ES3010318T3 - Heat exchanger having optimized fluid passages - Google Patents

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ES3010318T3 ES20845201T ES20845201T ES3010318T3 ES 3010318 T3 ES3010318 T3 ES 3010318T3 ES 20845201 T ES20845201 T ES 20845201T ES 20845201 T ES20845201 T ES 20845201T ES 3010318 T3 ES3010318 T3 ES 3010318T3
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Romain Angelique
Florian Bonnivard
Mickael Bregoli
Grégoire Hanss
Jérôme Rocchi
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Abstract

La invención se refiere a un intercambiador de calor que está configurado para permitir un intercambio de calor entre un primer fluido y un segundo fluido que circulan en vías de paso formadas por placas (14a, 14b) y aletas (16a, 16b) del intercambiador de calor, fluyendo los fluidos en una multitud de canales de paso (10) cada uno de los cuales consiste en un espacio cerrado (12) delimitado por dos placas adyacentes y dos aletas adyacentes, caracterizado porque cada placa se extiende a lo largo de una superficie no plana siguiendo al menos una curva oscilante, y cada aleta siguiendo además al menos una segunda curva oscilante según al menos una segunda dirección principal, de tal manera que cada vía de paso permite que el fluido fluya en el espacio cerrado según una dirección de fluido definida por una generatriz que es una combinación de al menos la primera curva oscilante y la segunda curva oscilante. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Intercambiador de calor con pasos de fluido optimizados
Campo técnico de la invención
La invención se refiere a un intercambiador de calor. En particular, la invención se refiere a un intercambiador de calor de placas y aletas que se puede utilizar en un sistema de climatización de aire, por ejemplo, en un vehículo aéreo, ferroviario o terrestre.
Antecedentes de la técnica
Los intercambiadores de calor se utilizan para permitir un intercambio de calor al menos entre dos fluidos, en particular, para enfriar o calentar uno de los fluidos con la ayuda de otro fluido. Los intercambiadores de calor se utilizan en numerosos contextos y, en concreto, en los sistemas de climatización de aire para un vehículo aéreo, ferroviario o terrestre, en los que se permite, en concreto, regular la temperatura del aire climatizado mediante el sistema de climatización de aire en diferentes etapas de climatización.
De entre los diferentes tipos de intercambiadores de calor, los intercambiadores de calor de placas y aletas forman un tipo de diseño que utiliza placas y cámaras con aletas para transferir calor entre los fluidos. Los canales de circulación formados por las placas y las aletas permiten la circulación de cada fluido sin mezcla con los otros fluidos, maximizando, al mismo tiempo, la relación superficie/volumen de transferencia de calor. Estos tipos de intercambiadores son populares, en concreto, en las industrias del transporte, en concreto, aéreo, por su tamaño compacto y su ligereza, presentando al mismo tiempo un buen rendimiento.
Desde hace varias décadas, los intercambiadores de placas se fabrican a partir de una sucesión de placas planas, entre las cuales se disponen unas aletas formadas por una placa corrugada que forma canales de circulación para cada fluido. Las placas y las aletas se fabrican independientemente y luego se sueldan entre sí para formar los intercambiadores de calor. Las placas planas y las placas corrugadas son metálicas, por ejemplo, de aluminio o aleación de aluminio, o de acero inoxidable.
Las geometrías de las aletas formadas por la placa corrugada pueden ser de diversas formas, por ejemplo, rectangular, triangular, ondulada, etc. Se utilizan diferentes configuraciones en función de las necesidades en términos de superficie de intercambio, de pérdida de presión, etc.
Los inventores han tratado de maximizar el intercambio de calor entre los fluidos minimizando la pérdida de presión debido al paso de cada fluido por el intercambiador, en particular, para el fluido que se calienta al pasar por el intercambiador.
El documento EP 3193125 A1 divulga un intercambiador de calor que comprende dos circuitos de circulación de fluido aislados entre sí y una pluralidad de canales de circulación que se ajustan todos a un perfil curvilíneo que puede adoptar diferentes formas, por ejemplo, un patrón sinusoidal, helicoidal o bobinado.
