ITBO20100179A1

ITBO20100179A1 - TUBE FOR HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: ITBO20100179A1
Application number: IT000179A
Authority: IT
Inventors: Marco Schievano; Nicola Vendramin
Original assignee: Riello Spa
Priority date: 2010-03-22
Filing date: 2010-03-22
Publication date: 2011-09-23
Also published as: EP2372284A1

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:

“TUBO PER SCAMBIATORE DI CALORE” "TUBE FOR HEAT EXCHANGER"

La presente invenzione è relativa ad un tubo per scambiatore di calore e ad un condensatore/evaporatore per impianti di produzione di acqua calda sanitaria e condizionamento a pompa di calore che utilizza tale tubo. The present invention relates to a tube for a heat exchanger and to a condenser / evaporator for domestic hot water production and heat pump conditioning systems which use this tube.

Come è noto, i condensatori usati in tali impianti comprendono un serbatoio, atto a contenere una certa quantità di liquido, in particolare acqua, che deve essere riscaldata/raffreddata, ed una serie di serpentine in cui passa un gas, per esempio gas di tipo R134A. As is known, the condensers used in such plants comprise a tank, suitable for containing a certain quantity of liquid, in particular water, which must be heated / cooled, and a series of coils through which a gas passes, for example gas of the type R134A.

E’ noto, altresì, di immergere una o più serpentine nella massa liquida e/o avvolgere una o più serpentine intorno alla superficie esterna del serbatoio dell’acqua. Inoltre, per consentire un efficace scambio termico tra l’acqua contenuta nel serbatoio ed il gas che fluisce attraverso una serpentina esterna bisogna che il tubo con cui viene realizzata tale serpentina esterna abbia determinate caratteristiche di forma e di realizzazione. Per prima cosa, come è noto, tale tubo deve essere realizzato in un materiale, per esempio alluminio o rame, che abbia un buon coefficiente di trasmissione del calore e che sia facilmente deformabile a freddo. In secondo luogo tale tubo deve possedere una sezione trasversale conformata in maniera tale da favorire lo scambio termico. It is also known to immerse one or more coils in the liquid mass and / or wrap one or more coils around the external surface of the water tank. Furthermore, to allow an effective heat exchange between the water contained in the tank and the gas flowing through an external coil, the pipe with which this external coil is made must have certain characteristics of shape and construction. First of all, as is known, this tube must be made of a material, for example aluminum or copper, which has a good heat transmission coefficient and which is easily deformable when cold. Secondly, this pipe must have a cross section shaped in such a way as to favor heat exchange.

Alla luce di tali considerazioni si è cercato in tempi abbastanza recenti di passare dalla ovvia soluzione di adottare per questo tipo di serpentina un tubo a sezione circolare, a delle sezioni più o meno ellittiche, per aumentare la superficie di contatto tra la superficie esterna del tubo e quella del serbatoio. Difatti, un contatto in cui viene coinvolto un tubo a sezione ellittica comporta una area di scambio termico sostanzialmente rettangolare al posto di una semplice generatrice come, invece, nel caso di una sezione circolare. In light of these considerations, we have tried quite recently to move from the obvious solution of adopting a circular section tube for this type of coil, to more or less elliptical sections, to increase the contact surface between the external surface of the tube. and that of the tank. In fact, a contact in which a tube with an elliptical section is involved involves a substantially rectangular heat exchange area instead of a simple generator as, on the other hand, in the case of a circular section.

Tuttavia anche l’adozione di sezioni ellittiche non ha portato ad un sensibile aumento della quantità di frigorie scambiate nell’unità di tempo. Questo perché quando nel tubo a sezione ellittica viene fatto fluire del gas con pressioni molto alte (per esempio: condensatore: P<lavoro>= 10-30 bar; evaporatore: P<lavoro>= 1-5 bar) la sezione del tubo si deforma in modo da ripristinare una sezione sostanzialmente circolare, questo perché all’interno del gas di refrigerazione il tensore degli sforzi è di tipo sferico. Pertanto, passando di nuovo da una sezione ellittica ad una sezione sostanzialmente circolare l’area di contatto si riduce di nuovo ad una semplice generatrice. However, even the adoption of elliptical sections did not lead to a significant increase in the amount of refrigeration exchanged per unit of time. This is because when gas is made to flow in the elliptical section tube at very high pressures (for example: condenser: P <work> = 10-30 bar; evaporator: P <work> = 1-5 bar) the section of the deforms so as to restore a substantially circular section, this is because the stress tensor inside the refrigeration gas is of the spherical type. Therefore, passing again from an elliptical section to a substantially circular section, the contact area is reduced again to a simple generatrix.

