ITVI980100A1 - Tubo in alluminio adatto a realizzare scambiatori di calore e scambia tori di calore realizzati con tale tubo - Google Patents

Description

detto tubo si caratterizza per il fatto di presentare, in ciascuno dei canali appartenenti a detto tubo; un filo a sezione sostanzialmente circolare avvolto ad elica per tutta la lunghezza del tubo cosi’ che il fluido che passa all'interno di detto tubo sia messo in turbolenza.

Vantaggiosamente, secondo l'invenzione la scelta di un filo a sezione circolare spiralato crea le condizioni ottimali di turbolenza con perdite di carico pressoché' nulle. Si esaltano quindi tutti gli effetti benefici dovuti all'aumento dello scambio di calore per effetto della turbolenza senza che avvenga un significativo aumento delle perdite di carico. Lo scambiatore di calore realizzato con il tubo dell’invenzione comprende una pluralità’ di detti tubi e si caratterizza per il fatto di presentare due collettori tra loro affacciati entro i quali i tubi sono compresi e disposti tra loro sostanzialmente paralleli con le parti terminali fissate a detti collettori cosi’ che il flusso del liquido in tutti i tratti di tubo avviene nello stesso senso e nella stessa direzione. Ciò’ risulta di evidente vantaggio in quanto l’unica portata passante nel collettore viene suddivisa in diversi tubi e quindi può’ essere agevolmente aumentata la portata globale del fluido scambiatore nella batteria di scambio termico nettamente superiore alle attuali tecnologie note grazie alla sua maggiore capacita’ di scambio termico Vantaggiosamente secondo l'invenzione l’utilizzo dell'alluminio, ed in particolare del tubo in alluminio alettato con alette formate sul tubo stesso, permette di evitare trattamenti superficiali come avviene invece, come ricordato, nei tubi di rame che sono sottoposti all’azione diretta della fiamma e dell’ambiente e che devono essere per questo ricoperti da leghe di piombo e stagno. A causa dell'utilizzo dell’alluminio nel tubo dell’invenzione avviene un aumento della resistenza agli shock termici da parte del tubo, non essendo in esso presente una pellicola superficiale e quindi non essendovi possibilità’ di distacco di questa o di fusione della stessa. In piu’ essendo l’alluminio di peso specifico piu’ basso del rame si ottiene una leggerezza superiore di tutto l'apparato scambiatore a parità’ di potenza termica. Ulteriori caratteristiche e particolarita' dell’invenzione verranno meglio evidenziate nella descrizione di preferite forme di esecuzione del tubo e dello scambiatore date a titolo indicativo, ma non limitativo ed illustrate nelle tavole di disegno allegate dove:

- la fig. 1 mostra in vista prospettica parziale il tubo dell’invenzione insieme al filo spiralato inserito in esso;

- la fig. 2 e’ una sezione della fig. 1 secondo la linea ll-ll; - la fig. 3 mostra una variante del tubo secondo l’invenzione con piu’ canali;

- la fig. 4 mostra un’ulteriore variante del tubo secondo l'invenzione;

- la fig. 5 mostra in esploso uno scambiatore dì calore prima dell'assemblaggio utilizzante i tubi dell'invenzione;

- la fig. 6 e’ una sezione della fig. 5.

Con riferimento alle figure citate si osserva che un tubo di alluminio come quello rappresentato in fig. 1 , indicato con 1 , viene realizzato secondo la tecnica nota e cioè’ per estrusione del tubo di alluminio e per successiva costruzione delle alette per zappatura o sollevamento del materiale tramite opportuni utensili su due fianchi paralleli opposti 2 e 3. Cosi' il tubo 1 realizza una doppia serie di alette una in un fianco indicata con 2, ed una nel fianco opposto indicate con 3 come visibile nelle figg. 1 e 2. La sezione del tubo di fig. 1 e’ sostanzialmente quadrangolare ed all’interno di tale tubo viene inserito un filo 4 avvolto a spirale con un diametro di spirale sostanzialmente uguale alla dimensione interna del canale. In un’esecuzione in cui il canale 5 del tubo 1 ha dimensioni 4,5 x 4,5 mm., si e’ utilizzato un filo a sezione circolare del diametro di circa 1 mm. avvolto a spirale secondo un diametro pari a circa 4 mm. e con un passo della spirale di circa 6 mm. La geometria della spirale all’interno del canale presente nel tubo e’ particolarmente importante ed essenziale allo scopo di massimizzare la turbolenza senza creare eccessive perdite di carico. In tal caso infatti la sostanziale inconsistenza dimensionale del diametro del filo utilizzato per realizzare la spirale, fa si' che le perdite di carico siano ridotte al minimo possibile, mentre vengono massimizzati gli effetti che una configurazione del filo in tal modo realizza come turbolenza. Naturalmente altre dimensioni ed altre geometrie della spirale, ad esempio un passo diverso, potranno realizzare effetti paragonabili. Resta comunque importante ed essenziale che il filo abbia sezione tonda e sia di dimensioni contenute rispetto al canale nel quale viene inserito sotto forma di spirale.

