ITMI980096A1

ITMI980096A1 - Scaldacqua perfezionato

Info

Publication number: ITMI980096A1
Application number: IT98MI000096A
Authority: IT
Inventors: Rafiqul Islam
Original assignee: Quantum Energy Systems Pty Ltd
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 1999-07-21
Also published as: EP1029205A1; IT1298167B1; NZ504369A; AUPP021197A0; CN1186206A; WO1999024765A1; KR20010031811A; WO1999024764A1

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"SCALDACQUA PERFEZIONATO"

L'invenzione riguarda perfezionamenti in scaldacqua e più particolarmente una disposizione di scambio termico perfezionata per un serbatoio d'acqua.

L'uso di energia solare per alimentare sistemi dì riscaldamento d'acqua sta diventando sempre più pratico con lo sviluppo della tecnologia. Nel brevetto australiano N° 509901 è descritto un sistema a pompa di calore sovralimentato a energia solare che converte in modo particolarmente efficiente energia solare e trasferisce tale energia usando una pompa di calore a refrigerante.

Nel brevetto europeo N° 0336 751 è descritto uno scaldacqua comprendente un serbatoio d'acqua avente un'entrata di acqua fredda adiacente ad un'estremità ed un'uscita di acqua calda adiacente all'altra estremità, un tubo di scambio termico atto a portare un fluido refrigerante ed avvolto attorno al serbatoio d'acqua con un materiale legante termoconduttivo, un evaporatore per assorbire energia termica da condizioni ambiente ed un compressore per far circolare fluido refrigerante attraverso il tubo di scambio termico e verso l'evaporatore. Il tubo di scambio termico è fissato esternamente alla parete del serbatoio d'acqua con un materiale legante termoconduttivo e il tubo è sottoposto ad applicazione di tensione quando viene fissato al serbatoio per ridurre la probabilità di rottura del materiale legante termoconduttivo in caso di espansione o contrazione del tubo e del serbatoio durante l'uso.

La disposizione di scambio termico del brevetto europeo Ns 0 336 751 funziona con la massima efficienza riscaldando acqua nel serbatoio d'acqua. Ad esempio, è possibile riscaldare acqua in un serbatoio da 340 litri a circa 60°C in circa 4 ore. E' tuttavia desiderabile fornire una disposizione di scambio termico perfezionata che possa riscaldare acqua in un serbatoio d'acqua in modo più efficiente rispetto alla disposizione del brevetto europeo N° 0 336 751.

Secondo un aspetto dell'invenzione, si fornisce un serbatoio d'acqua avente una parete di serbatoio formata di un materiale avente proprietà di trasferimento di calore; e un sistema a pompa di calore comprendente uno scambiatore di calore per trasferire calore al serbatoio d'acqua, un evaporatore ed un compressore per far circolare fluido refrigerante verso l'evaporatore tramite lo scambiatore di calore, in cui lo scambiatore di calore comprende un collettore di entrata connesso al compressore, un collettore di uscita ed una pluralità di tubi di scambio termico connessi in parallelo fra i collettori di entrata e di uscita, detta pluralità di tubi di scambio termico essendo avvolti attorno al serbatoio d’acqua e fissati alla parete del serbatoio in relazione termoconduttiva con la parete del serbatoio per trasferire calore, derivante da condensazione del liquido refrigerante entro ai tubi attraverso la parete del serbatoio, all'acqua contenuta nel serbatoio.

Preferibilmente, i tubi di scambio termico sono fissati alla parete del serbatoio con un materiale legante termoconduttivo e sono sotto tensione applicata quando vengono fissati alla parete del serbatoio. Ciò riduce la probabilità di rottura del materiale legante termoconduttivo durante espansione e contrazione del tubo e del serbatoio nel corso dell'uso.

Preferibilmente, è prevista una coppia di tubi di scambio termico che sono avvolti ad elica attorno al serbatoio d'acqua. I tubi si estendono preferibilmente da una posizione adiacente ad un'estremità inferiore del serbatoio ad una posizione non superiore a circa l'80% dell'altezza del serbatoio.

