ITAN20080062A1 - Scambiatore intercapedine a coppo - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

annessa a domanda di Breveto per Invenzione Industriale avente per titolo:

“SCAMBIATORE INTERCAPEDINE A COPPO”

DESCRIZIONE DELL ’ INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce agli scambiatori di calore c. dd. ad intercapedine utilizzati per trasmetere calore da un fluido termovetore ad un fluido di utilizzo contenuto in un serbatoio di accumulo.

Questi scambiatori sono utilizzati da moltissimo tempo per la loro semplicità costrutiva consistendo sostanzialmente in una camicia, cilindrica che avvolge lungo tuta la circonferenza il mantello di un serbatoio che contiene il fluido da riscaldare. Alle estremità della camicia, due pareti anulari ne chiudono i bordi sul mantello del serbatoio.

II fluido termovetore scorre nella intercapedine delimitata da deti camicia, mantello del serbatoio e pareti anulari da una tubazione di ingresso ad una di uscita.

Negli ultimi decenni si è trovato molto vantaggioso utilizzare gli scambiatori ad intercapedine per il riscaldamento di acqua sanitaria nel serbatoio di accumulo di impianti solari di piccola taglia, in particolare per uso monofamigliare.

In particolare è risultato vantaggioso l’impiego di scambiatori ad intercapedine nei serbatoi di accumulo di impianti solari a circolazione naturale. Si tratta di piccoli impianti in cui il serbatoio, in genere di capacità non superiore ai 300 litri, è disposto con asse orizzontale. In tal caso, l’utilizzo di uno scambiatore ad intercapedine è sostanzialmente obbligato perché è praticamente impossibile, in un serbatoio orizzontale, costruire uno scambiatore a serpentino di adeguata superficie di scambio con spire avvolte attorno ad un asse verticale come sarebbe necessario per evitare la formazione di sacche d’aria lungo le anse delle spire medesime; inoltre le perdite di carico del lungo sviluppo del serpentino non consentirebbero l’innesco di una efficace circolazione naturale del fluido termovettore.

In più lo scambiatore ad intercapedine è risultato vantaggioso anche per il fatto che nella sua parte più alta è lasciato un adeguato volume pieno di aria che funge da vaso di espansione.

Dal punto di vista costruttivo, lo scambiatore ad intercapedine utilizzato nei serbatoi di accumulo dei suddetti impianti solari è del tutto simile a quello in uso da sempre negli impianti termici; in particolare la camicia avvolge per intero la circonferenza del mantello.

Ciò detto, raramente si trova nell’arte nota l’uso di scambiatori di calore ad intercapedine in serbatoi verticali perché la camicia, se è verticale, avvolge necessariamente il mantello rendendo impossibile il riscaldamento dell’acqua contenuta nella calotta inferiore tuttavia sono noti scambiatori di calore ad intercapedine che comprendono anche una porzione di camicia a calotta atta ad avvolgere anche la parte inferiore del serbatoio.

Tal soluzione non è però esente da alcuni inconvenienti.

La somministrazione di calore da una intercapedine che avvolge il serbatoio anziché da un serpentino immerso nel serbatoio medesimo aumenta ovviamente le dispersioni termiche a parità di temperatura del fluido termovettore; Γ inconveniente è aggravato dal fatto che tipicamente detti serbatoi sono installati, in genere sui tetti o comunque all’aperto anziché in locati riparati e privi di ventilazione .

Altro inconveniente è che il fluido termovettore trasmette calore in modo simmetrico ai due lati del serbatoio così che, nell’acqua riscaldata aH’intemo del serbatoio medesimo si innescano dei moti convettivi di verso incerto e poco marcati perché non vi è un flusso di calore preferenziale proveniente dall’uno o dall’altro lato; questo è uno svantaggio perché lo scambio termico è più efficiente se si innescano moti convettivi decisi. Se lo scambio termico è poco efficiente, il fluido termovettore cede meno calore di quanto potrebbe restando più caldo e costringendo i pannelli solari ad operare a temperatura più elevata e, quindi con minor efficienza nella conversione dell’energia solare in termica. In definitiva, moti convettivi deboli all’interno del serbatoio di accumulo si traducono in una efficienza dell’impianto minore di quanto sarebbe possibile a parità di altre condizioni.

