ITMI20140243U1 - Dispositivo di scambio termico con sistema di supporto perfezionato del fascio tubiero - Google Patents

Description

Descrizione del modello industriale di utilità

Il presente trovato si riferisce in generale a un dispositivo di scambio termico e, più in particolare, a un sistema per il fissaggio del fascio tubiero di un dispositivo di scambio termico alla rispettiva struttura di supporto.

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 pacco alettato, dove lo scambio termico avviene tra un fluido interno ai tubi e un fluido esterno (aria) forzato nel movimento da un sistema di ventilatori (ventilazione forzata) o dallo stesso gradiente di temperatura (unità statica). Gli scambiatori di calore a pacco alettato 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 pacco alettato consiste in un gruppo di tubi espansi e resi meccanicamente solidali con un pacco di alette di spessore ridottissimo ma con superfice elevatissima. Uno dei fluidi, tipicamente il fluido di processo, scorre all’interno dei tubi del fascio tubiero, mentre l’altro fluido, tipicamente aria, fluisce invece tra le alette mediante ventilazione forzata o naturale e scorre sulle pareti esterne dei tubi. Il calore viene quindi trasferito da un fluido all’altro attraverso le pareti dei tubi e delle alette.

I fluidi di processo 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 una elevata superficie di scambio termico. Di conseguenza, è conveniente realizzare scambiatori di calore provvisti di un elevato numero di tubi nel fascio tubiero stesso e di un elevato numero di alette.

Durante la loro intera vita operativa i dispositivi di scambio termico sono generalmente soggetti a notevoli sollecitazioni meccaniche e termiche. Nel dettaglio, i dispositivi di scambio termico possono subire sia vibrazioni meccaniche nelle fasi di trasporto che precedono la loro installazione, sia vibrazioni meccaniche e/o dilatazioni termiche che si verificano durante le normali condizioni di funzionamento.

Nei dispositivi di scambio termico di tipo noto i tubi che compongono il fascio tubiero sono usualmente fissati in maniera diretta su una delle pareti che costituiscono la struttura di supporto del dispositivo di scambio termico stesso. Di conseguenza, le sollecitazioni a cui sono soggetti i dispositivi di scambio termico si ripercuotono in particolare sui singoli tubi del fascio tubiero, a causa delle onde di pressione che si possono generare durante la circolazione dei fluidi, e possono comportare rischi di dispersione di tali fluidi, in particolare del fluido refrigerante. Ne derivano inconvenienti sia per gli utilizzatori del dispositivo di scambio termico, in termini di costi di riparazione e di sostituzione del fluido refrigerante, sia per l’ambiente, in termini di dispersione del fluido refrigerante stesso.

Scopo generale del presente trovato è pertanto quello di realizzare un dispositivo di scambio termico, in particolare un sistema per il fissaggio di un dispositivo di scambio termico alla rispettiva struttura di supporto, che mediante una struttura elastica e flottante sia in grado di scaricare tutte le tensioni meccaniche dovute a vibrazioni e dilatazioni termiche, altrimenti sopportate tutte dai tubi, su parti non in contatto diretto con il fluido interno, e quindi 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 che consenta di ridurre l’impatto delle sollecitazioni e delle vibrazioni che si ripercuotono sul dispositivo stesso, in particolare sui tubi del rispettivo fascio tubiero.

Un altro scopo del trovato è quello di realizzare un dispositivo di scambio termico che sia in grado di allungare la vita operativa del rispettivo fascio tubiero.

Questi scopi secondo il presente trovato vengono raggiunti realizzando un dispositivo di scambio termico, in particolare un sistema per il fissaggio di un dispositivo di scambio termico alla rispettiva struttura di supporto, 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 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 in dettaglio di un dispositivo di scambio termico secondo la tecnica nota, in cui si illustra la modalità di fissaggio del fascio tubiero alla rispettiva struttura di supporto;

la figura 2 è una vista in dettaglio di un dispositivo di scambio termico secondo il presente trovato, in cui si illustra la modalità di fissaggio del fascio tubiero alla rispettiva struttura di supporto;

la figura 3 è una vista che illustra un esempio di realizzazione preferito di un elemento di supporto e di fissaggio del fascio tubiero alla rispettiva struttura di supporto; e

la figura 4 è una vista che illustra una possibile modalità di montaggio sulla struttura di supporto dell’elemento di fissaggio di figura 3.

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 1, viene mostrato un particolare di un dispositivo di scambio termico secondo la tecnica nota. Il dispositivo di scambio termico 10, o più semplicemente scambiatore di calore, è del tipo a pacco alettato e comprende quindi una pluralità di tubi 12 disposti parallelamente tra loro per formare uno o più fasci tubieri. I tubi 12 sono inseriti assialmente in un pacco di alette, piane o corrugate, e in un involucro scatolare 14 che forma la struttura portante (carpenteria esterna o “casing”) dello scambiatore di calore 10. Più precisamente, i tubi 12 sono espansi meccanicamente, tipicamente mediante mandrinatura, nel pacco di alette e su parte dell’involucro scatolare 14, al fine di consentire un fine contatto meccanico e termico tra la parete dei tubi 12 e le alette.

