ITMI20090300A1 - Dispositivo di scambio termico in particolare per collettore solare - Google Patents

Dispositivo di scambio termico in particolare per collettore solare

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Description

DESCRIZIONE
DISPOSITIVO DI SCAMBIO TERMICO IN PARTICOLARE PER COLLETTO-RE SOLARE
La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo di scambio termico in particolare per un collettore solare termico del tipo precisato nel preambolo della prima rivendicazione.
Sono attualmente noti i collettori solari termici, atti a utilizzare l’irraggiamento solare per riscaldare un liquido destinato, direttamente o indirettamente, all’utenza domestica o industriale.
I pannelli solari comprendono generalmente una pluralità di tubature in materiale conduttivo, all’interno delle quali scorre un liquido da riscaldare, o il liquido di riscaldamento.
Le tubature sono esposte all’irraggiamento solare, ad esempio su tetti di abitazioni o simili, così da scaldarsi e da trasmettere il calore al liquido di riscaldamento.
Le dette tubature sono inoltre frequentemente isolate dallo scambio termico per conduzione e dalla convezione con l’ambiente circostante, così da scambiare calore solo tramite irraggiamento.
Grazie a tale accorgimento, le tubature possono raggiungere temperature più elevate dell’ambiente circostante e produrre liquido a temperature relativamente alta, anche nei mesi invernali.
Il detto isolamento è realizzato tramite un involucro esterno alle tubature comprendente, in corrispondenza della faccia esposta al sole, un piano trasparente che consente l’irraggiamento delle stesse tubature.
Allo scopo di migliorare l’isolamento termico, all’interno dell’involucro isolante è spesso realizzato il vuoto.
La tecnica nota sopra citata presenta alcuni importanti inconvenienti.
I dispositivi collettori solari di tipo noto hanno infatti un’efficienza termica molto ridotta e riescono a convertire in riscaldamento del fluido solo una bassa percentuale di energia irradiata dal sole in corrispondenza del dispositivo.
Gli stessi dispositivi collettori solari di tipo noto sono inoltre molto costosi.
Le tubature devono essere infatti realizzate in rame o altri materiali costosi e devono avere tolleranze ristrette.
Inoltre, l’involucro d’isolamento è molto costoso e anche la realizzazione del vuoto all’interno dello stesso è onerosa.
Un ulteriore svantaggio ancora è dato dal fatto che i collettori noti hanno generalmente un peso elevato e un conseguente elevato costo di installazione e trasporto.
In questa situazione il compito tecnico alla base della presente invenzione è ideare un collettore solare termico in grado di ovviare sostanzialmente agli inconvenienti citati.
Nell'ambito di detto compito tecnico è un importante scopo dell'invenzione ottenere un dispositivo di scambio termico in particolare per collettore solare termico con elevata efficienza.
Un altro importante scopo dell'invenzione è realizzare un collettore solare termico economico, o che abbia un elevato rapporto tra efficienza e costo.
Un ulteriore scopo ancora dell'invenzione è creare un collettore solare termico semplice e molto leggero.
Il compito tecnico e gli scopi specificati sono raggiunti da un collettore solare termico come rivendicato nella annessa Rivendicazione 1.
Esecuzioni preferite sono evidenziate nelle sottorivendicazioni.
Le caratteristiche ed i vantaggi dell’invenzione sono di seguito chiariti dalla descrizione dettagliata di una esecuzione preferita dell’invenzione, con riferimento agli uniti disegni, nei quali:
la Fig. 1 mostra vista dall’alto del collettore solare termico secondo l’invenzione;
la Fig. 2 illustra una sezione trasversale del collettore e due ingrandimanti della stessa;
la Fig. 3 evidenzia un particolare della Fig.1.
Con riferimento alle Figure citate, il collettore solare termico secondo l'invenzione è globalmente indicato con il numero 1.
Esso è atto a scaldare un fluido 20, e in particolare acqua.
Il fluido 20 è opportunamente destinato direttamente all’utilizzo, oppure allo scambio di calore con un ulteriore fluido.
Il collettore 1 è quindi connettibile con una conduttura di ingresso 21 del liquido 20 e con una conduttura di uscita 22.
Il collettore solare termico 1 comprende un dispositivo di scambio termico 2, comprendente due lamiere 3.
In particolare, le due lamiere 3 sono opportunamente in metallo, preferibilmente di tipo economico, in particolare in acciaio, oppure, in alternativa, in alluminio o in rame.
