ITRM20110448A1 - Profilato tubolare per radiatore bifasico e relativo radiatore bifasico - Google Patents

Description

TITOLO: PROFILATO TUBOLARE PER RADIATORE BIFASICO E RELATIVO RADIATORE BIFASICO

Campo dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un profilato tubolare per radiatore bifasico e relativo radiatore bifasico nell’ambito del riscaldamento di ambienti civili e industriali.

Stato della tecnica

Il principio di funzionamento dello scambio termico bifasico permette di distribuire uniformemente il calore assorbito da una sorgente termica concentrata al corpo radiante sfruttando tutta la superficie di scambio termico con l’esterno, che si presenta a temperatura costante, uniforme, massimizzando l’efficienza radiante. La sorgente termica concentrata riscalda il fluido, inizialmente allo stato liquido, contenuto nel corpo radiante. Il fluido evapora risalendo opportune cavità del corpo radiante e condensando sulle pareti interne dello stesso forma un film o gocce che discendono per essere nuovamente riscaldate. Il film di liquido condensato e discendente lambendo le pareti interne del corpo radiante, realizza lo scambio termico con l’ambiente esterno al corpo radiante a temperatura e flusso termico per unità di superficie pressoché costante.

Il principio può essere esteso a pannelli radianti riscaldanti non solo di ambienti, ma anche di strutture per la cottura di generi alimentari.

Dunque, gli scambiatori di calore che sfruttano la tecnologia del fluido vettore bifasico risultano particolarmente efficienti.

La sorgente concentrata, può essere di qualunque natura, tra cui elettrica.

Utilizzando la tecnologia di riscaldamento elettrico unita ad uno scambio termico a fluido vettore bifasico, si possono ottenere radiatori particolarmente compatti ed efficienti per il riscaldamento di ambienti.

Il comportamento termico di un radiatore bifasico à ̈ completamente differente da un radiatore tradizionale a fluido vettore monofasico, come i noti termosifoni.

La tecnica nota usata nei radiatori tradizionali insegna ad aumentare le alette di raffreddamento per migliorare lo scambio termico. Ciò però conduce ad appesantire il corpo radiante e, ovviamente, ad incrementarne il costo per la maggior quantità di materiale impiegato per la sua costruzione.

Un aumento di peso del corpo radiante rallenta la velocità di riscaldamento dell’ambiente a causa dell’elevata inerzia termica del corpo radiante, riducendo il comfort e penalizzando lo scambio termico bifasico, specialmente nei transitori di avvio.

Infatti, all’avviamento del radiatore (ingresso a gradino), il corpo radiante essendo a bassa temperatura, scambia calore con la sorgente termica concentrata e con l’ambiente esterno principalmente per convezione termica e buona parte del calore erogato dalla resistenza elettrica viene accumulato dal corpo radiante e dal fluido vettore.

Maggiore à ̈ il peso del radiatore e maggiore à ̈ l’energia che deve accumulare per portarsi in temperatura e minore à ̈ la capacità di scambio termico con l’ambiente durante i transitori.

Questi fattori determinano nel contempo una sovratemperatura del fluido all’interno del radiatore dovuta al fatto che l’energia che il corpo non riesce velocemente a scambiare con l’ambiente esterno o ad accumulare, viene immagazzinata nel fluido aumentando la temperatura e potenzialmente deteriorando il meccanismo di scambio termico bifasico con il rischio dell’instaurarsi della condizione cosiddetta di “film boiling†, (ebollizione a film), in cui avviene la formazione di uno strato di vapore che ricopre completamente la superficie riscaldante della sorgente concentrata, con forte penalizzazione dello scambio termico, perdendo i vantaggi dello scambio termico bifasico.

La crisi idrodinamica che porta al film boiling à ̈ in sostanza dovuta all’alta temperatura che porta ad elevate velocità relative tra liquido discendente e vapore ascendente, così elevate che il vapore trascina via il liquido dalla superficie riscaldante e al tempo stesso il liquido trattiene il vapore prodotto accanto alla superficie, formando lo strato di vapore che ricopre la superficie riscaldante della sorgente concentrata.

