CH657205A5 - Scambiatore di calore statico ad alta efficienza, particolarmente adatto per il raffreddamento di fluidi viscosi. - Google Patents

Description

657 205

2

RIVENDICAZIONI

1. Scambiatore di calore statico ad alta efficienza per il raffreddamento di fluidi viscosi, comprendente una successione di elementi divisori del fluido da sottoporre a scambio di calore, con disposizione incrociata di un elemento rispetto all'elemento successivo, ogni elemento essendo atto a dividerlo in flussi parziali con spostamento della ricombinazione di detti flussi parziali dopo l'elemento successivo, caratterizzato da ciò che ogni elemento divisore del fluido è costituito da un rango di condotti (7-21) in cui avviene lo scambio termico.

2. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che un rango di elementi divisori del fluido è costituito da n +1 condotti, dove n è un numero pari, uguale o superiore a 2.

3. Scambiatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato da ciò che ogni condotto facente parte dello stesso rango divisore di fluido è inclinato rispetto ad un piano perpendicolare al senso di avanzamento del fluido viscoso, cioè al piano orizzontale.

4. Scambiatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato da ciò che due condotti contigui facenti parte dello stesso rango divisore di fluido sono inclinati rispetto al piano orizzontale dello stesso valore angolare, ma di segno opposto.

5. Scambiatore secondo la rivendicazione 4, caratterizzato da ciò che l'inclinazione uguale, ma di segno opposto di due condotti contigui facenti parte dello stesso rango divisore di fluido, sia tale da formare tra i due condotti dei passaggi di forma triangolare la cui superficie totale sia superiore alla metà della superficie in piano della camera interna (1') contenente i ranghi di condotti.

6. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che il fluido scorrente attorno ad un rango di condotti, nel suo procedere, incontra un rango di elementi divisori del fluido avente la stessa configurazione spaziale di quello appena lasciato dopo tre ranghi successivi.

7. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che ogni elemento divisore del fluido da sottoporre a scambio di calore è costituito da un rango di condotti tubolari a sezione circolare con sovrapposta una piattina ad esso solidale, detti condotti tubolari essendo lambiti esternamente dal fluido viscoso e percorsi internamente dall'acqua di raffreddamento fatta ricircolare in ciclo chiuso; la sezione trasversale di ogni condotto tubolare e piattina essendo tale da dividere il fluido viscoso in più flussi divergenti allorché abbandonano il divisore stesso.

8. Scambiatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato da ciò che detti elementi divisori del fluido sono contenuti in una camera interna (1') le cui pareti sono disposte secondo un quadrilatero, nella cui camera interna circola in senso verticale, dal basso verso l'alto, il fluido lambendo i condotti tubolari costituenti gli elementi divisori del fluido e suddividendosi ogni volta in flussi parziali che si ricombinano con altri, spostandosi ad ogni incontro con un nuovo elemento divisore del fluido incrociatosi col precedente; detta camera interna (1'), essendo contenuta in un involucro esterno (1) che delimita con le pareti di detta camera interna, due camere adiacenti, la prima (3) di ingresso dell'acqua di raffreddamento o riscaldamento, la seconda (4) di uscita della stessa.

9. Scambiatore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato da ciò che la superficie totale delle piattine di un rango di elementi divisori è superiore aila superficie in piano della camera interna (1' ).

10. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la somma delle sezioni dei condotti tubolari affacciati alla camera d'ingresso (3) dell'acqua di raffreddamento oppure alla camera d'uscita (4) dell'acqua è inferiore alla sezione minima delle tubazioni d'ingresso (5) e d'uscita (6) dell'acqua nell'involucro esterno (1).

11. Utilizzazione dello scambiatore secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10 per il raffreddamento di liquidi viscosi.

È nota la difficoltà di sottoporre a raffreddamento un fluido viscoso avente un numero di Reynolds inferiore a 2000 ed un'alta viscosità dinamica.

Le difficoltà aumentano se al fluido viscoso deve essere sottratto il calore latente di fusione o di cristallizzazione per farlo solidificare in un'operazione successiva. Si corre il rischio di un bloccaggio dell'apparecchiatura per eccesso di raffreddamento.