Le estremità superiori dei tubi di scambio termico sono vantaggiosamente connesse al collettore di entrata e le estremità inferiori dei tubi di scambio termico sono connesse al collettore di uscita, preferibilmente tramite una o più colonne montanti.

Preferibilmente, il serbatoio d'acqua e i tubi di scambio termico sono fatti d'acciaio. Ciò aiuta a ridurre la probabilità di perdere il contatto della trasmissione di calore a causa dei differenti coefficienti di espansione del serbatoio e del tubo.

Si descriverà ora una forma di realizzazione preferita dell'invenzione, solo a titolo di esempio, con riferimento ai disegni allegati, in cui:

fig. 1 è uno schema di un sistema solare sovralimentato a pompa di calore per riscaldare acqua;

fig. 1A è una vista in sezione parziale ingrandita in alzato di una porzione di un serbatoio d'acqua del sistema che mostra il fissaggio di un suo tubo di scambio termico; e

fig. 2 è uno schema di un sistema a pompa di calore comprendente un serbatoio d'acqua con uno scambiatore di calore perfezionato secondo l'invenzione.

Facendo ora riferimento alla fig. 1, è mostrato un sistema solare sovralimentato a pompa di calore come esposto nel brevetto europeo N2 EP 0336 751, il contenuto del quale viene qui ricompreso come materiale di riferimento. Il sistema a pompa di calore comprende un serbatoio d'acqua 1, un tubo di scambio termico 8, che porta refrigerante, avvolto attorno al serbatoio d'acqua 1, un compressore 12, un ricevitore/filtro/essiccatore 13 ed una serie di piastre di evaporazione solari 15. Ciascuna piastra di evaporazione 15 contiene un certo numero di passaggi 16 di refrigerante disposti in una configurazione a serpentina. Il serbatoio d'acqua 1 e il tubo di scambio termico 8 sono racchiusi in un contenitore 10 contenente materiale espanso isolante 11 ed il compressore 12 e 11 ricevitore/filtro/essiccatore 13 sono montati alla sommità di un telaio di refrigerazione 14 situato alla sommità del contenitore 10 del serbatoio. Il sistema ha un sistema di controllo a termostato che comprende un termostato T. Il sistema ha anche un valvola di espansione Tx nella condotta del liquido fra il ricevitore/filtro/essiccatore 13 e i pannelli di evaporazione 15.

Il serbatoio d'acqua 1 ha una parete cilindrica 2, una parete di fondo 3, una parete convessa di sommità 4, un’entrata di acqua fredda 5 adiacente alla parete di fondo 3, che comprende un diffusore o deviatore 6 ed un'uscita di acqua calda 7 adiacente alla parete di sommità 4. Benché la parete di fondo 3 sia rappresentata concava, essa può essere, volendo, convessa. Il tubo di scambio termico 8 che porta un refrigerante B, quale un refrigerante RI2, è avvolto attorno alla superficie esterna della parete 2 del serbatoio. Il tubo 8 è preferibilmente appiattito come mostrato in fig. 1A, in modo da avere sezione a D, e la porzione appiattita è unita in modo termoconduttivo alla superficie della parete 2 mediante una pellicola sottile di lega per saldatura 9 o simili tra la superficie esterna della parete 2 del serbatoio 1 e il lato piatto del tubo 8. Per assicurare il migliore contatto possibile durante la saldatura e durante espansione e contrazione del tubo e della parete 2 del serbatoio in uso, il tubo 8 è avvolto attorno al serbatoio 1 con una tensione applicata dell'ordine di 1.286 N ed è fissato al serbatoio 1 mentre è sotto tensione. Ciò può ottenersi nel modo descritto nel brevetto europeo N° EP 0 336 751.

Si comprenderà che, fissando il tubo 8 che porta il refrigerante alla superficie esterna del serbatoio 1, si ottiene automaticamente un effetto a doppia parete e viene soddisfatta la protezione richiesta dalle autorità competenti ih materia di acqua, che prevede un tubo a doppia parete nei casi in cui un tubo che porta refrigerante sia associato all'acqua. Il tubo 8 ed il serbatoio 1 sono fatti preferibilmente di un materiale simile, o almeno di materiali aventi coefficienti di dilatazione termica simili.