Pertanto, scopo principale della presente invenzione è quello di fornire un tubo per scambiatore di calore avente una sezione trasversale tale da consentire un sensibile aumento dello scambio termico. Therefore, the main object of the present invention is to provide a tube for a heat exchanger having a cross section such as to allow a significant increase in heat exchange.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un tubo per scambiatore di calore ed un condensatore/evaporatore per impianti di produzione di acqua calda sanitaria e condizionamento a pompa di calore che utilizza tale tubo, secondo quanto rivendicato nelle rivendicazioni indipendenti o in una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti direttamente o indirettamente dalle rivendicazioni indipendenti. According to the present invention, a tube for heat exchanger and a condenser / evaporator for domestic hot water production and heat pump conditioning systems using such a tube are produced, according to what is claimed in the independent claims or in any of the directly dependent claims. or indirectly from independent claims.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali: For a better understanding of the present invention, a preferred embodiment is now described, purely by way of non-limiting example and with reference to the attached drawings, in which:

- la figura 1 illustra un condensatore per impianti di produzione di acqua calda sanitaria a pompa di calore munito di una serpentina utilizzante un tubo secondo l’invenzione; - Figure 1 illustrates a condenser for heat pump domestic hot water production systems equipped with a coil using a pipe according to the invention;

- la figura 2 mostra in sezione trasversale alcune spire della serpentina di figura 1 avvolta intorno alla parete del serbatoio del condensatore; e figure 2 shows in cross section some turns of the coil of figure 1 wound around the wall of the condenser tank; And

- la figura 3 illustra una sezione trasversale di un tubo secondo l’invenzione. - Figure 3 illustrates a cross section of a pipe according to the invention.

In figura 1, con 10 si è indicato, nel suo complesso, un condensatore per un impianto di produzione di acqua calda sanitaria a pompa di calore (non illustrato nella sua totalità). In Figure 1, the number 10 indicates, as a whole, a condenser for a heat pump domestic hot water production plant (not shown in its entirety).

Tale condensatore 10 comprende un serbatoio 11 contenente un liquido, in particolare acqua, da riscaldare. Per esempio, l’acqua a temperatura ambiente entra nel serbatoio 11 secondo una freccia (F1) ed esce fredda secondo una freccia (F2). Said condenser 10 comprises a tank 11 containing a liquid, in particular water, to be heated. For example, the water at room temperature enters the tank 11 according to an arrow (F1) and comes out cold according to an arrow (F2).

Sulla parete esterna 11A del serbatoio 11 è avvolta una serpentina 20 realizzata mediante un avvolgimento a spirale di un tubo 100 oggetto principale della presente invenzione. La serpentina 20 presenta un ingresso 21 del gas ed una uscita 22 dello stesso gas. In uso, nella serpentina 20 fluisce un gas, per esempio dell’R134A. A coil 20 made by means of a spiral winding of a tube 100 which is the main object of the present invention is wound on the external wall 11A of the tank 11. The coil 20 has a gas inlet 21 and an outlet 22 for the same gas. In use, a gas, for example of R134A, flows in the coil 20.

Come mostrato in maggior dettaglio in figura 3 il tubo 100 ha una sezione trasversale 150 che possiede una forma particolare. As shown in greater detail in Figure 3, the tube 100 has a cross section 150 which has a particular shape.

Difatti, la sezione trasversale 150 presenta, a sua volta, una prima porzione 150A, di forma sostanzialmente semicircolare, ed una seconda porzione 150B di forma schiacciata presentante una zona concava 150C con concavità esterna di raggio (R1). In uso, tale concavità della sezione trasversale 150 del tubo 100 è rivolta verso una parete di scambio termico 11A (figure 2, 3). In fact, the cross section 150 has, in turn, a first portion 150A, substantially semicircular in shape, and a second flattened portion 150B having a concave area 150C with an external concavity of radius (R1). In use, this concavity of the cross section 150 of the tube 100 faces a heat exchange wall 11A (Figures 2, 3).

Quando nel tubo 100 transita un gas ad alta pressione la zona concava 150C si deforma in maniera tale da far sì che, dopo la deformazione, la seconda porzione 150B segua il contorno della parete 11A. When a high-pressure gas passes through the pipe 100, the concave area 150C deforms in such a way that, after the deformation, the second portion 150B follows the contour of the wall 11A.

Vantaggiosamente, ma non necessariamente, tra una prima dimensione d’ingombro (D1) ed una seconda dimensione d’ingombro (D2) della sezione trasversale 150 sussiste la seguente relazione: Advantageously, but not necessarily, the following relationship exists between a first overall dimension (D1) and a second overall dimension (D2) of the cross section 150:

(D2)/(D1) = 0,5 – 0,8 (D2) / (D1) = 0.5 - 0.8

Inoltre, vantaggiosamente, ma non necessariamente, tra il raggio (R1) della concavità e le prima dimensione d’ingombro (D1) sussiste la seguente relazione: Furthermore, advantageously, but not necessarily, the following relationship exists between the radius (R1) of the concavity and the first overall dimension (D1):

(R1) ≤ 1,5 – 2,5 (D1) (R1) ≤ 1.5 - 2.5 (D1)

Difatti, il raggio (R1) della concavità non deve essere troppo piccolo perché altrimenti la concavità sarebbe troppo pronunciata e la sezione 150 non si deformerebbe in maniera appropriata, ma nemmeno troppo grande, perché, altrimenti, si avrebbero le stesse problematiche che si presentano con l’uso di sezioni sostanzialmente ellittiche (vedi sopra). Cioè, in altre parole, in quest’ultimo caso la sezione 150 si deformerebbe in maniera tale da riportare il contatto tra le due superfici di scambio termico sostanzialmente ad una generatrice. In fact, the radius (R1) of the concavity must not be too small because otherwise the concavity would be too pronounced and the section 150 would not deform properly, but not too large, because, otherwise, the same problems would arise as with the use of substantially elliptical sections (see above). That is, in other words, in the latter case the section 150 would deform in such a way as to bring the contact between the two heat exchange surfaces substantially back to a generator.

