ES2321783A1 - Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. - Google Patents
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Abstract
Intercambiador de calor para gases, en especial de los gases de escape de un motor. Comprende un circuito destinado a la circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido de refrigeración y un conducto by-pass externo (3), adecuado para hacer circular los gases sin que sufran un enfriamiento sustancial. Se caracteriza por el hecho de que la sección transversal del al menos un extremo (10, 10a) del conducto by-pass (3) disminuye progresivamente en al menos una dirección radial según un eje Y o Z, a lo largo de un eje axial X, optimizándose así el volumen de empaquetamiento del intercambiador (1, 1a). Asimismo, se evita el choque térmico al incluir dicho conducto by-pass 3 una zona con ondas 4 en su tramo de sección circular.
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. En particular, se refiere a intercambiadores de
calor que incluyen un conducto by-pass externo
integrado.
La invención se aplica especialmente a
intercambiadores de recirculación de gases de escape de un motor
(Exhaust Gas Recirculation Coolers o EGRC); intercambiadores de
gases de escape para la regulación térmica de la línea de escape de
los motores gasolina de inyección directa (Exhaust Thermal
Regulation o ETR); y refrigeradores del aire de sobrealimentación o
intercoolers (Charge Air Coolers o CAC).
Una práctica bien establecida en el campo de la
automoción consiste en proporcionar un sistema de recirculación de
los gases de escape de un motor diesel, que se conoce como EGR o
"Exhaust Gas Recycling", a fin de mezclar estos gases con el
aire de admisión, puesto que la presencia de los gases de escape en
la mezcla disminuye la producción de óxidos de nitrógeno (NOx).
Antes de ser mezclados con el aire de admisión,
los gases de escape pueden ser enfriados en un intercambiador de
calor (EGRC o "Exhaust Gas Recycling Cooler") instalado en el
bucle del sistema EGR, al objeto de mejorar la eficiencia del
sistema.
En el bucle del sistema existe además una
válvula (válvula EGR) que controla el paso de gases de escape a
través del mismo.
El intercambiador de calor propiamente dicho
puede tener distintas configuraciones: por ejemplo, puede consistir
en una carcasa tubular en cuyo interior se disponen una serie de
tubos paralelos para el paso de los gases, circulando el
refrigerante por la carcasa, exteriormente a los tubos; en otra
realización, el intercambiador 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.
Por otra parte, los intercambiadores de calor
comprenden por lo menos un depósito y/o una brida o conexión
independiente, mediante la cual está conectado a la línea de
recirculación de los gases de escape. Generalmente, dichos
intercambiadores comprenden un depósito de entrada y un depósito de
salida, estando dichos depósitos acoplados respectivamente a los
conductos de entrada y salida de la línea de recirculación mediante
sendas conexiones independientes.
En algunos casos, los sistemas EGR refrigerados
presentan el inconveniente de que los gases de escape circulan por
el intercambiador en cualquier condición de funcionamiento del motor
a partir del momento en que se abre la válvula EGR: los gases son
enfriados tanto cuando el motor está funcionando en régimen estable
y su temperatura es elevada, como durante un arranque en frío,
cuando la temperatura de los gases es muy inferior.
Este enfriamiento de los gases cuando su
temperatura no es elevada representa un inconveniente desde el punto
de vista medioambiental, puesto que incrementa el nivel de
emisiones de CO y de hidrocarburos y además conlleva generación de
ruido.
Para solucionar este problema, se utiliza al
menos un conducto en derivación, integrado en el intercambiador,
adecuado para hacer circular los gases de escape sin que sufran un
enfriamiento sustancial. El conducto en derivación, que se puede
denominar simplemente "by-pass", permite
minimizar el enfriamiento de los gases de escape en algunas
situaciones de funcionamiento del motor, por ejemplo arranque en
frío, en que su temperatura no es elevada y su enfriamiento sería
perjudicial para la emisión de contaminantes.
El sistema puede comprender una válvula de
regulación o by-pass que selecciona el recorrido de
los gases de escape a través del intercambiador o a través del
conducto en derivación. Dicha válvula de regulación puede estar
situada a la entrada o bien a la salida del intercambiador.
Dicho conducto by-pass puede
estar integrado de manera interna o externa. Un
by-pass interno está situado dentro de la carcasa
del intercambiador y está rodeado por el refrigerante. Las pérdidas
de potencia durante el modo by-pass son mayores que
para un by-pass externo.
Debido a los fuertes requisitos del mercado de
automóviles en referencia a la potencia máxima disipada en el modo
by-pass, para la nueva generación de motores, el
by-pass externo es la mejor solución para minimizar
las pérdidas de potencia de los gases de escape.
En la actualidad, todos los conductos
by-pass externos conocidos en el mercado son de
sección circular manteniendo el mismo diámetro en toda su longitud.
Adicionalmente, dichos conductos by-pass pueden
incluir una zona con ondas para absorber las dilataciones
térmicas.