In tale circostanza, si determinano punti caldi inficiando lo scopo fondamentale del riscaldamento bifasico.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un profilato tubolare per radiatore bifasico atto a migliorare lo scambio termico complessivo di un radiatore incorporante il profilato tubolare.

E’ oggetto della presente invenzione un profilato tubolare per radiatore bifasico, che, conformemente alla rivendicazione 1 comprende un corpo tubolare avente una superficie perimetrale e definente un asse longitudinale, più alette superficiali protrudenti radialmente di un’altezza H da almeno una porzione di detta superficie perimetrale ed estendentisi in direzione assiale, due alette consecutive essendo disposte ad una distanza reciproca D, il profilato essendo caratterizzato dal fatto che un rapporto di detta distanza reciproca D e di detta altezza H à ̈ maggiore o

uguale di 1,4 (<D>≥1, 4 ).

H

Vantaggiosamente, tale profilato presenta un’alettatura con numero di alette tali da massimizzare il rapporto tra scambio termico e peso del profilato stesso.

Un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di fornire un radiatore bifasico comprendente detto profilato tubolare capace di migliorare notevolmente lo scambio termico con l’ambiente esterno.

E’ pure oggetto della presente invenzione un radiatore bifasico, conformemente alla rivendicazione 5, comprendente almeno un elemento tubolare realizzato mediante il profilato tubolare di cui sopra.

Vantaggiosamente, anche i dettagli costruttivi relativi al radiatore ottenuto mediante il suddetto profilato tubolare consentono di migliorare il comportamento termodinamico del radiatore ottenuto, così come descritto nella descrizione dettagliata che segue.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un profilato tubolare per radiatore bifasico ed un relativo radiatore, illustrati a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta una sezione trasversale di un profilato tubolare secondo la presente invenzione;

la Fig. 2 rappresenta una vista prospettica di una porzione di un radiatore comprendente elementi tubolari ottenuti dal profilato di figura 1;

la Fig.3 mostra una vista laterale del radiatore secondo la figura 2;

la Fig.4 mostra una vista prospettica di un’altra porzione del radiatore di figura 2; la Fig. 5 mostra una vista prospettica intera del radiatore secondo le figure da 2 a 4;

la Fig. 6 mostra il medesimo radiatore di figura 5 con applicate delle coperture degli elementi tubolari;

la Fig.7 mostra una vista dall’alto di una porzione del radiatore secondo la figura 6 in cui à ̈ mostrato un particolare aggancio cover su profilato tubolare, tramite agganci a snap,

la Fig.8 mostra un componente del radiatore secondo le figure precedenti; dove il collettore con fori asolati per alloggiamento profilato tubolare,

le Figg. 9 e 10 mostrano rispettivamente estremi opposti di un elemento tubolare con in evidenza la forma di tali estremi per gli accoppiamenti necessari al montaggio del radiatore secondo le figure precedenti; in particolare in fig. 9 à ̈ rappresentato l’attacco maschio che si impegna sui fori asolati del collettore di fig.

8;

la Fig. 11 mostra una simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) dei filetti fluidi di aria che lambiscono un radiatore secondo le figure precedenti.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione in dettaglio di una forma di realizzazione preferita dell’invenzione

Secondo la presente invenzione, e con particolare riferimento alle figure, il profilato tubolare 100 oggetto della presente invenzione comprende un corpo tubolare 10 avente un’alettatura che protrude perpendicolarmente alla superficie laterale del corpo tubolare 10. Il profilato ha una prima porzione o faccia 101 destinata a rivolgersi verso un ambiente da riscaldare ed una seconda porzione o faccia 102 destinata a rivolgersi verso una parete di sostegno delimitante l’ambiente o interna ad esso. Tale faccia 102 à ̈ atta ad essere associata a tale parete di sostegno.

