ES2325280T3 - Intercambiador de calor con una pluralidad de elementos tubulares. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor para la transferencia de calor entre un primer fluido y un segundo fluido, que comprende - un primer inserto de entrada (11a) para el primer fluido y - un primer inserto de salida (11b) para el primer fluido, - estando dispuesta entre el primer inserto de entrada (11a) y el primer inserto de salida (11b) una pluralidad de elementos tubulares (20) que están superpuestos en dirección axial y especialmente orientados en la misma dirección o conectados en paralelo, a través de los que puede circular el primer fluido, - estando enrollada una primera pluralidad de elementos tubulares (20) alrededor de un eje de montaje (23, 24) con un radio de curvatura, variable al menos por secciones, en forma de una primera espiral, y - estando enrollada una segunda pluralidad de elementos tubulares (20) alrededor de un eje de montaje (23, 24) con un radio de curvatura, variable al menos por secciones, en forma de una segunda espiral, - estando dispuesta la segunda espiral dentro de la primera espiral para formar una espiral doble, caracterizado por el hecho de que - en dirección axial entre los elementos tubulares (20) está formada al menos una cavidad (C), a través de la que puede circular el segundo fluido, - estando asignadas a una cantidad de elementos tubulares (20) dos capas conductoras de calor (21), mediante las que está delimitada al menos una cavidad (C), en la que circuló el segundo fluido, - estando dispuestas las capas conductoras de calor (21) con los elementos tubulares (20) de manera enrollada en forma de espiral.
Description
Intercambiador de calor con una pluralidad de
elementos tubulares.
La invención se refiere a un intercambiador de
calor para la transferencia de calor entre un primer fluido y un
segundo fluido, según se describe en el preámbulo de la
reivindicación 1, que comprende un primer inserto de entrada para
el primer fluido y un primer inserto de salida para el primer
fluido, estando dispuesta entre el primer inserto de entrada y el
primer inserto de salida una pluralidad de elementos tubulares, a
través de los que puede circular el primer fluido, especialmente
orientados en la misma dirección, estando formada entre los
elementos tubulares al menos una cavidad, a través de la que puede
circular el segundo fluido y estando enrollada la pluralidad de
elementos tubulares alrededor de un eje de montaje con un radio de
curvatura, variable al menos por secciones, en forma de una primera
espiral. El documento US-3058722, por ejemplo,
muestra un intercambiador de calor de este tipo.
Del documento DE19635454A1 se conoce una unidad
constructiva con un intercambiador de calor, conductor de fluido,
para un equipo de aire acondicionado de vehículo de motor con
circuito de medio refrigerante. En este caso está prevista una
primera conexión de entrada que se encuentra dispuesta en el centro
y a través de la que se introduce un primer fluido en el
intercambiador de calor. Mediante una segunda conexión de salida,
dispuesta también en el centro, se puede transportar el primer
fluido a través del espacio colector y hacia fuera de la unidad
constructiva. El intercambiador de calor comprende esencialmente dos
tubos planos, separados y enrollados alrededor de un eje de
montaje, que están dispuestos en la carcasa de la unidad
constructiva de manera desplazada entre sí en dirección axial, así
como separados uno de otro. Es decir, los tubos planos enrollados
en espiral ocupan espacios constructivos cilíndricos desplazados
axialmente entre sí y cerrados. La conducción del fluido en los
tubos planos se realiza de un extremo interior radial a un extremo
exterior radial del primer tubo plano. El fluido circula a través
de un tubo de unión, que se extiende en dirección axial, al segundo
tubo plano, en el que circula de un extremo exterior radial a un
extremo interior radial del segundo tubo plano, a partir del que el
fluido llega a la conexión de salida. Cada tubo plano define en sí
un espacio exterior en espiral, a través del que puede circular un
segundo fluido en dirección
contraria.
contraria.
El documento de tipo genérico US3058722 muestra
un intercambiador de calor con tuberías enrolladas en forma de una
espiral doble, a través de las que puede circular un fluido desde
una entrada central hasta una salida exterior radial. Dos bandas de
tuberías, que se extienden en paralelo entre sí, están enrolladas en
forma de un cono y presentan respectivamente varias tuberías
dispuestas una debajo de otra en vertical. Entre las bandas se
encuentran canales libres, en los que el aire circula en vertical al
plano de las espirales a través de las bandas de tuberías para
enfriar el fluido en las tuberías.
En el documento US4883117 está representado un
intercambiador de calor, en el que las tuberías están enrolladas en
forma de una espiral doble dispuesta en un plano y varias de estas
espirales están superpuestas axialmente a distancia entre sí. Entre
las espirales están previstas respectivamente dos placas conductoras
de calor que forman un espacio de circulación para un líquido
refrigerante.