Non possono essere utilizzati i normali scambiatori a fascio tubiera o a piastre per la loro caratteristica di avere un'alta efficienza solo con fluidi dotati di moto turbolento.

Si ricorre quindi attualmente a scambiatori a superficie raschiata che asportano meccanicamente il fluido viscoso dalla zona nella quale è avvenuto il raffreddamento.

Il costo di esercizio di tali scambiatori è molto alto: la potenza impiegata è elevata per la necessità di mantenere in movimento il fluido, l'ingombro è notevole e così pure il costo di fabbricazione data la complessità del sistema. Si richiedono frequenti interventi di manutenzione pena un drastico decadimento della resa.

Si conoscono anche scambiatori statici che possono essere suddivisi in due categorie:

— I miscelatori statici di qualsivoglia forma interna adattati al raffreddamento mediante incamiciatura dell'involucro esterno; date le limitate superfici di scambio in gioco il loro rendimento è modesto.

— Il miscelatore/scambiatore del brevetto francese numero 7 637 885 che però, per le sue intrinseche caratteristiche mal si presta a raffreddare fluidi viscosi con un limitato e ben preciso salto termico tra il fluido di processo e l'acqua di raffreddamento.

E ciò per diversi motivi, fra i quali:

1. In regime di moto laminare, il fluido viscoso durante il suo procedere nello scambiatore tenderebbe a seguire la forma circolare o comunque priva di spigoli dei condotti tubolari riunendosi al di sopra di essi con poco rimescolamento e scambio termico (fig. 4).

2. In regime di moto laminare e con alte viscosità dinamiche quali quelle caratteristiche di prodotti trattabili con lo scambiatore, esso opera con bassa velocità e alte sezioni di passaggio per quanto riguarda il fluido viscoso.

L'acqua di raffreddamento, operando invece in regime di moto turbolento, necessita di normali sezioni ed alte velocità per dar luogo ad un buon scambio termico.

Nel brevetto francese citato, per evitare che esistano delle vie preferenziali parallele all'asse dell'involucro tubolare, lungo le quali il fluido viscoso potrebbe fluire senza essere interessato al raffreddamento, è necessario che il diametro dei condotti tubolari sia almeno il 70% del diametro interno dell'involucro.

Lo scambiatore di calore e in particolare il raffreddatore statico di cui alla presente invenzione elimina gli inconvenienti suddetti e presenta notevoli vantaggi rispetto agli scambiatori noti e precisamente:

1. È una unità raffreddante a sé stante con rapporti ottimali (stabiliti in sede di progetto) fra le sezioni di passaggio del fluido viscoso e dell'acqua di raffreddamento.

2. Più unità possono essere collegate in serie per aumentare la capacità di scambio.

3. Non presenta vie preferenziali nella zona interessante il fluido viscoso.

4. La temperatura di raffreddamento può essere prefissata con un salto di pochi gradi centigradi tra il fluido viscoso e l'acqua di raffreddamento.

5. Entro limiti assai vasti è indipendente dalle possibili va5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

657 205

riazioni della temperatura dell'acqua di raffreddamento, cosa che può verificarsi utilizzando l'acqua nel periodo invernale o in quello estivo.

6. Permette di sottrarre al fluido viscoso il calore latente di fusione o di cristallizzazione senza sottoraffreddarlo provocandone l'indurimento o la cristallizzazione all'interno dell'apparecchio.

A titolo puramente indicativo e non limitativo se ne può citare qualche applicazione:

a) Raffreddamento di masse di cioccolato liquido.

b) Raffreddamento di grassi, cere, paraffine, hot-melt, prima del confezionamento.

c) Frazionamento mediante raffreddamento di grassi minerali, vegetali o animali.

d) Separazione mediante sottrazione di calore di isomeri di prodotti chimici.

