MXPA05002904A

MXPA05002904A - Interenfriador de flujo radial internamente montado para un cargador de aire de combustion.

Info

Publication number: MXPA05002904A
Application number: MXPA05002904A
Authority: MX
Inventors: Kenneth M Cornell
Original assignee: Modine Mfg Co
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2005-05-27
Also published as: US20040055740A1; CA2499376A1; AU2003265660A1; EP1546522A1; DE60319111D1; DE60319111T2; RU2005107715A; BR0314625A; CN1682021A; US7278472B2; EP1546522B1; JP2006500502A; WO2004027234A1

Abstract

Un cargador de aire de combustion mejorado, tal como un turbocargador o un supercargador, incluye un alojamiento (10) que tiene una flecha (18) giratoria articulada en el mismo. Cuando menos una rueda (20, 22) de compresora esta colocada en la flecha (18). El alojamiento (10) incluye una entrada 830) de ambiente asi como una salida (32) de aire comprimido y un intercambiador 836) termico esta colocado entre cuando menos una de las ruedas (20) de compresora y la salida (32) y esta dispuesto de manera que el flujo de aire a traves del intercambiador (36) termico sea generalmente en la direccion radialmente hacia adentro.

Description

WO 2004/027234 Al f Sltf f Ilílili If ?? ii iilif lllf f Hlff ¡III f I! ilf II IÍ! f !f il If IJI f ilf 1 lifil ifl! Illlfl iJIÍ f III ff I j For two-leuer cades and oiher abbreviations, refer lo the "Guid-ance Notes on Codes and Abbreviations" appearing at thebegin-ning of each regular iss e of ¡he PCT Gazette.

INTERENFRIADOR DE FLUJO RADIAL INTERNAMENTE MONTADO PARA UN CARGADOR DE AIRE DE COMBUSTIÓN CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona con un intercambiador térmico utilizado como un interenfriador en un dispositivo de carga de aire de combustión tal como un turbocargador o un supercargador para motores. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los cargadores de aire de combustión, tales como turbocargadores o supercargadores, se han empleado con motores, particularmente motores de combustión interna, durante muchos años. En un turbocargador, cuando menos una rueda de compresor giratorio es impulsada por la descarga del motor. En el caso de un supercargador, cuando menos una rueda de compresora giratoria es impulsada mecánicamente, usualmente por la salida giratoria del motor. En cualquier caso, una rueda de compresora se emplea para comprimir aire ambiental antes de su admisión al motor para soportar combustión en las mismas. Debido a que el aire está comprimido, un volumen determinado del mismo tendrá un contenido molar mayor de oxigeno que un volumen por lo demás igual de aire a presión ambiental. Como una consecuencia, el oxigeno adicional permite la combustión de una cantidad mayor de combustible de manera que para una planta de energía de un tamaño determinado, se puede derivar una salida de energía mayor como resultado de la carga del aire de combustión. Durante los años, se ha determinado que la eficiencia de dichos dispositivos cargadores de aire de combustión se puede mejorar a través del uso de un llamado sistema de interenfriamiento. Debido a que el aire se calienta a medida que se comprime, parte de la eficiencia derivada empleando el dispositivo de carga de aire de combustión en el primer lugar, es decir, la densificación del aire de combustión cargado al motor, se pierde debido a un volumen de aire comprimido caliente contendrá menos oxigeno que un volumen igual de aire comprimido más frió cuando ambos están a la misma presión. De esta manera, para una presión determinada, durante la admisión a un motor para combustión, una carga de aire de combustión de enfriado permitirá el desarrollo de más energía dentro del motor que la misma carga en la misma presión si está a una temperatura Superior. Consecuentemente, los interenfriador como se menciona anteriormente se han empleado para enfriar el aire después de que sale del cargador de aire de combustión (o una etapa del mismo) y antes de su admisión al motor de manera de proporcionar, para cualquier presión determinada, un contenido molar máximo de oxígeno. En muchos casos, el interenf iador se empleará como un intercambiador térmico de forma rectangular, convencíonalmente y se monta lado por lado o al frente o parte posterior del intercambiador térmico usual empleado para enfriar el refrigerante de motor. Mientras que esta clase de una disposición maneja adecuadamente el enfriador del aire a combustión a presión, puede tener ciertas restricciones en términos de tamaño y el volumen disponible en un compartimento de motor como, por ejemplo, en un vehículo, que aloja tanto el motor como los diversos intercambiadores térmicos empleados para enfriamiento.

También puede requerir extensas conexiones de manguera entre el turbocargador, el interenfriador y la entrada de aire de combustión de motor que necesariamente requieren mangueras de diámetro relativamente grandes debido a la baja densidad del aire de combustión y el volumen grande consecuente del mismo. Por lo tanto, se ha propuesto incorporar el interenfriador dentro del propio cargador de aire de combustión para proporcionar un sistema más compacto de carga de aire de combustión e interenfriamiento así como para evitar conexiones de manguera grandes, voluminosas hasta el grado posible. La meta aquí es incorporar el intercambiador térmico de interenf iamiento dentro del cargador de aire de combustión de tal manera que se puede dar servicio fácilmente, requiere un mínimo de conexiones de plomería y no aumenta indebidamente el volumen del cargador de aire de combustión. La presente invención está dirigida hacia la provisión de soluciones ventajosas a estos problemas en un intercambiador térmico de interenfriamiento que se pretende que se coloque internamente dentro del cargador de aire de combustión para un motor. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN El objeto principal de la invención es proporcionar una máquina compresora giratoria nueva y mejorada con enfriamiento para uso al proporcionar aire comprimido, enfriado, para cualquiera de una variedad de usos. También es un objeto de la invención proporcionar un aparato cargador de aire de combustión mejorado con un interenfriador interno que es más compacto que los conocidos de dichos sistemas, al que se le da fácilmente servicio, y/o que requiere un mínimo de conexiones de plomería al motor con el que se usa el sistema. De conformidad con una faceta de la invención, una modalidad de ejemplo de la misma logra uno o más de los objetos anteriores en una máquina giratoria que incluye una flecha giratoria que tiene cuando menos una rueda de compresora en la misma y un alojamiento que contiene la rueda de compresora y que tiene una entrada a la rueda de compresora y una salida. Un intercambíador térmico se dispone en el alojamiento y se coloca entre la rueda de compresora y la salida. El intercambiador térmico incluye un núcleo que tiene una trayectoria de flujo de gas con una extensión radial substancial y una entrada de gas en comunicación de fluido con la rueda de compresora y una salida de gas en comunicación de fluido hacia la salida de alojamiento. Una trayectoria de flujo de refrigerante se proporciona en el intercambiador térmico en relación de intercambio térmico con la trayectoria de flujo de gas y tiene una extensión axial substancial. El intercambiador térmico tiene un núcleo en forma de dona que contiene las trayectorias de flujo, el núcleo estando substancialmente concéntrico con la flecha. En una modalidad preferida, el flujo de gas es radialmente hacia adentro y el área de sección transversal de la trayectoria de flujo de gas disminuye en tamaño a medida que uno progresa de la entrada de gas a la salida de gas. El cambio en área de sección transversal puede ser por etapas o gradual, como se desee. En una modalidad, el núcleo incluye una abertura central de un radio mayor que el radio de la rueda de compresora de manera de permitir que el intercambiador térmico se remueva de su ubicación dentro del alojamiento y que es deslizado axialmente más allá de la rueda de compresora.

