ES2349909B1 - Intercambiador de calor de placas apiladas. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor de placas apiladas.
Comprende una pluralidad de placas apiladas (2a)
entre las cuales circulan el fluido a refrigerar y el fluido
refrigerante entre dos circuitos independientes (2', 2'') definidos
por dichas placas (2a), en capas alternadas, incluyendo dichas
placas (2a) una pluralidad de corrugaciones (3a, 3b) dispuestas en
el área destinada al intercambio térmico, y unos pozos de entrada
(5) y salida (6) del fluido refrigerante estampados en dichas placas
(2a). Se caracteriza por el hecho de que dichas corrugaciones (3a,
3b) definen un patrón de trayectorias (10a) capaces de conducir
homogéneamente el fluido refrigerante sobre las placas (2a),
alcanzando adecuadamente las esquinas de dichas placas (2a). Se
consigue un incremento de la robustez y de la vida útil de las
placas.
Description
Intercambiador de calor de placas apiladas.
La presente invención se refiere a un
intercambiador de calor de placas apiladas.
La invención se aplica especialmente a todo tipo
de intercambiadores de calor dentro del ámbito del motor,
especialmente se aplica a intercambiadores de recirculación de gases
de escape de un motor (Exhaust Gas Recirculation Coolers o EGRC),
intercambiadores de aceite, refrigeradores del aire de
sobrealimentación o intercoolers (Charge Air Coolers o CAC), y a
evaporadores.
Un intercambiador de calor de placas apiladas
consta de una serie de placas que constituyen las superficies de
intercambio de calor, de manera que los gases de escape y el
refrigerante circulan entre dos placas, en capas alternadas,
constituyendo dos circuitos diferentes.
Asimismo, el circuito de gases puede ser de tipo
lineal en el cual la entrada y salida de gases están dispuestas en
extremos opuestos; o bien puede ser en forma de "U" en el cual
la entrada y salida de gases están dispuestas adyacentes en un mismo
extremo abierto, estando el extremo opuesto cerrado, y definiendo un
paso de ida y un paso de retorno. En este último caso, el extremo
cerrado para el retorno de los gases suele estar constituido por un
depósito de gas cerrado.
Para mejorar el intercambio de calor de placas
apiladas, así como la resistencia mecánica del intercambiador, las
placas puede tener corrugaciones y/o medios perturbadores del gas,
tales como aletas, dispuestas entre las placas que conducen el gas a
refrigerar.
Las corrugaciones y/o aletas ayudan a guiar el
fluido de modo que se llena apropiadamente el circuito en su
totalidad, favoreciendo el intercambio de calor y mejorando la
resistencia mecánica a la presión (por reventón o fatiga) de este
circuito.
El espacio libre entre dos placas consecutivas
constituye un paso de uno de los circuitos. Inmediatamente encima o
debajo se encuentra un paso del otro circuito, de modo que los
circuitos están alternados para que pueda tener lugar el intercambio
de calor. Al menos uno de los circuitos puede tener todos sus pasos
comunicados y esto se consigue mediante pozos, los cuales son
conformados estampando determinadas formas con una determinada
altura en las placas y perforando las placas para permitir el paso
de fluido.
Una vez que las placas han sido apiladas, las
zonas estampadas de los pozos crean una comunicación entre los pasos
alternativos de un mismo circuito, cruzando los pasos del otro
circuito, y volviéndose dicha comunicación estanca cuando el
intercambiador se suelda en horno. La forma estampada de los pozos
es generalmente redonda u ovalada.
Las zonas estampadas donde se encuentran los
pozos no presentan ni corrugaciones ni aletas, por lo que no existe
intercambio de calor en dichas zonas. Por esta razón, los
intercambiadores conocidos en la técnica tienen sus pozos situados
en un extremo de la placa o incluso fuera de la zona de intercambio
térmico pero dentro de la placa, de modo que la superficie de
intercambio de calor puede ser maximizada.
En el segundo caso en que los pozos están
situados fuera de la zona de intercambio térmico, las placas
incluyen en un lateral unas áreas adicionales de material destinadas
a situar los pozos. Esta configuración tiene la ventaja de que se
maximiza la superficie de intercambio de calor ya que los pozos no
llegan a obstaculizar la circulación de los gases a enfriar. No
obstante, esta solución presenta el inconveniente de que el tamaño
de intercambiador aumenta considerablemente, ocasionando problemas
para integrar el intercambiador en el entorno motor.
