IT201700018674A1 - Scambiatore di calore a passi variabili per impianti a ciclo rankine organico - Google Patents

Description

SCAMBIATORE DI CALORE A PASSI VARIABILI PER IMPIANTI A CICLO RANKINE ORGANICO

DESCRIZIONE

Settore tecnico dell’invenzione

La presente invenzione attiene ad uno scambiatore di calore a passi variabili utilizzato, in particolare, in impianti a ciclo Rankine organico (ORC). Lo scambiatore di calore in oggetto sarà quindi asservito alla fase di riscaldamento e/o di vaporizzazione, ovvero alla fase di condensazione di un fluido organico di lavoro del ciclo ORC. La presente invenzione, come si vedrà, è comunque applicabile anche a scambiatori di calore aventi altro tipo di applicazione.

Tecnica nota

Com’è noto, uno scambiatore di calore è un dispositivo termico che consente lo scambio di calore tra due fluidi, in particolare dal fluido a temperatura più elevata che si raffredda al fluido a temperatura inferiore che quindi si riscalda. In un impianto a ciclo Rankine organico, ad esempio, nello scambiatore di calore avviene il riscaldamento e/o la vaporizzazione (in taluni casi anche il surriscaldamento) del fluido organico di lavoro grazie al calore fornito da un fluido a più alta temperatura. Detto fluido può comprendere una sorgente termica ad elevata temperatura in fase gassosa o liquida (ad esempio, prodotti di combustione di biomassa, sorgente geotermica, ecc.) e in tal caso si parla di scambio termico diretto, oppure può essere costituito da un fluido (ad esempio, un olio diatermico) che circola in un circuito intermedio tra la sorgente ad alta temperatura e il fluido organico di lavoro. L’olio diatermico, riscaldato dalla sorgente ad alta temperatura, a sua volta fornisce il calore al fluido organico di lavoro. Inoltre in uno scambiatore di calore per impianto ORC può avvenire la condensazione del vapore del fluido organico di lavoro ad opera, ad esempio, di acqua di raffreddamento che riscaldatasi può essere asservita ad un’utenza termica.

Indipendentemente dalla tipologia di fluidi utilizzati, uno scambiatore di calore è comunemente definito “shell& tube” allorquando uno dei due fluidi scorre all’interno di un fascio tubiero i cui tubi, in generale, sono disposti parallelamente tra loro, mentre il secondo fluido si trova all’esterno del fascio tubiero ed è confinato in un involucro esterno, chiamato mantello.

Il primo fluido può attraversare il fascio tubiero più volte all’interno dello stesso scambiatore e tali attraversamenti sono chiamati passi. Il numero di passi, ovvero il numero di passaggi nei tubi, di uno scambiatore di calore è deciso durante il processo di dimensionamento in base a diversi parametri.

Si consideri ad esempio l’evaporatore di un impianto ORC la cui sorgente termica è rappresentata da acqua geotermica. In tal caso, l’acqua scorre all’interno dei tubi (che sono più facilmente pulibili mediante l’utilizzo di scovoli), mentre il fluido organico di lavoro evapora nel mantello.

La scelta del numero di passi è un compromesso tra prestazione dello scambio termico e perdite di carico legate all’attraversamento del fascio tubiero. Infatti, definita la portata del fluido che attraversa i tubi ed il numero di tubi del fascio tubiero, all’aumentare del numero di passi il fluido questa si distribuirà su un numero minore di tubi per ciascun passo e quindi aumenterà la sua velocità e i coefficienti di scambio termico. Evidentemente, l’aumento di velocità comporta però un aumento delle perdite di carico, nonché possibili problemi di erosione o vibrazione.

In un evaporatore di tipo “kettle” il fluido organico liquido è praticamente fermo nel mantello, che presenta una sezione maggiore della dimensione minima che sarebbe necessaria ad ospitare il fascio tubiero. In questo caso, il criterio di scelta del numero di passi lato tubi si riduce a quanto sopra detto, ovvero all’ottimizzazione del compromesso prestazioni/perdite di carico.

Nei casi in cui lo scambiatore shell&tube ha lo scopo anche (o solo) di preriscaldare il fluido organico in fase liquida, può essere conveniente utilizzare dei setti trasversali anche lato mantello. Quando sono presenti uno o più setti trasversali, anche il fluido organico di lavoro è in movimento e compie più passi; in sostanza il liquido è costretto dai setti a fluire in sezioni più ristrette della sezione complessiva del mantello dello scambiatore, con un percorso volutamente tortuoso. La scelta del numero di passi si fa dunque più complessa: infatti, oltre a tener sempre conto dell’incremento delle perdite di carico, in questo caso l’aumento del numero di passi non implica necessariamente un aumento delle prestazioni termiche, dal momento che in alcuni tratti il fluido organico di lavoro si trova a scorrere in una direzione complessivamente equi-corrente rispetto all’acqua geotermica nei tubi.

Inoltre, occorre tener conto che sovente la portata di acqua geotermica di un impianto ORC (lo stesso dicasi evidentemente per la portata di acqua di raffreddamento nel condensatore del medesimo impianto ORC) non è costante, ma può subire variazioni anche molto consistenti sia durante l’anno sia nel corso degli anni. Il cambiamento della portata di acqua comporta quindi l’allontanamento dalle condizioni di ottimo ricercate con il dimensionamento del numero di passi; inoltre, soprattutto negli impianti geotermici, se la velocità dell’acqua è troppo bassa, vi è maggiore probabilità di avere problemi di sporcamento/incrostazione dei tubi.

