ITMI20100249U1 - Dispositivo di scambio termico con sistema perfezionato di distribuzione del fluido refrigerante - Google Patents

Dispositivo di scambio termico con sistema perfezionato di distribuzione del fluido refrigerante

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ITMI20100249U1
ITMI20100249U1 IT000249U ITMI20100249U ITMI20100249U1 IT MI20100249 U1 ITMI20100249 U1 IT MI20100249U1 IT 000249 U IT000249 U IT 000249U IT MI20100249 U ITMI20100249 U IT MI20100249U IT MI20100249 U1 ITMI20100249 U1 IT MI20100249U1
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fluid
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Description

DESCRIZIONE
Il presente trovato si riferisce a un dispositivo di scambio termico con sistema perfezionato di distribuzione del fluido refrigerante.
Come è 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.
Tra le varie tipologie di dispositivi di scambio termico si annoverano gli scambiatori di calore di tipo cosiddetto “a fascio tubiero e mantello” (in Inglese “tube and shell heat exchangers”). Gli scambiatori di calore a fascio tubiero e mantello sono largamente utilizzati nelle applicazioni industriali, nei sistemi di refrigerazione, negli impianti di condizionamento dell’aria e, in genere, in tutte quelle applicazioni in cui vengono trattati fluidi ad alta pressione. I vantaggi di questo tipo di scambiatori di calore prevedono tra l’altro:
- presenza di elevate aree superficiali all’interno di un volume complessivo relativamente ridotto;
- buone resistenze meccaniche per poter operare in condizioni di elevate pressioni;
- utilizzo di tecniche di costruzione ben consolidate;
- possibilità di essere costruiti con un considerevole numero di materiali diversi, come ad esempio leghe anticorrosione;
- facilità di pulizia.
Essenzialmente, uno scambiatore di calore a fascio tubiero consiste in un gruppo di tubi inseriti in un corpo cilindrico, denominato appunto “mantello”. Uno dei fluidi, tipicamente il fluido refrigerante, scorre all’interno dei tubi del fascio tubiero, mentre l’altro fluido, tipicamente il fluido da raffreddare, fluisce invece all’interno del mantello e scorre sulle pareti esterne dei tubi. Il calore viene quindi trasferito da un fluido all’altro attraverso le pareti dei tubi.
Le estremità contrapposte dei tubi sono collegate a delle piastre che permettono di separare il fluido che fluisce all’interno del mantello da quello che scorre all’interno dei tubi del fascio tubiero. All’interno del mantello possono essere posizionate una o più pareti di separazione, le cui funzioni sono quelle di indirizzare il flusso del fluido lato mantello, aumentandone la velocità, e di supportare i tubi del fascio tubiero.
I fluidi possono essere sia allo stato liquido, sia allo stato gassoso, sia miscele bifasiche liquido/vapore. Al fine di trasferire il calore nella maniera più efficace possibile, è necessaria un’elevata superficie di scambio termico: di conseguenza, è conveniente realizzare scambiatori di calore a fascio tubiero e mantello provvisti di un elevato numero di tubi nel fascio tubiero stesso.
Una non uniforme distribuzione del fluido refrigerante, normalmente costituito da una miscela bifasica liquido/vapore, in ingresso nei tubi dello scambiatore di calore può influire negativamente sul rendimento e sulle prestazioni complessive dello scambiatore di calore stesso. Il fluido refrigerante è configurato per evaporare all’interno dei tubi. Se alcuni dei tubi del fascio tubiero vengono alimentati con una miscela bifasica troppo ricca di componente liquida, può esserci il rischio di gocciolamenti in corrispondenza dell’uscita dei tubi stessi. Viceversa, se alcuni dei tubi del fascio tubiero vengono alimentati con una miscela bifasica troppo ricca di vapore si ottiene, in uscita dai tubi stessi, un valore di surriscaldamento troppo elevato. In entrambi i casi il coefficiente di scambio termico, vale a dire la quantità di calore scambiato, si riduce rispetto a una condizione ottimale, in cui tutti i tubi dello scambiatore di calore vengono alimentati con una miscela bifasica ove è uniforme la distribuzione tra componente liquida e vapore. La riduzione dello scambio termico a causa dei problemi sopra riportati è inoltre tanto più elevata quanto più è elevato il numero dei tubi presenti nel fascio tubiero dello scambiatore di calore.