En otra modalidad de la invención, el núcleo en forma de dona está hecho de una pluralidad de segmentos independientes y puede tener su abertura central de un radio menor que el radio de la rueda de compresora. En esta modalidad de la invención, el intercambiador térmico se puede remover, segmento por segmento, para dar servicio. En una modalidad de la invención, la entrada de gas al intercambiador térmico está colocado en una ubicación radialmente externa con relación a la salida de gas . En una modalidad altamente preferida, el intercambiador térmico tiene un núcleo en forma de dona con una abertura central concéntrica alrededor de la flecha y la entrada de gas se define por la periferia radialmente externa del núcleo. La salida se define por la periferia radialmente interna del núcleo. Las trayectorias de flujo de refrigerante en el núcleo se extienden generalmente en forma axial de lado a lado en el mismo. De conformidad con otra faceta de la invención se proporciona un intercambiador térmico para uso como un interenfriador dentro de una máquina giratoria y que incluye un núcleo generalmente cilindrico con un centro abierto cilindrico adaptado para recibir un componente giratorio de la máquina giratoria. El núcleo de intercambiador térmico se define por cuando menos una hilera circular de construcciones de tubo espaciadas que están alargadas axialmente en una disposición anular alrededor del centro abierto. La cuando menos una hilera de tubos define una trayectoria de flujo de refrigerante radialmente interna y una radialmente externa que se extienden axialmente a través del núcleo entre los extremos del mismo y aletas se extienden entre las construcciones de tubo para definir una trayectoria de flujo de lado de aire que se extiende desde una periferia radialmente externa del núcleo al centro abierto, generalmente de forma radial entre las construcciones de tubo espaciadas. Un cabezal de entrada/salida semejante a tolva anular se ajusta a un extremo del núcleo y tiene una sección anular, radialmente externa en comunicación de fluido con las trayectorias de flujo de refrigerante radialmente externas y una sección anular radialmente interna en comunicación de fluido con las trayectorias de flujo radialmente internas. Un cabezal de redirección de flujo anular semejante a tolva se ajusta en el extremo opuesto del núcleo y está en comunicación de fluido con ambas trayectorias radialmente interna y externa. Un portillo de entrad macho, axialmente dirigido se dispone en el cabezal de entrada/salida en comunicación de fluido con una de las secciones y un portillo de salida macho axialmente dirigido también está colocado en el cabezal de entrada/salida en comunicación de fluido con la otra de las secciones. En una modalidad preferida, el cabezal de entrada/salida incluye un tabique de desviación anular que separa las secciones. En una modalidad preferida, hay cuando menos dos de las hileras de construcciones de tubo, una definiendo una trayectoria de flujo de refrigerante radialmente externa y otra que define una trayectoria de flujo de refrigerante radialmente interna. En una modalidad alterna de la invención, cada una de las construcciones de tubo está dividida en una trayectoria de flujo radialmente interna y una trayectoria de flujo radialmente externa. Una modalidad de la invención contempla que las construcciones de tubo sean de forma de cuña en sección transversal y tienen extremidades radialmente externa, relativamente amplias y extremidades radialmente internas, relativamente estrechas, conectadas por paredes laterales espaciadas . En una modalidad, las paredes laterales de construcciones de tubo adyacentes en la hilera están orientados entre si y las paredes laterales orientadas están generalmente paralelas. De preferencia, aletas de serpentina están colocadas entre paredes laterales orientadas y las construcciones de tubo se forman de tubos. Otros objetos y ventajas se harán evidentes a partir de la siguiente especificación tomada en conexión con los dibujos que se acompañan. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una vista en sección algo esquemática de un cargador de aire de combustión hecho de conformidad con la invención; La Figura 2 es una vista en perspectiva, fragmentaria de una forma de intercambiador térmico empleado en la invención, La Figura 3 es una vista en perspectiva que muestra una forma alternativa de intercambiador térmico empleado en la invención; La Figura 4 es una vista en sección, fragmentaria, amplificada del intercambiador térmico ilustrado en la Figura 2 cuando se instala en el cargador de aire de combustión; La Figura 5 es una vista en perspectiva que ilustra un tipo de construcción de aleta utilizable en la invención; La Figura 6 es una vista similar a la figura 5, pero que ilustra una forma alternativa y preferida de construcción de aleta; La Figura 7 es una vista en sección amplificada, algo esquemática tomada aproximadamente a lo largo de la linea 7-7 en la Figura 6; La Figura 8 es una vista en sección transversal, amplificada de un tipo de tubo que se puede emplear en la invención, La Figura 9 es una vista similar a la Figura 8, pero que muestra otrp tipo de tubo; La Figura 10 es una vista en sección fragmentaria similar a la Figura 7, pero que ilustra una construcción de aleta de placa, de tubo aplanado; La Figura 11 es una vista en sección fragmentaria similar a la Figura 8, pero que muestra los tubos en hileras adyacentes de tubos alineadas entre si; y La Figura 12 es una vista en sección fragmentaria como las Figuras 8 y 11 que muestra una sola hilera de tubos de sección transversal aplanada en una construcción de aleta de placa. DESCRIPCIÓN DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Las modalidades de ejemplo de la invención descritas en la presente se describen específicamente como cargadores de aire de combustión en la forma de un turbocargador de dos etapas. Sin embargo, se debe entender que esta descripción es para fines de ejemplo y no se pretende restricción a cargadores de aire de combustión o a turbocargadores o el número de etapas. Por ejemplo, la invención se puede emplear con eficacia en un turbocargador de una sola etapa y se puede emplear en supercargadores de una sola o de múltiples etapas también. De manera similar, la invención se puede utilizar en cualquier máquina giratoria que tiene una rueda de compresora de gas giratoria en una flecha en donde una aplicación incluye deseablemente el enfriamiento de gas comprimido por una rueda de compresora. Con lo anterior en mente, se dirige la atención a la Figura 1. La modalidad de ejemplo de la invención se ve que incluye un alojamiento, designado 10 generalmente, formado de cuando menos dos secciones separables, 12 y - 14 respectivamente. Articulada dentro del alojamiento 10 mediante cualesquiera cojinetes apropiados (no mostrados) se encuentra una flecha 18 giratoria. En la modalidad ilustrada, la flecha giratoria incluye una primera rueda 20 de compresora, una segunda rueda 22 de compresora y rueda 24 de turbina que, a su vez, estará colocada dentro de un alojamiento (no mostrado) . Como se indica por una flecha 26, la rueda 24 de turbina se impulsa mediante la descarga de un motor de combustión interna para impulsar la flecha 18. La descarga agotada sale de la rueda 24 de turbina como se indica mediante la flecha 28. El alojamiento 12 incluye una entrada 30 de aire ambiental mientras que el alojamiento 14 incluye una salida de aire comprimido, indicada esquemáticamente por una flecha 32. La entrada 30 está al lado de entrada de la rueda 2 de compresora mientras que la salida 32 es de una voluta, ilustrada esquemáticamente en 34, en el lado de salida de la rueda 22 de compresora. El intercambiador térmico hecho de conformidad con la invención, generalmente designado 36, está contenido dentro de los alojamientos 12, 14 en donde los dos están unidos juntos como se indica esquemáticamente por los sujetadores 38 removibles. El intercambiador 36 térmico es de forma de dona o de forma de anillo e incluye una superficie 40 cilindrica radialmente externa que define una entrada de aire para el pasaje de aire a través del intercambiador 36 térmico. Una superficie 42 cilindrica radialmente interna forma una salida de aire para el intercambiador 36 térmico. Los lados del intercambiador térmico se proporciona con un primer cabezal de entrada/salida y tanque, generalmente designados 44, en el lado del intercambiador 36 térmico colocado dentro del alojamiento 14 y un cabezal de redirección y tanque, generalmente designados 46, en el lado del intercambiador 36 térmico dentro del alojamiento 12. Un colector 48 de refrigerante está colocado dentro del alojamiento 14 a un lado de la voluta 34 y radialmente hacia adentro de la parte radialmente externa de la voluta 34. El colector 48 está dividido en trama o tabique 50 de desviación interno hacia una sección 52 de colector radialmente interna y una sección 54 de colector radialmente externa. El sistema se proporciona con una entrada de refrigerante ilustrada esquemáticamente por una flecha 56 que se extiende hacia la sección 52 de colector radialmente interna y una salida 58 de refrigerante ilustrada esquemáticamente por una flecha que se extiende a la sección 54 de colector radialmente externa. Mediante una construcción que se va a describir con mayor detalle más adelante, un refrigerante, tal como refrigerante para el motor de combustión interna, entra al turbocargador a través de la entrada 56 y se hace pasar a la sección de colector, radialmente interna desde la que fluye hacia el primer colector y tanque 44 en una parte radialmente interna de la misma para fluir axialmente a través del intercambiador 36 térmico al colector y tanque 46 reentrantes en donde su dirección se invierte para fluir a través de la parte radialmente externa del intercambiador 36 térmico nuevamente al colector de entrada/salida y tanque 44. Desde el colector y tanque 44, el refrigerante se descarga hacia la sección 54 de colector radialmente externa a la salida 58 de refrigerante. Este flujo de refrigerante se indica mediante una serie de flechas 60, 62 y 64.

