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ES2306660T3 - Intercambiador de calor para fluido a elevada presion. - Google Patents

Intercambiador de calor para fluido a elevada presion. Download PDF

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ES2306660T3 ES00922766T ES00922766T ES2306660T3 ES 2306660 T3 ES2306660 T3 ES 2306660T3 ES 00922766 T ES00922766 T ES 00922766T ES 00922766 T ES00922766 T ES 00922766T ES 2306660 T3 ES2306660 T3 ES 2306660T3
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Carlos Martins
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Abstract

Intercambiador de calor, particularmente para la extracción de calor de un fluido refrigerante en una instalación de climatización de vehículo automóvil, que comprende al menos una caja colectora cuyo volumen interior está definido por al menos un taladro longitudinal (2) procurado en un cuerpo macizo alargado (1), y está en comunicación de fluido con una hilera de tubos (4) mutuamente alineados en la dirección axial del o de los taladros, tendidos paralelamente los unos a los otros en una primera dirección sensiblemente perpendicular a dicha dirección axial y que tienen una sección transversal tendida, dicha anchura de dichos tubos, en un segunda dirección sensiblemente perpendicular a la dirección axial y sensiblemente perpendicular a dicha primera dirección, estando obtenida la estanqueidad de la comunicación de fluido entre los tubos y el volumen interior por medio de un soporte (10) en forma de banda perfilada, que recibe dicho cuerpo y soldada a éste y a la periferia de los tubos, caracterizado porque la anchura de dichos tubos (4) es superior a un diámetro del taladro (2).

Description

Intercambiador de calor para fluido a elevada presión.
La invención se refiere a un intercambiador de calor, particularmente para la extracción de calor de un fluido refrigerante en una instalación de climatización de vehículo automóvil, que comprende al menos una caja colectora cuyo volumen interior está definido por al menos un taladro longitudinal procurado en un cuerpo macizo alargado, y está en comunicación de fluido con una hilera de tubos mutuamente alineados en la dirección axial del o de los taladros, tendidos paralelamente los unos a los otros en una primera dirección sensiblemente perpendicular a dicha dirección axial y que tienen una sección transversal tendida, dicha anchura de dichos tubos, en una segunda dirección sensiblemente perpendicular a la dirección axial y sensiblemente perpendicular a dicha primera dirección. En tal intercambiador, la estanqueidad de la comunicación de fluido entre los tubos y el volumen interior se obtiene por medio de un soporte en forma de banda perfilada, que recibe el cuerpo y soldada a éste y a la periferia de los
tubos.
Tal intercambiador es particularmente conocido por el documento EP 586037. Era, por otro lado, conocido utilizar unos intercambiadores de calor, particularmente para la extracción de calor de un fluido refrigerante en una instalación de climatización de vehículo automóvil, y más particularmente cuando el fluido refrigerante es de estos que, como el CO_{2}, deben ser sometidos a unas presiones muy elevadas, por ejemplo de varias centenas de bares. Las cajas colectoras utilizadas en los condensadores de climatización clásicos, que comprenden una pared tubular formada por una o unas chapas enrolladas, no resistirían en efecto tales presiones, y se requiere una pieza maciza para suministrar un espesor de pared suficiente.
Sin embargo, si los extremos de los tubos desembocan directamente en un taladro que define el volumen interior de la caja colectora, como estos lo hacen en el interior de la pared tubular de chapa de las cajas colectoras clásicas, el espesor de la pared elevada de la caja colectora se añade a la obstrucción de los tubos en la segunda dirección, aumentando otro tanto la obstrucción global del intercambiador de calor.
El objeto de la invención es remediar este inconveniente, y reducir la obstrucción del intercambiador de calor en la segunda dirección, para una longitud dada de la sección transversal de los tubos.
La invención pretende particularmente un intercambiador de calor del género definido en la introducción, y prevé que la anchura de dichos tubos es superior a un diámetro del taladro.
Dicho de otro modo, solamente se proyecta una parte de la longitud de la sección transversal de los tubos, según dicha primera dirección, en dicho volumen interior.