Lo scambiatore di calore statico ad alta efficienza per il raffreddamento di fluidi viscosi in oggetto, comprendente una successione di elementi divisori del fluido da sottoporre a scambio di calore, con disposizione incrociata di un elemento rispetto all'elemento successivo, ogni elemento essendo atto a dividerlo in flussi parziali con spostamento della ricombinazione di detti flussi parziali dopo l'elemento successivo, è caratterizzato da ciò che ogni elemento divisore del fluido è costituito da un rango di condotti in cui avviene lo scambio termico.

Secondo una preferita forma di realizzazione, ogni elemento divisore del fluido da sottoporre a raffreddamento è costituito da un rango di condotti tubolari lambiti esternamente dal fluido viscoso e percorsi internamente dall'acqua di raffreddamento, fatta ricircolare in ciclo chiuso con il solo reintegro del calore sottratto al fluido viscoso.

La sezione trasversale di ciascun condotto tubolare è tale da dividere il fluido viscoso in due flussi divergenti e parzialmente traslanti verso la parte alta del condotto stesso. Si preferisce la sezione circolare sormontata da una piattina ad essa solidale che divide il fluido quando questo abbandona il complesso condotto tubolare/piattina.

A maggior chiarimento, il disegno allegato rappresenta una preferita forma di realizzazione dello scambiatore e in particolare raffreddatore in oggetto, forma non limitativa né vincolativa.

La fig. 1 lo rappresenta in sezione longitudinale fatta secondo il piano passante per I-I in fig. 3.

La fig. 2 lo rappresenta pure in sezione longitudinale, ortogonale rispetto a quello di fig. 1, cioè fatta secondo il piano passante per II-II in fig. 3.

La fig. 3 rappresenta la sezione trasversale fatta secondo il piano passante per III-III in fig. 1.

La fig. 4 rappresenta il comportamento dei filetti fluidi del liquido viscoso allorché il condotto tubolare è di sezione circolare.

La fig. 5 rappresenta il comportamento dei filetti fluidi del liquido viscoso con una piattina di divaricazione del flusso e con il complesso condotto tubolare/piattina, perpendicolare al senso di avanzamento del fluido viscoso.

La fig. 6 rappresenta il comportamento dei filetti fluidi del liquido viscoso con una piattina di divaricazione del flusso e il complesso condotto tubolare/piattina, inclinato rispetto al senso di avanzamento del fluido viscoso secondo la presente invenzione.

Con riferimento alla fig. 1 :

Lo scambiatore di calore e in particolare il raffreddatore in oggetto comprende l'involucro esterno 1, contenente un involucro interno 1' con le pareti disposte secondo un quadrilatero (si veda anche la fig. 3) delimitante due camere adiacenti 3 e 4, la prima di ingresso dell'acqua di raffreddamento, la seconda di uscita della stessa, ingresso ed uscita secondo le freccie 5 e 6.

Alle pareti dell'involucro 1' di sezione quadrata fanno capo i condotti tubolari inclinati 7, 8, 9 ortogonali rispetto ai condotti inclinati superiori 10, 11, 12, a loro volta ortogonali rispetto ai condotti inclinati ancora superiori 13, 14, 15, nuovamente a loro volta ortogonali rispetto ai condotti inclinati anco-5 ra superiori 16, 17, 18, così che la stessa disposizione spaziale del rango di condotti inclinati 7, 8, 9, si verrà a ripetere solo alla serie di condotti inclinati 19, 20, 21.

Il liquido viscoso fatto passare dal basso verso l'alto nella direzione delle freccie 22 e 23.

io II funzionamento è il seguente:

Il liquido viscoso, come già detto, percorre l'interno della camera quadrangolare 1' dal basso verso l'alto, entrando secondo la freccia 22 ed uscendo nella direzione della freccia 23, mentre l'acqua di raffreddamento entra nella direzione della 15 freccia 5 (fig. 3), percorre tutti i condotti tubolari (da 7 a 21) ed esce nella direzione della freccia 6 per poi essere fatta ricircolare, con forte velocità e portata, tramite una pompa (non rappresentata) in ciclo chiuso.

Lungo il suo percorso in senso verticale, il fluido viscoso è 20 costretto a suddividersi in filetti fluidi divergenti e parzialmente convergenti verso la parte alta del complesso condotto tubolare/piattina per effetto della sua particolare sezione trasversale come è illustrato nella fig. 6.