El flujo de aire a través del turbocargador es como sigue. El aire ambiental entra en la entrada 30 y pasa al lado de entrada de la rueda 20 de compresora. A medida que la rueda 20 de compresora se impulsa por la rueda 24 de turbina, el aire se comprime y descarga a una presión elevada sobre la periferia radialmente externa de la rueda 20 de compresora como se indica por la flecha 66. El aire comprimido continúa fluyendo radialmente hacia afuera a través de un espacio 68 anular (un difusor, no mostrado, convencionalmente está colocado en el espacio 68) entre el alojamiento 12 y el intercambiador 36 térmico que en parte se define por el cabezal reentrante y tanque 46, un tabique desviador 70 radial que se extiende radialmente hacia adentro desde el cabezal reentrante y tanque 46 y un tabique 72 de desviación axial que se extiende desde el tabique desviador 70 en su parte radialmente más interna para montarse en una parte del alojamiento 12 (no mostrada) adyacente a la rueda 20 de compresora. El lado radialmente externo o periferia 40 del intercambiador 36 térmico está espaciado radialmente hacia adentro desde los alojamientos 12 y 14 permitiendo que el aire comprimido por la rueda 20 de turbina se redirija como se indica por las flechas 74 para entrar al intercambiador 36 térmico en la periferia 40 radialmente externa del mismo. El aire luego pasa a través del intercambiador 36 térmico en una dirección - radialmente hacia adentro y se enfria por el refrigerante que fluye axialmente a través del intercambiador 36 térmico como se mencionó anteriormente. El aire comprimido, enfriado luego se descarga desde el intercambiador 36 térmico como se indica por las flechas 76 en el lado de entrada de la rueda 22 de compresora en donde se comprime adicionalmente y luego se descarga hacia la voluta 34 como se indica por las flechas 78. Este aire comprimido luego se descarga como aire de combustión comprimido al motor interno para soportar la combustión en el mismo. Si se desea, etapas de enfriamiento adicionales se podrían incluir entre la rueda 22 de compresora y el motor. Alternativamente, como se mencionó anteriormente, en un turbocargador de una sola etapa, la rueda 22 de compresora se puede omitir, en cuyo caso el aire que se descarga del lado radialmente interno o periferia 42 del intercambiador 36 térmico se podría descargar directamente hacia la voluta 34. Una particularidad de la invención como se ha descrito hasta ahora incluye el hecho de que la periferia 42 radialmente interna del intercambiador térmico tiene un diámetro mayor que el diámetro externo de la rueda 20 de turbina como se ve en la Figura 1. De esta manera, removiendo los sujetadores 38 y separando el alojamiento 12 del alojamiento 14, el intercambiador 36 térmico se puede deslizar axialmente a la Izquierda como se ve en la Figura 1 y alrededor de la rueda 20 de turbina para dar servicio. Es decir, la rueda 20 de turbina no requiere remoción de la flecha 18 para permitir la remoción del intercambiador 36 térmico. También se observará que gran parte de la plomería para ambos, aire y refrigerante, está contenida dentro del propio turbocargador, -proporcionando un conjunto compacto y reduciendo al mínimo las pérdidas de tubería. Por ejemplo, se evitan completamente mangueras externas, de diámetro grande, que conecta la compresora a un intercambiador térmico externo. Volviendo ahora a la Figura 2, una modalidad del intercambiador 36 térmico se describirá con mayor detalle. El intercambiador 36 térmico incluye un núcleo, generalmente designado 80, emparedado entre los cabezales y tanques 44 y 46. El cabezal y tanque 44 es una tolva anular o de forma de anillo con un fondo 82 flanqueado por la pared 84 latera^ radialmente externa y una pared 86 lateral radialmente interna que topan con el núcleo 80 y están selladas al mismo en las periferias 40 y 42 radialmente externa y radialmente interna, respectivamente. Dentro de la tolva se encuentra un tabique desviador 88 anular que separa un portillo 90 de salida cilindrico tubular en la parte radialmente externa del fondo 82 desde un portillo 92 de entrada cilindrico tubular, en la parte radialmente interna del fondo 82. Si se desea, varios de los portillos 90, 92 se pueden proporcionar, de preferencia en ubicaciones igualmente espaciadas angularmente alrededor del cabezal y tanque 44. El propio núcleo, como se ilustra en la Figura 2, está hecho de una pluralidad de aletas 94 de plata semejantes a anillo que se proporcionan con ranuras de tubo apropiadas para recibir tubos 96 axialmente alargados que están dispuestos en cuatro hileras como se ilustra en la Figura 2. Cuando las aletas de platas tales como las aletas 94 de placa se utilizan, las aberturas en las aletas 94 de placa que reciben los tubos 96 tendrán la misma sección transversal que los tubos y se construirán de manera que se logre un ajuste mecánico hermético para mejorar la transferencia de calor. Soldadura o metal de cobresoldadura también se pueden utilizar para asegurar las aletas 94 y tubos 96 juntos. Los tubos 96 generalmente serán del tipo aplanado de una naturaleza generalmente ovalada, o una sección transversal en forma de cuña, como se describirá. Una sección transversal en forma de cuña se prefiere en construcción que emplea aletas de serpentina mientras que los tubos aplanados se pueden