E’ importante, dunque, poter variare il numero di passi lato tubi di uno scambiatore di calore anche durante il funzionamento dell’impianto ORC.

In figura 1 è rappresentato uno scambiatore shell&tube a tubi dritti e a due passi secondo lo stato dell’arte. Secondo una convenzione nota, con “X” è indicata una freccia vista dalla coda rappresentante il flusso, quindi entrante rispetto al foglio, mentre con “•” è indicata una freccia vista dalla punta, rappresentante il flusso quindi uscente rispetto al foglio.

Supponiamo di considerare un evaporatore per ORC di tipo kettle in cui il fluido organico di lavoro (fluid) si trova nel lato mantello 13, mentre il fluido sorgente (source, ad esempio, olio diatermico o acqua geotermica) entra nella testata di sinistra 70, che è divisa in due porzioni, contrassegnate come 1 e 3, e attraversa il fascio tubiero 80. In particolare, il fluido sorgente passa in un opportuno bocchello flangiato ed entra nella porzione 1 della testata di sinistra, per poi attraversare una prima porzione 81 del fascio tubiero 80 (primo “passo”, disposto nella metà superiore dello scambiatore) e finire quindi nella testata di destra 70’, la cui unica porzione è contrassegnata come 2. Dalla testata di destra 70’ poi il fluido sorgente fluisce in una seconda porzione 82 del fascio tubiero 80, disposta nella metà inferiore dello scambiatore di calore (secondo passo) per ritornare nella testata di sinistra, più precisamente nella porzione 3, da cui poi esce attraverso un bocchello di uscita.

In figura 2 è rappresentato lo stesso scambiatore, ma con quattro passi lato tubi. Sostanzialmente il fluido sorgente percorre i tubi quattro volte all’interno dello scambiatore, pertanto la testata sinistra 70 è divisa in tre porzioni 1, 3, 5, mentre quella di destra è divisa in due porzioni 2, 4.

In particolare, il flusso entra nella porzione 1, percorre un primo fascio di tubi che lo porta nella porzione 2; da 2 ritorna nella testata 70, in particolare nella porzione 3, percorrendo un secondo fascio di tubi. Poi il fluido percorre un terzo fascio di tubi che collega la parte inferiore della porzione 3 con la porzione 4 della testata 70’; infine ritorna nella porzione 5 della testata 70 percorrendo un quarto fascio di tubi. I simboli “X” e “•” aiuteranno a capire il senso del flusso nei vari passi secondo la convenzione spiegata sopra.

Come si può notare dalle figure 1 e 2, per poter trasformare lo scambiatore di calore da una configurazione a due passi ad una a quattro passi, sarebbe sufficiente cambiare la disposizione dei setti di separazione che dividono le due testate in diversi volumi e determinano quindi la distribuzione del fluido nei tubi.

I setti di separazione sono solitamente lamiere saldate alle pareti della testata stessa e della piastra del fascio tubiero, pertanto è impossibile cambiarne la posizione durante il funzionamento dell’impianto.

Il brevetto US 4,105,065 (A) insegna come sia possibile non saldare i setti divisori all’interno della cassa dello scambiatore di calore, bensì realizzarli come piastre amovibili che si inseriscono nella cassa per mezzo di opportune guide. Anche in questo caso però, per poter cambiare il numero dei passi, è necessario fermare l’impianto e svuotare lo scambiatore di calore.

Esiste pertanto l’esigenza di definire uno scambiatore di calore al quale sia possibile modificare il numero di passi durante il funzionamento dello stesso, senza rendere necessario l’arresto dell’impianto ORC e/o lo svuotamento dello scambiatore di calore.

Sintesi dell’invenzione

Oggetto della presente invenzione è quindi un innovativo scambiatore di calore a passi variabili, la cui variazione di passi è effettuata durante il funzionamento dello scambiatore di calore secondo cadenza predeterminata oppure secondo un metodo di controllo che con continuità calcola quale è il numero di passi che ottimizza le prestazioni, così come specificato nella rivendicazione indipendente annessa.

Le rivendicazioni dipendenti delineano particolari e ulteriormente vantaggiosi aspetti dell’invenzione.

Breve descrizione dei disegni

I differenti modi di realizzazione dell’invenzione saranno ora descritti, per mezzo di esempi, con riferimento ai disegni annessi in cui:

- la Figura 1 mostra uno scambiatore shell&tube a tubi dritti e a due passi, secondo tecnica nota,

- la Figura 2 mostra lo stesso scambiatore di Fig.1, ma con quattro passi lato tubi, secondo tecnica nota,

- le Figure 3a e 3b illustrano schematicamente uno scambiatore di calore a passi variabili, in particolare la testata di ingresso/uscita del fluido sorgente, secondo una prima forma di attuazione della presente invenzione,

- la Figura 4 mostra lo scambiatore di calore di Fig. 3a e 3b, secondo una differente modalità di funzionamento,

- la Figura 5 mostra la testata opposta dello scambiatore di calore di Fig.4,

- la Figura 6 illustra schematicamente uno scambiatore di calore a passi variabili in una seconda forma di attuazione della presente invenzione,

- la Figura 7 mostra in modo semplificato una soluzione costruttiva di uno dei setti di separazione mobili dello scambiatore di calore di Fig.6,

