ITRM20100060A1

ITRM20100060A1 - Scambiatore di calore a superficie per macchine volumetriche a fluido comprimibile.

Info

Publication number: ITRM20100060A1
Application number: IT000060A
Authority: IT
Inventors: Raffaele Cozzolino
Original assignee: Raffaele Cozzolino
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2010-02-16
Publication date: 2011-08-17
Also published as: EP2536992A1; IT1398189B1; WO2011101882A1; US20130058817A1; EP2536992B1

Description

SCAMBIATORE DI CALORE A SUPERFICIE PER MACCHINE

VOLUMETRICHE A FLUIDO COMPRIMIBILE

La presente invenzione riguarda il settore delle macchine volumetriche a fluido comprimibile, quali ad esempio compressori di aria e di gas industriali, compressori per l'industria chimica o petrolchimica, espansori, e fa riferimento ad un innovativo scambiatore di calore a superficie da installare in una macchina volumetrica a fluido comprimibile in modo tale che una quantitÃ di calore venga scambiata contemporaneamente allo scambio di lavoro che si realizza durante la trasformazione termodinamica che avviene all'interno di detta macchina volumetrica.

Ad oggi, le tradizionali macchine volumetriche a fluido comprimibile non sono dotate di uno scambiatore di calore interno.

Attualmente, Ã ̈ ben nota la difficoltÃ di scambiare calore durante una trasformazione termodinamica nella macchina volumetrica a fluido comprimibile, ad esempio di sottrarre calore durante una trasformazione di compressione in una macchina operatrice oppure di addurre calore durante una trasformazione di espansione in una macchina motrice.

Il gas che evolve nella tradizionale macchina volumetrica, come in tutte le macchine volumetriche a fluido comprimibile, presenta una notevole variazione della temperatura durante la trasformazione termodinamica che si realizza in detta macchina volumetrica. Si suppone che tale trasformazione termodinamica sia adiabatica e pertanto il gas non scambia calore con l'esterno.

Fissato un punto di partenza per detta trasformazione adiabatica, definito dal valore delle variabili di stato (p, V, T), in una macchina operatrice occorre spendere una certa quantitÃ di lavoro affinchÃ© una determinata massa di fluido raggiunga un prestabilito valore di pressione, mentre in una macchina motrice Ã ̈ possibile ottenere una certa quantitÃ di lavoro a partire da una determinata massa di fluido in relazione ad un determinato rapporto di espansione.

Sarebbe opportuno realizzare una trasformazione isoterma, e quindi mantenere la temperatura costantemente uguale a quella del punto di partenza, per diminuire la quantitÃ di lavoro da spendere per comprimere la stessa massa di gas allo stesso valore della pressione finale, o per aumentare la quantitÃ di lavoro ottenibile dalla espansione della stessa massa di gas in relazione allo stesso valore del rapporto di espansione.

In entrambi i casi, i limiti di realizzazione di una trasformazione isoterma sono riconducibili alla difficoltÃ del fluido che evolve nella macchina volumetrica di scambiare calore con l'ambiente esterno, oppure con una sorgente termica capace di assorbire il calore generato in una compressione o addurre calore durante una espansione.

Tale difficoltÃ Ã ̈ dovuta da una parte ad un valore sfavorevole del rapporto tra la superficie di scambio PoichÃ© il valore del coefficiente convettivo del fluido evolvente nella macchina volumetrica Ã ̈ minore di quello del fluido vettore, lo scambio di calore Ã ̈ controllato dal coefficiente convettivo di detto fluido evolvente.

Uno svantaggio Ã ̈ che i valori del coefficiente convettivo del fluido evolvente sono di difficile reperibilitÃ .

Infatti, la quantitÃ di dati disponibili, raccolti in forma adimensionale per un elevato numero di geometrie, fa riferimento a condizioni di moto permanente per entrambi i flussi, e quindi consente un agevole proporzionamento di scambiatori di calore in cui i fluidi che li attraversano sono entrambi in condizioni di moto permanente.