El primer caso en que los pozos están situados
en un extremo de la placa, presenta la ventaja de que la integración
del intercambiador en el entorno motor es mucho mejor, siendo la
reducción en el volumen total del intercambiador mucho más
importante que la reducción en el área de intercambio de calor. No
obstante, este diseño tiene el inconveniente de que no es apropiado
para un circuito sin pozos de configuración en "U".
Es conocido un diseño de placas cuyos pozos del
fluido refrigerante presentan una configuración rectangular con su
lado de mayor longitud dirigido según la dirección de circulación
del fluido a refrigerar, estando dichos pozos integrados dentro del
área de intercambio térmico, generalmente de manera centrada.
Este diseño permite reducir el volumen total del
intercambiador, mejorando así su integración en el entorno motor, y
sin necesidad de incluir zonas adicionales de material en las placas
para alojar los pozos. Asimismo, la geometría y la disposición de
los pozos dentro del área de intercambio térmico de las placas es
tal que no interfiere durante el intercambio térmico, siendo
adecuado también para circuitos en "U".
Los pozos están situados en la superficie en
contacto con el gas, induciendo por tanto un particular diseño en la
superficie opuesta en contacto con el fluido refrigerante. Asimismo,
algunas corrugaciones han sido estampadas en la superficie en
contacto con el fluido refrigerante para favorecer el movimiento de
dicho fluido en la placa desde la entrada a la salida.
Dichas corrugaciones están distribuidas en la
placa rectangular definiendo una pluralidad de arcos pertenecientes
a circunferencias concéntricas virtuales cuyo centro común se
encuentra en el centro geométrico de la placa. Este patrón de
corrugaciones promueve el flujo entre la entrada y la salida del
fluido refrigerante. En consecuencia, se obtiene un buen intercambio
de calor entre el gas y el fluido refrigerante, con una caída de
presión razonable.
No obstante, en algunas aplicaciones
particulares, por ejemplo en un circuito EGR, algunas condiciones
específicas relacionadas con la desgasificación (y última
ebullición) y principalmente con la elevada temperatura, requieren
un completo llenado del canal o circuito de fluido refrigerante para
evitar la generación de burbujas y su evaporación. En estas
circunstancias, este patrón de corrugaciones utilizada hasta el
presente no puede alcanzar los objetivos requeridos.
En efecto, este patrón de corrugaciones no
alcanza adecuadamente las cuatro esquinas de la placa, por lo que el
intercambio de calor en dichas zonas no es óptimo. Esta situación,
con efecto insignificante en las características funcionales del
intercambiador, tales como el rendimiento térmico y la caída de
presión, toma una mayor importancia con respecto al fenómeno de
capacidad de ebullición y choque térmico a elevada temperatura,
donde un excelente reparto es requerido para evitar la formación de
burbujas de aire dentro del fluido refrigerante, o incluso, la
evaporación del fluido refrigerante.
Asimismo, debido al deficiente reparto del
fluido refrigerante, se produce una disminución del espesor en la
placa, que viene provocada por la evaporación del fluido
refrigerante que permanece en este área. Esta reducción del espesor
hace que el área sea débil frente al flujo de gas, produciéndose
después un fallo. Experimentos realizados indican que en este tipo
de placas provistas con el actual patrón de corrugaciones, suelen
fallar a los 2000 ciclos aproximadamente, siendo el valor requerido
por los fabricantes de automóviles de unos 4500 ciclos.
El objetivo del intercambiador de calor de
placas apiladas de la presente invención es solventar los
inconvenientes que presentan los intercambiadores de placas apiladas
conocidos en la técnica, proporcionando un intercambiador que
garantiza un óptimo intercambio de calor por toda la superficie de
las placas, así como una mayor resistencia.
El intercambiador de calor de placas apiladas,
objeto de la presente invención, es del tipo que comprende una
pluralidad de placas apiladas entre las cuales circulan el fluido a
refrigerar y el fluido refrigerante entre dos circuitos
independientes definidos por dichas placas, en capas alternadas,
incluyendo dichas placas una pluralidad de corrugaciones dispuestas
en el área destinada al intercambio térmico, y unos pozos de entrada
y salida del fluido refrigerante estampados en dichas placas, y se
caracteriza por el hecho de que dichas corrugaciones definen un
patrón de trayectorias capaces de conducir homogéneamente el fluido
refrigerante sobre las placas, alcanzando adecuadamente las esquinas
de dichas placas.