utilizar en ya sea aleta de placa o construcción de aleta de serpentina. El cabezal y tanque 46 es asimismo en forma de tolva, el anillo anular teniendo un fondo 100 flanqueado por paredes 102 y 104 laterales en las partes radialmente interna y radialmente externa del núcleo 80 y metalúrgicamente ligadas y selladas al mismo. De esta manera, el refrigerante que fluye hacia los portillos 92 de entrada se dirige a través de los dos tubos 96 radialmente internos axialmente al cabezal y tanque 46 reentrante. Ya que el cabezal y tanque 46 no tiene un tabique de desviación tal como el tabique 88 de desviación, el flujo de refrigerante, a medida que sale de los tubos 96 para entrar al cabezal y tanque 46, se mueve radialmente hacia afuera a los dos tubos 96 más externos en donde se regresa al portillo 90 de salida. Como se muestra en la Figura 2, el intercambiador 36 térmico se forma como un solo anillo que tiene la extensión completa de 360°. Sin embargo, como se ilustra en la Figura 3, el intercambiador 36 térmico puede romperse en una pluralidad de segmentos independientes mostrados en 106, 108 y 110. Cada uno de los segmentos 106, 108 y 110 se proporcionan con los portillos 90 y 92 asi como las aletas 94 y los tubos 96 (no mostrados en la Figura 3) . Esta construcción permite el uso de un intercambiador térmico mayor, si se desea. Específicamente, con la modalidad mostrada en la Figura 3, la periferia 42 radialmente interna puede ser menor en radio que la rueda 20 de compresora y todavía permitir el servicio fácil. En este caso, es solamente necesario remover el intercambiador 36 térmico segmento por segmento moviendo los segmentos 106, 108, 110 individualmente en combinación de direcciones axial y radial después de que el alojamiento 12 (Figura 1) se ha removido del alojamiento 14. La figura 4 ilustra, de manera fragmentaria, la instalación de la modalidad de la Figura 2 hacia el colector 48. Específicamente, el colector 48 incluye un portillo radialmente externo o perforación 112 y un portillo radialmente interno o perforación 114 que alineados con los portillos 90 y 92, respectivamente. Dentro de cada portillo 112, 114 es un anillo de cuerda tubular/sello 116 que recibe deslizable y sellablemente uno respectivo de los portillos 90, 92 para sellar el intercambiador 36 térmico al colector 48. De esta manera, se proporciona una instrucción de "enchufe" mediante la cual el intercambiador 36 térmico se puede instalar o remover fácilmente del turbocargador . De manera importante, el intercambiador 36 térmico se asegura al alojamiento en el colector 48, pero no se asegura al alojamiento de turbocargador en otras ubicaciones. Como consecuencia, el intercambiador 36 térmico se puede expandir axialmente dentro del alojamiento 10 del mismo. Esto reduce al mínimo es esfuerzo generado por el ciclado térmico que ocurre cuando el intercambiador térmico se pone en uso y luego se retira de uso, y luego se pone en uso nuevamente, etc., como cuando el motor está funcionando, se apaga y se arranca nuevamente. La Figura 5 ilustra una modalidad algo modificada de la invención, en donde el intercambiador 36 térmico está hecho en una pluralidad de segmentos, solamente uno de los cuales se muestra fraccionalmente en la Figura 5. Las aletas 94 de placa se pueden ver fácilmente y se observará que en esta modalidad particular, la placa 120 de cabezal de uno de los cabezales 44, 46 está perforada para proporcionar solamente dos hileras de los tubos 96. Las hileras de tubo están separadas por una área 122 no perforada que se alinea con el tabique 88 de desviación en el cabezal 44. También se verá en las Figuras 5 y 6 que los tubos 96 son de sección transversal en forma de cuña y tienen lados 124, 126 planos, espaciados, que se extienden entre y conectan una extremidad 128 relativamente pequeña, radialmente interna y una extremidad 130 relativamente grande, radialmente externa. El número de tubos en cada hilera es el mismo. En la modalidad ilustrada en la Figura 6 y Figura 7, las aletas 126 de serpentina se pueden emplear debido a que los lados 124, 126 planos orientados de unos adyacentes de los tubos 96 en forma de cuña se hacen estar paralelos entre si, permitiendo de esta manera el uso de aletas de serpentina. Esto es deseable en muchos casos debido a que las aletas de serpentina convencionales, sin modificación, se pueden emplear, mientras que herramientas especiales se requerirán para proporcionar aletas de placa. Al mismo tiempo, las aletas de placa permiten que la sección transversal exterior de cada uno de los tubos 96 se varié algo para lograr las características de flujo deseadas si eso es importante en una aplicación determinada. Se observará de la .Figura 6 que si se desea, los tubos 96, en cualquiera una configuración de aleta de serpentina o de aleta de placa se pueden escalonar, es decir, que los tubos 96 en la hilera radialmente interna están alineados con la aletas 126 en la hilera radicalmente externa y viceversa. Esto aumenta la naturaleza tortuosa de la trayectoria de flujo de aire a través del núcleo 80 y de esta manera mejora la transferencia de calor. En aplicaciones de alta presión, cada uno de los tubos puede incluir una pluralidad de trayectorias de flujo separadas por tramas de manera de impedir que los tubos "vayan alrededor" bajo la influencia de presiones elevadas.