Un ulteriore svantaggio Ã ̈ dato dalla difficoltÃ di realizzare scambiatori di calore efficienti di ridotte dimensioni tali da poter essere agevolmente applicati alla macchina volumetrica, all'interno dell'ambiente in cui avviene la trasformazione termodinamica che in essa si realizza, o anche all'esterno della macchina, con uno dei due flussi costituito dal fluido evolvente nella macchina.

Scopo della presente invenzione Ã ̈ quello di superare detti svantaggi, fornendo uno scambiatore di calore a superficie da applicare ad una macchina volumetrica a fluido comprimibile, affinchÃ© venga scambiata una quantitÃ di calore tra il fluido in moto non permanente che evolve all'interno della macchina volumetrica, ed un fluido vettore in moto permanente, contemporaneamente allo scambio di lavoro durante la trasformazione termodinamica che avviene in detta macchina volumetrica, migliorando cosÃ¬ le prestazioni della macchina volumetrica, in termini di lavoro ottenuto o fornito per Kg di fluido.

In particolare, scopo dell'invenzione Ã ̈ quello di ridurre il lavoro di compressione unitario per ciascuna unitÃ di massa fluida evolvente, cioÃ ̈ il lavoro da fornire ad un compressore, o quello di accrescere il lavoro di espansione unitario ottenibile in un espansore dall'unitÃ di massa fluida evolvente.

Questi ed altri risultati sono stati ottenuti, secondo l'invenzione, prevedendo, internamente o esternamente alla macchina, uno scambiatore di calore, configurato in modo tale da rendere il valore da adottare per il coefficiente globale di scambio termico dipendente dal coefficiente convettivo del fluido vettore in moto permanente ed aumentare la superficie di scambio tra il fluido evolvente in moto non permanente ed il fluido vettore in moto permanente, e di conseguenza migliorare il rapporto S/V.

Nel caso in cui lo scambiatore di calore sia posizionato esternamente alla macchina volumetrica, resta il fatto che il calore deve essere scambiato contemporaneamente allo scambio di lavoro che si realizza all'interno del volume di lavoro di detta macchina volumetrica, e pertanto i condotti di detto scambiatore di calore per il fluido evolvente devono considerarsi parte integrante di detto volume di lavoro Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione uno scambiatore di calore a superficie da accoppiare ad una macchina volumetrica a fluido comprimibile, al cui interno evolve un fluido in moto non permanente, detto scambiatore di calore comprendendo una pluralitÃ di pareti affiancate una all'altra, configurate in modo tale da formare almeno un primo condotto per il passaggio di un fluido in moto permanente, ed almeno un secondo condotto per il passaggio di detto fluido in moto non permanente, detti primo e secondo condotti essendo configurati in maniera tale da realizzare uno scambio termico tra detti due fluidi.

Secondo l'invenzione, detta pluralitÃ di pareti puÃ² essere costituita da almeno un gruppo di tre pareti, dove almeno la prima e la seconda parete sono dotate rispettivamente di almeno una scanalatura prevista su una superficie laterale di ciascuna di dette pareti, dette pareti essendo disposte in modo tale che detta almeno una scanalatura di detta prima parete formi con la superficie laterale di detta seconda parete un condotto di passaggio per il fluido in moto permanente e che detta almeno una scanalatura di detta seconda parete formi con la superficie laterale della terza parete, adiacente alla seconda, un condotto di passaggio per il fluido in moto non permanente.

Sempre secondo l'invenzione, detta almeno una scanalatura di detta prima parete puÃ² avere un orientamento diverso da detta almeno una scanalatura di detta seconda parete, adiacente alla prima.

Ulteriormente secondo l'invenzione, detta terza parete puÃ² essere dotata di almeno una scanalatura che puÃ² avere un orientamento uguale a quello di detta almeno una scanalatura di detta prima parete.

Ancora secondo l'invenzione, detto almeno un condotto per il passaggio del fluido in moto permanente e/o detto almeno un condotto per il passaggio del fluido in moto non permanente possono avere una sezione rettangolare. Se varia il lato minore di detta sezione rettangolare di un condotto, a paritÃ di lato maggiore e di lunghezza di condotto, varia il volume interno del condotto di passaggio realizzato mediante la rispettiva scanalatura, senza variare sostanzialmente la superficie di scambio.

