ITMO950172A1 - Dispositivo per introdurre un fluido ad elevata temperatura in un corpo rotante - Google Patents

Description

D E S C R I Z I O N E

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:

DISPOSITIVO PER INTRODURRE UN FLUIDO AD ELEVATA TEMPERATURA IN UN CORPO ROTANTE.

RIASSUNTO

Un dispositivo (1) per introdurre un fluido ad elevata temperatura in un corpo rotante comprende un tubo (2), al cui interno è previsto che passi il detto fluido e che è destinato al collegamento solidale con il detto corpo rotante. Il tubo (2) è accoppiato girevolmente ad un supporto (6) mediante cuscinetti (7). Allo scopo di ridurre lo stress termico dei cuscinetti (7), un fluido di raffreddamento viene alimentato ad un condotto (11), anulare, che è interposto, con solidarietà alla rotazione con il tubo (2), fra i cuscinetti (7) e il tubo (2) stesso e che presenta un ingresso (12) e un'uscita (13) per il fluido di raffreddamento. In particolare, il dispositivo (1) serve nell'industria cartaria per introdurre un fluido diatermico in un cilindro di essiccazione o di calandratura della carta. (Fig. 1)

DESCRIZIONE

Forma oggetto del presente trovato un dispositivo per introdurre un fluido ad elevata temperatura in un corpo rotante .

In modo specifico, ma non esclusivo, esso viene utilmente impiegato nell'industria cartaria per introdurre un fluido vettore di calore all'interno di un corpo rotante costituito da un cilindro di essiccazione o di calandratura di un nastro continuo di carta. Il fluido vettore di calore può essere, ad esempio, vapore acqueo, olio diatermico, eccetera .

In particolare si fa riferimento ad un dispositivo, detto comunemente giunto rotante, comprendente un tubo, che è destinato al collegamento solidale con il corpo rotante e nel quale è previsto il passaggio del fluido vettore di calore, e un supporto, esterno al tubo, al quale il tubo stesso è accoppiato girevolmente su appositi cuscinetti. In genere al supporto sono solidali due connessioni, una di mandata e una di scarico del fluido vettore di calore. Sono previsti inoltre degli organi di tenuta operanti fra il tubo rotante e il supporto fisso.

Il giunto viene collegato al corpo rotante - ad esempio un cilindro di essiccazione o di calandratura per carta -fissando coassialmente il tubo al corpo in modo che il primo presenti una propria estremità di uscita sfociante in una bocca di ingresso del secondo.

Durante il funzionamento, il corpo rotante trascina nel suo moto di rotazione il tubo, mentre un fluido vettore di calore, preventivamente riscaldato ad una temperatura di esercizio relativamente elevata, viene alimentato alla connessione di mandata e, passando attraverso il tubo, viene introdotto nel corpo rotante al quale cede calore. In genere è previsto che il fluido, dopo aver lavorato, sia convogliato alla connessione di scarico attraverso un canale di scarico anch'esso solidale alla rotazione con il corpo rotante; il canale di scarico è solitamente collocato coassialmente all'interno del suddetto tubo.

Allo scopo di migliorare il rendimento e la velocità dei processi industriali in cui è previsto di introdurre un fluido ad elevata temperatura in un corpo rotante, in particolare nel settore dell'industria della carta, occorre utilizzare un fluido ad una temperatura di esercizio relativamente elevata.

Tuttavia l'esperienza insegna che attualmente non conviene superare un certo limite della temperatura di esercizio del fluido, poiché ciò comporterebbe un intollerabile stress termico dei cuscinetti montati sul tubo rotante in cui scorre il fluido caldo. In sostanza, a parità di altre condizioni operative - velocità di rotazione del corpo, pressione di esercizio del fluido, eccetera - l'aumento della temperatura di esercizio del fluido vettore di calore provoca un aggravarsi delle condizioni di lavoro dei cuscinetti del giunto e quindi una diminuzione della loro durata di funzionamento e, in definitiva, la necessità di sostituirli più di frequente.

