ITMI972380A1 - Scambiatore di calore - Google Patents

Description

Descrizione di un brevetto d'invenzione a nome:

DESCRIZIONE

Forma oggetto della presente invenzione uno scambiatore di calore secondo la parte precaratterizzante· della rivendicazione principale.

Scambiatori del tipo suddetto sono noti e sono generalmente utilizzati come evaporatori, in impianti di refrigerazione, in tal caso nel fascio di tubi circola un fluido raffreddante mentre nel corpo tubiforme circolo un fluido da raffreddare che viene in contatto con la superficie esterna dei tubi. Il fluido raffreddante circolando nei tubi evapora assorbendo calore dal fluido da raffreddare .

Generalmente, negli scambiatori noti all'interno del corpo alloggiente i tubi sono previste alette o deflettori atte a far circolare il fluido da raffreddare secondo un predeterminato percorso, generalmente di tipo sinusoidale. Si è infatti, fino ad oggi ritenuto che, in tale tipo di scambiatori un flusso laminare del fluido da raffreddare lungo la superficie esterna dei tubi fosse assolutamente da evitare, poiché in tal modo si viene a creare uno strato isolante a contatto con i tubi, che faceva decrescere lo scambio termico tra i fluidi.

Le alette o i deflettori presentano però l'inconveniente di rendere variabile la velocità del fluido da raffreddare all'interno dello scambiatore diminuendo in tal modo l'efficienza dello scambiatore. Le alette o i deflettori rendono, inoltre, più complicato l'assemblaggio dello scambiatore e costringono a mantenere i tubi relativamente spaziati uno rispetto l'altro, rendendo così, lo scambiatore più ingombrante.

I tubi inoltre, negli scambiatori noti, sono mantenuti separati ed equidistanziati tra loro da mensole che presentano sostanzialmente gli stessi inconvenienti delle alette o deflettori; tali mensole infatti, almeno in parte ostacolano il flusso del liquido da refrigerare, diminuendo così l'efficienza dello scambiatore, ne rendono più complicato l'assemblaggio ed almeno in parte ne aumentano l'ingombro.

Scopo del presente trovato è quello di realizzare uno scambiatore in cui i fluidi scambiano il calore in modo laminare controcorrente e che presenti uno scambio termico paragonabile a quello degli scambiatori noti.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare uno scambiatore che semplifichi le operazioni di assemblaggio e riduca l'ingombro rispetto gli scambiatori noti.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare uno scambiatore che permetta l'utilizzo di tubi di forma usuale e che siano in grado di resistere anche a pressioni relativamente elevate (ad esempio al di sopra dei 50 bar).

Un ulteriore scopo è quello di realizzare uno scambiatore in cui i tubi sono conformati in modo da evitare ristagni del fluido refrigerante e tali da favorire il rimescolamento all'interno del tubo del flusso del fluido refrigerante, così da migliorare lo scambio termico.

Questi ed altri scopi che appariranno evidenti ad un esperto del ramo vengono raggiunti da uno scambiatore conforme alla parte caratterizzante delle rivendicazioni.

Per una migliore comprensione del presente trovato si allegano a titolo esemplificativo, ma non limitativo, disegni in cui:

la fig. 1 mostra una vista schematica frontale di uno scambiatore secondo il trovato parzialmente sezionato.

la fig. 2 ne mostra una vista come in fig. 1, lo scambiatore è però privo di una parte del corpo tubolare contenente i tubi, in modo che questi ultimi risultino completamente visibili.

la fig. 3 ne mostra una vista schematica dall'alto dello scambiatore.

la fig. 4 ne mostra una vista schematica laterale.

le fig. 5,6,7 ne mostrano viste schematiche in sezione prese, rispettivamente secondo le linee 5/5 6/6 e 7/7 (le fig. 6 e 7 sono in scala ingrandita).

Con riferimento alle citate figure uno scambiatore secondo il trovato comprende un corpo 1, sostanzialmente tubolare, nell'esempio a forma di S, al cui interno sono alloggiati una pluralità di tubi 2 (nell'esempio ne sono stati rappresentati quarantanove). Il corpo 1 presenta tre tratti rettilinei 1A,1B,1C formati da un usuale tubo rettilineo a sezione quadrata, e due tratti curvilinei 1D,1E formati da due gusci 3A,3B (fig.

3) vincolati tra loro per saldatura (come verrà dettagliato nel seguito). I tratti rettilinei 1A-C sono collegati tra lóro da elementi distanziatori e di supporto 4 (fig.l). In corrispondenza delle estremità del corpo 1 sono previsti una bocca di ingresso 5B ed una di uscita 5A per il passaggio all'interno del corpo 1 di un fluido, ad esempio, da raffreddare.

Alle estremità del corpo 1 sono saldate due piastre forate 6A,6B alle quali sono a loro volta saldate le estremità dei tubi 2; su tali piastre sono calzate e saldate due calotte 7A,B presentanti un foro 8A,B rispettivamente per l'ingresso e l'uscita di un fluido circolante nei tubi 2.

