ITMI990071A1

ITMI990071A1 - Scambiatore di calore a piastre senza corpo a migliorata potenzialita'di scambio termico

Info

Publication number: ITMI990071A1
Application number: IT1999MI000071A
Authority: IT
Inventors: Victor Brost; Martin Kehr
Original assignee: Langerer & Reich Gmbh
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1999-01-15
Publication date: 2000-07-15
Also published as: FR2773875B1; IT1306958B1; US6182748B1; DE19802012A1; FR2773875A1; DE19802012C2

Description

DESCRIZIONE

L'invenzione riguarda uno scambiatore di calore a piastre con le caratteristiche del preambolo della rivendicazione 1.

Scambiatori di calore a piastre senza corpo o carcassa del tipo citato nel preambolo sono noti per esempio da DE 41 25 222 Al e US 4 708 199 ed ivi sono previsti come refrigeratori di olio. US 4 708 199 mostra diverse varianti di collegamento e modelli di flusso attraverso il refrigeratore di olio. A tutte le varianti è comune il fatto che le piastre dello scambiatore di calore sono disposte in modo che le aperture di passaggio nelle piastre dello scambiatore di calore formano canali che attraversano la pila di piastre dello scambiatore di calore, attraverso i quali canali un mezzo di volta in volta entra o esce. All 'ingresso il mezzo si suddivide nei singoli canali di flusso fra le piastre, i quali sono in collegamento con i canali , per poi raccogliersi all 'uscita nel rispettivo canale di uscita, prima di lasciare lo scambiatore di calore. I canali di flusso fra le piastre si alternano. Per esempio ad un canale di flusso per l 'olio segue un canale di flusso per l 'acqua e cosi via. Il vantaggio di tali scambiatori di calore sta nella loro costruzione compatta e nel fatto che sono necessari soltanto due tipi diversi di piastre di scambiatore di calore.

Per alcuni casi di impiego questi scambiatori di calore hanno però una potenzialità di scambio di calore troppo bassa, poiché il percorso di flusso attraverso lo scambiatore di calore è troppo breve. Inoltre i due tipi di piastre dello scambiatore di calore hanno notevoli differenze nella loro conformazione, il che è uno svantaggio dal punto di vista della tecnica di fabbricazione.

Ci sono anche scambiatori di calore con un corpo, nel quale è disposta una pila di piastre tubiere. In questi scambiatori di calore un mezzo scorre attraverso i canali di flusso nelle piastre tubiere e l 'altro mezzo scorre nel corpo e poi in canali di flusso disposti fra le piastre tubiere. In tali scambiatori di calore è noto provocare un flusso a zig zag dei mezzi nello scambiatore di calore stesso. Tali scambiatori di calore sono però di costruzione troppo costosa, necessitano di molto materiale e quindi , a parità di potenza, sono più pesanti degli scambiatori di calore del tipo citato prima.

Il compito dell 'invenzione consiste nell ' aumentare la potenzialità di scambio di calore e nel semplificare ulteriormente la fabbricazione degli scambiatori di calore citati nel preambolo, mantenendone i vantaggi.

La soluzione secondo l 'invenzione si evince dalla rivendicazione di brevetto 1. Le caratteristiche delle rivendicazioni dipendenti servono alla realizzazione.

Per mezzo dell 'invenzione la lunghezza del percorso del flusso attraverso lo scambiatore di calore è stato notevolmente aumentata, mantenendo la costruzione compatta, per cui la potenzialità è stata elevata. La propagazione rispettivamente la direzione di flusso dei mezzi attraverso i canali di flusso dello scambiatore di calore, da canale di flusso a canale di flusso, si intersecano. Con ciò si deve intendere che una linea immaginaria fra ingresso del mezzo ed uscita del mezzo da un canale di flusso si intersechi con la linea immaginaria del canale di flusso contiguo. Ogni mezzo descrive un percorso di flusso a zig zag attraverso lo scambiatore di calore.

Secondo l 'invenzione lo scambiatore di calore a piastre può essere composto da piastre di scambiatore di calore uguali, o da due tipi di piastre di scambiatore di calore, la cui differenza è tuttavia così piccola che i vantaggi di fabbricazione rimangono.

La differenza fra i due tipi di piastre di scambiatore di calore sta soltanto nel fatto che in uno dei tipi di piastre di scambiatore di calore una delle aperture di flusso è chiusa. L'altro tipo di piastre di scambiatore di calore presenta quattro aperture di flusso non chiuse.

