ITMI20011917A1 - Gruppo di scambiatori di calore per essicatori di gas compresso a refrigerazione - Google Patents

Description

Titolo : "Gruppo di scambiatori di calore per essiccatori di gas compresso a refrigerazione"

La presente invenzione si riferisce ad un gruppo di scambiatori di calore per essiccatori di gas compresso a refrigerazione.

Un essiccatore di gas compresso a refrigerazione è una macchina frigorifera, che viene normalmente utilizzata per estrarre umidità da una determinata portata di aria compressa o di un qualsiasi altro gas compresso; a tale proposito, anche se nel proseguo della trattazione si parlerà di aria compressa, è evidente che tutti i ragionamenti fatti valgono ugualmente per qualsiasi altro gas compresso o miscela di gas compressi.

L'umidità presente nell'aria compressa è la principale causa di corrosione e di prematura rottura delle tubature e di malfunzionamento o completa inservibilità delle macchine che utilizzano il gas compresso e, quindi, è necessario eliminarla prima di fornirla a tali apparecchiature.

Il funzionamento tradizionale di un essiccatore d'aria compressa a refrigerazione prevede che l'aria compressa che entra nell'essiccatore venga raffreddata per condensare l'umidità (vapore acqueo). L'essiccatore comprende essenzialmente un recuperatore di calore o scambiatore di calore gas/gas ed un evaporatore, che sono in pratica due scambiatori di calore.

Per gruppo di scambiatori di calore si intende l'insieme di tale recuperatore di calore e di tale evaporatore.

L'aria compressa da essiccare contiene vapore acqueo, avente, normalmente, una umidità relativa pari a circa il 100%.

Essa viene così inizialmente preraffreddata in una sezione di preraffreddamento del recuperatore di calore; quindi l'aria compressa esce dalla sezione di preraffreddamento dello scambiatore gas/gas e continua a raffreddarsi in una sezione di raffreddamento dell'evaporatore fino al raggiungimento del punto di rugiada desiderato.

Per tale raffreddamento si utilizza un fluido frigorigeno che evapora in una sezione di evaporazione dell'evaporatore stesso. Tale fluido frigorigeno evaporante viene prodotto da un circuito frigorifero.

A questo punto l'aria compressa, raffreddata nel recuperatore di calore prima e successivamente nell'evaporatore, giunge ad un separatore di condensa, in cui il vapore d'acqua condensato, in essa contenuto, viene separato dall'aria. La condensa viene poi scaricata da un dispositivo di scarico della condensa stessa.

L'aria che fuoriesce dal separatore di condensa attraversa il recuperatore di calore iniziale del circuito, in una sezione di riscaldamento, in maniera da attuare il preraffreddamento.

Esistono numerosi tipi scambiatori di calore gas/gas ed evaporatori, ottenuti con diverse tecnologie.

In particolare esistono essiccatori di gas compresso a refrigerazione in cui le sezioni di preraffreddamento e di riscaldamento del recuperatore di calore nonché le sezioni di raffreddamento dell'aria ed evaporazione del fluido frigorigeno dell'evaporatore sono completamente alettate allo scopo di aumentare l'efficienza e la compattezza del gruppo di scambiatori di calore.

Si può citare come esempio il gruppo di scambiatori di calore descritto nei brevetti US5845505 e US608552 9.

In essi il recuperatore e l'evaporatore sono caratterizzati da uno scambio di calore con flussi incrociati, e più precisamente tra loro perpendicolari .

Inoltre è previsto l'utilizzo di un particolare e complesso tipo di alettatura, per ottenere uno scambio di calore sufficiente.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un gruppo di scambiatori di calore, per essiccatori di gas compresso a refrigerazione, avente una migliore efficienza nello scambio termico.

Altro scopo della presente invenzione è quello di realizzare un gruppo di scambiatori di calore, per essiccatori di gas compresso a refrigerazione, avente un ingombro ridotto.

Un altro scopo della presente invenzione è quello di risolvere gli inconvenienti sopra citati della tecnica nota in una maniera estremamente semplice, economica e particolarmente funzionale.

In vista degli scopi suddetti, secondo la presente invenzione, si è pensato di realizzare un gruppo di scambiatori di calore per essiccatori di gas compresso a refrigerazione, avente le caratteristiche esposte nelle rivendicazioni allegate.