E’ noto, poi, ai tecnici del settore che, pur essendo, invece, desiderato, un elevato calore specifico del fluido termovettore, il circuito di trasferimento del calore dell’impianto solare, comprendente i pannelli solari, lo scambiatore di calore, le tubazioni di andata e ritorno da pannelli solari a scambiatore di calore ed il fluido termovettore medesimo dovrebbe avere una capacità termica la più bassa possibile; parimenti è desiderabile che la massa del fluido termovettore sia bassa per una sua rapida messa in circolazione; in definitiva, cioè, è desiderabile un basso contenuto di detto fluido termovettore.

Ciò è importante nelle fasi di funzionamento a regime transitorio nelle quali sostanzialmente un impianto solare opera continuamente: ad una bassa capacità termica e ad una piccola massa, infatti, corrisponde ima più pronta risposta del sistema alle variazioni di irraggiamento solare con un rapido innesco della circolazione naturale e più efficace trasferimento del calore quando ve ne è di disponibile; per contro, quando rimpianto cessa di operare per scarsa insolazione, sono minori le perdite di calore da detto circuito di trasferimento del calore verso l’ambiente.

In particolare, lo scambiatore ad intercapedine che, come detto, disperde verso Γ ambiente esterno, ha dispersioni tanto più elevate quanto maggiore è la sua capacità termica.

Un primo scopo della presente invenzione è quello di ridurre le dispersioni termiche dello scambiatore ad intercapedine a parità di temperatura del fluido termovettore.

Un secondo scopo della presente invenzione è quello di migliorare i moti convettivi all’ interno del serbatoi o di accumulo.

Un terzo scopo della presente invenzione è quello di ridurre la capacità termica dello scambiatore ad intercapedine.

Un quarto scopo del presente trovato è quello di ridurre il costo dello scambiatore ad intercapedine a parità di scambio termico.

In definitiva, scopo generale della presente invenzione, in un serbatoio di accumulo di acqua sanitaria di un impianto solare, in particolare a circolazione naturale e, ancor più in particolare con serbatoio di accumulo orizzontale è quello di mantenere gli innegabili vantaggi degli scambiatori ad intercapedine eliminando o almeno in parte riducendo gli inconvenienti sopra lamentati.

Questi ed altri scopi, che risulteranno chiari in seguito, si conseguono con un serbatoio di accumulo munito di scambiatore ad intercapedine conforme al dettato della rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche del presente trovato risulteranno meglio evidenziate dalla seguente descrizione di una preferita forma di realizzazione, conforme alle rivendicazioni brevettuali e illustrata, a puro titolo esemplificativo e non limitativo, nelle allegate tavole di disegno, in cui:

la figura 1 mostra, nel dettaglio di fig. l.a in sezione laterale e nel dettaglio di fig. l.b in vista frontale, un serbatoio di accumulo orizzontale munito di scambiatore di calore ad intercapedine secondo l’arte nota;

la figura 2 mostra, nel dettaglio di fig. 2. a in sezione laterale e nel dettaglio di fig. 2.b in vista frontale, un serbatoio di accumulo orizzontale munito di scambiatore di calore ad intercapedine secondo l’invenzione;

Con riferimento alla fig. 1, con 1 è indicato un serbatoio di accumulo orizzontale il cui asse orizzontale è indicato con X munito di scambiatore di calore ad intercapedine 2 secondo l’arte nota.

