IT201900016244A1 - Scambiatore di calore a piastre provvisto di collettore d’ingresso refrigerante con orifizio calibrato - Google Patents

Scambiatore di calore a piastre provvisto di collettore d’ingresso refrigerante con orifizio calibrato Download PDF

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refrigerant
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Andrea Fuca'
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Denso Thermal Systems Spa
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Description

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE INDUSTRIALE DAL TITOLO: "Scambiatore di calore a piastre provvisto di collettore d’ingresso refrigerante con orifizio calibrato"
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce in generale agli scambiatori di calore a piastre, del tipo comprendente due piastre terminali di supporto sulle quali sono disposti raccordi d’ingresso e uscita refrigerante e raccordi d’ingresso e uscita acqua, e una pila di piastre di scambio termico interposte fra le piastre terminali di supporto, fra le quali è definita una pluralità di primi canali per il passaggio di un fluido refrigerante e una pluralità di secondi canali per il passaggio di acqua, che si alternano ai primi canali,
in cui attraverso la pila di piastre sono ricavati un collettore d’ingresso refrigerante che collega fluidicamente il raccordo di ingresso refrigerante ai primi canali, un collettore d’uscita refrigerante che collega fluidicamente il raccordo d’uscita refrigerante ai primi canali, un collettore d’ingresso acqua che collega fluidicamente il raccordo di ingresso acqua ai secondi canali, un collettore d’uscita acqua che collega fluidicamente il raccordo d’uscita acqua ai secondi canali.
In particolare, la presente invenzione riguarda gli scambiatori a piastre per autoveicoli, come ad esempio gli scambiatori utilizzati come chiller in sistemi di climatizzazione per il raffreddamento indiretto della batteria e/o per il raffreddamento indiretto in cabina.
A causa dei vincoli di installazione del dispositivo di espansione (tipicamente una valvola di espansione termostatica) a monte del chiller, la fase liquida e la fase gassosa in ingresso lato refrigerante possono fluire in maniera non omogenea e si possono separare a causa della configurazione delle condutture del refrigerante e di specifiche condizioni in combinazione con portate di refrigerante relativamente basse. Nel caso peggiore il refrigerante può raggiungere l’ingresso dello scambiatore con un pattern di flusso anulare (totale separazione fra le fasi).
Una distribuzione disuniforme comporta una diminuzione drammatica delle prestazioni dello scambiatore a causa della presenza irregolare di refrigerante liquido fra i canali paralleli dello scambiatore. Sono note soluzioni che hanno lo scopo di inibire il riflusso della fase liquida all’interno del collettore, mediante il posizionamento di orifizi calibrati all’interno del collettore.
Uno scopo della presente invenzione è quello di rendere disponibile una soluzione in grado di ovviare almeno in parte ai summenzionati inconvenienti della tecnica nota, legati a una distribuzione non omogenea del refrigerante nel collettore d’ingresso.
Forma pertanto oggetto dell’invenzione uno scambiatore a piastre del tipo definito all’inizio, in cui a monte del collettore d’ingresso refrigerante, fra il raccordo d’ingresso refrigerante e il collettore d’ingresso refrigerante, è disposto un orifizio calibrato configurato per nebulizzare una miscela liquido/gas in ingresso nel collettore d’ingresso.
L’orifizio calibrato, quando si verifica la separazione fra fase liquida e fase gassosa, ha l’effetto di concentrare l’intero flusso di refrigerante in un’area a sezione ridotta in modo da generare un getto a spruzzo miscelato omogeneamente all’uscita dell’orifizio, nel quale la fase liquida è dispersa nella fase gassosa in forma di goccioline. In questo modo la qualità del flusso di refrigerante all’interno del collettore è più omogenea, come anche la quantità della frazione liquida in ciascun canale. Tale soluzione tecnica introduce una significativa perdita di pressione del refrigerante, che tuttavia è compensata dal funzionamento della valvola di espansione.
