ES2235603B1 - 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.Info
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Abstract
Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. Comprende una pluralidad de conductos paralelos (3) dispuestos en el interior de una carcasa (2), por los cuales circulan los gases a enfriar por intercambio térmico con un fluido de refrigeración, y estando dichos conductos (3) acoplados entre dos placas de soporte (7) fijadas en ambos extremos de dicha carcasa (2). Se caracteriza por el hecho de que el número de conductos (3) acoplados es inferior al número máximo permitido según el tamaño de la carcasa (2) y el procedimiento de fabricación de las placas de soporte (7), siendo la concentración de conductos (3) menor en la zona central de la carcasa (2) donde el caudal de gases que la atraviesa es mayor. Se obtiene un intercambiador de calor que con las mismas dimensiones de un intercambiador convencional y con aproximadamente las mismas prestaciones y pérdidas de carga, tiene un coste relativamente reducido.
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, del tipo que comprende una pluralidad de
conductos paralelos dispuestos en el interior de una carcasa, por
los cuales circulan los gases a enfriar por intercambio térmico con
un fluido de refrigeración, y estando dichos conductos acoplados
entre dos placas de soporte fijadas en ambos extremos de dicha
carcasa.
La invención se aplica especialmente en
intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor
(EGRC), así como en intercambiadores de gases de escape para la
regulación térmica de la línea de escape (ETR).
En algunos intercambiadores de calor para el
enfriamiento de gases, por ejemplo los utilizados en sistemas de
recirculación de los gases de escape hacia la admisión de un motor
de explosión, los dos medios que intercambian calor están separados
por una pared.
Más particularmente, los gases circulan por una
serie de tubos o conductos paralelos dispuestos en el interior de
una carcasa, y son enfriados por intercambio térmico con un fluido
de refrigeración que se hace circular exteriormente a los conductos
de paso de los gases.
Los tubos están fijados por sus extremos entre
dos placas de soporte acopladas en cada extremo de la carcasa. Ambas
placas de soporte presentan una pluralidad de orificios para la
colocación de los respectivos tubos.
La sección de la carcasa y el procedimiento de
fabricación de las placas de soporte determina el número máximo de
tubos de un diámetro determinado que pueden ser colocados dentro del
intercambiador. Hasta la fecha, los diseños se han basado en la
colocación del máximo número de tubos que estos parámetros permiten,
para obtener así una mayor superficie de intercambio de calor y, por
tanto, un elevado rendimiento térmico.
Los gases se alimentan al haz de tubos del
intercambiador a partir de un conducto de entrada; puesto que el
diámetro del conducto de entrada es inferior al diámetro de la
carcasa y del haz de tubos del intercambiador, entre ambos hay un
depósito de entrada que se ensancha progresivamente.
Del mismo modo, los gases salen del
intercambiador a través de un conducto de salida cuyo diámetro
también es inferior al diámetro de la carcasa y del haz de tubos,
por lo que entre ambos hay un depósito de salida que se estrecha
progresivamente.
La distancia entre el conducto de entrada y el
haz de tubos es en general reducida, con el fin de evitar una
ocupación excesiva de espacio del intercambiador; esto hace que los
gases no se distribuyan uniformemente entre los tubos del haz del
intercambiador, sino que una proporción importante de los mismos
recorre los tubos situados en el centro del haz, y sólo una pequeña
parte recorre los tubos más periféricos.
Esta distribución no uniforme del flujo de gas
perjudica claramente la potencia y el rendimiento térmico del
intercambiador.
Ya se han estudiado algunas soluciones
encaminadas al incremento de rendimiento del intercambiador, que
incluyen deflectores en forma de campana situados en el depósito de
entrada del intercambiador, que tienden a orientar el flujo hacia la
periferia del haz de tubos del intercambiador.
Estos sistemas mejoran en efecto el rendimiento
del intercambiador, pero elevan su coste debido a la dificultad de
producir los deflectores y de integrarlos en el intercambiador.