Detto scambiatore di calore ad intercapedine 2 comprende una camicia 201 che circonda completamente il mantello 101 di detto serbatoio di accumulo orizzontale 1, detta camicia 201 essendo rigidamente ed ermeticamente vincolata a detto mantello 101 da due pareti anulari 202 ed estendendosi in lunghezza preferibilmente per buona parte della lunghezza del mantello 101 medesimo.

Il serbatoio di accumulo orizzontale 1 è munito di una tubazione di ingresso 3 per l’introduzione, nella parte bassa, dell’acqua da riscaldare e di una tubazione di uscita 4 per il prelievo, dalla parte alta, dell’acqua riscaldata.

Lo scambiatore di calore ad intercapedine 2 è provvisto di tubazioni di ingresso ed uscita, rispettivamente 6 e 7, del fluido termovettore 203 che, in genere sono entrambe innestate nella parte bassa dello scambiatore di calore ad intercapedine 2, almeno quando il fluido termovettore 203 circola per circolazione naturale.

Nel dettaglio di fig. l.a è meglio mostrato, con tratteggio, il fluido termovettore 203 che riempie lo scambiatore di calore ad intercapedine 2 sino al livello 204 al di sopra del quale vi è la sacca d’aria 205 che funge da vaso d’espansione per le variazioni di volume del fluido termovettore al variare della sua temperatura.

E’ inoltre prevista una valvola di sicurezza 206 preferibilmente in corrispondenza della sacca d’aria 204.

Quando vi è circolazione di fluido termovettore, esso sale e ridiscende aH’intemo dello scambiatore di calore ad intercapedine 2 secondo i versi indicati dalle frecce 205.

Si noti da fig. 1.a come, essendo lo scambiatore di calore ad intercapedine 2 simmetrico rispetto al piano verticale di simmetria del serbatoio di accumulo orizzontale 1, anche l’erogazione di calore è parimenti simmetrica sicché nell’acqua in corso di riscaldamento si innescano dei moti convettivi con andamento sostanzialmente uguale a quello indicato con le frecce 102.

Questi moti convettivi fanno salire l’acqua lungo il mantello 101 da entrambi i lati e la fanno ridiscendere nella parte centrale.

Si può osservare che solo circa 3⁄4 della circonferenza del mantello è lambita dal fluido termovettore mentre la restante parte è interessata dalla sacca d’aria 204.

La fig. 2 mostra un serbatoio di accumulo orizzontale 1 il cui asse orizzontale è indicato con X munito di scambiatore di calore ad intercapedine 2 secondo Γ invenzione.

Detto scambiatore di calore ad intercapedine 2 come da arte nota, prevede una camicia 201 rigidamente ed ermeticamente vincolato al mantello 101 da due pareti anulari 202 e si estende in lunghezza, preferibilmente, per buona parte della lunghezza del mantello 101 medesimo.

Le tubazioni di ingresso 3 e di uscita 4 dell’acqua accumulata sono disposte come nell’arte nota e sempre come da arte nota possono essere innestate nella parte bassa dello scambiatore di calore ad intercapedine 2 le tubazioni di ingresso ed uscita, rispettivamente 6 e 7, del fluido termovettore 203.

Secondo l’invenzione però, lo scambiatore di calore ad intercapedine 2, anziché circondare completamente il mantello 101 di detto serbatoio di accumulo orizzontale 1 è disposto in posizione asimmetrica su un solo lato di detto mantello 101 sviluppando la sua estensione dalla parte più bassa verso l’alto di un angolo a.

Preferibilmente detto angolo a è compreso tra 1⁄4 ed 1⁄2 di 360°.

Ancor più preferibilmente detto angolo a è pari a circa 100°.

Poiché detto scambiatore di calore ad intercapedine 2 è asimmetrico rispetto al piano verticale di simmetria del serbatoio di accumulo orizzontale 1, parimenti asimmetrica è l’erogazione di calore sicché nell’acqua, in corso di riscaldamento, si innescano dei moti convettivi con andamento rotatorio (orario nell’esempio illustrato) sostanzialmente uguale a quello indicato con le frecce 102 in fig. 2. a.