Por lo general, este no será un problema en donde las aletas de placa se utilizan pero podrían ser un problema en donde se emplean aletas de serpentina. También es posible proporcionar una sola hilera de tubos utilizando, por ejemplo, el tubo ilustrado en la Figura 8. Este es un tubo en forma de cuña, extruido con una sola trama 134 separando el interior del tubo hacia una trayectoria 136 de flujo radialmente interna y una trayectoria 138 de .flujo radialmente externa. El cabezal 44 está configurado de manera que el tabique 88 de desviación se alineará con la trama 134 para separa el flujo en los canales 136 y 138. Se observará que la trama 134 está desplazada del centro, de derecha a izquierda, del tubo mostrado en la figura 8 de manera que las áreas de sección transversal de las trayectorias 136 y 138 de flujo son las mismas. Si se desea, un tubo tal como el usado en la Figura 9 se puede emplear. El mismo nuevamente es de sección transversal en forma de cuña y se puede extruir. Este tubo se proporciona con una serie de trayectorias 140 de flujo radialmente interno separadas por tramas 142 para proporcionar resistencia de presión mejorada. Asimismo, incluye una serie de trayectorias 144 de flujo radialmente externas que también se separan por las tramas 142, nuevamente para resistencia de presión. Cada una de las trayectorias 140 y 144 de flujo son de la misma área de sección transversal de manera que la velocidad del refrigerante en las trayectorias 140 de flujo radialmente internas coincidirán la velocidad del refrigerante en las trayectorias 144 de flujo radialmente externas. Las trayectorias de flujo 140 y 144 pueden estar separadas por una región 146 vacia, pequeña que se pretende para alinearse con el tabique 88 de desviación. Las modalidades especificas descritas hasta ahora emplean tubos en forma de cuña para permitir el uso de aletas de serpentina pero se pueden usar también con aletas de placa. Como se menciono arriba, las aletas de serpentina son fácilmente disponibles y se pueden hacer sin modificación para uso en un intercambiador térmico hecho de conformidad con la invención. Hablando en términos generales, una aplicación de presión elevada requiere tubos extruidos. Sin embargo, los tubos en forma de cuña soldados, en forma plana, rebajada o laminada con inserciones de altura variable ligadas a las paredes interiores de los tubos o tubos aplanados similares con inserciones de altura constante se pueden utilizar en aplicaciones de presión relativamente inferior. De hecho, no es necesario usar tubos, como se entiende convencional, en absoluto. Cuando las aletas de placa se están empleando, cada aleta de placa alrededor de una abertura que sirve como parte de un tubo se puede proporcionar con una pestaña que se acuna en una abertura alineada en la aleta adyacente y se sella a la misma. De esta manera, una pila de aletas de placa con conductos integrales que sirven como tubos proporcionan una construcción de tubo. Esta técnica no realiza parte de la invención, siendo conocida en el ramo. Se menciona sencillamente como una alternativa aceptable para el uso de tubos tales como los descritos en la presente. Cuando las hileras interna y externa de tubos tienen tubos de la misma sección transversal exterior, la altura de aleta de las hileras externas se aumenta como se puede asegurar de la Figura 6, proporcionando de esta manera una cantidad aumentada de área superficial de lado de aire en el intercambiador térmico para mejorar el funcionamiento . Por otra parte, las aletas con la misma altura de aleta se pueden usar en todas las hileras si las secciones transversales de los tubos radialmente externos se hacen mayores para conservar espaciamiento idéntico entre tubos adyacentes . Hasta el grado que este aumenta el área de flujo de refrigerante en la parte radialmente externa de los tubos, y de esta manera puede reducir el funcionamiento en el lado de refrigerante del intercambiador térmico, es posible superior esto utilizando el tubo de la Figura 9. Volviendo ahora a las Figuras 10-12, inclusive, se pueden emplear otras construcciones de tubo y aleta. En la Figura 10, las aletas 150 de laca (solamente una de las cuales se muestra) en hileras interna y externa, generalmente designadas 152 y 154 respectivamente, incluyen tubos 96 aplanados. El número de los tubos 96 en la hilera 154 externa se puede hacer idéntico al número de tubos 96 en la hilera 152 interna y se verá que los tubos en la hilera 152 externa están escalonados con respecto a los tubos en la hilera 154 externa. Específicamente, los tubos 96 en la hilera 152 interna están alineados con los espacios entre dos adyacentes de los tubos 96 en la hilera 154 externa para proporcionar una trayectoria de flujo tortuosa para el aire comprimido a medida que pasa a través de las aletas 150 y los tubos 96. Además, se verá que el eje 153 principal de los tubos 96, cuando está extendido, no va a través del centro 155 del núcleo sino que estará tangencial a un circulo (no mostrado) concéntrico con el centro 155 del núcleo. Como es bien sabido, la naturaleza de la compresora giratoria tal como la mostrada en 20 (Figura 1) es tal que el flujo saliente de aire comprimido desde el mismo está oscilando circunferencialmente, como por ejemplo, en una dirección indicada por una flecha 156 en la Figura 10 así como moviéndose axialmente a lo largo del lado 40 radialmente externo (Figura 1] del núcleo. El biselado de los tubos 96 es contra la dirección del flujo de aire oscilante 156 y proporciona una transición más suave del gas hacia los espacios entre los tubos 96 para reducir al mínimo las pérdidas de giro de la corriente de gas, y de esta manera reducir la pérdida de presión. La Figura 11 muestra un tipo alternativo de disposición de tubo y aleta que es idéntica a la mostrada en la Figura 10, excepto por el hecho de que los tubos 96 en la hilera 152 interna están alineados con los tubos 96 en la hilera 154 externa. La Figura 12 muestra todavía otra modalidad que emplea aletas 150 de placa con una sola hilera de tubos, generalmente designada 160. En este caso, los tubos 96 en la hilera 160 son tubos aplanados que se pueden construir con múltiples canales como en el caso de las modalidades ilustradas y descritas en conexión con las Figuras 8 y 9. Nuevamente, los tubos 96 están inclinados de manera opuesta a la dirección de torbellino 156 del flujo de aire. Como será evidente a la vista que discierne, en las modalidades ilustradas en las Figuras 6, 7, y 10-12, el área de sección transversal de la trayectoria de flujo de gas a través del núcleo disminuye a medida que se prosigue desde el lado 40 radialmente externo del núcleo al lado 42 radialmente interno del mismo. En el caso de la modalidad mostrada en las Figuras 6 y 7, esto se debe a las diferentes alturas de aleta de las aletas 126 en la hilera radialmente interna y las aletas 126 en la hilera radialmente externa como es evidente de la Figura 7. Esta modalidad, desde luego, emplea tubos en forma de cuña.

