ITMI20100117A1 - REFRIGERANT FLUID DISTRIBUTION SYSTEM IN A THERMAL EXCHANGE DEVICE - Google Patents
REFRIGERANT FLUID DISTRIBUTION SYSTEM IN A THERMAL EXCHANGE DEVICE Download PDFInfo
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Description
SISTEMA DI DISTRIBUZIONE DEL FLUIDO REFRIGERANTE IN UN REFRIGERANT FLUID DISTRIBUTION SYSTEM IN ONE
DISPOSITIVO DI SCAMBIO TERMICO THERMAL EXCHANGE DEVICE
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La presente invenzione si riferisce in generale ad un dispositivo di scambio termico e, più in particolare, ad un sistema di distribuzione del fluido refrigerante in un tale dispositivo di scambio termico. The present invention relates in general to a heat exchange device and, more particularly, to a system for distributing the refrigerant fluid in such a heat exchange device.
Come à ̈ noto, in un dispositivo di scambio termico si realizza uno scambio di energia termica tra due fluidi a temperature diverse. In generale, i dispositivi di scambio termico sono sistemi aperti che operano senza scambio di lavoro, ovvero presentano un flusso costante di fluido e una distribuzione di temperatura a regime costante. As is known, in a heat exchange device an exchange of thermal energy is carried out between two fluids at different temperatures. In general, heat exchange devices are open systems that operate without work exchange, that is, they have a constant flow of fluid and a constant temperature distribution.
Tra le varie tipologie di dispositivi di scambio termico si annoverano gli scambiatori di calore a piastre, in cui i due fluidi lambiscono di norma i lati opposti di una lamiera, che può essere corrugata o piana, in camere alternate e tra loro isolate. In altre parole, in uno scambiatore di calore di tipo a piastre i due fluidi a temperatura diversa (uno dei quali à ̈ usualmente denominato fluido refrigerante) scambiano il loro contenuto termico attraverso una o più superfici, generalmente lavorate a rilievo e disposte l’una accanto all’altra, dove tali fluidi si avvicendano con flusso in controcorrente o equicorrente e la cui circolazione à ̈ determinata dalle guarnizioni oppure dalle saldature o brasature tra le superfici stesse. The various types of heat exchange devices include plate heat exchangers, in which the two fluids usually touch opposite sides of a sheet, which can be corrugated or flat, in alternating and insulated chambers. In other words, in a plate-type heat exchanger the two fluids at different temperatures (one of which is usually called the refrigerant fluid) exchange their thermal content through one or more surfaces, generally worked in relief and arranged on the side by side, where these fluids alternate with counter-current or co-current flow and whose circulation is determined by the gaskets or by the welding or brazing between the surfaces themselves.
Per la loro particolare conformazione, gli scambiatori di calore a piastre presentano dei coefficienti di scambio termico molto elevati e possono essere impiegati nelle applicazioni di scambio termico tra svariati tipi di fluidi (acqua surriscaldata, oli idraulici, vapore, refrigeranti HFC, ecc.) e in generale in tutti quei casi in cui bassi coefficienti di scambio termico, dovuti alle caratteristiche dei fluidi o a basse velocità dei medesimi, richiedono speciali accorgimenti per un incremento dei coefficienti di scambio termico stessi. Due to their particular conformation, plate heat exchangers have very high heat exchange coefficients and can be used in heat exchange applications between various types of fluids (superheated water, hydraulic oils, steam, HFC refrigerants, etc.) and in general in all those cases in which low heat exchange coefficients, due to the characteristics of the fluids or to low speed of the same, require special measures to increase the heat exchange coefficients themselves.
Uno degli utilizzi più comuni degli scambiatori a piastre à ̈ quello di fungere da evaporatori per l’evaporazione di refrigeranti (ad esempio, HFC) in sistemi di refrigerazione. Tali sistemi di refrigerazione normalmente includono un compressore di vapore, un condensatore, una valvola di espansione e un evaporatore. Il fluido refrigerante in ingresso all’evaporatore à ̈ di norma una miscela bifasica liquido/vapore, come risultato del passaggio attraverso la valvola di espansione. One of the most common uses of plate heat exchangers is to act as evaporators for the evaporation of refrigerants (eg HFCs) in refrigeration systems. Such refrigeration systems typically include a vapor compressor, condenser, expansion valve and evaporator. The refrigerant fluid entering the evaporator is usually a two-phase liquid / vapor mixture, as a result of passing through the expansion valve.