El documento US3323587 describe un
intercambiador de calor, fabricado de una capa de chapa, que se
enrolla en forma de una espiral doble alrededor de dos tubos de
entrada o salida dispuestos en paralelo. En los espacios
intermedios, configurados entre las secciones individuales de la
capa de chapa, circula en dirección contraria el fluido que se va a
enfriar y el líquido refrigerante. Cada espacio intermedio está
subdividido en dirección axial en varios canales al estar fijados
alambres distanciadores en la capa de chapa. Estos se enrollan junto
con la capa de chapa para formar el intercambiador de calor.
El objetivo de la invención es crear un
intercambiador de calor del tipo mencionado al inicio que en un
espacio constructivo especialmente pequeño presente una potencia de
transferencia térmica lo más alta posible. La invención tiene
también el objetivo de posibilitar una fabricación más simple y más
económica de un intercambiador de calor del tipo mencionado al
inicio.
El objetivo se consigue mediante un
intercambiador de calor con las características de la reivindicación
1. En este caso, una segunda pluralidad de elementos tubulares está
enrollada alrededor de un eje de montaje con un radio de curvatura
variable al menos por secciones en forma de una segunda espiral,
estando dispuesta la segunda espiral dentro de la primera espiral
para crear una espiral doble. Es decir, la primera espiral y la
segunda espiral ocupan al menos por secciones un volumen
constructivo cilíndrico común a lo largo de un eje de montaje que
forma, dado el caso, el eje cilíndrico, lo que permite la
realización de una construcción compacta del intercambiador de
calor. Además, la entrada y la salida del intercambiador de calor se
pueden disponer ventajosamente de manera contigua entre sí y/o en
un lado común del intercambiador de calor o en lados opuestos entre
sí del intercambiador de calor. La primera pluralidad de elementos
tubulares está compuesta preferentemente de tubos finos
individuales alargados que están unidos por arrastre de material con
el primer inserto de entrada. Se prefiere asimismo que la segunda
pluralidad de elementos tubulares comprenda tubos finos alargados
que están realizados en forma de una sola pieza con tubos asignados
de la primera cantidad de elementos tubulares, así como unidos
también por arrastre de material con el primer inserto de
salida.
En una configuración de la invención, la primera
pluralidad de elementos tubulares se extiende a lo largo de una
sección del eje de montaje, extendiéndose la segunda pluralidad de
elementos tubulares aproximadamente a lo largo de la misma sección
del eje de montaje. De este modo se obtiene una gran relación entre
volumen y medida exterior, pudiéndose alojar una gran cantidad de
elementos tubulares en una carcasa compacta.
Al menos a un elemento tubular está asignada una
capa conductora de calor, en especial una lámina metálica, que en
otra configuración de la invención se encuentra dispuesta en la
espiral, creando un contacto conductor de calor con el elemento
tubular. La capa conductora de calor se extiende preferentemente en
paralelo a la extensión principal de la primera pluralidad de
elementos tubulares y/o en paralelo a la extensión principal de la
segunda pluralidad de elementos tubulares. La capa conductora de
calor está dispuesta de forma enrollada en espiral con el elemento
tubular. La capa conductora de calor posibilita ventajosamente en
especial un aumento de la superficie de transferencia térmica, que
se va a asignar al elemento tubular, en especial en lados del
segundo fluido. De un modo especialmente preferido, una capa
conductora de calor está asignada a una cantidad mayor de elementos
tubulares o tubos y posicionada en contacto con estos.
A una cantidad de elementos tubulares están
asignadas dos capas conductoras de calor, en especial dos láminas
metálicas, mediante las que está delimitada al menos una cavidad, en
la que circula el segundo fluido. De este modo se puede obtener
otro aumento de las superficies de transferencia térmica que se van
a asignar a los elementos
tubulares.
tubulares.
En otra configuración de la invención está
asignada al menos a un elemento tubular una capa no metálica y/o
que conduce mal el calor, en especial una lámina de plástico, para
el aislamiento térmico del elemento tubular y/o de una capa
asignada, conductora de calor, de un elemento tubular contiguo y/o
de una capa contigua conductora de calor. Este tipo de capa no
metálica y/o que conduce mal el calor se extiende preferentemente a
lo largo de la extensión principal del elemento tubular y está
enrollado también preferentemente en forma de espiral con el
elemento tubular. De un modo opcional pueden estar asignadas a un
elemento tubular o a una pluralidad de elementos tubulares varias
capas no metálicas y/o malas conductoras de calor. Entre dos capas
contiguas no metálicas y/o malas conductoras de calor puede estar
previsto, al igual que entre capas no metálicas y metálicas, un
material de unión, una hendidura de ventilación, un material de
relleno o un elemento distanciador.