Forme di realizzazione preferite dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti, che sono da intendersi come parte integrante della presente descrizione.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dello scambiatore secondo l’invenzione diverranno più chiari con la seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione del trovato, fatta con riferimento ai disegni allegati, forniti a titolo puramente illustrativo e non limitativo, in cui:
- le figure 1 e 2 sono rispettivamente una vista prospettica e una vista in sezione di uno scambiatore a piastre secondo l’invenzione;
- la figura 3 è una vista in sezione, presa in corrispondenza del raccordo d’ingresso refrigerante, di uno scambiatore secondo la tecnica nota;
- la figura 4 è una vista in sezione, presa in corrispondenza del raccordo d’ingresso refrigerante, dello scambiatore delle figure 1 e 2;
- la figura 5 è una vista in sezione di parte di una delle piastre che formano il collettore di ingresso refrigerante dello scambiatore di calore;
- la figura 6 è una vista in sezione che rappresenta una variante del raccordo d’ingresso refrigerante di figura 4;
- le figure 7 e 8 sono rispettivamente una vista prospettica sezionata e una vista in sezione di un’altra forma di realizzazione dell’invenzione;
- la figura 9 è una vista in pianta di una piastra di scambio termico nella forma di realizzazione delle figure 7 e 8;
- le figure 10 e 11 sono rispettivamente una vista in sezione e una vista in pianta di un’ulteriore forma di realizzazione dell’invenzione; e
- le figure 12 e 13 sono rispettivamente una vista in sezione e una vista in pianta di un’altra forma di realizzazione dell’invenzione.
Nelle figure 1 e 2 è rappresentato uno scambiatore di calore a piastre, indicato complessivamente con 1.
Lo scambiatore di calore 1 comprende convenzionalmente due piastre terminali di supporto, indicate con 2 e 3, sulle quali sono disposti raccordi di ingresso e di uscita, rispettivamente 4 e 6, per un fluido refrigerante, nonché raccordi di ingresso e di uscita, rispettivamente 5 e 7, per l’acqua. I raccordi 4-6 e 5-7 permettono il collegamento dello scambiatore di calore a piastre 1 rispettivamente a un circuito idraulico per il fluido refrigerante (non illustrato) e ad un circuito idraulico per l’acqua (non illustrato).
Fra le piastre terminali di supporto 2 e 3 è interposta una pila 10 di piastre di scambio termico (tali piastre sono rappresentate solo in maniera semplificata nelle figure 1 e 2). Fra le piastre di scambio termico suddette è pertanto convenzionalmente definita una pluralità di primi canali (non illustrati) per il passaggio del fluido refrigerante e una pluralità di secondi canali (non illustrati) per il passaggio dell’acqua, che si alternano ai primi canali rispetto alla direzione di impilamento delle piastre. Ciascuno dei primi canali riceve il fluido refrigerante dal raccordo di ingresso refrigerante 4 tramite un rispettivo collettore d’ingresso refrigerante 14 allineato e collegato con il raccordo di ingresso refrigerante 4 e ricavato attraverso la pila di piastre 10, e cede il fluido refrigerante al raccordo di uscita refrigerante 6 tramite un rispettivo collettore d’uscita refrigerante (non illustrato) allineato e collegato con il raccordo di uscita refrigerante 6 e ricavato attraverso la pila di piastre 10. Ciascuno dei secondi canali riceve l’acqua dal raccordo di ingresso acqua 5 tramite un rispettivo collettore d’ingresso acqua (non illustrato) allineato e collegato con il raccordo di ingresso acqua 5 e ricavato attraverso la pila di piastre 10, e cede l’acqua al raccordo di uscita acqua 7 tramite un rispettivo collettore d’uscita acqua (non illustrato) allineato e collegato con il raccordo di uscita acqua 7 e ricavato attraverso la pila di piastre 10.
Le piastre terminali di supporto 2, 3 con i raccordi 4-7 e le piastre di scambio termico sono solidarizzate fra loro mediante un processo di brasatura, in modo da formare un corpo unico.
Con riferimento alle applicazioni indicate all’inizio, lo scambiatore di calore ha tipicamente un numero di piastre fino a 25, il collettore d’ingresso refrigerante ha tipicamente un diametro compreso fra 11 e 17 mm, e la tubazione che connette il dispositivo di espansione allo scambiatore di calore ha tipicamente un diametro interno fra 8 e 12 mm.
Si faccia ora riferimento anche alla figura 4.