Esperimenti condotti con scambiatori di calore del tipo di quello mostrato in fig. 5, realizzati con il tubo dell’invenzione e piu’ specificamente con tubi di alluminio sostanzialmente rettangolari presentanti quattro canali allineati a sezione quadrata 4,5 x 4,5 con all’interno un filo di diametro 1 mm. spiralato a passo 6 mm., hanno dimostrato come a parità’ di potenza termica, le dimensioni dello scambiatore possono essere ridotte di circa il 30% in pianta e di circa il 50% di un volume. Per quanto concerne il peso, si passa da uno scambiatore equivalente secondo la tecnica nota del peso di circa 4,8 Kg realizzato in rame ad uno scambiatore di circa 2,8 Kg. Questo per potenze intorno alle 24 Kilocalorie.

Con le dimensioni di spirali prima ricordate si e' ottenuto che lo scambiatore di calore, che verrà’ piu’ avanti descritto, presenta un miglioramento di rendimento talmente consistente che sostituendo uno scambiatore tradizionale, ad esempio una caldaia da 20 Kilocalorie, con uno scambiatore utilizzante il tubo dell’invenzione, si ottiene che, a parità’ di ingombro, la potenza della caldaia sale a 28 Kilocalorie.

In fig. 3 viene mostrata in vista prospettica una variante del tubo dell’invenzione indicata con 6 in cui si osservano quattro canali 61 , 62, 63 e 64 nelle quali e' stata inserita la spirale 4.

Secondo l'esempio mostrato in fig. 4 in sezione, il tubo dell'invenzione, ora indicato complessivamente con 7, presenta quattro canali 71 , 72, 73 e 74 di sezione circolare all’interno dei quali e’ inserito un ulteriore tubo rispettivamente 75, 76, 77 e 78 di materiale adatto a resistere alla corrosione degli agenti chimici del fluido che passa all’interno del tubo stesso. I tubi 75, 76, 77 e 78 potranno essere ad esempio realizzati in acciaio inossidabile onde resistere con maggiore efficacia al deposito di incrostazioni o all’attacco di ioni liberi di metallo. Naturalmente all’interno dei tubi 75, 76, 77 e 78 verrà’ inserita sempre la spirale 4 per esaltare la turbolenza del fluido che scorre all’interno di detti canali appartenenti al tubo. In fig. 5 e’ mostrato un esempio di utilizzo del tubo dell'invenzione per realizzare uno scambiatore di calore adatto alle caldaie a gas. Come si osserva lo scambiatore, indicato complessivamente con 10, e’ costituito da quattro tratti di tubo 9, dove ciascun tubo 9 presenta quattro canali 93, 94, 95, 96 a sviluppo lineare ed alette 91 e 92 da ambo i lati di ciascun tubo. All’interno dei canali di ciascun tubo viene inserita la spirale di filo. In un’altra esecuzione la spirale può’ essere anche continua e passare attraverso tutti i tubi 93, 94, 95 e 96 ripiegata a zig-zag all’interno dei tubi stessi, non creando ciò’ alcuna differenza di tipo funzionale. Le parti terminali dei tubi 9 vengono imboccate in piastre 11 portanti ciascuna aperture 110 dove dette parti terminali vengono saldate. Una volta effettuato il bloccaggio dei tubi 9 alle piastre 11 tali piastre vengono ulteriormente saldate o fissate tramite canali ed opportune guarnizioni e viti ai collettori 12 e 13 rispettivamente.