- la Figura 8 è un dettaglio di Fig. 7 ed in particolare un dettaglio della zona di tenuta dell’albero secondo la soluzione costruttiva di Fig.7,

- la Figura 9 è lo stesso dettaglio di Fig. 7 ma illustra una differente realizzazione della tenuta dell’albero secondo la soluzione costruttiva di Fig.7,

- la Figura 10 mostra lo scambiatore di calore a passi variabili di Fig.6, secondo una differente modalità di funzionamento,

- la Figura 11 illustra schematicamente uno scambiatore di calore a passi variabili secondo una terza forma di attuazione della presente invenzione,

- la Figura 12 illustra schematicamente uno scambiatore di calore a passi variabili secondo una quarta forma di attuazione della presente invenzione,

- la Figura 13 illustra schematicamente uno scambiatore di calore a passi variabili comprendente tubi realizzati a forma di “U”.

Descrizione dettagliata

Con riferimento alle suddette figure, è descritto uno scambiatore di calore a fascio tubiero che realizza uno scambio termico tra una coppia di fluidi e comprende pertanto un fascio tubiero all’interno del quale fluisce un primo fluido che attraversa il fascio tubiero o porzioni di esso secondo un numero variabile di passi; comprende inoltre un mantello contenente al suo interno il fascio tubiero ed il secondo fluido (quest’ultimo esterno al fascio tubiero). Il mantello è provvisto di almeno un bocchello d’ingresso fluid IN e di almeno un bocchello di uscita fluid OUT di detto secondo fluido. Lo scambiatore di calore comprende almeno una testata di distribuzione del primo fluido all’interno dei tubi del fascio tubiero. La testata è provvista a tal scopo di un numero variabile di setti di separazione, che potranno essere all’occorrenza fissi ovvero mobili. La testata è infine provvista di almeno un bocchello d’ingresso source IN e di almeno un bocchello di uscita source OUT di detto primo fluido.

Con riferimento alle figure da 3 a 13, verranno ora illustrate alcuni modalità di attuazione della presente invenzione, modalità tutte tra loro accomunate dalla possibilità di realizzare la variazione dei passi di uno scambiatore di calore, durante il funzionamento dell’impianto a ciclo Rankine organico senza necessità di arrestare l’impianto medesimo e/o di dover svuotare la macchina. E’ da intendersi che, anche se gli esempi illustrati faranno riferimento a scambiatori di calore utilizzati in impianti ORC, la presente invenzione è applicabile a qualsiasi tipologia di scambiatore di calore del tipo “shell&tube”, ovvero a fascio tubiero.

Nella descrizione che segue si illustrerà la possibilità di variare durante il funzionamento il numero di passi di uno scambiatore di calore da due a quattro e viceversa. E’ da intendersi che la variazione da due a quattro passi è presentata soltanto a titolo esemplificativo e non limitativo, potendo l’invenzione nelle sue modalità di attuazione di seguito descritte consentire di effettuare qualsivoglia variazione del numero di passi con ovvie modifiche rispetto agli esempi presentati.

La Fig. 3 mostra una prima forma di attuazione della presente invenzione. Come rappresentato in figura 3a, per un generico scambiatore di calore 100 una prima possibilità è quella di far ruotare dei setti di separazione mobili, incernierandoli pressoché al centro della testata 70 di ingresso/uscita del fluido sorgente. Il setto di separazione C è fisso, mentre i setti di separazione A e B sono incernierati al centro della testata e ruotano da una prima posizione P2, in cui sono sovrapposti e definiscono uno scambiatore di calore a due passi, ad una seconda posizione P4 in cui si dispongono opposti lungo la verticale, in modo da realizzare uno scambiatore di calore a quattro passi. Si realizza di fatto quanto rappresentato nelle testate 70 di sinistra degli scambiatori in figura 1 e 2.

Una prima modalità cinematica per ruotare i setti di separazione mobili A e B è schematizzata in figura 3b. I setti di separazione mobili A e B sono incernierati in corrispondenti alberi coassiali alle ruote dentate F e G, che ingranano in una vite senza fine H. La rotazione della vite senza fine H provoca la rotazione in versi opposti delle ruote F e G (madreviti). Il sistema composto da F, G e H è esterno alla testata 70 e costituisce un riduttore a vite senza fine a due alberi controrotanti in uscita.

Eventualmente i setti di separazione mobili A e B possono essere ruotati per mezzo di alberi mossi in modo indipendente tra loro.

Con riferimento alla Fig. 4, una seconda modalità per poter ruotare i setti di separazione mobili A e B è quella di collegarli con un cinematismo ad una vite senza fine H’, che ruotando muove un manicotto M (madrevite) a sua volta collegato al setto con un opportuno braccio K, incernierato al setto in una opportuna posizione intermedia. I setti di separazione mobili A e B possono essere mossi attraverso un’unica asta filettata, eventualmente con due versi di filettatura destro e sinistro per i due manicotti (quello posto nella metà superiore e quello posto nella metà inferiore), oppure da due viti senza fine.

L’intero cinematismo può essere realizzato all’interno della testata 70 e l’unico punto di possibile trafilamento di fluido verso l’esterno sarebbe in corrispondenza dell’asta filettata, che potrà essere mossa manualmente o con un opportuno attuatore.