A monte del collettore d’ingresso refrigerante 14, fra il raccordo d’ingresso refrigerante 4 e il collettore d’ingresso refrigerante 14, è disposto un orifizio calibrato 20 configurato per nebulizzare una miscela liquido/gas in ingresso nel collettore d’ingresso 14. A fini di confronto, in figura 3 è rappresentata la stessa sezione di figura 4, presa tuttavia in uno scambiatore di calore con collettore d’ingresso refrigerante privo di orifizio calibrato all’ingresso.
Preferibilmente, l’orifizio calibrato 20 presenta un diametro tale che il rapporto d/D fra il diametro d dell’orifizio calibrato 20 e il diametro medio D del collettore d’ingresso refrigerante 14 sia compreso fra 0,05 e 0,5. Come è noto, i collettori di uno scambiatore di calore a piastre sono formati da una pluralità di segmenti consecutivi, ciascuno dei quali corrisponde a un’apertura con bordi risvoltati ricavata su una rispettiva piastra di scambio termico. A titolo di riferimento, in figura 5 è rappresentata una delle piastre di scambio termico, indicata con 10A, che formano la pila 10 dello scambiatore di calore. Nella figura 5 è mostrata in particolare l’apertura 10a, circondata da un bordo risvoltato 10b, che costituisce uno dei segmenti consecutivi che formano il collettore d’ingresso 14. Il segmento di collettore formato dall’apertura 10a non è esattamente cilindrico, ma è leggermente conico. Il diametro interno dell’apertura 10a varia pertanto da un diametro massimo D1 in corrispondenza di una superficie di base 10c della piastra a un diametro minimo D2 in corrispondenza dell’estremità libera del bordo risvoltato 10b. In questo caso, il diametro interno medio D del collettore d’ingresso 14 è dato quindi dal valore medio del diametro interno dell’apertura 10a: (D1 D2)/2. Per completezza, nella figura 5 sono anche visibili i passaggi 10d che permettono il collegamento fluidico fra l’apertura 10a (e quindi il collettore d’ingresso 14) e i canali per il fluido refrigerante ricavati nella piastra 10A, uno dei quali è parzialmente mostrato in figura 5 e indicato con 10e. Nel caso di collettori d’ingresso refrigerante con geometrie diverse da quella, conica, rappresentata in figura 5, il tecnico del ramo è facilmente in grado di determinare come si calcola il diametro interno medio del collettore d’ingresso refrigerante 14.
Tornando all’esempio di figura 4, si può notare inoltre che il raccordo d’ingresso refrigerante 4 è ricavato come un blocco, nel seguito indicato anche come blocco d’ingresso refrigerante, il quale è fissato alla piastra terminale di supporto 3. L’orifizio calibrato 20 è ricavato di pezzo direttamente all’interno del blocco d’ingresso refrigerante 4. Nell’esempio di figura 4 si nota ancora che nel raccordo o blocco d’ingresso refrigerante 4 è ricavato un passaggio fluido 4a avente diametro P maggiore del diametro d dell’orifizio calibrato 20. Il passaggio fluido 4a è destinato ad interfacciarsi direttamente con la tubazione del circuito idraulico del fluido refrigerante quando lo scambiatore di calore 1 è collegato a tale circuito, ed è presente anche nella configurazione nota rappresentata in figura 3.
La superficie laterale dell’orifizio calibrato 20 è collegata alla superficie laterale del passaggio fluido 4a attraverso una superficie di raccordo 4b, che nell’esempio illustrato in figura 4 è piana e ortogonale all’asse longitudinale dell’orifizio calibrato 20 e del passaggio fluido 4a.
In figura 6 è rappresentata una variante della forma di realizzazione sopra descritta, nella quale la superficie di raccordo 4b è conica, presentando un angolo, ad esempio di 120°, rispetto all’asse longitudinale dell’orifizio calibrato 20 e del passaggio fluido 4a.
Nelle figure da 7 a 9 è rappresentata un’altra forma di realizzazione dell’invenzione, nella quale il foro calibrato, sempre indicato con 20, è ricavato di pezzo direttamente nella piastra di scambio termico della pila 10 che è più vicina alla piastra terminale di supporto 3 sulla quale è disposto il raccordo d’ingresso refrigerante 4. In figura 9 tale piastra di scambio termico, indicata con 10A’, è rappresentata in pianta. Differentemente dalla forma di realizzazione rappresentata nelle figure 4 e 6, la forma di realizzazione delle figure 7-9 richiede uno stampo piastra dedicato per la realizzazione della piastra dotata dell’orifizio calibrato 20.
