ITPC20010006A1

ITPC20010006A1 - HEAT EXCHANGER WITH SERPENTINE CONSTITUTED BY A TUBULAR ELEMENT WITH DROP SECTION

Info

Publication number: ITPC20010006A1
Authority: IT
Inventors: Flavio Mele
Original assignee: Metech Srl
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2001-02-23
Publication date: 2002-08-23

Description

Descrizione di un brevetto di invenzione aventi titolo: Description of an invention patent entitled:

SCAMBIATORE DI CALORE CON SERPENTINA COSTITUITA DA UN ELEMENTO TUBOLARE CON SEZIONE A GOCCIA HEAT EXCHANGER WITH COIL CONSISTING OF A TUBULAR ELEMENT WITH A DROP SECTION

La presente invenzione concerne una particolare profilatura di tubi da impiegare in uno scambiatore per caldaia per uso domestico, destinata alla produzione d’acqua calda per il riscaldamento e per l’alimentazione dei sanitari. The present invention relates to a particular profiling of pipes to be used in a boiler exchanger for domestic use, intended for the production of hot water for heating and for the supply of sanitary ware.

Più in particolare, l’invenzione propone uno scambiatore di calore adatto in special modo per essere utilizzato su caldaie per riscaldamento e con produzione di acqua sanitaria, nel quale la serpentina per il passaggio dell'acqua ha una sezione a goccia e, più in particolare, una sezione che presenta la parte inferiore semi-circolare e la parte superiore conformata a cuspide o simili. More particularly, the invention proposes a heat exchanger especially suitable for use on boilers for heating and with the production of sanitary water, in which the coil for the passage of water has a drop section and, more particularly , a section with a semi-circular lower part and a cusp-shaped upper part or the like.

Questa soluzione permette di raggiungere un equilibrio ottimale fra la quantità di calore è che possibile trasferire attraverso la superficie del tubo che costituisce le serpentina e il volume dell'acqua che viene fatta circolare nella stessa e quindi una migliore dinamica dei flussi termici e idrici. This solution allows to reach an optimal balance between the quantity of heat that can be transferred through the surface of the pipe that constitutes the coil and the volume of the water that is circulated in it and therefore a better dynamics of the thermal and water flows.

Generalmente gli scambiatori di calore utilizzati nelle caldaie per uso domestico, in particolare nelle caldaie a muro, comprendono una serpentina fissata ad una pluralità d’alette per un migliore scambio termico. Generally, the heat exchangers used in boilers for domestic use, in particular in wall-mounted boilers, include a coil fixed to a plurality of fins for better heat exchange.

Le dimensioni delle caldaie, in particolare delle caldaie murali, sono pressoché standardizzate e lo spazio per collocare lo scambiatore di calore è piuttosto limitato (oggi la tendenza è rivolta verso una riduzione sempre più spinta delle dimensioni). The dimensions of the boilers, in particular of the wall-hung boilers, are almost standardized and the space for placing the heat exchanger is rather limited (today the trend is towards an increasingly dramatic reduction in size).

Per questo è necessario trovare una disposizione che permetta di ottenere uno sviluppo sufficiente della serpentina, mantenendo però una sezione di passaggio dell’acqua abbastanza ampia, tale da permettere una buona circolazione dell'acqua anche con una pompa con bassa prevalenza, pur non compromettendo l’idrodinamicità del flusso. For this it is necessary to find an arrangement that allows to obtain a sufficient development of the coil, while maintaining a large enough water passage section, such as to allow a good circulation of the water even with a pump with low head, while not compromising the hydrodynamics of the flow.

I tubi che costituiscono la serpentina sono generalmente a sezione rotonda oppure ovale. The pipes that make up the coil are generally with a round or oval section.

La forma rotonda limita, a parità di spazio, la quantità di tubi e quindi la possibilità di raggiungere una distribuzione termica equilibrata. The round shape limits, with the same space, the quantity of pipes and therefore the possibility of achieving a balanced thermal distribution.

I tubi rotondi presentano però il vantaggio di richiedere una pompa con bassa prevalenza per far circolare l’acqua; poiché però il rapporto fra perimetro e superficie della sezione è minimo, risulta minima anche quantità di calore trasferita al fluido e quindi per i diametri usuali aumentano i rischi di rumorosità dovuti generalmente a fenomeni di risonanza. However, round pipes have the advantage of requiring a pump with a low head to circulate the water; however, since the ratio between the perimeter and the surface of the section is minimal, the quantity of heat transferred to the fluid is also minimal and therefore, for the usual diameters, the noise risks generally due to resonance phenomena increase.