Le caratteristiche strutturali e funzionali della presente invenzione ed i suoi vantaggi nei confronti della tecnica conosciuta risulteranno ancora piu chiari ed evidenti da un esame della descrizione seguente, riferita ai disegni allegati, che mostrano un gruppo di scambiatori di calore per essiccatori di gas compresso a refrigerazione realizzato secondo i principi innovativi dell'invenzione stessa.

Nei disegni:

la figura 1 mostra una schema di un essiccatore di gas compresso a refrigerazione;

la figura 2 mostra uno schema di un gruppo di scambiatori di calore per essiccatori di gas compresso a refrigerazione, secondo gli insegnamenti della presente invenzione;

la figura 3 è una vista assonometrica che mostra un recuperatore di calore o scambiatore di calore gas/gas ed un evaporatore dell'essiccatore schematizzato in figura 2;

- la figura 4 è una vista assonometrica di attacchi di ingresso ed uscita per gas compresso di due essiccatori secondo l'invenzione disposti in parallelo;

la figura 5 è una sezione laterale di due collettori di ingresso e di uscita, atti a collegare gli attacchi rispettivamente di ingresso ed uscita mostrati in figura 4;

la figura 6 è una sezione frontale di un collettore di figura 5, dotato di flangia per il collegamento esterno dell'essiccatore.

Con riferimento ai disegni, un essiccatore di gas compresso a refrigerazione è complessivamente indicato con 10, e nell'esempio illustrato comprende un gruppo di scambiatori di calore, oggetto della presente invenzione, includente uno scambiatore di calore gas/gas o recuperatore di calore 20 ed un evaporatore 30.

Nella figura 1 si vede uno schema di un essiccatore di gas compresso a refrigerazione 10, secondo la tecnica nota, dove un gas compresso da essiccare entra in una tubazione d'ingresso 12 ed esce essiccato da una tubazione d'uscita 14.

Esso comprende, come già descritto al preambolo di questa descrizione, lo scambiatore di calore gas/gas 20 con una sezione di preraffreddamento 22 per il gas compresso da essiccare ed una sezione di riscaldamento 24 per il gas compresso essiccato, e l'evaporatore 30 con una sezione di raffreddamento 32 per il gas compresso ed una sezione di evaporazione 34 per un fluido frigorigeno, che percorre un circuito frigorifero 40; inoltre l'essiccatore comprende un separatore di condensa 50 ed un dispositivo di scarico 52 per la condensa.

Nella figura 2 è mostrato uno schema di un essiccatore di gas compresso a refrigerazione 10 secondo la presente invenzione, dove gli scambi termici avvengono con flussi in controcorrente.

La figura 3 mostra il recuperatore 20, comprendente una serie di piastre alettate 21 e dotato di zone d'ingresso 26 e di uscita 28 per gas compresso, e l'evaporatore 30, anch'esso comprendente una serie dì piastre alettate 31, dotato di zone d'ingresso 36 ed uscita 38 ed affiancato al recuperatore 20.

La figura 4 mostra due essiccatori 10 secondo la presente invenzione disposti in parallelo, dove le tubazioni d'ingresso 12 e quelle d'uscita 14 hanno rispettivi attacchi d'ingresso 13 e d'uscita 15 complanari e con un uguale interasse.

Nelle figure 5 e 6 sono mostrati un collettore d'ingresso 16 ed un collettore<' >d'uscita 18, fissati tramite tiranti 60 agli attacchi d'ingresso 13 e d'uscita 15, che passano attraverso fori ciechi 62 praticati sugli attacchi 13 e 15 stessi e fori 64 praticati sui collettori 16 e 18.

I collettori 16 e 18 hanno una serie di aperture laterali 17, complementari e nello stesso numero degli attacchi 13 e 15 degli essiccatori 10 disposti in parallelo, che possono essere anche più dei due mostrati in figura 4.

I collettori 16 e 18 sono dotati ciascuno di un attacco flangiato 66, fissato tramite tiranti 68.

Tra gli attacchi 13 e 15 e le aperture 17 dei collettori 16 e 18 sono previste guarnizioni 19, mentre tra gli attacchi flangiati 66 e i collettori 16 e 18 sono inserite guarnizioni 69.

Inoltre, una piastra cieca 70 chiude ciascun collettore 16 e 18 da una parte opposta degli attacchi flangiati 66. Tale piastra cieca 70 è fissata con i tiranti 68, inserendo tra i collettori 16 e 18 e le piastre 70 guarnizioni dello stesso tipo della guarnizione 69.

Dopo questa presentazione di alcuni degli elementi caratterizzanti della presente invenzione, si passa a descrivere più in particolare la forma realizzativa presentata nelle figure.