Nelle figure da 10 a 13 è rappresentata un’ulteriore forma di realizzazione, nella quale l’orifizio calibrato, sempre indicato con 20, è ricavato su un inserto separato 24 fissato all’interno del raccordo o blocco d’ingresso refrigerante 4, in una sede ricavata nel passaggio fluido 4a. Nelle figure 10 e 11 l’inserto 24 è di materiale metallico, ad esempio alluminio, e può essere solidarizzato al raccordo o blocco d’ingresso refrigerante 4 con metodi noti al tecnico del ramo, ad esempio tramite incastro, oppure mediante il medesimo processo di brasatura che viene utilizzato per solidarizzare fra loro i componenti dello scambiatore di calore 1. Nelle figure 12 e 13 l’inserto 24 è di materiale plastico, e può essere solidarizzato al raccordo o blocco d’ingresso refrigerante 4 mediante processi di per sé noti, ad esempio incastro o incollaggio.

Claims (6)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore a piastre, comprendente due piastre terminali di supporto (2, 3) sulle quali sono disposti raccordi d’ingresso e uscita refrigerante (4, 6) e raccordi d’ingresso e uscita acqua (5, 7), e una pila (10) di piastre di scambio termico interposte fra le piastre terminali di supporto (2, 3), fra le quali è definita una pluralità di primi canali per il passaggio di un fluido refrigerante e una pluralità di secondi canali per il passaggio di acqua, che si alternano ai primi canali, in cui attraverso la pila (10) di piastre di scambio termico sono ricavati un collettore d’ingresso refrigerante (14) che collega fluidicamente il raccordo di ingresso refrigerante (4) ai primi canali, un collettore d’uscita refrigerante che collega fluidicamente il raccordo d’uscita refrigerante (6) ai primi canali, un collettore d’ingresso acqua che collega fluidicamente il raccordo di ingresso acqua (5) ai secondi canali, un collettore d’uscita acqua (7) che collega fluidicamente il raccordo d’uscita acqua ai secondi canali, detto scambiatore di calore essendo caratterizzato dal fatto che a monte del collettore d’ingresso refrigerante (14), fra il raccordo d’ingresso refrigerante (4) e il collettore d’ingresso refrigerante (14), è disposto un orifizio calibrato (20) configurato per nebulizzare una miscela liquido/gas in ingresso nel collettore d’ingresso refrigerante (14).
  2. 2. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1, in cui l’orifizio calibrato (20) presenta un diametro d tale che il rapporto d/D fra il diametro d dell’orifizio calibrato (20) e il diametro medio D del collettore d’ingresso refrigerante (14) sia compreso fra 0,05 e 0,5.
  3. 3. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il raccordo d’ingresso refrigerante (4) è ricavato come un blocco fissato a una delle piastre terminali di supporto (2, 3), e in cui l’orifizio calibrato (20) è ricavato di pezzo direttamente all’interno di detto blocco.
  4. 4. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 3, in cui in detto blocco è ricavato un passaggio fluido (4a) avente diametro (P) maggiore dell’orifizio calibrato (20), e in cui una superficie laterale dell’orifizio calibrato (20) è collegata a una superficie laterale del passaggio fluido (4a) attraverso una superficie di raccordo (4b) piana o conica.
  5. 5. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l’orifizio calibrato (20) è ricavato di pezzo direttamente nella piastra di scambio termico (10A’) più vicina alla piastra terminale di supporto (3) sulla quale è disposto il raccordo d’ingresso refrigerante (4).
  6. 6. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il raccordo d’ingresso refrigerante (4) è ricavato come un blocco fissato a una delle piastre terminali di supporto (2, 3), e in cui l’orifizio calibrato (20) è ricavato su un inserto (24) fissato all’interno di detto blocco.
IT102019000016244A 2019-09-13 2019-09-13 Scambiatore di calore a piastre provvisto di collettore d’ingresso refrigerante con orifizio calibrato IT201900016244A1 (it)

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