Per aumentare la quantità di calore che è possibile trasferire nelle unità di tempo e migliorare la dinamica del flusso, si è allora ricorsi aH'utilizzazione di tubi di sezione ellittica o ovale. In order to increase the quantity of heat that can be transferred in time units and to improve the flow dynamics, it was then resorted to the use of elliptical or oval section tubes.

Con questa configurazione il rapporto fra perimetro e sezione aumenta ed aumenta così da quantità di calore trasferita. With this configuration the ratio between perimeter and section increases and thus increases by the amount of heat transferred.

Inoltre questa configurazione permette di collocare, in uno scambiatore dalle stesse dimensioni complessive, un numero maggiore di tubi, generalmente sei o sette tubi. Furthermore, this configuration allows to place, in an exchanger of the same overall size, a greater number of pipes, generally six or seven pipes.

L’inconveniente di questa soluzione è dato dal maggior peso del scambiatore e, soprattutto, dal maggior costo rispetto a quelli con serpentina cilindrica. The drawback of this solution is the greater weight of the exchanger and, above all, the higher cost compared to those with cylindrical coil.

La cosa si complica poi negli scambiatori bi-termici, dove la serpentina è formata da due tubi coassiali: il tubo esterno serve per l'acqua primaria, che va agli apparecchi di riscaldamento, mentre nel tubo interno passa l'acqua sanitaria. This is then complicated in the bi-thermal exchangers, where the coil is formed by two coaxial pipes: the external pipe is used for the primary water, which goes to the heating appliances, while the domestic water passes through the internal pipe.

Nel caso di scambiatori bi-termici, infatti, si incontrano notevoli problemi perché, a causa della sezione ridotta dei tubi, occorrono pompe di prevalenza notevole per fare circolare l’acqua alla velocità necessaria. Nel caso di scambiatori con tubi ovali, si incontrano problemi ancora maggiori. In the case of bi-thermal exchangers, in fact, significant problems are encountered because, due to the reduced section of the pipes, pumps with a considerable head are required to circulate the water at the necessary speed. In the case of exchangers with oval tubes, even greater problems are encountered.

Per risolvere i problemi economici dei tubi ovali si è costretti a ridurne il numero, ma questo comporta un incremento eccessivo delle perdite di carico oppure una loro diminuzione eccessiva, a seconda che il circuito idraulico risulti essere in serie oppure in parallelo. Entrambe le soluzioni portano comunque ad una non corretta fluidodinamica all'interno dei tubi. Si presenta, perciò, il problema di realizzare uno scambiatore di calore le cui caratteristiche permettano di raggiungere un buon equilibrio fra la quantità di calore trasferita attraverso la superficie e la sua distribuzione sulle parti scambianti, la portata di acqua trattata e la prevalenza necessaria per ottenere questa portata di acqua nell'unità di tempo. To solve the economic problems of oval pipes it is necessary to reduce their number, but this involves an excessive increase in pressure drops or an excessive decrease in them, depending on whether the hydraulic circuit is in series or in parallel. However, both solutions lead to incorrect fluid dynamics inside the pipes. Therefore, the problem arises of creating a heat exchanger whose characteristics allow to reach a good balance between the quantity of heat transferred through the surface and its distribution on the exchanging parts, the flow rate of treated water and the prevalence necessary to obtain this flow of water in the unit of time.

L'invenzione risolve questo problema prevedendo uno scambiatore con i tubi aventi una sezione sostanzialmente a goccia e preferibilmente una sezione in cui la parte inferiore del tubo ha una forma semicircolare o ad arco di cerchio o anche una forma ellittica, mentre la parte superiore ha una forma a cuspide o comunque una forma che limita la superficie della sezione nella parte superiore del tubo. The invention solves this problem by providing an exchanger with tubes having a substantially drop-shaped section and preferably a section in which the lower part of the tube has a semicircular or arc-shaped or even an elliptical shape, while the upper part has a cusp shape or in any case a shape that limits the surface of the section in the upper part of the pipe.

