MXPA06004372A - Permutador termico - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un permutador térmico (1), especialmente para vehículos de motor, comprendiendo un alojamiento (2) y al menos un conducto (3) colocado dentro de dicho alojamiento (2). El permutador térmico se caracteriza porque las estructuras (4) se proporcionan en elárea entre los conductos (3) y el alojamiento (2) y/o entre los conductos (3).

Description

PERM UTADOR TÉRMICO La invención se refiere a un permutador térmico, en particular para un automóvil, según se describe en el preámbulo de la reivindicación 1 . Medidas extensivas, tales como por ejemplo supercarga aumentada, más exactas que influyentes de las condiciones de combustión, se requieren para satisfacer el aumento en demandas impuesto en motores modernos con respecto a la reducción de emisiones y consumo de combustible. Esto también conduce a condiciones más arduas de uso para permutadores térmicos de automóvil, presiones refrigerantes y gas específicamente más altas, temperaturas aumentas y rendimientos volumétricos mayores. Al mismo tiempo, las demandas impuestas en la densidad de energía y vida de servicio también se encuentran en aumento. En algunos casos, por lo tanto, se requieren ahora conceptos de refrigeración. Por ejemplo, en el caso de enfriadores de carga-aire, los enfriadores de aire/aire que se han utilizado normalmente se encuentran al menos en parte reemplazándose por enfriadores de aire/líquido a fin de lograr el funcionamiento requerido y las densidades de energía requeridas a cuenta de la supercarga de motor alta. En el caso de permutadores térmicos de gases de escape, se requieren velocidades de recirculación de gases de escapa más altas, incluyendo de igual forma condiciones de operación aún más arduas en términos de presiones, temperaturas y densidades de energ ía. Por lo tanto, se encuentran tensiones mecánicas más altas en los permutadores térmicos modernos, en particular con respecto la presión y oscilaciones. Las diferencias de temperatura alta entre el medio primario, que se enfriará y generalmente se encuentra en forma de gas, y el medio secundario refrigerante, que generalmente se encuentra en forma líquida, conducen a diferentes niveles de calentamiento de componente en el lado primario y el lado secundario. En el caso de permutadores térmicos de gases de escape, la diferencia de temperatura puede contar por más de 700 K, y en el caso de enfriadores de carga-aire hasta 300 K. A causa de las diferentes expansiones longitudinales térmicas entre los lados, primario y secundario, se producen considerables tensiones térmicas. En el caso de cambios rápidos en el estado de operación, estas tensiones térmicas pueden también agravarse mediante distribuciones de temperatura irregulares (choques térmicos). Además, a causa de densidades de energía del permutador térmico más altas, el riesgo de cocción refrigerante aumenta, lo cual puede conducir a pérdidas de energía aumentadas y vidas de servicio más cortas. Finalmente, los procesos y los materiales utilizados son objetos de restricciones considerables a causa de la aparición del medio altamente corrosivo, por ejemplo, condensado del gas de escape en el caso de permutadores térmicos de gases de escape, lo cual dado las demandas aún crecientes impuestas en la densidad de energía conduce a problemas aún mayores en proporcionar una solución técnica a largo plazo para balancear suficiente resistencia de los canales de flujo a presiones internas y externas con suficiente resistencia a oscilaciones inducidas y tensiones térmicas, mientras que se evita la cocción. Un objeto de la invención es proporcionar un permutador térmico mejorado. Este objeto se logra mediante el permutador térmico que tiene las características de la reivindicación 1 . Las configuraciones ventajosas forman la materia objeto de las sub-reivindicaciones. La invención proporciona un permutador térmico que tiene un alojamiento y al menos un tubo colocado en el alojamiento, las estructuras proporcionándose entre los tubos y el alojamiento y/o entre los tubos individuales. El medio primario fluye a través de los tubos. El medio secundario se pasa dentro de los espacios entre los tubos individuales y/o entre los tubos y el alojamiento, en los cuales también se colocan las estructuras. Las estructuras aumentan la resistencia al proporcionar una acción de rigidez con respecto a presiones internas y externas que actúan en los tubos. Además, el acoplamiento entre los tubos y el alojamiento provoca la compensación continua para las tensiones térmicas entre los lados, primario y secundario, sobre la longitud completa del enfriador, de tal forma que las tensiones en los extremos de los tubos se reducen considerablemente. Las estructuras también se utilizan para distribución y desvío de fluido dentro del permutador térmico.