Si preferisce che tale corpo tubolare 100 abbia una forma schiacciata. In altri termini, la sezione trasversale secondo la figura 1, presenta le due facce opposte 101 e 102 sostanzialmente piane e parallele tra loro, cosicché anche le alette risultano piane e parallele tra loro. Dalle facce 101 e 102 protrudono le alette 11 – 22 che si estendono parallelamente allo sviluppo longitudinale X del corpo tubolare 100 e sostanzialmente perpendicolarmente alle due facce opposte 101 e 102.

La prima faccia 101 comprende alette 11 – 16 aventi scopo esclusivamente termico, cioà ̈ destinate alle funzioni di scambio termico.

La seconda faccia comprende preferibilmente

- una coppia di alette 19 e 20 disposte ad una distanza opportuna per consentire il fissaggio a parete del radiatore 200 ottenuto col profilato 100, su queste alette si impegna la vite autofilettante che consente il fissaggio del traversino 30, funzione strutturale e di fissaggio alla parete.

- una coppia di alette 21 e 22 estremali destinata a supportare una copertura 42 mostrata nelle figure 6 e 7, e con funzione termica,

- alette 17 e 18 aventi scopo elusivamente termico.

Secondo la presente invenzione se H à ̈ l’altezza di una aletta e D à ̈ la distanza reciproca tra due alette consecutive, il rapporto tra la distanza D e l’altezza H dell’aletta deve essere maggiore di 1,4:

D

≥1, 4

H

Dunque, contrariamente a quanto insegna la tecnica nota, le alette 11-16 debbono essere sufficientemente spaziate allo scopo di ottimizzare lo scambio termico del radiatore 200 con l’ambiente esterno che influenza il processo di cessione del calore dalla sorgente termica al radiatore mediante il fluido vettore.

Le alette 17 e 18 sono più distanti dalle rispettive alette 21, 22 e 19, 20, poiché l’introduzione di ulteriori alette non avrebbe rispettato il suddetto rapporto; dunque anche le alette 19, 20 e 21, 22 contribuiscono allo scambio termico con l’ambiente esterno, benché assolvano anche funzioni meccaniche.

Rispetto alla tecnica nota che insegna ad incrementare il numero di alette e all’opposta considerazione che con l’incremento del materiale di costruzione del radiatore incrementa l’inerzia termica del radiatore con un conseguente deterioramento delle sue prestazioni, la presente invenzione individua uno spartiacque che risolve il problema dell’ottimizzazione dello scambio termico.

Tale valore limite di 1,4 del suddetto rapporto à ̈ stato individuato mediante numerose e costose prove di laboratorio facendo variare tutti i parametri dimensionali del profilato, inclusi il numero dei setti 23 e 24 individuanti rispettivi canali di circolazione di vapore.

A seguito di tale prove, dunque, si à ̈ compreso che dei parametri dimensionali del profilato, affinché il processo di scambio termico bifasico si mantenga efficiente, conta soltanto il suddetto rapporto.

Per quanto concerne il numero dei canali di circolazione di vapore, e più in generale del fluido bifasico, tale numero à ̈ ridotto al minimo in funzione della resistenza meccanica dell’elemento tubolare ottenuto, in modo da assicurare la massima sezione possibile di efflusso che permette al film di condensato di ridiscendere con una velocità congrua. Lo spessore di ogni parte del profilato 100 à ̈ ridotto al minimo per ridurre l’inerzia termica e migliorare la costante di tempo durante i transitori.

Vantaggiosamente, la ridotta altezza H delle alette frontali 11–16 consente di spostare in avanti l’elemento tubolare 2–4. Riducendo l’altezza H si riduce la resistenza termica tra profilato tubolare e cover (coperture) 42.

ll profilato può essere vantaggiosamente ottenuto tramite estrusione, preferibilmente, di leghe di alluminio, allo scopo di costruire radiatori di varia altezza in base a specifiche esigenze del caso senza un incremento di costi di fabbricazione.

La lega di alluminio consente lavorazioni meccaniche di precisione necessarie per realizzare la giunzioni tra le parti definenti il radiatore 200, ed in particolare tra il collettore 1 e gli elementi tubolari 2 – 4 ottenuti dal profilato 100. Queste giunzioni possono essere effettuate tramite brasatura, incollaggio o ad innesto/mandrinatura con e senza guarnizioni.