En el caso de la modalidad mostrada en las Figuras 10-12, inclusive, cuando se emplean tubos 96 aplanados, se debe al hecho de que los ejes principales de los tubos 96 convergen uno sobre el otro, de manera que las paredes laterales de los mismos, a medida que una se mueve desde el lado 40 radialmente externo del núcleo al lado 42 radialmente interno del mismo. De esta manera, cuando el flujo está en la dirección preferida, es decir, desde la periferia 40 radialmente externa del núcleo a la periferia 42 radialmente interna, a medida que el aire comprimido se enfria dentro del intercambiador 36 térmico, se hace menos denso y su volumen se reduce a medida que fluya una área de menor volumen dentro del intercambiador 36 térmico. Esta particularidad de la invención permite que la velocidad de aire se mantenga a medida que pasa a través del intercambiador 36 térmico para aumentar la eficiencia de intercambiador térmico sin caída de presión que aumente indebidamente. Se apreciará que si el flujo de aire fue a través de una trayectoria de flujo de gas de área de sección transversal constante, la velocidad del flujo de aire a través del intercambiador 36 térmico disminuiría progresivamente a medida que el aire comprimido se enfrió, reduciendo de esta manera su velocidad y al mismo tiempo, reduciendo el coeficiente de transferencia térmica. Consecuentemente, la particularidad justamente descrita de la invención aumenta eficiencia de transferencia térmica manteniendo la velocidad a un nivel deseado. Desde luego, si la disminución de velocidad no fuera de importancia, el área de sección transversal se podría hacer constante, como por ejemplo, usando tubos en forma de cuña con los lados adyacentes de tubos adyacentes estando paralelos entre sí y con menos tubos en la hilera radialmente interna que en la hilera radialmente externa. La reducción en área de sección transversal se puede lograr ya sea como una función por pasos como ocurrirá con la construcción ilustrada en las Figuras 6 y 7 o como una disminución gradual y progresiva en área de sección transversal en la periferia 40 externa a la periferia 42 interna como con las modalidades ilustradas en las Figuras 10-12 inclusive. También debe observarse que la particularidad de la invención que emplea la inclinación de los tubos 96 para reducir la caída de presión reduciendo pérdidas de giro, mientras que se ilustra con tubos aplanados, también se puede lograr a través del uso de tubos en forma de cuña. Otras ventajas serán evidentes a los expertos en el ramo a partir de la descripción anterior que se pretende que son ejemplos y no limitativos.