Una corretta distribuzione della miscela bifasica liquido/vapore ai canali delle piastre à ̈ uno dei fattori principali che contribuiscono a mantenere elevate le prestazioni di uno scambiatore di calore a piastre. In altre parole, una distribuzione uniforme del fluido refrigerante attraverso i canali delle piastre permette di ottenere le migliori prestazioni, in termini di massima temperatura di evaporazione ad una determinata capacità di raffreddamento. Correct distribution of the two-phase liquid / vapor mixture to the plate channels is one of the main factors contributing to maintaining the high performance of a plate heat exchanger. In other words, a uniform distribution of the refrigerant fluid through the channels of the plates allows to obtain the best performances, in terms of maximum evaporation temperature at a given cooling capacity.
Gli attuali sistemi di distribuzione del fluido refrigerante all’interno di uno scambiatore di calore a piastre, in particolare del tipo a piastre cosiddette “saldobrasate†, si basano su una caduta di pressione localizzata in corrispondenza dell’ingresso di ciascun condotto di alimentazione del fluido refrigerante stesso. Tale caduta di pressione viene ottenuta tramite appositi ugelli e/o particolari dispositivi (come ad esempio premiscelatori, ecc.) installati sul condotto di ingresso del fluido refrigerante. Current refrigerant fluid distribution systems inside a plate heat exchanger, in particular of the so-called `` brazed '' plate type, are based on a localized pressure drop at the inlet of each supply of the refrigerant fluid itself. This pressure drop is obtained by means of special nozzles and / or particular devices (such as premixers, etc.) installed on the refrigerant fluid inlet duct.
I sistemi ad oggi noti per la distribuzione del fluido refrigerante all’interno di uno scambiatore di calore, come ad esempio quelli illustrati nei brevetti statunitensi N. US 4 928 494, US 5 417 083, US 6 915 648 e US 6 926 250, risultano tuttavia alquanto complessi e costosi da realizzare. The systems known to date for the distribution of the refrigerant fluid inside a heat exchanger, such as those illustrated in US patents No. US 4 928 494, US 5 417 083, US 6 915 648 and US 6 926 250 , however, they are rather complex and expensive to produce.
Scopo generale della presente invenzione à ̈ pertanto quello di realizzare un sistema di distribuzione del fluido refrigerante in un dispositivo di scambio termico in grado di risolvere gli inconvenienti sopra citati della tecnica nota in una maniera estremamente semplice, economica e particolarmente funzionale. The general purpose of the present invention is therefore to provide a cooling fluid distribution system in a heat exchange device capable of solving the aforementioned drawbacks of the prior art in an extremely simple, economical and particularly functional way.
In particolare, à ̈ uno scopo della presente invenzione quello di realizzare un sistema di distribuzione del fluido refrigerante in un dispositivo di scambio termico in grado di regolare efficacemente il flusso di fluido refrigerante in ingresso nei canali presenti all’interno degli elementi del dispositivo di scambio termico stesso. In particular, it is an object of the present invention to provide a system for distributing the refrigerant fluid in a heat exchange device capable of effectively regulating the flow of refrigerant fluid entering the channels present inside the elements of the control device. heat exchange itself.
Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un sistema di distribuzione del fluido refrigerante in un dispositivo di scambio termico che sia ottenibile con componenti meccanici ed elettrici semplici e particolarmente economici. Another object of the invention is to realize a refrigerant fluid distribution system in a heat exchange device which can be obtained with simple and particularly economical mechanical and electrical components.
Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un dispositivo di scambio termico ed un relativo sistema di distribuzione del fluido refrigerante come esposto nella rivendicazione 1. These objects according to the present invention are achieved by realizing a heat exchange device and a relative system for distributing the cooling fluid as set forth in claim 1.
Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni dipendenti, che sono parte integrante della presente descrizione. Further characteristics of the invention are highlighted by the dependent claims, which are an integral part of the present description.
