modificada y una placa de admisión de aire 35 con un acodamiento 35a vertical. La placa de refrigerante 34 presenta una brida 36 que se prolonga hasta fuera, la cual está acodada hacia abajo para dar una superficie de biselado 36a perpendicular. Ambas superficies 35a de la placa de aire de admisión 35 y 36a de la placa de refrigerante 34 están en contacto entre sí y forman, por consiguiente, una superficie de soldadura para la formación de un canal de circulación cerrado para el aire de admisión.
La Fig. 11 muestra otra modificación de un bloque de intercambiador de calor 37 con una placa de refrigerante 38 modificada y una placa de aire de admisión 39, la cual presenta de nuevo un perfil de biselado 39a, 39c en forma de C. La placa de refrigerante 38 presenta un pliegue 40 circulante, al cual se conecta una tira 40a desplazada hacia abajo mediante un talón. Esta tira 40a está en contacto con el lado inferior de la rama 39c del perfil en forma de C de la placa de aire de admisión 39 y forma, por consiguiente, una superficie de soldadura. Sobre el lado superior de la rama 39c está en contacto la pieza 39b plana de la placa de aire de admisión 39, de manera que en esta zona están situados uno encima de otro tres grosores de pared.
Todas las piezas de los ejemplos de formas de realización descritos anteriormente están realizadas preferentemente de una aleación de aluminio, en parte con plaqueado con estaño, y pueden ser soldadas, por lo tanto, con soldeo fuerte en el horno de soldadura, y ello "de un golpe". Estos intercambiadores de calor de placas son, por ello, de clases limpias y reciclables.

Claims (16)

1. Intercambiador de calor de placas apiladas, formado por una pluralidad de placas (12, 13) apiladas unas encima de otras, de un primer y un segundo tipo, para la formación de canales de circulación para un primer y un segundo medios, formando las placas (12, 13) un bloque de intercambiador de calor (2) con un lado superior y uno inferior así como con dos superficies laterales (10) opuestas entre sí y unas superficies frontales (9), y estando en conexión de fluido los primeros canales de circulación para el primer medio cerrado por el perímetro y con unos canales de distribución y colectores dispuestos perpendicularmente con respecto al plano de la placa, que desembocan en cada caso en unas tubuladuras de entrada o de salida (6, 7) dispuestas en cada caso sobre el lado superior y/o inferior (3, 11), estando formados los segundos canales de circulación (24) en las superficies frontales (9) en su mayor parte abiertos y en las superficies laterales (10) cerrados y formando los lados (9) abiertos un plano de entrada y uno de salida para el segundo medio, caracterizado porque a las superficies frontales (9) se conectan una caja de entrada y una de salida (4, 5) para el segundo medio y las cajas de entrada y/o de salida (4, 5) son formadas mediante unas tiras de chapa dobladas y por unas placas de recubrimiento (3a, 11a; 3b, 11b) que sobresalen por encima de las superficies frontales (9).
2. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 1, caracterizado porque la caja de entrada y la de salida (4, 5) están realizadas en cada caso como una unidad constructiva independiente y se pueden conectar con el bloque del intercambiador de calor (2).
3. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque las cajas de entrada y salida (4, 5) presentan unas tubuladuras de entrada y de salida (8) alineadas entre sí.
4. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque en las cajas de entrada y salida (4, 5) están dispuestas unas tubuladuras de entrada y de salida (8) bajo un ángulo que se puede predeterminar de hasta 90º con respecto a la dirección principal del flujo.
5. Intercambiador de calor de placas según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la placa del primer tipo (12) presenta un rebaje (17) con un pliegue (12a) plano perimetral, porque la placa del segundo tipo (13) presenta una zona (13b) plana, que recubre el pliegue (12a), y porque las placas del primer y segundo tipo (12, 13) están conectadas entre sí en la zona del pliegue (12a) y encierran entre sí el primer canal de circulación para el primer medio.
6. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 5, caracterizado porque los segundos canales de circulación (24) están situados para el segundo medio en cada caso contiguos a los primeros canales de circulación.
7. Intercambiador de calor de placas según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque los canales de distribución y colectores (22, 23) son formados mediante unas secciones de canal (18, 19; 20, 21) dispuestas entre las placas (12, 13) y que las conectan.
8. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 7, caracterizado porque las secciones de canal están formadas como unas elevaciones (18, 19; 20, 21) de tipo copa y a partir de placas (12, 13).
9. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 8, caracterizado porque las elevaciones (18, 19; 20, 21) de tipo copa están dispuestas fuera de la dirección principal del flujo.
10. Intercambiador de calor de placas según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque en los primeros y/o los segundos canales de circulación (24) están dispuestas unas chapas de turbulencia (14).
11. Intercambiador de calor de placas según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque las placas del segundo tipo (13) presentan unos biselados (13a) laterales, los cuales cierran los segundos canales de circulación (24) hacia fuera y forman las superficies laterales (10).
12. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 11, caracterizado porque los biselados (28a) están simplemente acodados y forman un solapamiento a con el biselado (28a) de la placa (28) contigua de segundo tipo.
13. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 11, caracterizado porque los biselados (13a) están acodados dos veces y presentan un perfil en forma de C (13c) el cual está en contacto con una placa contigua de segundo tipo (13).
14. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 11, caracterizado porque los biselados (30a) presentan un perfil en forma de C (30c), el cual está en contacto con la placa contigua de primer tipo (31, 32).
15. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 11, caracterizado porque las placas de primer tipo (34) presentan unos biselados (36a) laterales y porque los biselados (36a, 35a) del primer y segundo tipo de placa (34, 35) están dispuestos orientados opuestos y situados contiguos.
16. Intercambiador de calor de placas según la reivindicación 11, caracterizado porque el biselado (39a) está acodado dos veces y presenta un perfil en forma de C con una rama (39c) libre, la cual está en contacto, por un lado, con la placa contigua de primer tipo (38, 40a) y, por el otro, con la placa contigua de segundo tipo (39, 39b).
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