ES2643324T3 - Intercambiador de calor - Google Patents

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ES2643324T3
ES2643324T3 ES10726891.4T ES10726891T ES2643324T3 ES 2643324 T3 ES2643324 T3 ES 2643324T3 ES 10726891 T ES10726891 T ES 10726891T ES 2643324 T3 ES2643324 T3 ES 2643324T3
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Andreas Richard Hilgert
Peter Tobias Klug
Thomas Zenon Zakrzewski
Leonid Walter
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Description

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DESCRIPCION
Intercambiador de calor Campo tecnico
La invencion esta relacionada generalmente con el campo tecnico de intercambiadores de calor y particularmente, pero no exclusivamente, con intercambiadores de calor internos y mas particularmente los usados para sistemas de aire acondicionado para aplicaciones de automocion.
Antecedentes
Los sistemas de aire acondicionado de vetuculos a motor, por ejemplo, frecuentemente estan equipados con un denominado intercambiador de calor interno. Dichos intercambiadores de calor se pueden usar para aumentar el rendimiento de funcionamiento del sistema al precalentar el refrigerante suministrado al lado de succion de un compresor del sistema de aire acondicionado y al mismo tiempo enfriar el refrigerante (lado de lfquido) que esta siendo transportado a un dispositivo de expansion. Un ejemplo de un intercambiador de calor interior se describe en el documento DE10 2006 017 816 B4. Este documento describe un elemento de intercambiador de calor de aluminio extrudido en unica pieza. En este se forman canales de perfil extrudido para trasportar refrigerante tanto en lado de lfquido como en lado de succion. Si bien los elementos extrudidos de intercambiador de calor de este tipo ofrecen altos niveles de intercambio de calor entre los lados de succion y de lfquido, padecen ciertos inconvenientes: requieren mecanizado y/o limpieza antes de que se puedan usar; se debe usar soldadura de fusion o soldadura fuerte con el fin de conectar la lmea de succion al perfil; y, la geometna del intercambiador de calor es fijada por la herramienta de extrusion, lo que significa que se deben desarrollar nuevas herramientas para nuevas aplicaciones que requieren diferentes perfiles de extrusion.
Con el fin de lograr una transferencia de calor deseada entre el lado de succion y el lado de lfquido el intercambiador de calor debe tener un area dada de intercambio de calor. A veces el espacio es de calidad suprema, por ejemplo en aplicaciones de automocion. En tales casos es deseable poder usar intercambiadores de calor de dimensiones exteriores reducidas. Esto a menudo significa que se requiere formar o doblar el intercambiador de calor como tubena en forma de U o hasta otras formas de modo que pueda ser instalado en un espacio dado. Esto a su vez requiere que la tubena de intercambiador de calor sea disenada de una manera suficientemente doblable de modo que pueda ser deformada sin aplastar sus canales de trasporte de fluido. Ademas, tambien puede significar que el diametro exterior del intercambiador de calor es limitado o restringido.
En vista de tal requisito de diseno, por lo tanto, sena deseable proporcionar un intercambiador de calor que venza al menos algunos de los problemas mencionados anteriormente.
Un intercambiador de calor y un metodo segun el preambulo de las reivindicaciones 1 y 9 se conocen por el documento US 4.194.560. Se forman trozos abollados alternadamente en la cara exterior del tubo interior. El tubo interior se encaja entonces dentro del tubo exterior para formar un espacio entre tubo exterior y tubo interior en donde fluye aceite en zigzag para asegurar la transferencia de calor. Debido a las abolladuras formadas en el tubo interior, el area en seccion transversal del tubo interior se reduce con respecto al tubo original. Esto da como resultado una cafda de presion mas alta no deseable en el tubo interior. Ademas la mayor area de contacto descrita tambien aumenta la cafda de presion de refrigerante entre el tubo exterior y el interior.