Intorno alle aperture di flusso sono previsti dei passaggi. Tali passaggi formano, dopo l 'impilaggio delle piastre di scambiatore di calore, una superficie di collegamento. E' importante che uno dei passaggi presenti uno scalamento, la cui estremità ha un diametro un po' più piccolo del diametro delle altre aperture di flusso. Questa estremità, dopo l 'impilaggio, sporge in un'apertura di flusso della piastra di scambiatore di calore contigua, per cui la pila di piastre di scambiatore di calore rimane fissa e per esempio non può più essere spostata con la manipolazione, necessaria prima della brasatura dello scambiatore di calore, cosa che porterebbe a seri errori di lavorazione.

La piccola differenza descritta fra le piastre di scambiatore di calore rende possibile la fabbricazione delle due piastre di scambiatore di calore con un solo utensile. I costi per lavori preventivi possono in tal modo essere notevolmente ridotti.

Ogni piastra di scambiatore di calore presenta un'apertura di passaggio centrale, che è chiusa verso i canali di flusso. Allo scopo della chiusura, intorno ad ogni apertura di passaggio è disposto un colletto, e tali colletti sono a contatto tra loro in modo tale da rendere disponibile una superficie di brasatura adatta. In questa apertura di passaggio si trova un organo di fissaggio amovibile, per esempio una vite, la cui testa è appoggiata sulla piastra di base dello scambiatore di calore e di cui il gambo è avvitato in una foratura filettata prevista lato impianto. Altri dettagli del fissaggio risultano da DE 196 11 447 Cl. In questo modo è realizzabile un bloccaggio semplice e sicuro dello scambiatore di calore.

Gli scambiatori di calore secondo l 'invenzione sono adatti nel modo migliore come refrigeratori di combustibile a raffreddamento ad acqua, poiché essi in un piccolo spazio costruttivo offrono percorsi di flusso molto lunghi, i quali per le piccole quantità di flusso presenti nei refrigeratori di combustibile o carburante mettono a disposizione un'elevata potenzialità di raffreddamento. Poiché il combustibile, in particolare nei motori ad Iniezione diretta, deve comunque essere messo in circolazione con elevate pressioni, la maggior perdita di pressione causata dal gran numero di rinvìi del flusso è accettabile senza svantaggi .

Per l 'ulteriore miglioramento della potenzialità di scambio del calore, nel canale di flusso sono collocate delle lamiere di turbolenza o altri elementi con effetto simile.

Qui di seguito l 'invenzione viene spiegata in due esempi di esecuzione, per i quali si fa riferimento ai disegni allegati. Da questi risultano ulteriori caratteristiche ed effetti, che eventualmente possono risultare essere caratteristiche sostanziali.

Mostrano:

figura 1 vista laterale del refrigeratore di combustibile, parzialmente in sezione,

figura 2 vista dall 'alto sulla figura 1,

figura 3 disposizione delle piastre dello scambiatore di calore, figura 4 vista dall 'alto su una singola piastra dello scambiatore di calore,

figura 5 sezione B-B in figura 4 per piastra di scambiatore di calore a, figura 6 sezione B-B in figura 4 per piastra di scambiatore di calore b, figura 7 sezione A-A in figura 4,

figura 8 piastra di estremità come parte singola,

figura 9 sezione C-C in figura 8,

figura 10 piastra di base,

figura 11 sezione D-D in figura 10,

figura 12 un’altra disposizione di piastre dello scambiatore di calore. Nel primo esempio di esecuzione lo scambiatore di calore a piastre 1 presenta soltanto sei piastre di scambiatore di calore. Il numero delle piastre a e b dello scambiatore di calore può essere scelto liberamente e dipende dal grado di raffreddamento richiesto ed altri parametri pure richiesti .

Lo scambiatore di calore a piastre 1 presenta in alto sulla piastra di estremità 2 un bocchettone di ingresso dell 'acqua WE ed un bocchettone di uscita del carburante KA, come pure in basso sulla piastra di base 3 un bocchettone di uscita dell 'acqua WA ed un bocchettone di entrata del carburante KE. L'acqua ed il carburante attraversano lo scambiatore di calore a piastre 1 in controcorrente. Nei canali di flusso 4 per l 'acqua e 5 per il carburante realizzati fra le piastre di scambiatore di calore a e b si trovano delle lamelle 6, che servono ad aumentare la potenzialità. Lo scambiatore di calore a piastre 1 costruito come descritto consiste in piastre di alluminio rivestite di lega brasante ed è completamente fabbricato mediante processo di brasatura. La piastra di base 3, la piastra di estremità 2 e tutte le piastre di scambiatore di calore a e b presentano un foro di passaggio centrale 7. In questo foro di passaggio 7 si trova una vite estraibile non rappresentata, la cui testa si appoggia sul bordo 8 (figura 2) formato dal diametro di foro minore nella piastra di base 3 (vedere anche le figure 8 e 10) .