Ancora secondo l'invenzione, l'orientamento reciproco di almeno una scanalatura per il passaggio del fluido in moto permanente e di almeno una scanalatura per il passaggio del fluido in moto non permanente puÃ² essere tale da realizzare uno scambiatore a flussi incrociati, come ad esempio uno scambiatore a flussi perpendicolari, oppure uno scambiatore a flussi paralleli, come ad esempio uno scambiatore equicorrente o uno scambiatore controcorrente .

Sempre secondo l'invenzione, il gruppo di pareti dello scambiatore puÃ² essere realizzato in un pezzo unico, oppure mediante elementi separati assemblati.

Dette scanalature saranno ottenute in ciascun caso utilizzando qualsiasi tecnologia idonea nota agli esperti del ramo.

Inoltre, forma oggetto della presente invenzione anche una macchina volumetrica comprendente al suo interno lo scambiatore di calore a superficie come definito in quel che precede.

La presente invenzione verrÃ ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, con particolare riferimento alle figure allegate, in cui:

la figura 1 Ã ̈ una sezione longitudinale di una macchina volumetrica di tipo noto, quale un compressore alternativo;

la figura 2 Ã ̈ una vista dall'alto di un compressore con scambiatore secondo l'invenzione;

la figura 3 mostra schematicamente il percorso effettuato da un fluido in moto permanente nello scambiatore di calore del compressore di fig.2;

la figura 4 Ã ̈ una vista in sezione presa lungo la linea A-A di figura 2;

la figura 5 Ã ̈ una vista in sezione presa lungo la linea B-B di figura 2;

la figura 6 Ã ̈ una vista dallâ€™alto dello scambiatore di calore a superficie oggetto della presente invenzione;

la figura 7 Ã ̈ una vista laterale dello scambiatore di calore a superficie oggetto della presente invenzione; e

la figura 8 Ã ̈ una vista esplosa di un particolare dello scambiatore di calore a superficie, relativo a due pareti dello scambiatore di calore, ciascuna avente una superficie laterale dotata di scanalature per il passaggio rispettivamente nella prima parete di un fluido in moto permanente e nella seconda parete di un fluido in moto non permanente.

Con riferimento alle figure, nella preferita forma di realizzazione che si descrive, si prevede uno scambiatore di calore a superficie, indicato genericamente con il riferimento numerico 100, che viene attraversato da un fluido vettore in moto permanente, preferibilmente un fluido refrigerante liquido, e che Ã ̈ installato all'interno di un compressore alternativo, indicato genericamente con il riferimento numerico 200, al cui interno evolve un fluido gassoso in moto non permanente.

Si vuole a questo punto precisare come la macchina illustrata nelle figure deve essere intesa solo come una esemplificazione della applicazione della soluzione secondo l'invenzione, e che lo scambiatore 100 secondo l'invenzione puÃ² essere applicato, internamente o esternamente, a qualsiasi tipo di macchina volumetrica a fluido comprimibile, quali ad esempio compressori di aria e di gas industriali, compressori per l'industria chimica o petrolchimica, espansori.

Lo scambiatore di calore 100 comprende una pluralitÃ di pareti 1, 1' (nella forma di realizzazione illustrata nelle figure Ã ̈ prevista una coppia di pareti 1, l<1>) affiancate una all'altra, ciascuna delle quali ha una superficie laterale sulla quale sono previste una o piÃ¹ scanalature rispettivamente 2, 2' che costituiscono, rispettivamente, i canali di passaggio per il fluido in moto permanente e per il fluido in moto non permanente.

Le pareti l e i' sono disposte in modo tale che la superficie della parete 1 sulla quale sono previste le scanalature 2 sia a contatto con la superficie della parete 1' priva di scanalature per formare dei condotti 22 di passaggio per il fluido in moto permanente.