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Unas características opcionales de la invención, complementarias o alternativas, se enuncian a continuación:
-
Al menos se proyecta un extremo de la longitud de la sección transversal de los tubos, según dicha primera dirección, más allá del taladro o del conjunto de los taladros en la segunda dirección.
-
Se proyecta una parte intermedia de la longitud de la sección transversal de los tubos, según dicha primera dirección, entre dos taladros que definen dicho volumen interior.
-
Un extremo de cada tubo se introduce en una ranura provista en dicho cuerpo, tendida en la segunda dirección, que desemboca en sus dos extremos y cuyo fondo está interrumpido por dicho volumen interior, estando aplicado dicho soporte en el cuerpo de manera que recubre dichas ranuras y presentando en frente de éstas unas aberturas alargadas para el paso estanco de los tubos.
-
Cada ranura presenta dos zonas laterales de una profundidad reducida cuyo fondo sirve de tope para el extremo del tubo y una zona mediana más profunda que define un espacio libre que comunica con el interior del tubo.
-
Un extremo de cada tubo se introduce de manera estanca en el fluido en una cubeta embutida en el soporte, cuyo fondo mismo está alojado de manera estanca en una muesca transversal del cuerpo y atravesado por al menos una abertura para la comunicación de fluido entre el tubo y dicho volumen interior.
-
El cuerpo y el soporte presentan unos medios de enganche mecánico mutuo.
-
Dichos medios de enganche comprenden dos depresiones que se extienden en la dirección axial en la superficie exterior del cuerpo, respectivamente de una y otra parte de un plano que pasa por los ejes de los tubos, y que cooperan con unos dientes del soporte.
-
Cada diente está formado en el extremo libre de una patilla que se extiende sensiblemente en un plano radial, estando interpuesta cada patilla en la dirección axial entre dos cubetas.
-
La caja colectora comprende al menos un tabique transversal que delimita en la dirección axial al menos una cámara que forma parte de dicho volumen interior, introducida en una abertura del cuerpo que está recubierta por el soporte.
-
La caja colectora comprende al menos un tabique transversal que delimita en la dirección axial al menos una cámara que forma parte de dicho volumen interior, introducida en una abertura del cuerpo más allá de la cual ésta forma relieve y que lleva unos medios de enganche mecánico en la periferia del cuerpo.
Las características y ventajas de la invención serán expuestas más en detalle en la descripción que sigue, refiriéndose a los dibujos adjuntos.
La figura 1 es una vista parcial en perspectiva en despiece ordenado de un intercambiador de calor destinado a la extracción de calor a partir de CO_{2} en el estado supercrítico bajo presión elevada, utilizado en calidad de fluido refrigerante en un circuito de climatización de vehículo automóvil.
Las figuras 2 y 3 son unas vistas en corte transversal y en corte axial respectivamente de la parte del intercambiador de calor representada en la figura 1.
Las figuras 4 y 5 son unas vistas parciales en perspectiva de otros dos intercambiadores de calor según la invención.
La figura 6 es una vista parcial desde un extremo del intercambiador de la figura 5.
Las figuras 7 y 8 son unas vistas parciales en corte longitudinal y de lado de este mismo intercambiador.
El intercambiador de calor representado en las figuras 1 a 3 comprende una caja colectora formada esencialmente por un cuerpo metálico macizo 1 que tiene exteriormente la forma general de un cilindro de revolución alargado. El cuerpo 1 está perforado con un taladro axial pasante 2 que le confiere la forma de un tubo de pared espesa. El cuerpo 1 es realizado, por ejemplo, por extrusión.