La rappresentazione in esploso delle piastre a e b dello scambiatore di calore con disegnate le frecce di flusso W per l 'acqua e K per il carburante si può vedere in figura 3. Da questa figura si rileva che le direzioni di propagazione rispettivamente di flusso di acqua e carburante da canale di flusso 4 a canale di flusso 5 si intersecano, e che l 'acqua dal canale di flusso 4 al canale di flusso 4 successivamente secondo, ed il carburante dal canale di flusso 5 al canale di flusso 5 successivamente secondo compiono un percorso di flusso a zig zag attraverso lo scambiatore di calore a piastre 1. Cosi si forma un percorso di flusso lungo per l 'acqua e per il carburante, che favorisce lo scambio di calore. Lo scambiatore di calore a piastre 1 in questo esempio esecutivo è composto da tre piastre di scambiatore di calore del tipo a, nel quale tutte le quattro aperture c - f per il mezzo sono aperte, e da tre piastre di scambiatore di calore del tipo b, nel quale di volta in volta un'apertura per il mezzo è chiusa, la quale apertura è stata contrassegnata con g. Solo per favorire la comprensione del flusso che attraversa le piastre dello scambiatore di calore le aperture per i mezzi con i segni di riferimento c ed f nella piastra di scambiatore di calore a inferiore sono state disegnate chiuse. Queste aperture sono realmente chiuse, e precisamente per il fatto che la piastra di base 3, qui non rappresentata, che è connessa in modo fisso con la pila di piastre dello scambiatore di calore, chiude tali aperture c ed f. Questo è il motivo per cui in questo esempio di esecuzione, come detto sopra, sono necessarie di volta in volta tre piastre di scambiatore di calore di tipo a e tre piastre di scambiatore di calore di tipo b. Un numero uguale di piastre di scambiatore di calore differenti è sempre vantaggioso quando esse, devono essere fabbricate con doppi utensili , in cui due utensili sono disposti in un telaio di guida, cosi che con una corsa vengano ogni volta fabbricate una piastra di scambiatore di calore del tipo a ed una piastra di scambiatore di calore del tipo b.

Come si può vedere nelle figure da 4 a 7, nelle quali sono rappresentate le piastre di scambiatore di calore a e b, le aperture e ed f hanno un passaggio 10 (figure 5 e 6) diretto verso il basso, e le aperture c ed f un passaggio 9 (figura 7) diretto verso l 'alto. I passaggi 9 e 10, quando vengono impilate le piastre di scambiatore di calore a e b, si impegnano uno nell 'altro rispettivamente si toccano e formano cosi un adatto bordo di brasatura. L'apertura c ha un passaggio 11 piegato ad angolo vivo. L'estremità 12 di questo passaggio 11 si impegna in un'apertura per mezzo e della piastra di scambiatore di calore a o b contigua, per cui le singole piastre a e b dell ' intera pila sono assicurate contro la rotazione, come si può vedere con maggior precisione dalla figura 3. In altre parole, le singole piastre di scambiatore di calore impilate, preparate per la brasatura, rimangono nella posizione ad esse associata. Si può facilmente capire che la rotazione delle piastre di scambiatore di calore causerebbe notevoli problemi di qualità, perfino renderebbe inutilizzabile il prodotto. Questo, come descritto, viene sicuramente impedito.

Inoltre si può vedere nelle figure che ogni piastra di scambiatore di calore a e b presenta un bordo esterno 13 ed un colletto 14 intorno al fora di passaggio centrale 7. Il bordo esterno 13 ed il colletto 14 formano, quando si<: >impilano le piastre a e b, una superficie di brasaturL con il colletto 14 ed il bordo 13 della piastra di scambiatore di calore di volta in volta contiguo. Le figure 5 e 6 mostrano la sporgenza di marcatura 15, collocata sul bordo esterno 13. Per consentire la distinzione, la sporgenza di marcatura 15 in figura 5 ha un'apertura 16. Questa apertura 16 indica che si tratta di una piastra di scambiatore di calore di tipo a, nella quale tutte le aperture di flusso sono aperte. La sporgenza di marcatura 15 è di aiuto quando l 'impilaggio delle piastre dello scambiatore di calore viene fatto a mano, per rendere possibile un controllo della regolarità dell 'impilaggio stesso. Se si impiegano delle macchine automatiche di impilaggio, la sporgenza di marcatura 15 può mancare.