La lega di alluminio EN AW 6060-T6 à ̈ preferita per la realizzazione di profilati conformi alla presente invenzione, a causa delle caratteristiche di resistenza meccanica, tale da poter ridurre lo spessore del profilato a parità di pressione interna, in modo da innalzare la temperatura di esercizio e massimizzare l’efficienza radiante del corpo radiante. La pressione interna à ̈ determinata dalla curva di saturazione del fluido vettore allo stato di vapore ed aumenta all’aumentare della temperatura.

Secondo una variante preferita della presente invenzione, un radiatore bifasico 200 comprende un collettore 1 di forma tubolare longilinea su cui si innesta un primo estremo 2b di uno o più elementi tubolari 2 - 4 ottenuti dal profilato 100. Si preferisce predisporre il radiatore per poter essere montato con il collettore giacente parallelamente ad un pavimento ambientale e gli elementi tubolari 2 – 4 giacenti perpendicolarmente al pavimento veicolare, in modo da risultare verticali, cioà ̈ paralleli ad una parete confinante l’ambiente.

In tale circostanza la prima faccia 101 fronteggia l’ambiente da riscaldare, mentre la seconda faccia 102 di ciascun elemento tubolare 2 – 4 fronteggia la parete ambientale.

Secondo un altro aspetto dell’invenzione, à ̈ conveniente ridurre il numero di alette nella parte 102 del profilato 100 poiché la vicinanza del radiatore alla parete ambientale o di addossamento determina un maggiore riscaldamento di una minore quantità di aria.

In questo modo il radiatore cede calore all’ambiente in eguale misura attraverso entrambe le facce 101 e 102.

Vantaggiosamente, il radiatore 200 non comprende un collettore di giunzione nella parte superiore degli elementi tubolari, essendo un sistema chiuso di evaporazione e condensazione; cioà ̈ in altri termini, il vapore sale e successivamente discende condensato in ciascuno dei singoli elementi tubolari 2 – 4.

Questo porta al vantaggio di poter migliorare l’effetto camino avendo sulla parte alta del radiatore, uno sbocco senza ostacoli per l’aria: l’aria esce dal radiatore senza curvare, come si vede anche dalle simulazioni CFD riportate in figura 11.

Inoltre, potendo sfruttare una riduzione della sezione dei canali di circolazione e la capacità del fluido a bassa tensione superficiale di insinuarsi nei canali più stretti, à ̈ possibile realizzare un radiatore con tubi verticali molto sottili riducendo il peso del radiatore e dando la possibilità di piazzare il radiatore in prossimità della parete ambientale alla minima distanza possibile da essa, migliorando l’effetto camino che si instaura tra il radiatore e la parete ambientale.

Con particolare riferimento alle figure 3 e 4 un traversino 30 può essere montato parallelamente al collettore 1 nella estremità libera degli elementi tubolari 2 -4 che, come si vede in figura 3, ha una forma tale da restringere lo sbocco di aria tra il radiatore 200 e la parete ambientale per poi rastremarsi verso l’alto. Ciò incrementa la velocità del fluido che lambisce la faccia 102 degli elementi tubolari, che staccandosi dal traversino 30 trascina verso l’alto anche il fluido che lambisce la faccia 101 degli stessi elementi, migliorando l’efficienza generale del radiatore. In figura 4 si vedono anche i rispettivi tappi 32, 33, etc., destinati a chiudere l’estremo libero 2b di ciascun elemento tubolare 2- 4. Per ridurre il peso e l’inerzia termica tali tappi sono piatti e realizzati per tranciatura fine che si innestano facilmente su ciascun elemento tubolare 2 – 4 grazie ad un opportuno numero di denti di incastro distribuiti lungo il perimetro di ciascun tappo.

L’elemento tubolare 2 – 4 presenta una battuta di arresto per il tappo 32, 33 che viene fissato tramite brasatura con pasta brasante: brasatura al cannello o in forno a tunnel continuo.