Nel presente caso, il tubo 8 ed il serbatoio 1 sono fatti di acciaio o acciaio inossidabile. Ad esempio, il tubo può essere una tubazione di acciaio Bundyweld, mentre il serbatoio 1 può essere fatto di acciaio dolce. Come accennato sopra, il legame termico fra il tubo 8 e il serbatoio 1 è mantenuto avvolgendo il tubo 8 attorno al serbatoio 1 sotto tensione. Nel caso si usino materiali aventi coefficienti di dilatazione termica leggermente differenti, i differenti tassi di dilatazione e contrazione dei materiali possono essere compensati aumentando la tensione di avvolgimento del tubo 8. In ogni caso, l'avvolgimento del tubo sotto tensione assicura che il legame termico sia mantenuto malgrado la flessione dei materiali provocata da dilatazione e contrazione durante l'uso.

Nell'uso, il compressore 12 fornisce gas refrigerante in pressione al tubo di scambio termico 8 e, quando il refrigerante B si condensa nel tubo 8, viene trasferito calore attraverso la parete 2 del serbatoio verso l'acqua contenuta nel serbatoio 1. Il refrigerante condensato passa allora attraverso il ricevitore/filtro/essiccatore 13 e la valvola di espansione Tx verso i pannelli di evaporazione 15 che sono montate preferibilmente in una posizione esposta al sole in modo che il refrigerante nei passaggi 16 dei pannelli 15 possa assorbire calore dalle condizioni ambiente prima che il refrigerante sia fatto ritornare, attraverso la tubatura di alimentazione 12G, al compressore 12.

Mentre i pannelli di evaporazione sono mostrati nella forma di esecuzione suesposta come montati in una posizione esposta al sole, essi possono essere montati all'esterno del contenitore 10, in configurazione ad avvolgimento in aree in cui la temperatura ambiente è elevata od in cui il serbatoio può essere montato su un tetto o in un'altra posizione almeno parzialmente esposta al sole. In tale situazione, la pompa di calore funziona almeno parzialmente come pompa di calore a sorgente d'aria.

Facendo riferimento alla fig. 2, è mostrato un sistema a pompa di calore 20 per un serbatoio per acqua 21 simile a quello di fig. 1 ma che comprende una disposizione a scambio termico perfezionata. Il sistema a pompa di calore 20 comprende un compressore 22, un. ricevitore/filtro/essiccatore 23, una valvola di espansione Tx 24, un evaporatore 25 ed uno scambiatore di calore 26 connesso fra il compressore 22 e il ricevitore/filtro/essiccatore 23. L'evaporatore 25 comprende preferibilmente almeno un pannello collettore solare 15 come descritto con riferimento alla fig. 1. Il numero di pannelli solari 15 può variare a seconda della dimensione del compressore e della regione climatica per la quale è previsto il sistema a pompa di calore.

Lo scambiatore di calore 26 comprende un collettore di entrata 27 connesso al compressore 22, un collettore di uscita 28 connesso al ricevitore/filtro/essiccatore 23 ed una coppia di tubi di scambio termico 29 e 30 avvolti attorno al serbatoio d'acqua 21 e connessi in parallelo fra i collettori di entrata ed uscita 27 e 28.

Il serbatoio d'acqua 21 è simile al serbatoio di fig. 1 per il fatto di avere una parete cilindrica 32, una parete di fondo 33, una parete di sommità 31 convessa, un'entrata 35 di acqua fredda adiacente alla parete di fondo 33 che comprende un diffusore o deviatore 36 ed un'uscita di acqua calda 37 adiacente alla parete di sommità 31. I tubi di scambio termico 29 e 30 sono preferibilmente appiattiti in modo da avere forma a D in sezione trasversale similmente al tubo 8 della fig. 1A. Le porzioni appiattite dei tubi di scambio termico 29 e 30 sono fissate alla superficie esterna della parete cilindrica 32 del serbatoio d'acqua 21 da un materiale legante termoconduttivo, quale una pellicola sottile di una lega per saldatura.

