ITMI980689A1 - Scambiatore di calore con tubi alettati - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato è relativo ad uno scambiatore di calore, in particolare per l'impiego in impianti a ciclo combinato con generazione primaria tramite turbine a gas e'generazione secondaria mediante turbine a vapore alimentate da caldaie a recupero.

Come noto, gli scambiatori di calore, ad esemplo usati in una caldaia a recupero, sono costituiti da una pluralità di tubi alettati disposti allineati o quinconce nei 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. Nel caso in cui si desideri raffreddare il fluido contenuto entro tali tubi alettati, il fluido che lambisce i tubi è ad una temperatura inferiore a quella del fluido presente nei tubi.

In entrambi i casi, i requisiti di uno scambiatore di calore sono ravvisabili nella necessità di una riduzione delle sue dimensioni e del suoi costi a parità di calore scambiato e di perdite di pressione.

In particolare, nel caso di caldaie a recupero utilizzate in impianti a ciclo combinato, 1n cui 11 fluido all'interno dei tubi è acqua/vapore e il fluido esterno è costituto da gas di combustione, per aumentare l'efficienza dello scambiatore è necessario aumentare il coefficiente di scambio termico sul lato gas.

A tal fine sono stati progettati scambiatori di calore a tubi dotati di alette.

Un esempio dell'impiego di tubi alettati è illustrato nel brevetto statunitense 5.337.807. In tale brevetto sono Illustrate delle alette aventi due zone con profilo segmentato e superfici zigrinate e una terza zona a profilo pieno e superfici lisce.

Un altro esempio è dato dal brevetto statunitense 4.449.581 in cui le alette presentano sulla loro superficie delle ondulazioni ad "osso di cane" in modo da creare turbolenze ed aumentare lo scambio termico.

Tali soluzioni, a causa del campo di moto che viene a generarsi tra i tubi elettati, pur determinando un incremento dell'efficienza termica nelle zone anteriori e laterali dei tubi della prima fila, non si sono rivelate del tutto soddisfacenti per ciò che concerne la loro porzione posteriore. Inoltre, lo scambio termico risulta peggiorare già a partire dai tubi della seconda fila, poiché il flusso del fluido è ostacolato dalla presenza dei tubi della 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, a fronte di un miglioramento dello scambio termico nella parte anteriore dei tubi, nella regione posteriore di ciascun tubo alettato soddisfacenti miglioramenti sono ottenuti solo con un sostanziale e indesiderato aumento delle perdite di pressione.

Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare uno scambiatore di calore a tubi alettatl, particolarmente per impianti a ciclo combinato e slmili, con alette configurate 1n maniera tale da migliorare l'efficienza dello scambio termico tra fluido e tubi alettati.

Nell'ambito di questo compito, uno socpo del presente trovato è quello di realizzare uno scambiatore di calore a tubi alettatl particolarmente per impianti a ciclo combinato e simili, avente alette di configurazione tale da aumentare l'efficienza dello scambio termico tra fluido e tubi in particolare nella regione del tubi alettati normalmente interessata scarsamente dal flusso d1 fluido che lambisce le alette stesse.

Un altro scopo del presente trovato è quello d1 realizzare uno scambiatore di calore a tubi alettati particolarmente per impianti a ciclo combinato e siili, con alette configurate in modo tale da permettere una diminuzione delle perdite di carico.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare uno scambiatore di calore particolarmente per impianti a ciclo combinato e simili, che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione ed a costi competitivi.

Questo compito, nonché questi ed 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 elettati con alette comprendenti due parti, rispettivamente una prossimale piena fissata alla superficie dei tubi e una distale segmentata, caratterizzato dal fatto che, detta p la distanza tra due parti prossimali piene di due alette adiacenti, le parti distali di alcune alette sono distorte al di fuori del piano medio delle alette stesse, in modo tale che la distanza fra la parte distale di dette alette distorte e la parte distale di un'aletta consecutiva sia compresa tra 0,3÷ 1,7 p.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno dalla descrizione di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, dello scambiatore d1 calore a tubi alettati secondo il trovato illustrato a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni in cui:

la figura 1 illustra una vista in pianta di un tubo alettato, con alette segmentate, impiegato nello scambiatore di calore secondo il trovato;

la figura 2 una sezione longitudinale di un tubo con alette segmentate impiegato nello scambiatore di calore secondo il trovato;

la figura 3 è una vista in pianta dello scambiatore di calore secondo il trovato, con i tubi alettati disposti in linea;

la figura 4 è una vista in pianta dello scambiatore di calore secondo il trovato, con i tubi alettati disposti quinconce.