La solicitud de patente ES 200100484, todavía no
publicada, del mismo titular de la presente solicitud, se refiere a
un intercambiador de calor para gases que comprende una pluralidad
de conductos paralelos por los cuales circulan los gases a enfriar,
un depósito de entrada interpuesto entre un conducto de alimentación
de los gases y la entrada de los citados conductos, y un elemento
difusor perforado y sustancialmente plano fijado en dicho depósito
de entrada, estando dicho elemento difusor dispuesto sustancialmente
perpendicular a la dirección de circulación de los gases a enfriar.
Este elemento difusor puede ser una placa con orificios o bien una
malla.
La utilización de dicho elemento difusor mejora
el rendimiento del intercambiador, con un pequeño incremento de su
coste y sin aumentar su tamaño exterior.
Si bien, la utilización de dispositivos
adicionales para mejorar la distribución del flujo de gas, tales
como deflectores o elementos difusores, implican un cierto aumento
del tiempo de proceso y por lo tanto el coste de producción, además
del coste adicional del nuevo componente.
El objetivo de la presente invención es resolver
los inconvenientes mencionados, desarrollando un intercambiador de
calor que con las mismas dimensiones de un intercambiador
convencional y con aproximadamente las mismas prestaciones y
pérdidas de carga, tenga un coste relativamente reducido.
El intercambiador de calor para gases, en
especial de los gases de escape de un motor, objeto de la presente
invención, se caracteriza por el hecho de que el número de
conductos acoplados es inferior al número máximo permitido según el
tamaño de la carcasa y el procedimiento de fabricación de las placas
de soporte, siendo la concentración de conductos menor en la zona
central de la carcasa donde el caudal de gases que la atraviesa es
mayor.
De este modo, al eliminar selectivamente un
determinado número de conductos de la zona central de la carcasa,
sobrealimentados por el flujo de gases, se obtiene una mejor
distribución de la totalidad del flujo de gases, y solamente con un
ligero aumento de las pérdidas de carga, se consigue el mismo nivel
de rendimiento térmico con una considerable reducción del coste de
producción.
Ventajosamente, además la concentración de
conductos es menor en la zona periférica de la carcasa donde el
caudal de gases es proporcionalmente menor.
En este caso, la eliminación adicional de unos
determinados conductos periféricos, muy poco alimentados, reduce aún
más los costes de producción. Solamente supone un aumento de la
velocidad del flujo de gases en el resto de los conductos, con el
consiguiente aumento del coeficiente de convección y la
compensación de las pérdidas de intercambio térmico debido a la
reducción de superficie de intercambio de calor, y siempre a costa
de un aumento adicional de las pérdidas de carga del aparato.
Según una realización de la presente invención,
el intercambiador comprende una carcasa con capacidad para colocar
un máximo de 39 conductos, que incluye en su interior 35 conductos
distribuidos de manera que se dejan 4 vacantes en la zona central
de la carcasa.
Esta solución óptima permite obtener unos
valores de la potencia muy similares al caso con los 39 conductos, a
costa de un ligero aumento de las pérdidas de carga; si bien, la
reducción del coste de producción que conlleva la reducción de
conductos es notable.
Según otra realización de la presente invención,
el intercambiador comprende una carcasa con capacidad para colocar
un máximo de 39 conductos, que incluye en su interior 30 conductos
distribuidos de manera que se dejan 5 vacantes en la zona central y
además 4 vacantes en la zona periférica de la carcasa.
Esta otra solución óptima también permite
obtener unos valores de la potencia muy similares al caso con 39
tubos. En este caso, el aumento de las pérdidas de carga es algo
mayor que con el caso de los 35 tubos, pero puede ser compensado
mediante la actuación sobre la válvula egr, la de admisión o la de
contrapresión de escape según sea el caso; o incluso regulando la
posición de la turbina de geometría variable si se dispone de ella.
Estas modificaciones del reglaje motor pueden ser abordadas dada la
considerable reducción de costes que esta solución implica.