Nei dettagli, le due lamiere 3 si sviluppano sostanzialmente lungo un piano e comprendono una lamiera superiore 3a e una lamiera inferiore 3b.
Opportunamente, almeno una delle lamiere 3, e preferibilmente entrambe le lamiere 3a e 3b, comprendono bugnature 6, ossia porzioni protundentesi rispet to a un piano di base. Tali bugnature possono essere realizzate tramite stampaggio, laminazione o imbutitura.
Le dette bugnature 6 sono preferibilmente circolari e occupano una superficie preferibilmente compresa tra il 10% e il 50%, e più preferibilmente tra il 20% e il 25% della superficie totale delle lamiere.
Esse sono inoltre preferibilmente disposte secondo una geometria avente un elemento di base triangolare regolare, come illustrato in Fig. 3.
Dimensionalmente le bugnature 6 hanno preferibilmente un diametro nell’ordine di grandezza di centimetri e più preferibilmente compreso tra 1 cm e 5 cm, ed un’altezza preferibilmente compresa tra 0,5 mm e 2,5 mm e più preferibilmente tra 0,5 mm e 12,5 mm.
In alternativa le bugnature 6 possono avere forme e dimensioni differenti, in particolare romboidali, rettangolari, mandorlate, etc. e possono essere disposte diversamente e occupare diverse superfici della piastra.
Inoltre, la faccia esposta della lamiera superiore 3a è preferibilmente colorata di nero per meglio trattenere l’irraggiamento solare.
Le due lamiere 3 sono reciprocamente collegate lungo una pluralità di porzioni di collegamento 4, preferibilmente realizzate in corrispondenza delle dette bugnature 6. Le bugnature 6 non sono obbligatamente a contatto l'una con l'altra, ma può passare anche un filo di luce tra le bugnature superiori e le bugnature inferiori.
Inoltre, preferibilmente la geometria delle bugnature 6 non interferisce con la saldatura e la piegatura delle piastre.
Vantaggiosamente, le bugnature 6 delle due lamiere 3 sono rialzate rispetto al detto piano di base in direzioni opposte, in modo che le bugnature 6 della lamiera superiore 3a si estendano verso il basso in direzione della lamiera inferiore 3b, mentre le bugnature 6 della lamiera inferiore 3b si estendano verso l’alto in direzione della lamiera superiore 3a, come illustrato in Fig.2.
Esse sono inoltre atte a creare il canale per un flusso ottimale di assorbimento. Le bugnature 6 delle due differenti lamiere 3 sono inoltre preferibilmente allineate in direzione perpendicolare al piano di base.
Le porzioni di collegamento 4 sono quindi opportunamente ricavate in corrispondenza delle bugnature 6 allineate e per saldatura delle stesse.
Predisponendo le bugnature 6 delle due lamiere 3 affacciate tra loro, si ottiene inoltre una adeguata distanza tra le lamiere 3 che è preferibilmente compresa tra 2,5 mm e 50 mm e più preferibilmente tra 5 mm e 15 mm.
Le due lamiere 3 definiscono inoltre un volume interno 5, estendentesi prevalentemente lungo un piano di sviluppo 5a, parallelo al piano di base.
Il volume interno 5 è atto a contenere il fluido 20, esso è quindi a tenuta di fluido. Le due lamiere 3 sono connesse a un profilo di tenuta 7, definente un perimetro preferibilmente rettangolare e una superficie preferibilmente compresa tra 0,5 m<2>e 8 m<2>.
I profili di tenuta 7, sono opportunamente ricavati da una sagomatura e da una reciproca giunzione o saldatura delle lamiere 3. In particolare la lamiera inferiore 3b comprende una porzione perimetrale ripiegata verso l’alto, come illustrato in Fig. 2.
Il dispositivo di scambio termico 2 comprende inoltre un condotto d’ingresso 8, atto a consentire il rifornimento di fluido 20 al volume interno 5 e collegabile alla conduttura di ingresso 21, e un condotto d’uscita 9, atto a consentire l’uscita di fluido 20 dal volume interno 5, e collegabile alla conduttura di uscita 22.
Preferibilmente, i condotti 8 e 9 comprendono degli attacchi filettati di dimensione compresa tra un quarto di pollice e due pollici, e una lunghezza non oltre quella dell’involucro, o altre tipologie di attacchi.
I detti condotti 8 e 9 si estendono preferibilmente in direzione perpendicolare al piano di base.