En otra configuración de la invención está
previsto un segundo inserto de entrada para el segundo fluido y un
segundo inserto de salida para el segundo fluido que se comunican
con una pluralidad de cavidades, en las que puede circular el
segundo fluido. El segundo inserto de entrada y el segundo inserto
de salida posibilitan así una distribución del segundo fluido hacia
las cavidades formadas entre los elementos tubulares y/o entre
capas metálicas, extendiéndose ambos insertos preferentemente en
paralelo a un eje de montaje. Los dos insertos están dispuestos
ventajosamente por fuera de un volumen constructivo cilíndrico común
de la primera espiral y de la segunda espiral, de modo que es
posible una entrada y salida del segundo fluido en posiciones
desplazadas entre sí a lo largo de una superficie de revestimiento
(imaginaria) de la primera espiral y/o de la segunda espiral.
En otra configuración de la invención, al menos
un inserto de entrada y/o al menos un inserto de salida, en
especial el segundo inserto de entrada y el segundo inserto de
salida, están realizados como perfiles no circulares, moldeados por
extrusión. Esto permite fabricar con especial facilidad un inserto,
pudiéndose prever varios canales, que discurren en paralelo entre
sí, para la conducción separada del respectivo fluido. Además, estos
canales se han de configurar de manera que se puedan conectar en
distintas zonas desplazadas entre sí en dirección circunferencial
y/o en dirección axial del perfil moldeado por extrusión.
En otra configuración de la invención, la
primera espiral y/o la segunda espiral están enrolladas alrededor
de un soporte central con dos ejes de montaje separados
especialmente entre sí. Con ayuda del soporte central, la primera
espiral y/o la segunda espiral se pueden someter en paralelo al
respectivo eje de montaje a una fuerza tal que las espirales y la
espiral doble formada se pueden fijar ventajosamente en dirección
axial. Entre los ejes de montaje está prevista una zona de
transición entre la primera pluralidad de elementos tubulares y la
segunda pluralidad de elementos tubulares. En la zona de transición
se pueden unir elementos tubulares de la primera espiral con los de
la segunda espiral. Además, con ayuda de dos ejes de montaje, unidos
de manera rígida entre sí en forma de soporte, se puede crear de un
modo especialmente simple una espiral y también una espiral doble
mediante la inserción de la primera pluralidad de elementos
tubulares y/o de la segunda pluralidad de elementos tubulares entre
los ejes de montaje y el giro a continuación del soporte alrededor
del propio eje.
En otra configuración de la invención, el primer
inserto de entrada y el primer inserto de salida están posicionados
en zonas opuestas entre sí de la espiral doble, estando enrollados
en forma de una arena los elementos tubulares enrollados en forma
de espiral doble. Los insertos se extienden preferentemente en
paralelo al eje de montaje de la espiral doble y a lo largo de la
superficie de revestimiento del volumen constructivo cilíndrico
común de las espirales en la zona de las secciones de los elementos
tubulares, que se encuentran una sobre otra y aproximadamente en
línea recta. De este modo se puede aplicar una fuerza sobre los
elementos tubulares en sentido transversal a los ejes de montaje de
las espirales. De este modo se puede asignar también al
intercambiador de calor un volumen envolvente cilíndrico circular
con un diámetro especialmente pequeño.
En otra configuración de la invención, los
elementos tubulares enrollados en forma de la espiral doble están
agrupados con un elemento de fondo y un elemento de tapa en forma de
una unidad constructiva, así como insertados en una carcasa
cilíndrica al menos por secciones. Se obtiene así en general una
construcción compacta, de forma estable, del intercambiador de
calor, pudiendo garantizar la carcasa cilíndrica aproximadamente un
volumen envolvente cilíndrico circular para el intercambiador de
calor. En la zona del soporte central puede estar prevista una
transmisión de fuerza entre el elemento de fondo y el elemento de
tapa.
En otra configuración de la invención está
asignada a los elementos tubulares, enrollados en forma de la
espiral doble, una carcasa cilíndrica al menos por secciones, en la
que está dispuesto adicionalmente un separador de
gas-líquido y/o un colector para el primer fluido
y/o para el segundo fluido, pudiéndose realizar el primer fluido
y/o el segundo fluido especialmente como mezcla polifásica de un
medio aproximadamente puro desde el punto de vista químico. Un
separador de gas-líquido y/o un colector provocan o
refuerzan preferentemente una separación de fases en una mezcla
polifásica, garantizándose así que un fluido, que abandona el
separador o el colector, sea monofásico, en especial gaseoso. Por
tanto, para obtener potencias óptimas de transferencia térmica se
ha de conectar un intercambiador de calor directamente a una salida
del separador o del colector y unir con especial preferencia desde
el punto de vista de la técnica constructiva con un separador o
colector. Este tipo de unión se logra de un modo especialmente
correcto, cuando las configuraciones del espacio constructivo
armonizan entre sí, como propone la invención.