Objetivos de la invención
La invención tiene por objeto proporcionar un intercambiador de calor optimizado.
La invención tiene por objeto proporcionar, en particular, en al menos un modo de realización, un intercambiador de calor que maximiza el intercambio de calor.
La invención también tiene por objeto proporcionar, en al menos un modo de realización de la invención, un intercambiador de calor que minimiza las pérdidas de presión.
La invención también tiene por objeto proporcionar, en al menos un modo de realización de la invención, un intercambiador de calor menos voluminoso y más ligero.
La invención también tiene por objeto proporcionar, en al menos un modo de realización de la invención, un intercambiador de calor compacto que se puede utilizar en un vehículo aéreo, ferroviario o terrestre, en concreto, en un sistema de climatización de aire.
Exposición de la invención
Para ello, la invención se refiere a un intercambiador de calor, configurado para permitir un intercambio de calor entre un primer fluido y un segundo fluido que circulan, respectivamente, por al menos una primera vía de paso y una segunda vía de paso, estando dichas vías de paso formadas por unas placas y aletas del intercambiador de calor y estando configuradas para llevar cada fluido desde una entrada de fluido hacia una salida de fluido, circulando los fluidos por una multitud de canales de paso formados, cada uno, por un espacio cerrado delimitado por dos placas adyacentes y dos aletas adyacentes,
caracterizado por que cada placa se extiende siguiendo una superficie no plana definida entre la entrada de fluido y la salida de fluido de la vía de paso asociada, siguiendo dicha superficie no plana al menos una primera curva que oscila según al menos una primera dirección principal alrededor de una superficie media de la placa, y por que cada aleta comprende un borde superior configurado para estar en contacto con una de las placas adyacentes, denominada placa superior, y un borde inferior configurado para estar en contacto con la otra placa adyacente, denominada placa inferior, siguiendo además cada aleta al menos una segunda curva que oscila según al menos una segunda dirección principal alrededor de una superficie media de la aleta, de modo que cada vía de paso permita la circulación del fluido por el espacio cerrado según una dirección de fluido entre la entrada de fluido y la salida de fluido, denominada eje de circulación, definida en cualquier punto de la curva por una curva generatriz que es una combinación en cada punto de al menos la primera curva oscilante y la segunda curva oscilante.
Un intercambiador de calor según la invención permite, por tanto, gracias a la geometría particular de los canales de paso conformados por una curva generatriz que es una combinación de al menos dos curvas oscilantes, maximizar la superficie de intercambio entre los fluidos manteniendo al mismo tiempo un buen rendimiento en términos de pérdidas de presión, con respecto a un intercambiador de placas y aletas convencional. La combinación de curvas oscilantes permite la obtención de curvas generatrices de diferentes formas, que permiten formar cualquier tipo de geometría.
Cada una de las placas y las aletas sigue una curva oscilante que permite aumentar las superficies de intercambio sin ningún impacto significativo en las pérdidas de presión.
En particular, la eficiencia del intercambio térmico mejora del orden de un 35 % para una disminución de al menos un 40 % en masa y un 20 % en volumen efectivo.
La formación de canales en el intercambiador térmico permite, en concreto, una pérdida de presión mucho menor que en los intercambiadores de calor de múltiples vías, donde el fluido puede seguir varias vías a través de las bifurcaciones, estando dichas bifurcaciones formadas por un canal que comprende el otro fluido del intercambiador.
Una curva oscilante es una curva que se encuentra alternativamente a un lado y otro de una curva media a esta curva oscilante. Según determinadas variantes de la invención, las curvas oscilantes pueden ser periódicas: las curvas pueden ser, por ejemplo, sinusoidales, triangulares, etc.
Ventajosamente y según la invención,
la primera curva y la segunda curva tienen las siguientes características:
- 0,1 <<y>< 1
- 0,2 < £ < 5
donde<y>es igual a la amplitud media de la curva dividida por el período medio de la curva, y £ es igual al paso medio de la curva dividido por la amplitud de la curva.
