ITRM950048A1

ITRM950048A1 - Scambiatore di calore e di materia a piastre piane.

Info

Publication number: ITRM950048A1
Application number: IT95RM000048A
Authority: IT
Inventors: Diana Giacometti; Paola Giacometti; Gaetana Petracca
Original assignee: Diana Giacometti; Paola Giacometti; Gaetana Petracca
Priority date: 1995-01-27
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 1996-07-27
Also published as: EP0724127A2; EP0724127A3; DE69625531T2; ITRM950048A0; EP0724127B1; IT1277154B1; DE69625531D1

Abstract

Uno scambiatore di calore e di materia a piastre piane con moto del fluido interno di tipo turbolento, comprendente uno o più elementi composti ognuno da due piastre piane esterne (1 o 7, 3) tra le quali sono disposte due piastre (2, 2bis) dotate di fori (5) la cui disposizione geometrica è tale che, ruotando dette piastre interne (2, 2bis) di 180 gradi tra loro definiscono, unitamente alle dette piastre esterne (1 o 7, 3), un percorso tortuoso per i fluidi (A o A+C, B) che attraversano detti elementi. in particolare dette piastre (1 o 7, 2, 2bis e 3) hanno tutte la stessa sagoma esterna, di forma sostanzialmente rettangolare.

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: SCAMBIATORE DI CALORE E DI MATERIA A PIASTRE PIANE;

La presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore e di materia che, per migliorare l'efficienza dello scambio, utilizza un moto turbolento per i fluidi che lo percorrono.

Sono noti nella tecnica scambiatori di calore a piastre con fluido a moto turbolento che utilizzano, come vedremo poco oltre, almeno due lamine corrugate oppure due lamine tra le quali ? presente una intercapedine entro la quale ? prevista una rete, in modo da rendere turbolento il moto del fluido che passa all'interno.

Nel brevetto n? 1192543 infatti, ? stato illustrato uno scambiatore di calore in cui due piastre definiscono tra loro una intercapedine percorsa da un fluido, all'interno della quale veniva interposto un elemento non continuo per creare turbolenza nel flusso. Come gi? accennato, in pratica veniva utilizzata una normale rete a maglie. Tale soluzione, pur essendo valida per la sua semplicit? ed economicit?, presenta tuttavia il grave inconveniente di necessitare di un distanziale, di guarnizioni o sigillature per migliorare la tenuta dell'intercapedine, oltre alla necessit? di piastroni di contenimento dell'intero pacco costituente lo scambiatore. Ci? ? necessario per premere le piastre fra loro in modo tale da mantenerle aderenti le une alle altre e da contrastare la pressione esercitata dal fluido interno.

Il ricorso alla saldatura o alla sigillatura richiede, per ottenere una saldatura piastra-retepiastra, delle tolleranze molto ristrette e precisioni di lavorazione molto spinte, tali da incrementare notevolmente i costi di produzione.

Secondo il trovato, tali svantaggi vengono superati prevedendo uno scambiatore di calore e di materia a piastre piane che consente di effettuare il montaggio delle varie parti in modo semplice e veloce, garantendo al contempo una tenuta perfetta e permettendo l'utilizzo di lamiere pi? sottili.

Sostanzialmente, si tratta di uno scambiatore di materia e di calore comprendente uno o pi? elementi costituiti ognuno da quattro piastre piane che definiscono, all'interno di ogni elemento, un percorso turbolento per i fluidi di passaggio, aventi una velocit? qualsiasi, dette piastre essendo tutte piane e parallele, con forma sostanzialmente rettangolare.

Nel caso di elemento collegati in parallelo, gli elementi dello scambiatore hanno le piastre di separazione in comune, con quattro fori passanti in prossimit? degli estremi delle diagonali, in modo da consentire il passaggio di fluido agli elementi confinanti, pertanto solo quello all'estremit? cieca dello scambiatore ha le piastre esterne diverse tra loro: una come quelle ora descritte e l'altra cieca.