Come giÃ detto, seppur non illustrato nella figura 8, Ã ̈ evidente che la superficie della parete 1' sulla quale sono previste le scanalature 2' sia a contatto con la superficie di una ulteriore parete 1 priva di scanalature per formare dei condotti 22' di passaggio per il fluido in moto non permanente.

Nella forma di realizzazione illustrata nelle figure 6-8, le scanalature 2 della parete 1 sono perpendicolari rispetto alle scanalature 2' della parete 1' adiacente. Come giÃ detto, l'orientamento reciproco delle scanalature 2, 2' puÃ² essere differente da quello perpendicolare.

Le superfici laterali dei condotti 22, 22' realizzati con dette scanalature 2, 2' rappresentano le superfici di scambio attraverso le quali il fluido in moto non permanente cede calore al fluido in moto permanente.

Ãˆ evidente che nel caso in cui la macchina volumetrica sia un espansore, attraverso gli stessi condotti, il fluido in moto non permanente riceve calore dal fluido in moto permanente.

Ãˆ preferibile che ciascuno dei condotti 22, 22' abbia una sezione rettangolare. CiÃ² permette di ottenere per ciascuno di detti condotti 22, 22' un diametro idraulico che Ã ̈ uguale a circa il doppio del lato minore della sezione rettangolare.

Il risultato della moltiplicazione tra il diametro idraulico e la lunghezza di ciascun condotto Ã ̈ l'inverso del rapporto S/V.

Pertanto, al variare del lato minore della sezione rettangolare Ã ̈ possibile, a paritÃ di lato maggiore e di lunghezza di condotto, varia il volume interno del condotto, senza variare sostanzialmente la superficie di scambio.

Pertanto, le scanalature 2 che costituiscono i canali per il passaggio del fluido vettore in moto permanente possono essere dimensionate in modo tale da permettere l'instaurarsi in essi di un moto laminare, cioÃ ̈ un moto caratterizzato da valori piÃ¹ bassi del relativo coefficiente di scambio convettivo.

Inoltre, Ã ̈ possibile variare il numero di dette scanalature 2 variando il numero di pareti 1 scanalate.

D'altra parte, Ã ̈ possibile variare anche il lato minore della sezione rettangolare di ciascuna delle scanalature 2' variando di conseguenza il volume interno a ciascun condotto 22' per il fluido evolvente.

Il volume interno dei condotti 22' realizzati dalle scanalature 2' accresce in modo contenuto lo spazio morto della macchina volumetrica, qualora detto spazio morto fosse giÃ presente all'interno di detta macchina volumetrica, altrimenti lo costituisce.

In tal modo, riducendo il lato minore della sezione rettangolare dei condotti 22' per il fluido evolvente in moto non permanente, Ã ̈ possibile aumentare il valore del numero di Reynolds relativo a detti condotti che, a paritÃ di portata di fluido che passa in detti condotti, Ã ̈ inversamente proporzionale al diametro idraulico. Di conseguenza, anche il valore del coefficiente di scambio convettivo del fluido in moto non permanente aumenta. Inoltre, tale coefficiente convettivo di scambio Ã ̈ connesso al valore reale della turbolenza e quindi ai valori reali dei numeri di Reynolds e pertanto aumenta quando le sezioni dei condotti 22' per il passaggio del fluido in moto non permanente vengono ridotte in corrispondenza dell'ingresso e dell'uscita di detti condotti e quando maggiori turbolenze vengono indotte dal particolare tipo di funzionamento.

Detto particolare tipo di funzionamento, nel caso di fase di ri-espansione dello spazio morto nei compressori, puÃ² costringere il fluido evolvente anche a rifluire, cioÃ ̈ a invertire la sua direzione di flusso, seppure per brevi intervalli di tempo.

La riduzione delle sezioni dei condotti 22, 22' realizzati con le rispettive scanalature 2, 2' Ã ̈ spinta fino al valore consentito per evitare le perdite di carico dei fluidi che li attraversano.