Compendio
Segun la presente invencion se proporciona un intercambiador de calor y un metodo para fabricar un intercambiador de calor como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Breve descripcion de los dibujos
Los aspectos, rasgos y ventajas anteriores y otros de la invencion seran evidentes a partir de la siguiente descripcion detallada de realizaciones ilustrativas que se han de leer en conexion con los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 es un diagrama esquematico de un sistema acondicionador de aire para una aplicacion en automocion que comprende un intercambiador de calor interno;
La figura 2 muestra una ilustracion esquematica del intercambiador de calor interno mostrado en la figura 1 en una configuracion en forma de U;
La figura 3a muestra una vista en perspectiva de un intercambiador de calor interno segun una primera realizacion de la invencion en su estado ensamblado pero antes de ser doblado hasta una configuracion en forma de U;
La figura 3b muestra una fotograffa del exterior de un intercambiador de calor interno segun la primera realizacion;
La figura 3c muestra una fotograffa del exterior de una seccion del trozo deformado del tubo interior del
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intercambiador de calor interno segun la primera realizacion;
La figura 3d muestra una ilustracion esquematica del exterior de una seccion del trozo deformado del tubo interior del intercambiador de calor interno segun la primera realizacion, que muestra mas claramente su estructura helicoidal;
La figura 4 es una imagen que ilustra esquematicamente parte del tubo interior del intercambiador de calor interno segun una primera realizacion, que ilustra un metodo ejemplar para crear una estructura helicoidal en un trozo del tubo interior;
De la figura 5a a la figura 5c muestran vistas en seccion transversal del intercambiador de calor interno segun la primera realizacion, que ilustran perfiles alternativos ejemplares para el tubo interior de intercambiador de calor interno;
La figura 6 es una ilustracion esquematica del flujo de refrigerante en el intercambiador de calor interno de la primera realizacion;
La figura 7 muestra parte de una imagen de la figura 4, que muestra como se pueden variar parametros del tubo interior para lograr diferentes caractensticas de prestaciones del intercambiador de calor interno de la primera realizacion.
Descripcion detallada
Haciendo referencia ahora a los dibujos, se muestran en detalle varias realizaciones de la presente invencion. Los dibujos no son necesariamente a escala y ciertos rasgos pueden estar exagerados para ilustrar y explicar mejor la presente invencion. Ademas, las realizaciones presentadas en esta memoria no estan pensadas para ser exhaustivas o limitar o restringir de otro modo la invencion a las configuraciones precisas mostradas en los dibujos y descritos en la siguiente descripcion detallada.
Haciendo referencia a la figura 1, se ilustra esquematicamente un sistema acondicionador de aire 1 adecuado para uso en un vehuculo a motor. El sistema acondicionador de aire 1 incluye un compresor 2, que puede ser impulsado, por ejemplo, por el motor termico del vehuculo o por un motor electrico separado o algo semejante. El compresor 2 tiene una entrada 4, conectada a una lmea de baja presion 21, por medio de la cual el compresor 2 toma refrigerante a baja presion. El compresor 2 tambien tiene una salida 3, por medio de la que sale refrigerante presurizado, a una lmea de alta presion 5. La lmea de alta presion 5 lleva a un dispositivo de enfriamiento 6 en el que el refrigerante comprimido y asf calentado es enfriado y condensado. Por lo tanto, al dispositivo de enfriamiento 6 tambien se le hace referencia como condensador. En este ejemplo, el refrigerante usado es R-134a que trabaja a baja presion.
En una salida 7 del dispositivo de enfriamiento, el refrigerante se descarga a otra lmea de alta presion 8 que lleva a una entrada de alta presion 9 de un intercambiador de calor interno 11. El intercambiador de calor interno 11 tiene una salida de alta presion 12 que a su vez se conecta a una valvula de expansion 15 por medio de una lmea de alta presion 14. La valvula de expansion 15 relaja el refrigerante que se introduce a un evaporador 16. El refrigerante se evapora en el evaporador 16 y, como resultado, absorbe energfa termica del ambiente; en este ejemplo, enfriando el aire suministrado al interior del vehuculo a motor. El vapor de refrigerante resultante es transportado entonces desde el evaporador 16, por medio de una lmea de baja presion 17, a la entrada de baja presion 18 del intercambiador de calor interno 11. Este vapor de refrigerante fluye a traves del intercambiador de calor interno 11 en direccion a contracorriente del refrigerante que esta siendo alimentado a traves de la entrada de alta presion 9. Al hacerlo, el vapor de refrigerante enfna el refrigerante presurizado, asf el mismo se calienta. El vapor de refrigerante se descarga, habiendose calentado, en la salida de baja presion 19 del intercambiador de calor interno 11. Entonces es conducido, por medio de una lmea de baja presion 21, a la entrada 4 del compresor 2.
El intercambiador de calor interno 11 permite que sea aumentada la temperatura del refrigerante que fluye al compresor 2, que a su vez aumenta la temperatura del refrigerante en la salida 3 del compresor. Por lo tanto, el dispositivo de enfriamiento 6 libera una mayor cantidad de energfa termica. Al mismo tiempo, el intercambiador de calor interno 11 reduce la temperatura del refrigerante alimentado al evaporador 16, proporcionando asf una mejor transferencia de calor entre el evaporador 16 y el aire ambiente. De esta manera, el intercambiador de calor interno 11 puede ser usado para aumentar el rendimiento del sistema acondicionador de aire.