Claims

29
REIVINDICACIONES 1. - En una máquina giratoria que incluye una flecha giratoria alrededor de un eje y que tiene una rueda de compresora en la misma y un alojamiento que articula la flecha y que contiene la rueda de compresora y que tiene una entrada a la rueda de compresora y una salida; un núcleo de intercambiador térmico dentro del alojamiento de forma de dona o toroidal dispuesto generalmente de manera concéntrica alrededor del eje, el núcleo teniendo una trayectoria de flujo de gas generalmente radial con una entrada radialmente externa en comunicación de fluido con una salida de la rueda de compresora y una salida radialmente interna en comunicación de fluido con la salida de alojamiento, el núcleo incluyendo además una trayectoria de flujo de refrigerante en relación de intercambio térmico con la trayectoria de flujo de gas, y caracterizado por el área de sección transversal de la trayectoria de flujo de gas que es menor cerca de la salida de núcleo que el área de sección transversal en la trayectoria de flujo de gas cerca de la entrada de núcleo para evitar una disminución no deseable en velocidad de gas en el núcleo a medida que el gas se hace más denso como resultado de enfriamiento por el refrigerante en la trayectoria de flujo de refrigerante, la trayectoria de flujo de refrigerante incluyendo tubos tipo 30 aplanado . 2. - La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 1, en donde han una disminución por pasos en las áreas de sección transversal .
3.- La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 1, en donde hay una disminución gradual en el área de sección transversal de la trayectoria de flujo de gas desde la entrada de gas a la salida de gas.
4. - En una máquina giratoria que incluye una flecha giratoria que tiene cuando menos una rueda de compresor en la misma y un alojamiento que contiene cuando menos la una rueda de compresora y que tiene una entrada a la rueda de compresora y una salida; un intercambiador térmico en el alojamiento colocado entre la rueda de compresora y la salida, el intercambiador térmico teniendo una trayectoria de flujo de gas que tiene una extensión radial substancial y que tiene una entrada de gas en comunicación de fluido con la rueda de compresora y una salida de gas en comunicación de fluido con la salida de alojamiento, el intercambiador térmico teniendo un núcleo en forma de dona con una abertura central concéntrica alrededor de la flecha y con la entrada de gas estando definida por la periferia radialmente externa del núcleo y la salida de gas siendo definida por la periferia radialmente interna del núcleo, y trayectorias 31 de flujo de refrigerante en el núcleo construidas de tubos de tipo aplanado que se extienden generalmente de lado a lado en el mismo, las trayectorias de flujo de refrigerante tienen entradas comunes y salidas comunes, las entradas comunes y las salidas comunes estando en el mismo lado del núcleo y estando definidas por tanques circulares respectivos formados de una pluralidad de segmentos arqueados separados.
5. - En una máquina giratoria que incluye una flecha giratoria que ' tiene cuando menos una rueda de compresora en la misma y un alojamiento que contiene cuando menos la una rueda de compresora y que tiene una entrada a la rueda de compresora y una salida; un intercambiador térmico en el alojamiento colocado entre la rueda de compresora y la salida, el intercambiador térmico teniendo una trayectoria de flujo de gas que tiene una extensión radial substancial y que tiene una entrada de gas en comunicación de fluido con la rueda de compresora y una salida de gas en comunicación de fluido con la salida de alojamiento, el intercambiador térmico teniendo un núcleo en forma de dona con una abertura central concéntrica alrededor de la flecha y con la entrada de gas estando definida por una periferia radialmente externa del núcleo y la salida de gas estando definida por una periferia radialmente interna del núcleo, y 32 trayectorias de flujo de refrigerante en el núcleo que se extienden generalmente de lado a lado en el mismor las trayectorias de flujo de refrigerante tienen entradas comunes y salidas comunes, las entradas comunes y salidas comunes estando en el mismo lado del núcleo y estando definidas por tanques circulares respectivos que tienen portillos axialmente dirigibles que se pueden alinear con portillos axialmente dirigidos en el alojamiento, los portillos de tanque y los portillos de alojamiento teniendo construcciones macho/hembra selladas, coincidentes que permiten que el lado del núcleo opuesto al mismo lado se mueva axialmente con relación al alojamiento, el núcleo estando separablemente asegurado al alojamiento.
6.- La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 5, en donde la abertura central es de radio mayor que la rueda de compresora.
7. - La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 5, en donde la abertura central es de radio menor que la rueda de compresora.
8. - La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 7, en donde el intercambiador térmico está hecho de una pluralidad de segmentos arqueados.
9.- en una máquina giratoria que incluye una flecha giratoria que tiene cuando menos una rueda de compresora en la misma y un alojamiento que contiene cuando 33 menos la una rueda de compresora y que tiene una entrada a la rueda de compresora y una salida; un intercambiador térmico en el alojamiento colocado entre la rueda de compresora y la salida, el intercambiador térmico teniendo una trayectoria de flujo de gas que tiene una extensión radial substancial y que tiene una entrada de gas en comunicación de fluido con la rueda de compresora y una salida de gas en comunicación de fluido con la salida de alojamiento, el intercambiador térmico teniendo un núcleo en forma de dona con una abertura central concéntrica alrededor de la flecha y con la entrada de gas estando definida por la periferia radialmente externa del núcleo y la salida de gas estando definida por una periferia radialmente interna del núcleo, y trayectorias de flujo de refrigerante en el núcleo que se extienden generalmente de lado a lado en el mismo y definidas por cuando menos una hilera circular de construcciones de tubo alargas, que se extienden axialmente, de sección transversal de forma de cuña que tienen una extremidad radialmente externa relativamente amplia y una extremidad radialmente interna relativamente estrecha, y aletas que se extienden entre las construcciones de tubo.