Una sonda, prelevando la temperatura del fluido viscoso 25 dopo il passaggio di questo sul rango terminale di condotti tubolari 19, 20, 21 farà effettuare sul circuito di raffreddamento un reintegro di acqua a più bassa temperatura ed una contemporanea evacuazione della stessa quantità di acqua ormai termicamente esaurita.

30 II circuito di raffreddamento costituito dalle tubazioni di collegamento (freccie 5 e 6 fig. 3) e dalla pompa (non rappresentata) ha il minimo volume possibile, compatibilmente alle esigenze costruttive.

Così pure la somma delle sezioni dei condotti tubolari affac-35 ciati alla camera 3 oppure 4 (fig. 3) è inferiore alla sezione minima esistente nel circuito di raffreddamento (tubazioni freccie 5 e 6 della fig. 3 e pompa).

Questo permette di far sì che:

a) il numero dei ricircoli dell'acqua di raffreddamento sia 40 elevato (indicativamente da 10 a 30 ricircoli al 1')

b) la velocità dell'acqua di raffreddamento nei condotti tubolari sia notevolmente alta (superiore a 3-4 m/sec.).

Quindi, l'intervento correttivo della temperatura comandato dalla sonda posta a monte del raffreddatore è immediato, stan-45 te il piccolo volume del circolo di raffreddamento, ma rapidamente trasferito al fluido viscoso per via dell'alto numero di ricircoli e l'alta velocità dell'acqua.

Se i condotti tubolari fossero di sezione semplicemente circolare, vale a dire senza piattina, come illustrato in fig. 4, i fiso letti fluidi, trattandosi di un fluido avente moto laminare, invece di divergere si riunirebbero in alto con uno scambio di calore limitato.

La superficie delle piattine sovrastanti un rango di condotti tubolari (es. 7, 8, 9, in fig. 1) è superiore alla superficie interna 55 dell'involucro interno 1' (fig. 1) ciò per costringere il fluido viscoso a fluire attraverso le sezioni triangolari formate da due condotti tubolari contigui e dalla parete della camera 1' (fig. 1).

Se i condotti tubolari muniti di piattina, fossero perpendicolari al senso di avanzamento del fluido viscoso (fig. 5) oltre a 60 non aversi una convergenza dei filetti fluidi verso la parte alta dei condotti (fig. 6) le piattine superiori dovrebbero essere di dimensioni ridotte per creare delle luci di passaggio aventi la stessa sezione delle luci triangolari esistenti con i condotti inclinati.

Si creerebbero così lungo il raffreddatore delle luci di pas-65 saggio entro le quali il fluido viscoso potrebbe raggiungere la estremità dell'apparecchio senza essere stato interessato al processo di raffreddamento.

Oltre a ciò l'incrociarsi alternativo dei ranghi di condotti

657 205

4

tubolari 7, 8, 9, rispetto ai ranghi di condotti tubolari superiori 10, 11, 12, e così di seguito, ripetendosi la stessa configurazione spaziale con un modulo uguale a 4 costringe il fluido viscoso che sta salendo, suddiviso in flussi divergenti a ricombinarsi con i flussi divergenti adiacenti, spostandosi ad ogni incontro con un nuovo rango di condotti tubolari incrociato rispetto al precedente.

Il fatto poi di abbinare ad una soluzione quadrangolare, quale è quella interna 1' (fig. 1) una sezione piana per le piattine solidali ai condotti tubolari, ottenendosi di conseguenza nei canali triangolari entro cui è costretto a fluire il fluido viscoso, aumenta la turbolenza dello stesso e la sua laminazione, tutto a vantaggio dello scambio termico.

s Così facendo, il raffreddamento diventa estremamente efficace e permette di lavorare fluidi viscosi in modo razionale, evitando l'uso di raschiatori come viene fatto attualmente e senza presentare gli inconvenienti degli scambiatori statici di cui si conoscono i principi di funzionamento.

v

1 foglio disegni