ITGE20110028A1 - Scambiatore di calore a sospensione idrostatica - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: SCAMBIATORE DI CALORE A SO-SPENSIONE IDROSTATICA

DESCRIZIONE

La capacità termica del mare o di un bacino interno è talvolta utilizzata per disperdere il calore prodotto da un impianto industriale o civile (indicato nel seguito come impianto). Un caso tipico è il raffreddamento del condensatore di vapore di una centrale termoelettrica. In questi casi un sistema di pompaggio preleva l'acqua del bacino la fa circolare attraverso rimpianto e la disperde poi nel bacino a temperatura più alta di quella a cui è stata prelevata. Le leggi di tutela dell'ambiente naturale prescrivono che all'atto della dispersione la temperatura dell'acqua non superi un determinato valore. Tale imposizione limita l'incremento di temperatura che l'acqua di raffreddamento subisce nelfimpianto e costringe talora gli utilizzatori a prelevare una cospicua portata di acqua, cosa che richiede grandi sistemi di pompaggio e forti consumi di energia motrice.

Per ridurre i costi di installazione e di esercizio legati all'entità della portata può essere vantaggioso aumentare la temperatura a cui l'acqua abbandona l'impianto a condizione che essa, prima di essere dispersa, sia incanalata, a temperatura relativamente elevata, in una condotta sommersa nel bacino, che la trasporta lontano dalla costa e nel contempo la raffredda a spese della capacità termica del bacino stesso fmo alla temperatura idonea allo scarico diretto. Tale sistema ha trovato finora scarsa applicazione, perché la forma costruttiva delle condotte tradizionali, in particolare lo spessore dei tubi, non favorisce lo scambio termico tra il fluido interno e quello esterno; perciò per ottenere un significativo raffreddamento dell'effluente sarebbe necessaria una condotta sommersa molto lunga il cui costo non sarebbe compensato dai vantaggi derivanti dalla riduzione di portata.

L'invenzione in oggetto concerne un tipo di condotta la cui forma costruttiva consente di ridurre drasticamente lo spessore del tubo favorendo così, a parità di lunghezza, sia lo scambio termico attraverso la parete, sia l'economicità dell'opera, essa perciò si propone quale remunerativo scambiatore di calore tra l'acqua in uscita dall'impianto e l'acqua del bacino, nel rispetto delle leggi che tutelano l'ambiente naturale.

La riduzione dello spessore è consentita dal fatto che a una determinata profondità sotto la superficie del bacino vige una condizione caratterizzata dalla attenuazione dei carichi e dalla sostanziale assenza dei sovraccarichi accidentali. Per sfruttare a fondo tale opportunità è adottato un sistema di sospensione a vincolo cedevole che riduce al minimo anche le sollecitazioni prodotte dalle reazioni vincolali.

La prima parte della condotta, quella che si stacca dall'impianto, entra nel bacino e raggiunge la profondità in cui i carichi si possono considerare stabilizzati, ha una struttura rigida di tipo tradizionale. Essa contribuisce in maniera trascurabile allo scambio termico e ospita, preferibilmente nella parte emersa, i dispositivi, anche essi di tipo tradizionale, per l'intercettazione e la regolazione della portata.

La parte rigida della condotta termina con una flangia idonea al collegamento con la parte della condotta, che costituisce lo scambiatore vero e proprio. Questo è formato da un insieme di tratti modulari di tubo, collegati tra loro in serie, di lunghezza preferibilmente costante, ciascuno dotato di flange di estremità (l'insieme dei tratti di tubo, collegati in serie tra loro, è indicato nella presente descrizione e nelle successive rivendicazioni come linea).