Es sabido que el conducto de sección circular es
la mejor opción para minimizar las pérdidas de calor durante el
modo by-pass.
En la mayor parte de las configuraciones, el
conducto by-pass en intercambiadores EGR implica un
volumen importante en el entorno motor. Una de las principales
restricciones del diseño del conducto by-pass son
las zonas con ondas externas del conducto, destinadas a evitar el
choque térmico, lo cual implica un importante volumen adicional.
Un conducto plano de sección ovalada es la mejor
solución en referencia al empaquetamiento, pero en la actualidad no
es factible realizar zonas con ondas en un conducto plano. Por
tanto, no existen conductos by-pass externos planos
ya que el choque térmico no estaría solucionado.
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 un
conducto by-pass externo con un diseño constructivo
sencillo que permite optimizar el volumen de empaquetamiento del
intercambiador.
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 circuito destinado a la
circulación de los gases con intercambio de calor con un fluido de
refrigeración y un conducto by-pass externo,
adecuado para hacer circular los gases sin que sufran un
enfriamiento sustancial, y se caracteriza por el hecho de que la
sección transversal del al menos un extremo del conducto
by-pass disminuye progresivamente en al menos una
dirección radial según un eje Y o Z, a lo largo de un eje axial X,
optimizándose así el volumen de empaquetamiento del
intercambiador.
El intercambiador de la presente invención
presenta las siguientes ventajas:
- Se reducen los costes de fabricación ya que en
lugar de utilizar un conducto de sección ovalada en toda su
longitud, cuya fabricación es más compleja, se parte de un conducto
de sección circular cuyos extremos serán aplanados para obtener una
reducción del volumen de empaquetamiento del intercambiador.
Asimismo, se evita el choque térmico ya que el conducto en su tramo
de sección circular puede incluir una zona con ondas para absorber
las dilataciones térmicas, mientras que en un conducto de sección
ovalada convencional no es factible realizar dichas zonas con
ondas.
- Se obtiene una optimización del
empaquetamiento del intercambiador al facilitar la integración de
otros componentes del motor, ya que el volumen de los depósitos de
entrada y salida de gas se reducen, así como la carcasa de la
válvula by-pass.
- La reducción de volumen de los componentes del
intercambiador tiene un importante impacto en el peso del sistema
que se reduce significativamente.
- Se reducen los costes de fabricación de la
válvula by-pass, ya que también se reduce el volumen
de la carcasa del intercambiador.
Ventajosamente, la sección transversal del al
menos un extremo del conducto by-pass disminuye
progresivamente en la dirección radial según el eje Z, a lo largo
del eje axial X, aumentando a su vez dicha sección transversal
según el eje radial Y, de modo que se mantiene sensiblemente la
misma sección transversal de paso de gases en la totalidad del
conducto by-pass.
Preferentemente, la sección transversal del al
menos un extremo del conducto by-pass pasa
progresivamente desde una sección sensiblemente circular a una
sección sensiblemente ovalada.
Según una realización de la presente invención,
el al menos un extremo del conducto by-pass está
centrado con respecto al eje axial X de dicho conducto.
Según otra realización de la presente invención,
el al menos un extremo del conducto by-pass está
descentrado con respecto al eje axial X de dicho conducto.
Ventajosamente, el intercambiador comprende una
válvula de regulación para la selección del circuito a través del
cual fluyen los gases.
Preferentemente, el intercambiador comprende un
depósito unido a la entrada o a la salida de una carcasa del
intercambiador, y una conexión para la unión del depósito a la línea
de recirculación de gases de escape.
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:
la figura 1 es una vista en perspectiva de un
intercambiador de calor provisto de un conducto
by-pass externo de acuerdo con la invención;
la figura 2 es una vista en sección longitudinal
esquematizada del intercambiador, con el conducto
by-pass externo según una primera realización de la
invención;
la figura 3 es una vista en perspectiva del
conducto by-pass según la primera realización;
la figura 4 es una vista en alzado del conducto
by-pass de la figura 3;
la figura 5 es una vista en perfil del conducto
by-pass de la figura 3; y
la figura 6 es una vista en sección longitudinal
esquematizada del intercambiador, con el conducto
by-pass externo según una segunda realización de la
invención.
Una primera realización de la invención se
muestra en las figuras 1 a 5.
Haciendo referencia a la figura 1, el
intercambiador de calor 1 de tipo EGR comprende dos circuitos
independientes: un circuito destinado al paso de los gases a
enfriar (haz de tubos paralelos o placas apiladas) alojado en una
carcasa 2, y un conducto by-pass 3 externo a dicha
carcasa 2 del intercambiador.
En un primer caso, el intercambiador 1 puede
comprender una pluralidad de tubos paralelos para el paso de los
gases a enfriar, circulando el refrigerante dentro de la carcasa 2
exteriormente a dichos tubos; o bien en un segundo caso, el
intercambiador 1 puede comprender 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.