Gracias a este novedoso patrón de corrugaciones,
se consigue una homogénea conducción desde la entrada a la salida de
fluido refrigerante, así como un correcto reparto en las esquinas de
la placa. Se logra por tanto una buena resistencia al choque
térmico, tal como demuestran unos resultados obtenidos en prototipos
de placas con el nuevo patrón de corrugaciones, que indican que se
alcanzan 8500 ciclos en el test de choque térmico versus a
los aproximadamente 2000 ciclos obtenidos con el diseño conocido en
la técnica. Asimismo, en el test de ebullición, se ha obtenido un
mejor resultado, concretamente 650 l/h con el mínimo caudal
versus a 750 l/h con el diseño conocido en la técnica.
Se consigue por tanto un incremento de la
robustez de las placas, y de la vida útil del intercambiador.
Ventajosamente, siendo las placas sensiblemente
rectangulares, el patrón de corrugaciones comprende al menos una
corrugación sensiblemente recta dispuesta cercana a sendos lados
mayores de la placa, para propulsar la llegada de fluido
refrigerante hacia los lados menores de la placa.
También ventajosamente, el patrón de
corrugaciones comprende al menos una corrugación curvada orientada
hacia cada esquina de la placa.
Preferentemente, dicha al menos una corrugación
curvada está orientada hacia la correspondiente esquina de la placa
según un ángulo \alpha comprendido entre 15º y 45º con respecto al
eje transversal de la placa.
Preferiblemente, una primera sección transversal
S_{1} de paso de fluido refrigerante, delimitada por la
correspondiente corrugación curvada desde su extremo más próximo al
eje central longitudinal de la placa y el respectivo lado menor de
dicha placa, es mayor que una segunda sección transversal S_{2} de
paso de fluido refrigerante, delimitada por la correspondiente
corrugación curvada desde su punto de inflexión de curvatura y el
respectivo lado menor de la placa, impulsando así el llenado de las
esquinas de las placas al acelerarse el flujo de fluido refrigerante
a través de la segunda sección transversal S_{2}.
Ventajosamente, los pozos presentan una forma
sensiblemente alargada, con su lado de mayor longitud dirigido según
la dirección de circulación del fluido a refrigerar.
Preferentemente, los pozos alargados están
situados en una zona centrada o descentrada de las placas.
Preferiblemente, el intercambiador que es del
tipo en forma de "U" en el cual la entrada y salida del fluido
a refrigerar están dispuestas adyacentes en un mismo extremo del
conjunto de placas apiladas, estando el extremo opuesto cerrado, y
definiendo un paso de ida y un paso de retorno, se caracteriza por
el hecho de que las paredes de mayor longitud de los pozos alargados
son susceptibles de separar los pasos de ida y vuelta del fluido a
refrigerar.
Con el fin de facilitar la descripción de cuanto
se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que,
esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se
representa un caso práctico de realización del intercambiador de
placas apiladas de la invención, en los cuales:
la figura 1 es una vista en perspectiva de un
intercambiador de calor convencional;
la figura 2 es una sección transversal del
intercambiador de la figura 1;
la figura 3 es una vista en perspectiva de una
placa conocida en el estado de la técnica;
la figura 4 es una vista en planta de la placa
de la figura 3, mostrando las trayectorias de circulación del fluido
refrigerante;
la figura 5 es una vista en perspectiva de una
placa según la invención;
la figura 6 es una vista en planta de la placa
de la figura 5, mostrando las trayectorias de circulación del fluido
refrigerante; y
la figura 7 es una vista ampliada de la placa de
la figura 6, mostrando los parámetros geométricos del patrón de
corrugaciones.
Las figuras 1 y 2 muestran un intercambiador de
calor 1 de tipo EGR que comprende una pluralidad de placas apiladas
2 entre las cuales circulan el gas a refrigerar y el fluido
refrigerante en dos circuitos independientes 2',2'' definidos por
dichas placas 2.
El intercambiador de calor 1 está fabricado
preferentemente en acero inoxidable, aunque también puede ser de
aluminio.
Las placas 2 incluyen corrugaciones estampadas 3
(ver figura 3), y medios perturbadores 4 del gas a refrigerar, tales
como aletas, dispuestas entre las placas del circuito 2' del gas a
refrigerar (ver figura 2), con el fin de mejorar el intercambio de
calor, así como la resistencia mecánica del intercambiador.