En el ejemplo de la figura 2 que representa dos curvas sinusoidales que forman la curva generatriz de un canal de paso, como se ha representado con referencia a la figura 1, la curva 20b se extiende en la dirección X, incluye crestas o picos, formando, cada una, una línea de cresta y teniendo valles, formando, cada uno, una línea de valles. Las porciones de cresta y las porciones de valle están dispuestas alternativamente en la dirección Y, que es característica de una curva oscilante alrededor del eje X. Cada punto de la curva puede expresarse según una coordenada que puede expresarse en función de los ejes X e Y. Se asocia un único valor de coordenadas según el eje X a cada punto único de la curva, pero varios puntos de la curva tienen el mismo valor de coordenadas a lo largo del eje Y debido a la oscilación de la curva.
De la misma forma, la curva 20a oscila alrededor del eje X con oscilaciones según el eje Z.
Cuando la curva media alrededor de la cual oscilan las curvas 20a o 20b no es recta, el punto de referencia está expresada en cada punto de la curva por una dirección principal X que corresponde a la tangente a la curva media en este punto de la curva.
La diferencia de altura entre un pico y un valle representa la amplitud. Por amplitud media también se entiende la diferencia media de altura entre un pico y un valle.
La distancia entre dos picos adyacentes con respecto al eje Y representa el período, por periodo medio se entiende la distancia media entre dos picos sucesivos.
La distancia entre dos canales de paso adyacentes está definida por el paso. Por paso medio también se entiende la distancia media entre dos canales.
Según este aspecto de la invención, estas características permiten garantizar una baja pérdida de presión al tiempo que permiten un aumento de la superficie de intercambio térmico. Una amplitud media demasiado grande con respecto al período o paso daría lugar a pérdidas de presión significativas, a pesar del notable aumento de la superficie de intercambio térmico. Estas características permiten un buen compromiso entre el aumento de la superficie de intercambio y las pérdidas de presión.
Ventajosamente y según la invención, la primera curva y/o la segunda curva es continua.
Ventajosamente y según la invención, la primera curva y/o la segunda curva es discontinua.
Según estos aspectos de la invención, cada curva puede ser, ya sea discontinua, ya sea continua. Las curvas discontinuas permiten aumentar aún más la superficie de intercambio térmico, mientras que las curvas continuas tienen menos impacto en las pérdidas de presión.
Ventajosamente y según la invención, la primera curva y/o la segunda curva oscilan con una amplitud y/o frecuencia variable.
Según este aspecto de la invención, la amplitud o frecuencia de oscilación de las curvas son variables, lo que permite ajustar la pérdida de presión o el intercambio térmico del fluido, por ejemplo, aguas arriba o aguas abajo de los canales. Ventajosamente y según la invención, los fluidos son gaseosos o líquidos.
Según este aspecto de la invención, el intercambiador de calor se puede utilizar en diferentes contextos. En particular, el intercambiador de calor se puede utilizar en el sector del transporte (aeronáutica, ferrocarril, terrestre, etc.) donde se producen intercambios de calor entre gas y gas, entre gas y líquido o entre líquido y líquido. Cada uno de estos diferentes tipos de fluidos puede ser una fuente caliente o una fuente fría.
Según la invención, los ejes de circulación de los canales del primer paso son sustancialmente ortogonales a los ejes de circulación de los canales del segundo paso.
Según este aspecto de la invención, los intercambiadores así formados son de pasos cruzados.
Ventajosamente y según la invención, el intercambiador se fabrica por fabricación aditiva.