Un primo fluido, tipicamente un fluido refrigerante, è in grado di scorrere all’interno dei tubi 12 del fascio tubiero, mentre un secondo fluido, tipicamente aria, fluisce invece all’interno dell’involucro 14, tra le alette. Un compressore o una pompa (non mostrati) comprimono il fluido di processo all’interno dei tubi 12 costituenti il fascio. Lo scambio termico tra il primo fluido e il secondo fluido avviene quindi attraverso le pareti dei tubi 12 e delle alette.

Nello scambiatore di calore 10 secondo la tecnica nota i tubi 12 del fascio tubiero sono direttamente fissati su una parete 16, tipicamente metallica e con funzione strutturale, dell’involucro 14. In particolare, la parete 16 è resa solidale all’involucro 14 tramite mezzi di fissaggio di tipo noto, quali ad esempio viti e/o rivetti e/o incastri meccanici di diverso tipo.

La parete 16 è provvista di una pluralità di fori 18 il cui numero è generalmente pari al numero dei tubi 12 che compongono il fascio tubiero. In aggiunta, il diametro interno dei fori 18 è sostanzialmente pari al diametro esterno dei tubi 12 che compongono il fascio tubiero. In tal modo, le vibrazioni meccaniche e/o le dilatazioni termiche che si verificano sui tubi 12 durante le normali condizioni di funzionamento dello scambiatore di calore 10 si ripercuotono direttamente sulla parete 16 e, di conseguenza, sull’involucro 14.

Con riferimento ora alle figure da 2 a 4, viene mostrato un particolare di un dispositivo di scambio termico 10 secondo il presente trovato. Almeno un elemento di supporto e di fissaggio 20 del fascio tubiero è operativamente collegato a una superficie interna dell’involucro 14, più precisamente la superficie interna della parete 16. Tale elemento di supporto e di fissaggio 20 è configurato per trattenere i singoli tubi 12 di tale fascio tubiero e per impedire il contatto tra i tubi 12 stessi e l’involucro 14 durante le normali condizioni di funzionamento del dispositivo di scambio termico 10. In sostanza, l’elemento di supporto e di fissaggio 20 è configurato per assorbire uniformemente le sollecitazioni che si ripercuotono sul fascio tubiero o, in altre parole, per evitare qualsiasi spostamento relativo dei singoli tubi 12 di tale fascio tubiero, che potrebbero danneggiare i tubi 12 stessi.

Nel dettaglio, come mostrato in figura 3, l’elemento di supporto e di fissaggio 20 del fascio tubiero è realizzato sotto forma di una piastra provvista di una pluralità di fori 22, ciascuno dei quali è provvisto di un diametro interno tale da trattenere al proprio interno un singolo tubo 12 del fascio tubiero e consentire al contempo eventuali dilatazioni termiche di tale tubo 12. La piastra è preferibilmente fabbricata con un materiale metallico duttile, come ad esempio alluminio, ma potrebbe essere fabbricata anche con altri materiali idonei, metallici o non metallici, purché sufficientemente duttili e/o elastici per consentire di assorbire le vibrazioni e le dilatazioni termiche del fascio tubiero.

La piastra 20 è vincolata sulla superficie interna della parete 16, a una distanza predefinita da tale parete 16, per mezzo di una pluralità di mezzi distanziali e di fissaggio 24. Questa distanza predefinita tra la piastra 20 e l’involucro 14 consente la vibrazione del fascio tubiero senza che tale vibrazione solleciti eccessivamente sia i singoli tubi 12, sia l’involucro 14 stesso. Di preferenza, i mezzi distanziali e di fissaggio 24 possono essere costituiti da viti o rivetti e possono essere altresì provvisti di rispettivi elementi elastici (non mostrati) per lo smorzamento delle vibrazioni.

Come mostrato nelle figure 3 e 4, la piastra 20 è preferibilmente fabbricata sotto forma di due lamine metalliche accoppiate e parallele tra loro, provviste di una intercapedine interna. Questo accorgimento tecnico può consentire alla piastra 20 di assorbire ancor più efficacemente le vibrazioni e le dilatazioni termiche del fascio tubiero.