Uno degli attuali sistemi per la distribuzione del fluido refrigerante all’interno di un dispositivo di scambio termico a fascio tubiero e mantello prevede la presenza di un cosiddetto setto o piattello deviatore, indicato con il riferimento A nell’allegata figura 1. Si tratta di una piastra posizionata in corrispondenza della bocca di ingresso del fluido refrigerante, orientata in maniera sostanzialmente perpendicolare alla direzione del flusso entrante di tale fluido refrigerante. La funzione del setto deviatore è essenzialmente quella di intercettare il flusso di fluido refrigerante in ingresso nello scambiatore di calore per variarne la direzione, da parallela a sostanzialmente perpendicolare alla direzione di sviluppo dei tubi del fascio tubiero. In tal modo è possibile ottenere una migliore alimentazione del fluido refrigerante all’interno dei tubi, in particolare quelli disposti nelle zone periferiche del fascio tubiero. Per contro, il setto deviatore può compromettere la corretta alimentazione dei tubi posti nella zona centrale del fascio tubiero, vale a dire quelli posti immediatamente di fronte al setto deviatore stesso.
Scopo generale del presente trovato è pertanto quello di realizzare un dispositivo di scambio termico con sistema perfezionato di distribuzione del fluido refrigerante che sia in grado di risolvere gli inconvenienti sopra citati della tecnica nota in una maniera estremamente semplice, economica e particolarmente funzionale.
Nel dettaglio, è uno scopo del presente trovato quello di realizzare un dispositivo di scambio termico con sistema perfezionato di distribuzione del fluido refrigerante in grado di garantire ottimi risultati in termini di uniforme distribuzione del fluido refrigerante nei tubi del fascio tubiero.
Un altro scopo del trovato è quello di realizzare un dispositivo di scambio termico con sistema perfezionato di distribuzione del fluido refrigerante che sia versatile e adattabile alle caratteristiche di scambio termico che si vogliono ottenere dal dispositivo.
Questi scopi secondo il presente trovato vengono raggiunti realizzando un dispositivo di scambio termico con sistema perfezionato di distribuzione del fluido refrigerante come esposto nella rivendicazione 1.
Ulteriori caratteristiche del trovato sono evidenziate dalle rivendicazioni dipendenti, che sono parte integrante della presente descrizione.
Le caratteristiche e i vantaggi di un dispositivo di scambio termico con sistema perfezionato di distribuzione del fluido refrigerante secondo il presente trovato risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:
la figura 1 è una vista schematica che mostra il flusso di fluido refrigerante in un dispositivo di scambio termico, del tipo a fascio tubiero e mantello, realizzato secondo la tecnica nota;
la figura 2 è una vista schematica che mostra il flusso di fluido refrigerante in un dispositivo di scambio termico, del tipo a fascio tubiero e mantello, realizzato secondo il presente trovato;
la figura 3 è una vista in prospettiva, parzialmente in sezione, della piastra di estremità del dispositivo di scambio termico di figura 2;
la figura 4 è una vista in sezione trasversale della piastra di estremità di figura 3;
la figura 5 è una vista in pianta dall’alto di un componente del sistema di distribuzione del fluido refrigerante del dispositivo di scambio termico di figura 2; e
la figura 6 è una vista in pianta dall’alto di un altro componente del sistema di distribuzione del fluido refrigerante del dispositivo di scambio termico di figura 2.
Si precisa che, nelle diverse figure allegate, numeri di riferimento uguali indicano elementi uguali o tra loro equivalenti. Si precisa inoltre che, nella descrizione che segue, non verranno menzionati numerosi componenti del dispositivo di scambio termico, in quanto si tratta di componenti ben noti a un tecnico del settore.
Con riferimento in particolare alla figura 2 viene mostrato, in maniera del tutto schematica, un dispositivo di scambio termico realizzato secondo il presente trovato, indicato complessivamente con il numero di riferimento 10. Il dispositivo di scambio termico 10, o più semplicemente scambiatore di calore, è del tipo a fascio tubiero e mantello e presenta, in linea generale, le medesime caratteristiche di base dello scambiatore di calore 100 di tipo noto mostrato in figura 1. Lo scambiatore di calore 10 comprende infatti una pluralità di tubi 12 disposti parallelamente tra loro per formare uno o più fasci tubieri. I tubi 12 sono inseriti assialmente in un corpo cilindrico 14 che forma il mantello dello scambiatore di calore 10.