Según este aspecto de la invención, la fabricación aditiva permite obtener fácilmente las geometrías complejas formadas por los canales. Ventajosamente, el material utilizado puede ser metal, en particular, una aleación de níquel (Ni625, Ni718), una aleación de aluminio (AS7G06, AS10), titanio (TA6V) o acero inoxidable (15-5Ph, 316L, 17-4Ph) o bien materiales plásticos como polímeros de tipo PAEK (PEEK, PEKK, ...) o de la familia de los carburos de silicio. Las placas y aletas se pueden realizar juntas por fabricación aditiva y formar un todo. De este modo, la distinción entre las placas y aletas enunciadas anteriormente y en lo sucesivo describe una diferenciación de funciones, en concreto, en la definición de las vías y canales de paso, pero se puede fabricar el intercambiador entero de una sola vez por fabricación aditiva sin tener que fabricar las placas y las aletas por separado.
La invención también se refiere a un sistema que comprende un intercambiador de calor según la invención y a una aeronave que comprende un intercambiador de calor según la invención.
La invención también se refiere a un intercambiador de calor, a un sistema de climatización de aire y a una aeronave, caracterizados por la combinación de todas o parte de las características mencionadas anteriormente o en lo sucesivo.
Lista de las figuras
Otros objetivos, características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto con la lectura de la siguiente descripción aportada únicamente a título no limitativo y que hace referencia a las figuras adjuntas, en las que:
[Fig. 1] es una vista esquemática en perspectiva que representa un canal de paso único de una vía de paso de un intercambiador de calor según un primer modo de realización de la invención.
[Fig. 2] es una vista esquemática de las curvas que conforman el canal de paso de la vía de paso de un intercambiador de calor según el primer modo de realización de la invención.
[Fig. 3] es una vista esquemática en perspectiva que representa una vía de paso de un intercambiador de calor según un modo de realización de la invención.
[Fig. 4] es una vista esquemática en perspectiva que representa un intercambiador de calor según un modo de realización de la invención.
Descripción detallada de un modo de realización de la invención
En las figuras, las escalas y las proporciones no se han respectado estrictamente y, esto, a efectos de ilustración y de claridad.
Además, los elementos idénticos, similares o análogos se han rotulado con las mismas referencias en todas las figuras.
La figura 1 ilustra esquemáticamente en perspectiva un único canal de paso 10 de una vía de paso de un intercambiador de calor según un modo de realización de la invención.
El canal 10 está formado por un espacio vacío 12 delimitado por dos placas 14a y 14b y dos aletas adyacentes 16a y 16b del intercambiador de calor. El canal se extiende en una dirección principal denominada eje de circulación 18, que representa la dirección en la que un fluido que pasa a través del intercambiador se desplaza por el canal. Una sección perpendicular al eje de dirección forma una sección plana de paso cerrada por las paredes formadas por las dos placas 14a y 14b y las dos aletas adyacentes 16a y 16b. La placa 14a forma una placa denominada placa superior y la placa 14b forma una placa denominada placa inferior. Las aletas están en contacto con estas dos placas.
La figura 2 ilustra esquemáticamente dos curvas oscilantes 20a y 20b que siguen, respectivamente, las placas 14a y 14b y las aletas 16a y 16b, que permiten obtener la forma ondulada del canal de paso.
Las curvas aquí son continuas y sinusoidales, pero las curvas pueden adoptar diferentes formas, por ejemplo, triangulares, etc. Las curvas son oscilantes. En este modo de realización, las dos curvas oscilan y son periódicas (es decir, de frecuencia constante y amplitud máxima y mínima constantes entre cada período). La primera curva oscilante 20a representa la oscilación aplicada a las placas 14a y 14b y la segunda curva 20b representa la oscilación aplicada a las aletas 16a y 16b. La combinación en cualquier punto de las dos curvas 20a y 20b corresponde a una curva generatriz que representa la circulación de fluido por el canal de paso 10.
Las curvas aquí oscilan alrededor del eje de circulación, pero pueden oscilar en diferentes direcciones, como se ha representado en la figura 3.
La figura 3 representa una vía de paso 30 de un intercambiador de calor según un modo de realización de la invención.
Una vía de paso 30 comprende varios canales de paso 110 y permite la circulación de un fluido, el fluido que pasa a través de los diferentes canales de paso 110 de la vía de paso 30. La vía de paso está formada por dos placas (sólo siendo visible una placa 114 en la figura) y una pluralidad de aletas 116, para componer los diferentes canales 110 todos ellos orientados según los ejes 118 de direcciones paralelas.
