INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA GASES, EN ESPECIAL DE LOS GASES DE ESCAPE DE UN MOTOR.

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

Comprende un núcleo dispuesto en el interior de una carcasa (2), incluyendo dicho núcleo un haz de tubos destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido refrigerante. Se caracteriza por el hecho de que dicha carcasa (2) incluye sendos conductos de entrada (4) y salida (5) del fluido refrigerante dispuestos próximos entre sí y en un mismo lado de la carcasa, y por el hecho de que dicho intercambiador (1) comprende medios de desviación (6, 7a-7d) dispuestos en el interior de la carcasa (2) susceptibles de direccionar el flujo de fluido refrigerante a contracorriente respecto a la circulación del flujo de gases en al menos una parte de dicha carcasa (2). Se consigue mejorar la distribución del fluido refrigerante alcanzando un óptimo rendimiento.

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) , para aplicaciones de gasolina y diesel.

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. El reborde periférico puede estar ensamblado junto con un depósito de gas, de manera que el depósito de gas es una pieza intermedia entre la carcasa y el reborde, o bien el reborde puede estar ensamblado directamente a la carcasa.

En algunos casos, el intercambiador EGR también puede incluir algunos componentes fabricados de plástico, los cuales pueden realizar una única o varias funciones fabricados en una única pieza, como por ejemplo, la carcasa de plástico que integra los tubos del circuito del fluido refrigerante y los soportes de sujeción al entorno motor.

Los intercambiadores EGR con haz de tubos pueden usar deflectores, los cuales están situados dentro del circuito del fluido refrigerante.

El diseño y número de los deflectores puede variar de una aplicación a otra dependiendo de la razón por la cual es necesario el uso de dichos deflectores y de las restricciones del fabricante de vehículos de cada aplicación (en términos de condiciones de trabajo o limitaciones de empaquetamiento) .

La mayoría de los intercambiadores EGR existentes en el mercado no incluye ningún deflector. Sin embargo, hay algunas aplicaciones que deben incluir alguno. En la mayoría de los casos, los deflectores son usados para mejorar la circulación del fluido refrigerante alrededor de los tubos de gas, evitando los puntos de estancamiento que pueden causar la ebullición del fluido refrigerante dentro del intercambiador, y para refrigerar todos los tubos de igual manera con el fin de obtener un mejor rendimiento del intercambiador de calor.

En otros casos, la razón para incluir algunos

deflectores se debe para evitar problemas mecánicos que

pueden aparecer bajo las condiciones de trabajo del

intercambiador de calor en el motor.

Existen diversas razones por las que es

necesario utilizar deflectores dentro del intercambiador,

En algunos entornos de motor es necesario situar ambos conductos en el mismo lado de la carcasa, lo cual puede causar una trayectoria preferente para el fluido refrigerante. Un flujo de fluido refrigerante muy bajo y/o una temperatura de entrada del gas muy elevada. Un diámetro de la carcasa muy grande que puede implicar unas velocidades del fluido refrigerante muy bajas alrededor de los tubos de gas.

En la actualidad algunas de dichas causas pueden encontrarse frecuentemente ya que, por una parte, el empaquetamiento del intercambiador y el espacio libre disponible para el mismo tiende a ser menor. Por otra parte, en algunos casos el intercambiador está incluso insertado dentro de otros componentes como el DPF (Diesel Particulate Filter) , es decir, el dispositivo para eliminar las partículas del gas de escape de un motor diesel. En consecuencia, la carcasa del intercambiador debe ser adaptada al diámetro del DPF que normalmente es más grande que los intercambiadores circulares típicos. Además, ambos conductos de entrada y salida del fluido refrigerante deben ser situados en el mismo lado de la carcasa, es decir, en el lado contrario al que está introducido dentro del DPF.