Operativamente, in caso di dilatazioni termiche, un tipico scambiatore di calore passa dalla temperatura ambiente a una temperatura di circa 50-70°C durante le sue normali condizioni di funzionamento. Questa variazione di temperatura comporta una dilatazione termica di circa 1 mm/m per ciascun tubo del fascio tubiero. Negli scambiatori di calore di tipo tradizionale, dove i tubi sono inseriti in una struttura di supporto rigida e tutte le sollecitazioni sono concentrate nella zona di contatto tra ciascun tubo e la struttura di supporto dello scambiatore di calore, questa dilatazione termica può provocare la deformazione o l’incisione dei tubi da parte della struttura di supporto stessa. Viceversa, nel dispositivo di scambio termico 10 secondo il presente trovato la distanza predefinita tra l’elemento di supporto e di fissaggio 20 e l’involucro 14 genera una sorta di “tampone” che assorbe le sollecitazioni dovute alla dilatazione termica dei tubi 12.

Similmente, negli scambiatori di calore di tipo tradizionale le vibrazioni che si generano durante le operazioni di trasporto, oppure a causa di onde di pressione (tipicamente definite come “colpi d’ariete”), si ripercuotono in maniera dannosa sul fascio tubiero, in quanto esso è rigidamente vincolato alla struttura di supporto dello scambiatore di calore. Viceversa, nel dispositivo di scambio termico 10 secondo il presente trovato il fascio tubiero è meccanicamente disconnesso dall’involucro 14 grazie all’interposizione dell’elemento di supporto e di fissaggio 20.

Si è così visto che il dispositivo di scambio termico secondo il presente trovato realizza gli scopi in precedenza evidenziati, ottenendo in particolare i seguenti vantaggi:

- riduzione dei danni e/o delle rotture che si possono verificare sul dispositivo di scambio termico durante il trasporto;

- riduzione delle sollecitazioni sul dispositivo di scambio termico dovute alle dilatazioni termiche del rispettivo fascio tubiero;

- riduzione delle sollecitazioni sul dispositivo di scambio termico dovute alle vibrazioni generate dal compressore che comprime il fluido refrigerante;

- riduzione delle sollecitazioni sul dispositivo di scambio termico causate dalle onde di pressione (“colpo d’ariete”).

Il dispositivo di scambio termico 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 (8)

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 pacco di alette e in un involucro scatolare (14) che forma la struttura portante del dispositivo di scambio termico (10), un primo fluido scorrendo all’interno dei tubi (12) e un secondo fluido fluendo tra le alette per effettuare lo scambio termico con il primo fluido attraverso le pareti dei tubi (12) e delle alette, caratterizzato dal fatto che almeno un elemento di supporto e di fissaggio (20) del fascio tubiero è operativamente collegato a una superficie interna di detto involucro scatolare (14), detto elemento di supporto e di fissaggio (20) essendo configurato per trattenere i singoli tubi (12) di detto fascio tubiero e per impedire il contatto tra detti tubi (12) e detto involucro scatolare (14) durante le normali condizioni di funzionamento del dispositivo di scambio termico (10), cosicché detto elemento di supporto e di fissaggio (20) sia in grado di assorbire uniformemente le sollecitazioni che si ripercuotono sul fascio tubiero e di evitare qualsiasi spostamento relativo dei singoli tubi (12) di detto fascio tubiero.
2. 2. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto elemento di supporto e di fissaggio (20) è operativamente collegato alla superficie interna di una parete (16) con funzione strutturale dell’involucro scatolare (14).
3. 3. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto elemento di supporto e di fissaggio (20) è realizzato sotto forma di una piastra provvista di una pluralità di fori (22), ciascuno dei quali è provvisto di un diametro interno tale da trattenere al proprio interno un singolo tubo (12) del fascio tubiero e consentire al contempo eventuali dilatazioni termiche di detto tubo (12).
4. 4. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta piastra (20) è fabbricata con un materiale metallico duttile.
5. 5. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che detta piastra (20) è vincolata a una distanza predefinita da detta parete (16) per mezzo di una pluralità di mezzi distanziali e di fissaggio (24), detta distanza predefinita consentendo la vibrazione del fascio tubiero senza che detta vibrazione solleciti eccessivamente sia i singoli tubi (12), sia l’involucro scatolare (14).
6. 6. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i mezzi distanziali e di fissaggio (24) sono costituiti da viti o rivetti.
7. 7. Dispositivo di scambio termico (10) secondo la rivendicazione 5 o 6, caratterizzato dal fatto che i mezzi distanziali e di fissaggio (24) sono provvisti di rispettivi elementi elastici per lo smorzamento delle vibrazioni.
8. 8. Dispositivo di scambio termico (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 7, caratterizzato dal fatto che detta piastra (20) è fabbricata sotto forma di due lamine metalliche accoppiate e parallele tra loro, provviste di una intercapedine interna, cosicché detta piastra (20) sia in grado di assorbire ancor più efficacemente le vibrazioni e le dilatazioni termiche del fascio tubiero.