Un primo fluido, alimentato attraverso una o più prime bocche d’ingresso 16, poste in corrispondenza di una prima estremità del corpo cilindrico 14 e orientate assialmente, è in grado di scorrere all’interno dei tubi 12 del fascio tubiero e viene scaricato attraverso una prima bocca d’uscita 18, posta in corrispondenza dell’estremità opposta del corpo cilindrico 14 e anch’essa orientata assialmente. Un secondo fluido, alimentato attraverso una seconda bocca d’ingresso 20, posta tipicamente sulla superficie circonferenziale del corpo cilindrico 14, fluisce invece all’interno del corpo cilindrico 14 stesso e scorre sulle pareti esterne dei tubi 12. Il secondo fluido viene scaricato attraverso una seconda bocca d’uscita 22, posta anch’essa sulla superficie circonferenziale del corpo cilindrico 14. Lo scambio termico tra il primo fluido e il secondo fluido avviene quindi attraverso le pareti dei tubi 12. Il primo fluido, vale a dire il fluido che scorre all’interno dei tubi 12, è normalmente un fluido refrigerante costituito da una miscela bifasica liquido/vapore.
All’interno del corpo cilindrico 14 possono essere ricavate una o più pareti di separazione 24, preferibilmente disposte perpendicolarmente rispetto all’asse centrale del corpo cilindrico 14 stesso. La funzione di tali pareti di separazione 24 è sia quella di indirizzare il flusso del secondo fluido, aumentandone la velocità, sia quella di supportare i tubi 12 del fascio tubiero.
Le estremità contrapposte dei tubi 12 del fascio tubiero sono collegate rispettivamente a una prima piastra tubiera 26, posta in corrispondenza della prima bocca d’ingresso 16, e a una seconda piastra tubiera 28, posta in corrispondenza della prima bocca d’uscita 18. Le piastre tubiere 26 e 28 permettono di separare il secondo fluido, vale a dire il fluido che fluisce all’interno del corpo cilindrico 14, dal primo fluido, vale a dire il fluido bifasico che scorre all’interno dei tubi 12 del fascio tubiero.
Secondo il trovato, tra ciascuna prima bocca d’ingresso 16 del primo fluido, o fluido bifasico, e la prima piastra tubiera 26 sono posizionati in sequenza almeno due setti deviatori 30 e 32, provvisti ciascuno di una pluralità di fori passanti 34, 34A, 34B e 34C. I setti deviatori 30 e 32 sono disposti parallelamente tra loro e ortogonalmente rispetto all’asse centrale del corpo cilindrico 14, e la loro funzione è quella di distribuire il più uniformemente possibile il fluido bifasico, entrante attraverso la bocca o le bocche d’ingresso 16, all’interno dei tubi 12 del fascio tubiero.
Il numero di fori passanti 34, 34A, 34B e 34C presenti su almeno uno dei setti deviatori 30 e 32 è preferibilmente uguale al numero di tubi 12 che formano ogni singolo fascio tubiero. In aggiunta, ciascun setto deviatore 30 e 32 è disposto in corrispondenza dell’asse centrale di ciascun fascio tubiero. Nelle figure 3 e 4 viene infatti mostrata la testata di uno scambiatore di calore 10 in cui sono ricavate due distinte bocche d’ingresso 16 per il fluido bifasico e in cui la prima piastra tubiera 26 è configurata per supportare due distinti fasci tubieri provvisti di tubi 12 tra loro paralleli. Di conseguenza, sono previste due distinte coppie di setti deviatori 30 e 32 posizionate ciascuna in corrispondenza di una singola bocca d’ingresso 16 e di un singolo fascio tubiero.
Di preferenza, un primo degli almeno due setti deviatori 30 e 32, vale a dire il setto deviatore 30 posto più a monte a partire dalla prima bocca d’ingresso 16 e quindi più vicino alla prima bocca d’ingresso 16 stessa, è provvisto di fori passanti 34 aventi tutti il medesimo diametro, ad esempio pari a circa 2 mm. Tale primo setto deviatore 30 può quindi essere definito come “setto deviatore simmetrico” (figura 5).