Quindi, la riduzione delle sezioni di detti condotti, le maggiori turbolenze indotte unitamente all'aumento del numero dei condotti connesso all'aumento del numero delle pareti 1, 1', fa sÃ¬ che sia il fluido in moto permanente a controllare lo scambio di calore assumendo un valore prossimo a quello del coefficiente convettivo di scambio del fluido evolvente in moto non permanente, riducendo al contempo lo spazio morto dovuto all'aggiunta di volume dei condotti 22' per il passaggio di detto fluido evolvente.

Nell'esempio che si descrive la macchina volumetrica 200 Ã ̈ un compressore alternativo e lo scambiatore di calore 100 Ã ̈ posizionato tra il cilindro 201 e la testata 202 di detto compressore (figg. 4, 5).

Al fine di evitare che le perdite di carico provochino indesiderati abbassamenti di pressione, come nel caso della fase di aspirazione del compressore, la valvola automatica di aspirazione puÃ² venire spostata in prossimitÃ del punto morto superiore, o PMS, per permettere al fluido in entrata di riempire il cilindro 201 senza attraversare i canali dello scambiatore di calore 100 per il passaggio del fluido in moto permanente (figg. 6, 7).

Per le macchine volumetriche di tipo rotativo questo problema non esiste, in quanto non esiste lo spazio morto.

Vantaggiosamente, come detto, lo scambiatore di calore oggetto dell'invenzione puÃ² essere utilizzato in una qualsiasi macchina volumetrica a fluido comprimibile in cui almeno uno dei due fluidi sia in moto non permanente come nel volume compreso tra due mezzi di intercettazione di cui sono dotati le macchine volumetriche stesse, quali ad esempio valvole o luci. CiÃ² significa che lo scambiatore di calore puÃ² essere utilizzato anche laddove una quantitÃ di fluido evolve in un volume intrappolato tra due mezzi di intercettazione per realizzare una trasformazione caratterizzata da scambi contemporanei di energia termica e di pressione, in condizioni cinetiche periodiche e variabili. Di conseguenza, lo scambiatore di calore puÃ² essere installato anche tra due macchine volumetriche a fluido comprimibile, indipendentemente se dette macchine volumetriche sono dello stesso tipo, come ad esempio due compressori o due espansori, o di tipo diverso, come ad esempio un compressore ed un espansore .

Un secondo vantaggio Ã ̈ dato dal fatto che l'instaurarsi di un moto laminare per il fluido in moto permanente nei corrispondenti condotti di passaggio Ã ̈ caratterizzato da valori del relativo coefficiente di scambio convettivo facilmente definibili, grazie alla notevole mole di studi e di risultati sperimentali disponibili .

Un terzo vantaggio Ã ̈ dato dalla possibilitÃ di realizzare uno scambiatore di calore compatto in quanto l'aumento del volume di lavoro dovuto al volume interno dei condotti attraversati dal fluido in moto non permanente Ã ̈ contenuto rispetto all'aumento della superficie di scambio e pertanto il rapporto S/V della macchina volumetrica dotata di detto scambiatore di calore risulta sostanzialmente maggiore di quello della tradizionale macchina volumetrica priva di scambiatore di calore.

Ancora un vantaggio Ã ̈ dato dal fatto che detto scambiatore di calore puÃ² essere posizionato tra due macchine volumetriche per realizzare un ciclo termodinamico rigenerativo. In tale caso, dette due macchine volumetriche sono collegate tra loro da due condotti distinti in modo tale che il fluido in moto non permanente che evolve nella prima macchina volumetrica entri nella seconda macchina volumetrica, tramite un primo condotto, evolva nella seconda macchina volumetrica e torni nella prima macchina volumetrica, tramite un secondo condotto, dove detti primo e secondo condotti sono i condotti di uno scambiatore di calore che per questa ragione Ã ̈ definito rigenerativo .

