ES2586452T3 - Elemento de intercambio de calor de un haz de intercambio de calor de un intercambiador de calor - Google Patents

Elemento de intercambio de calor de un haz de intercambio de calor de un intercambiador de calor Download PDF

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Abstract

Elemento de intercambio de calor (100) para un intercambiador de calor de placas (10), destinado a intercambiar calor con un primer flujo de gases (G1) mediante circulación de un fluido caloportador (F), que incluye un canal de circulación del fluido caloportador (102), medios de introducción (104) de un segundo flujo de gases (G2) en dicho elemento de intercambio de calor (100) y caracterizado por el hecho de que el elemento de intercambio de calor (100) comprende: - medios de reparto y de difusión (150) del segundo flujo de gases (G2) fuera de dicho elemento, mezclándose el segundo flujo de gases (G2) con el primer flujo de gases (G1), y - un canal de transporte del segundo flujo de gases (G2) que relaciona dichos medios de introducción (104) con dichos medios de reparto y de difusión (150), estableciéndose dicho elemento de intercambio de calor para recibir dichos primer (G1) y segundo (G2) flujos de gases y mezclarlos sobre una pluralidad de zonas elementales de mezcla, discretas y repartidas espacialmente.

Description

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podrían interesar otras formas de aberturas de difusión 150.
Haciendo referencia a la figura 3, se pone de relieve que las aberturas de difusión son cada vez más grandes según nos vamos alejando del orificio de alimentación de los gases EGR 104 siguiendo la conducción de distribución de los gases EGR 105. Las ventajas que provee esta característica se detallarán en lo sucesivo.
Las aberturas de difusión 150 del canal de distribución 105 se establecen para difundir los gases recirculados EGR (G2) aguas abajo del intercambiador de calor 10, evitando así que los gases EGR (G2) circulen por el intercambiador 10 y sean enfriados con los gases calientes que han de enfriarse (G1). Los gases EGR (G2) son gases ensuciados y contienen abundantes sustancias con posibilidad de acumular incrustaciones en el intercambiador de calor 10, por lo que un escape aguas abajo permite evitar cualquier daño del intercambiador de calor 10.
En la circulación de los gases EGR (G2) por el canal de distribución 105, estos pueden verse llevados a condensarse. Los condensados son corrosivos y acarrean una disminución de la vida útil del intercambiador de calor 10 en caso de acumulación en el intercambiador de calor 10. Para eliminar este inconveniente, en un modo de realización no representado, las aberturas de distribución 150 están sensiblemente inclinadas hacia abajo, de manera que los condensados sean arrastrados fuera de la conducción de distribución de los gases EGR 105 por efecto de la gravedad, protegiendo así la conducción de distribución 105 y, de manera más general, el intercambiador de calor 10 contra una corrosión por los condensados.
Decimos que las aberturas de difusión 150 están inclinadas hacia abajo cuando se extienden en una dirección oblicua al eje de circulación del flujo de gases que ha de enfriarse (G1) por el intercambiador de calor 10 y orientada hacia la placa inferior del intercambiador de calor 10.
Haciendo referencia a la figura 6, que representa la carcasa superior 110 de un elemento de intercambio de calor 100 según un tercer modo de realización de la invención, el canal de distribución de los gases EGR 105 comprende aberturas de difusión 171, de forma oblonga, pasantes por la carcasa superior 110 en su espesor en correspondencia con el gofrado superior correspondiente a la semienvuelta del canal de distribución de los gases EGR 105. Cuando se cierra el elemento de intercambio de calor 100 ensamblando sus carcasas superior 110 (representada en la figura 6) e inferior 120, las aberturas pasantes de cada carcasa 110, 120 entran en coincidencia, es decir, se alinean según un eje ortogonal a la placa, extendiéndose según la altura del elemento de intercambio de calor 100, para determinar aberturas de difusión 150 pasantes por el canal de distribución de los gases EGR 105.