Come si osserva nella fig. 6, il flusso del fluido che arriva all’interno del collettore 12 viene spartito nei quattro rami dei tubi 9 per poi ricomporsi nel collettore 13 ed uscire dopo aver effettuato lo scambio di calore. E’ proprio questa aumentata capacita’ di scambio termico di ciascuno dei tubi costituenti lo scambiatore, che permette di realizzare detto scambiatore con collettori e con tubi in parallelo. Pur essendo detti tubi corti, il basso volano termico assicura ia trasmissione del calore piu' efficace senza dover necessariamente allungare i percorsi dei tubi sotto la fiamma. E' evidente il vantaggio derivante dal fatto che le perdite di carico che si realizzano con la configurazione dello scambiatore cosi’ come mostrato in fig. 6, e cioè’ con tubazioni 9 poste in parallelo, e' nettamente inferiore a quello della disposizione tradizionale dove i tratti di tubo 9 sarebbero stati disposti in serie con raccordi ad U in ciascuna parte terminale per invertire il flusso e per collegare ciascun tratto 9 al successivo.

La costruzione dello scambiatore di calore cosi' come mostrata nelle figg. 5 e 6 evidenzia anche la semplicità’ costruttiva dello scambiatore, che si limita a due soli collettori e ad uguali tratti di tubi secondo l’invenzione posti tra i due collettori. La facilita' della costruzione del collettore ora descritto e’ incrementata anche dalla relativa facilita' con cui con la tecnica attuale si realizza la saldatura tra alluminio ed alluminio, come ad esempio nelle testate dei tubi 9 rispetto alle piastre 11. Una delle tecniche note e’ quella della saldatura TIG, comunque non si escludono altre possibilità’ di saldatura o di unione anche tramite speciali collanti. Si evidenzia che la natura dell’alluminio, materiale particolarmente resistente all’aggressione chimica dovuta alle sostanze contenute nella fiamma dei bruciatori a gas, evita la necessita', fin’ora inevitabile, di effettuare trattamenti esterni superficiali come l'applicazione di leghe al piombo-stagno PB-SN sui tubi in rame per evitare appunto l’aggressivita' della fiamma sul rame stesso.

Per quanto concerne l’aggressione del fluido scambiatore sull’alluminio, ciò' può’ essere ridotto all’origine se il fluido che scorre sullo scambiatore e’ acqua, ad esempio addittivando l'acqua del circuito chiuso dello scambiatore con sostanze che rendono l’acqua inerte dal punto di vista chimico rispetto all’alluminio. In altri casi, come si osserva in fig, 4, potrà’ essere effettuata l'incamiciatura tramite tubi realizzati con materiale sostanzialmente inattaccabile come l’acciaio inox.

Ulteriori possibilità’ potranno essere date anche dalla verniciatura interna dei canali presenti sui tubi di alluminio oppure potrà’ essere previsto il procedimento di anodizzazione o cataforesi del tubo o dello scambiatore.

Il tubo dell'invenzione, e particolarmente lo scambiatore realizzato con il tubo dell’invenzione, può' essere vantaggiosamente utilizzato nelle caldaie a condensazione attualmente costruite solo con tubi di acciaio inossidabile o fusioni proprio per l’alta corrosività’ delle emissioni gassose che si realizzano con caldaie di questo tipo.

Un'altra applicazione interessante degli scambiatori di calore, oltre che nel settore del riscaldamento può' essere nel settore della refrigerazione, sia per la creazione del freddo sia per lo scambio termico come ad esempio negli scambiatori per il raffreddamento dell’olio dei trasformatori che viene raffreddato con batterie all’interno delle quali passa il fluido da raffreddare, cioè' l’olio, e che vengono raffreddate da un flusso di aria esterna convogliata da speciali ventilatori.

Naturalmente il tubo dell’invenzione potrà' essere utilizzato per scambiatori applicabili nei piu' disparati settori della tecnica con vantaggi sempre sorprendenti data l’efficacia dello scambio termico che, come detto, abbatte a parità' di potenza scambiata le dimensioni di circa 30% in pianta e di circa il 50% in volume mentre il peso dello scambiatore si riduce di circa la meta'.

RIVENDICAZIO NI

1 ) Tubo in alluminio (1 , 6, 7) adatto a realizzare scambiatori di calore presentante un profilo esterno sostanzialmente quadrilatero ed individuante internamente uno o piu' canali adatti al passaggio di un fluido scambiatore di calore, detto tubo essendo provvisto di alette esterne (2, 3; 91 , 92) appartenenti a due superfici esterne opposte del tubo e ricavate da dette superfici per sollevamento del materiale, caratterizzato dal fatto di presentare in ciascuno dei canali appartenenti a detto tubo un filo (4) a sezione sostanzialmente circolare avvolto ad elica per tutta la lunghezza di detto tubo, tale che il fluido che passa all’interno del detto tubo e' messo in turbolenza.