Essi sono connessi alla lamiera inferiore 3b in posizioni prossime al profilo di tenuta 7 e disposte lungo un asse longitudinale centrale delle lamine 3, come illustrato in Fig.1.
Inoltre, il condotto d’ingresso 8 può comprendere una pluralità di uscite disposte lungo un lato del perimetro rettangolare, perpendicolare al detto asse longitudinale centrale, e atte a diffondere il liquido 20 lungo l’intero volume interno 5. Il collettore 1 comprende inoltre preferibilmente un involucro isolante 10, atto a isolare il dispositivo di scambio termico 2 dallo scambio termico per conduzione e dalla convezione con l’ambiente circostante. L’involucro 10 poò inoltre essere portante per il collettore 1.
L’involucro isolante 10 comprende una porzione di base 11, circondante la parte inferiore e laterale del dispositivo 2 ed avente uno sviluppo prevalente lungo un piano parallelo al piano 5a.
La detta porzione di base 11 è in materiale polimerico, preferibilmente espanso e preferibilmente in polisocinato, ed ha un’altezza dell’ordine di grandezza dei centimetri.
La porzione di base 11 è quindi posta a contatto della lamiera inferiore 3a e si estende per tutta la lunghezza della stessa e dei profili di tenuta 7. Esse include inoltre preferibilmente i condotti 8 e 9.
La porzione di base 11 è inoltre rivestita di appositi materiali o vernici atti a proteggere la stessa dai raggi ultra-violetti dai colpi e da tutto ciò che potrebbe danneggiare la porzione di base 11 o il collettore 1, ma soprattutto atte ad adattarlo esteticamente al contesto di installazione. Sara preferibilmente una vernice ad acqua.
L’involucro isolante 10 comprende, inoltre, una porzione trasparente 12, in corrispondenza della faccia esposta al sole del dispositivo di scambio termico 2, quindi in corrispondenza della lamiera superiore 3b.
In particolare, la porzione trasparente 12 è costituita da un pannello trasparente in materiale polimerico, e preferibilmente in policarbonato, posto parallelamente al piano 5a. Preferibilmente la porzione trasparente 12 è in vetro stampato o policarbonato mono-foglio o bi-foglio con intercapedine, così da isolare maggiormente il dispositivo 2 dall’ambiente circostante.
All’interno dell’involucro 10 può inoltre essere realizzato il vuoto, per migliorare l’isolamento.
Il funzionamento di collettore solare termico 1, sopra descritto in senso strutturale, è il seguente.
Il collettore 1 viene posto in corrispondenza di un tetto di un edificio o di un’altra porzione. Preferibilmente lo stesso collettore 1 è posto in posizione inclinata in modo da consentire lo scorrimento del liquido 20 e un irraggiamento ottimale per captare i raggi solari.
Il condotto d’ingresso 8 è collegato alla conduttura di ingresso 21, e il condotto d’uscita 9 è collegato alla conduttura di uscita 22.
Il liquido 20 scorre attraverso il dispositivo di scambio termico 1 e viene scaldato dall’irraggiamento solare.
In particolare il liquido entra nel dispositivo di scambio termico 2 tramite il condotto d’ingresso 8.
Il liquido 20 scorre quindi all’interno del volume 5 secondo il gradiente gravitazionale e giunge al condotto d’uscita 9.
Durante il tragitto all’interno del volume 5 il liquido 20 viene scaldato dall’irraggiamento solare ed è continuamente deviato dalle bugnature 6 e dalle porzioni di collegamento 4 e percorre quindi sostanzialmente l’intero piano di sviluppo 5a del volume 5.
I raggi solari scaldano, infatti, in particolare la lamiera superiore 3a che, come precedentemente specificato, è colorata di nero per meglio trattenere l’irraggiamento solare.
La lamiera superiora 3a scalda a sua volta la lamiera inferiore 3b per contatto lungo le porzioni di collegamento 4.
Si evidenzia inoltre che le bugnature espandono notevolmente la superficie delle lamiere 3 e pertanto ottengono uno scambio termico elevato anche in presenza di ingombri in pianta relativamente ridotti.
Le due lamiere 3 non sono poi esposte alla conduzione di calore dell’aria, che ha solitamente una temperatura inferiore, a causa della presenza dell’involucro isolante 10.
L’invenzione comprende inoltre un nuovo procedimento per la realizzazione di collettori solari termici 1.