Le figure 6 e 7 mostrano delle opportune coperture estetiche 42 aventi una sezione trasversale a forma di pi-greco, in cui le gambe 421 e 422 sono opportunamente dentate o uncinate per unirsi stabilmente alle alette 21 e 22 del profilato 100. Dalla figura si nota anche l’elemento di collegamento 50 cooperante con le alette 19 e 20.

Vantaggiosamente, il fatto che le alette frontali 11 – 16 rispettano il suddetto rapporto, implica che esse sono abbastanza tozze. Allora, in caso di impiego di una copertura 42, il calore à ̈ ceduto facilmente alla copertura 42 che si interpone tra il radiatore e l’aria senza inficiare il processo di cessione bifasica.

La figura 8 mostra un collettore 1 con rispettive cave 61 – 63 atte ad accogliere il primo estremo 2a di un elemento tubolare 2. E’ chiaro dalla figura 9 che tale primo estremo à ̈ privato dell’alettatura esterna per consentire un facile innesto in una delle cave 61 – 62 del collettore 1.

La figura 10, mostre un secondo estremo 2b di un elemento tubolare 2- 6 lavorato per poter accogliere un rispettivo tappo 32, 33, etc.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente domanda.

Il tecnico del ramo, dalla descrizione e dalle tavole allegate à ̈ in grado di comprendere senza alcuno sforzo le caratteristiche dell’invenzione.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. Profilato tubolare (100) per radiatore bifasico comprendente un corpo tubolare (10) avente una superficie perimetrale e definente un asse longitudinale, più alette superficiali (11 - 21) protrudenti radialmente di un’altezza H da almeno una porzione di detta superficie perimetrale ed estendentisi in direzione assiale, due alette consecutive essendo disposte ad una distanza reciproca D, il profilato essendo caratterizzato dal fatto che un rapporto di detta distanza reciproca D e di detta altezza H à ̈ maggiore o uguale di 1,4 (<D>≥1, 4 ). H 2. Profilato secondo la rivendicazione 1, in cui detto corpo tubolare (100) ha una sezione avente forma schiacciata in modo da individuarsi due facce opposte (101, 102) sostanzialmente piane e parallele tra loro, cosicché anche le alette (11 - 21) risultano piane e parallele tra loro. 3. Profilato secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui una copia di alette (19, 20) à ̈ ulteriormente atta ad unirsi con mezzi di fissaggio (50), per il fissaggio a parete del profilato tubolare (100). 4. Profilato secondo una delle rivendicazioni precedenti comprendente almeno una coppia di alette (21, 22) atta a definire un innesto per un elemento di copertura (42). 5. Radiatore bifasico (200) comprendente almeno un elemento tubolare (2 - 4) realizzato mediante un profilato tubolare (100) secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti. 6. Radiatore secondo la rivendicazione 5, comprendente un collettore tubolare (1) di forma longilinea una superficie perimetrale in cui à ̈ ricavata almeno una cava (61 - 63) conformata per essere impegnata stabilmente da un estremo (2a) dell’almeno un elemento tubolare (2 - 4). 7. Radiatore secondo una delle rivendicazioni 5 o 6, comprendente un rispettivo tappo (23, 33) di detto almeno un elemento tubolare (2 - 4) ed in cui detto almeno un elemento tubolare (2 - 4) comprende un secondo estremo (2b) lavorato per ricevere in innesto detto rispettivo tappo (23, 33). 8. Radiatore secondo una delle rivendicazioni da 5 a 7, comprendente almeno un elemento di copertura (42) avente una sezione trasversale a forma di pi-greco e due rispettive gambe dentate conformate per unirsi con detta copia di alette (21, 22) del profilato tubolare (100). 9. Radiatore secondo una delle rivendicazioni da 5 a 8, comprendente una traversa superiore (30) fissata a detto secondo estremo (2b) dell’almeno un elemento tubolare (2 - 4), in modo da risultare parallelo con detto collettore (1). 10. Radiatore secondo la rivendicazione 9, in cui detto traversino (30) à ̈ sagomato per restringere uno sbocco di aria tra il radiatore (200) ed una parete ambientale per poi rastremarsi verso l’alto.