Diversamente, per collegare degli elementi in serie, le piastre di separazione tra gli elementi, hanno due fori passanti (anzich? quattro) in prossimit? degli estremi delle diagonali, per consentire il passaggio di fluido agli elementi confinanti, detti due fori essendo adiacenti ad un unico lato minore della piastra di separazione.

Le due piastre interne di ogni elemento sono assolutamente uguali tra loro ma sono ribaltate l'una rispetto all'altra e, oltre ai quattro fori suddetti, presentano una serie di fori disposti con una geometria tale che, essendo tra loro ruotate di 180?, i fori di detta serie di una piastra sono disassati rispetto a quelli della piastra adiacente. In tal modo il passaggio del fluido, lungo dette piastre forate, segue un percorso molto tortuoso che rende turbolento il suo moto, favorendo lo scambio termico ed il mescolamento .

Le due file di fori pi? esterne, parallele ai lati minori, presentano alcuni fori che sono collegati tra loro e, rispettivamente, ai due fori che si trovano vicino agli estremi di una diagonale e che servono per il passaggio del fluido tra un elemento e l'altro ,

L'assemblaggio delle varie piastre presenti nello scambiatore avviene senza l'uso di alcuna guarnizione e con centraggio automatico con l'ausilio di semplici spine, infatti ogni piastra, sia essa interna, esterna o d'estremit?, prevede, in prossimit? dei lati minori, due fori disposti lungo l'asse mezzeria longitudinale della piastra stessa.

L'invenzione verr? meglio compresa nella seguente descrizione dettagliata di una preferita forma di realizzazione, a scopo esemplificativo e non gi? limitativo, e con riferimento ai disegni allegati nei quali:

la figura 1 ? una vista in pianta di una piastra esterna di ogni elemento dello scambiatore, nel caso di elementi collegati in parallelo;

la figura 2 ? una vista in pianta di una delle due piastre interne di ogni elemento dello scambiatore ;

la figura 3 ? una vista in pianta di una piastra di estremit? cieca;

la figura 4 ? un'assonometria che mostra due piastre interne di figura 2 appoggiate in modo che i fori siano sfalsati;

la figura 5 ? un esploso di uno scambiatore a due elementi collegati in parallelo;

la figura 6 illustra, in sezione, un particolare del percorso effettuato dal fluido all'interno dello scambiatore di figura 5; e

la figura 7 ? una vista in pianta di una piastra esterna di ogni elemento dello scambiatore, nel caso di elementi collegati in serie.

Con riferimento alle figure da 1 a 4 e 7, si pu? notare subito l 'elementare architettura che caratterizza il trovato e ne rende semplici ed economici sia la lavorazione che il montaggio. Infatti, le parti essenziali per ottenere elementi collegati in serie e/o in parallelo, sono costituite da tre piastre che possono avere o meno lo stesso spessore ed hanno lo stesso perimetro esterno, e possono essere ottenute per semplice foratura.

Dette piastre sono costituite in particolare da una piastra 1 di estremit? del singolo elemento, che viene usata, per collegare in parallelo gli elementi dello scambiatore, sia come separatrice tra i singoli elementi dello scambiatore, sia come piastra d'estremit? dello scambiatore stesso, dal lato di ingresso/uscita del fluido vettore (o dei fluidi vettori) ,- una piastra 2 che prevede una serie di fori 25 attraverso i quali passa il fluido nel suo tortuoso percorso entro un singolo elemento dello scambiatore di calore, detta piastra 2 prevede inoltre che i fori 4 agli estremi di una diagonale siano comunicanti con alcuni dei fori 5, per esempio tre, della fila rispettivamente pi? vicina, i quali a loro volta sono in comunicazione tra loro; infine ? prevista una piastra cieca 3 che viene posta all'estremit? libera dell'ultimo elemento dello scambiatore.