Además, las placas metálicas con aletas permiten mejor transferencia de calor, con el resultado de que las tensiones térmicas pueden reducirse mediante la transferencia de calor mejorada. El área de superficie de transferencia de calor aumentada conduce a mejor enfriamiento de los tubos, y puede evitarse la cocción. Por lo tanto, de manera global, el resultado es un aumento considerable en la densidad de energía del permutador térmico en comparación a los permutadores térmicos convencionales sin estructuras. Así como las estructuras, se prefiere para las estructuras de lámina-metal en la forma de tubos separados, placas metálicas con aletas, placas metálicas dentadas o lo similar a introducirse. El permutador térmico, en particular, puede ser un permutador térmico de gases de escape o enfriador de carga-aire, pero también pueden ser otra forma de permutador térmico, por ejemplo, otro permutador térmico de gas-líquido, en el cual el gas caliente fluye a través del permutador térmico (enfriador) en tubos a fin de enfriarse, un permutador térmico de líquido-gas, en el cual el gas frío fluye a través del permutador térmico (calentador) en tubos a fin de calentarse, o un permutador térmico de líquido-líquido. Como una alternativa a utilizar estructuras de lámina-metal, también es posible para los tubos y/o el alojamiento diseñarse correspondientemente con estructuras, es decir, en particular, la superficie de tubo puede ser de tipo aleta y/o diseño tipo diente. Las estructuras preferentemente tienen una altura de desde 1 mm a 5 mm, preferentemente 1 mm a 3 mm, particularmente preferentemente 15 mm. La pendiente L de las estructuras es preferentemente 0.1 a 6 veces, particularmente preferentemente 0.5 a 4 veces, la altura de estructura h. La pendiente transversal Q es preferentemente 0.1 5 a 8 veces, particularmente preferentemente 0.5 a 5 veces, la altura de estructura h. La proporción de altura de paso entre los tubos y altura de paso dentro del tubo en la región de estructuras es preferentemente de 0.1 a 1 , preferentemente de 0.2 a 0.7. El diámetro hidráulico entre los tubos en la región con las estructuras es preferentemente de 0.5 mm a 10 mm, para preferencia de 1 mm a 5 mm. Es preferible para las estructuras unirse de manera fija al alojamiento y/o los tubos, en particular mediante soldadura. En este caso, en particular una conexión fija sobre una gran parte de la longitud del permutador térmico, con o sin interrupciones, por ejemplo, para mejorar la distribución de refrigerante, se proporciona. La conexión fija muy eficazmente aumenta la resistencia a la presión externa (presión en exceso en el lado secundario), ya que las estructuras proporcionaron rodillos altos que previenen al tubo de colapsarse. Además, las oscilaciones en los tubos relativamente inestables de permutadores térmicos convencionales se amortiguan por las estructuras, y las tensiones térmicas se ecualizan muy eficazmente. Además, la conexión fija ayuda con la transferencia de calor desde los tubos hacia las estructuras, dando como resultado mejor enfriamiento de los tubos. Además, el número de tubos puede reducirse mediante una transferencia de calor mejorada, de tal forma que los costos de producción pueden disminuirse.