Le caratteristiche ed i vantaggi del sistema di distribuzione del fluido refrigerante della presente invenzione in un dispositivo di scambio termico del tipo a piastre (o similare) risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali: The characteristics and advantages of the refrigerant fluid distribution system of the present invention in a plate-type (or similar) heat exchange device will become more evident from the following description, which is exemplary and not limiting, referring to the attached schematic drawings in which:
la figura 1 à ̈ una vista schematica in prospettiva di un dispositivo di scambio termico del tipo a piastre a cui può essere applicato un sistema di distribuzione del fluido refrigerante secondo la presente invenzione; Figure 1 is a schematic perspective view of a plate-type heat exchange device to which a refrigerant fluid distribution system according to the present invention can be applied;
la figura 2 à ̈ una vista schematica che illustra il flusso di fluido refrigerante all’interno di un dispositivo di scambio termico del tipo a piastre come quello di figura 1; Figure 2 is a schematic view illustrating the flow of refrigerant fluid inside a plate-type heat exchange device such as that of Figure 1;
la figura 3 Ã ̈ una vista schematica che illustra un primo esempio di realizzazione di un sistema di distribuzione del fluido refrigerante secondo la presente invenzione; figure 3 is a schematic view which illustrates a first example of embodiment of a refrigerant fluid distribution system according to the present invention;
la figura 4 Ã ̈ una vista laterale, parzialmente in sezione, del sistema di distribuzione del fluido refrigerante di figura 3; figure 4 is a side view, partially in section, of the refrigerant fluid distribution system of figure 3;
la figura 5 Ã ̈ una vista frontale, parzialmente in sezione, del sistema di distribuzione del fluido refrigerante di figura 3; figure 5 is a front view, partially in section, of the refrigerant fluid distribution system of figure 3;
la figura 6 Ã ̈ una vista schematica che illustra un secondo esempio di realizzazione di un sistema di distribuzione del fluido refrigerante secondo la presente invenzione; figure 6 is a schematic view illustrating a second embodiment of a refrigerant fluid distribution system according to the present invention;
la figura 7 Ã ̈ una vista frontale, parzialmente in sezione, del sistema di distribuzione del fluido refrigerante di figura 6; figure 7 is a front view, partially in section, of the refrigerant fluid distribution system of figure 6;
la figura 8 mostra una prima configurazione di un componente del sistema di distribuzione del fluido refrigerante di figura 6; e figure 8 shows a first configuration of a component of the refrigerant fluid distribution system of figure 6; And
la figura 9 mostra una seconda configurazione di un componente del sistema di distribuzione del fluido refrigerante di figura 6. Figure 9 shows a second configuration of a component of the refrigerant fluid distribution system of Figure 6.
Con riferimento in particolare alla figura 1, viene mostrato un dispositivo di scambio termico del tipo a piastre, indicato complessivamente con il numero di riferimento 10. Il dispositivo di scambio termico 10, o scambiatore di calore, comprende una pluralità di elementi o piastre 12 disposte affiancate tra loro ed in collegamento idraulico le une con le altre. With reference in particular to Figure 1, a plate-type heat exchange device is shown, indicated as a whole with the reference number 10. The heat exchange device 10, or heat exchanger, comprises a plurality of elements or plates 12 arranged side by side and in hydraulic connection with each other.
Le piastre 12, realizzate in metallo e preferibilmente di tipo corrugato, sono internamente provviste di una prima serie di canalizzazioni per la circolazione di un primo fluido, o fluido refrigerante, e di una seconda serie di canalizzazioni per la circolazione di un secondo fluido, o fluido da raffreddare, in grado di scambiare energia termica, attraverso le pareti delle piastre 12 stesse, con tale fluido refrigerante. Le piastre 12 sono tra loro a contatto per punti e possono essere unite tramite l’interposizione di guarnizioni di tenuta, in gomma o in altro materiale elastomerico, oppure tramite saldatura (piastre cosiddette “saldobrasate†). The plates 12, made of metal and preferably of the corrugated type, are internally provided with a first series of channels for the circulation of a first fluid, or refrigerant fluid, and with a second series of channels for the circulation of a second fluid, or fluid to be cooled, capable of exchanging thermal energy, through the walls of the plates 12 themselves, with this refrigerant fluid. The plates 12 are in contact with each other by points and can be joined by means of the interposition of sealing gaskets, in rubber or other elastomeric material, or by welding (so-called â € œsaldobrasateâ € plates).
Le due serie di canalizzazioni per i due fluidi a temperatura diversa sono tra loro indipendenti ed il flusso di tali fluidi può avvenire sia in controcorrente che in equicorrente. Più precisamente, la prima serie di canalizzazioni à ̈ provvista di un primo condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante e di un primo condotto di uscita 16 per tale fluido refrigerante. Similmente, la seconda serie di canalizzazioni à ̈ provvista di un secondo condotto di ingresso 18 per il fluido da raffreddare e di un secondo condotto di uscita 20 per tale fluido da raffreddare. The two series of channels for the two fluids at different temperatures are independent of each other and the flow of these fluids can take place both in counter-current and in co-current. More precisely, the first series of ducts is provided with a first inlet duct 14 for the refrigerant fluid and with a first outlet duct 16 for this refrigerant fluid. Similarly, the second series of ducts is provided with a second inlet duct 18 for the fluid to be cooled and a second outlet duct 20 for this fluid to be cooled.
