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ES2401626A2 - Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor - Google Patents

Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor Download PDF

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ES2401626A2 ES201131607A ES201131607A ES2401626A2 ES 2401626 A2 ES2401626 A2 ES 2401626A2 ES 201131607 A ES201131607 A ES 201131607A ES 201131607 A ES201131607 A ES 201131607A ES 2401626 A2 ES2401626 A2 ES 2401626A2
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Abstract

Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. Intercambiador de calor (1) para gases, en especial de los gases de escape de un motor, que comprende un haz de tubos (2) dispuestos en el interior de una carcasa (3) definiendo una entrada (4) y una salida (5) de gases, destinados a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido refrigerante, siendo el área de entrada de gases (4) menor que el área transversal real del haz de tubos (2), y unos medios perturbadores del flujo de gases dispuestos en el interior de cada tubo (2). Dichos medios perturbadores incluyen una pluralidad de aletas (10) que definen unas trayectorias intercomunicadas (11) para el paso del flujo de gases a su través. Se mejora la distribución del flujo de gases en el interior de los tubos (2), manteniendo la compacidad del intercambiador de calor (1).

Description

INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA GASES, EN ESPECIAL DE LOS GASES DE ESCAPE DE UN MOTOR
La presente invención se refiere a un intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor.
La invención se aplica especialmente en intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor (EGRC).
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La función principal de los intercambiadores EGR es el intercambio de calor entre los gases de escape y el fluido refrigerante, con el fin de enfriar los gases.
Actualmente, los intercambiadores de calor EGR son ampliamente usados para aplicaciones Diesel con el fin de reducir las emisiones, y también son usados en aplicaciones de gasolina para reducir el consumo de combustible.
El mercado tiende a reducir el tamaño de los motores, y a la aplicación de los intercambiadores de calor EGR no solo en aplicaciones de alta presión (HP) sino también en los de baja presión (LP); ambas tienen un impacto en el diseño de los intercambiadores de calor EGR. Los fabricantes de vehículos demandan intercambiadores de calor EGR con mayores rendimientos y, a la vez, el espacio disponible para colocar el intercambiador y sus componentes es cada vez más pequeño y más difícil de integrar.
Adicionalmente, en muchas aplicaciones el flujo de fluido refrigerante disponible para enfriar los gases de escape tiende a ser menor aunque los rendimientos del intercambiador hayan ido incrementando.
La configuración actual de los intercambiadores EGR en el mercado se corresponde con un intercambiador de calor metálico fabricado generalmente de acero inoxidable o aluminio.
Básicamente, hay dos tipos de intercambiadores de calor EGR: un primer tipo consiste en una carcasa en cuyo interior se dispone un haz de tubos paralelos para el paso de los gases, circulando el refrigerante por la carcasa, exteriormente a los tubos, y el segundo tipo consta de una serie de placas paralelas que constituyen las superficies de intercambio de calor, de manera que los gases de escape y el refrigerante circulan entre dos placas, en capas alternadas, pudiendo incluir aletas para el mejorar el intercambio de calor.
En el caso de intercambiadores de calor de haz de tubos, la unión entre los tubos y la carcasa puede ser de diferentes tipos. Generalmente, los tubos están fijados por sus extremos entre dos placas de soporte acopladas en cada extremo de la carcasa, presentando ambas placas de soporte una pluralidad de orificios para la colocación de los respectivos tubos.
Dichas placas de soporte están fijadas a su vez a unos medios de conexión con la línea de recirculación, que pueden consistir en una conexión en V o bien en un reborde periférico de conexión o brida, dependiendo del diseño de la línea de recirculación donde está ensamblado el intercambiador. Dicha brida puede estar ensamblada junto con un depósito de gas, de manera que el depósito de gas es una pieza intermedia entre la carcasa y la brida, o bien la brida puede estar ensamblada directamente a la carcasa. Este último diseño corresponde frecuentemente a los casos donde el intercambiador está unido directamente a una válvula EGR, que tiene la función de controlar el paso de gases de escape a través del mismo.
En algunas aplicaciones de circuitos EGR, es necesario enfriar la válvula EGR. En este caso, el diseño más usual incluye un conducto by-pass que conduce el fluido de refrigeración, que circula a través del intercambiador EGR, hacia la válvula EGR. Debido a que el intercambiador EGR está ensamblado al circuito EGR a través de una brida o reborde periférico, el conducto by-pass del fluido de refrigeración debe ser fabricado a través de dicha brida.