La figura 2 muestra una ilustracion esquematica adicional del intercambiador de calor interno 11. En este ejemplo, se muestra como tubena doblada en forma de U 22. Se apreciara que la forma exacta del intercambiador de calor dependera de su aplicacion. Sin embargo, en ciertas aplicaciones, pero no todas, se requiere doblar el intercambiador de calor 11. Cuando se requiera, el tubo coaxial debe poder doblarse suficientemente sin provocar que los canales de flujo de fluido o conductos se aplasten o rompan. La tubena doblada 22 tiene dos patas 23, 24, que se doblan alejandose una de otra en sus extremos superiores.
La entrada de alta presion 9 y la salida de alta presion 12 estan en conexion de fluidos con el resto del sistema 1 en la posicion 26a. La entrada de baja presion 18 y la salida de baja presion 19 del intercambiador de calor interno 11 estan en conexion de fluidos con el resto del sistema 1 en la posicion 26b. Como se puede ver de la figura, las
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posiciones 26a y 26b se ubican en las terminaciones, o relativamente cerca de estas, de los extremos superiores de la tubena doblada 22.
Haciendo referencia ahora a las figuras 3a-3d, se describira mas en detalle la estructura del intercambiador de calor interno 11. La figura 3a muestra una vista en perspectiva del intercambiador de calor interno 11 de una primera realizacion en su estado ensamblado pero antes de ser doblado a su configuracion final en forma de U. Como se puede ver en la figura, el intercambiador de calor interno 11 incluye un tubo exterior 30 y un tubo interior 32, del que trozos extremos 32a y 32b son visibles en esta figura. Tanto el tubo exterior 30 como el tubo interior 32 estan disenados como conductos de refrigerante. El tubo interior 32 se ubica dentro y discurre la longitud entera del tubo exterior 30. Los diametros interno y externo del tubo exterior 30 son de 18 mm y 20 mm, respectivamente. Los diametros interno y externo de las partes del tubo interior 32 que se extienden mas alla del tubo exterior 30 y se pueden ver en la figura son de 12 mm y 15 mm, respectivamente. Se entendera que las dimensiones del tubo exterior 30 y el tubo interior 32 se seleccionan para una aplicacion dada y por lo tanto cambiaran dependiendo de la aplicacion. El diametro interior del tubo exterior 30 puede ser de 9-19 mm para aplicaciones de automocion o de coches, 20-39 mm para aplicaciones de autobuses y 23-50 mm para aplicaciones de trenes. En un ejemplo que tiene R-134a como refrigerante, el tubo exterior es de diametro exterior de 24 mm con un diametro interior de 20 mm. El material de partida, o tubo base, para el tubo interior es de 18 mm de diametro exterior con un diametro interior de 15 mm.
En la figura tambien se muestra la entrada de alta presion 9 y la salida de alta presion 12 del intercambiador de calor interno 11. Cada una de estas se conecta a un orificio adecuado en el tubo exterior 30 usando un proceso convencional tal como soldadura de fusion o soldadura fuerte. Los puntos de soldadura tienen la referencia 34 en la figura. De esta manera, se forma una conexion de fluido entre la entrada de alta presion 9 y la salida de alta presion 12 por medio del tubo exterior 30. Los orificios de conexion pueden ser mecanizados, o fabricados de otro modo usando cualquier proceso conveniente. De esta manera, el tubo exterior 30 puede ser usado como manguito de conexion que permite reducir los costes de sistema. Los puntos extremos 36 del tubo exterior 30 se unen al tubo interior 32 para asegurar que la union se sella eficazmente contra fuga del refrigerante. De nuevo se puede usar un proceso convencional; por ejemplo anillos toricos, engarce y/o soldadura de fusion o soldadura fuerte. La figura 3b muestra una fotograffa de un ejemplo de un intercambiador de calor interno 11 similar al mostrado en la figura 3a
En la figura el tubo interior 32 tiene trozos extremos 32a y 32b que son circulares. Estas forman respectivamente la entrada de baja presion 18 y la salida de baja presion 19 del intercambiador de calor interno 11. En este ejemplo, los trozos extremos 32a y 32b son material de tubo base sin modificar. Por lo tanto los trozos extremos 32a y 32b se pueden configurar para tener las longitudes requeridas para proporcionar la funcion de los tubos de baja presion 21 y 17, mostrados en la figura 1. Esto a su vez significa que no se necesitan tubos de conexion de lado de succion; obviando asf la necesidad de procesos de conexion costosos, tales como soldadura de fusion y eliminando el riesgo de fuga de refrigerante en tales puntos de conexion.