Il trafilamento interno tra le diverse sezioni della cassa può essere limitato realizzando opportune tenute nei punti di battuta delle piastre, in corrispondenza delle posizioni P2 e P4.

In figura 5 è rappresentata la testata opposta 70’ dello scambiatore di calore 100, dove invece è necessario passare da due ad una sola sezione. L’immagine di sinistra mostra i setti di separazione mobili A’ e B’ prossimi alla configurazione P2 (due passi), mentre in quella di destra tali setti sono vicini alla configurazione P4 (quattro passi).

Da notare che nella configurazione a 2 passi (immagine sinistra) la posizione dei due setti A’ e B’ sovrapposti in verticale nella parte alta della testata non rappresenta un ostacolo al flusso che in questo modalità e in questa testata è sostanzialmente verticale (vedi figura 1, testata 70’).

Se il passaggio tra configurazione a due passi e quattro passi o viceversa viene eseguito con ORC in funzione, la sequenza di apertura o chiusura dei setti di separazione mobili deve essere fatta seguendo una sequenza tale per cui non vi sia mai interruzione del flusso lato tubi.

Ad esempio, consideriamo un evaporatore ad acqua geotermica secondo le figure da 1 a 5. Supponiamo che all’inizio lo scambiatore di calore lavori con due passi. Per passare a quattro passi, si muovono per prime le paratie della testata di sinistra 70 fino a raggiungere la posizione 4P. In questo modo, la testata sinistra è in posizione 4P (come in Fig. 2), mentre la testata di destra 70’ in posizione 2P (come in Fig. 1); durante questa fase transitoria, il fluido sorgente entra nella testata di sinistra, nella porzione 1 (Fig. 2), attraversa i tubi e raggiunge la testata di destra 70’, che è ancora nella configurazione di Fig. 1, per poi tornare nella testata di sinistra ma solo nella porzione 5 (Fig.2), da cui poi fuoriesce dallo scambiatore; infatti, l’acqua non può fluire attraverso la porzione di scambiatore corrispondente alla porzione 3 della testata di sinistra (Fig. 2). Pertanto l’acqua geotermica percorre solo metà scambiatore. Completato il posizionamento dei setti di separazione mobili della testata sinistra, si procede con quella destra. Se invece si intervenisse prima nella testata destra (70’) e poi in quella sinistra (70), l’acqua geotermica si fermerebbe nella metà alta dello scambiatore, senza poter raggiungere il bocchello d’uscita, bloccando il funzionamento dell’impianto.

In una seconda forma di attuazione dell’invenzione, invece di movimentare i setti di separazione mobili con un cinematismo collegato a una vite senza fine, si possono aprire o chiudere dei passaggi tra i setti di separazione mobili presenti nelle testate, ruotandoli come se fossero valvole a farfalla.

Ad esempio, in figura 6 è rappresentato un sistema secondo la presente soluzione, per la testata di sinistra 70 dello scambiatore 110, del tutto simile a quello rappresentato nelle Fig.1 e 2. La testata 70 presenta un setto di separazione fisso C (orizzontale, nella metà di destra) e tre setti di separazione mobili D, E, e F. Per passare da due a quattro passi devono essere ruotati i tre setti di separazione mobili dalle posizioni P2 orizzontali alle posizioni P4 verticali.

In figura 7 è rappresentata in modo semplificato una possibile soluzione costruttiva di uno dei setti di separazione mobili D, E, F come mostrati in Fig. 6. In figura 8 è riportato un dettaglio della zona di tenuta dell’albero.

In figura 7 è rappresentata una sezione parziale di uno scambiatore di calore a tubi dritti 110. I tubi 14, nei quali scorre il fluido sorgente, quello a più alta temperatura, sono fissati alla piastra tubiera 12, mentre il fluido organico è confinato nel mantello 13. La testata 11 è chiusa da un coperchio 10 vincolato alla testata stessa mediante collegamenti filettati 26.

La variazione del numero di passi è effettuata ruotando un albero 19 a cui è fissata una piastra rettangolare 17, ovvero uno setto di separazione mobile, come mostrato in Fig. 6. La tenuta tra il setto di separazione mobile 17 e il setto di separazione fisso 27 è effettuata mediante opportuni mezzi di tenuta 16 (ad esempio del tipo a lamella flessibile), che agiscono preferibilmente su un risalto 15 del setto di separazione fisso 27.

L’albero può ruotare perché inserito in un foro del coperchio 10, da una parte, e dall’altra in un manicotto 18, vincolato rigidamente alla piastra tubiera. Durante il montaggio, l’albero è inserito nell’elemento 18, quindi il coperchio 10 è montato in modo che l’albero 19 si infili nel rispettivo foro del coperchio. L’albero ha un certo gioco assiale dato dallo spazio che rimane tra la sua estremità e la base dell’elemento 18; per evitare eccessivi movimenti assiali, però, è previsto un allargamento 25 della sezione dell’albero, tale da entrare eventualmente in battuta sul coperchio (che funge quindi da fine corsa).

Nell’esempio di Fig.7, l’albero è movimentato da un volantino manuale 20, ma può essere ruotato anche con un attuatore pneumatico, elettrico o idraulico, normalmente con l’interposizione di un riduttore di giri ad esempio del tipo a vite senza fine / madrevite.