Se la fabbricazione delle piastre di scambiatore di calore del tipo a e del tipo b viene eseguita con una cosiddetta attrezzatura combinata, per il tipo b basta togliere i punzoni di tranciatura per l 'apertura di flusso g e per L 'apertura 16.

Le figure 8 e 9 mostrano la piastra di estremità 2 appartenente allo scambiatore di calore a piastre 1. La piastra di estremità 2 rappresenta la piastra di copertura superiore dello scambiatore di calore a piastre 1. La foratura centrale 17 è maggiore della foratura 17 della piastra di base 3 descritta brevemente in seguito. Inoltre la piastra di estremità 2 presenta due altre forature 18 e 19. Una di esse serve per l ' inserimento del bocchettone di entrata dell 'acqua WE, e l 'altra per l 'inserimento del bocchettone di uscita del carburante KA. Le foratura 18 e 19 si trovano nel centro di coniature circolari 20, che sono previste per migliorare la connessione brasata dei bocchettoni KA e WE, ma soprattutto tali coniature circolari 20 sono necessarie per assicurare che di volta in volta uno dei passaggi 9 o 10 possa essere alloggiato intorno all 'apertura di flusso c, d, e o f, per cui viene assicurato un appoggio piatto della piastra di estremità 2 sulla piastra di scambiatore di calore a o b posta più in alto.

La piastra di base 3 rappresentata nelle figure 10 e 11 si differenzia dalla piastra di estremità 2 per il fatto che, come già detto, la foratura centrale 17 è più piccola, e per il fatto che a partire dalla superficie piana 22 della piastra di base 3 è collocato un pezzo ritagliato 21, parzialmente tagliato e ripiegato, sporgente oltre la superficie 22. Il ritaglio 21 ripiegato serve come mezzo ausiliario per il fissaggio dello scambiatore di calore a piastre 1, per impedire la rotazione dello scambiatore di calore a piastre 1 intorno al punto di fissaggio centrale.