Tale procedimento prevede la realizzazione di un dispositivo di scambio termico 2, tramite laminazione ed eventualmente stampaggio delle lamiere 3, il collegamento reciproco delle stesse lamiere 3, l’aggiunta alle stesse dei condotti 8 e 9.
Il detto procedimento comprende inoltre un’ulteriore fase innovativa che consiste nell’inserire il dispositivo di scambio termico 2 all’interno di uno stampo, o conchiglia, sostanzialmente controsagomato alla porzione di base 11, e l’iniezione in detto stampo di materiale polimerico preferibilmente espanso e preferibilmente polisocinato, così da realizzare la stessa porzione di base 11. Durante il detto procedimento può inoltre essere aggiunta la porzione trasparente 12 all’interno dello stampo, così che questa sia vincolata alla porzione di base 11. L'invenzione consente importanti vantaggi.
Infatti, il collettore solare 1 ha un rendimento molto elevato, in particolare a causa dello sviluppo del volume interno 5 lungo tutto il piano 5a.
Le lamiere 3 comprendenti bugnature 6 conseguono inoltre, secondo esperimenti del richiedente, una resa ottimale del dispositivo 1 perché hanno un’elevatissima conduttività termica.
Il collettore 1 è inoltre molto economico.
Lo stesso è, infatti, molto leggero ma soprattutto molto veloce da assemblare e necessita di pochissima lavorazione, come precedentemente descritto.
Esso può essere, infatti, realizzato con materiali economici e può essere ottenuto tramite semplici laminazioni e saldature, eventualmente realizzate in un unico passaggio, delle lamiere 3.
Non ci sono inoltre vincoli di installazione e può essere installato ovunque a causa della notevole leggerezza.
L'invenzione è suscettibile di varianti rientranti nell'ambito del concetto inventivo. Ad esempio il dispositivo di scambio termico 2 può essere utilizzato per scambiatori di calori di impianti di condizionamento od altro ancora.
Tutti i dettagli sono sostituibili da elementi equivalenti ed i materiali, le forme e le dimensioni possono essere qualsiasi.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di scambio termico (2), includente: un volume interno (5) atto a contenere un fluido (20), un condotto d’ingresso (8), atto a consentire il rifornimento di detto fluido (20) a detto volume interno, un condotto d’uscita (9), atto a consentire l’uscita di detto fluido (20) da detto volume interno (5), caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di scambio termico (2) comprende due lamiere (3) reciprocamente collegate lungo una pluralità di porzioni di collegamento (4) e definenti detto volume interno (5), detto volume interno (5) estendendosi prevalentemente lungo un piano di sviluppo (5a).
  2. 2. Collettore solare termico (1) comprendente un dispositivo di scambio termico (2) secondo la rivendicazione 1.
  3. 3. Collettore secondo la rivendicazione 2, in cui almeno una di dette lamiere (3) comprende bugnature (6).
  4. 4. Collettore secondo la rivendicazione 3, in cui dette porzioni di collegamento (4) sono costituite in corrispondenza di dette bugnature (5).
  5. 5. Collettore secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui entrambe dette lamiere (3) comprendono bugnature (6) ed in cui dette bugnature (6) sono reciprocamente collegate e costituiscono dette porzioni di collegamento (4).
  6. 6. Collettore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui dette lamiere (3) sono in metallo.
  7. 7. Collettore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente un involucro isolante (10), atto a isolare detto dispositivo di scambio termico (2) dallo scambio termico per conduzione e dalla convezione con l’ambiente circostante.
  8. 8. Collettore secondo la rivendicazione 7, in cui detto involucro isolante (10) comprende una porzione di base (11) circondante la parte inferiore e laterale di detto dispositivo (2) in materiale polimerico espanso.
  9. 9. Collettore secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detto involucro isolante (10) comprende porzione trasparente (12), in corrispondenza della faccia esposta al sole di detto dispositivo di scambio termico (2), costituita da un pannello trasparente in materiale polimerico.
  10. 10. Procedimento per la realizzazione di collettori solari termici (1) caratterizzato dal fatto di consistere nell’inserire un dispositivo di scambio termico (2) secondo la rivendicazione (1) all’interno di uno stampo, nell’iniettare in detto stampo materiale polimerico espanso in modo atto a realizzare una porzione di base (11) circondante la parte inferiore e laterale di detto dispositivo (2) ed avente uno sviluppo prevalente lungo un piano parallelo a detto piano di sviluppo (5a).
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