In figura 8 è riportato un dettaglio di un possibile sistema di tenuta verso l’ambiente esterno. Occorre tener comunque presente che piccole perdite possono essere accettabili se il fluido che attraversa i tubi e la testata è ad esempio acqua geotermica e se tali piccole perdite vengono comunque raccolte e convogliate in opportuni volumi di raccolta.

In particolare, è rappresentato un sistema di tenuta a premistoppa. La tenuta 23 è schiacciata in un’opportuna sede dal premistoppa 22, filettato esternamente, che è avvitato all’elemento 21 filettato internamente e saldato al coperchio 10. E’ possibile installare sistemi di tenuta diversi, quali o-ring (ad esempio l’o-ring 24, in Fig. 8) o premistoppa con sistema di compressione a molle 28, come in figura 9, o combinazione di essi.

Gli stessi sistemi di tenuta possono essere applicati anche alla vite senza fine della prima forma di attuazione dell’invenzione (quella illustrata nelle Fig.3b, 4 e 5).

I setti di separazione mobili all’interno della cassa possono essere ruotati come mostrato in precedenza, oppure traslati come in mostrato in figura 10. Il setto di separazione mobile 61 poggia su guide 60, 62 ricavate nel setto di separazione fisso 63. Lo spostamento del setto di separazione mobile 61 è generato dalla rotazione dell’albero filettato 29, che si inserisce in un foro filettato realizzato in una protuberanza 61’ del setto di separazione mobile.

Secondo una terza forma di attuazione dell’invenzione, è possibile passare da una configurazione a due passi ad una a quattro passi utilizzando tubi e valvole esterne allo scambiatore di calore, evitandosi cosi la movimentazione dei setti di separazione. Pertanto, le testate dello scambiatore di calore saranno provviste unicamente di setti di separazione fissi. Continuando a illustrare a titolo esemplificativo la variazione di passi da due a quattro, risulta evidente che la testata di sinistra potrà essere suddivisa in tre o quattro porzioni mentre la testata di destra sarà suddivisa in due porzioni. In base alla posizione delle valvole esterne, alcune porzioni del circuito esterno saranno o non saranno sempre accessibili al fluido sorgente, determinando anche in questo caso il funzionamento con due o quattro passi.

Grazie a questa forma di attuazione dell’invenzione, il vantaggio è rappresentato dall’assenza di punti di possibile perdita dovuti alla necessità di manovrare meccanismi interni allo scambiatore, mentre lo svantaggio è rappresentato dal costo e dagli ingombri complessivi della macchina: tubazioni (anche di diametri consistenti che necessitano quindi di ampie curve), valvole e bocchelli in più.

In figura 11 è mostrato un primo esempio di questa terza forma di attuazione dell’invenzione. Lo scambiatore di calore 120 è provvisto di una testata di sinistra 70 suddivisa in quattro porzioni e avente una coppia di bocchelli d’ingresso 71 del fluido sorgente e una coppia di bocchelli d’uscita 72 del medesimo fluido. Una prima valvola 30 è collegata fluidodinamicamente ai due bocchelli d’ingresso 71; una seconda valvola 31 collega fluidodinamicamente un bocchello d’ingresso e un bocchello di uscita, tra loro angolarmente adiacenti; una terza valvola 32 è invece in collegamento fluidodinamico tra i due bocchelli di uscita 72. Dalla testata di sinistra si diparte il fascio tubiero 80 che perviene alla testata di destra 70’, la quale è suddivisa in due porzioni le quali possono essere in collegamento fluidodinamico in base alla posizione di apertura o di chiusura di una quarta valvola 33.

Durante il funzionamento a due passi (Fig.11 – configurazione 2P), la valvola 31 è chiusa mentre le valvole 30, 32 e 33 sono aperte (nelle figure, le valvole aperte sono indicate come ON, mentre quelle chiuse sono indicate come OFF). In questo modo la sorgente entra nei due bocchelli superiori 71 della testata di sinistra 70, attraversa una prima porzione superiore 81 del fascio tubiero 80, entra nella sezione superiore della testata di destra 70’, attraversa il condotto controllato dalla valvola 33 e ritorna nella sezione inferiore della testata; infine attraversa una seconda porzione inferiore 82 del fascio tubiero 80 e ritorna nella testata di sinistra 70 da dove esce passando per i bocchelli inferiori 72.

Durante il funzionamento a quattro passi (Fig. 11 – configurazione 4P), invece, la valvola 31 è aperta, mentre le valvole 30, 32 e 33 sono chiuse. Il fluido sorgente seguirà quindi questo percorso: entra nella porzione 1 della testata di sinistra 70, attraversa una prima porzione del fascio tubiero 80 e arriva nella porzione 2 della testata di destra 70’. Da qui attraversa una seconda porzione del fascio tubiero e sbocca nella porzione 3 della testata di sinistra 70. Poiché la valvola 31 è aperta, il fluido può quindi passare nella porzione 4 della testata di sinistra 70 e da qui attraversa una terza porzione del fascio tubiero e sfocia nella porzione 5 della testata di destra 70’. Infine, attraversa una quarta porzione del fascio tubiero e perviene nella porzione 6 della testata di sinistra, dalla quale fuoriesce tramite un bocchello di uscita.

La soluzione di figura 12 è molto simile alla precedente, dalla quale differisce per il fatto che lo scambiatore di calore 130 non necessita di valvole nella testata di destra 70’ ed ha un numero inferiore di bocchelli.