Un secondo degli almeno due setti deviatori 30 e 32, vale a dire il setto deviatore 32 posto più a valle a partire dalla prima bocca d’ingresso 16 e quindi più vicino alla prima piastra tubiera 26, è invece provvisto di due o più gruppi distinti di fori passanti 34A, 34B e 34C aventi diametro tra loro differente. Tale secondo setto deviatore 32 può quindi essere definito come “setto deviatore asimmetrico” (figura 6). Ad esempio, il secondo setto deviatore 32 può comprendere un primo gruppo di fori passanti 34A di diametro ridotto, posti nella porzione centrale del secondo setto deviatore 32 stesso in corrispondenza dell’area investita dal flusso del primo fluido alimentato attraverso la prima bocca d’ingresso 16. Il secondo setto deviatore 32 può quindi comprendere uno o più ulteriori gruppi di fori passanti 34B e 34C aventi un diametro che è maggiore del diametro dei fori passanti 34A del primo gruppo e che è via via crescente dal centro verso il bordo periferico del secondo setto deviatore 32 stesso. In figura 6 è infatti mostrato, a puro titolo di esempio, un primo gruppo di fori passanti centrali 34A aventi diametro di circa 2 mm, un secondo gruppo di fori passanti intermedi 34B aventi diametro di circa 3 mm e un terzo gruppo di fori passanti periferici 34C aventi diametro di circa 4 mm.
Tipicamente il numero di fori passanti 34A, 34B e 34C del secondo setto deviatore 32, vale a dire il “setto deviatore asimmetrico”, è pari al numero di tubi 12 che formano ogni singolo fascio tubiero. Sul primo setto deviatore 30, vale a dire il “setto deviatore simmetrico”, il numero di fori passanti 34 non è invece necessariamente uguale a quello dei tubi 12: in pratica, il numero di fori passanti 34 del primo setto deviatore 30 può essere sia maggiore, sia minore, sia uguale rispetto al numero dei tubi 12.
La distanza, misurata nella direzione assiale del corpo cilindrico 14, tra i setti deviatori 30 e 32 può essere regolata in base alle caratteristiche di scambio termico che si vogliono ottenere dallo scambiatore di calore 10. In base a prove sperimentali condotte dalla richiedente, tale distanza può essere dell’ordine di alcuni millimetri e, su un prototipo funzionante di scambiatore di calore provvisto di setti deviatori 30 e 32 aventi fori passanti del diametro sopra riportato, può essere fissata all’incirca in 10 mm.
Può essere infine prevista la presenza, oltre agli almeno due setti deviatori 30 e 32 sinora descritti, di un ulteriore piattello deviatore forato 36, posto a monte dei due setti deviatori 30 e 32 in corrispondenza della prima bocca d’ingresso 16. Come mostrato in figura 3, tale piattello deviatore forato 36 è preferibilmente provvisto di una pluralità di fori passanti 38 aventi diametro opportuno in relazione alle condizioni operative dello scambiatore di calore 10. In aggiunta, tale piattello deviatore forato 36 è preferibilmente provvisto di una superficie complessiva inferiore rispetto alla superficie complessiva dei due setti deviatori 30 e 32, così da consentire il passaggio del fluido bifasico non solo attraverso i fori passanti 38 di cui è provvisto, ma anche attorno al proprio bordo perimetrale.
Si è così visto che il dispositivo di scambio termico con sistema perfezionato di distribuzione del fluido refrigerante secondo il presente trovato realizza gli scopi in precedenza evidenziati. La presenza di numerosi piattelli forati, aventi fori di diametro variabile e con possibilità di regolazione nella distanza reciproca, rende il sistema di distribuzione adattabile a ogni esigenza operativa e consente soprattutto di ottenere una distribuzione del fluido refrigerante nei tubi del fascio tubiero che è la più uniforme possibile.
Il dispositivo di scambio termico con sistema perfezionato di distribuzione del fluido refrigerante del presente trovato così concepito è suscettibile in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto innovativo; 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.