Entre los trozos extremos 32a y 32b del tubo interior 32 hay un trozo central 32c que se ha deformado hasta una forma helicoidal a lo largo de su eje longitudinal. Una fotograffa del exterior de una seccion del trozo deformado 32c del tubo interior del intercambiador de calor interno 11 segun la primera realizacion se muestra en la figura 3c. El trozo central 32c puede ser deformado usando cualquier procedimiento de deformacion conveniente. En el presente ejemplo se deforma a traves de un proceso de pinzamiento repetido. Sin embargo, se pueden usar otros aparatos o procesos de deformacion, tales como una prensa o martillo. En este ejemplo, el proceso de pinzamiento se implementa usando superficies de pinzamiento opuestas conformadas para lograr el perfil exterior deseado del trozo 38b. Las marcas 38a dejadas en la superficie exterior del trozo deformado 32c por la accion del proceso de pinzamiento se pueden ver en la figura 3c. Ademas, en la figura 3c se puede ver que el trozo deformado 32c tiene un perfil helicoidal. Este perfil helicoidal se puede ver mas claramente en la ilustracion esquematica de una seccion del trozo 32c ilustrada en la figura 3d.
Haciendo referencia a la figura 4, ahora se describira el metodo para fabricar la helice effptica del trozo central 32c, segun este ejemplo. La figura 4 muestra una imagen que ilustra esquematicamente una parte del tubo interior 32, que incluye parte del trozo central 32c, dispuesta en torno a su eje longitudinal 42. Como se puede ver en la figura, el extremo izquierdo 32a del tubo interior 32 no esta deformado y es circular en seccion transversal. Adyacente al extremo izquierdo 32a del tubo interior 32 esta el trozo 44a que ha sido deformado hasta una forma effptica aproximada de dimensiones predeterminadas. Estas dimensiones pueden ser controladas usando los parametros del proceso de deformacion; por ejemplo la extension lineal de la operacion de pinzamiento y la forma, dimensiones y propiedades de material de las superficies de pinzamiento.
En la figura, el eje mayor 46a del trozo effptico 44a se muestra orientado verticalmente. Cuando la pinza se retira del trozo 44a del tubo interior 32, se hace avanzar el tubo interior 32 una distancia predeterminada fija a lo largo de su eje longitudinal 42 para llevar el trozo 44b del tubo adyacente a las superficies de pinzamiento y se hace rotar el tubo interior 32 un angulo fijo en una direccion dada en torno a su eje longitudinal; en este ejemplo 45 grados. Entonces se repite la operacion de pinzamiento. Este proceso se repite entonces a lo largo de la longitud deseada del trozo central 32c del tubo interior 32, como se ilustra mediante los trozos deformadas 44b - 44f. De esta manera se puede formar una estructura helicoidal aproximada de aproximadamente paso helicoidal fijo y seccion transversal effptica aproximadamente constante. Con la excepcion de su forma helicoidal, el trozo central 32c del tubo interior 32 esta
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libre o sustancialmente libre de salientes y es relativamente lisa en su direccion circunferencial y su direccion longitudinal. Los inventores han encontrado que este proceso de fabricacion puede ser en gran medida automatizado usando una maquina dobladora configurada a radio de curvatura cero. Asf, la creacion de la estructura helicoidal del trozo central 32c del tubo interior 32 puede ser un proceso relativamente rapido y barato.
Una vez se forma el tubo interior 32, se ensambla con el tubo exterior 30, insertando el tubo interior 32 dentro del tubo exterior 30. El encaje entre el tubo interior 32 y el tubo exterior 30 puede ser cualquier encaje conveniente, tal como un encaje flojo o un leve encaje por interferencia. Asf, el tubo interior 32 y el tubo exterior 30 se pueden ensamblar a mano o automatizarse. Entonces puede realizarse la soldadura de fusion o soldadura fuerte, que incluye engarce si se requiere, de los puntos extremos 36 del tubo exterior 30 al tubo interior 32. Esto se puede hacer en la region en la que las secciones extremas 32a y 32b no deformadas del tubo interior 32 hacen una transicion al trozo deformado adyacente 32c.
La figura 5c muestra una vista en seccion transversal, en la direccion de las flechas A-A mostradas en la figura 3a, del intercambiador de calor interno 11, e ilustra el tubo interior 32 y el tubo exterior 30 una vez ensamblados. Como se puede ver en la figura, el tubo interior 32 forma una elipse aproximada, cuyo eje mayor es aproximadamente igual al diametro interno del tubo exterior 30; es decir, 18 mm. Se entendera que el perfil en seccion transversal del tubo interior 32 se podna variar para cumplir requisitos de intercambio de calor o con el fin de cumplir requisitos de fabricacion. Por ejemplo como elipse, se podna usar como se ilustra en la figura 5a. Otros ejemplos podnan incluir una forma triangular o cuadrilatera, tambien se podna usar un cuadrado aproximado como se ilustra en la figura 5b. Ciertamente, se pueden contemplar otros perfiles en seccion transversal, que tengan mayor numero de lados.