Los tubos preferentemente se forman al menos en parte por tubos planos. Los tubos planos en este contexto tienen un rendimiento termodinámico significativamente mejor que los tubos redondos pero tienen una habilidad inferior de soportar presión, y por consecuencia se requieren medidas para aumentar la habilidad de soportar la presión para los tubos planos, tal como de acuerdo con la invención una estructura de soporte sobre el lado externo de los tubos. Los tubos planos en particular tienen una sección transversal aproximadamente rectangular con esquinas redondas. Además, es posible proporcionar tubos rectangulares de pieza única. Estos pueden tener una hendidura longitudinal que puede soldarse, por ejemplo soldarse por láser, soldarse por fricción, soldarse por inducción, o soldarse. Los tubos rectangulares pueden también construirse de cortezas que se soldán o se soldán juntas. Los tubos pueden también tener cualquier otra forma deseada, por ejemplo, oval, y/o pueden tener orejetas laterales que se soldán y/o se soldán. Además, para compensarse para tolerancias entre el alojamiento y tubos y las estructuras colocadas entre ellas, los tubos pueden ser de diseño ligeramente convexos. También es posible para aparatos para producir una corriente turbulenta (aletas) proporcionarse en y/o sobre los tubos. La superficie de tubo (interna y/o externa) también puede estructurarse a fin de generar turbulencia. Es preferible para las estructuras al menos en parte tener una construcción inhomogénea, con el resultado de que el refrigerante puede suministrarse en forma objetivo para regiones críticas, de tal forma que el sobrecalentamiento o cocción puede evitarse. Un suministro correspondientemente aumentado de refrigerante también puede lograrse por la emisión parcial de estructuras. La pérdida de presión en el permutador térmico y la distribución transversal del refrigerante en el permutador térmico puede optimizarse por estas medidas. Las regiones con estructuras inhomogéneas se encuentran preferentemente en la región de entrada y/o de salida del fluido. Se utilizan en particular para diversión de flujo y para minimizar la pérdida de presión. La estabilidad de las estructuras puede aumentarse por al menos dentado parcial, y además las trayectorias de flujo del refrigerante pueden optimizarse de tal modo. Para simplificar la estructura del permutador térmico, el alojamiento se forma preferentemente en dos o más partes, en particular como una corteza en forma de U con una cubierta, en cuyo caso una cámara de agua puede integrarse en la cubierta. Sin embargo, en principio, una construcción de parte única, por ejemplo con una cámara de agua íntegramente formada, también es posible. Las estructuras también pueden proporcionarse en los tubos por sí mismas, en cuyo caso todas las estructuras anteriormente mencionadas que pueden proporcionarse entre los tubos pueden también integrarse en los tubos. Las estructuras se forman preferentemente por placas metálicas con aletas o placas metálicas dentadas que se unen al tubo por ejemplo por soldeo, soldadura o fijación . Las estructuras preferentemente tienen una altura de desde 1 mm a 5 mm, preferentemente 1 mm a 3 mm, particularmente preferentemente 1 .5 mm. La pendiente L de las estructuras es preferentemente 0.5 a 6 veces la altura de estructura h. La pendiente transversal Q es preferentemente 0.5 a 8 veces la altura de estructura h. El diámetro hidráulico en el tubo en la región que tiene estructuras es preferentemente de 0.5 mm a 10 mm, para preferencia 1 mm a 5 mm. El texto que sigue proporciona una explicación más detallada de la invención sobre la base de una modalidad ejemplar y con referencia al dibujo, en el cual: Fig. 1 muestra una sección a través de un permutador térmico de gases de escape, Fig. 2 muestra una vista en perspectiva del permutador térmico de la fig. 1 , Fig. 3 muestra una vista en perspectiva esquemática de una placa metálica con aletas, Fig. 4 muestra una vista en perspectiva esquemática de una placa metálica con aletas de acuerdo con una variante, y Fig. 5a-d muestran un número de variantes de regiones de entrada. Un permutador térmico de gases de escape 1 tiene un alojamiento de dos partes 2 y una pluralidad de tubos 3 colocados en este alojamiento 2. Las placas metálicas con aletas 4 se proporcionan entre los tubos individuales 3 y entre el alojamiento 2 y los tubos 3 como estructuras, estas placas metálicas con aletas 4 de acuerdo con la presente modalidad ejemplar siendo dentada, según se ilustra en la fig . 