L’ambito di tutela del trovato è pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di scambio termico (10) comprendente una pluralità di tubi (12) disposti parallelamente tra loro per formare uno o più fasci tubieri inseriti assialmente in un corpo cilindrico (14), un primo fluido, alimentato attraverso una o più prime bocche d’ingresso (16) poste in corrispondenza di una prima estremità del corpo cilindrico (14) e orientate assialmente, scorrendo all’interno dei tubi (12) e un secondo fluido, alimentato attraverso una seconda bocca d’ingresso (20), fluendo all’interno di detto corpo cilindrico (14) per effettuare lo scambio termico con il primo fluido attraverso le pareti dei tubi (12), una prima estremità dei tubi (12) essendo collegata a una piastra tubiera (26), posta in corrispondenza di dette una o più prime bocche d’ingresso (16), che separa il secondo fluido dal primo fluido, caratterizzato dal fatto che tra ciascuna prima bocca d’ingresso (16) del primo fluido e la piastra tubiera (26) sono posizionati in sequenza almeno due setti deviatori (30; 32) provvisti ciascuno di una pluralità di fori passanti (34; 34A, 34B, 34C), detti setti deviatori (30; 32) essendo disposti parallelamente tra loro e ortogonalmente rispetto all’asse centrale del corpo cilindrico (14) per distribuire il più uniformemente possibile il primo fluido all’interno dei tubi (12).
  2. 2. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il numero di fori passanti (34; 34A, 34B, 34C) presenti su almeno uno di detti setti deviatori (30; 32) è uguale al numero di tubi (12) che formano ogni singolo fascio tubiero.
  3. 3. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che ciascun setto deviatore (30; 32) è disposto in corrispondenza dell’asse centrale di ciascun fascio tubiero.
  4. 4. Dispositivo di scambio termico (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che un primo di detti almeno due setti deviatori (30; 32), vale a dire il setto deviatore (30) posto più a monte a partire dalla prima bocca d’ingresso (16) e quindi più vicino a detta prima bocca d’ingresso (16), è provvisto di fori passanti (34) aventi tutti il medesimo diametro.
  5. 5. Dispositivo di scambio termico (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che un secondo di detti almeno due setti deviatori (30; 32), vale a dire il setto deviatore (32) posto più a valle a partire dalla prima bocca d’ingresso (16) e quindi più vicino alla piastra tubiera (26), è provvisto di due o più gruppi distinti di fori passanti (34A, 34B, 34C) aventi diametro tra loro differente.
  6. 6. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il secondo setto deviatore (32) comprende un primo gruppo di fori passanti (34A) di diametro ridotto, posti nella porzione centrale di detto secondo setto deviatore (32) in corrispondenza dell’area investita dal flusso del primo fluido alimentato attraverso la prima bocca d’ingresso (16), e uno o più ulteriori gruppi di fori passanti (34B, 34C) aventi un diametro che è maggiore del diametro dei fori passanti (34A) di detto primo gruppo.
  7. 7. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che il diametro dei fori passanti (34A, 34B, 34C) di detti gruppi è via via crescente dal centro verso il bordo periferico del secondo setto deviatore (32).
  8. 8. Dispositivo di scambio termico (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la distanza, misurata nella direzione assiale del corpo cilindrico (14), tra detti almeno due setti deviatori (30; 32) è regolabile in base alle caratteristiche di scambio termico che si vogliono ottenere dal dispositivo di scambio termico (10).
  9. 9. Dispositivo di scambio termico (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un ulteriore piattello deviatore forato (36), posto a monte di detti almeno due setti deviatori (30; 32) in corrispondenza della prima bocca d’ingresso (16).
  10. 10. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il piattello deviatore forato (36) è provvisto di una pluralità di fori passanti (38) aventi diametro opportuno in relazione alle condizioni operative del dispositivo di scambio termico (10).
  11. 11. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto che il piattello deviatore forato (36) è provvisto di una superficie complessiva inferiore rispetto alla superficie complessiva di detti almeno due setti deviatori (30; 32), così da consentire il passaggio del primo fluido non solo attraverso i fori passanti (38) di cui è provvisto, ma anche attorno al proprio bordo perimetrale.
  12. 12. Dispositivo di scambio termico (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il primo fluido è un fluido refrigerante costituito da una miscela bifasica liquido/vapore.
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