ITTO20120322A1 - Giunto per compensare azioni di torsione in una tubazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

"GIUNTO PER COMPENSARE AZIONI DI TORSIONE IN UNA TUBAZIONE"

La presente invenzione è relativa ad un giunto per compensare azioni di torsione in una tubazione. In particolare, la presente invenzione trova vantaggioso impiego nel compensare i movimenti e le dilatazioni termiche dei collettori parabolici nei moderni impianti solari a concentrazione, operanti con sali fusi.

Nelle linee idrauliche o pneumatiche, le dilatazioni termiche ed eventuali spostamenti delle tubazioni vengono compensati in genere tramite appropriati accorgimenti di lay-out delle linee stesse (ad esempio con tratti di tubazione opportunamente sagomati a forma di U), o tramite l'introduzione di elementi flessibili, quali ad esempio compensatori a soffietto e/o tubi flessibili.

Tali elementi flessibili sono in grado di deformarsi in modo da compensare efficacemente spostamenti assiali e/o azioni di flessione, ma non azioni di torsione (rotazioni della tubazione attorno al proprio asse).

Per ovviare a tale inconveniente, in genere si fa ricorso a giunti snodati ("swivel joints"), che consentono una libera rotazione relativa di due tratti contigui di una linea e prevedono l'utilizzo di tenute a strisciamento per garantire la tenuta di fluido in corrispondenza del giunto.

Per alcune applicazioni, però, le tenute a strisciamento non sono efficienti. In particolare, nelle linee che convogliano sali fusi per i collettori parabolici dei moderni impianti solari a concentrazione, la natura di tali sali fusi (fluidi dotati di bassissima viscosità) e le loro temperature di esercizio (maggiori di 500 °C) non sono compatibili con i materiali e le caratteristiche delle tenute a strisciamento attualmente sul mercato.

Entrando più in dettaglio, in tali impianti solari i collettori parabolici hanno un movimento rotatorio giornaliero dell'ordine di ± 120°, il quale, in combinazione con le dilatazioni termiche lineari delle tubazioni (dell'ordine dei 500 mm), provoca una elevata torsione sui raccordi che sono previsti tra le tubazioni mobili disposte sui collettori e le tubazioni fisse al suolo.

Il problema della torsione agente su tali raccordi è molto sentito, ma normalmente si lascia ad elementi flessibili il compito di sostenere le sollecitazioni di torsione. Tuttavia, come accennato sopra, sollecitando gli elementi flessibili noti con torsioni di carattere ciclico, queste ultime provocano in breve tempo la rottura degli elementi flessibili, con conseguenti problemi di sicurezza (fuoriuscita di fluido, con getti ad alta temperatura ed inquinamento del suolo) e con conseguenti perdite economiche, legate sia alla sostituzione dei pezzi danneggiati sia alla fermata dell'impianto solare.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un giunto per compensare azioni di torsione in una tubazione, il quale consenta di risolvere in maniera semplice ed economica i problemi sopra esposti e, in particolare, possa compensare angoli di torsione relativamente alti e/o avere caratteristiche tali da potere essere installato in impianti solari del tipo sopra descritto.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un giunto per compensare azioni di torsione in una tubazione, come definito nella rivendicazione 1.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

la figura 1 è una prospettiva che mostra, in spaccato, una preferita forma di attuazione del giunto per compensare azioni di torsione in una tubazione secondo la presente invenzione;

la figura 2 è una sezione secondo il piano di sezione della linea II-II di figura 1; e

la figura 3 è una vista schematica che mostra un utilizzo del giunto di figura 1 in un impianto solare a concentrazione.

In figura 1, il numero di riferimento 1 indica un giunto, il quale si estende lungo un asse 2, in uso fa parte di una linea 3 (figura 3) atta a convogliare un liquido (o un gas), e permette di compensare azioni di torsione, ossia rotazioni attorno all'asse 2.

Il giunto 1 comprende due manicotti 4, i quali sono assialmente opposti tra loro, definiscono le estremità assiali di un passaggio 5 assiale per il suddetto liquido e, in uso, sono collegati a tenuta di fluido, in modo noto e non illustrato, a rispettive tubazioni o condotti della linea 3. Una parte intermedia del passaggio 5 è definita da un tubo corrugato 6, il quale è realizzato in un sol pezzo, preferibilmente in acciaio, è coassiale ai manicotti 4, si estende con continuità da un manicotto 4 all'altro, e ha le estremità fissate ai manicotti 4 stessi a tenuta di fluido, preferibilmente tramite cordoni anulari di saldatura 7.