Tal configuración de las aberturas de difusión permite facilitar la aspiración de los gases EGR (G2) por efecto Venturi. En efecto, si se atiende a un elemento de intercambio de calor 100 dentro de un intercambiador de calor 10 en su funcionamiento, este está comprendido entre dos canales de conducción de un flujo de gases que ha de enfriarse (G1) que barren respectivamente las caras externas de las carcasas 110, 120 del elemento de intercambio de calor 100. La circulación de un flujo de gases que ha de enfriarse (G1) a uno y otro lado de las aberturas de difusión 171 lleva consigo una aspiración, por efecto Venturi, de los gases EGR (G2) circulantes por el canal de distribución de los gases EGR 105 del elemento de intercambio de calor 100.
En la figura 6, se representan aberturas de difusión 171 de forma oblonga. Sin embargo, es obvio que igualmente podrían interesar otras formas de aberturas para favorecer la aspiración por efecto Venturi.
Haciendo referencia a la figura 6, se pone de relieve que las aberturas de difusión son cada vez más grandes según nos vamos alejando, siguiendo la conducción de distribución de los gases EGR 105, del orificio de alimentación de los gases EGR 104. Las ventajas que provee esta característica se detallarán en lo sucesivo.
Haciendo referencia a la figura 5, que representa una carcasa superior 110 del elemento de intercambio de calor 100 según un cuarto modo de realización de la invención, el canal de distribución 105 (gofrado superior 115) está separado del canal 102 (gofrado inferior 112) de circulación del fluido caloportador por unos medios de ruptura de puente térmico 180 que permiten aislar térmicamente el canal de circulación del fluido caloportador 102, por el que circula un fluido a baja temperatura (F), del canal de distribución de gases EGR 105, por el que circulan gases a alta temperatura (G2).
Siempre haciendo referencia a la figura 5, los medios de ruptura de puente térmico 180 se materializan en forma de una línea de ruptura térmica configurada a partir de rendijas longitudinales 180 practicadas, para cada una de las carcasas 110, 120 del elemento de intercambio de calor 100, entre los gofrados 112, 115; 122, 126, respectivamente correspondientes a ambos canales de circulación 102 y de distribución 105. Merced a las rendijas de ruptura térmica 180, los canales de circulación 102 y de distribución 105 tan solo quedan sujetos entre sí, sobre cada carcasa 110, 120, mediante espigas de sujeción 181 que se encargan de una sujeción mecánica de los canales 102, 105 unos respecto a otros, pero limitan las transferencias de energía térmica.
Tales medios de ruptura térmica 180 permiten limitar, e incluso suprimir, la condensación de los gases EGR (G2) dentro de la conducción de distribución 105, protegiendo así de manera eficaz el elemento de intercambio de calor 100 contra la corrosión de los condensados.
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En el transcurso del funcionamiento del motor de combustión térmico, en los cilindros del motor sobrevienen explosiones que generan ondas acústicas que se propagan por el motor y, particularmente, en sentido de aguas abajo a aguas arriba en la línea de admisión de gases.
Las ondas acústicas en la línea de admisión de gases llevan consigo variaciones en la presión de los gases circulantes por el intercambiador de calor 10. En funcionamiento normal, la presión de los gases EGR (G2) circulantes en el interior de los canales de distribución 105 de los elementos de intercambio 100 es superior a la presión de los gases que han de enfriarse (G1) circulantes en el exterior de los elementos de intercambio 100, difundiéndose entonces los gases EGR (G2) con presión excesiva fuera del elemento de intercambio de calor 100 por las aberturas de difusión 150. Por las ondas acústicas y por las variaciones de presión que acarrean estas, la presión de los gases EGR (G2) circulantes en el interior de los canales de distribución 105 de los elementos de intercambio 100 es inferior en ocasiones a la presión de los gases que han de enfriarse (G1) circulantes en el exterior de los elementos de intercambio 100, teniendo entonces tendencia los gases que han de enfriarse (G1) con presión excesiva a precipitarse dentro del elemento de intercambio de calor 100, a través de las aberturas de difusión 105, y a ser arrastrados con los gases EGR (G2) en el canal de distribución 105 del elemento de intercambio de calor 100.