Preferentemente, la sección de paso
perteneciente al número de conductos acoplados es superior al 70% de
la sección de paso perteneciente al número máximo permitido según
el tamaño de la carcasa y el procedimiento de fabricación de las
placas de soporte.
Gracias a esta característica, se evita un
aumento significativo de las pérdidas de carga, garantizando además
que el rendimiento térmico no disminuya.
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
representan dos casos prácticos de realizaciones del intercambiador
de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor
de la invención, en los
cuales:
cuales:
la figura 1 es una sección longitudinal
esquemática de la zona de entrada de un intercambiador de calor de
haz de tubos convencional;
la figura 2 es una vista esquemática de una
placa de soporte del intercambiador de calor, mostrando en un tono
más oscuro la posición de aquellos tubos que han sido extraídos de
su zona central, según una primera realización de la invención;
la figura 3 es una vista esquemática de una
placa de soporte del intercambiador de calor, mostrando en un tono
más oscuro la posición de aquellos tubos que han sido extraídos de
su zona central y periférica, según una segunda realización de la
invención;
la figura 4 es una gráfica que representa las
pérdidas de carga en función del número de conductos colocados en
el interior de la carcasa, correspondiente al caso en que se han
eliminado únicamente tubos de la zona central, curva en línea
continua (tc), y al caso en que se han eliminado únicamente tubos de
la zona periférica, curva en línea discontinua (tp); y
la figura 5 es una gráfica que representa la
potencia en función del número de conductos colocados en el
interior de la carcasa, correspondiente al caso en que se han
eliminado únicamente tubos de la zona central, curva en línea
continua (tc_{39}), al caso en que se han eliminado únicamente
tubos de la zona periférica, curva en línea discontinua
(tp_{39}), y al caso en que se han eliminado cinco tubos de la
zona central y cuatro tubos de la zona periférica, curva en línea
discontinua (tp_{34}).
Tal como se puede apreciar en la figura 1, el
intercambiador de calor 1 está constituido por una carcasa 2 que
contiene un haz de tubos 3 paralelos, destinados al paso de los
gases a enfriar. Dentro de la carcasa 2, exteriormente a los tubos
3, circula un fluido de refrigeración, desde una entrada 4 a una
salida (no representada).
Los gases a enfriar entran al intercambiador 1
desde un conducto de alimentación 5 y a través de un depósito de
entrada 6, que se ensancha progresivamente. En la realización
representada, la carcasa 2 es cilíndrica y el depósito de entrada 6
tiene por tanto forma troncocónica.
El haz de tubos 3 está fijado por sus extremos
entre dos placas de soporte 7 acopladas en cada extremo de la
carcasa 2, mostrándose en la figura 1 aquella situada en la entrada.
Cada placa de soporte 7 presenta una pluralidad de orificios para la
colocación de los respectivos tubos 3.
Debido a que la distancia entre el conducto de
alimentación 5 y el haz de tubos 3 es en general reducida, se
produce una distribución no uniforme de los gases en la entrada, de
modo que una proporción importante de los mismos recorre los tubos
situados en el centro del haz, y sólo una pequeña parte recorre los
tubos más periféricos.
Esta distribución no uniforme del flujo de gas
perjudica claramente la potencia y el rendimiento térmico del
intercambiador 1.
Para solucionar este problema, partiendo de un
intercambiador 1 con el máximo número de tubos 3 que pueden ser
colocados en la carcasa 2 en función del tamaño de la misma y del
procedimiento de fabricación de las placas de soporte 7, se han
eliminado un determinado número de tubos de manera selectiva.
De este modo, se consigue mejorar la
distribución del flujo de gases que entran en el intercambiador 1, y
solamente con un ligero aumento de las pérdidas de carga, se
consigue el mismo nivel de rendimiento térmico con una considerable
reducción del coste.
El número de tubos eliminados con respecto al
número máximo de tubos 3, es siempre un compromiso entre la
reducción del coste deseado y el aumento de las pérdidas de carga
permitido, como se explicará en adelante.
Para determinar el comportamiento de los
intercambiadores de acuerdo con la invención y la influencia de la
reducción de tubos se han realizado una serie de ensayos con un
intercambiador de 39 tubos.