Lungo il condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante, a monte delle piastre 12, possono essere previste una o più valvole di espansione (non mostrate) o altri dispositivi in grado di ridurre la pressione del fluido refrigerante in ingresso nello scambiatore di calore 10. Secondo l’invenzione, sempre lungo il condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante, a monte delle piastre 12 ed a valle dei suddetti dispositivi in grado di ridurre la pressione del fluido refrigerante in ingresso nello scambiatore di calore 10, à ̈ previsto almeno un dispositivo regolatore di flusso 22 provvisto di almeno un elemento in grado di occludere almeno parzialmente tale condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante per modificarne la sezione di passaggio secondo una forma predefinita. Along the inlet conduit 14 for the refrigerant fluid, upstream of the plates 12, there may be one or more expansion valves (not shown) or other devices capable of reducing the pressure of the refrigerant fluid entering the heat exchanger 10. According to the invention, always along the inlet conduit 14 for the refrigerant fluid, upstream of the plates 12 and downstream of the aforesaid devices capable of reducing the pressure of the refrigerant fluid entering the heat exchanger 10, there is at least a flow regulator device 22 provided with at least one element capable of at least partially occluding said inlet duct 14 for the cooling fluid to modify its passage section according to a predefined shape.
Il dispositivo regolatore di flusso 22 può funzionare sia in modo statico, vale a dire con un elemento fisso che occlude almeno parzialmente il condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante, sia in modo dinamico, quindi con uno o più elementi mobili di occlusione di tale condotto di ingresso 14. The flow regulator device 22 can operate both in a static way, that is to say with a fixed element which at least partially occludes the inlet duct 14 for the refrigerant fluid, and in a dynamic way, therefore with one or more movable elements for occlusion of this inlet duct 14.
In base ad un primo esempio di realizzazione, mostrato in figura 3, il dispositivo regolatore di flusso 22 comprende una saracinesca 24 che si affaccia all’interno del condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante. La saracinesca 24 à ̈ mobile di moto lineare in direzione radiale rispetto alla direzione di sviluppo del condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante. Il movimento lineare della saracinesca 24 può essere comandato da un dispositivo ad azionamento manuale o mediante un motore 26, preferibilmente di tipo elettrico, tramite l’interposizione di uno stantuffo 28. Come mostrato in figura 5, l’estremità operativa 30 della saracinesca 24, vale a dire l’estremità in grado di intercettare il flusso di fluido refrigerante in transito nel relativo condotto di ingresso 14, presenta preferibilmente una forma a cuneo, sebbene possa anche essere realizzato a cuneo con punta, arrotondato, a segmento circolare o con altra forma appropriata. On the basis of a first example of embodiment, shown in Figure 3, the flow regulator device 22 comprises a gate valve 24 which faces the inside of the inlet conduit 14 for the refrigerant fluid. The gate 24 is movable with linear motion in a radial direction with respect to the development direction of the inlet duct 14 for the refrigerant fluid. The linear movement of the gate 24 can be controlled by a manually operated device or by a motor 26, preferably of the electric type, by means of the interposition of a piston 28. As shown in figure 5, the operating end 30 of the gate 24, that is to say the end capable of intercepting the flow of refrigerant fluid in transit in the relative inlet duct 14, preferably has a wedge shape, although it can also be made of a wedge-shaped, rounded, circular segment or with other appropriate form.
In base ad un secondo esempio di realizzazione, mostrato in figura 6, il dispositivo regolatore di flusso 22 comprende invece un disco forato 32 posto all’interno del condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante e disposto perpendicolarmente rispetto alla direzione di sviluppo del condotto di ingresso 14 stesso. Il disco forato 32 presenta un foro interno 34, opportunamente sagomato per permettere la regolazione del flusso di fluido refrigerante in transito nel relativo condotto di ingresso 14, ed à ̈ provvisto di una parete interna 46 di forma opportuna, in grado di occludere parzialmente tale foro 34. Come mostrato in figura 8, la parete interna 46 può essere provvista di estremità avente forma arrotondata. In figura 9 à ̈ invece mostrata una parete interna 46 avente estremità con forma piana. On the basis of a second example of embodiment, shown in figure 6, the flow regulator device 22 instead comprises a perforated disk 32 placed inside the inlet duct 14 for the refrigerant fluid and arranged perpendicular to the direction of development of the duct entrance 14 itself. The perforated disk 32 has an internal hole 34, suitably shaped to allow the regulation of the flow of refrigerant fluid in transit in the relative inlet duct 14, and is provided with an internal wall 46 of suitable shape, able to partially occlude this hole. 34. As shown in figure 8, the internal wall 46 can be provided with ends having a rounded shape. Figure 9 instead shows an internal wall 46 having ends with a flat shape.
