1.3 DESCRIZIONE 1.3 DESCRIPTION
Il sistema, oggetto dell'invenzione, è uno scambiatore di calore modulare che basa II suo principio di funzionamento sul meccanismo fisico dell'irraggiamento ed è finalizzato al trasferimento di calore tra due fluidi anche tra loro incompatibili per motivi di sicurezza. Il sistema è costituito da tre tubi concentrici, di opportuni diametri, che, per come vengono assemblati, formano tre zone distinte, tra loro isolate fisicamente. Nella prima zona, la più esterna, è previsto che fluisca un fluido termovettore (preferibilmente quello caldo che di seguito sarà indicato con il termine primario), così come nella terza zona, la più interna (dove preferibilmente fluirà il fluido freddo che di seguito sarà indicato con il termine secondario). Nella seconda zona, compresa tra le due precedenti, è inserito un gas di riempimento, mantenuto a bassa pressione, o è mantenuta la condizione di^vuoto affinché lo scambio termico avvenga prevalentemente, o esclusivamente, per irraggiamento. The system, object of the invention, is a modular heat exchanger which bases its operating principle on the physical mechanism of irradiation and is aimed at transferring heat between two fluids, even if they are incompatible with each other for safety reasons. The system consists of three concentric pipes, of suitable diameters, which, due to the way they are assembled, form three distinct zones, physically isolated from each other. In the first zone, the outermost one, a heat-carrying fluid (preferably the hot one, which will be referred to as primary below), is expected to flow, as well as in the third zone, the innermost one (where the cold fluid which will be the following will preferably flow) indicated with the secondary term). In the second zone, comprised between the two preceding ones, a filling gas is inserted, maintained at low pressure, or the vacuum condition is maintained so that the heat exchange takes place mainly, or exclusively, by irradiation.
Per lo scambiatore di calore in oggetto si prevede la possibilità di applicazione in diversi campi, prevalentemente in ambito industriale, dove è necessario disporre di sistemi di scambio termico affidabili e con elevate caratteristiche di sicurezza anche in condizioni incidentali. I settori industriali in cui lo scambiatore di calore può essere applicato sono: l’Industria chimica, nell’ambito di particolari processi esotermici che richiedono lo smaltimento del calore prodotto, l'industria metallurgica, prevedendo l'asportazione controllata del calore da bagni di fusione in determinati processi, nell'industria dell'energia nucleare, in cui si può prevedere il presente scambiatore di calore per garantire l'asportazione del calore di decadimento (particolare interesse si ha nell'applicazione a reattori nucleari refrigerati a metalli liquidi). La caratteristica principale dello scambiatore di calore, di prevedere un volume interstiziale a bassa pressione, consente di utilizzare come fluido termovettore per l'asportazione del calore anche un fluido che non risulti compatibile con il fluido caldo in normali condizioni. For the heat exchanger in question, the possibility of application in various fields is envisaged, mainly in the industrial field, where it is necessary to have reliable heat exchange systems with high safety characteristics even in accidental conditions. The industrial sectors in which the heat exchanger can be applied are: the chemical industry, in the context of particular exothermic processes that require the disposal of the heat produced, the metallurgical industry, providing for the controlled removal of heat from fusion baths in certain processes, in the nuclear energy industry, in which the present heat exchanger can be provided to ensure the removal of the decay heat (particular interest is in the application to liquid metal refrigerated nuclear reactors). The main feature of the heat exchanger, to provide a low pressure interstitial volume, allows the use of a fluid that is not compatible with the hot fluid under normal conditions as a heat transfer fluid.