La figura 4 muestra una gráfica que representa
las pérdidas de carga en función del número de tubos colocados en el
interior de la carcasa. La curva tc representa el caso en que se
han eliminado únicamente tubos de la zona central; mientras que la
curva tp representa el caso en que se han eliminado únicamente
tubos de la zona periférica.
La curva tc muestra que cuanto mayor es el
número de tubos centrales eliminados, mayores son las pérdidas de
carga debido al incremento de la velocidad del flujo de gases a
través del resto de tubos. La curva tp es similar a la curva tc
pero es menos inclinada en su parte inicial.
Sin embargo, las prestaciones varían de
diferente modo con la reducción de un tipo u otro de tubos, como
puede observarse en la gráfica de la figura 5 que representa la
evolución relativa de la potencia en función del número de tubos
colocados en el interior de la carcasa.
Se deduce que en el caso de reducción de
únicamente tubos centrales, la curva de potencia tc_{39} parte de
una potencia inicial W_{0} y aumenta hasta llegar a un punto
óptimo correspondiente aproximadamente al 30%, que abarca el
entorno de 34 a 30 tubos, y a partir de ahí la potencia disminuye.
En el caso de reducción de únicamente tubos periféricos, la curva
tp_{39} parte de la misma potencia inicial W_{0} y a
continuación la potencia siempre disminuye.
La combinación de estas cuatro curvas (tc, tp,
tc_{39}, tp_{39}) permite escoger un compromiso entre tubos
centrales y periféricos que proporcione las mismas prestaciones
térmicas con un incremento de pérdida de carga minimizado.
La gráfica ideal para la elección del óptimo
comprende una familia doble de curvas cruzadas de las cuales 39
curvas parten de la curva tc_{39} para la distinta tasa de
eliminación de tubos periféricos a partir del número inicial de
tubos centrales acoplados, y otras 39 curvas parten de la curva
tp_{39} para la eliminación de tubos centrales a partir del
diferente número inicial de tubos periféricos acoplados. Los cruces
de las distintas curvas representan las múltiples
combinaciones.
En dicha figura 5 se muestran las citadas curvas
tc_{39} para la eliminación de únicamente tubos centrales y la
tp_{39} para la eliminación de únicamente tubos periféricos.
Asimismo, se ha representado la curva tp_{34} elegida como la
curva ideal, tal como se explicará a continuación.
La elección de la curva ideal de entre las 39+39
curvas cruzadas posibles se ha llevado a cabo escogiendo aquella
que se basa en eliminar tubos periféricos partiendo de un
intercambiador al que ya se le han eliminado 5 tubos centrales
(tp_{34}). En este caso, se tiene una curva parecida a la original
de tp_{39} pero partiendo de otra potencia más alta. Entonces al
cruzar dicha curva tp_{34} por la línea de potencia W_{0}
proporciona el número de tubos finales dentro de la carcasa,
concretamente son 30 tubos, es decir, se han eliminado 5 tubos
centrales y 4 periféricos.
Por tanto, en este caso eliminando 5 tubos
centrales y 4 tubos periféricos, es posible conseguir prestaciones
técnicas similares a las del intercambiador original de 39
tubos.
A continuación se describen dos realizaciones de
la invención, partiendo de un intercambiador 1 que comprende dos
placas de soporte 7, cuyo tamaño permite colocar un máximo de 39
tubos.
Según una primera realización, mostrada en la
figura 2, se han eliminado selectivamente un determinado número de
tubos 3 de la zona central.
Concretamente, se han eliminado cuatro tubos
centrales, cuya posición en la placa de soporte 7 se ha representado
en un tono más oscuro, por lo que el intercambiador 1 comprende
treinta y cinco tubos 3.
De este modo, la simple eliminación de unos
determinados tubos centrales, sobrealimentados por el flujo de
gases, conlleva a una mejor distribución de la totalidad del flujo
de gases, compensando la reducción de superficie de intercambio de
calor.