Per collegare in serie due o pi? elementi, ? sufficiente utilizzare la piastra 7 anzich? la piastra 1, pertanto ? possibile anche ottenere scambiatori comprendenti sia elementi collegati in parallelo che elementi collegati in serie.

Come si vede dalle figure suddette, tutte le piastre hanno due fori 6 di centraggio, lungo l'asse di mezzeria longitudinale, in prossimit? dei lati minori .

Particolarmente significativa ? la figura 4, che illustra come vengono utilizzate le piastre interne 2: esse, infatti, sono disposte in modo da risultare appoggiate tra loro e ruotate di 180 gradi nel loro piano, l 'una rispetto all'altra. Questo posizionamento reciproco fa s? che i fori 5 della serie di una piastra 2, risultino disassati rispetto a quelli presenti sulla piastra adiacente ruotata, che nel seguito chiameremo 2bis.

Un'altra caratteristica importante ? che, nel caso di scambiatore ad elementi collegati in parallelo, la saldatura delle piastre costituenti lo scambiatore, viene realizzata in corrispondenza di tutta la superficie non forata delle piastre 2 e 2bis esterna alla zona dei fori 5 e, inoltre, in tutte quelle piccole zone tra i fori 5 che si trovano a combaciare parzialmente con analoghe zone della piastra adiacente.

Come gi? detto, nel caso di scambiatori di calore ad elementi collegati in serie, la piastra 1 ? sostituita dalla piastra 7 con due soli fori 4, illustrata in figura 7.

Facendo riferimento alle figure 5 e 6, si pu? vedere in modo molto chiaro sia la disposizione delle piastre, per costruire i vari elementi (nella figura 5 collegati in parallelo), sia il percorso effettuato dai fluidi indicati con A e B, che possono essere uguali o diversi fra loro.

La figura 5, inoltre, mostra come si pu? realizzare uno scambiatore in controcorrente semplicemente ruotando di 180 gradi, attorno al suo asse longitudinale, una coppia di piastre 2-2bis rispetto alla coppia dell'elemento adiacente.

A questo proposito si osservi che, per poter ottenere uno scambiatore in equicorrente, basta non effettuare la suddetta rotazione di 180 gradi attorno all'asse longitudinale.

Un'ulteriore caratteristica del trovato ? quella che consente, durante il passaggio tra le piastre 2 e 2bis, di mescolare e/o far assorbire e/o far reagire due fluidi posti in contatto fra loro prima dell'ingresso nello scambiatore, per esempio un fluido A ed un fluido C. Detti fluidi A e C possono essere anche in fasi diverse tra loro, per esempio uno in fase liquida ed uno in fase gassosa.

A questo punto ? chiaro che se i fluidi A e C, mescolandosi tra loro, subiscono una reazione esotermica o endotermica, avverr? uno scambio di calore anche con il fluido chiamato B.

L'invenzione in oggetto, perci?, non consente soltanto lo scambio di calore tra due fluidi A e B a temperature diverse, ma consente anche di mescolare due fluidi A e C che possono eventualmente reagire tra loro in modo eso/endotermico. In quest'ultimo caso lo scambio di calore con il fluido B comprende anche questa energia liberata/assorbita dalla reazione tra A e C.

La sezione di figura 6 illustra, in particolare, la disposizione delle piastre nello scambiatore di figura 5 ed evidenzia i percorsi seguiti dai fluidi A e B (o A+C e B) entro le rispettive coppie di piastre 2 e 2bis.

Si noti che lo spessore delle piastre interne 2, 2bis pu? vantaggiosamente essere cambiato per variare la sezione di passaggio del fluido, modificando quindi le perdite di carico, secondo le diverse esigenze. Oltre a ci?, tale modifica delle perdite di carico pu? ottenersi anche cambiando la disposizione geometrica, la grandezza e la forma dei fori 5.