En este ejemplo mostrado en la figura 5c, el tubo interior 32 contacta en la superficie interior del tubo exterior 30 en los puntos 56a y 56b, formando asf dos contactos sustancialmente lineales entre la superficie exterior del tubo interior 32 y la superficie interior de tubo exterior 30 que discurren toda la longitud de la estructura helicoidal del trozo central 32c del tubo interior 32. De esta manera, se forman dos canales de flujo de fluido de refrigerante 52a y 52b entre la superficie exterior del tubo interior 32 y la superficie interior del tubo exterior 30. Los canales de flujo de fluido 52a y 52b llevan refrigerante de lado de lfquido. En algunas realizaciones se puede permitir cierto grado de conexion de fluido entre los canales de flujo de fluido 52a y 52b. La extension de esta conexion de fluido permitida puede depender de la aplicacion. Un tercer canal de flujo de fluido de refrigerante 50 se encuentra en el interior del tubo interior 32. El tercer canal de flujo de fluido de refrigerante 50 lleva refrigerante suministrado al lado de succion del compresor. Los tres canales de flujo de fluido de refrigerante discurren sustancialmente toda la longitud de la estructura helicoidal del trozo central 32c del tubo interior 32.
El tercer canal de flujo de fluido de refrigerante 50 tiene un area en seccion transversal que es sustancialmente igual, o unicamente se reduce marginalmente, respecto al area en seccion transversal del tubo circular base del que se forma, y del que se hace el resto del lado de succion, lmeas de baja presion del sistema acondicionador de aire 1. Esto significa que la cafda de presion provocada por unidad de longitud del canal de flujo de fluido 50 es sustancialmente la misma que, o no aumenta significativamente, respecto a la del tubo circular base del que se forma, tal como la lmea de baja presion 21. Evitando una perdida significativa de presion en el lado de succion del intercambiador de calor interno 11, puede evitarse una perdida considerable en el rendimiento del sistema acondicionador de aire 1, especialmente en sistemas que funcionan a presiones inferiores.
Adicionalmente, los inventores han descubierto sorprendentemente que la creacion de la estructura helicoidal del trozo central 32c del tubo interior 32 no provoca una cafda significativa o medible en la presion en el canal de flujo de fluido 50 respecto a un tubo perfilado correspondientemente sin estructura helicoidal. La sorprendente falta de cafda de presion en el lado de succion del intercambiador de calor interno 11 de la presente realizacion puede contribuir fuertemente al rendimiento del sistema acondicionador de aire 1.
Mientras en aplicaciones para las que el intercambiador de calor interno 11 de la presente realizacion se disena para beneficiarse de que no haya cafda significativa por unidad de longitud en la presion en el canal de flujo de fluido 50 respecto a un tubo perfilado correspondientemente sin estructura helicoidal, se apreciara que en otras aplicaciones de la invencion se puede permitir una mayor cafda de presion. Esto puede ser por ejemplo, aumento del 2 %, 5 % o 7 % respecto a un tubo perfilado correspondientemente sin estructura helicoidal. Sin embargo, en algunas realizaciones para ciertas aplicaciones, la cafda de presion de lado de succion por unidad de longitud del intercambiador de calor interno 11 puede ser hasta el 30 % mas alta que la de la lmea de lado de succion normal. En otras realizaciones este dato puede ser 10 % o 20 %.
Se apreciara que en ciertos intercambiadores de calor conocidos, en los que el diseno provoca una cafda de presion de este tipo, puede no ser facil remediarlo. Una razon para esto es que las caractensticas tecnicas del canal de flujo de fluido de baja presion del intercambiador de calor puede no ser facilmente cambiado para vencer este problema. Por ejemplo, puede no ser posible cambiar el area en seccion transversal del canal debido a restricciones de espacio o restricciones de doblez. Adicionalmente, esto puede no ser posible debido al hecho de que se pueden aumentar indebidamente los costes de fabricacion debido a que se requieren mas operaciones. Ademas, puede no ser posible cambiar la geometna interna o caractensticas de flujo del canal de flujo de fluido de baja presion dado que esto puede afectar negativamente a las caractensticas de intercambio de calor del dispositivo.