Otras características y combinaciones de
características se derivan de la siguiente descripción, en la que
están representados ejemplos preferidos de realización de la
invención por medio de los dibujos.
Muestran:
Figura 1. En una representación esquemática de
un circuito de medio refrigerante de un equipo de aire acondicionado
de vehículo de motor con una combinación, según la invención, de
intercambiador de calor y colector.
Figura 2. Un primer corte longitudinal a través
de una combinación, según la invención, de intercambiador de calor
y colector.
Figura 3. Un segundo corte longitudinal a través
la combinación de intercambiador de calor y colector según la
figura 2.
Figura 4. En una representación simplificada en
perspectiva, una vista desde arriba de un intercambiador de calor
según la invención.
Figura 5. En una representación simplificada en
perspectiva, una vista desde abajo del intercambiador de calor
según la figura 4, así como
Figuras 6a y 6b. En una vista detallada, un
corte respectivamente a través del intercambiador de calor según la
figura 4.
\vskip1.000000\baselineskip
En un circuito de medio refrigerante de un
equipo de aire acondicionado para vehículo de motor (véase
figura 1), en el que un fluido circula en forma de un medio refrigerante gaseoso al menos por secciones (por ejemplo, CO_{2} o R744), está previsto un compresor de medio refrigerante 1. El compresor de medio refrigerante 1 está realizado preferentemente como compresor de émbolo con una pluralidad de cilindros de compresión, en los que por medio de émbolos con movimiento de traslación se comprime el medio refrigerante, gaseoso en esta zona del circuito, y a continuación se expulsa hacia una cámara de presión como medio refrigerante altamente comprimido (denominado a continuación "primer fluido"). Al compresor de medio refrigerante 1 está asignado en la zona de su cámara de presión un sensor combinado de presión y temperatura 2 que se encuentra acoplado con una unidad reguladora de potencia 10 del circuito de medio refrigerante. El primer fluido se transporta a través de un conducto de alta presión 3 hacia un primer intercambiador de calor 4 (refrigerador de gas), en el que el calor se cede a un medio externo, en especial aire ambiente.
figura 1), en el que un fluido circula en forma de un medio refrigerante gaseoso al menos por secciones (por ejemplo, CO_{2} o R744), está previsto un compresor de medio refrigerante 1. El compresor de medio refrigerante 1 está realizado preferentemente como compresor de émbolo con una pluralidad de cilindros de compresión, en los que por medio de émbolos con movimiento de traslación se comprime el medio refrigerante, gaseoso en esta zona del circuito, y a continuación se expulsa hacia una cámara de presión como medio refrigerante altamente comprimido (denominado a continuación "primer fluido"). Al compresor de medio refrigerante 1 está asignado en la zona de su cámara de presión un sensor combinado de presión y temperatura 2 que se encuentra acoplado con una unidad reguladora de potencia 10 del circuito de medio refrigerante. El primer fluido se transporta a través de un conducto de alta presión 3 hacia un primer intercambiador de calor 4 (refrigerador de gas), en el que el calor se cede a un medio externo, en especial aire ambiente.
A través de otro conducto de alta presión 3, el
primer fluido altamente comprimido y enfriado en el primer
intercambiador de calor 4 llega a una combinación de intercambiador
de calor y colector 8 que comprende un segundo intercambiador de
calor 11 conectado como intercambiador interior de calor al circuito
de medio refrigerante 1. En este segundo intercambiador de calor 11
se sigue enfriando el primer fluido, cediéndose el calor del primer
fluido al medio refrigerante gaseoso en el lado de baja presión
(denominado a continuación "segundo fluido").
Mediante un órgano de expansión 5
(estrangulador), el primer fluido se descomprime y se licua y pasa
al estado de baja presión del segundo fluido. Un sensor de
temperatura 9 controla el estado del medio refrigerante antes de
llegar a un tercer intercambiador de calor 6 que funciona como
evaporador. En el evaporador 6 se alimenta calor al medio
refrigerante con ayuda del ventilador de evaporador 7 a partir del
aire interior del vehículo de motor, enfriándose el aire interior.
