ITRM20120578A1 - Scambiatore di calore di tipo allagato. - Google Patents

Description

SCAMBIATORE DI CALORE DI TIPO ALLAGATO

DESCRIZIONE

Campo tecnico dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce ad uno scambiatore di calore, in particolare di tipo cosiddetto “allagato†.

Tale scambiatore à ̈ ad esempio idoneo all’uso in impianti industriali di condizionamento.

Background

Una tipologia molto diffusa di scambiatore di calore ad uso industriale à ̈ quella degli scambiatori cosiddetti “allagati†.

Come ben noto per un tecnico del settore, questo tipo di scambiatore prevede un mantello che funge da involucro esterno, entro il quale sono alloggiati uno o più fasci tubieri nei quali scorre un primo fluido operativo, in particolare un fluido cosiddetto “caldo†. Entro il mantello à ̈ poi alimentato, a pelo libero, un secondo fluido operativo cosiddetto “freddo†, ossia un fluido refrigerante. Quest’ultimo lambisce il o i fasci tubieri ai fini dello scambio di calore con il primo fluido, sottrae calore a quest’ultimo ed evapora fluendo verso l’alto.

Il secondo fluido, al termine dello stadio di scambio termico con il primo fluido e quindi in corrispondenza della sommità del mantello dello scambiatore, dovrebbe risultare completamente vaporizzato. Tuttavia, un inconveniente che frequentemente si incontra à ̈ che nel secondo fluido operativo rimangono particelle liquide che possono danneggiare i componenti a valle dello scambiatore o comunque determinare un funzionamento in condizioni non nominali di essi.

Per evitare o limitare detto inconveniente, l’estensione della superficie di pelo libero del refrigerante entro il mantello viene resa molto ampia, ossia il mantello presenta una conformazione allargata con estensione prevalente in senso trasversale e quindi ortogonale alla direzione di flusso del secondo fluido entro il mantello stesso. Per lo stesso motivo, il pelo libero à ̈ piuttosto “basso†rispetto alla sommità del mantello ove à ̈ collocata la bocca di aspirazione del vapore. In tal modo, la velocità di "salita" del vapore dal pelo libero verso la bocca di aspirazione à ̈ molto bassa e di conseguenza viene limitato il trascinamento di gocce di liquido durante la salita.

Tuttavia, detta conformazione allargata dello scambiatore lo rende generalmente molto ingombrante. Inoltre, la notevole estensione trasversale del pelo libero comporta un notevole consumo di fluido refrigerante che, come noto, ha costi molto elevati nonché un importante impatto ambientale.

Un ulteriore accorgimento richiesto per evitare il suddetto inconveniente à ̈ quello di prevedere unità di surriscaldamento ausiliario del secondo fluido operativo, oppure qualche sistema di filtraggio o ancora un sistema che rende difficile il passaggio di gocce di refrigerante disposte a valle del fascio tubiero primario rispetto al flusso di tale secondo fluido operativo. Anche questi accorgimenti comportano un aumento degli ingombri e naturalmente dei costi.

Sommario dell’invenzione

Il problema tecnico posto e risolto dalla presente invenzione à ̈ pertanto quello di fornire uno scambiatore di calore che consenta di ovviare agli inconvenienti sopra menzionati con riferimento alla tecnica nota.

Tale problema viene risolto da uno scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1.

Caratteristiche preferite della presente invenzione sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Lo scambiatore dell’invenzione à ̈ specificamente idoneo ad una versione allagata. In tal caso, in virtù della estensione prevalente del mantello nella direzione di flusso del secondo fluido operativo (refrigerante), la superficie di pelo libero che si affaccia verso la bocca di aspirazione del vapore à ̈ molto piccola e, di conseguenza, la velocità di flusso del gas/vapore entro il mantello verso la bocca di aspirazione (uscita) à ̈ molto alta. In tal modo, in virtù di tale elevata velocità di salita, il secondo fluido operativo trascina in maniera spinta refrigerante liquido verso l'alto, facendo sì che quest’ultimo bagni i tubi del fascio tubiero primario che si trovano lungo il percorso e fungendo quindi da "alimentatore" per il resto del fascio tubiero. In tal senso, lo scambiatore dell’invenzione opera in maniera opposta agli scambiatori noti, nei quali, come detto sopra, sono adottati accorgimenti specifici per impedire o limitare tale trascinamento.

In tal modo, si riduce drasticamente il consumo di refrigerante liquido a parità di potenza frigorifera, e quindi gli associati costi e potenziale impatto ambientale. Diviene altresì meno critico l’inserimento di una unità ausiliaria di surriscaldamento a valle del fascio tubiero primario.

In una delle forme preferite di realizzazione, entro il mantello sono previsti mezzi di erogazione a spruzzo o getto del secondo fluido operativo. Ciò consente una ulteriore riduzione della quantità di refrigerante necessario a parità di potenza.