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Como se puede ver en la figura 5c, el area a traves de la que se puede intercambiar calor entre el canal de flujo de fluido 50 y cada uno de canales de flujo de fluido 52a y 52b es grande, siendo aproximadamente equivalente a la mitad del area externa del tubo interior 32. Ademas, debido a la forma en seccion transversal de los canales de flujo de fluido de refrigerante 52a y 52b el rendimiento de intercambio de calor entre el canal de flujo 50 y cada uno de los canales de flujo de fluido 52a y 52b se aumenta. Los canales de flujo de fluido 52a y 52b son aproximadamente en forma de media luna, teniendo una altura o grosor relativamente pequenos en la direccion radial y una longitud de contacto relativamente alta con la circunferencia externa del tubo interior 32. Esta longitud de contacto se ilustra, en el caso de canales de flujo de fluido 52a con la lmea 58 en la figura. Se apreciara que esta lmea de contacto proporciona una superficie convexa de transferencia de calor (la superficie externa del tubo interior 32) contra la que fluye el fluido en los canales de flujo de fluido 52a y 52b; y de ese modo una superficie grande y eficiente de intercambio de calor sobre la longitud de los canales de flujo de fluido 52a y 52b.
La figura 6 ilustra el flujo de refrigerante en el intercambiador de calor interno 11 segun la presente realizacion. El refrigerante que fluye en el canal de flujo de fluido de refrigerante 50 tiene la referencia 60 y el refrigerante que fluye en los canales de flujo de fluido de refrigerante 52a y 52b tienen la referencia 62a y 62b, respectivamente. Como se puede ver en la figura, en este ejemplo el refrigerante que fluye en canales de flujo de fluido de refrigerante 52a y 52b sigue un camino helicoidal a lo largo del intercambiador de calor interno 11 y completa tres ciclos completos alrededor del fluido en el canal de flujo de fluido 50.
Se entendera que variaran las caractensticas de intercambio de calor requeridas para aplicaciones diferentes. Por consiguiente, puede variarse la superficie de transferencia de calor de la presente realizacion. Claramente, las dimensiones exteriores, tales como longitud y diametro, del intercambiador de calor interno se pueden variar donde el espacio lo permita. Donde esto no es posible o no se desea, se pueden variar parametros del tubo interior 32 como se ilustra en la figura 7. La figura 7 ilustra parte de la imagen de la figura 4 que ilustra varios trozos deformados 44 del tubo interior 32; donde:
“a” = anchura de forma base, determinada por la altura de la forma base si el area en seccion transversal es igual al tubo de base, o material inicial;
“b” = altura de la forma base:
“c” = profundidad de la forma base a lo largo del eje longitudinal del tubo interior 32
“d” = distancia entre dos deformaciones
“e” = angulo entre eje de simetna de dos deformaciones
“f” = longitud del trozo recto de la forma base, que depende de “a” y “b” y es cero si la forma es elfptica.
La superficie de transferencia de calor, la velocidad de flujo y por lo tanto la transferencia de calor se puede ajustar modificando la geometna del tubo interior 32. Los parametros “a”, “b” y “f” determinan la seccion transversal de los canales de flujo de lfquido 52a y 52b y por lo tanto la velocidad de flujo y el coeficiente de transferencia de calor. Los parametros “c” y “e” determinan intercambio de calor, o longitud de contacto y por lo tanto la superficie de transferencia de calor de lado de lfquido. En general: (i) el rendimiento del intercambiador de calor interno 11 puede ser aumentado disminuyendo “c” y “e”; es decir, aumentando el numero de deformaciones por unidad de longitud del tubo interior 32 y disminuyendo la pendiente de la helice; esta puede estar en el intervalo de 20 a 45 grados por ejemplo;
(ii) el rendimiento del intercambiador de calor interno 11 puede ser disminuido aumentando “c” y “e”; es decir, disminuyendo el numero de deformaciones por unidad de longitud del tubo interior 32 y aumentando la pendiente de la helice; esta puede estar en el intervalo de 45 a 90 grados por ejemplo.
Se apreciara que si el intercambiador de calor interno 11 se va a formar como tubena en forma de U u otra forma, el intercambiador de calor interno 11 debe tener suficiente estabilidad al doblarse. La estabilidad al doblarse del intercambiador de calor interno 11 puede ser aumentada disminuyendo el valor de parametro “f”.