La figura 12 mostra un secondo esempio di esecuzione. Ad eccezione della sporgenza di marcatura 15, che, come già descritto, non serve nel caso di impiego di macchine automatiche di impilaggio, sono state impiegate nella figura 12 piastre di scambiatore di calore b identiche. L'apertura di flusso chiusa è contrassegnata con g. La figura 12 mostra che le piastre di scambiatore di calore b sono disposte di volta in volta ruotate rispettivamente sfalsate di 90° l ' una rispetto all 'altra intorno all 'asse verticale. In questo modo una linea di collegamento immaginaria corre fra le aperture di flusso chiuse g, ma anche fra le altre uguali aperture di flusso, con andamento a spirale in direzione dell 'asse verticale, intorno allo scambiatore di calore 1. In tal modo si può assiemare uno scambiatore di calore a piastre 1 composto da un numero a scelta di piastre di scambiatore di calore b uguali . In tal caso, qualora si desiderino gli ingressi e/o le uscite WE, WA, KE, KA in aperture di flusso diverse da quelle rappresentate in figura 12, si può naturalmente scegliere liberamente anche l 'apertura di flusso chiusa. E' solo importante che in tutte le piastre di scambiatore di calore b sia chiusa sempre la stessa apertura di flusso. In figura 12 il carburante entra in basso presso f nel canale di flusso 5, in g esso scorre verso l 'alto nel più vicino canale di flusso 5, da lì di nuovo verso l 'apertura g chiusa, poi verso l 'alto, attraverso le aperture di flusso collegate c ed f, nel canale di flusso 5 più in alto, e così via. L'acqua scorre dall 'alto, attraverso le aperture di flusso f e c collegate, nel canale di flusso più in alto contrassegnato con 4. Ivi l 'acqua incontra l 'apertura di flusso chiusa g e scorre verso il lato opposto, attraverso le aperture di flusso f e c collegate, nel secondo canale di flusso successivo, di nuovo contrassegnato con 4. Ivi l 'acqua incontra di nuovo un'apertura di flusso chiusa g. L'acqua scorre poi , attraverso l 'apertura di flusso c nella piastra di scambiatore di calore inferiore, nel successivo percorso di flusso non rappresentato.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore a piastre senza corpo, con piastre di scambiatore di calore impilate una sull 'altra, le quali presentano aperture di flusso e trasversalmente alla direzione delle piastre dello scambiatore di calore formano canali di flusso separati , ciascuno per un mezzo, i quali si alternano e nei quali la direzione di propagazione rispettivamente quella di flusso dei mezzi nei canali di flusso dello scambiatore di calore si intersecano, come pure con una piastra di base ed una piastra di estremità, le quali delimitano la pila di piastre dello scambiatore di calore, caratterizzato dal fatto che i mezzi sono guidati in controcorrente, ove l ' ingresso dei mezzi (WE o KE) e l 'uscita dei mezzi (WA o KA) per mezzi uguali sono disposte su lati opposti dello scambiatore di calore ed ogni mezzo, passando da un canale di flusso (4 o 5) al secondo canale di flusso successivo (4 o 5) compie un percorso di flusso a zig zag attraverso lo scambiatore di calore a piastre (1) .
2. Scambiatore di calore a piastre senza corpo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore a piastre (1) è composto da piastre di scambiatore di calore di due tipi (a e b) , ed ogni piastra di scambiatore di calore presenta almeno quattro aperture di flusso (c, d, e ed f) , che sono circondate da un passaggio formato integralmente (9, 10) , di cui due sporgono da un lato dal piano della piastra e due sono diretti verso l 'altro lato del piano della piastra.
3. Scambiatore di calore a piastre senza corpo secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che la differenza fra i due tipi di piastre di scambiatore di calore (a e b) sta nel fatto che una delle aperture di flusso {c, d, e o f) di uno dei tipi di piastra di scambiatore di calore (b) è chiusa.
4. Scambiatore di calore a piastre senza corpo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore a piastre (1) è composto da piastre di scambiatore di calore (b) identiche, le quali presentano almeno quattro aperture di flusso (c, d, e ed f) , le quali sono circondate da un passaggio (9, 10) formato integralmente, delle quali due sporgono da un lato dal piano della piastra, e due sono dirette verso l 'altro lato del piano della piastra, dal fatto che una delle aperture di flusso (c, d, e o f ) , ma sempre la stessa in tutte le piastre di scambiatore di calore (b) , è chiusa, e che le piastre di scambiatore di calore (b) sono disposte l ' una rispetto all 'altra in modo che l 'apertura di flusso chiusa (g) descriva una spirale immaginaria intorno allo scambiatore di calore a piastre (1) .
5. Scambiatore di calore a piastre senza corpo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che almeno uno dei passaggi {9) presenta una piegatura (11) ad angolo, la quale durante l 'impilaggio delle piastre di scambiatore di calore si impegna in una delle aperture di flusso (e o f) della piastra di scambiatore di calore (a o b) contigua, per assicurare le piastre di scambiatore di calore (a e b o b e b) contro la rotazione.
6. Scambiatore di calore a piastre senza corpo secondo una delle rivendicazioni precedenti , caratterizzato dal fatto che ciascuna delle piastre di scambiatore di calore (a e b) presenta un'apertura di passaggio (7), che è circondata da un colletto (14) ed è chiusa verso i canali di flusso (4 e 5), dal fatto che i colletti (14) dopo l 'impilaggio delle piastre di scambiatore di calore formano una superficie di collegamento, cosi che l 'apertura di passaggio (7) serve per alloggiare un organo di fissaggio estraibile.
7. Scambiatore di calore a piastre senza corpo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore a piastre (1) viene impiegato come refrigeratore del carburante raffreddato ad acqua.
8. Scambiatore di calore a piastre senza corpo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che un ingresso del mezzo (WE) ed un'uscita del mezzo (KA) per mezzi diversi sono disposti nella piastra di estremità (2), ed un ingresso del mezzo (KE) ed un'uscita del mezzo (WA) sono disposti nella piastra di base (3) .
9. Scambiatore di calore a piastre senza corpo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le piastre di scambiatore di calore (a e b) presentano ciascuna un bordo esterno (13) , i quali bordi, dopo l 'impilaggio delle piastre di scambiatore di calore (a e b oppure b e b) formano una superficie di brasatura.
10. Scambiatore di calore a piastre senza corpo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che sul bordo esterno (13) è disposta una sporgenza di marcatura (15), ove tale sporgenza di marcatura (15) presenta su uno dei tipi di piastra di scambiatore di calore (a) un'apertura (16) .