Per assicurare il miglior contatto possibile durante la saldatura e durante la dilatazione e contrazione del tubo e della parete 2 del serbatoio nell'uso, il tubo 8 è avvolto attorno al serbatoio 1 con applicazione di tensione, preferibilmente dell'ordine di 1.286 N, ed è fissato al serbatoio 1 mentre è sotto tensione. Ciò può ottenersi nel modo descritto nel brevetto europeo N° EP 0336 751.

In una forma di realizzazione preferita, i tubi di scambio termico 29 e 30 sono formati da una tubazione in acciaio Bundyweld avente diametro interno di circa 12 mm e i tubi 29 e 30 sono avvolti ad elica attorno al serbatoio 21 da una posizione adiacente al fondo del serbatoio fino ad una posizione non superiore a circa l'80% dell'altezza del serbatoio. Il serbatoio 21 è fabbricato preferibilmente con un materiale avente un coefficiente di dilatazione termica simile a quello dei tubi 29 e 30, quale acciaio dolce.

Nel caso si usino materiali aventi coefficienti di dilatazione termica lievemente differenti, si possono compensare i differenti tassi di dilatazione e contrazione dei materiali aumentando la tensione di avvolgimento del tubo 8. In ogni caso, l’avvolgimento del tubo sotto tensione assicura che il legame termico venga mantenuto nonostante la flessione dei materiali provocata da dilatazione e contrazione nell'uso.

Le estremità superiori dei tubi di scambio termico 29 e 30 sono connesse direttamente al collettore di entrata 27, mentre le estremità inferiori dei tubi di scambio termico 29 e 30 sono connesse al collettore di uscita 28 da rispettive colonne montanti 39 e 40. Le colonne montanti 39, 40 possono essere formate vantaggiosamente da un tubo di rame del diametro di 3/8 di pollice (9,5 mm) . I collettori di entrata e uscita 27 e 28 sono anch'essi formati preferibilmente di rame, il collettore di entrata 27 avendo una sezione superiore di tubo 41 connessa al compressore 22 del diametro di circa 1/2 pollice (12,5 mm) e il collettore di uscita 28 avendo una sezione superiore di tubo 42 connessa ai ricevitore/filtro/essiccatore 23 del diametro di circa 3/8 di pollice (9,5 IMI). Si comprenderà, tuttavia, che le dimensioni dei tubi di scambio termico 29, 30,delle colonne montanti 39, 40 e delle sezioni superiori di tubo 41, 42 dei collettori 27, 28 ed i materiali di cui sono fatti possono variare nelle diverse applicazioni.

In una forma di realizzazione particolarmente preferita, per un serbatoio d'acqua da 340 litri, la lunghezza totale di ciascuno dei tubi di scambio termico 29, 30 è circa 32 metri e ciascuno dei tubi 29, 30 è avvolto ad elica attorno al serbatoio d'acqua 21 per circa 18 spire col passo di ciascun avvolgimento pari a circa 54 mm.

Si è trovato che una disposizione scambiatrice di calore con almeno due tubi di scambio termico connessi in parallelo fra i collettori di entrata e di uscita dà luogo ad un riscaldamento dell'acqua contenuta in un serbatoio d'acqua più rapido ed efficiente rispetto alla disposizione a tubo singolo della fig.1. Due tubi di scambio termico paralleli disposti molto vicini l'uno all’altro, fanno aumentare efficacemente la temperatura superficiale del serbatoio e mantengono da una parte all'altra dei tubi più vicini una temperatura uniformemente costante.Ciò produce una maggiore trasmissione di calore fra il serbatoio e l'acqua. Ad esempio, per un serbatoio d'acqua da 340 litri, la disposizione della fig. 2 con una coppia di tubi 29, 30 come descritto sopra può riscaldare acqua da temperatura ambiente a circa 60°C in circa 2 ore, in confronto a circa 4 ore per una disposizione a tubo singolo quale quella della fig. 1.