Unas ranuras transversales 3, regularmente espaciadas las unas de las otras en la dirección axial, se procuran en el cuerpo 1. Cada ranura 3 está tendida horizontalmente, como se ha visto en la figura 2, y desemboca en el exterior del cuerpo con sus dos extremos así como hacia la parte baja en toda su longitud. Su fondo está interrumpido, por otro lado, por el taladro 2, que está así en comunicación de fluido con la ranura. Cada ranura sirve para recibir el extremo superior de un tubo 4 tendido verticalmente, como se ha visto en las figuras, y que presenta dos caras principales situadas en unos respectivos planos perpendiculares al eje longitudinal A del cuerpo 1 y del taladro 2, confiriéndole una sección transversal alargada de la izquierda a la derecha de la figura 2. Cada tubo 4 está perforado con una multiplicidad de canales longitudinales mutuamente alineados según su anchura (es decir, según la longitud de su sección transversal), definiendo estos canales unos trayectos separados para la circulación del fluido. Los tubos 4 están mutuamente alineados en la dirección del eje A, alternativamente con unos espaciadores 6 constituidos cada uno por una banda ondulada, poniéndose en contacto las crestas de ondulación de un espaciador alternativamente con los dos tubos que lo encuadran.
Según la invención, la anchura de los tubos es superior al diámetro del taladro 2, de tal manera que solo los canales 5 situados en una región media de esta anchura desembocan directamente en el taladro 2, mientras que los otros canales desembocan en frente de la pared espesa del cuerpo 1, de una y otra parte del taladro, como se ve claramente en la figura 2. De esto resulta una disminución de la obstrucción de la caja colectora y, como consecuencia, del intercambiador de calor en su conjunto, en la dirección de la anchura de los tubos, para un valor dado de ésta. Para permitir a la vez un posicionamiento preciso de los tubos y una comunicación de fluido eficaz entre los canales marginales y el taladro 2, el fondo de las ranuras se sitúa en dos niveles diferentes. En cada uno de los lados longitudinales de una ranura, el fondo 7 de ésta se encuentra en un nivel inferior y forma tope para los bordes laterales del extremo del tubo 4. En la región media de la anchura de la ranura, su fondo 8 se encuentra en un nivel superior, apartado por consiguiente del extremo del tubo, para definir, a una y otra parte del taladro 2, dos conductos horizontales 9 que comunican con éste en su extremo y en los que desembocan los canales marginales del tubo 4.
Los extremos de las ranuras 3 desembocan en el exterior del cuerpo 1, y deben, por lo tanto, estar obturados para asegurar una comunicación estanca entre los canales 5 y el taladro 2. A estos efectos, el cuerpo 1 reposa, por la mitad inferior de su superficie, en un soporte 10 de chapa enrollada. Cada uno de los bordes laterales 11 del soporte 10 está dotado de una serie de dientes 12 que van a engancharse en una depresión longitudinal 13 provista en el lado correspondiente del cuerpo 1.
Las figuras 1 y 3 muestran también un tabique transversal 14 que delimita en la dirección axial al menos una cámara 15 en el interior del taladro 2. Una abertura transversal 16 está provista en la parte inferior del cuerpo 1 para introducir el tabique 14 y está ocupada por éste en su posición final. Uno o varios tabiques transversales pueden así estar previstos, para limitar axialmente el volumen interior de la caja colectora y/o dividir ésta en diferentes cámaras.
El soporte 10 presenta unas aberturas 17 tendidas transversalmente, de un tamaño justo suficiente para el paso de los tubos 4. El soporte está soldado al cuerpo 1, a los tubos 4 y al tabique 14, por medio de una soldadura aplicada por ejemplo en toda su superficie superior cóncava, que asegura así la estanqueidad entre el taladro 2, las ranuras 3 y los canales 5 por una parte, y el exterior por otra parte. El tabique 14 debe, por otro lado, estar soldado a la pared del taladro 2 para asegurar la separación estanca de éste.
Las figuras 1 y 3 muestran un roscado 19 previsto en un extremo del taladro 2 para el atornillamiento de una contera de entrada o de salida de fluido.
Los extremos inferiores, no representados, de los tubos 4 pueden estar en comunicación con una caja colectora inferior análoga a la caja colectora superior, como es el caso en el intercambiador de calor representado en la figura 4, en el que unos elementos semejantes a los descritos anteriormente están afectados por los mismos números de referencia aumentados en 20, y no serán descritos de nuevo en detalle.