3 y se describe a mayor detalle abajo. Los tubos 3 en el presente caso son tubos planos. El gas de escape que se enfriará y viene del motor (medio primario gaseoso) se pasa a través de los tubos individuales 3; la dirección de flujo se indica por las dos flechas sólidas en la fig. 2. El alojamiento 2 en el cual los tubos 3 se colocan, comprende una primera parte de alojamiento en forma de U 2', y una cubierta de alojamiento 2" que se fija sobre la primera parte de alojamiento 2' desde arriba. Dos piezas de conexión refrigerantes 5 se proporcionan en la cubierta de alojamiento 2" como entrada y salida para el refrigerante (medio secundario líquido), la dirección de flujo del refrigerante en la operación co-corriente que se representa por flechas con guiones en la fig. 2. El flujo en modo contra corriente también es posible, para cuyo propósito la dirección de flujo se invierte. Ya que el refrigerante se pasa a través del alojamiento 2 y alrededor de los tubos 3, las placas metálicas con aletas 4 se colocan sobre el lado refrigerante. Las placas metálicas con aletas 4 formadas con dentado vertical hacen fácil para el refrigerante pasar a través de la dirección de la flecha representada por una línea sólida en la fig. 3 y más difícil para el refrigerante pasar a través de la dirección indicada por una flecha con guiones en la fig. 3. El flujo puede influirse al cambiar la pendiente longitudinal L y la pendiente transversal Q así como también la altura de aleta h. Además de un dentado vertical, el dentado oblicuo también es posible. Dada la configuración adecuada de las placas metálicas con aletas individuales 4, estas placas también pueden ayudar al paso del refrigerante en forma objetiva en ubicaciones particularmente críticas, para cuyo propósito las placas metálicas con aletas 4 son inhomogéneas al menos en regiones. La Fig. 4 ilustra una variante simple de una placa metálica con aletas con una aleta que se ejecuta en una dirección vertical que tiene una pendiente longitudinal L de 2.4 mm y una aleta o altura de estructura h de 1 .5 mm. La placa metálica con aletas también puede curvarse desde una placa metálica perforada, de tal forma que los flancos de corrugación individuales son permeables a causa de las perforaciones. De acuerdo a una variante que no se ilustra en el dibujo, una construcción correspondiente se utiliza para un enfriador de carga-aire. La Fig. 5a-d muestran varias regiones inhomogéneas de las estructuras que forman las placas metálicas con aletas 4. Estas efectúan mejor distribución del fluido a medida que fluye en las mismas. De acuerdo a la primera variante, ilustrada en la fig. 5a, los pasos de distribución transversal se proporcionan por deformación o troquelado. De acuerdo a las variantes ilustradas en la fig. 5b y 5c, las placas metálicas con aletas 4 se han cortado parcialmente. La Fig. 5d muestra una variante con una estructura distribuidora especial formada sobre la placa metálica con aletas 4. Una región inhomogénea correspondiente a la fig. 5a a 5d también puede proporcionarse en el lado de flujo de salida.

Claims (10)

1. REIVINDICACIONES 1 . Un permutador térmico, en particular para automóviles, teniendo un alojamiento (2) y al menos un tubo (3) colocado en el alojamiento (2), caracterizado porque las estructuras se proporcionan en la región entre los tubos (3) y el alojamiento (2) y/o entre los tubos individuales (3).
2. 2. El permutador térmico según la reivindicación 1 , caracterizado porque las estructuras se forman de estructuras de lámina-metal colocadas entre los tubos (3) y el alojamiento (2) y/o entre los tubos individuales (3).
3. 3. El permutador térmico según la reivindicación 2, caracterizado porque las estructuras de lámina-metal son placas metálicas con aletas (4), placas metálicas dentadas o tubos separados.
4. 4. El permutador térmico según la reivindicación 1 , caracterizado porque las estructuras se forman directamente sobre el alojamiento (2) y/o los tubos (3).
5. 5. El permutador térmico según la reivindicación 4, caracterizado porque las estructuras se producen por medio de troquelado.
6. 6. El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las estructuras se unen fijamente al alojamiento (2) y/o los tubos (3), en particular por soldadura.
7. 7. El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los tubos (3) se encuentran al menos en parte formadas por tubos planos.
8. 8. El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los tubos (3) tienen dientes de soporte sobre el lado externo del tubo.
9. 9. El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los tubos (3) tienen una superficie de tubo sobre el lado interno y/o externo que se estructura a fin de generar turbulencia.
10. 10. El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las estructuras (4) al menos en parte tienen una estructura inhomogénea. 1 1 . El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las estructuras (4) son al menos parcialmente dentadas. 12. El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el alojamiento (2) se forma en dos o más partes. 13. El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque un medio que se enfriará fluye dentro de los tubos (3) , y un refrigerante fluye en el espacio entre el alojamiento (2) y los tubos (3) y estructuras (4). 14. El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las estructuras (4) se colocan en el lado refrigerante en el alojamiento (2) del permutador térmico (1 ). 15. El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las estructuras se colocan en el interior de al menos un tubo. 16. El permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las estructuras se forman como al menos una aleta que es en particular vertical o de profundidad ondulante y/o en particular tiene aletas. 17. El uso del permutador térmico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 como un permutador térmico de gases de escape o un enfriador de carga-aire de un automóvil.