10.- La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 9, en donde cada construcción de tubo tiene 34 lados planos, espaciados que se extienden entre las extremidades y lados planos orientados de construcciones de tubo adyacentes en la hilera están paralelas entre si.
11. - La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 10, que incluye aletas de serpentina que se extienden entre y ligadas a lados planos orientados de construcción de tubo adyacente.
12. - La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 9, en donde hay cuando menos dos trayectorias de flujo separadas en cada construcción de tubo.
13. - La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 9, en donde hay cuando menos dos de las hileras de las construcciones de tubo.
14. - La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 13, en donde las construcciones de tubo en una de las hileras están escalonadas con respecto a las construcciones de tubo en una hilera de las mismas adyacente a la una hilera.
15. - La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 13, en donde el espaciamiento entre las construcciones de tubo adyacentes en una radialmente externa de las hileras es mayor que el espaciamiento entre construcciones de tubo adyacentes en una radialmente interna de las hileras. 35
16.- Para uso como un refrigerante de gas dentro de una máquina giratoria, un intercambiador térmico para enfriar aire comprimido antes de su uso, la combinación de: un núcleo generalmente cilindrico con un centro cilindrico abierto adaptado para recibir un componente giratorio del cargador de aire de combustión, el intercambiador térmico teniendo un núcleo definido por cuando menos una hilera circular de construcciones de tubo de tipo aplanado, separadas, que son alargadas axialmente en una disposición anular alrededor del centro abierto, la cuando menos una hilera definiendo una trayectoria de flujo de refrigerante radialmente interna y una radialmente externa que se extienden axialmente a través del núcleo entre los lados del mismo, y aletas que se extienden entre las construcciones de tubo para definir una trayectoria de flujo lateral de aire que se extiende desde una periferia radialmente externa del núcleo al centro abierto generalmente de manera radial a través de las aletas y entre las construcciones de tubo espaciadas; un cabezal de entrada/salida semejante a tolva anular ajustado a un lado del núcleo y que tiene una sección anular radialmente externa en comunicación de fluido con la trayectoria de flujo de refrigerante radialmente externa y una sección anular radialmente 36 interna en comunicación de fluido con las trayectorias de flujo radialmente internas; un cabezal de redirección de flujo anular, semejante a tolva y tanque ajustados en el lado opuesto del núcleo y en comunicación de fluido con ambas trayectorias de flujo radialmente interna y radialmente externa; un portillo de entrada macho axialmente dirigido en el cabezal y tanque de entrada/salida en comunicación de fluido con una de las secciones; y un portillo de salida macho axialmente dirigido en el cabezal y tanque de entrada/salida en comunicación de fluido con la otra de las secciones .
17. - El intercambiador térmico de conformidad con la reivindicación 16,m en donde el cabezal y tanque de entrada/salida incluye un tabique de desviación anular que separa las secciones.
18. - El intercambiador térmico de conformidad con la reivindicación 16, en donde hay cuando menos dos de las hileras de construcciones de tubo, una definiendo la trayectoria de flujo de refrigerante radialmente externa y otra que define la trayectoria de flujo radialmente interna.
19. - El intercambiador térmico de conformidad con la reivindicación 16, en donde cada una de las construcciones de tubo está dividida en una trayectoria de 37 flujo radialmente interna y una trayectoria de flujo radialmente externa.
20. - El intercambiador térmico de conformidad con la reivindicación 16, en donde cada una de las construcciones de tubo es de forma de cuña y tiene una extremidad relativamente amplia, radialmente externa y una extremidad radialmente interna, relativamente angosta conectadas por paredes laterales espaciadas .
21. - El intercambiador térmico de conformidad con la reivindicación 20, en donde las paredes laterales de la construcción de tubo adyacente en la hilera están orientadas entre si y paredes laterales orientadas están generalmente paralelas .
22. - El intercambiador térmico de conformidad con la reivindicación 21, en donde aletas de serpentina están colocadas entre las paredes laterales orientadas.
23. - El intercambiador térmico de conformidad con la reivindicación 16, en donde las construcciones de tubo se forman de tubos.
24.- En una máquina giratoria que incluye una flecha giratoria que tiene cuando menos una rueda de compresora en la misma y un alojamiento que contiene cuando menos la una rueda de compresora y que tiene una entrada a la rueda de compresora y una salida; un intercambiador térmico en el alojamiento 38 colocado entre la rueda de compresora y la salida/ el intercambiador térmico teniendo una trayectoria de flujo de gas que tiene una extensión radial substancial y que tiene una entrada de gas en comunicación de fluido con la rueda de compresora y una salida de gas en comunicación de fluido con la salida de alojamiento, el intercambiador térmico teniendo un núcleo en forma de dona con una abertura central concéntrica alrededor de la flecha y con la entrada de gas estando definida por la periferia radialmente externa del núcleo y la salida de gas estando definida por la periferia radialmente interna del núcleo, y construcción de tubo de refrigerante en el núcleo que se extiende generalmente de lado a lado en el mismo, la construcción de tubo incluyendo tubos de tipo aplanado inclinados a un lado de lineas radiales que se extienden a través del eje de rotación de la flecha y contra una dirección de torbellino de gas que sale de la rueda de compresora para reducir la caida de presión.
25.- La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 24, en donde las construcciones de tubo están en cuando menos dos hileras incluyendo una hilera radialmente interna y una hilera radialmente externa, una sirviendo como la entrada de gas y la otra sirviendo como la salida de gas, y las construcciones de tubo inclinadas están en dicha una hilera. 39
26.- La máquina giratoria de conformidad con la reivindicación 25, en donde las construcciones de tubo inclinadas están en ambas hileras .