Este segundo intercambiador de calor comprende unos tubos 24 semejantes a los tubos 4 descritos anteriormente, y dos cajas colectoras cuyos cuerpos 21 difieren del cuerpo 1 en que cada uno de ellos presenta no uno sino dos taladros longitudinales 22 cuyos ejes son paralelos y están situados en un mismo plano horizontal, para una orientación vertical de los tubos. Los dos taladros de cada cuerpo 21 están, por lo tanto, separados el uno del otro por una pared longitudinal intermedia 38. Unas ranuras transversales 23 análogas a las ranuras 3 están provistas en los cuerpos. La parte más profunda de cada ranura define, por lo tanto, otros dos conductos horizontales 29 de los cuales cada uno une un taladro 22 al extremo cercano de la ranura, uniendo un conducto horizontal 29a entre ellos los dos taladros, y en el que desembocan los canales 25 de circulación situados en una región media de la anchura del tubo 24. Es igualmente posible prever que los canales 25 situados en las regiones marginales de la anchura del tubo desembocan más allá de los taladros 22, es decir, en los conductos 29, como es el caso para el intercambiador de calor de las figuras 1 a 3.
A cada una de las cajas colectoras está asociado un soporte 30 que, además de su forma adaptada a la anchura del cuerpo 21, difiere del soporte 10 descrito antes en que los dientes 12 son reemplazados por unos rebordes 32 que forman relieve en dirección al plano longitudinal medio del intercambiador de calor y que cooperan en toda la longitud del soporte con una correspondiente depresión lateral 33 del cuerpo.
En la figura 5, en la que unos elementos semejantes a los de las figuras 1 a 3 están afectados por los mismos números de referencia aumentados en 40, están representadas de nuevo dos cajas colectoras que comunican respectivamente con los extremos superior e inferior de tubos verticales 44 semejantes a los tubos 4 descritos anteriormente y alineados, como estos, alternativamente con unos espaciadores 46. Cada caja colectora comprende un cuerpo macizo 41 de una forma general cilíndrica semejante a la del cuerpo 1, y atravesado como éste por un taladro axial 42 cilíndrico de revolución. A cada cuerpo 41 está asociado un soporte 50 de chapa embutida. Cada extremo de los tubos 44 está cubierto por una cubeta 60 formada por el embutido del soporte, ajustándose el fondo 61 de esta cubeta en una muesca transversal 62 del cuerpo 41, que comunica con el taladro 42 y que desemboca en sus extremos en los dos lados del cuerpo. Una abertura 63 que atraviesa el fondo 61 en su centro permite la comunicación de fluido entre el taladro 42 y los canales 45 del tubo, siendo asegurada la estanqueidad de esta comunicación por soldadura de la cubeta por su cara interna en la periferia del tubo y por la cara externa de su fondo en la muesca 62 del cuerpo.
El enganche mecánico de cada soporte 50 en el cuerpo 41 correspondiente es realizado por medio de patillas 64 que pertenecen al soporte, dispuestas por pares a una y otra parte del cuerpo, estando dispuestos los pares de patillas alternativamente con las cubetas 60. Cada patilla 64 está girada en oposición al espaciador 66, es decir, hacia la parte alta para el soporte superior y hacia la parte baja para el soporte inferior, y se termina mediante un diente 65 que forma relieve en dirección al eje del cuerpo para cooperar con una depresión longitudinal 53 de éste, de la misma manera que los dientes 12 del intercambiador de calor de las figuras 1 a 3.
Se ve en la figura 7 un tabique transversal 54, que está introducido de la misma manera que el tabique 14 de las figuras 1 a 3 por una abertura 56 del cuerpo 41 girado hacia el conjunto de tubos, para delimitar una cámara 55 en el taladro 42. En su posición final, este tabique forma relieve más allá de la abertura 56, para formar la base de partida de dos patillas 66 que se extienden en la dirección circunferencial a lo largo del cuerpo 41 hasta las depresiones 53, en los que éstas se enganchan mediante unos dientes terminales 67 que actúan de la misma manera que los dientes 65.