Dicho conducto by-pass 3 incluye
una zona central con ondas 4 para absorber las dilataciones
térmicas.
El intercambiador 1 también comprende una
válvula de regulación (no representada) que regula el camino que
recorrerá el flujo de gases a través del intercambiador 1, es decir,
o bien a través del haz de tubos o las correspondientes placas, o
bien preferentemente a través del conducto by-pass
3, dependiendo de la temperatura de los gases de escape.
Los gases a enfriar entran en el intercambiador
1 desde un conducto de alimentación 5 y a través de un depósito de
entrada 6, el cual está acoplado a la carcasa 2 del intercambiador
1. Tanto si los gases pasan por el haz de tubos o las
correspondientes placas, o bien si pasan por el conducto
by-pass 3, éstos salen por una salida acoplada a
una abrazadera 7 situada en el otro extremo del intercambiador 1,
que los conducirá hacia el colector de admisión.
Por otra parte, el fluido refrigerante circula
dentro de la carcasa 2, ya sea exteriormente a los tubos o entre
las correspondientes placas apiladas tal como se ha mencionado,
entre una entrada de fluido 8 y una salida 9.
Tal como puede apreciarse en las figuras 2 a 5,
la sección transversal de al menos un extremo 10 del conducto
by-pass 3 disminuye progresivamente en la dirección
radial según el eje Z, a lo largo del eje axial X, aumentando a su
vez dicha sección transversal según el eje radial Y, de modo que se
mantiene sensiblemente la misma sección transversal de paso de
gases en la totalidad del conducto by-pass 3.
De este modo, debido a que el al menos un
extremo 10 del conducto by-pass 3 presenta una menor
altura según el eje z, se consigue reducir el empaquetamiento del
intercambiador, y a su vez se evita el choque térmico al incluir
dicho conducto by-pass 3 una zona con ondas 4 en su
tramo de sección circular.
Haciendo referencia a las figuras 3 a 5, la
sección transversal del al menos un extremo 10 del conducto
by-pass 3 pasa progresivamente desde una sección
sensiblemente circular a una sección sensiblemente ovalada.
En esta primera realización, el al menos un
extremo 10 del conducto by-pass 3 está centrado con
respecto al eje axial X de dicho conducto 3.
Una segunda realización de la invención se
muestra en la figura 6. El intercambiador 1a comprende los mismos
elementos según las referencias 2 a 9 de la primera realización. La
diferencia se encuentra en que el al menos un extremo 10a del
conducto by-pass 3 está descentrado con respecto al
eje axial X de dicho conducto 3.
Claims (7)
1. Intercambiador de calor (1, 1a) para gases,
en especial de los gases de escape de un motor, que comprende un
circuito destinado a la circulación de los gases con intercambio de
calor con un fluido de refrigeración y un conducto
by-pass externo (3), adecuado para hacer circular
los gases sin que sufran un enfriamiento sustancial,
caracterizado por el hecho de que la sección transversal del
al menos un extremo (10, 10a) del conducto by-pass
(3) disminuye progresivamente en al menos una dirección radial según
un eje Y o Z, a lo largo de un eje axial X, optimizándose así el
volumen de empaquetamiento del intercambiador (1, 1a).
2. Intercambiador (1), según la reivindicación
1, caracterizado por el hecho de que la sección transversal
del al menos un extremo (10, 10a) del conducto
by-pass (3) disminuye progresivamente en la
dirección radial según el eje Z, a lo largo del eje axial X,
aumentando a su vez dicha sección transversal según el eje radial
Y, de modo que se mantiene sensiblemente la misma sección
transversal de paso de gases en la totalidad del conducto
by-pass (3).
3. Intercambiador (1), según la reivindicación
2, caracterizado por el hecho de que la sección transversal
del al menos un extremo (10, 10a) del conducto
by-pass (3) pasa progresivamente desde una sección
sensiblemente circular a una sección sensiblemente ovalada.
4. Intercambiador (1), según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el
al menos un extremo (10) del conducto by-pass (3)
está centrado con respecto al eje axial X de dicho conducto (3).
5. Intercambiador (1a), según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el
al menos un extremo (10a) del conducto by-pass (3)
está descentrado con respecto al eje axial X de dicho conducto
(3).
6. Intercambiador (1, 1a), según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho
de que comprende una válvula de regulación para la selección del
circuito a través del cual fluyen los gases.
7. Intercambiador (1, 1a), según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho
de que comprende un depósito (6) unido a la entrada o a la salida de
una carcasa (2) del intercambiador (1, 1a), y una conexión para la
unión del depósito (6) a la línea de recirculación de gases de
escape.
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|---|---|---|---|
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| ES07820300T ES2361445T3 (es) | 2006-09-21 | 2007-09-18 | Intercambiador térmico para gas, en particular para los gases de escape de un motor. |
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