Se entendera que las realizaciones descritas anteriormente ofrecen ciertas ventajas. Los contornos del tubo interior 32 se pueden colocar en cualquier sitio a lo largo de la longitud del tubo interior 32, o incluso a lo largo de unicamente una parte de ella. Ademas, la transferencia de calor se puede ajustar cambiando la geometna de la interfaz entre el tubo interior 32 y el tubo exterior 30, y esto se puede hacer sin cambiar significativamente el herramienta de formacion, tales como una pinza, o el proceso usado. Esto proporciona considerable flexibilidad en terminos de fabricacion. Se pueden lograr aplicaciones de intercambiador de calor con diferentes criterios de prestaciones sin tener que modificar significativamente el proceso de fabricacion o el utillaje. Como el tubo interior se puede hacer de material de tubo estandar, es de bajo coste. No se requieren extrusiones caras y no se necesitan tubos de conexion de lado de succion, lo que puede ayudar a asegurar que se simplifica la fabricacion y se aumenta la fiabilidad del sistema. La flexibilidad a doblarse se puede ajustar alterando la geometna del tubo deformado. El tubo exterior 30 puede ser usado como manguito de conexion que ademas permite reducir los costes del sistema. A pesar del hecho de que el canal de baja presion puede ser particularmente grande, reduciendo la tendencia para la
cafda de presion de lado de succion, se puede lograr un diametro exterior relativamente pequeno.
Tambien se entendera que se pueden hacer diversos cambios a las realizaciones descritas anteriormente. Por ejemplo, si bien se han descrito los intercambiadores de calor internos de las realizaciones de manera que el fluido de alta y baja presion fluye a traves en sentidos opuestos de calor, o “contracorriente”, estas realizaciones tambien 5 se podnan implementar usando una implementacion en la “misma direccion”. Ademas, si bien el refrigerante usado en las realizaciones descritas anteriormente es R-134a, igualmente se podnan usar otros refrigerantes. Por ejemplo, otros refrigerantes de baja presion que trabajan a altas presiones, tales como dioxido de carbono. Ademas, aunque las realizaciones descritas anteriormente se han descrito con respecto a aplicaciones de automocion, se apreciara que la invencion puede ser aplicada a un amplio intervalo de otras aplicaciones. Estas pueden incluir por ejemplo, 10 autobuses, camiones, trenes y aplicaciones no moviles. Adicionalmente, si bien las realizaciones descritas anteriormente se han descrito como que utilizan material de tubo base que es circular en seccion transversal, se podnan usar otras secciones transversales, tales como secciones transversales elfpticas.
La descripcion anterior se ha presentado unicamente para ilustrar y describir realizaciones ejemplares de los metodos y sistemas de la presente invencion. No se pretende que sea exhaustiva o que limite la invencion a 15 cualquier forma precisa descrita. Los expertos en la tecnica entenderan que se pueden hacer diversos cambios, y equivalentes pueden ser sustituidos por elementos de las mismas sin apartarse del alcance de la invencion. Adicionalmente, se pueden hacer muchas modificaciones para adaptar una situacion o material particulares a las ensenanzas de la invencion sin apartarse del alcance esencial. Por lo tanto, se pretende que la invencion no se limite a la realizacion particular descrita como el mejor modo contemplado para llevar a cabo esta invencion, sino 20 que la invencion incluira todas las realizaciones que se encuentran dentro del alcance de las reivindicaciones. La invencion puede ser puesta en practica de otro modo que el explicado e ilustrado espedficamente sin salir de su esprntu o alcance. El alcance de la invencion esta limitado solamente por las siguientes reivindicaciones.

Claims (15)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    REIVINDICACIONES
    1. Un intercambiador de calor que comprende un conducto exterior y un conducto interior, dispuesto dentro y a lo largo del eje longitudinal del conducto exterior, el conducto interior y el conducto exterior estan dispuestos para formar un canal de flujo de fluido entre la superficie interior del conducto exterior y la superficie exterior del conducto interior, el canal de flujo de fluido tiene una forma en seccion transversal, en un plano sustancialmente perpendicular al eje longitudinal del conducto exterior, que es alargado siendo sustancialmente mayor en la direccion circunferencial del conducto exterior que en la direccion radial del conducto exterior, caracterizado por que el conducto interior tiene una pluralidad de zonas distribuidas a lo largo de su longitud axial en la que el conducto interior esta deformado localmente, cada zona comprende (i) una region de dimension exterior disminuida del conducto interior ubicado en una primera posicion angular en un plano sustancialmente perpendicular a su longitud axial, y (ii) una region correspondiente de dimension exterior aumentada del conducto interior en una segunda posicion angular en un plano sustancialmente perpendicular a su longitud axial, la region de dimension exterior disminuida correspondiente al canal de flujo de fluido y la region de dimension exterior aumentada correspondiente a un punto de contacto entre los conductos interior y exterior, y que el canal de flujo de fluido se dispone en una forma helicoidal a lo largo del eje longitudinal del conducto exterior.