Attualmente si preferisce pertanto adottare una temperatura di esercizio del fluido riscaldante relativamente bassa, a scapito del rendimento e della velocità del processo industriale, in modo da ridurre al minimo le fermate del corpo rotante utilizzatore dovute alla sostituzione dei cuscinetti del giunto. A titolo di esempio, si pensi che, nel caso specifico dell'industria cartaria, la fermata per manutenzione di un cilindro di essiccazione o di calandratura comporta il blocco di un impianto estremamente complesso e costoso e quindi un notevole danno economico. Scopo del presente trovato è quello di ovviare ai suddetti limiti ed inconvenienti della tecnica nota fornendo un dispositivo, costruttivamente semplice ed economico, che consenta di impiegare un fluido vettore di calore a temperatura relativamente elevata e che nel contempo garantisca una elevata durata di funzionamento dei cuscinetti .

Un vantaggio del presente trovato è rappresentato dal fatto che esso permette di ottenere un elevato gradiente termico fra i cuscinetti montati sul tubo e la parete interna del tubo stesso a diretto contatto con il fluido.

Un altro vantaggio del trovato è quello di compensare le dilatazioni differenziate che insorgono durante il funzionamento a causa del suddetto gradiente termico.

Un ulteriore vantaggio è quello di raccogliere il fluido diatermico che inevitabilmente trafila attraverso le tenute fra il tubo rotante e il relativo supporto fisso, evitando così la dispersione di tale fluido nell'ambiente. Inoltre grazie al presente trovato è possibile evitare la dispersione nell'ambiente dell'olio di lubrificazione dei cuscinetti.

Questi scopi e vantaggi ed altri ancora sono tutti raggiunti dal dispositivo in oggetto, cosi come esso risulta caratterizzato dalle rivendicazioni.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato meglio appariranno dalla descrizione dettagliata che segue di due forme di realizzazione del trovato medesimo, illustrate a titolo esemplificativo. ma non limitativo, nelle allegate figure, in cui:

la figura 1 mostra una vista laterale di una prima forma di realizzazione del dispositivo in oggetto con alcune parti sezionate secondo il piano di traccia I-I della successiva figura 2;

- la figura 2 mostra una vista laterale da sinistra di figura 1 con alcune parti sezionate secondo il piano di traccia II-II di figura 1;

la figura 3 mostra in sezione un particolare di una seconda forma di realizzazione.

Facendo riferimento alle suddette figure, con 1 si è complessivamente indicato un dispositivo per introdurre un fluido ad elevata temperatura in un corpo rotante.

Nella fattispecie il corpo rotante, non illustrato, è costituito da uno dei molteplici cilindri di essiccazione o di calandratura di un impianto per la fabbricazione della carta. Tale cilindro ruota dietro comando con asse x di rotazione orizzontale. Sulla superficie esterna del cilindro si avvolge parzialmente un nastro continuo di carta da essiccare o da calandrare. la superficie esterna attiva del cilindro viene riscaldata ad opera del suddetto fluido. Nel caso specifico il fluido vettore di calore può essere olio diatermico o vapor d'acqua.

Una caldaia, non illustrata, provvede a riscaldare il fluido diatermico fino ad una temperatura di esercizio che può anche superare i 300 'C. Mediante un ramo di mandata di un circuito di alimentazione del fluido, non illustrato, il fluido riscaldato viene convogliato al dispositivo 1 e viene da qui introdotto nel corpo rotante utilizzatore (cilindro di essiccazione o di calandratura ).

In seguito il fluido, dopo aver riscaldato la superficie attiva del cilindro rotante sulla quale è avvolto un nastro di carta da essiccare o da calandrare, passa nuovamente per il dispositivo 1 e ritorna alla caldaia seguendo un ramo di scarico del circuito di alimentazione. La direzione del flusso del fluido diatermico è indicata dalle frecce 14. Con 3 e 4 si sono indicate una connessione di mandata e, rispettivamente, una connessione di scarico del dispositivo I che sono previste per il collegamento con il ramo di mandata e, rispettivamente, con il ramo di scarico del circuito di alimentazione del fluido diatermico.