La parete dei tubi è costituita da una pellicola sottile, deformabile e impermeabile, che tende ad assumere la forma cilindrica in seguito alla differenza di pressione che si instaura tra l'acqua che fluisce nello scambiatore e l'acqua esterna; tende invece ad afflosciarsi quando la portata è nulla. A differenza delle pareti, le flange di estremità hanno sufficiente stabilità di forma da consentirne l'agevole accoppiamento durante la messa in opera della condotta, ope razione da eseguire preferibilmente in immersione. Le flange, oltre a realizzare il collegamento tra i tratti di tubo e assicurare la continuità del flusso ospitano gli occhielli, o gli equivalenti organi di collegamento opportunamente sporgenti, cui sono fissate le funi dei sistemi di sospensione e di ancoraggio dello scambiatore.

Il collegamento tra le flange è realizzato con bulloni filettati, o con morsetti o con altro sistema che costituisca un proficuo compromesso tra l'economicità di costruzione e l'affidabilità. Infatti l'eventuale trafilamento di acqua tra le flange non compromette il funzionamento dello scambiatore di calore né quello dell'impianto; tuttavia contravviene alle leggi di tutela ambientale se la temperatura del trafilato supera quella consentita per la dispersione diretta e se la sua entità eccede il normale margine di tolleranza.

La stabilità e la permanenza in loco dello scambiatore è affidata alla azione contrapposta di un sistema di ancoraggio al fondo e di un sistema di sospensione di tipo idrostatico mostrati nelle allegate tavole numerate da 1 a 3.

Il disegno della sezione (tavola 1) mostra una flangia di estremità (1). Ad essa sono collegate le funi di ancoraggio (2) fissate a un corpo morto (3) appoggiato o murato al fondo del bacino e la fune di sospensione (4) tirata verso l'alto da una o più masse (5) di densità inferiore a quella dell'acqua (tali masse sono indicate nella presente descrizione e nelle successive rivendicazioni come supporti idrostatici) che si trovano poco sopra alla condotta, anche essi alla profondità che li sottrae alle perturbazioni di superficie. Il tiro verso l'alto dei supporti idrostatici è sufficiente a sostenere la condotta e le fimi di ancoraggio, ma è inferiore al tiro necessario per sollevare i corpi morti.

La vista laterale (tavola 2) mostra la forma della condotta quando la portata è nulla, i vari tratti di tubo tendono ad afflosciarsi e le funi di ancoraggio a disporsi verticalmente, sollecitate dal tiro dei supporti idrostatici.

Quando l'acqua destinata alla dispersione percorre lo scambiatore (tavola 3), si instaura una differenza di pressione tra l'interno e l'esterno della condotta, tale da farla gonfiare, inoltre la forza di attrito esercitata dalla corrente interna sulle pareti e diretta secondo l'asse della condotta, sostanzialmente orizzontale, sposta la condotta nella direzione del flusso in misura sufficiente affinché la componente orizzontale del tiro delle funi di ancoraggio trattenga le flange di collegamento e queste la intera linea.

Per ridurre al minimo la sollecitazione della pellicola che costituisce la superficie di scambio conviene evitare che la forza di attrito generata sulla parete di ciascun tratto di tubo si propaghi ai tratti adiacenti, provocando indesiderabili sommatorie di sforzi di trazione. Ossia è opportuno che ciascun tratto di tubo sia trattenuto dai soli ancoraggi ad esso direttamente collegati e sia staticamente indipendente dal resto della linea. Ciò è ottenuto proporzionando il passo tra i punti di sospensione, il tiro verso l'alto dei supporti idrostatici e la lunghezza libera delle funi di ancoraggio in modo che la forza di trascinamento e la componente orizzontale della reazione vincolare si equilibrino in seguito a uno spostamento in avanti che sia uguale per tutti i tratti di tubo. Il metodo più semplice per ottenere tale risultato è quello assumere detti parametri costanti lungo la intera linea.

Poiché l'elasticità dei materiali potrebbe non bastare a compensare le imprecisioni di montaggio o la possibile disuniformità delle forze di attrito, ciascun tratto di tubo compreso tra due unioni flangiate è leggermente più lungo del passo con cui sono disposti sul fondo i punti fissi di ancoraggio. La riserva di lunghezza consente alla pellicola deformabile che costituisce la parete del tubo di comportarsi come un soffietto leggermente compresso, incapace di trasmettere forze assiali di trazione e, tanto meno, forze di compressione.

