IT202100020570A1 - Modulo per scambiatore di calore particolarmente performante - Google Patents

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

?MODULO PER SCAMBIATORE DI CALORE PARTICOLARMENTE

PERFORMANTE?

DESCRIZIONE

SETTORE TECNICO DELL?INVENZIONE

[001] La presente invenzione si riferisce ad un modulo per uno scambiatore di calore comprendente una serpentina a tubi progettata in modo da incrementare le performance rendendole simili a quelle di uno scambiatore di calore a tubi in rame ed alette in alluminio. In particolare, l?invenzione si riferisce ad una serpentina con un incremento di efficienza per unit? di superficie di scambio di calore ottenuta con una costruzione semplice ed affidabile.

TECNICA DI BASE DELL?INVENZIONE

[002] Nel settore della refrigerazione oramai da tempo sono banditi alcuni gas considerati altamente nocivi per l?ambiente ed al loro posto vengono impiegati gas considerati ecologici, come ad esempio l?R290, R32 ed R744. Questi gas per? hanno il grande inconveniente di essere infiammabili e in alcuni casi esplosivi ed in altri di lavorare ad altissime pressioni. Per motivi di sicurezza, di conseguenza, ne viene ridotta la quantit? nei circuiti refrigeranti. Ma la riduzione di quantit? si ripercuote ovviamente negativamente sulla performance. Ne deriva quindi la necessit? di sviluppare nuovi sistemi per incrementare la performance di uno scambiatore di calore.

[003] In generale, i sistemi a scambio di calore impiegano circuiti fluidici che si basano su due strutture: la prima consiste in una serpentina i cui condotti hanno un diametro interno normalmente di 5-16 mm a cui sono fissate lamine in alluminio per aumentare la capacit? di dispersione del calore; la seconda consiste in una serpentina in acciaio/carbonio i cui condotti hanno un diametro interno normalmente di 2,6-6,6 mm e sono tenuti insieme a formare un'unica parete piana o rango tramite numerosi fili metallici saldati trasversalmente rispetto all?estensione longitudinale dei condotti.

[004] I sistemi che impiegano le serpentine in rame hanno una performance di scambio del calore nettamente maggiore rispetto ai sistemi che impiegano serpentine in acciaio/carbonio, e quindi sono preferiti per risolvere il suddetto inconveniente. Per contro, tali sistemi comportano una costruzione assai pi? complessa e costosa poich? i tubi in rame sono disposti parallelamente su un piano e raccordati alle estremit? da tratti incurvati saldati a dette estremit?. E? quindi chiaro che operare una certa quantit? di saldature doppie per ogni raccordo implica un grande dispendio lavorativo ed energetico. Inoltre, se le saldature non vengono realizzate in modo perfetto, costituiscono un pericolo perdite e, di conseguenza, un calo di rendimento.

[005] In aggiunta, le serpentine in rame comprendono una serie di lamine che rappresentano un ingombro per la pulizia dello scambiatore dalle polveri dell?ambiente che tendono ad accumularsi tra le lamine, soprattutto degli scambiatori che prevedono ventilatori di dispersione del calore. La pulizia, poi, rischia di danneggiare sia le lamine al punto da limitarne e/o deviarne il passaggio d?aria sia i punti deboli dei tubi rappresentati dalle saldature inducendo la possibile fuoriuscita di refrigerante dal circuito

[006] Una soluzione ai problemi di impiego delle serpentine in rame potrebbe essere quello di aumentare la superficie di scambio termico dei sistemi a serpentina in acciaio/carbonio, che sono costituiti da un unico condotto sottile, ripiegando su se stessa la serpentina. Una soluzione simile ? descritta ad esempio dal brevetto statunitense US 6640885 in cui un unico condotto viene prima ripiegato su un piano per formare una superficie con numerosi tratti longitudinali paralleli e successivamente ripiegato su se stesso tre volte.

[007] Sebbene tale soluzione sembri vantaggiosa, in realt? ha dei limiti; infatti, i ripiegamenti della serpentina sono limitati fondamentalmente dal volume e da strozzature che possono insorgere. I ripiegamenti mostrati nel suddetto brevetto in realt? non possono essere tali da rendere la struttura compatta proprio perch? altrimenti il materiale subirebbe schiacciamenti in corrispondenza delle curve tali da inficiare la circolazione del fluido all?interno del condotto. Inoltre, per mantenere comunque vicini gli strati ripiegati ? necessario impiegare sistemi quali tiranti, complicando notevolmente la struttura cos? come il suo montaggio. Di conseguenza, la capacit? per unit? di volume non pu? essere incrementata pi? di tanto, anche a causa degli ingombri che si verificherebbero nelle corrispondenti apparecchiature.