Con riferimento alle figure citate, lo scambiatore di calore secondo il trovato comprende una pluralità di tubi elettati 1 disposti adiacenti e paralleli tra loro con le alette indicate dal numero d1 riferimento 2; i tubi alettati 1 possono essere disposti sia con configurazione in linea che quinconce ("staggered"), come illustrato rispettivamente nelle figure 3 e 4.

Nella realizzazione pratica dei tubi alettati, le alette 2 sono avvolte elicoidalmente attorno alla superficie esterna dei tubi 1; 1n particolare, come illustrato nelle figure 1 e 2, ciascuna aletta 2 comprende due parti, rispettivamente una prossimale piena 3 fissata alla superficie dei tubi e una distale segmentata 4 adiacente alla parte prossimale 3 e che si estende radialmente verso l'esterno rispetto all'asse dei tubi 1. Il fissaggio delle parti prossimali piene 3 alla superficie esterna dei tubi 1 avviene durante l'operazione di avvolgimento mediante noti procedimenti di saldatura.

Vantaggiosamente, durante tale fase di avvolgimento, un utensile di forma opportuna,non illustrato nelle figure, interagisce con le parti distali 4 di alcune alette provocandone una distorsione al di fuori del piano medio delle alette stesse; in questo modo, come illustrato in figura 2, detta p la distanza tra le parti prossimali piene 3 di due alette adiacenti, la distanza fra la parte distale d1 un'aletta distorta e la parte distale di un'aletta adiacente è compresa tra 0,3 p e 1,7 p.

Tale soluzione consente il posizionamento fuoriscia di alcune alette dei tubi di una fila rispetto a quelle delle file di tubi anteriori con riferimento alla direzione di un flusso convogliato esternamente a lambire i tubi alettati (nel caso di figura 2, perpendicolare al foglio e indicato schematicamente dal numero 102). In questo modo, le alette fuoriscia sono investite da un flusso di fluido sostanzialmente fresco, cioè che non ha scambiato calore con i tubi delle primissime file; ciò consente un notevole miglioramento dello scambio termico in particolare nelle configurazioni di scambiatori in cui tale scambio risulterebbe peggiorare già a partire dai tubi delle prime file poiché il flusso verrebbe ad essere ostacolato dalla presenza dei tubi della prima fila (configurazione in linea).

Un ulteriore vantaggio dello scambiatoresecondo il trovato risiede nel fatto che la distorsione delle parti distali di alcune alette crea, lungo un medesimo tubo, delle zone di suzione e compressione del flusso di fluido lungo la direzione di moto del fluido. Inoltre, si ha la formazione di zone 100 e 101 di continuo miscelamento di fluido proveniente da canali contigui che si riflette in un aumento considerevole dell'efficienza globale dello scambio termico fra tubi elettati e fluido a fronte di contenute perdite di carico.

La percentuale di alette le cui parti distali possono essere distorte, rispetto al numero totale di alette dei tubi impiegati nello scambiatore, può essere compresa tra 10% e il 90%, preferibilmente tra il 20% e l'80%, più preferibilmente tra il 30% e il 70%.

In una forma preferita di realizzazione dello scambiatore di calore secondo il trovato, lungo un medesimo tubo si ha una sostanziale alternanza fra parti distali distorte e parti distali non distorte per cui si ha un corrispondente alternarsi tra zone di suzione e compressione del fluido e canali di passaggio di fluido sostanzialmente fresco. Per ciò che concerne il dimensionamento geometrico, la sperimentazione ha dimostrato un'ottimizzazione delle prestazioni con un rapporto h/H compreso tra 2 e 4 (dove h è l'estensione radiale complessiva di un'aletta riferita alla superficie del tubo 1, e H è l'estensione radiale della sola parte prossimale) e con un rapporto h/p compreso tra 3 e 5. La sperimentazione è stata effettuata con tubi di diametro esterno di circa 32 mm e 2,5 mm di spessore.

La configurazione dello scambiatore nonché il numero delle alette le cui parti distali possono essere distorte sia lungo un solo tubo che su tubi differenti, può comunque essere convenientemente scelta in virtù del le esigenze e/o delle specifiche applicazioni; così, ad esempio, vi può essere una distribuzione alternata lungo un medesimo tubo come precedentemente descritto, o una distribuzione casuale qualsivoglia, sia sullo stesso tubo che tra tubi differenti.

Vantaggiosamente, in una ulteriore forma di realizzazione dello scambiatore di calore secondo 11 trovato, non illustrata nelle figure, sulle superfici superiori e/o inferiori delle alette sono ricavate intaccature aventi asse longitudinale inclinato di un angolo compreso tra ±5° e ±45° rispetto all'asse delle alette perpendicolare all'asse dei tubi.