In particolare, lo scambiatore di calore 130 è provvisto di una testata di sinistra 70 suddivisa in tre porzioni e avente una coppia di bocchelli d’ingresso 71 del fluido sorgente e un bocchello d’uscita 72 del medesimo fluido. Una prima valvola 40 è collegata fluidodinamicamente ai due bocchelli d’ingresso 71; una seconda valvola 41 e una terza valvola 42 sono in collegamento fluidodinamico tra loro e con un bocchello d’ingresso e un bocchello di uscita, tra loro angolarmente adiacenti. Dalla testata di sinistra si diparte il fascio tubiero 80 che perviene alla testata di destra 70’, la quale è suddivisa in due porzioni tra di loro separate da un setto di separazione fisso.

Nella configurazione a due passi (2P) di figura 12, il fluido sorgente entra nelle sezioni 1 da entrambi i bocchelli di superiori della testata di sinistra (valvola 40 aperta, 41 chiusa), scorre nei tubi e raggiunge la testata di destra, dove si distribuisce nei fasci di tubi inferiori, per poi uscire nella sezione 3 della testata di sinistra (valvola 42 aperta).

Nella configurazione a quattro passi (4P) di figura 12, il fluido sorgente entra nella sezione 1 in uno solo dei bocchelli superiori (valvola 40 chiusa), percorre i tubi, raggiunge la sezione 2, percorre i tubi inferiori e raggiunge la sezione 3. Essendo la valvola 42 chiusa, il fluido sorgente riprende a percorrere l’altro fascio inferiore di tubi per raggiungere la sezione 4 della testata opposta; in 4 la sorgente risale verso l’ultimo fascio di tubi superiore e raggiunge la sezione 5 da dove poi abbandona lo scambiatore di calore 130 (valvola 41 aperta).

La soluzione di figura 12 è molto simile alla precedente, con il vantaggio che la testata sinistra ha un bocchello in meno e quella di destra non necessita di valvole/circuiti esterni. Al contrario invece, la soluzione di figura 11 ha un altro vantaggio: se si considera ad esempio che lato tubi ci sia la sorgente calda di un evaporatore o di un preriscaldatore, i tubi più caldi (primo passo nella configurazione 2P, primo e secondo passo nella configurazione 4P) sono sempre nella parte alta dello scambiatore, mentre in figura 12 nella configurazione 4P la parte superiore del mantello è occupata dai fasci tubieri relativi al primo e al quarto passo. Secondo questa configurazione, non è possibile quindi organizzare il percorso dell’altro flusso che si deve riscaldare e che scorre nel mantello in controcorrente rispetto al flusso che scorre nei tubi.

Le configurazioni mostrate nella presente domanda di brevetto possono essere applicate anche a scambiatori di calore con tubi conformati a “U”.

Ad esempio, in figura 13 è mostrato lo schema di uno scambiatore di calore 140, in particolare, un condensatore con tubi conformati a “U” con numero di passi variabile. Il cambio del numero di passi è utile ad ottimizzare il funzionamento come conseguenza della variazione della portata di acqua di raffreddamento al condensatore; questa variazione può essere dovuta al fatto che in certi periodi dell’anno l’impianto è operato con funzione cogenerativa (l’acqua riscaldata nel condensatore è utilizzata a fini termici) e in altri è invece operato al solo fine di produrre energia elettrica. Diminuendo il numero di passi, a pari velocità nei tubi e a pari potenza termica ceduta dal condensatore, si avrà a disposizione una differenza di temperatura doppia sull’acqua.

Con riferimento alla figura 13, lo scambiatore di calore 140 è provvisto di una testata di sinistra 70 suddivisa in tre porzioni e avente una coppia di bocchelli d’ingresso 71 del fluido sorgente e un bocchello d’uscita 72 del medesimo fluido. Una prima valvola 40 è collegata fluidodinamicamente ai due bocchelli d’ingresso 71; una seconda valvola 41 è in collegamento fluidodinamico con uno dei due bocchelli di ingresso e con il circuito dell’utenza termica; una terza valvola 42 è in collegamento fluidodinamico con un bocchello di uscita e con una pompa di alimentazione 51. Dalla testata di sinistra si diparte il fascio tubiero 80’ comprendente una pluralità di tubi conformati a “U”.

La configurazione a due passi (2P) corrisponde al funzionamento per sola produzione di energia elettrica, con grande portata di acqua. L’acqua di raffreddamento è circolata per mezzo di almeno una pompa di alimentazione 51 ed è raffreddata nello scambiatore ad aria 52, essendo la valvola 47 aperta e le valvole 44 e 46 chiuse. L’acqua di raffreddamento è poi distribuita nelle due sezioni superiori della testata 70” dello scambiatore di calore 140 essendo la valvola 40 aperta e la valvola 41 chiusa. L’acqua percorre quindi il fascio tubiero 80’ e ritorna nella sezione inferiore della testata 70” ed esce dallo scambiatore di calore 140, con valvola 42 aperta. L’utenza termica 50 può non richiedere potenza termica e in tal caso la valvola 45 sarà chiusa (off) e la pompa 53 spenta, oppure richiedere potenza termica ad una temperatura tale da non poter utilizzare quella del condensatore dell’ORC; in tal caso, la valvola 45 sarà aperta, la pompa 53 accesa e l’utenza termica è alimentata con acqua riscaldata tramite altre sorgenti di calore (54).