I tubi 2, in corrispondenza delle loro estremità e delle bocche di ingresso-uscita 5B,A, del fluido nel corpo 1, presentano una rastrematura 2A,B. Tali rastremature hanno la funzione di facilitare la connessione dei tubi 2 alle piastre estremali 6A,6B senza la necessità di allargare o modificare le estremità del corpo tubolare 1. Inoltre, tali estremità rastremate permettono al fluido che deve passare nel corpo 1 di entrare in tale corpo dalla bocca 5B di scorrere tra i tubi 2 e di uscire dalla bocca 5A. Grazie alle rastremature 2B infatti, tra le pareti del corpo 1 ed i tubi 2 si viene a creare uno spazio sufficiente a perméttere il passaggio del fluido. In tal modo è possibile evitare l'utilizzo di mensole distanziatrici dei tubi, indispensabili, invece, negli scambiatori noti.

I tubi 2 sono inseriti longitudinalmente nel corpo 1 e sono dimensionati in modo tale da risultare a contatto uno con l'altro (fig. 7), e con le parete interne 11 del corpo 1, così da creare dei microcanali 10 per il passaggio del fluido transitante nel corpo 1. I tubi 2 inoltre, presentano nelle parti alloggiate nei tratti rettilinei 1A-C del corpo 1 delle schiacciature a "cannocchiale" 9 (fig. 6).

Come illustrato in fig. 2 i tubi in corrispondenza dei tratti curvi non presentano schiacciamenti, mentre in uscita dal primo tratto curvo 1D gli schiacciamenti hanno una lunghezza tale per cui sono comunque previste zone in cui i tratti di tubo non schiacciati sono ancora in contatto tra loro. In una variante (non illustrata), le schiacciature potrebbero essere previste anche in corrispondenza dei tratti curvi. Le schiacciature 9 hanno una pluralità di funzioni, esse infatti, da un lato sono atte a mantenere uniformemente distanziati tra loro i tubi 2 all'interno del corpo 1, d'altro canto esse sono atte a "rompere" il "cuore" del flusso del fluido circolante nei tubi 2. Grazie alle schiacciature 9 infatti, si riesce a rimescolare la parte centrale del flusso del fluido circolante nei tubi, ovvero di quella parte che "scambia" meno, aumentando così 1 coefficienti di scambio all'interno dei tubi 2. Grazie alle schiacciature 9 inoltre, si riescono ad evitare eventuali ristagni del fluido circolante nei tubi poiché da un lato ne riducono il volume interno, e d'altro canto, nel caso lo scambiatore funzioni da evaporatore, essendo la sezione trasversale all'interno del tubo ridotto, la velocità del vapore è incrementata consentendo di meglio "soffiare via" gli eventuali ristagni del liquido refrigerante che si deve fare evaporare.

Le schiacciature a cannocchiale 9 sono preferite; perché non sono di realizzazione particolarmente complicata e perché possono essere realizzate sugli usuali tubi in commercio senza modificarne sostanzialmente le caratteristiche di resistenza alla pressione. Vantaggiosamente, i tubi 2 sono convenzionali tubi in acciaio austenitico al titanio, di sezione circolare, che, prima di essere inseriti nel corpo 1, vengono "schiacciati" nel modo precedentemente descritto potrebbero in ogni caso anche essere utilizzati altri convenzionali tubi, ad esempio in acciaio di tipo diverso dall·'austenitico, in ferro a basso tenore di carbonio e qualora non si usi come refrigerante l'ammoniaca anche in rame.

Rientrano nell'ambito dell'invenzione anche altri tipi di schiacciamenti che variano la sezione del tubo e siano atti a spaccare e rimescolare il flusso.

Per la realizzazione di uno scambiatore ad S del tipo fin qui illustrato si procede inizialmente a realizzare in tratti prefissati di usuali tubi in commercio le schiacciature 9, i tubi vengono quindi inseriti nelle parti rettilinee 1A,B,C, del corpo 1, distanziati tra loro, in modo tale da consentire la loro piegatura ad S. Prima della piegatura ad S dei tubi, una delle loro estremità viene vincolata alla piastra di ingresso 6A che a sua volta viene saldato alla parte 1C. Successivamente, il pacco dei tubi 2 viene piegato ad S con una macchina piegatubi di tipo sostanzialmente convenzionale.

Alle due curve del pacco dei tubi 2 vengono quindi associati i gusci 3A,3B delle parti curve 1D, 1E del corpo 1; tali gusci vengono quindi saldati tra loro ed alle relative estremità delle parti 1A,1B,1C, così da formare il corpo tubolare 1. Si saldano quindi le estremità ancora libere dei tubi 2, alla piastra di uscita 6B e quindi anche tale piastra alla parte 1A. Al corpo cosi 1 ottenuto vengono poi saldate le bocche 5A e B e 7A e B di ingresso e uscita dei fluidi.