Tali intaccature sono atte a generare una serie di vortici con asse sostanzialmente parallelo alla direzione del flusso di un fluido convogliato esternamente a lambire i tubi elettati; in particolare, nel caso in cui le intaccature siano ricavate su entrambe le superfici, quelle sulla superficie superiore hanno asse con inclinazione di segno opposto a quelle ricavate sulla superficie inferiore. Con tale soluzione vengono generate due serie di vortici controrotanti tra loro e aventi entrambi asse sostanzialmente parallelo alla direzione del flusso di un fluido convogliato esternamente a lambire; in questo modo si ottiene un ulteriore miglioramento delle condizioni operative dello scambiatore.

In una ulteriore forma di realizzazione, non illustrata nelle figure, tra le file di tubi i alettati sono disposti dei deflettori di flusso che convogliano il fluido verso i tubi alettati in modo da aumentare l'efficienza di scambio termico delle alette stesse; ulteriormente deflettori possono essere disposti anteriormente alla prima fila di tubi o posteriormente all'ultima.

Si è in pratica constatato come lo scambiatore di 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 consentendo nel contempo di ridurre le perdite di pressione.

Lo scambiatore di calore a tubi alettati 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, 1 materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore d1 calore a tubi alettati, particolarmente per impianti a ciclo combinato e simili, comprendente una pluralità di tubi alettati disposti in file con alette comprendenti due parti, rispettivamente una prossimale piena fissata alla superficie dei tubi e una distale segmentata, caratterizzato dal fatto che, detta p la distanza tra due parti prossimali piene di due alette adiacenti, le parti distali di alcune alette sono distorte al d1 fuori del piano medio delle alette stesse, in modo tale che la distanza fra la parte distale di dette alette distorte e la parte distale d1 un'aletta consecutiva sia compresa tra 0,3 ÷ l,7p.
2. 2. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la percentuale di alette le cui parti distali sono distorte, rispetto al numero totale di alette, è compresa tra il 10% e il 90%.
3. 3. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la percentuale di alette le cui parti distali sono distorte, rispetto al numero totale di alette, è compresa tra il 20% e l'80%.
4. 4. Scambiatore di calore a tubi elettati secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la percentuale di alette le cui parti distali sono distorte, rispetto al numero totale d1 alette, è compresa tra 1130% e il 70%.
5. 5. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che 11 rapporto h/H è compreso tra 2÷4, dove h e H sono, rispettivamente, l'estensione in direzione radiale della aletta e della sua parte prossimale, calcolate rispetto alla superficie esterna del tubo alettato.
6. 6. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il rapporto h/p è compreso tra 3 e 5.
7. 7. Scambiatore di calore a tubi alettati, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lungo un medesimo tubo alettato si ha una alternanza fra alette le cui parti distali sono distorte e alette le cui parti distali non sono distorte.
8. 8.Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che almeno su una delle due superfici, rispettivamente superiore e inferiore delle alette, sono ricavate delle Intaccature aventi asse longitudinale inclinato di un angolo compreso tra ±5° e ±45° rispetto all'asse delle alette perpendicolare all'asse del tubo, dette intaccature essendo atte a creare vortici con asse sostanzialmente parallelo alla direzione del flusso di un fluido convogliato esternamente a lambire i tubi elettati.
9. 9. Scambiatore di calore a tubi elettati secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che dette intaccature sono ricavate sulle superfici superiori e inferiori delle alette, le intaccature ricavate sulla superficie superiore avendo asse con inclinazione di segno opposto a quelle sulla superficie inferiore rispetto a detto asse delle alette perpendicolare all'asse del tubo 1n modo tale da creare due serie di vortici controrotanti tra loro.
10. 10. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che tra le file di tubi alettati sono disposti deflettori di flusso.
11. 11. 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.
12. 12. Scambiatore di calore a tubi alettati secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti tubi alettati sono disposti quinconce.
13. 13. Scambiatore di calore a tubi alettati, particolarmente per impianti a ciclo combinato e simili, comprendente una pluralità di tubi alettati con alette comprendenti due parti, rispettivamente una prossimale piena fissata alla superficie dei tubi e una distale segmentata, caratterizzato dal fatto che le parti distali di alcune di dette alette segmentate sono distorte al di fuori del piano medio delle alette stesse in modo tale da creare delle zone di suzione e compressione lungo la direzione di moto del flusso di un fluido convogliato esternamente a lambire i tubi alettati.