Nella configurazione a quattro passi (4P) con minore portata di acqua, l’acqua, dopo essersi raffreddata nell’utenza termica 50, percorre le valvole 44 e 46 per entrare nella sezione 1 dello scambiatore (valvola 40 chiusa). Quindi, l’acqua percorre i tubi della porzione del fascio tubiero 80’ che partono dalla sezione 1 e arrivano alla sezione 2 sottostante (con valvola 42 chiusa), da dove poi entra nei tubi che occupano la parte destra dello scambiatore e fuoriesce in corrispondenza della sezione 3, con valvola 41 aperta. L’acqua infine, avendo sottratto calore al vapore in condensazione, esce dallo scambiatore di calore 140 e raggiunge l’utenza termica 50, con valvola 45 chiusa e pompa 53 in funzione. Nella configurazione a quattro passi, l’acqua può bypassare lo scambiatore ad aria 52, attraversando la valvola 46, oppure continuare ad attraversare lo scambiatore ad aria 52, ma con ventilatori spenti.

Anche se almeno una realizzazione esemplificativa è stata presentata nella descrizione sommaria ed in quella dettagliata, deve essere compreso che esiste un grande numero di varianti rientranti nell’ambito di protezione dell’invenzione, per esempio con più di due sezioni collegate tra loro come nello schema proposto. Inoltre, deve essere inteso che la realizzazione o le realizzazioni presentate sono solamente esempi che non intendono limitare in alcun modo l’ambito di tutela dell’invenzione o la sua applicazione o le sue configurazioni. Piuttosto, la descrizione sommaria e quella dettagliata forniscono al tecnico esperto del settore una conveniente guida per implementare almeno una realizzazione esemplificativa, essendo ben chiaro che numerose varianti possono essere apportate nella funzione e nell’assemblaggio degli elementi quivi descritti, senza fuoriuscire dall’ambito di protezione dell’invenzione come stabilito dalle rivendicazioni allegate e dai loro equivalenti tecnico-legali.