Se conoce una solución que incluye un deflector longitudinal para transferir el fluido refrigerante desde una mitad de la carcasa hacia la otra mitad, ya que los conductos de entrada y salida de fluido refrigerante están situados en un mismo lado de la carcasa. Dicho deflector está fijado a la carcasa del intercambiador mediante algunos puntos de soldadura, presentando una longitud algo más corta que la longitud de la carcasa.

Otra solución conocida consiste en utilizar diversos deflectores transversales dispuestos dentro de carcasas de sección circular para asegurar una correcta

distribución del fluido refrigerante, al mismo tiempo que

se mejora la resistencia mecánica de la parte expuesta a

vibraciones. Estos deflectores están fijados a la carcasa

mediante soldadura en horno, y no están alineados

longitudinalmente sino que están dispuestos

alternadamente.

Las patentes JP2000292089 y JP2000283666 describen diversos diseños de placas deflectoras transversales dispuestas dentro de carcasas de sección circular, donde las entradas y salidas del fluido refrigerante se hallan separadas, cada una en un extremo de la carcasa. Los diseños de las placas deflectoras son muy similares a las placas de soporte situadas en ambos extremos de la carcasa destinadas a sujetar los extremos del haz de tubos, y presentan el mismo diámetro que coincide con el diámetro interior de la carcasa. Dichas placas deflectoras incluyen algunos orificios para el paso de los tubos, así como orificios mayores en el resto de su superficie para permitir el paso del fluido refrigerante a su través. La posición de dichos orificios mayores de las placas deflectoras están distribuidos alternadamente en la dirección longitudinal.

1. Intercambiador de calor (1) para gases, en especial de los gases de escape de un motor, que comprende 5 un núcleo dispuesto en el interior de una carcasa (2) , incluyendo dicho núcleo un haz de tubos destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido refrigerante, estando dichos tubos fijados por sus extremos entre dos placas de soporte (3a, 3b) acopladas en 10 cada extremo de la carcasa (2) , caracterizado por el hecho de que dicha carcasa (2) incluye sendos conductos de entrada (4) y salida (5) del fluido refrigerante dispuestos próximos entre sí y en un mismo lado de la carcasa, y por el hecho de que dicho intercambiador ( 1)

comprende medios de desviación (6, 7a-7d) dispuestos en el interior de la carcasa ( 2) susceptibles de direccionar el flujo de fluido refrigerante a contracorriente respecto a la circulación del flujo de gases en al menos una parte de dicha carcasa (2) .

2. Intercambiador (1) , según la reivindicación 1, en el que los medios de desviación son unos medios deflectores (6, 7a-7d) .

5 3. Intercambiador (1) , según la reivindicación 2, en el que los medios deflectores incluyen un deflector longitudinal ( 6) dispuesto a una distancia adecuada desde la pared interior de la carcasa (2) para permitir el paso del flujo de fluido refrigerante hacia el extremo de entrada de gases (8a) , y una pluralidad de deflectores transversales (7a-7d) dispuestos alternativamente a lo largo del deflector longitudinal (6) y provistos de cortes de paso (9, 10) para direccionar homogéneamente el flujo de fluido refrigerante desde el extremo de entrada de gases (8a) hacia el extremo de salida de gases (8b) según una trayectoria sensiblemente helicoidal.

4. Intercambiador (1) , según la reivindicación 3, en el que el deflector longitudinal (6) está unido a la placa de soporte (3b) opuesta a la entrada de gases (8a) , de manera directa o manteniendo un pequeño espacio dependiendo de las juntas y materiales.

5. Intercambiador (1) , según la reivindicación 3

1 O o 4, en el que la distancia entre el deflector

longitudinal (6) y la pared interior de la carcasa (2) en

la que está situado uno de los conductos (4) del fluido

refrigerante es de aproximadamente una o dos filas de

tubos de gas.

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6. Intercambiador (1) , según una de las

reivindicaciones 3 a 5, en el que la longitud del

deflector longitudinal (6) depende del diámetro de la

carcasa (2) y de la tecnología de los tubos de gas usada.