Según una segunda realización, mostrada en la
figura 3, se han eliminado selectivamente un determinado número de
tubos 3 de la zona central y también de la zona periférica.
Concretamente, se han eliminado cinco tubos
centrales y cuatro tubos periféricos, cuya posición en la placa de
soporte 7 se ha representado en un tono más oscuro, por lo que el
intercambiador comprende treinta tubos 3.
De este modo, la eliminación adicional de unos
determinados tubos periféricos reduce aún más los costes de
producción. En este caso, el efecto de la reducción del número de
tubos periféricos, con alimentación deficiente, solamente supone un
aumento de la velocidad del flujo de gases en el resto de los
tubos, con el consiguiente aumento del coeficiente de convección y
la compensación de las pérdidas de intercambio térmico debido a la
reducción de superficie de intercambio de calor.
Se ha ensayado la potencia de este
intercambiador para los siguientes casos:
- a)
- un intercambiador con la totalidad de tubos, en el presente ejemplo con 39 tubos;
- b)
- un intercambiador con 35 tubos (4 tubos eliminados de la zona central); y
- c)
- un intercambiador con 30 tubos (5 tubos eliminados de la zona central y 4 tubos de la zona periférica).
Se han evaluado, para los casos de un
intercambiador con 30 y 35 tubos respectivamente, el incremento de
potencia y las pérdidas de carga de los gases, con respecto al caso
del mismo intercambiador con la totalidad de tubos
(39 tubos).
(39 tubos).
El ensayo se ha realizado con un intercambiador
de 54 mm de diámetro de virola (diámetro de la carcasa), y 180 mm de
longitud. La temperatura de los gases a la entrada es de 280ºC, la
presión relativa de los gases a la entrada es de 2 bar, la
temperatura del fluido refrigerante a la entrada es de 80ºC, y el
caudal de fluido refrigerante es de 400 litros/hora.
Los resultados del ensayo se recogen en las
siguientes tablas comparativas:
1.- Comparación entre los casos con 39 tubos y
35 tubos:
| Caudal de gas (g/s) | Potencia P200 (%) 35t/39t | Pérdidas de carga del gas (mbar) (%) |
| 15 | +0,99% | 11,86% |
| 10 | +1,52% | 12,05% |
| 5 | +1,48% | 11,92% |
2.- Comparación entre los casos con 39 tubos y
30 tubos:
| Caudal de gas (g/s) | Potencia P200 (%) 30t/39t | Pérdidas de carga del gas (mbar) (%) |
| 15 | +1,00% | 25,03% |
| 10 | +1,47% | 24,87% |
| 5 | +0,98% | 24,96% |
Como se puede observar, para el caso de 35
tubos, al eliminar los citados cuatro tubos de la zona central, se
obtienen unos valores de la potencia muy similares al caso con 39
tubos. El ligero aumento de las pérdidas de carga es despreciable
en comparación con la pérdida global del circuito egr o la línea de
escape completos, siendo ya el ahorro de costes interesante.
Por otra parte, para el caso de 30 tubos, al
eliminar los citados cinco tubos de la zona central y los cuatro
tubos de la zona periférica, también se obtienen unos valores de la
potencia muy similares al caso con 39 tubos. El aumento de las
pérdidas de carga es algo mayor que con el caso de los 35 tubos,
pero en este caso puede ser compensado con la actuación sobre los
elementos de regulación del resto del circuito, siendo estas
modificaciones razonables de abordar dada la considerable reducción
de costes del conjunto.
Asimismo, se ha comprobado que con un número
menor a treinta tubos se produce un significativo aumento de las
pérdidas de carga, y además el rendimiento térmico comienza a
disminuir notablemente. En consecuencia, la eliminación de tubos no
debe superar el 30% del número máximo que el tamaño de la carcasa
permite colocar en su interior.