Gli scambi termici del gruppo di scambiatori dì calore avviene con flussi in perfetta controcorrente, e ciò è realizzato in questo modo.

La serie di piastre alettate 21 individua, in spazi compresi tra di esse, una serie di passaggi per il gas compresso da essiccare e per quello in uscita dal separatore di condensa 50.

Essi sono percorsi alternativamente, uno in una direzione e gli adiacenti nella direzione opposta, dal gas compresso da essiccare e dal gas in uscita dal separatore di condensa 50, e costituiscono rispettivamente la sezione di preraffreddamento 22 e quella di riscaldamento 24.

Analogamente la serie di piastre alettate 31-individua, in spazi compresi tra di esse, una serie di passaggi per il gas compresso e per il fluido frigorigeno.

Essi sono percorsi alternativamente, uno in una direzione e gli adiacenti nella direzione opposta, dal gas compresso e dal fluido frigorigeno del circuito frigorifero 40, e costituiscono rispettivamente la sezione di raffreddamento 32 e quella di evaporazione 34.

Inoltre lo scambiatore gas/gas 20 e l'evaporatore 30 sono posti affiancati, di modo che la zona di uscita 28 della sezione di preraffreddamento 22 conduca il gas compresso direttamente nella zona d'ingresso 36 della sezione di raffreddamento 32.

Bisogna altresì precisare che le zone di ingresso 26 e di uscita 28 della sezione di preraffreddamento 22 e le zone di ingresso 36 e di uscita 38 della sezione di raffreddamento 32 sono prive di alette, come si vede chiaramente in figura 3.

In questo modo il gas compresso si distribuisce nei passaggi uniformemente prima di attraversare le sezioni di preraffreddamento 22 e di raffreddamento 32, sulle cui piastre alettate 21 e 31 avviene principalmente lo scambio termico.

In alternativa, possono essere inseriti, in tali zone di ingresso 26 e di uscita 28 della sezione di preraffreddamento 22 e nelle zone di ingresso 36 e di uscita 38 della sezione di raffreddamento 32, dispositivi che aiutano la distribuzione dei fluidi quali ad esempio lamiere forate.

Le sezioni di riscaldamento 24 e di evaporazione 34, invece, possono essere alettate per tutta la lunghezza.

Una ulteriore caratteristica della presente invenzione consiste nel prevedere l'accoppiamento di più gruppi di scambiatori di calore del tipo mostrato in figura 3, disponendoli in parallelo.

In questa maniera si realizza una struttura modulare che porta a costituire un gruppo di scambiatori di capacità multipla.

Per realizzare ciò, si utilizzano i collettori d'ingresso 16 e d'uscita 18 che collegano tra loro rispettivamente gli attacchi d'ingresso 13 e d'uscita 15, consentendo di ridurre gli ingombri e la manodopera per l'assemblaggio.

I collettori 16 e 18 sono ottenuti per estrusione e sono lavorati meccanicamente per poter essere accoppiati facilmente e velocemente con gli attacchi di ingresso 13 e d'uscita 15 del gas compresso.

Ogni essiccatore 10, con gruppo di scambiatori di capacità multipla, ha due collettori 16 e 18. Ciascuno di essi ha un numero di aperture laterali 17 pari al numero di gruppi di scambiatori modulari da collegare.

I collettori 16 e 18 sono tagliati a misura in funzione del numero di gruppi di scambiatori modulari.

Per garantire la tenuta fra il gruppo di scambiatori modulari e i collettori 16 e 18 è previsto l'utilizzo di una guarnizione 19 per ogni attacco d'ingresso 13 e per ogni attacco d'uscita 15. Inoltre il fissaggio può essere realizzato attraverso ad esempio quattro tiranti 60 per ciascun attacco 13 o 15, da avvitare ai fori cechi 62 degli attacchi 13 e 15 stessi.

Per collegare i collettori 16 e 18 rispettivamente alle tubazioni di ingresso del gas compresso da essiccare e d'uscita del gas compresso essiccato, ciascuno di essi è dotato, in testa, di un attacco flangiato 66. Da una parte opposta dell'attacco fangiato 66, ciascun collettore 16 e 18 è chiuso da una piastra cieca 70.

Più precisamente, l'attacco flangiato 66 è costituito da un corto condotto cilindrico, alle cui estremità sono saldate, esternamente al condotto, due piastrine forate, con foro pari al diametro esterno del condotto.