E' da sottolineare che, grazie alla particolare disposizione dei tubi 2 nel corpo 1 ed alla loro particolare conformazione lo scambio termico nello scambiatore secondo 1'invenzione avviene con flussi dei fluidi che ricevono e cedono calore aventi direzioni sostanzialmente tra loro parallele ma controcorrente. Ciò è, in particolare, anche dovuto all'assenza di braccetti o mensole di supporto dei tubi 2, che possono deviare il flusso circolante nel corpo 1. La configurazione dello scambiatore consente coefficienti di scambio e rapporti superficie di scambio su volume più simili a quelli degli scambiatori a piastre che a quelli a fascio tubiero o a tubo in tubo, essendo gli scambiatori a piastre molto efficienti e compatti. Lo scambiatore in oggetto, al contrario degli scambiatori a piastre che hanno limiti di pressione massima dovuta alla geometria piana delle piastre, è atto a lavorare, dal lato interno ai tubetti, a pressioni anche superiori ai 50bar.

Si vuole infine ribadire che la forma di realizzazione fin qui illustrata è stata fornita a titolo esemplificativo e che sono possibili numerose varianti tutte rientranti, nel medesimo concetto inventivo, così ad esempio lo scambiatore potrebbe avere una forma rettilinea oppure prevedere uno solo o più di due tratti curvi. E' però da sottolineare che è preferita nel caso di uno scambiatore a più curve prevedere un numero pari di curve perché in tal modo si possano ad utilizzare tubi aventi uguali lunghezza e non si hanno scarti di tubo.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore, del tipo comprendente un corpo sostanzialmente tubiforme (1), comprendente un ingresso (5B) ed una uscita (5A) per un primo fluido, ed una pluralità di tubi (2) disposti longitudinalmente all'interno di detto corpo (1); ciascun tubo essendo collegato ad un elemento di ingresso (7A) ed uno di uscita (7B) per un secondo fluido, il primo fluido circolando all'interno del corpo (1) a contatto con le superfici esterne di detti tubi; caratterizzato dal fatto che i tubi (2) all'interno del corpo (1) sono, sostanzialmente, direttamente a contatto uno con l'altro e con le pareti interne (11) di tale corpo ed hanno sezione trasversale tale da formare nel corpo (1) una pluralità di microcanali (10), paralleli ai tubi (2), per la circolazione del primo fluido.
2. 2. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i tubi (2) tra i loro tratti di ingresso (5B) e di uscita (5A) presentano almeno un tratto (9) avente sezione trasversale (fig. 6) di forma differente rispetto a quella dei tratti di tubo adiacenti, e che tale forma è tale da spezzare e rimescolare almeno in parte il flusso del fluido circolante nel tubo.
3. 3. Scambiatore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il tratto (9) di tubo (2) avente sezione trasversale di forma differente è conformato a "cannocchiale".
4. 4. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i tratti di tubo (9) aventi sezione di forma differente sono a contatto tra loro, così da mantenere comunque distanziati i tubi tra loro.
5. 5. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere almeno un tratto curvo (1D,1E).
6. 6. Scambiatore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di avere una forma ad "S".
7. 7. Scambiatore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che in corrispondenza del tratto curvo il corpo alloggiente i tubi (6) prevede due gusci semicircolari (3A,3B).
8. 8. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i tubi (2) prevedono tratti di ingresso (2A) e uscita (2B) rastremati e che in corrispondenza di tali tratti il corpo (1) alloggiante ì tubi prevede l'ingresso (5B) e l'uscita (5B) del primo fluido.
9. 9. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una piastra forata di ingresso (6A) e di uscita (6B) alla quale sono saldate le estremità dei tubi (2); dette piastre presentando sostanzialmente la stessa forma della sezione trasversale del corpo (1) in cui sono alloggiati i tubi (2), le estremità dei tubi (2) essendo rastremate.
10. 10. Procedimento per la realizzazione di uno scambiatore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto di prevedere una prima fase in cui un pacco di tubi rettilinei è infilato in almeno un primo corpo tubolare rettilineo (1A,B,C) in modo tale che i tubi risultino sostanzialmente a contatto tra loro e con le pareti interne (11) di tale corpo, una seconda fase in cui le estremità di ingresso (2A) di tali tubi sono rigidamente vincolate ad un elemento piastriforme (6A) a sua volta successivamente vincolato ad un'estremità di tale corpo rettilineo (1C), una ulteriore fase in cui il pacco di tubi è curvato, una terza fase in cui sul tratto di pacchi tubi carvato e sul rimanente tratto rettilineo sono calzati ulteriori elementi atti, insieme al primo elemento tubolare, a formare un corpo tubolare (1) di contenimento dei tubi (2).
11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che i tubi (2) prima di essere impaccati vengono deformati in tratti previsti in posizioni prestabilite così da variare la forma della sezione trasversale rispetto a tratti di tubo adiacenti in modo che il flusso di fluido circolante nei tubi si rimescoli e rompa quando transita per tali tratti deformati.
12. 12. Impianto refrigeratore del tipo comprendente un evaporatore, caratterizzato dal fatto che l'evaporatore è uno scambiatore come rivendicato in una delle rivendicazioni da 1 a 9.