Il tubo corrugato 6 è ottenuto a partire da un tubo cilindrico a parete sottile (pochi decimi di millimetro, ad esempio), il quale viene deformato plasticamente tramite attrezzature note, in modo da formare una serie continua di porzioni ondulate 8, aventi la medesima altezza in direzione radiale ed aventi diametro interno D (figura 2) sostanzialmente uguale al diametro nominale del tubo cilindrico di partenza. Con questa operazione di corrugazione, la lunghezza del tubo si riduce circa ad 1⁄2-1⁄4. Questo prodotto viene poi compresso assialmente, in modo da impacchettare le porzioni ondulate 8 e rendere trascurabile il gioco assiale tra le porzioni ondulate 8. Dopo questa operazione, in genere, la lunghezza del tubo corrugato 6 è ridotta di un ordine di grandezza rispetto alla lunghezza del tubo cilindrico di partenza, ossia rispetto alla lunghezza di una generatrice del tubo corrugato 6.

Il tubo corrugato 6 definisce, in pratica, una molla di torsione, la quale è capace di deformarsi elasticamente in modo da assorbire le azioni di torsione agenti sulla linea 3, proteggendo così la linea 3 da eccessivi sforzi che potrebbero superare la resistenza dei suoi componenti o limitare di molto la loro vita operativa. Il tubo corrugato 6 è disposto in serie ad altri componenti della linea 3 ed assolve alla sua funzione tanto meglio quanto più la rigidezza a torsione di tali componenti risulta elevata.

Per ottenere un angolo di deformazione elastica sufficientemente elevato, il rapporto tra la lunghezza del tubo corrugato 6 ed il diametro interno D è maggiore o uguale a tre.

Il giunto 1 comprende, inoltre, una struttura 12, la quale collega tra loro i manicotti 4 in modo angolarmente girevole attorno all'asse 2, ma ha una elevata rigidezza a flessione in modo da mantenere i manicotti 4 in posizioni coassiali .

La struttura 12 si estende per tutta la lunghezza del tubo corrugato 6 e ha una superficie 14 interna disposta ad una distanza radiale tale da limitare le deformazioni del tubo corrugato 6 in direzione radiale durante la torsione. In altre parole, la superficie 14 è uno spallamento radiale che tende a mantenere rettilineo il tubo corrugato 6. In particolare, la superficie 14 ostacola anche la cosiddetta instabilità di colonna del tubo corrugato 6, ossia la tendenza del tubo corrugato 6 a deformarsi quando assoggettato a pressione interna. Più in dettaglio, la distanza radiale massima tra il tubo corrugato 6 e la superficie 14 è minore o uguale al 5% del diametro interno D (equivalente al diametro nominale del tubo cilindrico di partenza, come già accennato).

Preferibilmente, la superficie 14 è cilindrica e continua per tutta la sua circonferenza: in questo modo, il tubo corrugato 6 è racchiuso completamente ed è protetto. Pertanto, il tubo corrugato 6 e la superficie 14 delimitano radialmente una intercapedine anulare 15, la quale preferibilmente viene riempita con un lubrificante (ad esempio, una lacca lubrificante). In particolare, il lubrificante viene introdotto all'atto dell'assemblaggio del giunto 1. La lubrificazione potrà essere anche assicurata in maniera permanente in opera tramite un ingrassatore non illustrato, che introduce il lubrificante attraverso un foro 16 realizzato in una porzione 17 che fa parte della struttura 12, ma è discostata assialmente rispetto al tubo corrugato 6.

Preferibilmente, una guaina 20 in materiale antifrizione è interposta radialmente tra la superficie 14 e il tubo corrugato 6. La guaina 20 è continua lungo la circonferenza in modo da formare un tubo, oppure ha una fenditura longitudinale e quindi è aperta. In alternativa, la guaina 20 potrebbe essere definita da uno strato di rivestimento applicato sulla superficie 14. La guaina 20 preserva il tubo corrugato 6 da possibili danneggiamenti dovuti a sfregamento durante la deformazione elastica a torsione del tubo corrugato 6. Oltre che per le sue proprietà anti-frizione, il materiale della guaina 20 deve essere scelto in funzione delle temperature di esercizio del giunto 1.

Nella particolare forma realizzativa illustrata, la struttura 12 comprende due elementi tubolari 21,22, i quali sono coassiali, terminano con rispettivi collari 17,23 fissati ai manicotti 4, ad esempio tramite saldatura, e si impegnano l'uno dentro l'altro in modo da mantenere coassiali i manicotti 4. In altre parole, gli elementi tubolari 21,22 comprendono rispettive pareti cilindriche 24,25, le quali sono disposte coassialmente l'una dentro l'altra e sono accoppiate tra loro in modo angolarmente girevole attorno all'asse 2. Pertanto, la superficie 14 in parte è definita dalla parete 24, ed in parte dalla parete 25.