El medio refrigerante (segundo fluido) evaporado de este modo se
alimenta como vapor saturado a la combinación de intercambiador de
calor y colector 8, en la que un colector 12 provoca una separación
y un almacenamiento intermedio de los componentes líquidos del
segundo fluido. En caso necesario, el compresor de medio
refrigerante 1 aspira el segundo fluido del colector 12, llegando
éste (como ya se mencionó) al segundo intercambiador de calor 11,
en el que se sobrecalienta con ayuda del calor extraído del primer
fluido. El segundo fluido, acondicionado de este modo, se vuelve a
comprimir a continuación mediante el compresor de medio
refrigerante 1 y pasa al estado de alta presión del primer fluido,
iniciándose así nuevamente el circuito.
El circuito de medio refrigerante funciona según
la figura 1 como equipo de refrigeración, pero con pequeñas
modificaciones se puede usar también de un modo conocido como bomba
de calor.
A continuación se analiza más profundamente la
combinación de intercambiador de calor y colector 8, cuyo
funcionamiento básico e incorporación al circuito de medio
refrigerante de un equipo de aire acondicionado de vehículo de
motor ya están representados y explicados en la publicación para
información de solicitud de patente DE19635454A1, a la que se hace
referencia aquí explícitamente.
La combinación de intercambiador de calor y
colector 8 comprende dos unidades funcionales separadas en sí, o
sea, el segundo intercambiador de calor 11 y el colector 12, que se
encuentran dispuestos en una carcasa común 13 (véase figuras 2 y
3). Se entiende aquí que estos pueden estar alojados
alternativamente también en carcasas separadas con una unión
correspondiente de conducto. En relación con la explicación de un
ejemplo preferido de un colector, que se puede usar especialmente
también para el medio refrigerante R744, se remite a la publicación
para información de solicitud de patente DE10058513A1. La
construcción y el principio de funcionamiento se pueden aplicar, al
igual que la conducción y el almacenamiento concretos del medio
refrigerante, en el presente ejemplo de realización según las
figuras 2 y 3. Por tanto, el colector descrito en la publicación
para información de solicitud de patente DE10058513A1 se ha de
combinar en la combinación de intercambiador de calor y colector 8,
según la invención, con un intercambiador de calor 11 según la
invención que se describe a continuación.
En la figura 2 está representado en detalle un
primer corte longitudinal a través de la combinación de
intercambiador de calor y colector 8. El corte según la figura 2
corta el intercambiador de calor 11 según la figura 4 en dirección
de la línea II-II. En la figura 3 está representado
en detalle un segundo corte longitudinal a través de la combinación
de intercambiador de calor y colector 8. Aquí se puede observar que
toda la unidad constructiva está alojada en una carcasa 13 en forma
de vasija alargada con una sección transversal interior casi
circular. La longitud total de la carcasa 13 es aproximadamente 4 a
5 veces su diámetro exterior, lo que da lugar a una configuración
que es adecuada ventajosamente para un montaje en un compartimiento
de motor de un vehículo de motor, en el que está previsto
especialmente un espacio constructivo que se alinea con un
refrigerador de motor de aire-agua.
Según la representación, la combinación de
intercambiador de calor y colector 8 es adecuada especialmente para
un montaje vertical, extendiéndose un eje principal (extensión
máxima) de la carcasa 13 en vertical o perpendicular y estando
previsto en su zona inferior el colector 12 que se encuentra
separado mediante un fondo intermedio 19 del intercambiador de
calor 12. La carcasa está cerrada en el lado superior mediante una
unidad de tapa 14, estando prevista en la unidad de tapa 14
especialmente una primera entrada 14a, así como una primera salida
14b y una segunda entrada 14c, así como una segunda salida 14d con
canales correspondientes de transferencia 15.
La segunda entrada 14c y la segunda salida 14d
están unidas (en el lado de baja presión) con el colector 12, según
se puede observar especialmente en la figura 3. El corte según la
figura 3 corta el intercambiador de calor 11 según la figura 4 en
dirección de la línea III-III. La segunda entrada
14c está unida a través de un canal de transferencia con un perfil
hueco circulable 16 (véase figura 4 y 5), a través del que pasa el
segundo fluido por el intercambiador de calor 11 y que desemboca en
un tubo de entrada 17 del colector 12. Como ya se mencionó, el
segundo fluido llega desde el evaporador 6 a la segunda entrada 14c
y, de este modo, al colector 12, en el que se trata, según se
describió en la publicación para información de solicitud de
patente DE10058513A1.
El segundo fluido se puede extraer del colector
12 a través de un tubo de salida 18 curvado en forma de U, estando
acoplado el tubo de salida 18 en la zona del fondo intermedio, que
sirve como elemento de fondo del intercambiador de calor, con un
llamado segundo inserto de entrada 11c del intercambiador de calor
11. Después de circular a través del intercambiador de calor 11 y
producirse una transferencia de calor asociada a esto, el segundo
fluido llega a un llamado segundo inserto de salida 11d y desde
éste, a la segunda salida 14d a través de un canal de transferencia
15. El segundo fluido se alimenta preferentemente a continuación al
compresor 1.