Una riserva supplementare di lunghezza è assegnata al primo tratto di tubo che ha la funzione di giunto di collegamento tra la prima parte della condotta, quella rigida e solidale al terreno, e la parte sospesa idrostaticamente, soggetta a fluttuare nella direzione del flusso.

J Contribuisce al contenimento delle sollecitazioni anche l’adozione di velocità di efflusso piuttosto basse, cosa che può richiedere una condotta di grande diametro. Affinché il diametro non superi il valore più vantaggioso dal punto di vista dei costi di istallazione e di manutenzione, può convenire dividere il flusso tra due o più linee, ciascuna delle quali ne smaltisce una parte. Tali linee possono seguire tracciati indipendenti ovvero possono essere poste una accanto all'altra lungo il medesimo tracciato, avendo eventualmente in comune gli ancoraggi, o i supporti idrostatici o entrambi. La divisione della portata in più linee offre anche il vantaggio di aumentare la superficie di scambio termico a parità di lunghezza della condotta e di tenere a disposizione una o più linee di riserva, cui ricorrere in caso di avaria o di fermata per manutenzione di una linea in servizio.

Nel caso si adottino tratti di tubo particolarmente lunghi può convenire intensificare i punti di vincolo collegando le funi dei sistemi di sospensione e di ancoraggio non solo alle flange di estremità ma anche a sezioni intermedie di ciascun tratto di tubo, in tal caso gli occhielli di collegamento sono applicati alla parete del tubo, in punti in cui la parete è adeguatamente rinforzata. Se invece i tratti di tubo sono brevi può convenire che il passo tra le sezioni vincolate, anziché uguale, sia multiplo del passo tra le unioni flangiate.

La divisione della linea in tratti flangiati evita che una eventuale lacerazione della parete, avvenuta in un punto qualunque, si propaghi lungo la linea per una lunghezza superiore a quella di un singolo tratto di tubo. Inoltre l'indipendenza statica di ciascun tratto di tubo ne facilita, all'occorrenza, la sostituzione senza intervenire sui tratti adiacenti.

La prestazione completa della invenzione consiste nel trasportare e nel contempo raffreddare il fluido che la percorre; tuttavia essa trova impiego anche come mezzo economico per canalizzare un fluido di modesto valore e poco inquinante; come ad esempio per allontanare dalla costa i reflui dei depuratori, per trasportare acqua dolce da costa a costa, per prolungare una presa di acqua di mare fino a zone profonde, dove l'acqua è più fredda e più pulita.

L'innovazione, sia se adibita a scambiatore di calore, sia a semplice condotta, ha i seguenti vantaggi che la rendono competitiva rispetto alle condotte sommerse tradizionali: la celerità di realizzazione, la semplificazione dei lavori da eseguire in immersione, la possibilità di adottare grandi sezioni e basse velocità di efflusso riducendo il consumo di energia motrice, la possibilità di confezionare in dimensioni compatte i tratti di tubo che escono dalle officine di produzione, cosa che semplifica drasticamente le operazioni di trasporto, magazzinaggio e messa in opera.

La condizione di esercizio più favorevole, secondo i metodi descritti in precedenza, presuppone che la pressione interna della linea sia più alta di quella vigente nel fluido che la circonda, cosa che fa assumere ai tratti di tubo la forma approssimativamente cilindrica. Tale condizione è sempre assicurata quando la linea termina con lo scarico diretto nel bacino, e può essere accentuata collocando nella sezione di sbocco una perdita di carico concentrata, quale una strozzatura o una griglia a maglia fine. Ma nel caso più generale può accadere che la pressurizzazione della condotta rispetto al bacino non sia possibile, in tal caso la linea tende ad afflosciarsi a scapito della sezione di efflusso. Per utilizzare l'innovazione anche in questi casi si contrasta la contrazione della sezione adottando un passo molto breve tra le unioni flangiate. Una ulteriore azione di contrasto può essere svolta inserendo tra le flange dei puntoni distanziatori che si oppongono alla contrazione di lunghezza dei tratti di tubo. La tavola 4 mostra la configurazione di una condotta in depressione; alla posizione 1 è indicato un puntone interposto, insieme con altri, tra le flange di estremità di uno dei tratti di tubo. In questi casi potrebbe non essere necessario che tutte le flange svolgano la funzione di accoppiamento e di rigidità; in tale caso i tratti di tubo contengono, oltre alle normali flange di estremità adatte al collegamento, altre flange intermedie, o semplici anelli rigidi con passo opportunamente breve, il cui scopo si limita a stabilizzare la