Tali mezzi di erogazione possono essere previsti in combinazione con una specifica separata alimentazione di refrigerante che crei un pelo libero di base – ossia nel contesto di uno scambiatore allagato di tipo “classico†- o in assenza di questi ultimi.

Lo scambiatore dell’invenzione risulta comunque, a parità di potenza, meno ingombrante di uno scambiatore allagato di tipo classico.

Altri vantaggi, caratteristiche e le modalità di impiego della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, presentate a scopo esemplificativo e non limitativo.

Descrizione breve delle figure

Verrà fatto riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

â–  la Figura 1 mostra una vista frontale, parzialmente in spaccato, di una forma di realizzazione preferita dello scambiatore di calore secondo la presente invenzione;

■ la Figura 2 mostra una vista in sezione longitudinale dello scambiatore di Figura 1, eseguita secondo l’asse A-A di quest’ultima figura; e

â–  la Figura 2A mostra un dettaglio ingrandito di un tubo erogatore di Figura 2.

Descrizione dettagliata di forme preferite di realizzazione

Con riferimento inizialmente alla Figura 1, uno scambiatore di calore secondo una forma di realizzazione preferita dell’invenzione à ̈ denotato complessivamente con 100.

Lo scambiatore 100 Ã ̈ di tipo cosiddetto allagato.

Lo scambiatore 100 comprende un mantello 1 che funge da involucro esterno. Il mantello 1 presenta una dimensione longitudinale di sviluppo prevalente denotata con L in Figura 1. In particolare, tale dimensione di sviluppo prevalente corrisponde ad una direzione che, in uso, risulta verticale o sostanzialmente verticale. Nel presente esempio, questa à ̈ la direzione di un asse longitudinale A del mantello 1 medesimo. Sempre nel presente esempio, il mantello 1 presenta una geometria a parallelepipedo o sostanzialmente a parallelepipedo.

Entro il mantello 1 à ̈ alloggiato almeno un fascio tubiero primario 10 nel quale scorre un primo fluido operativo, in particolare un fluido cosiddetto “caldo†da raffreddare. Tale primo fluido operativo à ̈ alimentato entro il fascio tubiero primario 10 mediante un ingresso 3 e ne fuoriesce attraverso una uscita 2 (o viceversa) disposta dalla medesima parte del mantello 1 rispetto all’ingresso 3. L’ingresso e l’uscita 3 e 2 possono essere in forma di connettori o bocchelli di tipo di per sé noto. Nella presente forma di realizzazione, il primo fluido operativo à ̈ acqua. Varianti applicative possono prevedere l’impiego di acqua con antigelo o di altri fluidi/additivi.

I tubi del fascio primario 10 attraversano trasversalmente lo spazio entro il mantello 1 secondo un percorso a serpentina, con almeno un tratto di andata ed almeno un tratto di ritorno. A tal fine, tali tubi sono supportati da due piastre tubiere 5 disposte in corrispondenza di pareti laterali opposte del mantello 1 e sono permanentemente vincolate a quest’ultimo ad esempio mediante saldatura, oppure, se il mantello fosse del tipo “fuso†, mediante viti di serraggio al mantello stesso avente l’estremità flangiante.

I tubi del fascio tubiero primario 10 possono presentare dimensioni trasversali, e in particolare diametri, differenti fra loro.

In corrispondenza della parete del mantello 1 opposta rispetto a quella associata all’ingresso 3 ed all’uscita 2, à ̈ previsto anche un collettore o fondo di chiusura 6, disposto esternamente alla rispettiva piastra tubiera 5 e vincolato a questa. Il collettore 6 raccoglie l’acqua proveniente dalla parte superiore del percorso a serpentina del fascio tubiero primario 10 ed alimenta la parte superiore dello stesso.

Un analogo fondo di chiusura o testata 7 à ̈ previsto in corrispondenza della parete del mantello 1 che riceve l’ingresso 3 e l’uscita 2, anche in questo caso disposto esternamente alla rispettiva piastra tubiera 5 e vincolato a questa.

Entro il mantello 1 à ̈ poi alimentato, attraverso un ulteriore ingresso laterale 8 disposto sulla medesima parete dell’ingresso 3, un secondo fluido operativo “freddo†, ossia un fluido refrigerante, in forma liquida, di vapore o mista. Tipicamente tale fluido à ̈ freon. All’ingresso di fluido refrigerante 8 può essere associata una testata o fondo di chiusura 80 di tipo di per sé noto.

Il secondo fluido operativo à ̈ distribuito entro il mantello mediante un distributore 9 ed allaga parzialmente il mantello 1. In uso, il secondo fluido lambisce il fascio tubiero primario 10 ai fini dello scambio di calore con il primo fluido operativo e viene poi richiamato in una apposita bocca di uscita/aspirazione 11, ora in forma gassosa. Nel presente esempio, la bocca di uscita/aspirazione 11 à ̈ associata ad un convogliatore del gas o “cappello†12 rastremato verso l’alto, preferibilmente in forma di semi-cono.