[008] Alternativamente, possono essere costruiti moduli da pi? ranghi singoli uniti tra loro. In questo caso, si pu? aumentare la capacit? di scambio termico ma a discapito della lavorazione perch? una tale costruzione implica un numero di saldature pari al numero di ranghi del modulo. Inoltre, un numero di saldature elevato aumenta il rischio di perdite, se queste non vengono fatte a regola d?arte.

RIASSUNTO DELL?INVENZIONE

[009] Lo scopo della presente invenzione ? quindi quello di progettare una serpentina per scambiatori di calore del tipo a tubo unico in acciaio/carbonio che presenti tutti i vantaggi di performance delle serpentine in rame ma che risolva gli inconvenienti di entrambi i sistemi sopra descritti.

[0010] Pertanto, un primo oggetto dell?invenzione ? una serpentina per scambiatore di calore comprendente un assemblaggio di una serie di condotti in acciaio/carbonio studiato per incrementare la performance per unit? di volume minimizzando in oltre il rischio di perdite di carico circuitali.

[0011] Un secondo oggetto ? una serpentina con un numero ridotto di saldature per minimizzare le possibilit? di perdite di refrigerante in ambiente.

[0012] Un terzo oggetto ? una serpentina il cui assemblaggio consente di evitare l?accumulo di povere.

[0013] Un ulteriore oggetto ? una serpentina la cui struttura consente una grande modularit? in grado di adattarsi a svariate esigenze di performance e di spazio.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

[0014] Vantaggi, caratteristiche ed altri oggetti dell?invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue, a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento alle allegate figure, in cui:

- la figura 1 rappresenta una vista frontale di un modulo di una serpentina per uno scambiatore di calore in accordo con la presente invenzione;

- la figura 2 rappresenta una vista superiore del modulo di figura 1;

- la figura 3 rappresenta una vista assonometrica dall?alto del modulo di figura 1; - la figura 4 rappresenta una vista assonometrica dal basso del modulo di figura 1;

- la figura 5 rappresenta una vista da un lato del modulo di figura 1;

- la figura 6 rappresenta una vista assonometrica di un supporto per il modulo di figura 1.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE

[0015] Con riferimento alle figure 1 e 2, il numero 1 indica un modulo per uno scambiatore di calore comprendente una pluralit? serpentine 2 collegate in serie secondo una specifica conformazione. In particolare, il modulo 1 comprendente (figura 2) una pluralit? di prime serpentine 3 formate da singoli tubi collegati tra loro in serie, in cui ciascun tubo ? prima piegato a zig-zag su un unico piano e poi ripiegato su se stesso a formare una prima parete 30 di scambio termico ed una seconda parete 31 di scambio termico in modo da delimitare uno spazio 5 nel quale ? posizionata una seconda serpentina 4 il cui tubo ? ripiegato a zig-zag a formare un?unica parete di scambio termico, detta seconda serpentina essendo collegata in serie tra due di dette prime serpentine 3.

[0016] I tratti rettilinei e paralleli di ciascuna parete di ogni serpentina 3, 4 sono tenuti insieme tramite fili metallici 6 saldati su entrambe le facce di ciascuna parete e disposti trasversalmente rispetto a detti tratti rettilinei delle serpentine (figura 1).

[0017] Inoltre, le pareti prima 30 e seconda 31 delle prime serpentine 3 sono connesse lungo un primo bordo 33 tramite pieghe 34 del tubo che sono ortogonali a dette pareti (figure 2 e 4), mentre lungo un secondo bordo 35 opposto dette pareti hanno ciascuna una pluralit? di pieghe 36 che giacciono sullo stesso piano delle rispettive pareti (figure 1 e 4).

[0018] Vantaggiosamente, una seconda serpentina 4 ? inserita in detto spazio 5 allo scopo di incrementare la superficie di scambio termico per unit? di volume. Infatti, lo spazio 5 definito, come spiegato, dal ripiegamento delle prime serpentine 3 rappresenta uno spazio perso che non viene generalmente sfruttato in modo ottimale. Anche il ripiegamento multiplo con l?uso di tiranti soffre del suddetto limite di non riuscire a compattare pi? di tanto uno scambiatore soprattutto in corrispondenza del ripiegamento. Al contrario, secondo la presente invenzione, ? stato pensato di inserire una seconda serpentina senza esasperare il ripiegamento della prima serpentina, quindi evitando i rischi di strozzature o danneggiamenti con perdite di refrigerante e complicazioni strutturali.