En esta realización preferida, el intercambiador
1 es de configuración en "U", y además incluye pozos de entrada
5 y salida 6 del fluido refrigerante estampados en las placas 2, y
una entrada 7 y una salida 8 del gas a refrigerar dispuestas en un
mismo lateral, por lo que en este caso los canales del circuito de
gas no están conectados entre sí mediante pozos.
Los pozos 5, 6 del fluido refrigerante están
integrados dentro del área de intercambio térmico de las placas 2.
Concretamente, los pozos 5, 6 presentan una forma sensiblemente
alargada, con su lado de mayor longitud dirigido según la dirección
de circulación de los gases a enfriar, tal como se puede apreciar
por ejemplo en la figura 3.
De este modo, los pozos 5, 6 presentan una
dimensión considerablemente reducida en la dirección transversal al
paso de los gases a enfriar, por lo que la superficie de dichos
pozos alargados 5, 6 interacciona mínimamente durante el intercambio
térmico.
Preferentemente, los pozos alargados 5, 6 están
situados en una zona sensiblemente central de las placas 2, aunque
también pueden estar situados descentradamente.
Esta realización con los pozos centrados es
adecuada para ser aplicada en intercambiadores de calor de tipo en
forma de "U". En este caso, las paredes de mayor longitud de
los pozos alargados 5, 6 son susceptibles de separar los pasos de
ida y retorno de los gases a enfriar. Cuando se desea tener una
sección de paso de retorno menor, con el fin de conseguir una
presión uniforme durante todo su recorrido por las placas, los pozos
alargados 5, 6 se disponen descentradamente. Para el retorno de los
gases se utiliza un depósito de gas cerrado 9.
La figura 3 muestra una placa 2 conocida en la
técnica cuyo particular patrón de distribución de sus corrugaciones
3 determina unas trayectorias de circulación 10 del fluido
refrigerante. En la figura 4 se han representado las trayectorias 10
que realiza el fluido refrigerante sobre dicha placa 2.
No obstante, este patrón de corrugaciones 3 no
alcanza adecuadamente las cuatro esquinas de la placa 2, por lo que
el intercambio de calor en dichas zonas no es óptimo.
Esta situación, con efecto insignificante en las
características funcionales del intercambiador, tales como el
rendimiento térmico y la caída de presión, toma una mayor
importancia con respecto al fenómeno de capacidad de ebullición y
choque térmico a elevada temperatura, donde un excelente reparto es
requerido para evitar la formación de burbujas de aire dentro del
fluido refrigerante, o incluso, la evaporación del fluido
refrigerante. Asimismo, debido al deficiente reparto del fluido
refrigerante, se produce una disminución del espesor de la placa,
que viene provocada por la evaporación del fluido refrigerante que
permanece en este área. Esta reducción del espesor hace que el área
sea débil frente al flujo de gas, produciéndose después un
fallo.
Una realización de la invención se muestra en
las figuras 5 a 7, donde se puede apreciar que la placa 2a incluye
un nuevo patrón de corrugaciones 3a, 3b para la conducción del
fluido refrigerante desde su entrada 5 a su salida 6, pero teniendo
un cuidado extremo con el flujo en las esquinas de la placa 2a.
En este nuevo patrón se han añadido dos grandes
corrugaciones rectas 3a en ambos lados mayores de la placa 2a para
propulsar la llegada de fluido refrigerante hacia los lados menores
de dicha placa 2a. También comprende una serie de corrugaciones
curvadas 3b orientadas hacia cada esquina de la placa 2a según un
determinado ángulo, tal como se describirá a continuación.
En la figura 6 se han representado las
trayectorias 10a que realiza el fluido refrigerante sobre la placa
2a. Se puede apreciar que dichas trayectorias de circulación 10a del
fluido refrigerante se distribuyen homogéneamente alcanzando
perfectamente las esquinas de las placas 2a.
En la figura 7 se pueden apreciar los parámetros
geométricos de las corrugaciones curvas 3b del nuevo diseño,
concretamente se han considerado un ángulo de corrugación \alpha
entre 15º y 45º con respecto al eje transversal de la placa 2a para
promover el patrón de flujo deseado, y una primera sección
transversal S_{1} mayor que una segunda sección transversal
S_{2} para impulsar el llenado de las esquinas de las placas 2a al
acelerarse el flujo de fluido refrigerante a través de la segunda
sección transversal S_{2}.