Con 2 si è indicato un tubo di alimentazione del fluido diatermico che è previsto per il collegamento solidale e coassiale con il cilindro di essiccazione o di calandratura. Una flangia 5 è montata a questo scopo su di un'estremità del tubo 2.

II tubo 2 è girevolmente accoppiato con asse x di rotazione ad un supporto 6 al quale sono solidamente fissate le dette connessioni di mandata 3 e di scarico 4. Fra il supporto 6 e il tubo 2 è montata una coppia di cuscinetti 7 muniti di relativi anelli di tenuta 27.

Internamente e coassialmente al tubo 2 è predisposto, anche se non illustrato, un condotto di ritorno del fluido diatermico comunicante ad una estremità con il cilindro rotante e all'estremità opposta con la connessione di scarico 4; il condotto di ritorno serve al passaggio del fluido diatermico dopo che questo ha ceduto calore al cilindro rotante.

Sono previsti inoltre dei mezzi di tenuta operanti fra il tubo 2 di alimentazione e il supporto 6. Tali mezzi comprendono nella fattispecie un anello 8 di tenuta frontale solidale al tubo 2 e collocato coassialmente all'esterno di questo. Un collare 9 di tenuta, coassiale al tubo 2, è montato sul supporto 6 con possibilità di compiere rispetto al supporto stesso limitati spostamenti assiali. Il collare 9 è mantenuto premuto contro l'anello 8 da una o più molle 10, in modo da fare tenuta fra una faccia, fissa, del collare e una controfaccia , rotante, dell'anello. Sono presenti, anche se non evidenziati, degli ulteriori mezzi di tenuta anch 'essi operanti sul tubo rotante, i quali sono conformati e disposti in modo da isolare il flusso di mandata del fluido diatermico da quello di ritorno.

Il dispositivo 1 presenta una aletta 26 solidale al supporto 6 che è destinata ad interagire con una apposita staffa esterna in modo da evitare una rotazione del supporto stesso.

Quanto fin qui descritto si riferisce a caratteristiche comuni al dispositivo in oggetto e ai giunti rotanti di tipo noto.

Secondo il presente trovato fra il tubo 2 e i cuscinetti 7 è predisposto un condotto 11 di raffreddamento, anulare, solidale alla rotazione con il tubo 2. Il condotto 11 presenta un ingresso 12 e una uscita 13 per un fluido di raffreddamento. Sono previsti inoltre dei mezzi per alimentare il fluido di raffreddamento, costituito preferibilmente da aria compressa, all'ingresso 12 del condotto 11. Tali mezzi comprendono di preferenza una sorgente di aria compressa, non illustrata, che immette un flusso di aria refrigerante in un canale 15 ricavato nello spessore del supporto 6. La direzione del flusso dell'aria è indicata da frecce 16. Il canale 15 sfocia in una camera 17 anulare delimitata da una porzione di estremità frontale del supporto 6 e da un disco 18 anulare sagomato e fissato al supporto 6. La camera 17 presenta una apertura anulare affacciata all’ingresso 12 del condotto 11. Fra il disco 18 e la superficie esterna del tubo 2 opera una tenuta 19 a labirinto.

All' interno del supporto 6 è ricavata, in corrispondenza dell'uscita 13 del condotto 11, una camera 30 anulare avente ad una estremità una uscita 31 dell'aria di raffreddamento collegata alla sorgente di aria compressa in modo da realizzare un circuito chiuso.

Come evidenziato in figura 1, il percorso dell'aria di raffreddamento passa in prossimità degli anelli di tenuta 27 e della zona di tenuta fra l'anello 8 e il collare 9. La conformazione e disposizione del percorso del fluido di raffreddamento è tale che il flusso di quest'ultimo aspira e trascina con sé le inevitabili perdite di olio di lubrificazione e di fluido diatermico che sfuggono dalle suddette tenute. In tal modo si evita di disperdere nell'ambiente 1 suddetti fluidi.