En ambos tipos de intercambiadores EGR, la mayor parte de sus componentes son metálicos, de modo que están ensamblados por medios mecánicos y después soldados en horno o soldados por arco o láser para asegurar una adecuada estanqueidad requerida para esta aplicación.
Asimismo, el circuito de gases puede ser de tipo lineal, también denominado en forma de “I”, en el cual la entrada y salida de gases están dispuestas en extremos opuestos; o bien puede ser en forma de “U” en el cual la entrada y salida de gases están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto, estando el extremo opuesto cerrado, y definiendo un paso de ida y un paso de retorno. En este último caso, el extremo cerrado para el retorno de gases suele estar constituido por un depósito cerrado.
Son conocidos intercambiadores EGR de tubos de sección transversal sensiblemente rectangular, que utilizan unas aletas dispuestas en el interior de dichos tubos para mejorar la transferencia de calor mediante estas superficies secundarias, por lo que se consigue incrementar la superficie total de intercambio de calor.
Existen diferentes tipos de aletas para tubos, como por ejemplo la aleta conocida como “offset fin” que presenta una configuración de perfil sensiblemente rectangular repetitivo en la dirección transversal, y con trayectorias en zig-zag intercomunicadas según la dirección longitudinal, o por ejemplo la aleta conocida como “herringbone fin” con canales ondulados.
Un objetivo principal de los intercambiadores de calor EGR es conseguir una distribución del flujo de gases apropiada dentro de los canales de paso de los gases, en este caso dentro de los tubos, de modo que se garantice un flujo de calor uniforme en todo el intercambiador y se aproveche todo el área de intercambio disponible. Por tanto, es importante la forma del depósito de gas u otros elementos que pueden ser ensamblados al intercambiador de calor EGR en la trayectoria de paso de los gases, especialmente en la zona de entrada. El diseño de estos componentes es esencial dentro del diseño total del intercambiador. No obstante, existen limitaciones externas que hacen difícil la optimización de este diseño, ya que la forma y volumen están determinadas por el entorno donde está ubicado el intercambiador EGR.
Los componentes dispuestos en la entrada del flujo de gases son básicamente un depósito de gas o una brida que incorpora una interfaz con una válvula EGR. En el caso del depósito de gas, la longitud, el alineamiento con el eje de la carcasa y la forma general son significativas para la distribución del flujo de gas. En el caso de la brida, es también importante la interfaz de la brida, especialmente en la parte media donde una pared es generalmente necesaria en las configuraciones en “U” para asegurar el nivel de estanqueidad o el soporte de la compuerta “flap” de la válvula.
En particular, los intercambiadores de calor de configuración en “U” con válvula EGR situada en la entrada y que requieren una pared interna separadora integrada en la brida, pueden tener problemas de distribución de los gases y del fluido refrigerante si dicha pared interna ocupa un espacio significante en la interfaz de la brida.
En este caso, debe realizarse una adecuada distribución de los tubos para situarlos en la zona de circulación de flujo de gas. Esto implica dos problemas diferentes. Por una parte, implica un incremento en el volumen total de la brida, ya que un volumen mayor debe ser ocupado si la superficie de intercambio de calor requiere ser mantenida para garantizar unos rendimientos, así como eficiencia y permeabilidad. Por otra parte, implica modificaciones importantes en el reparto del flujo de fluido refrigerante dentro de la carcasa ya que la distancia entre tubos depende de la definición de esta pared interna. Esto implica la aparición de fallos potenciales si se crean trayectorias preferidas de fluido refrigerante que conllevan a tener en otras áreas, zonas de baja velocidad del flujo de fluido refrigerante, que pueden causar el fenómeno de ebullición.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objetivo del intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor de la presente invención es solventar los inconvenientes que presentan los intercambiadores conocidos en la técnica, proporcionando una óptima transferencia de calor en la entrada del flujo de gases, y manteniendo la compacidad del intercambiador de calor.
El intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor, objeto de la presente invención, es del tipo que comprende un haz de tubos dispuestos en el interior de una carcasa definiendo una entrada y una salida de gases, destinados a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido refrigerante, siendo el área de entrada de gases menor que el área transversal real del haz de tubos, y unos medios perturbadores del flujo de gases dispuestos en el interior de cada tubo, y se caracteriza por el hecho de que los medios perturbadores incluyen una pluralidad de aletas que definen unas trayectorias intercomunicadas para el paso del flujo de gases a su través, mejorando así la distribución del flujo de gases en el interior de los tubos.