De este modo, según los gases EGR (G2) se van desplazando por el canal de distribución 105 del elemento de intercambio de calor 100, a los gases EGR (G2) se agregan gases que han de enfriarse (G1) penetrando en la conducción de distribución 105.
Los gases EGR (G2) se desplazan a lo largo del elemento de intercambio de calor 100. Se definirá, por convención, que los gases EGR (G2) se desplazan de izquierda a derecha, por el canal de distribución 105, con referencia a los lados izquierdo y derecho del canal de distribución 105 representados en la figura 4.
Según se van desplazando los gases EGR (G2) por el canal de distribución 105 de izquierda a derecha, los gases EGR (G2) se diluyen en el canal de distribución 105, lo cual disminuye su concentración, por lo que los gases EGR (G2) están menos concentrados en la parte derecha del canal de distribución 105 que en la parte izquierda. En otras palabras, los gases EGR (G2) quedan mal repartidos aguas abajo del intercambiador, estando los gases EGR más concentrados en la parte izquierda del intercambiador de calor.
Con objeto de eliminar este inconveniente, haciendo referencia a las figuras 3, 5 y 6, cuanto más alejadas del orificio de introducción de los gases EGR 104 se hallen las aberturas de difusión 150, más grandes serán las aberturas de difusión 150. En otras palabras, las aberturas de difusión 150 son más grandes en la parte derecha del canal de distribución 105 que las de la parte izquierda. Dicho de otro modo aún, cuanto menor sea la concentración de los gases EGR (G2) en el flujo de gases circulante por una zona del canal de distribución 105, mayor será la dimensión de la abertura de difusión 150 en la zona del canal de distribución 105. La dimensión de las aberturas de difusión 150 se establece para cubrir un caudal constante de gases EGR (G2) a lo largo del canal de distribución 105 para cada una de las aberturas de difusión 105, correspondiendo el caudal, en sentido matemático, al producto de la concentración de los gases EGR (G2) en el flujo de gases circulante por una zona del canal de distribución 105 por la dimensión de la abertura de difusión 150 practicada en dicha zona del canal de distribución 105.
En virtud de la configuración de las aberturas de difusión 150 a lo largo del canal de distribución 105 de cada uno de los elementos de intercambio 100, los gases EGR (G2) se mezclan homogéneamente con el flujo de gases que ha de enfriarse (G1), y ello, pese a la presencia de ondas acústicas que llevan consigo variaciones de presión en el intercambiador de calor 10.
Tras haber descrito la estructura de los medios de la invención, ahora se abordará su funcionamiento y su puesta en práctica.
Puesta en práctica de la invención
En el funcionamiento del intercambiador de placas 10, un flujo de gases de admisión (G1), destinado a ser consumido en un motor térmico de combustión, circula, de aguas arriba a aguas abajo, dentro del intercambiador de calor 10, por unos canales de conducción de un flujo de gases que ha de enfriarse conformados entre los elementos de refrigeración 100 del intercambiador de calor 10.
Por los canales de circulación de fluido caloportador 102 de cada uno de los elementos de refrigeración 100 del intercambiador de calor 10, circula un fluido caloportador (F) que intercambia calorías con el flujo de gases de admisión (G1) circulante por los canales de conducción de fluido. En los canales de distribución de gases EGR 105 de cada uno de los elementos de refrigeración 100 del intercambiador de calor 10, se introduce un flujo de gases EGR (G2). El flujo de gases EGR (G2) se difunde fuera de los elementos 100 por unas aberturas de difusión 150 practicadas en los canales de distribución de gases EGR 105.
El flujo de gases EGR (G2) es enfriado, en este ejemplo, antes de ser introducido en los canales de distribución de los gases EGR.
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