Fra le due pareti interne contraffacciate del condotto 11 anulare è operante una struttura di sostegno 20, realizzata preferibilmente in acciaio, che, nella forma di attuazione di figure 1 e 2, comprende una pluralità di elementi tubolari 21 paralleli al condotto 11 anulare e predisposti all'interno del condotto affiancati e a contatto l'uno dell'altro. Ciascun elemento tubolare 21, che si estende in direzione assiale dall 'ingresso 12 all'uscita 13, è inoltre a contatto con le pareti interne contraffacciate delimitanti il condotto 11 anulare. Il contatto fra un singolo elemento tubolare 21 e le dette pareti del condotto 11 avviene lungo due sottili zone longitudinali di ampiezza assai limitata .

Sono previsti dei mezzi di contrasto allo spostamento degli elementi tubolari 21 rispetto al condotto 11 anulare in direzione circonferenziale , i quali comprendono di preferenza un fermo 22 fissato ad entrambe le pareti interne contraffacciate delimitanti il condotto 11 anulare mediante una spina 28. Il fermo 22 è costituito da una piastrina parallelelepipeda interposta fra due elementi tubolari 21, a contatto con questi, ed estesa in lunghezza all'incirca quanto gli elementi 21 stessi.

In pratica il condotto 11 viene realizzato predisponendo, attorno alla porzione di tubo 2 che funge da perno un manicotto 29, sul quale è previsto il montaggio dei cuscinetti 7, avente diametro interno maggiore del diametro esterno del tubo 2, dando così luogo, fra il tubo 2 e il manicotto 29, ad una intercapedine aperta alle estremità che definisce il condotto 11 anulare. In seguito, all'interno di tale intercapedine, vengono inseriti per forzamento gli elementi tubolari 21 a formare una corona che circonda il tubo 2. Le dimensioni del tubo 2, del manicotto 29 e degli elementi tubolari 21 sono scelte in modo da relizzare un accoppiamento con interferenza. I cuscinetti 7 risultano montati sul manicotto 29.

Nelle forme di realizzazione illustrate il condotto 11 anulare e il relativo percorso del fluido di raffreddamento interessano entrambi i cuscinetti 7. E' possibile, con ovvie modifiche, prevedere per ogni cuscinetto 7 un rispettivo condotto anulare, assialmente più corto.

Nella forma di attuazione di figura 3 la struttura di sostegno 20 comprende un elemento ondulato 23, preferibilmente in acciaio, avente una superficie a sporgenze 24 e rientranze 25 alternate, in cui le sporgenze 24 sono a contatto con una delle due pareti interne contraffacciate delimitanti il condotto 11 anulare e le rientranze 25 sono a contatto con l'altra parete. Anche in questo caso viene predisposto il manicotto 29 attorno al tubo 2 ottenendo una intercapedine aperta alle estremità opposte all'interno della quale è montato con interferenza l'elemento ondulato 23. Pure in questo caso, nel condotto 11 è predisposto un mezzo di contrasto, non illustrato, fisso, che impedisce all'elemento ondulato di muoversi circonferenziaImente nel condotto 11.

In uso, il condotto 11 anulare viene continuamente alimentato con un fluido di raffreddamento (nella fattispecie aria compressa) che segue il percorso indicato dalle frecce 16, mentre sia il tubo 2 che il manicotto 29 esterno al tubo 2 e fungente da perno dell'accoppiamento girevole, nonché la struttura di sostegno 20 compresa fra il tubo e il manicotto 29, sono trascinati in rotazione dal corpo rotante. Contemporaneamente il fluido diatermico, a temperatura relativamente elevata, viene alimentato al tubo 2 per essere introdotto nel corpo rotante.