Una piastrina ha una serie di fori utilizzati per fissare, con corrispondenti tiranti 68, l'attacco flangiato 66 al collettore 16 o 18 ed alla piastra cieca 70 opposta; l'altra piastrina è tipicamente una flangia che funge da collegamento per le tubazioni d'ingresso e d'uscita per il gas compresso.

Come già detto, l'estremità dei collettori 16 e 18, opposta a quella ove è presente l'attacco flangiato 66, è chiusa dalla piastra cieca 70, che presenta quindi un numero di fori uguale a quello della piastrina forata dell'attacco flangiato 66. Tali fori della piastra cieca 70 sono corrispondenti ai fori della piastrina, in maniera tale da poter inserire i tiranti 68.

Dalla tecnica è noto che l'efficienza dello scambio di calore realizzato mediante flussi incrociati è scarsa.

E ciò soprattutto quando le temperature di uscita dei due fluidi si incrociano, cioè quando la temperatura di uscita del fluido che si riscalda deve essere superiore alla temperatura del fluido che si raffredda, così come avviene generalmente negli essiccatori di gas compresso.

Ad esempio, con una temperatura di ingresso dell'aria compressa nella sezione di preraffreddamento di 35 °C e una temperatura di ingresso nella sezione di riscaldamento dello scambiatore gas/gas di 3 °C, con uno scambio termico a flussi incrociati è difficile ottenere una temperatura di uscita dalla sezione di riscaldamento superiore a 25/26 °C anche se si usano elevate superfici di scambio ed alettature particolari e sofisticate.

Invece, con flussi in controcorrente secondo la presente invenzione, con la stessa superficie di scambio, alettature tradizionali e a parità di perdite di carico, si può uscire dalla sezione di riscaldamento ad una temperatura che può superare i 30 °C, aumentando il calore recuperato anche più del 20%.

Analogamente, un evaporatore che lavora in perfetta controcorrente e con la stessa superficie di scambio e le stesse perdite di carico di un evaporatore che lavora con flussi incrociati, anche se utilizza alette tradizionali, consente di diminuire la differenza fra temperatura di uscita dell'aria e temperatura del fluido frigorigeno evaporante, soprattutto quando quest'ultimo è una miscela di gas che non evapora a temperatura costante (ad esempio R407c con "glide" di circa 6 °C) e quando si vuole surriscaldare il fluido frigorigeno per minimizzare i ritorni di liquido al compressore, come succede generalmente negli essiccatori.

Il risultato finale è una migliorare efficienza termodinamica COP (vale a dire Coefficient Of Performance) del circuito frigorifero.

Grazie all'aumento di efficienza degli scambi termici con i flussi in controcorrente, per ottenere le stesse prestazioni degli scambiatori a flussi incrociati, è possibile l'uso di alettature tradizionali.

Un altro vantaggio della presente invenzione consiste nel proporre i due scambiatori di calore, recuperatore ed evaporatore, uno di fianco all'altro in modo da minimizzare le dimensioni del gruppo scambiatori, garantendo comunque lo scambio di calore in perfetta controcorrente.

Inoltre, per ottenere un essiccatore ancora più compatto, il separatore di condensa può essere immediatamente adiacente all'evaporatore, come mostrato in figura 2.

Da quanto sopra descritto con riferimento alle figure, appare evidente come un gruppo di scambiatori di calore per essiccatori di gas compresso a refrigerazione secondo l'invenzione sia particolarmente utile e vantaggioso. Sono cosi conseguiti gli scopi menzionati al preambolo della descrizione.

Naturalmente, le forme del gruppo di scambiatori di calore per essiccatori di gas compresso a refrigerazione dell'invenzione possono essere diverse da quella mostrata a solo titolo di esempio non limitativo nei disegni, come pure diversi possono essere i materiali.