Claims (11)

1. Intercambiador de calor, particularmente para la extracción de calor de un fluido refrigerante en una instalación de climatización de vehículo automóvil, que comprende al menos una caja colectora cuyo volumen interior está definido por al menos un taladro longitudinal (2) procurado en un cuerpo macizo alargado (1), y está en comunicación de fluido con una hilera de tubos (4) mutuamente alineados en la dirección axial del o de los taladros, tendidos paralelamente los unos a los otros en una primera dirección sensiblemente perpendicular a dicha dirección axial y que tienen una sección transversal tendida, dicha anchura de dichos tubos, en un segunda dirección sensiblemente perpendicular a la dirección axial y sensiblemente perpendicular a dicha primera dirección, estando obtenida la estanqueidad de la comunicación de fluido entre los tubos y el volumen interior por medio de un soporte (10) en forma de banda perfilada, que recibe dicho cuerpo y soldada a éste y a la periferia de los tubos, caracterizado porque la anchura de dichos tubos (4) es superior a un diámetro del taladro (2).
2. Intercambiador de calor según la reivindicación 1, en el que al menos un extremo de la longitud de la sección transversal de los tubos (4; 24) se proyecta, según dicha primera dirección, más allá del taladro (2) o del conjunto de los taladros (22) en la segunda dirección.
3. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 y 2, en el que una parte intermedia de la longitud de la sección transversal de los tubos se proyecta, según dicha primera dirección, entre dos taladros (22) que definen dicho volumen interior.
4. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones precedentes, en el que un extremo de cada tubo se introduce en una ranura (3) provista en dicho cuerpo, tendida en la segunda dirección, que desemboca en sus dos extremos y cuyo fondo está interrumpido por dicho volumen interior, estando aplicado dicho soporte en el cuerpo de manera que recubre dichas ranuras y presentando en frente de éstas unas aberturas alargadas (17) para el paso estanco de los tubos.
5. Intercambiador de calor según la reivindicación 4, en el que cada ranura presenta dos zonas laterales de una profundidad reducida cuyo fondo (7) sirve de tope para el extremo del tubo y una zona media más profunda que define un espacio libre (9) que comunica con el interior del tubo.
6. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que un extremo de cada tubo (44) se introduce de manera estanca al fluido en una cubeta embutida (60) del soporte (50), cuyo fondo (61) está alojado él mismo de manera estanca en una muesca transversal (62) del cuerpo (41) y atravesado por al menos una abertura (63) para la comunicación de fluido entre el tubo y dicho volumen interior.
7. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones precedentes, en el que el cuerpo y el soporte presentan unos medios (12, 13) de enganche mecánico mutuo.
8. Intercambiador de calor según la reivindicación 7, en el que dichos medios de enganche comprenden dos depresiones (13) que se extienden en la dirección axial en la superficie exterior del cuerpo, respectivamente de una y otra parte de un plano que pasa por los ejes de los tubos, y que cooperan con unos dientes (12) del soporte.
9. Intercambiador de calor según la reivindicación 8, relacionada con la reivindicación 6, en el que cada diente (65) está formado en el extremo libre de una patilla (64) que se extiende sensiblemente en un plano radial, estando interpuesta cada patilla en la dirección axial entre dos cubetas (60).
10. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la caja colectora (1) comprende al menos un tabique transversal (14) que delimita en la dirección axial al menos una cámara (15) que forma parte de dicho volumen interior, introducida en una abertura (16) del cuerpo que está recubierta por el soporte (10).
11. Intercambiador de calor según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la caja colectora comprende al menos una tabique transversal (54) que delimita en la dirección axial al menos una cámara (55) que forma parte de dicho volumen interior, metido en una abertura (56) del cuerpo más allá de la cual forma relieve y que lleva unos medios (67) de enganche mecánico en la periferia del cuerpo (41).
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