La presente invenzione ? stata illustrata e descritta in una sua preferita forma di realizzazione, ma si intende che varianti costruttive potranno esservi in pratica apportate da un esperto del ramo, senza peraltro uscire dall'ambito della predente privativa industriale .

Claims

RIVENDICAZIONI 1 . Scambiatore di calore e di materia a piastre piane con moto del fluido interno di tipo turbolento, caratterizzato dal fatto di comprendere uno o pi? elementi composti ognuno da due piastre esterne (1 o 7, 3) tra le quali sono disposte due piastre interne (2, 2bis), essendo dette piastre interne (2, 2bis) forate in modo da definire, unitamente alle dette piastre esterne (1 o 7, 3), un percorso tortuoso per i fluidi (A o A+C, B) che attraversano detti elementi, avendo dette piastre (1 o 7, 2, 2bis e 3) la stessa sagoma esterna, ed essendo tutte piane, di forma sostanzialmente rettangolare.
2 . Scambiatore di calore e di materia di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le piastre esterne o di estremit? (1 o 7) prevedono dei fori (4) in prossimit? degli estremi delle diagonali, detti fori avendo la funzione di consentire il passaggio del fluido da un elemento all'altro .
3 . Scambiatore di calore e di materia di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le piastre interne (2, 2bis), oltre ad avere dei fori (4), prevedono una serie di fori (5) disposti con una geometria tale che quando dette piastre interne (2, 2bis) sono appoggiate l'una all'altra e ruotate tra loro di 180 gradi parallelamente al loro piano, i fori (5) di una piastra (2) risultano disassati rispetto ai fori (5) dell'altra piastra (2bis), ottenendosi con ci? un percorso tortuoso per i fluidi di passaggio.
4 . Scambiatore di calore e di materia di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l'assemblaggio delle varie piastre presenti nello scambiatore avviene senza l'uso di alcuna guarnizione e con centraggio automatico, essendo previsti dei fori di centraggio (6) su tutte le piastre .
5 . Scambiatore di calore e di materia di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, per ottenere elementi collegati in parallelo, ? previsto l'assemblaggio di tre diversi tipi di piastre (1, 2 e 3).
6 . Scambiatore di calore e di materia di cui alle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che, per ottenere elementi collegati in serie, ? previsto l'assemblaggio di tre diversi tipi di piastre (7, 2 e 3).
7. Scambiatore di calore e di materia di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, variando lo spessore e/o la geometria e la grandezza dei fori (5) delle piastre (2, 2bis), ? possibile variare le perdite di carico nello scambiatore .
8 . Scambiatore di calore e di materia di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le piastre dello scambiatore vengono saldate in corrispondenza di tutta la superficie non forata delle piastre interne (2, 2bis) che si trova esternamente alla serie di fori (5), nonch? in tutte quelle piccole aree tra i fori (5) che combaciano parzialmente con analoghe zone delle piastre adiacenti .
9. Scambiatore di calore e di materia di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il passaggio di fluidi (A, C), posti in contatto fra loro all'ingresso dello scambiatore, nel percorso tortuoso entro i singoli elementi dello scambiatore, consente di mescolare e/o far assorbire e/o far reagire detti fluidi (A, C), potendo detti fluidi essere anche in fasi diverse tra loro, per esempio uno in fase liquida ed uno in fase gassosa.
10 . Scambiatore di calore e di materia di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, nel caso di reazioni eso/endotermiche tra i fluidi mescolati (A, C), lo scambio termico tra detti fluidi (A, C) ed un altro fluido (B), da essi separato, che percorre lo scambiatore, comprende anche il calore liberato/assorbito, durante reazione suddetta, dai fluidi mescolati.
11. Scambiatore di calore e di materia di cui alle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ? possibile ottenere scambiatori comprendenti elementi collegati in serie ed elementi collegati in parallelo, utilizzando rispettivamente piastre di tipo (7) e piastre di tipo (1).