La particolare forma della sezione 150 si ottiene, per esempio, da un tubo in alluminio di sezione circolare di diametro iniziale (Φ) = 10 mm il quale viene deformato mediante una operazione di rullatura a freddo. The particular shape of the section 150 is obtained, for example, from an aluminum tube with a circular section of initial diameter (Φ) = 10 mm which is deformed by means of a cold rolling operation.

Con questo valore del diametro iniziale Φ dopo la rullatura a freddo si avrebbero i seguenti valori: With this value of the initial diameter Φ after cold rolling, the following values would be obtained:

(D1) = 12 mm (D1) = 12 mm

(D2) = 8 mm (D2) = 8 mm

Si è visto sperimentalmente che, per quanto riguarda la fase di deformazione a freddo, per ottenere dei risultati interessanti lo spessore (Sp) del tubo 100 deve rispettare la presente relazione: It has been experimentally seen that, as regards the cold deformation phase, in order to obtain interesting results, the thickness (Sp) of the tube 100 must comply with this relationship:

(Sp) = 0,05 – 0,15 (Φ) (Sp) = 0.05 - 0.15 (Φ)

Infine, per massimizzare lo scambio termico si è trovato sperimentalmente che la relazione tra il passo (Ps) delle spire della serpentina 20 e (D1) (figura 2) deve rispettare la seguente relazione: Finally, to maximize the heat exchange it has been found experimentally that the relationship between the pitch (Ps) of the coils of the coil 20 and (D1) (Figure 2) must respect the following relationship:

(Ps)/(D1) = 1 – 1,5 (Ps) / (D1) = 1 - 1.5

Il vantaggio principale del tubo per scambiatore di calore oggetto della presente invenzione è costituito dal fatto che, a parità di lunghezza di una serpentina, si ha un aumento del rendimento di scambio termico, aumento che è compreso tra il 10% ed il 20% in più rispetto ad un normale tubo a sezione circolare. The main advantage of the tube for heat exchanger object of the present invention is constituted by the fact that, for the same length of a coil, there is an increase in the heat exchange efficiency, an increase which is between 10% and 20% in more than a normal tube with a circular section.

Questo fatto consente, ovviamente, a parità di frigorie scambiate, di ridurre considerevolmente la lunghezza della serpentina con un conseguente risparmio in termini di costi (si ricordi che l’alluminio e il rame sono materiali molto costosi), sia eventualmente in termini di leggerezza della serpentina stessa e conseguentemente dell’intero condensatore. This fact obviously allows, with the same exchanged frigories, to considerably reduce the length of the coil with a consequent saving in terms of costs (remember that aluminum and copper are very expensive materials), and possibly in terms of lightness of the coil. coil itself and consequently of the entire condenser.

Claims

CLAIMS 1. Tube (100) for coil heat exchanger (20) characterized in that it has a cross section (150) having, in turn, a first portion (150A) of a substantially semicircular shape, and a second portion (150B) flattened in shape presenting, in turn, a concave area (150C) with an external concavity of radius (R1).

2. Pipe (100) as claimed in claim 1, characterized in that the following relationship exists between a first overall dimension (D1) and a second overall dimension (D2) of said cross section (150): (D2) / (D1) = 0.5 - 0.8

3. Pipe (100) as claimed in any of the preceding claims, characterized by the fact that the following relationship exists between the radius (R1) and a first overall dimension (D1): (R1) ≤ 1.5 - 2.5 (D1)

4. Pipe (100) as claimed in any one of the preceding claims, characterized in that the following relationship exists between the thickness (Sp) of the pipe (100) and the initial diameter (Φ) of the starting circular pipe: (Sp) = 0.05 - 0.15 (Φ)

5. Condenser / evaporator (10) for domestic hot water production and heat pump conditioning systems characterized in that it comprises at least one pipe (100) as claimed in any one of claims 1-4.

6. Condenser / evaporator (10), as claimed in claim 5, characterized in that said tube (100) is wound in coils so as to form at least one coil (20), said tube (100) having a cross section (150 ) having a concave area (150C) with an external concavity of radius (R1) facing a heat exchange wall (11A).

7. Condenser / evaporator (10), as claimed in claim 6, characterized in that said heat exchange wall (11A) belongs to a tank (11) of a liquid, in particular water, to be cooled.

8. Condenser / evaporator (10), as claimed in claim 6 or claim 7, characterized in that the relationship between the pitch (Ps) of the turns of said coil (20) and (D1) must respect the following relationship: (Ps) / (D1) = 1 - 1.5 where (D1) is a first overall dimension of said cross section (150).