ITMI971942A1 - Scambiatore di calore dotato di deflettori per scambio termico ottimizzato - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda uno scambiatore di calore dotato di deflettori per scambio termico ottimizzato. Più particolarmente, il trovato riguarda uno scambiatore di calore per impiego in impianti a ciclo combinato con generazione primaria tramite turbine a gas e generazione secondarla mediante turbine a vapore alimentate da caldaie a recupero.

Come è noto, gli scambiatori di calore, ad esemplo usati in una caldaia a recupero, sono costituiti da una pluralità di tubi alettatl disposti in linea o quinconce ed entro i quali scorre un fluido da riscaldare o da raffreddare, ad esempio acqua o vapore. I gruppi di tubi elettati vengono generalmente attraversati longitudinalmente (o verticalmente nel caso di caldaie a recupero di tipo verticale) da un fluido caldo dal quale ricevono calore per convezione, oppure, nel caso in cui si desideri raffreddare il fluido contenuto entro tali tubi alettatl, il fluido che lambisce i tubi è ad una temperatura inferiore a quella a cui s1 trova il fluido presente entro i tubi.

In entrambi i casi, 1 requisiti di uno scambiatore di calore sono ravvisabili nel desiderio di ridurre la dimensione ed il costo dello scambiatore a parità di calore scambiato e di perdita di pressione.

In particolare, nel caso di caldaie a recupero utilizzate in impianti a ciclo combinato, in cui il fluido all'interno dei tubi è acqua/vapore e 11 fluido esterno sono gas di combustione, per aumentare l'efficienza dello scambiatore è necessario aumentare il coefficiente di scambio termico sul lato gas.

Al fine di raggiungere questo scopo sono stati progettati scambiatori di calore a tubi dotati di alette, inizialmente piene e poi segmentate

Tuttavia, l'introduzione delle alette pur determinando un considerevole incremento dell'efficienza termica non si è rivelato ancora totalmente soddisfacente in quanto il campo di moto che viene a generarsi tra la pluralità di tubi elettati determina un adeguato scambio termico unicamente nella zona laterale di tubi adiacenti e nella porzione anteriore dei tubi della prima fila, non consentendo però un'analoga efficienza nella porzione posteriore dei tubi rispetto alla direzione di avanzamento del fluido.

Questa situazione si aggrava poi già a partire dalla seconda fila di tubi alettati dato che il flusso d1 fluido rimane parzialmente ostacolato dai tubi della prima fila. A questo scopo sono stati progettati scambiatori di calore con tubi elettati disposti sfalsati fra loro (anziché in linea) per evitare che il flusso di fluido sia ostacolato nel raggiungimento dei tubi alettati disposti posteriormente alla prima fila.

Un'altra soluzione per il miglioramento dello scambio termico prevede l'impiego di deflettori disposti tra tubi alettati adiacenti in modo da convogliare il fluido di raffreddamento o riscaldamento a lambire anche la parte posteriore di ciascun tubo alettato.

Un esempio dell'impiego di deflettori è illustrato nel brevetto statunitense No.5.163.508.

Anche in questo caso, pur risultando la soluzione attualmente migliore per l'incremento del coefficiente termico, l'impiego dei deflettori disposti tra tubi elettati adiacenti non risolve il problema di migliorare lo scambio termico nella regione posteriore di ciascun tubo alettato se non a fronte d1 un sostanziale e indesiderato aumento della caduta di pressione.

Compito precipuo del presente trovato è quindi quello di realizzare uno scambiatore di calore a tubi alettati che sia dotato di deflettori di particolare configurazione atti ad aumentare il coefficiente di scambio termico nella regione del tubi alettati normalmente interessata scarsamente dal flusso di fluido che lambisce le alette dei tubi stessi.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare uno scambiatore di calore a tubi alettati che sia dotato di deflettori la cui configurazione consenta di trasformare il flusso di fluido esterno da sostanzialmente laminare a turbolento.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare uno scambiatore di calore a tubi alettati dotato di deflettori la cui configurazione consenta eventualmente una diminuzione della superficie di scambio termico a parità d1 calore scambiato e di perdite di pressione.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare uno scambiatore di calore che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione ed a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi e altri scopi che meglio appariranno in seguito sono raggiunti da uno scambiatore di calore a tubi alettati, particolarmente per impianti a ciclo combinato e simili, comprendente una pluralità di tubi alettati disposti in file e deflettori di flusso disposti tra file successive di detti tubi elettati e adiacenti a detti tubi, caratterizzato dal fatto che almeno alcuni di detti deflettori comprendono una pluralità di elementi di generazione d1 vortice disposti sulla superficie di detti deflettori e atti a generare vortici con asse sostanzialmente parallelo alla direzione del flusso di un fluido convogliato esternamente a lambire detti tubi alettati.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, dello scambiatore di calore secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni, in cui:

la Fig. 1 è una vista prospettica di uno dei tubi alettati con in vista parziale deflettori disposti adiacenti al tubo, in uno scambiatore di calore secondo il trovato;

la Fig. 2 è una vista in pianta dello scambiatore di calore secondo 11 trovato, con i tubi alettatl disposti in fila;

la Fig.3 è una vista in pianta dello scambiatore di calore secondo il trovato con i tubi alettatl disposti quinconce;

la Fig. 4 è una vista in pianta dello scambiatore di calore secondo il trovato con i deflettori di forma differente da quelli delle Fig. 1-3;

la Fig. 5 è una vista prospettica parziale, illustrante uno dei deflettori dello scambiatore di calore secondo il trovato;

la Fig. 6 è una vista in alzato laterale di una differente forma di realizzazione di uno del deflettori impiegati nello scambiatore di calore secondo il trovato;

la Fig. 7 è una vista prospettica parziale di uno dei tubi alettati dello scambiatore di calore secondo il trovato con un deflettore Illustrato nella sua porzione anteriore e avente una configurazione in accordo con una differente forma di realizzazione; e

la Fig.8 è una vista prospettica analoga alla F1g. 7,ma illustrante la regione posteriore del deflettore secondo la forma di realizzazione illustrata nella Fig. 7, nello scambiatore di calore secondo il trovato.

Con riferimento alle figure citate, lo scambiatore d1 calore secondo il trovato comprende una pluralità di tubi alettati 1 disposti adiacenti e paralleli tra loro con le alette indicate dal numero di riferimento 2. I tubi alettati 1 possono essere disposti sia in fila come illustrato nelle figure 2 e 4 oppure quinconce come Illustrato nella F1g.3.

Una pluralità d1 deflettori 3 sono disposti adiacenti ai tubi alettati 1 per convogliare il flusso d1 fluido destinato a lambire le alette 2 dei tubi e diretto sostanzialmente longitudinalmente rispetto ai tubi 1, in modo da aumentare l'efficienza di scambio termico delle alette stesse.

I deflettori 3 sono disposti tra la prima fila di tubi alettati e la seconda e tra quest'ultima e le successive.

E' possibile anche disporre dei deflettori 3 anteriormente alla prima fila e posteriormente all'ultima fila di tubi alettati.

I deflettori 3 sono a loro volta dotati di una pluralità di elementi di generazione di vortice, indicati dal numero di riferimento 4, disposti sulla superficie esterna dei deflettori 3.

Gli elementi di generazione di vortice 4 sono sostanzialmente ulte riori alette opportunamente dimensionate disposte sporgenti rispetto alla superficie del deflettore e angolate rispetto all'asse verticale dei deflettori 3.

Gli elementi di generazione di vortice consentono d1 portare 11 flusso di fluido da sostanzialmente laminare a turbolento in modo da aumentare il coefficiente di scambio termico tra le alette 3 e il fluido esterno.

La conformazione dei deflettori 3 può variare come illustrato in modo puramente esemplificativo nelle sopra citate figure.

Cosi, ad esempio, i deflettori 3 possono assumere una configurazione a goccia come mostrato nella Fig. 2, oppure una configurazione ad angolo come illustrato nella Fig. 4, oppure ancora una configurazione a profilo sagomato con tratti piani raccordati ad angolo, come illustrato nelle figure 7 e 8.

Anche gli elementi di generazione di vortice 4 possono assumere dimensioni e forma differenti, ma come regola generale la dimensione, la forma in pianta, il passo e l'angolazione rispetto all'asse verticale del deflettori 3 (angolo di incidenza) devono essere scelti a seconda delle esigenze ed in base alla velocità del fluido a disposizione per realizzare lo scambio termico.