Il presente sistema si differenzia da sistemi alternativi proposti, per il trasferimento di calore tra fluidi tra loro incompatibili attraverso l'impiego di un fluido intermedio all'interno dell'apposita intercapedine, in quanto in tali soluzioni non si sfrutta l'irraggiamento come meccanismo principale di scambio termico ma piuttosto la convezione forzata, o naturale, sia dei due fluidi termovettori che dello stesso gas di riempimento. In dette soluzioni progettuali si ha, a seconda dei casi, una notevole complicazione circuitale e la possibilità, in condizioni di guasto, di coinvolgimento anche del fluido intermedio. Oltre agli aspetti operativi, una soluzione con fluido intermedio presenta anche la difficoltà nel selezionare, per il fluido intermedio, condizioni di temperatura e pressione nonché la natura stessa del fluido al fine di garantire una elevatissima affidabilità del sistema anche in condizioni incidentali. La novità del sistema proposto consiste nello sfruttare, all'Interno dell'intercapedine, il meccanismo dell'irraggiamento; per far questo vengono mantenute le condizioni di bassa pressione nell'intercapedjne (al limite, pressione pressoché nulla). Una soluzione di questo tipo consente un trasferimento di calore molto affidabile, predicibile con estrema accuratezza e basato su una componentistica ed impiantistica affidabili nonché poco costose. Nella soluzione proposta, a seguito di una eventuale rottura di una delle pareti dello scambiatore di calore, non si ha fuoriuscita del gas di riempimento dall'intercapedine verso i circuiti primario o secondario, ma si avrà piuttosto ingresso di fluido primario (o secondario) all'interno dell'intercapedine. In queste condizioni si registrerà immediatamente un incremento di pressione all'interno del gap, costantemente monitorato, che può essere semplicemente rilevato; tale segnale sarà utilizzato per avviare i sistemi di sicurezza previsti per l'intercettazione dei sistemi interessati. I criteri secondo cui verranno definiti i principali parametri geometrici del sistema saranno tali da non consentire, in condizioni incidentali, né il contatto tra i due fluidi termovettori, né un'eccessiva perdita di fluido primario o secondario dal rispettivo circuito. Tali criteri di progetto potranno essere raggiunti minimizzando il volume del gap o. eventualmente gestendo in maniera opportuna le pressioni relative tra le tre zone distinte (in base alla soluzione applicativa o agli interessi) al fine di non permettere un'eccessiva fuoriuscita di fluido in seguito all'eventuale fallimento della parete dello scambiatore di calore. This system differs from alternative systems proposed, for the transfer of heat between mutually incompatible fluids through the use of an intermediate fluid inside the appropriate cavity, as in these solutions irradiation is not used as the main mechanism of heat exchange but rather the forced or natural convection of both the two heat transfer fluids and the filling gas itself. In these design solutions there is, depending on the case, a considerable circuit complication and the possibility, in conditions of failure, of involving the intermediate fluid as well. In addition to the operational aspects, a solution with intermediate fluid also presents the difficulty in selecting, for the intermediate fluid, temperature and pressure conditions as well as the nature of the fluid itself in order to guarantee a very high reliability of the system even in accidental conditions. The novelty of the proposed system consists in exploiting the irradiation mechanism inside the cavity; to do this, the conditions of low pressure in the interspace are maintained (in the limit, almost zero pressure). A solution of this type allows a very reliable heat transfer, predictable with extreme accuracy and based on reliable and inexpensive components and systems. In the proposed solution, following a possible breakage of one of the walls of the heat exchanger, the filling gas does not escape from the interspace towards the primary or secondary circuits, but rather the entry of primary (or secondary) fluid into the interior of the interspace. In these conditions, there will be an immediate increase in pressure inside the gap, constantly monitored, which can be simply detected; this signal will be used to start the security systems provided for the interception of the affected systems. The criteria according to which the main geometric parameters of the system will be defined will be such as not to allow, in accidental conditions, neither contact between the two heat transfer fluids, nor an excessive loss of primary or secondary fluid from the respective circuit. These design criteria can be achieved by minimizing the volume of the gap o. possibly by appropriately managing the relative pressures between the three distinct zones (based on the application solution or interests) in order not to allow an excessive leakage of fluid following the possible failure of the heat exchanger wall.
La geometria del sistema è tale da garantire la presenza di almeno tre zone indipendenti: la prima (A), la più esterna, in cui fluisce il fluido primario, la seconda (B) è l'intercapedine in cui è mantenuta la condizione di bassa pressione o vuoto spinto, e la terza (C), la più interna, in cui fluisce il fluido secondario. Per ottenere l'indipendenza tra le suddette zone, la geometria del sistema seguirà particolari logiche, in particolare lo scambiatore di calore sarà caratterizzato da tre tubi concentrici, il più interno (D) non è soggetto a pressione interna e/o esterna, a meno, soprattutto, delle perdite di carico all'interno del circuito, e non sarà pertanto caratterizzato da specifici requisiti in termini di spessore e/o lavorazioni. Il tubo intermedio (E), che èjl confine in pressione del fluido termovettore che fluisce all'interno dello scambiatore di calore, dovrà essere caratterizzato da uno spessore tale da essere compatibile con le condizioni di esercizio- dello stesso fluido termovettore (pressione e temperatura) nonché da una particolare lavorazione. La parete esterna del tubo intermedio è dotata di un'apposita alesatura (F); sia la parete libera del tubo (P) che la superficie delle alette (Q) sono caratterizzate da un particolare trattamento per garantire al corpo un’elevatissima emissività superficiale. Il tubo esterno (G), che è il confine che garantisce la separazione fisica tra il fluido primario ed il gap sottovuot, è caratterizzato da un'alettatura (H), con una geometria complementare