La struttura 12 comprende, inoltre, almeno un arresto assiale 26, il quale impedisce un allontanamento assiale dei manicotti 4. Preferibilmente, come mostrato in figura 2, l'arresto assiale 26 è definito da un dispositivo di guida 27, il quale si estende in direzione circonferenziale e definisce due fine corsa angolari 28 per la rotazione relativa dei manicotti 4 durante la deformazione elastica a torsione del tubo corrugato 6.

Il dispositivo di guida 27 comprende almeno una asola 29, che si estende ad arco attorno all'asse 2; ed almeno un corrispondente perno o tassello 30, che impegna l'asola 29 in modo angolarmente scorrevole ed in posizione assiale fissa. L'asola 29 è realizzata in una delle pareti cilindriche 24,25, mentre il perno 30 è radiale, è supportato in posizione fissa dall'altra delle due pareti cilindriche 24,25, ed è dimensionato per resistere alla spinta assiale del tubo corrugato 6, in quanto svolge la funzione di arresto assiale (26). Preferibilmente il dispositivo di guida 27 comprende tre asole disposte a 120°. L'escursione angolare da una parte e dall'altra viene limitata dai fine corsa angolari 28 a valori che sono stabiliti in fase di progetto.

Secondo una variante non illustrata, le asole 29 sono realizzate su flange esterne facenti parte degli elementi tubolari 21,22 ed i perni 30 sono assiali.

Nella soluzione illustrata, i perni 30 operano a strisciamento contro le superfici delle asole 29, per cui i materiali delle zone di accoppiamento devono essere scelti in modo da minimizzare gli attriti e evitare il grippaggio durante la rotazione relativa degli elementi 21,22, anche in funzione della temperatura di esercizio del giunto 1. In alternativa, i perni 30 potrebbero essere dotati di cuscinetti a rotolamento per ridurre l'attrito.

Preferibilmente, i perni 30 sono trattenuti radialmente in fori della parete cilindrica 25 da una camicia 33, la quale circonda la struttura 12 e, in particolare, è forzata su una superficie esterna 34 dell'elemento 22. Come funzione aggiuntiva, la camicia 33 definisce un riferimento per fissare una protezione termica attorno alla struttura 12, o definisce essa stessa una protezione termica. In alternativa, eventuali protezioni termiche potrebbero essere disposte tra gli elementi tubolari 21,22 e/o sulla superficie 14.

La figura 3 mostra schematicamente un impiego del giunto 1 per convogliare sali fusi in un impianto solare 35 del tipo a concentrazione (parzialmente illustrato). In questo impiego, la linea 3 comprende: una tubazione 36, la quale è parallela ed eccentrica rispetto ad un asse 37 orizzontale e ruota attorno all'asse 37 unitamente ad una serie di collettori parabolici (non illustrati); una tubazione fissa 39; ed un raccordo 40, il quale collega una estremità della tubazione 36 alla tubazione 39 e comprende, a sua volta, il giunto 1 ed una tubazione flessibile 41 di tipo standard, disposti in serie tra loro. Il movimento rotatorio giornaliero della tubazione 36, combinato con la sua dilatazione termica lineare (dell'ordine dei 500 mm), provoca una torsione sul raccordo 40. Il giunto 1 riesce a compensare tutta, o buona parte, di tale torsione, aumentando di molto la vita operativa della tubazione flessibile 41. L'entità della torsione che può essere compensata dal giunto 1 è tanto maggiore quanto più alta è la rigidezza torsionale della tubazione flessibile 41.

Da quanto precede appare evidente come il tubo corrugato 6 possiede una elevata resistenza e stabilità in torsione, avendo una sezione circolare chiusa, ed una elasticità tale da riprendere grandi deformazioni angolari in poco spazio.

La corrugazione, oltre a ridurre gli ingombri assiali, migliora anche la resistenza a pressione, che altrimenti sarebbe molto bassa a causa dello spessore limitato della parete del tubo. Infatti, dopo l'operazione di impacchettamento delle porzioni ondulate 8, la lunghezza del tubo corrugato 6 risulta la minima possibile (in genere è un ordine di grandezza inferiore rispetto alla lunghezza del tubo cilindrico di partenza), ed il tubo corrugato 6 ha uno spessore equivalente che è sostanzialmente uguale all'altezza radiale delle porzioni ondulate 8, per cui non viene sostanzialmente influenzato dalla pressione interna, anche utilizzando spessori di parete relativamente bassi.

Pertanto, l'entità della torsione che può essere compensata dal giunto 1 dipende essenzialmente da limitazioni di spazio assiale, ma non dalla pressione interna.

La struttura 12 "guida" la deformazione elastica di torsione, limitando i movimenti radiali del tubo corrugato 6, in modo da impedire una eventuale instabilità del tubo corrugato 6, ossia in modo da mantenere il tubo corrugato 6 con una forma rettilinea lungo l'asse 2 e con un passo tra le porzioni ondulate 8 sostanzialmente regolare (lo scostamento massimo ammesso sul passo è di circa il 15%).