[0019] Inoltre, dato che le seconde serpentine 4 sono ripiegate su uno stesso piano, si formano tratti rettilinei e paralleli raccordati da curve 40 (figura 1) su due bordi contrapposti che giacciono appunto sullo stesso piano e si trovano in corrispondenza di ciascuno dei bordi primo 33 e secondo 35 delle prime serpentine 3.

[0020] Come mostrato nelle figure 1-5 relative ad una forma di realizzazione dell?invenzione, il modulo 1 comprende tre prime serpentine 3 i cui spazi 5 interni sono occupati da tre rispettive seconde serpentine 4. Un modulo cos? formato risulta ordinato e particolarmente efficiente.

[0021] E? da notare poi che la disposizione delle pareti prime 30 e seconde 31 di ciascuna prima serpentina 3 risulta sfalsata in senso verticale quando il modulo ? in posizione operativa (figure 1, 3 e 5). Analogamente, anche la parete di ciascuna seconda serpentina 4 ? sfalsata rispetto ad entrambe le suddette pareti prima e seconda almeno delle prime serpentine adiacenti in cui ? inserita. In questo modo, soprattutto i tratti longitudinali delle pareti delle serpentine sono investiti direttamente dall?aria, o in altre parole non sono schermati tra loro; pertanto, la dissipazione di calore ? ottimale.

[0022] Vantaggiosamente, inoltre, come meglio mostrato nelle figure 3 e 5, le saldature 7 tra i tubi 2 di un modulo, avente un totale di nove pareti, sono cinque. Normalmente, con moduli a nove pareti secondo la tecnica nota che prevede singole pareti tra loro collegate, le saldature sarebbero non meno di nove. Ne deriva che la lavorazione verrebbe incrementata almeno del 30% e, di conseguenza, aumenterebbe il rischio di perdite, se le saldature non fossero fatte a regole d?arte.

[0023] In accordo con una forma preferita di realizzazione dell?invenzione, il modulo 1 comprende almeno un supporto 8 di fissaggio in un vano apposito (non mostrato) di uno scambiatore di calore (non mostrato). Il supporto, come mostrato in figura 6, ? un elemento comprendente una base 80 piana dotata di due bordi 81 dai quali si ergono due pareti 82 a pettine tra loro parallele ed ortogonali a detta base. In particolare, le pareti 82 mostrano tagli 83 paralleli e di diversa profondit?, speculari tra le due pareti affacciate. Preferibilmente, i tagli si dividono in primi 84 alternati da due secondi 85 tagli, i primi essendo pi? estesi dei secondi; in questo modo, le pareti delle serpentine prime 3 e seconde 4 possono essere accolte e quivi supportate ad altezze differenti cos? da mantenere la disposizione sfalsata descritta in precedenza (figure 1 e 5). In aggiunta, il supporto 8 pu? essere dotato di appendici forate 86 che consentono il fissaggio al vano che accoglie lo scambiatore di calore.

[0024] Un ulteriore vantaggio del modulo dell?invenzione risiede nel fatto che ? possibile assemblare pi? moduli con l?ausilio dei suddetti supporti 8 al fine di creare batterie dello scambiatore di calore con maggiore o minore potenza in base alle esigenze del caso. Infatti, la compattezza di ciascun modulo lo rende adatto proprio all?assemblaggio tramite impilamento o affiancamento.

[0025] Preferibilmente, i tubi delle serpentine sono in acciaio/carbonio. Infatti, questo materiale consente una maggiore robustezza rispetto ai materiali come alluminio e rame con il vantaggio di poter resistere alle maggiori pressioni di lavoro necessarie con i suddetti gas. Inoltre, la robustezza permette di compattare maggiormente le serpentine con curve pi? strette senza il pericolo di collassi che provocano perdite di carico o addirittura perdite del gas nell?ambiente.

[0026] Da quanto fino ad ora descritto ? evidente che sono stati superati gli inconvenienti delle serpentine degli scambiatori di calore della tecnica nota raggiungendo vantaggi importanti. In particolare, ? stata massimizzata la concentrazione di superfici primarie e secondarie nell?unit? di spazio, cio? lo scambio termico per cm<3>.