Passando attraverso il condotto 11, l'aria di raffreddamento lambisce sia le pareti, interna ed esterna, del condotto 11, che le superfici, interna ed esterna, della struttura di sostegno 20. Quest'ultima, oltre a svolgere funzioni strutturali, rappresenta anche una barriera al calore trasmesso per irraggiamento dalla parete interna a quella esterna del condotto 11; a questo scopo almeno una porzione della superficie esterna della struttura di sostegno 20 è p referibilmente levigata a specchio. Il calore trasmesso per conduzione fra le pareti del condotto 11 è relativamente basso, dal momento che i ponti termici sono ridotti, in sostanza, alle sottili zone di contatto fra la struttura di sostegno 20 e le pareti del condotto 11 ed eventualmente al fermo 22.

Si è osservato che, grazie allo speciale sistema di raffreddamento oggetto del presente trovato, nello spessore compreso fra la parete interna del tubo 2 a diretto contatto con il fluido diatermico caldo e la superficie interna dei cuscinetti 7 si instaura un gradiente termico assai elevato. In sostanza, la temperatura dei cuscinetti 7 in uso è relativamente bassa, il che ne aumenta la durata di funzionamento. Tale gradiente termico non rappresenta un problema strutturale in quanto la deformabilità ed elasticità del materiale della struttura di sostegno 20 e la sua particolare conformazione e disposizione consentono di compensare le dilatazioni termiche differenziate originate dal gradiente termico stesso.

Grazie al trovato in oggetto è possibile quindi lavorare ad elevate velocità di rotazione del corpo rotante utilizzatore e ad elevate temperature di esercizio del fluido diatermico, pur con un ridotto numero di fermate per la manutenzione del sistema di supporto.

Ovviamente al trovato potranno essere applicate numerose modifiche di natura pratico-applicativa dei dettagli costruttivi senza che per altro si esca dall'ambito di protezione dell'idea inventiva sotto rivendicata.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo (1) per introdurre un fluido ad elevata temperatura in un corpo rotante, comprendente: un tubo (2), al cui interno è previsto che passi il detto fluido e che è destinato al collegamento solidale con il detto corpo rotante; un supporto (6), al quale il tubo (2) è accoppiato girevolmente mediante almeno un cuscinetto (7); caratterizzato dal fatto che comprende un condotto (11), anulare, che è interposto, con solidarietà alla rotazione con il tubo (2), fra il cuscinetto (7) e il tubo (2) e che presenta un ingresso (12) e un'uscita (13) per un fluido di raffreddamento.
2. 2) Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende una struttura di sostegno (20) operante fra due pareti interne contraffacciate del condotto (11) anulare.
3. 3) Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che comprende dei mezzi di contrasto allo spostamento, in direzione circonferenziale, della struttura di sostegno (20) rispetto al condotto (11) anulare.
4. 4) Dispositivo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che la struttura di sostegno (20) è predisposta con forzamento all'interno del condotto (11) anulare.
5. 5) Dispositivo secondo una delle rivendicazioni dalla 2 alla 4, caratterizzato dal fatto che la struttura di sostegno (20) comprende una pluralità di elementi tubolari (21) paralleli al condotto (11), affiancati e a contatto l'uno dell'altro, ciascuno dei quali è inoltre a contatto con entrambe le dette pareti interne contraffacciate del condotto (li) anulare.
6. 6) Dispositivo secondo le rivendicazioni 5 e 3, caratterizzato dal fatto che i mezzi di contrasto comprendono un fermo (22) fissato ad entrambe le pareti interne contraffacciate del condotto (11) anulare, detto fermo essendo interposto fra due elementi tubolari (21) e a contatto con questi.
7. 7) Dispositivo secondo una delle rivendicazioni dalla 2 alla 4, caratterizzato dal fatto che la struttura di sostegno (20) comprende un elemento ondulato (23) avente una superficie a sporgenze (24) e rientranze (25) alternate, in cui le sporgenze (24) sono a contatto con una delle pareti interne contraffacciate del condotto (11) anulare e le rientranze (25) sono a contatto con l'altra parete.