La primera entrada 14a y la primera salida 14b
están unidas (en el lado de alta presión) con un primer inserto de
entrada 11a, así como con un primer inserto de salida 11b,
perteneciendo los insertos 11a, 11b mencionados al intercambiador
de calor 11 y posibilitando una entrada y salida del primer fluido
(véase figura 2).
En especial por medio de las figuras 4 a 6 se
explica detalladamente la construcción del intercambiador de
calor 11.
calor 11.
Al igual que el primer inserto de salida 11b, el
primer inserto de entrada 11a está configurado aproximadamente como
cilindro hueco alargado y está cerrado herméticamente en su lado
inferior con un tapón N.
Entre el primer inserto de entrada 11a y el
segundo inserto de salida 11b está dispuesta una pluralidad de
veinticuatro elementos tubulares 20, realizados como tubos finos
individuales, casi en forma de cilindro circular, a partir de una
aleación de AlMgSi. En los tubos están formados canales D de
circulación para el primer fluido. En una forma preferida de
realización, los tubos presentan un diámetro exterior de
aproximadamente 2 mm, así como un espesor de pared de 0,5 mm. Los
elementos tubulares están superpuestos en dirección axial orientados
en paralelo entre sí a una distancia uniforme a y fijados, por una
parte, en el inserto de entrada 11a. A tal efecto, en el inserto de
entrada 11a están previstos taladros de conexión B, a través de los
que se pueden introducir los elementos tubulares 20 y con los que
los elementos tubulares pueden estar unidos por arrastre de
material, por ejemplo, mediante soldadura indirecta. Los mismos
elementos tubulares 20 están fijados también preferentemente en la
zona de los taladros B en el inserto de salida 11b. Por
consiguiente, a través de los elementos tubulares 20, conectados en
paralelo conforme a la técnica de flujo y orientados en la misma
dirección, puede circular el primer fluido, estando formadas entre
los elementos tubulares cavidades C, en las que puede circular el
segundo fluido.
A los elementos tubulares 20 están asignadas
capas conductoras de calor en forma de dos láminas metálicas 21.
Las láminas 21 se encuentran, no unidas, en contacto conductor de
calor con los elementos tubulares 20 y se extienden en paralelo
respecto a la pluralidad de elementos tubulares en dirección de sus
ejes longitudinales L. Por tanto, las láminas 21 aumentan la
superficie de transferencia térmica en lados del segundo fluido y
delimitan las cavidades C, en las que puede circular el segundo
fluido. En un ejemplo de realización modificado, las láminas
metálicas están unidas de manera puntual o a lo largo de la
superficie de contacto con los elementos tubulares y/o configuradas
en forma de una sola pieza con estos. En otro ejemplo de realización
modificado, los elementos tubulares y una o dos capas metálicas
están agrupados en un perfil hueco.
En los lados de las láminas 21, opuestos a los
elementos tubulares 20, están previstas dos capas no metálicas,
poco conductoras de calor, en forma de láminas de caucho o plástico
22. En el presente ejemplo de realización, las capas aislantes de
lámina están fabricadas a partir de un compuesto de silicona. Las
láminas de plástico 22 sirven preferentemente para el aislamiento
térmico de los elementos tubulares 20 y de las cavidades C respecto
al medio ambiente y respecto a los elementos tubulares (radialmente)
contiguos. En la representación según la figura 5 se han eliminado
las láminas 21, 22 para una mejor compresión.
Para la fabricación, la pluralidad de elementos
tubulares 20 (después de unirse con el primer inserto de entrada)
junto con las láminas metálicas 21 y las láminas de plástico 22 se
introducen en un estado extendido entre dos ejes de montaje 23, 24,
estando unidos entre sí los ejes de montaje 23, 24 esencialmente de
manera rígida y formando así un soporte central. Debido a la
rotación reiterada del soporte central 23, 24 alrededor de un eje
de giro, posicionado en caso ideal en el centro entre los ejes de
montaje, se obtiene el enrollado, representado en las figuras 4 y
5, de los elementos tubulares 20 y las láminas 21, 22 alrededor del
soporte central. La pluralidad de elementos tubulares está
orientada aquí con planos tangenciales comunes, orientados en
paralelo respecto a un eje de montaje, estando dispuestas las
láminas 21, 22 a lo largo de estos planos tangenciales.