Vi è un limite alla dimensione del compressore che può essere installato con la disposizione di trasmissione di calore della fig. 1 e quindi un limite al tasso di recupero ottenibile. Una costruzione con capacità di recupero maggiori è spesso richiesta per le applicazioni, domestiche o commerciali più grandi. Per refrigerante R22, il limite utilizzando la disposizione precedente di fig. 1 è un compressore da circa 1300 W nominali per un singolo tubo da 12 mm avvolto attorno al serbatoio. Il fatto di avere più spire avvolte attorno al serbatoio consente una maggiore portata di gas consentendo di installare un compressore più grande per ottenere l'elevato tasso di recupero richiesto , per installazioni domestiche o commerciali più grandi.

Si comprenderà che si possono apportare, alla forma di realizzazione dell'invenzione descritta sopra, modifiche e/o variazioni senza uscire dall'ambito e dallo spirito della presente invenzione. Ad esempio, si prevede che più di due tubi di scambio termico possano essere connessi in parallelo fra i collettori di entrata ed uscita ed avvolti attorno al serbatoio d’acqua.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Scaldacqua comprendente: un serbatoio d'acqua avente una parete del serbatoio formata di un materiale avente proprietà di trasferimento di calore; e un sistema a pompa di calore comprendente uno scambiatore di calore per trasferire calore al serbatoio d'acqua, un evaporatore ed un compressore per far circolare fluido refrigerante verso l'evaporatore tramite lo scambiatore di calore, caratterizzato da ciò che lo scambiatore di calore comprende un collettore di entrata connesso al compressore, un collettore di uscita ed una pluralità di tubi di scambio termico connessi in parallelo fra i collettori di entrata e di uscita, detta pluralità di tubi di scambio termico essendo avvolti attorno al serbatoio d'acqua e fissati alla parete del serbatoio in relazione termoconduttiva con la parete del serbatoio per trasferire calore da condensazione del liquido refrigerante contenuto nei tubi, attraverso la parete del serbatoio, all'acqua contenuta nel serbatoio.
2) Scaldacqua come nella rivendicazione 1), in cui i tubi di scambio termico sono fissati alla parete del serbatoio con un materiale legante termoconduttivo e sono sotto tensione applicata quando sono fissati alla parete del serbatoio.
3) Scaldacqua come nella rivendicazione 2), in cui detta pluralità di tubi di scambio termico ha una porzione di parete appiattita fissata alla parete del serbatoio mediante detto materiale legante termoconduttivo.
4) Scaldacqua come nella rivendicazione 3), in cui i tubi di scambio termico hanno una sezione sostanzialmente a forma di D.
5) Scaldacqua come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i tubi di scambio termico sono avvolti ad elica attorno al serbatoio d'acqua.
6) Scaldacqua come nella rivendicazione 5), in cui i tubi di scambio termico si estendono da una posizione adiacente ad un'estremità inferiore del serbatoio fino ad una posizione non superiore a circa l'80% della lunghezza del serbatoio.
7) Scaldacqua come nella rivendicazione 5) o 6), in cui una coppia di tubi di scambio termico è avvolta ad elica attorno al serbatoio d'acqua.
8) Scaldacqua come nella rivendicazione 7), in cui il passo dell 'avvolgimento per ciascuno dei tubi di scambio termico è circa 55 IMI.
9) Scaldacqua come nella rivendicazione 8), in cui il diametro dei tubi di scambio termico è circa 12 mm.
10) Scaldacqua come in una qualsiasi delle rivendicazioni da 5) a 9), in cui le estremità superiori dei tubi di scambio termico sono connesse al collettore di entrata e le estremità inferiori dei tubi di scambio termico sono connesse al collettore di uscita da una o più colonne montanti.
11) Scaldacqua come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il serbatoio d'acqua e i tubi di scambio termico sono fatti di materiali aventi coefficienti di dilatazione termica uguali o simili.
12) Scaldacqua come nella rivendicazione 10), in cui il serbatoio d'acqua e i tubi di scambio termico sono fatti d'acciaio.
13) Scaldacqua come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui una valvola di espansione è connessa fra il collettore di uscita e l'evaporatore.
14) Scaldacqua come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema a pompa di calore comprende un ricevitore/filtro/essiccatore.
15) Scaldacqua come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'evaporatore comprende almeno un pannello collettore solare avente passaggi attraverso cui è fatto circolare fluido refrigerante in relazione termoconduttiva col pannello.