Claims (22)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore (100, 110, 110’, 120, 130, 140) a fascio tubiero configurato per realizzare uno scambio termico tra una coppia di fluidi comprendente: - un fascio tubiero (80, 80’) all’interno del quale fluisce un primo fluido della coppia di fluidi, detto primo fluido attraversando il fascio tubiero o porzioni di esso secondo un numero variabile di passi, - un mantello (13) contenente al suo interno il fascio tubiero (80, 80’) e il secondo fluido della coppia di fluidi, all’esterno del fascio tubiero (80, 80’), e provvisto di almeno un bocchello d’ingresso e di almeno un bocchello di uscita di detto secondo fluido, - almeno una testata (70, 70’, 70”) per la distribuzione del primo fluido all’interno dei tubi del fascio tubiero secondo un numero variabile di passi, comprendente a tal scopo un numero variabile di setti di separazione, fissi ovvero mobili, e almeno un bocchello d’ingresso e almeno un bocchello di uscita di detto primo fluido, detto scambiatore di calore (100, 110, 120, 130, 140) caratterizzato dal fatto di essere configurato in modo da poter variare il numero di passi del primo fluido senza dover aprire una delle due testate e/o rimuovere uno dei due fluidi dallo scambiatore.
2. 2. Scambiatore di calore (100, 110, 110’) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la variazione del numero di passi è ottenuta per mezzo della movimentazione di almeno un setto di separazione mobile (A, B, A’, B’, D, E, F, 17, 61) all’interno delle testate (70, 70’, 70’’).
3. 3. Scambiatore di calore (100) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che i setti di separazione mobile (A, B) sono incernierati in prossimità del centro della testata (70) e ruotano da una prima posizione (P2), in cui sono sovrapposti e definiscono uno scambiatore di calore a due passi, ad una seconda posizione (P4) ruotata di 90° in cui si dispongono opposti lungo una retta, in modo da realizzare uno scambiatore di calore a quattro passi.
4. 4. Scambiatore di calore (100) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i setti di separazione mobili (A, B) sono incernierati in corrispondenti alberi coassiali a ruote dentate (F, G), che ingranano in una vite senza fine (H).
5. 5. Scambiatore di calore (100) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i setti di separazione mobili (A, B) possono essere ruotati per mezzo di alberi mossi in modo indipendente tra loro.
6. 6. Scambiatore di calore (100) secondo la rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che i setti di separazione mobili (A, B, A’, B’) sono collegati con un cinematismo ad almeno una vite senza fine (H’), che ruotando muove corrispondenti manicotti (M) a loro volta collegati ai setti di separazione mobili (A, B, A’, B’) con un opportuno braccio (K).
7. 7. Scambiatore di calore (110) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che almeno una delle due testate è provvista di un setto di separazione mobile (D, E, F) che ruota da una prima posizione (P2), in cui definisce uno scambiatore di calore a due passi, ad una seconda posizione (P4) in cui definisce uno scambiatore di calore a quattro passi, essendo il suo asse di rotazione al centro del setto stesso.
8. 8. Scambiatore di calore (110) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la variazione del numero di passi è effettuata ruotando un albero (19, 29) a cui è fissato un setto di separazione mobile (17), la cui tenuta nei confronti di un setto di separazione fisso (27) è effettuata mediante mezzi di tenuta (16) flessibili, agenti su un risalto (15) del setto di separazione fisso (27).
9. 9. Scambiatore di calore (110) secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che l’albero (19, 29) è vincolato ad un manicotto (18) da un lato e dall’altro passante in un foro di un coperchio (10).
10. 10. Scambiatore di calore (110) secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto che l’albero (19, 29) o la vita senza fine (H, H’) sono movimentati da un volantino manuale (20) o per mezzo di un attuatore pneumatico, elettrico o idraulico.
11. 11. Scambiatore di calore (100, 110) secondo una delle rivendicazioni da 8 a 10, caratterizzato dal fatto che il sistema di tenuta sull’albero (19, 29) è un sistema di tenuta a premistoppa (23) o a o-ring (24) o a premistoppa (23) con sistema di compressione a molle (28) o una combinazione di essi.
12. 12. Scambiatore di calore (110’) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che almeno un setto di separazione mobile (61) poggia su guide (60, 62) ricavate nel setto di separazione fisso (63) ed è traslato per mezzo della rotazione di un albero filettato (29), che si inserisce in un foro filettato realizzato in un pezzo (61’) solidale con il setto di separazione mobile (61).
13. 13. Scambiatore di calore (120, 130, 140) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la variazione del numero di passi è ottenuta variando l’apertura e la chiusura di una pluralità di valvole esterne allo scambiatore di calore.
14. 14. Scambiatore di calore (120) secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto di essere provvisto di: - una testata di sinistra (70), suddivisa in quattro porzioni, avente una coppia di bocchelli d’ingresso (71) del primo fluido e una coppia di bocchelli d’uscita (72) del medesimo fluido, e provvista di una prima valvola (30) in collegamento fluidodinamico con i due bocchelli d’ingresso (71), di una seconda valvola (31) in collegamento fluidodinamico con un bocchello d’ingresso e un bocchello di uscita, tra loro angolarmente adiacenti e di una terza valvola (32) in collegamento fluidodinamico con i due bocchelli di uscita (72), - un fascio tubiero (80), - una testata di destra (70’), suddivisa in due porzioni, provvista di una quarta valvola (33) in collegamento fluidodinamico con le dette due porzioni della testata di destra (70’).
15. 15. Scambiatore di calore (120) secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che nel funzionamento a due passi la seconda valvola (31) è chiusa mentre le restanti valvole (30, 32, 33) sono aperte e nel funzionamento a quattro passi la seconda valvola (31) è aperta mentre le restanti valvole (30, 32, 33) sono chiuse.
16. 16. Scambiatore di calore (130) secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto di essere provvisto di: - una testata di sinistra (70) suddivisa in tre porzioni, avente una coppia di bocchelli d’ingresso (71) del primo fluido e un bocchello d’uscita (72) del medesimo fluido e provvista di una prima valvola (40) in collegamento fluidodinamico con i due bocchelli d’ingresso (71) e di una seconda valvola (41) e di una terza valvola (42) in collegamento fluidodinamico tra loro e con un bocchello d’ingresso e un bocchello di uscita, tra loro angolarmente adiacenti e in cui l’uscita del flusso dalla testata è realizzata sulla porzione in rame che unisce le due valvole (41, 42), - un fascio tubiero (80), - una testata di destra (70’), suddivisa in due porzioni tra di loro separate da un setto di separazione fisso.
17. 17. Scambiatore di calore (130) secondo la rivendicazione 16, caratterizzato dal fatto che nel funzionamento a due passi la seconda valvola (41) è chiusa mentre le restanti valvole (40, 42) sono aperte e nel funzionamento a quattro passi la seconda valvola (41) è aperta mentre le restanti valvole (40, 42) sono chiuse.
18. 18. Scambiatore di calore (140) secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto di essere provvisto di: - una testata di sinistra (70) suddivisa in tre porzioni, avente una coppia di bocchelli d’ingresso (71) del primo fluido e un bocchello d’uscita (72) del medesimo fluido e provvista di una prima valvola (40) in collegamento fluidodinamico con i due bocchelli d’ingresso (71), di una seconda valvola (41) in collegamento fluidodinamico con uno dei due bocchelli di ingresso e con il circuito di un’utenza termica e di una terza valvola (42) in collegamento fluidodinamico con un bocchello di uscita e con una pompa di alimentazione (51), - un fascio tubiero (80’) comprendente una pluralità di tubi conformati a “U”.
19. 19. Scambiatore di calore (140) secondo la rivendicazione 18, caratterizzato dal fatto che nel funzionamento a due passi la seconda valvola (41) è chiusa mentre le restanti valvole (40, 42) sono aperte e nel funzionamento a quattro passi la seconda valvola (41) è aperta mentre le restanti valvole (40, 42) sono chiuse.
20. 20. Impianto a ciclo Rankine organico comprendente uno scambiatore di calore (100, 110, 120, 130, 140) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 19.
21. 21. Impianto a ciclo Rankine organico secondo la rivendicazione 20, in cui detto scambiatore di calore è progettato per operare come evaporatore o preriscaldatore di un fluido di lavoro organico e caratterizzato dal fatto che la sorgente termica è il primo fluido che scorre all’interno del fascio tubiero.
22. 22. Impianto a ciclo Rankine organico secondo la rivendicazione 20 o 21, in cui detto scambiatore di calore è progettato per operare come un condensatore del fluido organico di lavoro e caratterizzato dal fatto che l’acqua di raffreddamento è il primo fluido che scorre all’interno del fascio tubiero.