L’invenzione verrà ora descritta nel. dettaglio con riferimento alle figure allegate, in cui: The invention will now be described in. detail with reference to the attached figures, in which:

• la figura 1 mostra, in sezione, un tubo utilizzato per realizzare uno scambiatore di calore secondo l'invenzione; Figure 1 shows, in section, a tube used to make a heat exchanger according to the invention;

· figura 2 illustra, in sezione, una possibile configurazione di un tubo di acqua sanitaria da utilizzare in uno scambiatore bi-termico secondo l'invenzione; Figure 2 shows, in section, a possible configuration of a sanitary water pipe to be used in a bi-thermal exchanger according to the invention;

• figura 3 illustra, in sezione, il tubo di una serpentina in uno scambiatore bi-termico secondo l'invenzione; Figure 3 shows, in section, the tube of a coil in a bi-thermal exchanger according to the invention;

· la figura 4 mostra, in sezione, uno scambiatore di calore secondo l'invenzione, nel quale è evidenziata la forma delle alette scambiatrici. Il concetto che sta alla base del trovato, consiste nel realizzare le serpentina facendo uso di un tubo avente una sezione per la quale il rapporto tra la lunghezza del perimetro e l’area di detta sezione sia la più adeguata possibile e consenta di ottenere una ottimale perdita di carico, necessaria alla distribuzione dei gradienti termici e di pressione nello scambiatore, compatibilmente con la facilità di circolazione dell’acqua, in particolare più grande di quello che si verifica nella sezione circolare. Figure 4 shows, in section, a heat exchanger according to the invention, in which the shape of the exchanger fins is highlighted. The concept underlying the invention consists in making the coil using a tube having a section for which the ratio between the length of the perimeter and the area of said section is as adequate as possible and allows to obtain an optimal pressure drop, necessary for the distribution of thermal and pressure gradients in the exchanger, compatibly with the ease of water circulation, in particular greater than that which occurs in the circular section.

Il problema viene risolto, secondo l'invenzione, prevedendo di utilizzare, per realizzare la serpentina, un tubo la cui sezione ha la configurazione illustrata in figura 1. The problem is solved, according to the invention, by providing to use, to make the coil, a tube whose section has the configuration shown in Figure 1.

Qui il tubo, indicato nel suo complesso con 1, presenta una sezione sostanzialmente a goccia, con la parte inferiore 2 di forma sostanzialmente semicircolare, o ad arco di cerchio o anche una sezione ellittica, mentre la parte superiore 3 ha una sezione a cuspide o comunque una sezione che presenta due lati concavi. Here the tube, indicated as a whole with 1, has a substantially drop-shaped section, with the lower part 2 having a substantially semicircular shape, or an arc of a circle or even an elliptical section, while the upper part 3 has a cusp or cusp section. however a section that has two concave sides.

In questo modo si riduce l’area della sezione rispetto al casi di un tubo a sezione circolare avente lo stesso perimetro, mantenendo tuttavia una forma favorevole alla circolazione dell’acqua e permettendo di ottenere, dove serve, i vantaggi delle configurazioni sia rotonda che ovale.. In this way, the section area is reduced compared to the case of a circular section pipe having the same perimeter, while maintaining a shape favorable to the circulation of water and allowing to obtain, where needed, the advantages of both round and oval configurations. ..

Nel caso di scambiatore bi-termico, all'interno di questa sezione si trova un secondo tubo 4, che può avere la forma illustrata in figura 2, ma anche qualsiasi altra forma che lasci un’intercapedine di sezione sufficiente a permettere una facile circolazione dell’acqua primaria anche con una pompa con bassa prevalenza. In the case of a bi-heat exchanger, inside this section there is a second tube 4, which can have the shape shown in figure 2, but also any other shape that leaves a gap with a section sufficient to allow easy circulation of the primary water even with a low head pump.

Osservando la configurazione di figura 3 si nota che sono presenti, nell’intercapedine tra i due tubi, due sezioni 5 e 5’ non troppo schiacciate in cui passa l’acqua primaria ed una sezione composita, quella del tubo 4, in cui passa l’acqua sanitaria. Observing the configuration of figure 3 it can be seen that there are, in the interspace between the two pipes, two sections 5 and 5 'not too squashed through which the primary water passes and a composite section, that of pipe 4, through which the 'sanitary water.

II fatto che le due sezioni in cui passa l’acqua primaria non siano troppo schiacciate consente di contenere le perdite per attrito. Nel caso della sezione del tubo interno, in cui passa l’acqua sanitaria, la sezione indicata, pur presentando una parte piuttosto schiacciata, presenta tuttavia un’altra parte piuttosto tondeggiante. The fact that the two sections through which the primary water passes are not too squashed allows to contain friction losses. In the case of the section of the internal pipe, in which the sanitary water passes, the indicated section, although presenting a rather flattened part, nevertheless has another rather rounded part.