Por tanto, la utilización de dichas aletas intercomunicadas permite mantener la compacidad del intercambiador ya que no es necesario incrementar el tamaño de los tubos ni de los medios de conexión para aumentar el área de transferencia de calor.
Por otra parte, esta configuración de las aletas permite mantener la distancia entre tubos, por lo que no se crean trayectorias preferidas del flujo de refrigerante.
Ventajosamente, las aletas presentan una configuración de perfil sensiblemente rectangular repetitivo en la dirección transversal, y con trayectorias en zig-zag intercomunicadas según la dirección longitudinal.
De acuerdo con una realización preferida de la invención, el intercambiador es del tipo en forma de “U”, incluyendo unos medios de conexión constituidos por una brida asociada al haz de tubos en el extremo de entrada y salida de gases, e incluyendo un depósito de gas acoplado en el extremo opuesto para el retorno del flujo de gases, y estando dicha brida de conexión provista de una pared transversal separadora de la trayectoria de entrada y salida de los gases y susceptible de reducir por solapamiento el área transversal de los tubos al menos en la zona de entrada del flujo de gases.
Gracias a la utilización de las aletas intercomunicadas dentro de los tubos, se evita la aparición de una zona muerta ocasionada por el área de solapamiento de la pared separadora, por lo que se consigue mantener una correcta efectividad de la transferencia de calor en la zona de entrada del flujo de gases.
De acuerdo con otra realización preferida de la invención, los medios de conexión incluyen al menos un depósito de gas asociado al haz de tubos en la zona de entrada del flujo de gases, comprendiendo dicho depósito de gas una configuración estructural adaptada al entorno motor, susceptible de reducir el área transversal de los tubos en la zona de entrada del flujo de gases.
Del mismo modo, la utilización de aletas intercomunicadas dentro de los tubos permite aumentar la transferencia de calor en la zona de entrada del flujo de gases.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Con el fin de facilitar la descripción de cuanto se ha expuesto anteriormente se adjuntan unos dibujos en los que, esquemáticamente y tan sólo a título de ejemplo no limitativo, se representa un caso práctico de una realización del intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor de la invención, en los cuales:
la figura 1 es una sección longitudinal esquemática del intercambiador de calor según una realización de la invención;
la figura 2 es una vista frontal de una brida de conexión que integra un conducto by-pass de refrigeración de la válvula EGR;
la figura 3 es una sección transversal esquemática de un tubo con una aleta dispuesta en su interior según la invención;
la figura 4 es una vista en planta de una aleta según una realización de la invención;
la figura 5 es una sección transversal de la aleta según la línea V-V de la figura 4;
la figura 6 es un detalle ampliado en perspectiva de la aleta mostrando los canales intercomunicados entre sí; y
la figura 7 es una vista en perspectiva de la aleta mostrando las trayectorias por donde puede pasar el flujo de gas.
DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA
De acuerdo con una realización de la invención mostrada en las figuras 1 a 7, el intercambiador de calor 1 para gases, en especial de los gases de escape de un motor, comprende un haz de tubos 2 dispuestos en el interior de una carcasa 3 definiendo una entrada 4 y una salida 5 de gases, destinados a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido refrigerante. En este caso los tubos 2 presentan una sección transversal sensiblemente rectangular.
En esta realización el intercambiador de calor 1 es de tipo en forma de “U” en el cual la entrada 4 y salida 5 de gases están dispuestas adyacentes en un mismo extremo abierto, estando el extremo opuesto cerrado, definiendo un paso de ida y un paso de retorno mostrado por las respectivas flechas, tal como puede apreciarse en la figura 1. En el extremo abierto se encuentra una brida de conexión 6 con la línea de recirculación, mientras que en el extremo cerrado se sitúa un depósito de gas 7 para el retorno del flujo de gases.
Tal como se puede observar en la figura 2, también se incluye un conducto 8 integrado en dicha brida de conexión 6 destinado a la circulación de fluido de refrigeración hacia una válvula EGR (no mostrada) que controla el paso de gases a través del intercambiador. Dicha brida de conexión 6 está provista de una pared transversal 9 separadora de la trayectoria de entrada 4 y salida 5 de los gases. Dicha pared separadora 9 presenta una anchura tal que solapa parte del área transversal de los tubos 2 en la zona de entrada del flujo de gases, por lo que el área de entrada de gases 4 resulta menor que el área transversal real del haz de tubos 2,
Para mejorar la distribución del flujo de gases, sin tener que incrementar el tamaño de los tubos 2 ni el de la brida 6, ni separar los tubos 2 entre sí para evitar el solapamiento con la pared separadora 9, se utilizan unos medios perturbadores a modo de aletas 10 dispuestas en el interior de los tubos 2 tal como puede apreciarse en la figura 3.