[0027] E? stato ridotto il numero di brasature e conseguentemente il rischio di perdite in ambiente del fluido refrigerante senza intaccare l?efficienza di scambio termico.

[0028] Con la possibilit? di collegare in parallelo pi? serpentine singole e ripiegate, ove necessario, si riducono le perdite di carico del fluido che scorre al loro interno.

[0029] La struttura ? modulabile in termini dimensionali con sviluppo in altezza, lunghezza e larghezza ottenibile sia attraverso la variazione dimensionale della singola parete, sia con l?implementazione delle pareti inserite nei supporti, sia collegando tra loro i moduli in maniera ripetibile e/o scalabile.

[0030] La modularit? ? anche in termini di capacit? di scambio termico attraverso la possibilit? di collegamento di tutte le pareti o ranghi in serie, ottenere pi? circuiti su un unico modulo con collegamenti in serie/parallelo e/o in parallelo/parallelo. L?unione di differenti singoli moduli consente la creazione di schemi diversi.

[0031] Il modulo dell?invenzione consente in aggiunta di realizzare scambiatori di calore primari e secondari di diversa conformazione in modo da ulteriormente massimizzare lo scambio termico sia dal lato fluido refrigerante che dal lato aria (tubi corrugati, millerighe, diversi diametri, secondario alettato o turbolenziato).

[0032] Il modulo ?, inoltre, compatibile sia con l?utilizzo dal lato condensazione che dal lato evaporazione sempre Previa deposizione di un film anticorrosivo in quanto sul lato evaporatore, con aria molto umida e temperature di evaporazione basse, si ha condensazione d?acqua, di un sistema di refrigerazione/pompa di calore a livello industriale o domestico.

[0033] I tubi possono essere di dimensioni interne da 2mm a 16 mm per soddisfare numerose esigenze di utilizzo.

[0034] La manutenibilit? ? aumentata rispetto ai sistemi noti grazie all?ottima resistenza al deposito di elementi esterni convogliati dai flussi d?aria.

Claims (10)

Rivendicazioni del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: ?MODULO PER SCAMBIATORE DI CALORE PARTICOLARMENTE PERFORMANTE? RIVENDICAZIONI

1. Modulo (1) per uno scambiatore di calore comprendente una pluralit? di prime serpentine (3) formate da singoli tubi (2) collegati tra loro in serie, in cui ciascun tubo (2) ? prima piegato a zig-zag su un unico piano e poi ripiegato su se stesso a formare una prima parete (30) di scambio termico ed una seconda parete (31) di scambio termico in modo da delimitare uno spazio (5), caratterizzato dal fatto che detto spazio (5) viene occupato da una seconda serpentina (4) il cui tubo ? ripiegato a zig-zag a formare un?unica parete di scambio termico, detta seconda serpentina essendo collegata in serie tra due di dette prime serpentine (3).

2. Modulo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui le pareti prima (30) e seconda (31) delle prime serpentine (3) sono connesse lungo un primo bordo (33) tramite pieghe (34) del tubo che sono ortogonali a dette pareti, mentre lungo un secondo bordo (35) opposto dette pareti hanno ciascuna una pluralit? di pieghe (36) che giacciono sullo stesso piano delle rispettive pareti.

3. Modulo (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente tre prime serpentine (3) i cui spazi (5) interni sono occupati da tre rispettive seconde serpentine (4).

4. Modulo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui la disposizione delle pareti prime (30) e seconde (31) di ciascuna prima serpentina (3) risulta sfalsata in senso verticale quando in modulo ? in posizione operativa.

5. Modulo (1) secondo la rivendicazione 4, in cui la parete di ciascuna seconda serpentina (4) ? sfalsata rispetto ad entrambe le suddette pareti prima (30) e seconda (31) almeno di prime serpentine (3) adiacenti.

6. Modulo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, comprendente inoltre almeno un supporto di fissaggio provvisto di una base (80) piana dotata di due bordi (81) dai quali si ergono due pareti (82) a pettine parallele tra loro ed ortogonali alla base atte a supportare in modo distanziato e sfalsato almeno le pareti adiacenti delle serpentine prime (3) e seconde (4).

7. Modulo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui detti singoli tubi (2) sono in acciaio/carbonio.

8. Scambiatore di calore comprendente almeno un modulo (1) in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.

9. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 8, comprendente una pluralit? di moduli (1) collegati tra loro in serie e/o in parallelo.

10. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 9, in cui detti moduli (1) sono impilati e/o affiancati.