Se define S_{1} como una sección transversal
de paso de fluido refrigerante delimitada por la correspondiente
corrugación curvada 3b desde su extremo más próximo al eje central
longitudinal de la placa 2a y el respectivo lado menor de dicha
placa 2a, junto al cual se halla.
Se define S_{2} como una sección transversal
de paso de fluido refrigerante delimitada por la correspondiente
corrugación curvada 3b desde su punto de inflexión de curvatura y el
respectivo lado menor de la placa 2a, junto al cual se halla.
En consecuencia, se logra una buena resistencia
al choque térmico, tal como demuestran unos resultados obtenidos en
prototipos de placas con el nuevo patrón de corrugaciones que
indican que se alcanzan 8500 ciclos en el test de choque térmico
versus a los aproximadamente 2000 ciclos obtenidos con el
diseño conocido en la técnica. Asimismo, en el test de ebullición,
se ha obtenido un mejor resultado, concretamente 650 l/h con el
mínimo caudal versus a 750 l/h con el diseño conocido en la
técnica.
Se consigue por tanto un incremento de la
robustez de las placas, y de la vida útil del intercambiador.
Claims (8)
1. Intercambiador de calor (1) de placas
apiladas, que comprende una pluralidad de placas apiladas (2a) entre
las cuales circulan el fluido a refrigerar y el fluido refrigerante
entre dos circuitos independientes (2',2'') definidos por dichas
placas (2a), en capas alternadas, incluyendo dichas placas (2a) una
pluralidad de corrugaciones (3a, 3b) dispuestas en el área destinada
al intercambio térmico, y unos pozos de entrada (5) y salida (6) del
fluido refrigerante estampados en dichas placas (2a),
caracterizado por el hecho de que dichas corrugaciones (3a,
3b) definen un patrón de trayectorias (10a) capaces de conducir
homogéneamente el fluido refrigerante sobre las placas (2a),
alcanzando adecuadamente las esquinas de dichas placas (2a).
2. Intercambiador (1), según la reivindicación
1, del tipo que las placas (2a) son sensiblemente rectangulares,
caracterizado por el hecho de que el patrón de corrugaciones
(10a) comprende al menos una corrugación (3a) sensiblemente recta
dispuesta cercana a sendos lados mayores de la placa (2a), para
propulsar la llegada de fluido refrigerante hacia los lados menores
de la placa (2a).
3. Intercambiador (1), según la reivindicación 1
o 2, caracterizado por el hecho de que el patrón de
corrugaciones comprende al menos una corrugación curvada (3b)
orientada hacia cada esquina de la placa (2a).
4. Intercambiador (1), según la reivindicación
3, caracterizado por el hecho de que dicha al menos una
corrugación curvada (3b) está orientada hacia la correspondiente
esquina de la placa (2a) según un ángulo (\alpha) comprendido
entre 15º y 45º con respecto al eje transversal de la placa
(2a).
5. Intercambiador (1), según la reivindicación 3
o 4, caracterizado por el hecho de que una primera sección
transversal (S_{1}) de paso de fluido refrigerante, delimitada por
la correspondiente corrugación curvada (3b) desde su extremo más
próximo al eje central longitudinal de la placa (2a) y el respectivo
lado menor de la placa (2a), es mayor que la sección transversal
(S_{2}) de paso de fluido refrigerante, delimitada por la
correspondiente corrugación curvada (3b) desde su punto de inflexión
de curvatura y el respectivo lado menor de la placa (2a), impulsando
así el llenado de las esquinas de las placas (2a) al acelerarse el
flujo de fluido refrigerante a través de la segunda sección
transversal (S_{2}).
6. Intercambiador (1), según la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que los pozos (5, 6)
presentan una forma sensiblemente alargada, con su lado de mayor
longitud dirigido según la dirección de circulación del fluido a
refrigerar.
7. Intercambiador (1), según la reivindicación
6, caracterizado por el hecho de que los pozos alargados (5,
6) están situados en una zona centrada o descentrada de las placas
(2a).
8. Intercambiador (1), según la reivindicación 6
o 7, del tipo en forma de "U" en el cual la entrada (7) y
salida (8) del fluido a refrigerar están dispuestas adyacentes en un
mismo extremo del conjunto de placas apiladas (2a), estando el
extremo opuesto cerrado, y definiendo un paso de ida y un paso de
retorno, caracterizado por el hecho de que las paredes de
mayor longitud de los pozos alargados (5, 6) son susceptibles de
separar los pasos de ida y vuelta del fluido a refrigerar.
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