Le caratteristiche della struttura 12 conferiscono al giunto 1 una elevata resistenza e, in combinazione con almeno una protezione termica, consentono di utilizzarlo per convogliare sali fusi oppure oli diatermici negli impianti solari.

Preferibilmente, il giunto 1 è accoppiato in serie direttamente ad un tubo flessibile: introducendo il giunto 1 si riducono di molto le sollecitazioni, in quanto la rigidezza torsionale equivalente del raccordo 40, costituito dall'insieme dei due componenti, diventa addirittura minore della rigidezza torsionale del giunto 1.

Appare, infine, evidente che al giunto 1 descritto possono essere apportate modifiche e varianti che non esulano dal campo di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, il giunto 1 potrebbe avere guarnizioni per contenere a tenuta eventuali fuoriuscite di liquido in caso di rottura del tubo corrugato 6, oppure potrebbe essere semplificato in caso di impiego in applicazioni meno gravose rispetto a quella indicata a titolo di esempio. Ad esempio, la struttura 12 potrebbe essere definita da un unico elemento fissato ad uno dei due manicotti 4 e calzato sull'altro manicotto 4 in modo angolarmente girevole; e/o sfere, un filo o un anello potrebbero essere previsti in impegno in una scanalatura, come arresto assiale 26 per trattenere assialmente i manicotti 4 l'uno rispetto all'altro; e/o le saldature ai manicotti 4 potrebbero essere sostituite da bulloni, incastri, incollaggi, ecc..; e/o i fine corsa angolari 28 potrebbero essere assenti o diversi da quelli indicati a titolo di esempio.

Inoltre, il giunto 1 rivendicato potrebbe essere utilizzato a temperature diverse e/o in campi diversi dagli impianti solari indicati sopra, di tipo idraulico o pneumatico; a puro titolo di esempio, con una struttura semplificata potrebbe essere utilizzato nelle tubazioni flessibili per cucine.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1.- Giunto (1) per compensare azioni di torsione in una tubazione, caratterizzato dal fatto di comprendere: un condotto (5) che si estende lungo un asse longitudinale (2) ed è definito da un primo ed un secondo manicotto (4), alle estremità assiali, e da un tubo corrugato (6) intermedio; mezzi di fissaggio (7) per fissare a tenuta di fluido detto tubo corrugato (6) rispettivamente a detti primo e secondo manicotto (4); una struttura di accoppiamento (12), che è disposta al di fuori del detto tubo corrugato (6) e collega detto primo manicotto a detto secondo manicotto in modo angolarmente girevole ed in posizione coassiale; detta struttura di accoppiamento (12) comprendendo: a) mezzi di arresto assiale (26) per impedire un allontanamento assiale tra detti primo e secondo manicotto (4); b) uno spallamento radiale (14), il quale è disposto rispetto al detto tubo corrugato (6) ad una distanza radiale che è minore o uguale al 5% del diametro interno (D) del detto tubo corrugato (6). 2.- Giunto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto tubo corrugato (6) comprende una pluralità di porzioni ondulate te) impacchettate in modo da avere un gioco assiale trascurabile tra dette porzioni ondulate (8). 3.- Giunto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il rapporto tra la lunghezza ed il diametro interno (D) del detto tubo corrugato (6) è maggiore o uguale a tre. 4.- Giunto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto spallamento radiale (14) è definito da una superficie cilindrica interna che circonda completamente il detto tubo corrugato (6). 5.- Giunto secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta struttura di accoppiamento (12) ha un foro (16) per introdurre un lubrificante tra detta superficie cilindrica (14) e detto tubo corrugato (6). 6.- Giunto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere materiale anti-frizione (20) interposto radialmente tra detto tubo corrugato (6) e detto spallamento radiale (14). 7.- Giunto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta struttura di accoppiamento (12) comprende due elementi tubolari (21,22) fissati rispettivamente a detto primo e secondo manicotto (4) ed impegnati l'uno dentro l'altro. 8.- Giunto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere fine corsa angolari (28) per fermare la rotazione relativa tra detti primo e secondo manicotto (4). 9.- Giunto secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una asola, che si estende ad arco attorno a detto asse longitudinale (2), ed un perno impegnante detta asola in modo angolarmente scorrevole ed in posizione assiale fissa. 10.- Giunto secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una protezione termica (33) che circonda detto tubo corrugato (6). 11.- Raccordo (40) costituito da una tubazione flessibile (41) e da un giunto (1), il quale è realizzato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti ed è accoppiato a detta tubazione flessibile (41) a tenuta di fluido.