Nella sezione si formeranno sostanzialmente due flussi: il flusso principale dell’acqua tenderà a concentrarsi proprio su questa parte tondeggiante della sezione, mentre nell’altra parte si avrà un flusso secondario più lento. Basically two flows will be formed in the section: the main water flow will tend to concentrate precisely on this rounded part of the section, while in the other part there will be a slower secondary flow.

Essendo i due flussi a contatto in corrispondenza della strozzatura, si creeranno turbolenze a causa delle differenti velocità, a tutto vantaggio dell’efficacia dello scambio termico. Since the two flows are in contact at the bottleneck, turbulence will be created due to the different speeds, all to the advantage of the efficiency of the heat exchange.

Il rapporto fra le sezioni dei tubi 4 e 1 potrà variare in funzione delle diverse applicazioni, anche se si è trovato che i migliori risultati si ottengono per rapporti compresi fra 1 :2,5 e 1 :4. The ratio between the sections of the tubes 4 and 1 may vary according to the different applications, even if it has been found that the best results are obtained for ratios between 1: 2.5 and 1: 4.

I tubi di questa forma possono essere ottenuti deformando, ad esempio tramite rullatura, profilatura o altro sistema noto, un tubo cilindrico, oppure possono essere realizzati direttamente con la sezione necessaria. The tubes of this shape can be obtained by deforming, for example by rolling, profiling or other known system, a cylindrical tube, or they can be made directly with the necessary section.

In conseguenza della forma della sezione del tubo 1 , le alette 6 dello scambiatore avranno la configurazione mostrata in fig. 2. As a consequence of the shape of the section of the tube 1, the fins 6 of the exchanger will have the configuration shown in fig. 2.

Qui, sulla superficie di dette alette 6 sono presenti delle protuberanze 7 o degli intagli 8, ottenuti per deformazione del metallo che costituisce le alette, e che creano una certa turbolenza, atta a favorire lo scambio termico. Here, on the surface of said fins 6 there are protuberances 7 or notches 8, obtained by deformation of the metal which constitutes the fins, and which create a certain turbulence, suitable to favor the heat exchange.

La configurazione dei tubi nello scambiatore secondo l’invenzione, attraverso il miglioramento dello scambio termico, consente di ridurre le dimensioni dello scambiatore, a parità di potenza scambiata e di efficienza, e permette una facile circolazione dell'acqua primaria anche con una pompa con bassa prevalenza. The configuration of the pipes in the exchanger according to the invention, through the improvement of the heat exchange, allows to reduce the dimensions of the exchanger, with the same power exchanged and efficiency, and allows easy circulation of the primary water even with a pump with low prevalence.

Un esperto del ramo potrà poi prevedere diverse modifiche e varianti, che dovranno però ritenersi tutte comprese nelPambito del presente trovato A person skilled in the art can then foresee various modifications and variations, which must however be considered all included within the scope of the present invention

Claims

CLAIMS 1) Heat exchanger for boilers for heating and sanitary water production, characterized by the fact of providing pipes for the passage of water having a section that has, for the purposes of the efficiency of the heat exchange, a ratio between the length of the perimeter and the area of the section greater than that of a circular section having the perimeter of equal length.

2) Heat exchanger for domestic use boilers, according to the previous claim, characterized by the fact that the pipes have a substantially drop section 3) Heat exchanger for domestic use boilers, according to the previous claim, characterized by the fact that the lower part of the tube has a semicircular section and the upper part of the tube has a cusp section. 4) Heat exchanger for domestic use boilers, according to claim 2, characterized by the fact that the lower part of the tube has a circular arc section and the upper part of the tube has a cusp section. 5) Heat exchanger for domestic use boilers, according to claim 2, characterized by the fact that the lower part of the tube has an elliptical section and the upper part of the tube has a cusp section. 6) Heat exchanger for domestic use boilers, according to each of claims 2 to 5, characterized by the fact that the upper part of the tube has a section that has two concave sides. 7) Bi-thermal heat exchanger for boilers for domestic use, of the type comprising a coil fixed to a series of fins, characterized in that said coil is constituted by an external tube according to any one of claims 2 to 6, to inside which there is a second pipe for sanitary water. 8) Bi-thermal heat exchanger for boilers for domestic use, according to claim 7, characterized in that said inner tube has an arrow section. 9) Bi-thermal heat exchanger for boilers for domestic use, according to claim 7, characterized in that the ratio between the sections of the internal and external pipes is comprised between 1: 2.5 and 1: 4, preferably approximately 1: 3. 10) Heat exchanger for domestic use boilers, as described and illustrated and for the specified purposes.