Il disco forato 32 può essere disposto in maniera fissa all’interno del condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante, con orientazione opportuna della relativa parete interna 46, ad esempio mediante saldatura o ricavato direttamente sulla connessione tra il tubo di alimentazione del fluido refrigerante nel dispositivo 10 e tale condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante stesso. In alternativa, il disco forato 32 può essere mobile di moto rotatorio all’interno del condotto di ingresso 14 per il fluido refrigerante. In sostanza, in questo caso l’estremità della parete interna 46 à ̈ posta in rotazione per intercettare e regolare il flusso di fluido refrigerante in transito nel relativo condotto di ingresso 14. The perforated disk 32 can be arranged in a fixed manner inside the inlet conduit 14 for the refrigerant fluid, with the appropriate orientation of the relative internal wall 46, for example by welding or obtained directly on the connection between the supply pipe of the refrigerant fluid in the device 10 is said inlet conduit 14 for the refrigerant fluid itself. Alternatively, the perforated disk 32 can be movable with a rotary motion inside the inlet duct 14 for the refrigerant fluid. Basically, in this case the end of the internal wall 46 is rotated to intercept and regulate the flow of refrigerant fluid in transit in the relative inlet duct 14.
Quando realizzato in maniera mobile, il disco forato 32 à ̈ circonferenzialmente provvisto di una dentatura 36 in grado di impegnarsi con una corrispondente dentatura 38 prevista su un ingranaggio 40, a sua volta comandato in rotazione o da un motore 42, preferibilmente di tipo elettrico, tramite l’interposizione di un albero rotante 44, oppure da un dispositivo ad azionamento manuale. When made in a mobile way, the perforated disc 32 is circumferentially provided with a toothing 36 capable of engaging with a corresponding toothing 38 provided on a gear 40, in turn driven in rotation or by a motor 42, preferably of the electric type, through the interposition of a rotating shaft 44, or by a manually operated device.
Un dispositivo regolatore di flusso 22 di uno scambiatore di calore 10 come quello secondo l’invenzione risulta quindi essere a basso costo e di semplice realizzazione. Prove sperimentali condotte dalla richiedente hanno dimostrato che un tale dispositivo regolatore di flusso 22, quando presente lungo il condotto di ingresso 14 del fluido refrigerante, à ̈ in grado di migliorare le prestazioni globali del dispositivo di scambio termico 10, sia quando di tipo statico che quando opportunamente azionato mediante rotazione o traslazione a seconda della specifica forma realizzativa. A flow regulator device 22 of a heat exchanger 10 such as the one according to the invention is therefore low cost and easy to manufacture. Experimental tests carried out by the applicant have shown that such a flow regulator device 22, when present along the inlet duct 14 of the refrigerant fluid, is able to improve the overall performance of the heat exchange device 10, both when static and when suitably operated by rotation or translation according to the specific embodiment.
Si à ̈ così visto che il sistema di distribuzione del fluido refrigerante in un dispositivo di scambio termico secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati. It has thus been seen that the refrigerant fluid distribution system in a heat exchange device according to the present invention achieves the purposes highlighted above.
Il sistema di distribuzione del fluido refrigerante in un dispositivo di scambio termico della presente invenzione così concepito à ̈ suscettibile in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica i materiali utilizzati, nonché le forme e le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche. The refrigerant fluid distribution system in a heat exchange device of the present invention thus conceived is susceptible in any case to numerous modifications and variations, all falling within the same inventive concept; furthermore, all the details can be replaced by technically equivalent elements. In practice, the materials used, as well as the shapes and sizes, can be any according to the technical requirements.
L’ambito di tutela dell’invenzione à ̈ pertanto definito dalle rivendicazioni allegate. The scope of protection of the invention is therefore defined by the attached claims.
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