Questa scelta deve inoltre essere effettuata in modo tale che 1 vortici creati dalle alette, sostanzialmente longitudinali, non devono interagire fra di loro per non diminuire l'efficienza di scambio termico potenzialmente ottenibile.

Il flusso vorticoso creato dagli elementi 4 di generazione di vortice si Insinua quindi fra le alette 2 dei tubi alettati 1 incrementando, a parità di perdita di pressione, l'efficienza d1 scambio termico ottenibile con deflettori d1 tipo noto.

Gli elementi di generazione di vortice possono essere disposti come illustrato nella Fig. 5, fra loro paralleli, in modo da creare vortici tutti rotanti secondo un medesimo senso di rotazione e con asse parallelo alla direzione di flusso del fluido.

Alternativamente gli elementi 4 di generazione di vortice possono essere disposti sulla superficie del deflettore secondo un orientamento convergente a coppie, come illustrato nella Fig. 6, in modo da creare vortici aventi sensi di rotazione l'uno opposto all'altro a coppie.

Un ulteriore esempio di un profilo possibile dei deflettori 3 dello scambiatore di calore secondo il trovato è illustrato nelle figure 7 e 8 in cui gli elementi 4 di generazione di vortice sono ricavati nel bordo posteriore del deflettori 11 quale è sagomato secondo un profilo ad onda quadra.

Gli elementi 4 d1 generazione di vortice possono essere o saldati alla superficie dei deflettori 3 o ricavati mediante tranciatura dei deflettori stessi. In questo secondo caso un elemento di rivestimento interno (non mostrato) può essere inserito entro ciascun deflettore 3 per chiudere le aperture definite dalla tranciatura e dall'allargamento verso l'esterno della superficie del deflettore di detti elementi di generazione di vortice 4.

S1 è in pratica constatato come lo scambiatore d1 calore secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato in quanto consente di accrescere il coefficiente di scambio termico tra il fluido che lambisce esternamente le alette dei tubi alettati e le alette stesse.

Lo scambiatore di calore così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore a tubi elettati,particolarmente per impianti a ciclo combinato e slmili, comprendente una pluralità di tubi alettati disposti in file e deflettori di flusso disposti tra file successive di detti tubi alettati e adiacenti a detti tubi, caratterizzato dal fatto che almeno alcuni di detti deflettori comprendono una pluralità di elementi di generazione d1 vortice disposti sulla superficie di detti deflettori e atti a generare vortici con asse sostanzialmente parallelo alla direzione del flusso di un fluido convogliato esternamente a lambire detti tubi alettati.
2. 2. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti elementi di generazione di vortice comprendono alette di generazione di vortice sporgenti dalla superficie di detti deflettori di flusso.
3. 3. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dette alette di generazione di vortice hanno un bordo di attacco inclinato.
4. 4. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette alette di generazione di vortice sono disposte sulla superficie di detti deflettori con asse sostanzialmente parallelo fra loro ed inclinato rispetto all'asse verticale di detti deflettori.
5. 5. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette alette di generazione di vortice sono disposte sulla superficie di ciascuno di detti deflettori con asse sostanzialmente convergente a coppie, In modo da generare vortici aventi senso d1 rotazione opposto a coppie.
6. 6. Scambiatore d1 calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette alette di generazione di vortice di detti deflettori sono saldate alla superficie esterna di detti deflettori.
7. 7. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette alette di generazione di vortice sono ricavate mediante tranciatura della superficie di detti deflettori.
8. 8. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che un elemento di rivestimento interno è inserito i detti deflettori in cui dette alette sono ricavate mediante tranciatura.
9. 9. Scambiatore di calore a tubi elettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuno d1 detti deflettori è sagomato a goccia.
10. 10. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti deflettori è sagomato a V.
11. 11. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti deflettori d1 flusso è sagomato con tratti piani raccordati fra loro secondo angoli, le alette di generazione d1 vortice di detto deflettore essendo definite sagomando ad onda quadra il bordo posteriore di detto deflettore.
12. 12. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti tubi alettati sono disposti in file allineate.
13. 13. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti tubi alettati sono disposti quinconce.
14. 14. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una o più delle caratteristiche descritte e/o illustrate.