  2. 2. Un intercambiador de calor segun la reivindicacion 1, en donde el conducto interior se deforma de manera que tiene una forma en seccion transversal, en un plano sustancialmente perpendicular al eje longitudinal del conducto exterior, que es sustancialmente ovalada (elipse no circular), triangular o cuadrilatero, que proporciona respectivamente dos, tres o cuatro canales de flujo de fluido separados respectivamente por dos, tres o cuatro puntos de contacto entre el conducto exterior y el conducto interior.
  3. 3. Un intercambiador de calor segun la reivindicacion 1 o 2, en donde la forma en seccion transversal del canal de flujo de fluido es sustancialmente en forma de media luna.
  4. 4. Un intercambiador de calor segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la parte de la superficie exterior del conducto interior que define el canal de flujo de fluido presenta una superficie sustancialmente convexa al interior del canal de flujo de fluido.
  5. 5. Un intercambiador de calor segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde las deformaciones son deformaciones discretas.
  6. 6. Un intercambiador de calor segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde las deformaciones no se superponen.
  7. 7. Un intercambiador de calor segun una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde las deformaciones son continuas a lo largo del eje longitudinal del conducto interior.
  8. 8. Un intercambiador de calor segun cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde el conducto interior de refrigerante, a lo largo de la longitud del conducto exterior de refrigerante, comprende un area en seccion transversal que es sustancialmente igual, o unicamente se reduce marginalmente, respecto a un conducto no deformado equivalente de modo que la cafda de presion provocada por unidad de longitud del conducto interior de refrigerante es sustancialmente el mismo, o no aumenta significativamente, respecto a la cafda de presion del conducto no deformado equivalente.
  9. 9. Un metodo para fabricar un intercambiador de calor que comprende un conducto exterior y un conducto interior dispuestos dentro y a lo largo del eje longitudinal del conducto exterior, el metodo comprende:
    deformar localmente el conducto interior en una pluralidad de posiciones distribuidas a lo largo de su longitud axial, de manera que en cada posicion se reduzca la dimension exterior del conducto interior;
    ensamblar el conducto interior deformado con el conducto exterior de manera que el conducto interior forma sustancialmente al menos dos contactos lineales con el conducto exterior y al menos dos canales de flujo de fluido sustancialmente separados entre la superficie interior del conducto exterior y la superficie exterior del conducto interior, caracterizado por aplicar una operacion de deformacion en el conducto interior de manera que en cada posicion la dimension exterior del conducto interior se reduce en una primera posicion angular en un plano sustancialmente perpendicular a su longitud axial, y la dimension exterior del conducto interior se aumenta en una segunda posicion angular en un plano sustancialmente perpendicular a su longitud axial, y hacer rotar progresivamente el tubo interior respecto a la operacion de deformacion conforme el conducto interior se deforma en la pluralidad de posiciones a lo largo de su longitud axial, de manera que el canal de flujo de fluido en el intercambiador de calor ensamblado sigue un camino helicoidal a lo largo del eje longitudinal del conducto exterior.
  10. 10. Un metodo segun la reivindicacion 9, en donde la operacion de deformacion en cada una de la pluralidad de posiciones es una operacion discreta, tal como una operacion de pinzamiento o de impacto.
  11. 11. Un metodo segun la reivindicacion 9, en donde la operacion de deformacion en cada una de la pluralidad de posiciones es un proceso de deformacion continua tal como laminacion.
  12. 12. Un metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, en donde el material de conducto base es un tubo de seccion transversal sustancialmente circular.
  13. 13. Un metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12, en donde la operacion de deformacion utiliza uno o mas elementos de deformacion perfilados para proporcionar al conducto interior un perfil de seccion
    5 transversal ovalada, triangular o cuadrilatera.
  14. 14. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, en donde la forma de helice del conducto interior de refrigerante se fabrica fijando un tubo con una forma dada en seccion transversal, preferiblemente una forma circular, en un angulo fijo en una direccion dada del eje longitudinal del tubo; formando, preferiblemente sujetando o deslizando, el tubo fijado con el fin de crear una deformacion local del tubo, rotando el tubo a otro angulo fijo en una
    10 direccion dada de su eje longitudinal, rotando preferiblemente el tubo en etapas de 45°, deformando el tubo en una posicion nueva a lo largo del eje longitudinal con el nuevo angulo fijo, y repitiendo esta etapa hasta que se crea la forma deseada de helice o espiral.
  15. 15. Metodo segun cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14, en donde la formacion es automatizada usando una maquina dobladora configurada con radio de curvatura cero.
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