En este caso se forma una espiral doble, en la
que los elementos tubulares 20 y las láminas 21, 22 están enrollados
varias veces en forma de espiral alrededor de los ejes de montaje,
partiendo primero del inserto de entrada 11a, con un radio de
curvatura que se va reduciendo. En el centro de la espiral doble, en
la zona del soporte 23, 24, está creada una formación inversa 20a,
de modo que con el desarrollo ulterior de los elementos tubulares
20 con un radio de curvatura, que aumenta radialmente hacia fuera,
se obtiene una segunda espiral que se sitúa entre las vueltas de la
primera espiral, es decir, casi completamente dentro de la primera
espiral. En un ejemplo de realización modificado están previstas en
la zona de la formación inversa zonas de unión entre varios
elementos tubulares o entre una primera pluralidad de elementos
tubulares y una segunda pluralidad de elementos tubulares. En otro
ejemplo de realización modificado está previsto en la zona de la
formación inversa otro inserto para el primer y/o el segundo
fluido, que puede estar unido con una primera pluralidad y una
segunda pluralidad de elementos tubulares.
Las dos espirales ocupan preferentemente un
volumen constructivo común y uniforme, que se extiende axialmente a
lo largo del soporte o de los ejes de montaje 23, 24, para formar la
espiral doble. En este caso se prefiere una conducción y un
posicionamiento de los elementos tubulares 20 a lo largo del
trayecto de una arena, de modo que en la zona de los desarrollos
rectilíneos de elementos tubulares 20 contiguos axialmente se
obtienen espacios, en los que pueden estar dispuestos los insertos
de entrada y salida 11a, 11b, 11c, 11d, y se puede llevar a cabo
una construcción especialmente compacta, pudiendo estar alojado el
intercambiador de calor 11 en un volumen envolvente cilíndrico
mínimo (carcasa 13). El diámetro mínimo del volumen envolvente se
determina por medio de las dimensiones máximas de la sección
transversal de la espiral doble, equivaliendo la dimensión axial de
la espiral doble aproximadamente a la longitud mínima del volumen
envolvente.
Una alimentación, en el lado de alta presión,
del primer fluido a los elementos tubulares 20 se realiza, como ya
se mencionó, a través del primer inserto de entrada 11a que se
encuentra unido en su lado frontal superior con la primera entrada
14a. Esto es válido para el primer inserto de salida 11b, unido con
la salida 14b, a través de la que se realiza la evacuación, en el
lado de alta presión, del primer fluido. En un ejemplo de
realización modificado, el primer inserto de entrada y el primer
inserto de salida están realizados de forma análoga al segundo
inserto de entrada como perfiles moldeados por extrusión de
múltiples cámaras.
Una alimentación, en el lado de baja presión,
del segundo fluido a las cavidades C se lleva a cabo a través de un
segundo inserto de entrada 11c que está realizado en forma de un
perfil moldeado por extrusión no circular y adaptado al espacio
entre la espiral doble, el primer inserto de salida 11b y el volumen
envolvente cilíndrico mínimo. En este caso, el segundo inserto 11c
de de entrada presenta varias cámaras 11c', 11c'' que se extienden
en dirección axial y a las que están asignados los orificios S', S''
de alimentación desplazados uno contra otro. A través de los
canales S', S'' de alimentación se ha de alimentar en cada caso un
porcentaje del segundo fluido, extraído del colector 12 hacia el
intercambiador de calor 11, a un grupo de cavidades circulables
C.
El segundo fluido se evacua del intercambiador
de calor a través del segundo inserto de salida 11d, cuyo orificio
situado en el lado inferior y visible en la figura 5 se puede cerrar
con el fondo intermedio 19. Por lo demás, el segundo inserto de
salida 11d es igual esencialmente al segundo inserto de entrada 11c
respecto a la forma y a la adaptación al volumen envolvente
cilíndrico. Según se deriva de la figura 3, el segundo inserto de
salida 11d desemboca a través de un canal de transferencia 15 en la
segunda salida 14d.
La unidad de tapa 14 y el fondo intermedio 19 se
pueden atornillar preferentemente entre sí, estando introducidos
elementos de tornillo especialmente en la zona del soporte central
23, 24 a través del intercambiador de calor 11. Por tanto, los
insertos 11a, 11b, 11c, 11d pueden estar fijados respectivamente por
arrastre de forma en la unidad de tapa 14 y en el fondo intermedio
19 y se pueden colocar en dirección axial con una cierta tensión de
montaje. La espiral doble o todo el intercambiador de calor 11,
incluidas todas las conexiones, están configurados de manera que se
pueden fabricar y transportar como una unidad constructiva compacta
y homogénea e insertar en la carcasa 13.
El intercambiador de calor descrito arriba es
adecuado para el uso con ahorro de espacio en cualquier tipo de
circuito de medio refrigerante, caracterizándose especialmente el
intercambiador de calor por potencias altas de transferencia
térmica con un peso pequeño y un volumen constructivo pequeño. Se
garantiza además una fabricación económica debido a la pequeña
cantidad de elementos constructivos y a la pequeña cantidad de
operaciones de unión.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante está prevista únicamente para ayudar al lector y no
forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto
el máximo cuidado en su realización, no se pueden excluir errores u
omisiones y la OEP declina cualquier responsabilidad en este
respecto.