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per raffreddare un fluido che attraversa uno scambiatore di calore costituito da una tubazione con parete sottile e deformabile. Lo scambiatore è immerso in un bacino naturale e tenuto in posizione corretta dalla azione contrapposta di un insieme di supporti idrostatici e di un insieme di tiranti fissati al fondo del bacino.
2. 2. Metodo per canalizzare e trasportare un fluido attraverso una tubazione sommersa avente le medesime caratteristiche di quella descritta alla rivendicazione 1.
3. 3. Scambiatore di calore idoneo per raffreddare l'acqua destinata eventualmente allo scarico col metodo secondo la rivendicazione 1. Lo scambiatore è formato da una linea di tratti di tubo con la parete impermeabile e deformabile come una sottile membrana. Essi sono collegati tra loro in serie per mezzo di flange di estremità rigide. Tali flange, o parte di esse, sono collegate alle funi del sistema di sospensione, costituito da supporti idrostatici sommersi a breve distanza al di sopra delle linee, e alle funi del sistema di ancoraggio collegate a corpi morti appoggiati al fondo del bacino. Il passo tra i punti di sospensione, il volume dei supporti idrostatici e la lunghezza libera delle funi di ancoraggio sono dimensionati in modo che siano approssimativamente bilanciate le forze che su ciascun tratto di tubo esercitano il flusso interno, l'eventuale flusso esterno e le reazioni vincolari trasmesse dai sistemi di sospensione e di ancoraggio. La lunghezza di ogni tratto di tubo è leggermente superiore alla distanza tra i punti fissi del sistema di ancoraggio a cui le sue estremità sono vincolate; ciò per evitare che tra i segmenti si instaurino indesiderati sforzi di trazione.
4. 4. Scambiatore di calore come descritto alla rivendicazione 3, con la differenza che le funi di sospensione e di ancoraggio si collegano non solo alle flange di estremità dei tratti di tubo ma anche alle pareti, in punti in cui la parete è opportunamente rinforzata.
5. 5. Scambiatore di calore idoneo per raffreddare acqua col metodo secondo la rivendicazione 1 , composto da due o più linee operanti in parallelo con le caratteristiche delle linee descritte alla rivendicazione 3 ovvero 4. Ciascuna di tali linee è dotata di propri sistemi di sospensione e di ancoraggio, ovvero li ha in comune con le altre linee.
6. 6. Condotta flessibile idonea per trasportare un liquido col metodo secondo la rivendicazione 2, composta da una o più linee operanti in parallelo con le caratteristiche delle linee descritte alla rivendicazione 3, oppure 4, oppure 5.
7. 7. Condotta come descritto alla rivendicazione 6, con la differenza che i tratti di tubo, oltre a essere dotati di flange terminali, sono dotati di anelli circonferenziali intermedi di sufficiente rigidità per contrastare la contrazione della sezione dei tubi causata dalla eventuale depressione del fluido trasportato rispetto al fluido esterno. Condotta come descritto alla rivendicazione 6 oppure 7, con la differenza che alcuni puntoni rigidi sono interposti tra le flange terminali di ogni tratto di tubo, ovvero tra gli anelli circonferenziali intermedi, per contrastare la contrazione dei tratti di tubo causato dalla eventuale depressione del fluido trasportato rispetto al fluido esterno.