Lo scambiatore 100 qui considerato à ̈ quindi del tipo cosiddetto a due circuiti (lato mantello) o “a più passi†(lato interno tubi). In varianti di realizzazione che prevedano un solo “passo†, l’entrata e l’uscita del primo fluido sono su lati opposti. In termini generali, in caso di un numero di passi “dispari†l’ingresso e l’uscita sono su lati opposti del mantello, mentre in caso di numero “pari†di passi l’ingresso e l’uscita sono sullo stesso lato.

In caso di più circuiti lato mantello, occorre mantenere più scambiatori in “serie†(con lato acqua in comune).

Nelle suddette varianti sono altresì previste altre modifiche nella disposizione dei componenti alla portata di un tecnico del ramo.

Sarà quindi apprezzato meglio a questo punto che la disposizione complessiva dello scambiatore 100 à ̈ tale che il secondo fluido operativo fluisce entro il mantello 1 secondo la direzione longitudinale di sviluppo prevalente del mantello medesimo, identificata dall’asse A. tale direzione à ̈ sostanzialmente ortogonale allo sviluppo dei tubi del fascio tubiero primario 10, dimodoché si ottenga una superficie di pelo libero affacciata verso la bocca di aspirazione 11 di dimensioni ridotte e, di conseguenza, una elevata velocità di flusso verso la bocca di aspirazione medesima. Come già illustrato sopra, in tal modo il secondo fluido operativo trascina in maniera spinta refrigerante liquido verso l'alto, facendo sì che quest’ultimo bagni i tubi del fascio tubiero primario 10 che si trovano lungo il percorso e fungendo quindi da "alimentatore" per il resto del fascio tubiero stesso.

Nella presente forma di realizzazione, à ̈ prevista anche una unità ausiliaria di surriscaldamento del secondo fluido operativo, complessivamente denotata con 101 ed interposta fra il fascio primario 10 ed il convogliatore 12.

L’unità ausiliaria 101 comprende un fascio tubiero ausiliario 102, attraversato, in esercizio, da un fluido operativo ausiliario, nell’applicazione qui descritta un fluido cosiddetto “caldo†, ad esempio refrigerante liquido proveniente da un impianto condensante. Anche il fascio tubiero ausiliario 102 presenta un percorso a serpentina, con almeno un tratto di andata ed almeno un tratto di ritorno la cui lunghezza à ̈ definita dalla distanza fra una rispettiva piastra tubiera di ingresso 103 ed una rispettiva piastra tubiera di fondo 104 disposte in corrispondenza di pareti laterali opposte del mantello 1.

L’unità ausiliaria 101 prevede quindi un ingresso ed un’uscita 106 e 105 affiancati in corrispondenza della medesima parete laterale del mantello 1, anch’essi in forma di connettori o bocchelli di per sé noti ed associati ad un collettore o testata 107. Da parte opposta rispetto a questi ultimi à ̈ previsto un collettore o fondo di chiusura 108 a tenuta tramite guarnizione, che à ̈ necessario per il ritorno del fluido ausiliario all’interno dei tubi del fascio ausiliario 102 dopo il tratto di andata.

In tal modo, il fluido operativo secondario, che nella presente applicazione sale dopo aver lambito il fascio tubero primario 10 in forma di gas refrigerante umido, nel suo percorso verso l’uscita 11 lambisce il fascio ausiliario 102, il liquido caldo all’interno di quest’ultimo si (sotto)raffredda, ed il gas secondario umido si riscalda ulteriormente rispetto allo scambio di calore con il fascio tubiero primario 10. Ciò permette ad un compressore disposto a valle dello scambiatore 100 di aspirare gas “secco†e surriscaldato, garantendo la totale assenza di gocce di liquido nel gas stesso.

Allo stesso tempo, il fluido operativo ausiliario, tipicamente allo stato liquido, risulta sottoraffreddato e fuoriesce dall’uscita 105.

Tale fluido ausiliario in uscita può essere re-introdotto nello stadio di scambio attraverso l’ingresso 8, generalmente con l’interposizione di una valvola d’espansione/regolatrice che mantiene un desiderato livello di liquido all’interno del mantello 1, entrando sotto il fascio tubiero primario 10 in forma di fluido operativo secondario “freddo†.

La suddetta unità ausiliaria può essere realizzata anche come unità estraibile conformemente agli insegnamenti contenuti in WO 2012/077143.

Come meglio visibile in Figura 2, nella presente forma di realizzazione lo scambiatore 100 comprende anche mezzi 110 di erogazione a spruzzo o getto del secondo fluido operativo entro il mantello 1, preferibilmente idonei ad erogare fluido operativo in forma sostanzialmente nebulizzata.