Dichas aletas 10 definen unas trayectorias intercomunicadas 11 para el paso del flujo de gases a su través, mejorando así la distribución del flujo de gases en el interior de los tubos 2.
Según una realización mostrada en las figuras 4 a 6, las aletas 10 presentan una configuración de perfil sensiblemente rectangular repetitivo en la dirección transversal, y con trayectorias 11 en zig-zag intercomunicadas según la dirección longitudinal. Asimismo, en la figura 7 se han representado las trayectorias por donde puede pasar el flujo de gas según el sentido de las flechas ilustradas.
Gracias a la utilización de dichas aletas 10 de tipo offset intercomunicadas entre sí, la distancia entre tubos 2 puede ser mantenida con valores estándar. Se asume que parte de la entrada de los tubos 2 puede ser cubierta ya que la ecualización del flujo de gases puede ocurrir a lo largo de los tubos 2, resultando en un mínimo impacto en los rendimientos.
Además, la utilización de dichas aletas 10 intercomunicadas permite mantener la compacidad del intercambiador 1 ya que no es necesario incrementar el tamaño de los tubos 2 ni de la brida conexión 6 para aumentar el área de transferencia de calor.
En caso de tener tubos de pequeña sección transversal, el efecto de solapamiento producido por la pared separadora 9 se ve incrementado, por lo que el uso de dichas aletas 10 está especialmente indicado en este caso.
Cabe destacar que pueden haber otras aplicaciones de este tipo de aletas intercomunicadas 10 cuando el área de entrada de gases 4 resulta menor que el área transversal real del haz de tubos 2. Por ejemplo, en los casos donde un depósito de gas que debido a su configuración implique una mala distribución del flujo de gases en los tubos 2, la utilización de aletas intercomunicadas 10 es adecuada porque la ecualización de la distribución del flujo de gases tiene lugar a lo largo de los tubos 2.
Alternativamente, en un intercambiador de configuración en “U” las aletas intercomunicadas 10 pueden ser usadas solo para la trayectoria de retorno donde la distribución del flujo de gases es más crítica debido al espacio limitado disponible para la definición del depósito de gas 7 en el intercambiador en forma de “U”.
Aunque se ha representado un intercambiador de calor de configuración en “U”, las aletas 10 de la invención también pueden ser utilizadas en
intercambiadores lineales en “I”.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Intercambiador de calor (1) para gases, en especial de los gases de escape de un motor, que comprende un haz de tubos (2) dispuestos en el interior de una carcasa (3) definiendo una entrada (4) y una salida (5) de gases, destinados a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido refrigerante, siendo el área de entrada de gases (4) menor que el área transversal real del haz de tubos (2), y unos medios perturbadores del flujo de gases dispuestos en el interior de cada tubo (2), caracterizado por el hecho de que los medios perturbadores incluyen una pluralidad de aletas (10) que definen unas trayectorias intercomunicadas (11) para el paso del flujo de gases a su través, mejorando así la distribución del flujo de gases en el interior de los tubos (2).
  2. 2.
    Intercambiador (1), según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las aletas (10) presentan una configuración de perfil sensiblemente rectangular repetitivo en la dirección transversal, y con trayectorias (11) en zig-zag intercomunicadas según la dirección longitudinal.
  3. 3.
    Intercambiador (1), según la reivindicación 1, del tipo en forma de “U”, incluyendo unos medios de conexión constituidos por una brida (6) asociada al haz de tubos (2) en el extremo de entrada (4) y salida (5) de gases, e incluyendo un depósito de gas (7) acoplado en el extremo opuesto para el retorno del flujo de gases, y estando dicha brida de conexión (6) provista de una pared transversal (9) separadora de la trayectoria de entrada (4) y salida (5) de los gases y susceptible de reducir por solapamiento el área transversal de los tubos (2) al menos en la zona de entrada (4) del flujo de gases.
  4. 4.
    Intercambiador (1), según la reivindicación 1, en el que los medios de conexión incluyen al menos un depósito de gas asociado al haz de tubos (2) en la zona de entrada (4) del flujo de gases, comprendiendo dicho depósito de gas una configuración estructural adaptada al entorno motor, susceptible de reducir el área transversal de los tubos (2) en la zona de entrada (4) del flujo de gases.
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