all'alettatura del tubo intermedio. La geometria secondo la quale sono reciprocamente disposti i tubi intermedio (E) ed esterno (G), è tale da richiedere, con il fine di massimizzare l'efficienza di scambio termico, un numero uguale sia di alette del tubo intermedio (F) che di quelle del tubo esterno (H). Le superfici tra loro a. vista, parete interna del tubo esterno e parete esterna del tubo intermedio, le quali devono garantire un sufficiente trasferimento di calore per mezzo dell'irraggiamento, sono sottoposte ad opportuni trattamenti superficiali al fine di massimizzare l'emissività superficiale. Tali superfici presentano superficialmente una patina opaca e di colore scuro (tipo ossido) che garantisce un'elevata emissività. Le tipologie di trattamento superficiale per incrementare l'emissività sono note a livello industriale e non sono oggetto del presente brevetto; fa tipologia del trattamento applicato alla superficie dipende dalle condizioni operative del sistema e dai materiali con cui lo stesso scambiatore di càlore è costruito. Gli stessi materiali devono essere scelti in base alla compatibilità chimico/fisica con i fluidi termovettori impiegati nel sistema. The geometry of the system is such as to guarantee the presence of at least three independent zones: the first (A), the most external, in which the primary fluid flows, the second (B) is the interspace in which the low condition is maintained. pressure or high vacuum, and the third (C), the innermost, in which the secondary fluid flows. To obtain independence between the aforementioned areas, the geometry of the system will follow particular logics, in particular the heat exchanger will be characterized by three concentric pipes, the innermost (D) is not subject to internal and / or external pressure, unless , above all, of the pressure drops inside the circuit, and will therefore not be characterized by specific requirements in terms of thickness and / or processing. The intermediate pipe (E), which is the pressure boundary of the heat transfer fluid flowing inside the heat exchanger, must be characterized by a thickness that is compatible with the operating conditions of the heat transfer fluid itself (pressure and temperature) as well as from a particular processing. The outer wall of the intermediate tube is equipped with a special boring (F); both the free wall of the tube (P) and the surface of the fins (Q) are characterized by a particular treatment to guarantee the body a very high surface emissivity. The external tube (G), which is the boundary that guarantees the physical separation between the primary fluid and the vacuum gap, is characterized by a fin (H), with a complementary geometry to the fin of the intermediate tube. The geometry according to which the intermediate (E) and external (G) tubes are reciprocally arranged is such as to require, in order to maximize the heat exchange efficiency, an equal number of both fins of the intermediate tube (F) and than those of the outer tube (H). The surfaces between them a. view, the inner wall of the outer tube and the outer wall of the intermediate tube, which must ensure sufficient heat transfer by means of radiation, are subjected to appropriate surface treatments in order to maximize the surface emissivity. These surfaces have an opaque and dark colored patina on the surface (oxide type) which guarantees high emissivity. The types of surface treatment to increase the emissivity are known at an industrial level and are not the subject of this patent; The type of treatment applied to the surface depends on the operating conditions of the system and on the materials with which the heat exchanger is built. The same materials must be chosen on the basis of chemical / physical compatibility with the heat transfer fluids used in the system.
La geometria dello scambiatore di calore in oggetto è caratterizzata da uno sviluppo prevalentemente assiale, secondo un asse verticale coincidente con gli assi dei tre tubi (D, E, G). L'ingresso dei fluidi primario (I) e secondano (J), all'interno dello scambiatore di calore, avviene attraverso la sezione superiore; successivamente, il fluido primario esce attraverso la sezione inferiore dello scambiatore di calore (K), mentre il secondario, dopo aver invertito il verso di deflusso in corrispondenza della zona inferiore dello scambiatore di calore (L), esce dallo scambiatore di calore attraverso la sezione superiore (M). Dal moto dei fluidi risulta evidente la geometrìa dei tubi che compongono lo scambiatore di calore: il tubo interno (D) è l'unico ad- essere aperto ad entrambe le estremità per consentire l'inversione del flusso del fluido secondario, mentre i tubi intermedio (E) ed esterno (G) sono aperti solo in corrispondenza delle estremità superiori, al fine di rendere fisicamente indipendenti le tre zone che vengono a formarsi. Le estremità inferiori dei tubi intermedio ed esterno sono chiuse attraverso l'impiego, ad esempio, di due emisfere (per il tubo intermedio (N) e per il tubo esterno (O)). In questa soluzione, la presenza dell'intercapedine, caratterizzata da una bassa pressione, garantisce l'isolamento dei due fluidi termovettori anche in caso di rottura di una parete dello scambiatore di calore. The geometry of the heat exchanger in question is characterized by a prevalently axial development, according to a vertical axis coinciding with the axes of the three pipes (D, E, G). The inlet of the primary (I) and secondary (J) fluids inside the heat exchanger takes place through the upper section; subsequently, the primary fluid exits through the lower section of the heat exchanger (K), while the secondary fluid, after having inverted the flow direction at the lower area of the heat exchanger (L), exits the heat exchanger through the section upper (M). The geometry of the tubes that make up the heat exchanger is evident from the motion of the fluids: the internal tube (D) is the only one open at both ends to allow the secondary fluid flow to be reversed, while the intermediate tubes (E) and external (G) are open only at the upper ends, in order to make the three zones that are formed physically independent. The lower ends of the intermediate and outer tubes are closed through the use, for example, of two hemispheres (for the intermediate tube (N) and for the outer tube (O)). In this solution, the presence of the interspace, characterized by a low pressure, guarantees the isolation of the two heat transfer fluids even in the event of a break in a wall of the heat exchanger.