\bullet US 3058722 A [0001] [0003]
\bullet DE 19635454 A1 [0002] [0024]
\bullet US 4883117 A [0004]
\bullet US 3323587 A [0005]
\bullet DE 10058513 A1 [0025] [0025]
[0028]
Claims (10)
1. Intercambiador de calor para la transferencia
de calor entre un primer fluido y un segundo fluido, que
comprende
- -
- un primer inserto de entrada (11a) para el primer fluido y
- -
- un primer inserto de salida (11b) para el primer fluido,
- -
- estando dispuesta entre el primer inserto de entrada (11a) y el primer inserto de salida (11b) una pluralidad de elementos tubulares (20) que están superpuestos en dirección axial y especialmente orientados en la misma dirección o conectados en paralelo, a través de los que puede circular el primer fluido,
- -
- estando enrollada una primera pluralidad de elementos tubulares (20) alrededor de un eje de montaje (23, 24) con un radio de curvatura, variable al menos por secciones, en forma de una primera espiral, y
- -
- estando enrollada una segunda pluralidad de elementos tubulares (20) alrededor de un eje de montaje (23, 24) con un radio de curvatura, variable al menos por secciones, en forma de una segunda espiral,
- -
- estando dispuesta la segunda espiral dentro de la primera espiral para formar una espiral doble,
caracterizado por el hecho
de
que
- -
- en dirección axial entre los elementos tubulares (20) está formada al menos una cavidad (C), a través de la que puede circular el segundo fluido,
- -
- estando asignadas a una cantidad de elementos tubulares (20) dos capas conductoras de calor (21), mediante las que está delimitada al menos una cavidad (C), en la que circuló el segundo fluido,
- -
- estando dispuestas las capas conductoras de calor (21) con los elementos tubulares (20) de manera enrollada en forma de espiral.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Intercambiador de calor según la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la
primera pluralidad de elementos tubulares (20) se extiende a lo
largo de una sección de un eje (23, 24) de montaje, extendiéndose
la segunda pluralidad de elementos tubulares (20) aproximadamente a
lo largo de la misma sección del eje (23, 24) de montaje.
3. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que una
capa conductora de calor (21), en especial una lámina metálica,
está asignada al menos a un elemento tubular (20), encontrándose
dispuesta la capa conductora de calor (21) en la espiral en contacto
conductor de calor con el elemento tubular (20).
4. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que al
menos a un elemento tubular (20) está asignada una capa (22) no
metálica y/o que conduce mal el calor, en especial una lámina de
plástico, para el aislamiento térmico del elemento tubular (20) y/o
de una capa asignada (21), conductora de calor, de un elemento
tubular contiguo y/o de una capa contigua conductora de calor.
5. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por el hecho de que
están previstos un segundo inserto de entrada (11c) para el segundo
fluido y un segundo inserto de salida (11d) para el segundo fluido
que se comunican con una pluralidad de cavidades (C) por las que
puede circular el segundo fluido.
6. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que al
menos un inserto de entrada (11a, 11c) y/o al menos un inserto de
salida (11b, 11d), en especial el segundo inserto de entrada (11c)
y el segundo inserto de salida (11d), están realizados como perfiles
no circulares moldeados por extrusión.
7. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por el hecho de que la
primera espiral y/o la segunda espiral están enrolladas alrededor
de un soporte central que tiene más particularmente dos ejes de
montaje (23, 24) separados entre sí.
8. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por el hecho de que el
primer inserto de entrada (11a) y el primer inserto de salida (11b)
están posicionados en zonas opuestas entre sí de la espiral doble,
estando enrollados en forma de una arena los elementos tubulares
(20) enrollados en forma de espiral
doble.
doble.
9. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por el hecho de que los
elementos tubulares (20) enrollados en forma de espiral doble están
agrupados con un elemento (19) de fondo y un elemento de tapa (14)
en una unidad constructiva e insertados en una carcasa (13)
cilíndrica al menos por secciones.
10. Intercambiador de calor según una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que a
los elementos tubulares (20) enrollados en forma de espiral doble
está asignada una carcasa (13) cilíndrica al menos por secciones,
en la que está dispuesto adicionalmente un separador de
gas-líquido y/o un colector (12) para el primer
fluido y/o para el segundo fluido, pudiéndose realizar el primer
fluido y/o el segundo fluido especialmente como mezcla polifásica
de un medio aproximadamente puro desde el punto de vista
químico.
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