La presente invenzione Ã ̈ stata descritta ed illustrata in una preferita forma realizzativa, ma Ã ̈ evidente che il tecnico esperto del settore potrÃ apportarvi modifiche e/o sostituzioni tecnicamente equivalenti senza peraltro esulare dall'ambito di tutela della presente privativa industriale.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore (100) a superficie atto a essere inserito all'interno di una macchina volumetrica alternativa (200) a fluido comprimibile, al cui interno evolve un fluido in moto non permanente, detta macchina volumetrica alternativa del tipo avente una testata ed un cilindro, caratterizzato dal fatto che detto scambiatore di calore Ã ̈ configurato per essere posizionato tra detta testata e detto cilindro di detta macchina volumetrica alternativa, cosÃ¬ che venga scambiata una quantitÃ di calore tra detto fluido in moto non permanente, e detto fluido vettore in moto permanente, contemporaneamente allo scambio di lavoro durante la trasformazione termodinamica che avviene in detta macchina volumetrica, dal fatto che comprende una pluralitÃ di pareti affiancate una all'altra, configurate in modo tale da formare almeno un primo condotto (22) per il passaggio di un fluido vettore in moto permanente, ed almeno un secondo condotto (22') per il passaggio di detto fluido in moto non permanente, detti primo e secondo condotti (22, 22') essendo configurati in maniera tale da realizzare uno scambio termico tra detti due fluidi, dove detta pluralitÃ di pareti Ã ̈ costituita da almeno un gruppo di tre pareti (1, 1', 1), dove almeno la prima e la seconda parete (1, 1') sono dotate rispettivamente di almeno una scanalatura (2, 2') prevista su una superficie laterale di ciascuna di dette pareti; dette pareti (1, 1', 1) essendo disposte in modo tale che detta almeno una scanalatura (2) di detta prima parete (1) formi con la superficie laterale di detta seconda parete (1')#adiacente alla prima parete (1), detto condotto (22) per il passaggio del fluido vettore in moto permanente, e che detta almeno una scanalatura (2') di detta seconda parete (1') formi con la superficie laterale di detta terza parete (1), adiacente alla seconda parete (1'), detto condotto (22') per il passaggio del fluido in moto non permanente, e dal fatto che detto almeno un condotto (22) per il passaggio del fluido vettore in moto permanente e detto almeno un condotto (22') per il passaggio del fluido in moto non permanente hanno una sezione rettangolare; ottenendosi cosÃ¬ che se varia il lato minore della sezione rettangolare di ciascuno di detti condotti (22, 22'), a paritÃ di lato maggiore e di lunghezza di condotto, varia il volume interno di ciascun condotto, senza variare sostanzialmente la superficie di scambio,· variando contemporaneamente sia il diametro idraulico, circa uguale al doppio di detto lato minore, che il rapporto tra superficie di scambio e volume, inversamente proporzionale a detto diametro idraulico.
2. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta almeno una scanalatura (2) di detta prima parete (1) ha un orientamento diverso da detta almeno una scanalatura (2') di detta seconda parete (1').
3. Scambiatore di calore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta terza parete (1) Ã ̈ dotata di almeno una scanalatura (2) e che detta almeno una scanalatura (2) di detta terza parete (1) ha un orientamento uguale a quello di detta almeno una scanalatura (2) di detta prima parete (1).
4. Scambiatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'orientamento reciproco di detta almeno una scanalatura (2) per il passaggio del fluido vettore in moto permanente e di detta almeno una scanalatura {2') per il passaggio del fluido in moto non permanente Ã ̈ tale da realizzare uno scambiatore di calore a flussi incrociati o uno scambiatore di calore a flussi paralleli.
5. Scambiatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto gruppo di pareti (1, 1', 1) Ã ̈ realizzato in un pezzo unico, oppure mediante elementi separati assemblati.
6. Scambiatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende una pluralitÃ di gruppi di tre pareti {1, 1', 1) che sono affiancate o adiacenti tra loro.
7. Scambiatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto fluido in moto non permanente Ã ̈ un gas e che detto fluido in moto permanente Ã ̈ un liquido.
8. Macchina volumetrica alternativa a fluido comprimibile avente una testata ed un cilindro e comprendente uno scambiatore di calore a superficie secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, posizionato tra detta testata e detto cilindro di detta macchina volumetrica alternativa.
9. Macchina volumetrica alternativa a fluido comprimibile secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che una valvola automatica di aspirazione Ã ̈ posizionata in prossimitÃ del punto morto superiore .