I mezzi di erogazione 110 comprendono una pluralità di tubi 111 che attraversano trasversalmente oppure longitudinalmente il mantello 1 a più livelli rispetto alla direzione longitudinale A del mantello stesso. Sui tubi 111 sono ricavati ugelli o iniettori 113. Come mostrato nel dettaglio di Figura 2A, questi ultimi sono preferibilmente configurati in forma di fessura 114. Varianti di realizzazione possono prevedere una differente conformazione di tali ugelli.

Ciascun tubo o gruppo di tubi di erogazione 111 Ã ̈ alimentato da un rispettivo ingresso 115.

I tubi di erogazione 111 possono estendersi parallelamente alla direzione di estensione dei tubi del fascio tubiero primario 10 oppure, come mostrato in Figura 2, ortogonalmente a questi ultimi.

Come già illustrato, la presenza dei mezzi di erogazione consente di ridurre ancora di più il volume di refrigerante necessario allo scambiatore 100. Inoltre, con vari livelli di iniezione rispetto alla direzione di estensione prevalente del mantello 1 ed erogando il refrigerante ad alta pressione attraverso fessure o ugelli in genere di ridotte dimensioni, il refrigerante che fuoriesce à ̈ una nebbia che à ̈ ancora più facilmente trasportabile dalla forte aspirazione e quindi ancora più efficace.

I mezzi di erogazione sopra descritti possono essere previsti in combinazione con un pelo libero ottenuto con una specifica separata alimentazione di refrigerante (8) che crei tale pelo libero di base, come nella forma di realizzazione qui descritta, od anche in assenza di quest’ultima.

Infine, separata tutela potrà essere richiesta per una soluzione di scambiatore di calore presentante i mezzi di erogazione come sopra descritti o più avanti rivendicati, indipendentemente dalla specifica conformazione o dimensioni del mantello come specificati nella rivendicazione 1 riportata più avanti.

La presente invenzione à ̈ stata fin qui descritta con riferimento a forme preferite di realizzazione. È da intendersi che possano esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, come definito dall’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore (100), in particolare di tipo allagato, comprendente: − un fascio tubiero primario (10), entro il quale fluisce, in uso, un primo fluido operativo “caldo†da raffreddare; e − un mantello (1), circoscritto a detto fascio tubiero primario (10) ed atto a ricevere un secondo fluido operativo “freddo†che lambisce, in uso, detto fascio tubiero primario (10) per sottrarre calore a detto primo fluido operativo, in cui detto mantello (1) presenta una dimensione di sviluppo prevalente (L) secondo una direzione longitudinale (A) sostanzialmente ortogonale allo sviluppo dei tubi di detto fascio tubiero primario (10) la disposizione complessiva essendo inoltre tale che detto secondo fluido operativo fluisce entro detto mantello (1) secondo detta direzione longitudinale di sviluppo prevalente del mantello stesso.
2. 2. Scambiatore di calore (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detta direzione di sviluppo prevalente (A) di detto mantello (1) Ã ̈, in uso, una direzione verticale o sostanzialmente verticale.
3. 3. Scambiatore di calore (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, che à ̈ uno scambiatore di tipo allagato in cui il secondo fluido operativo à ̈ ricevuto, in uso, a pelo libero entro detto mantello (1).
4. 4. Scambiatore di calore (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di erogazione (110) a spruzzo o getto del secondo fluido operativo entro detto mantello (1).
5. 5. Scambiatore di calore (100) secondo la rivendicazione precedente, in cui detti mezzi di erogazione (110) sono configurati per erogare fluido operativo a diversi livelli lungo detta direzione longitudinale (A) di detto mantello (1).
6. 6. Scambiatore di calore (100) secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detti mezzi di erogazione (110) sono idonei ad erogare fluido operativo in forma sostanzialmente nebulizzata.
7. 7. Scambiatore di calore (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 6, in cui detti mezzi di erogazione (110) comprendono una pluralità di ugelli o iniettori di erogazione (113) ricevuti entro detto mantello (1).
8. 8. Scambiatore di calore (100) secondo la rivendicazione precedente, in cui detti mezzi di erogazione (110) comprendono uno o più tubi (111) che attraversano detto mantello (1), preferibilmente secondo una direzione trasversale al mantello stesso parallela od ortogonale alla direzione di estensione dei tubi di detto fascio tubiero primario (10), sui quali uno o più tubi (111) sono ricavati detti ugelli o iniettori di erogazione (113).
9. 9. Scambiatore di calore (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una unità di surriscaldamento ausiliaria (101), disposta a valle di detto fascio tubiero primario (10) rispetto al flusso del secondo fluido operativo ed atta a produrre un ulteriore riscaldamento di quest’ultimo fluido.