A continuación se adjunta otra tabla que compara
para cada caso y a un caudal dado fijo, el caudal de gas máximo en
uno de los tubos de la zona central, el caudal de gas mínimo en uno
de los tubos de la zona periférica, y el índice de distribución de
flujo de gas.
| Número | Caudal de gas de un tubo | Caudal de gas de un tubo periférico | Índice de distribución de |
| de tubos | central (máximo) (g/S) | (mínimo) (g/S) | flujo de gas |
| 39 | 0,442 | 0,158 | 0,341 |
| 35 | 0,428 | 0,172 | 0,414 |
| 30 | 0,397 | 0,292 | 0,446 |
Se puede observar que eliminando un número
selectivo de tubos de la zona central se consigue una mejor
distribución de flujo de gases en el intercambiador, haciéndose aún
más notable cuando además se reduce un determinado número de tubos
de la zona periférica.
Ambas realizaciones permiten un reajuste de
productos fabricados en serie. Asimismo, es posible mantener el
tamaño de la carcasa (diámetro y longitud) sin que sea necesario
modificar las conexiones de gas y de fluido refrigerante ni las
fijaciones con el motor, lo que permite aplicar esta invención a
soluciones motor ya existentes.
Claims (5)
1. Intercambiador de calor (1) para gases, en
especial de los gases de escape de un motor, que comprende una
pluralidad de conductos paralelos (3) dispuestos en el interior de
una carcasa (2), por los cuales circulan los gases a enfriar por
intercambio térmico con un fluido de refrigeración, y estando
dichos conductos (3) acoplados entre dos placas de soporte (7)
fijadas en ambos extremos de dicha carcasa (2),
caracterizado por el hecho de que el número de conductos (3)
acoplados es inferior al número máximo permitido según el tamaño de
la carcasa (2) y el procedimiento de fabricación de las placas de
soporte (7), siendo la concentración de conductos (3) menor en la
zona central de la carcasa (2) donde el caudal de gases que la
atraviesa es mayor.
2. Intercambiador (1), según la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que además la concentración
de conductos (3) es menor en la zona periférica de la carcasa (2)
donde el caudal de gases es proporcionalmente menor.
3. Intercambiador (1), según la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que comprende una carcasa
(2) con capacidad para colocar un máximo de 39 conductos, que
incluye en su interior 35 conductos (3) distribuidos de manera que
se dejan 4 vacantes en la zona central de la carcasa (2).
4. Intercambiador (1), según la reivindicación
2, caracterizado por el hecho de que comprende una carcasa
(2) con capacidad para colocar un máximo de 39 conductos, que
incluye en su interior 30 conductos (3) distribuidos de manera que
se dejan 5 vacantes en la zona central y además 4 vacantes en la
zona periférica de la carcasa (2).
5. Intercambiador (1), según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que la sección de paso perteneciente al número de conductos (3)
acoplados es superior al 70% de la sección de paso perteneciente al
número máximo permitido según el tamaño de la carcasa (2) y el
procedimiento de fabricación de las placas de soporte (7).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200301203A ES2235603B1 (es) | 2003-05-23 | 2003-05-23 | Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200301203A ES2235603B1 (es) | 2003-05-23 | 2003-05-23 | Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2235603A1 ES2235603A1 (es) | 2005-07-01 |
| ES2235603B1 true ES2235603B1 (es) | 2006-12-01 |
Family
ID=34707535
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200301203A Expired - Lifetime ES2235603B1 (es) | 2003-05-23 | 2003-05-23 | Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2235603B1 (es) |
Citations (3)
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| JPH11193992A (ja) * | 1997-12-29 | 1999-07-21 | Usui Internatl Ind Co Ltd | 多管式ｅｇｒガス冷却装置 |
| JP2002195505A (ja) * | 2000-12-25 | 2002-07-10 | Miura Co Ltd | 排ガスボイラ |
| ES2174739A1 (es) * | 2000-12-19 | 2002-11-01 | Valeo Termico Sa | Modulo intercambiador de calor para un sistema de recirculacion de gases de escape. |
-
2003
- 2003-05-23 ES ES200301203A patent/ES2235603B1/es not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2235603A1 (es) | 2005-07-01 |
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Ref document number: 2235603B1 Country of ref document: ES |