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7. Intercambiador ( 1) , según una de las

reivindicaciones 3 a 6, en el que unos deflectores

transversales (7a, 7c, 7d) están unidos directamente al

deflector longitudinal (6) , y otros deflectores

25 transversales (7b) están unidos a la pared interior de la

carcasa (2) .

8. Intercambiador ( 1) , según una de las reivindicaciones 3 a 7, en el que el número y posición de los deflectores transversales (7a-7d) depende del diámetro y longitud de la carcasa (2) .

. Intercambiador ( 1) , según una de las

1O. Intercambiador (1) , según la reivindicaciones 9, en el que la longitud de dicho primer deflector transversal (7a) es suficientemente grande para asegurar un área de paso del fluido refrigerante similar a la distancia que deja el deflector longitudinal (6) con la pared interior de la carcasa (2) .

11. Intercambiador ( 1) , según la reivindicaciones 9 o 10, en el que el resto de deflectores transversales (7b-7d) , dispuestos a continuación de dicho primer deflector transversal (7a) , están distribuidos manteniendo una distancia entre sí que va aumentando cuanto más lejos están de la entrada de gases (8a) , y por tanto de la zona más caliente.

12. Intercambiador (1) , según una de las reivindicaciones 3 a 11, en el que el tamaño de los deflectores transversales .

7. 7d) es menor que el tamaño de las placas de soporte (3a, 3b) , e incluyen algunos cortes (9, 10) en su área periférica para permitir el paso del fluido refrigerante a su través.

13. Intercambiador (1) , según la reivindicación 12, en el que algunos cortes pequeños (9) están dispuestos en áreas opuestas a unos cortes principales mayores ( 1 O) para obtener un flujo de fluido refrigerante que pasa a su través y para producir corrientes y evitar zonas de baja velocidad en el otro lado del deflector transversal (7a-7d) .

longitudinal ( 6) incluye algunos cortes (11) de pequeño tamaño para obtener un caudal mínimo de fluido refrigerante que pase a su través y evite zonas de baja velocidad.

15. Intercambiador ( 1) , según una de las reivindicaciones 3 a 14, en el que los medios deflectores (6, 7a-7d) son metálicos.

O 16. Intercambiador (1) , según la reivindicación 15, en el que los medios deflectores (6.

7. 7d) metálicos están unidos a la carcasa (2) mediante una pasta de soldadura o un proceso de soldadura en arco o láser, con el deflector longitudinal (6) unido a la placa de soporte (3b) para evitar cualquier desplazamiento longitudinal.

17. Intercambiador (1) , según una de las reivindicaciones 3 a 14, en el que los medios deflectores (6, 7a-7d) son de material plástico.

18. Intercambiador (1) , según la reivindicación 17, en el que la carcasa ( 2) incluye algunos nervios, longitudinales o transversales, que guían los deflectores (6.

7. 7d) de plástico durante su proceso de ensamblaje y

que evitan el desplazamiento durante las condiciones de trabajo.

19. Intercambiador ( 1) , según una de las reivindicaciones 3 a 14, en el que los deflectores transversales (7a-7d) son de material plástico y los deflectores longitudinales (6) son metálicos.

metálico mediante pequeñas alas realizadas en el mismo.

21. Intercambiador ( 1) , según una de las reivindicaciones 3 a 20, en el que los medios deflectores 5 (6, 7a-7d) están insertados dentro de una carcasa metálica o de plástico.

22. Intercambiador ( 1) , según una de las reivindicaciones 3 a 21, en el que los conductos de entrada ( 4) y salida ( 5) del fluido refrigerante están separados entre sí a una distancia lo suficientemente grande para permitir la colocación de un deflector longitudinal (6) plano.

23. Intercambiador ( 1) , según una de las reivindicaciones 3 a 21, en el que cuando los conductos de entrada ( 4) y salida (5) del fluido refrigerante están dispuestos muy próximos entre sí, el deflector longitudinal ( 6) incluye una parte escalonada para