L'ambito di tutela dell'invenzione è pertanto delimitato dalle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1) Gruppo di scambiatori di calore per essiccatori di gas compresso a refrigerazione, dove un essiccatore (10) comprende uno scambiatore di calore gas/gas (20), con scambio termico che avviene tra una sezione di preraffreddamento (22), per una miscela di gas compressi da essiccare che entra in detto essiccatore (10), ed una sezione di riscaldamento (24), per una miscela di gas essiccati che esce da un separatore di condensa (50), un evaporatore (30), con scambio termico che avviene tra una sezione di raffreddamento (32), per detta miscela di gas compressi da essiccare che esce da detto scambiatore di calore gas/gas (20), ed una sezione di evaporazione (34), per un fluido frigorigeno, detto essiccatore (10) comprende inoltre detto separatore di condensa (50) connesso ad un dispositivo scaricatore (52), ed almeno un circuito frigorifero (40) ove scorre detto fluido frigorigeno, detta miscela di gas uscente da detta sezione di raffreddamento (32) trasportando con sè un quantitativo di condensa che viene separata da detta miscela di gas compressi, essendo detta miscela di gas compressi raffreddata fino al raggiungimento di un punto di rugiada desiderato mediante il preraffreddamento nello scambiatore (20) e il raffreddamento nell'evaporatore (30), dove avviene l'evaporazione di detto fluido frigorigeno, dove un gruppo di scambiatori di calore comprende detto scambiatore di calore gas/gas (20) e detto evaporatore (30), caratterizzato dal fatto che detti scambiatori di calore (20, 30) comprendono una serie di piastre alettate (21, 31) affiancate, a realizzare una serie di passaggi per lo scorrimento in controcorrente di detti fluidi, e dal fatto che detto scambiatore di calore gas/gas (20) viene posizionato affiancato a detto evaporatore (30), di modo che una zona di uscita (28) della sezione di preraffreddamento (22) dello scambiatore di calore gas/gas (20) conduca la miscela di gas compressi direttamente in una zona d'ingresso (36) della sezione di raffreddamento (32) dell'evaporatore (30).
2. 2) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che zone di ingresso (26) e di uscita (28) di detta sezione di preraffreddamento (22) e zone di ingresso (36) e di uscita (38) della sezione di raffreddamento (32) sono prive di alettature, in modo che la miscela di gas compressi si distribuisce nei passaggi uniformemente prima di attraversare dette sezioni di preraffreddamento (22) e di raffreddamento (32).
3. 3) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che in dette zone di ingresso (26) e di uscita (28) della sezione di preraffreddamento (22) ed in dette zone di ingresso (36) e di uscita (38) della sezione di raffreddamento (32) sono inseriti elementi che aiutano la distribuzione uniforme della miscela di gas compressi.
4. 4) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detti elementi comprendono lamiere forate.
5. 5) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto separatore di condensa (50) è disposto immediatamente adiacente a detto evaporatore (30).
6. 6) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che vengono disposti in parallelo almeno due di detti essiccatori (10), dotati ciascuno di un attacco d'ingresso (13), che viene collegato ad una tubazione d'ingresso (12) per la miscela di gas compressi da trattare, e di un attacco d'uscita (15), che viene collegato ad una tubazione d'uscita (14) per la miscela di gas compressi trattato.
7. 7) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti attacchi d'ingresso (13) e d'uscita (15) sono complanari ed hanno uguali interassi.
8. 8) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti attacchi d'ingresso (13) sono collegati insieme da un collettore d'ingresso (16), e che detti attacchi d'uscita (15) sono collegati insieme da un collettore d'uscita (18).
9. 9) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detti collettori d'ingresso (16) e d'uscita (18) hanno una serie di aperture laterali (17), complementari e nello stesso numero degli attacchi (13) e (15) di detti essiccatori (10) disposti in parallelo, e sono fissati, interponendo guarnizioni (19), a detti attacchi (13, 15) con mezzi di vincolo.
10. 10) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di vincolo comprendono tiranti (60), che passano attraverso fori ciechi (62), praticati su una superficie di detti attacchi (13, 15), e fori (64), praticati sui collettori (16, 18).
11. 11) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 8 o 9, caratterizzato dal fatto che detti collettori (16, 18) sono dotati ciascuno di un attacco flangiato (66) di collegamento a dette tubazioni rispettivamente d'ingresso (12) e d'uscita (14), posizionato su una estremità di detti collettori (16, 18).
12. 12) Gruppo di scambiatori di calore secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto attacco flangiato (66) è costituito da un corto condotto cilindrico, alle cui estremità sono unite, esternamente al condotto, due piastrine forate, con foro pari al diametro esterno del condotto, dove una piastrina ha una serie di fori utilizzati per fissare, con corrispondenti tiranti (68), l'attacco flangiato (66) al collettore (16, 18) e ad una piastra cieca (70), mentre l'altra piastrina funge da collegamento per le tubazioni d'ingresso (12) e d'uscita (14) per la miscela di gas compressi, ove detta piastra cieca (70) chiude il collettore (16, 18) da una parte opposta rispetto alla posizione di detto attacco flangiato (66).