Questi moti convettivi rotatori sono più veloci che non con scambiatore di calore ad intercapedine 2 secondo l’arte nota perché il flusso che si muove in un verso (orario nell’esempio di figura) non è contrastato da un flusso simmetrico ed opposto che si muove in senso antiorario come in fig. l.a; ciò migliora il coefficiente di adduzione per scambio termico convettivo e, cioè, in definitiva, l’efficienza dello scambio termico.

Sorprendentemente si è trovato che uno scambiatore di calore ad intercapedine 2 secondo l’invenzione, che si estenda lungo un lato del mantello 101 per un angolo a come sopra definito, se detto angolo a è all’incirca di 100°, offre la stessa efficienza di scambio termico di uno scambiatore di calore ad intercapedine 2 che, secondo l’arte nota, circonda completamente il mantello 101.

In effetti, il risultato trovato ha una spiegazione proprio per il fatto che uno scambiatore di calore ad intercapedine 2 secondo l’invenzione elimina gli inconvenienti dell’arte nota sopra denunciati: i moti convettivi dell’acqua aH’intemo del serbatoio 1 sono più attivi, la circolazione naturale del fluido termovettore è più energica e pronta a rispondere alle variazioni delle condizioni di insolazione; le dispersioni di calore sono ridotte quando il fluido termovettore circola sia quando ristagna.

A tutto ciò si aggiunge una marcata riduzione dei costi dovuta alla ridotta superficie della camicia 201 e ad un più semplice processo di costruzione e montaggio di detta camicia 201 che prevede la sua applicazione contro il mantello 101 anziché la necessità di infilare quest’ultimo dentro la camicia 201 medesima come necessario secondo l’arte nota.

L’invenzione è stata illustrata con di riferimento ad una variante preferita relativa a serbatoi orizzontali ma i suddetti suoi vantaggi si ritrovano anche nel caso di serbatoio ad asse principale verticale.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI Riv. 1 Serbatoio di accumulo (1) sul cui mantello (101) è applicato uno scambiatore di calore ad intercapedine (2), caratterizzato dal fatto che la camicia (201) di detto scambiatore di calore ad intercapedine (2) è montata in posizione asimmetrica rispetto all’asse (X) di detto serbatoio di accumulo (1), rivestendo una porzione della circonferenza di detto mantello (101) pari ad un angolo (a) minore di 360°. Riv.
2. 2 Serbatoio di accumulo (1) secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detto angolo (a) è compreso tra 90 e 180°. Riv.
3. 3 Serbatoio di accumulo (1) secondo la rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detto angolo (a) è compreso tra 90 e 110°. Riv.
4. 4 Serbatoio di accumulo (1) secondo qualsiasi rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che - detto serbatoio di accumulo (1) ha asse (X) orizzontale, - detto scambiatore di calore ad intercapedine (2) sviluppa la sua estensione di detto angolo (a) su un solo lato di detto mantello (101) rispetto ad un piano di simmetria verticale, dalla sua parte più bassa verso l’alto, - le tubazioni di ingresso ed uscita (6, 7) del fluido termovettore (203) sono innestate nella parte più bassa dello scambiatore di calore ad intercapedine (2) medesimo. Riv.
5. 5 Serbatoio di accumulo (1) secondo qualsiasi rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che nella parte più alta di detto scambiatore di calore ad intercapedine (2) è mantenuta una sacca d’aria (205) di volume sufficiente a fungere da vaso d’espansione per il circuito del fluido termovettore circolante nello scambiatore di calore ad intercapedine (2) medesimo. Riv.
6. 6 Serbatoio di accumulo (1) secondo qualsiasi riv. precedente caratterizzato dal fatto che nella parte più alta di detto scambiatore di calore ad intercapedine (2) è montata una valvola di sicurezza (206).