En este modo de realización, una de las curvas 20c que siguen las placas que forman los canales de paso 110 está comprendida en un plano ortogonal al plano medio 32 de la placa 114 y forma así la curva oscilante que sigue la placa. La curva 20c oscila alrededor del plano medio 32 y, por lo tanto, influye en todos los canales.
La otra curva que sigue cada aleta de los canales de paso 110, está comprendida en un plano que comprende el eje de dirección de cada canal de paso 110.
La figura 4 representa un intercambiador de calor 200 según un modo de realización de la invención. El intercambiador de calor comprende cuatro vías de paso, estando dos vías de paso 210a y 210b destinadas a un primer fluido y dos vías de paso 220a y 220b destinadas a un segundo fluido.
Las vías de paso están dispuestas de forma alternada para permitir un intercambio de calor entre el primer y el segundo fluido. En este modo de realización, las vías de paso están dispuestas de modo que los ejes de circulación sean aproximadamente perpendiculares, para formar un intercambiador de pasos cruzados.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Intercambiador de calor, configurado para permitir un intercambio de calor entre un primer fluido y un segundo fluido que circulan, respectivamente, por al menos una primera vía de paso y una segunda vía de paso, estando dichas vías de paso (30, 210a, 210b, 220a, 220b) formadas por unas placas (14a, 14b, 114) y aletas (16a, 16b, 116) del intercambiador de calor y estando configuradas para llevar cada fluido desde una entrada de fluido hacia una salida de fluido, circulando los fluidos por una multitud de canales de paso (10, 110) formados, cada uno, por un espacio cerrado (12) delimitado por dos placas adyacentes y dos aletas adyacentes, cada placa se extiende siguiendo una superficie no plana definida entre la entrada de fluido y la salida de fluido de la vía de paso asociada, siguiendo dicha superficie no plana al menos una primera curva (20a) que oscila según al menos una primera dirección principal alrededor de una superficie media de la placa, cada aleta comprende un borde superior configurado para entrar en contacto con una de las placas adyacentes, denominada placa superior, y un borde inferior configurado para estar en contacto con la otra placa adyacente, denominada placa inferior, siguiendo cada aleta además al menos una segunda curva (20b) que oscila según al menos una segunda dirección principal alrededor de una superficie media de la aleta, de modo que cada vía de paso permita la circulación del fluido por el espacio cerrado según una dirección de fluido entre la entrada de fluido y la salida de fluido, denominada eje de circulación (18, 118), definida en cualquier punto de la curva por una curva generatriz que es una combinación en cada punto de al menos la primera curva oscilante y la segunda curva oscilantecaracterizado por que, los ejes de circulación de los canales del primer paso son sustancialmente ortogonales a los ejes de circulación de los canales del segundo paso.
2. Intercambiador de calor según la reivindicación 1,caracterizado por quela primera curva (20a) y la segunda curva (20b) tienen las siguientes características:
- 0,1 < y < 1
- 0,2 < £ < 5
donde y es igual a la amplitud media de la curva dividida por el período medio de la curva, y £ es igual al paso medio de la curva dividido por la amplitud de la curva.
3. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 o 2,caracterizado por quela primera curva (20a) y/o la segunda curva (20b) es continua.
4. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 o 2,caracterizado por quela primera curva (20a) y/o la segunda curva (20b) es discontinua.
5. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 4,caracterizado porquela primera curva (20a) y/o la segunda curva (20b) oscilan con amplitud y/o frecuencia variable.
6. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 5,caracterizado por quelos fluidos son gaseosos 0 líquidos.
7. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 6,caracterizado por quese fabrica por fabricación aditiva.
8. Sistema de climatización de aire,caracterizado por quecomprende un intercambiador de calor (200) según una de las reivindicaciones 1 a 7.
9. Aeronave,caracterizada por quecomprende un intercambiador de calor (200) según una de las reivindicaciones 1 a 7.
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