2) Tubo in alluminio secondo la rivendicazione 1 ) caratterizzato dal fatto che detto filo, presente in ciascun canale di detto tubo, presenta un diametro da 0,8 a 1 ,2 mm. ed un passo di spirale di circa 6 mm. ed un diametro della stessa spirale di circa 4 mm., detta spirale essendo inserita in un canale con dimensione minima sostanzialmente uguale al diametro di detta spirale.

3) Tubo secondo la rivendicazione 1 ) o 2) caratterizzato dal fatto che detti uno o piu' canali hanno sezione circolare.

4) Tubo secondo la rivendicazione 1 ) o 2) caratterizzato dal fatto che detti canali hanno sezione quadrata.

5) Scambiatore di calore comprendente una pluralità’ di tubi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 ) a 4) collegati idraulicamente tra loro, caratterizzato dal fatto di presentare due collettori (12, 13) affacciati tra loro entro i quali sono compresi detti tubi disposti tra loro sostanzialmente paralleli e con parti terminali fissate a detti collettori, il flusso del liquido svolgendosi nella stessa direzione e senso per ciascuno di detti tubi.

6) Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 5) caratterizzato dal fatto che in ciascun canale di ciascun tubo e’ inserito un ulteriore tubo (75, 76, 77, 78) di materiale resistente agli agenti chimici avente dimensioni esterne pari alle dimensioni interne di detto canale (71 , 72, 73, 74).

7) Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 5) caratterizzato dal fatto che ciascun canale di ciascun tubo presenta le superfici protette da verniciatura effettuata con sostanze resistenti agli agenti chimici presenti nei fluidi.

8) Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 5) caratterizzato dal fatto che ciascun canale di ciascun tubo presenta superfici trattate con il processo di anodizzazione.

9) Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 5) caratterizzato dal fatto che ciascun canale di ciascun tubo presenta superfici trattate con il processo di cataforesi.

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente titoloi’TUBO IN ALLUMINIO ADATTO A REALIZZARE SCAMBIATORI DI CALORE E SCAMBIATORI DI CALORE REALIZZATI CON TALE TUBO".

DESCRIZIONE

L'invenzione e’ relativa ad un tubo particolarmente adatto per essere utilizzato in scambiatori di calore ed agli scambiatori di calore realizzati con tale tubo.

Come e' noto gli scambiatori di calore sono dispositivi tubolari in cui i tubi sono disposti generalmente tra loro paralleli ed appartengono ad un circuito generalmente chiuso all'interno del quale scorre un fluido che cede calore all’ambiente, oppure sottrae calore all’ambiente. Lo scambio può’ avvenire direttamente tra la batteria scambiante e l'aria oppure attraverso un ulteriore fluido, ad esempio l’acqua, se la batteria di scambio di calore e' immersa nell'acqua.

Uno degli esempi piu’ frequenti di scambiatore di calore utilizzanti tubi a serpentina e' quello delle caldaie murali a gas per il riscaldamento dell'acqua sanitaria e dei termosifoni in ambienti domestici.

Una configurazione ricorrente della batteria che realizza lo scambiatore di calore e' costituita da un unico tubo piegato piu’ volte ad U con diversi bracci paralleli tra di loro cosi' che due parti affiancate della batteria presentano un tubo in cui la corrente del fluido internamente va in un senso ed il tubo affiancato in cui la corrente del fluido va in senso opposto. Questo tipo di costruzione implica che due tratti paralleli tra loro siano raccordati da un elemento ad U.

Ugualmente accade se la batteria e’ frigorifera, cioè' se un fluido frigorigeno scorre all’interno del gruppo scambiatore. In ambedue le tipologie degli scambiatori di calore ora descritti generalmente sono presenti alettature esterne che per lo piu’ sono spirali di lamiere saldate esternamente a tubi circolari.

Secondo la tecnica nota alcuni tubi conosciuti ed utilizzati frequentemente negli scambiatori di calore, ad esempio nelle caldaie a gas per il riscaldamento domestico, sono realizzati in rame e con alettatura esterna.

Allo scopo di creare turbolenza all'interno del flusso del fluido, cosi’ da aumentare lo scambio di calore, alcuni tubi noti portano saldate al proprio interno alcune alette o diaframmi parziali che spezzano il flusso del fluido che scorre all’interno e quindi creano turbolenza. In alcune costruzioni si e’ provvisto ad inserire all’interno del tubo delle piattine spiralate. Se da una parte questi dispositivi creano turbolenza, dall’altra aumentano notevolmente le perdite di carico per cui il beneficio che si potrebbe ottenere dall’aumento della turbolenza viene perso dovendo aumentare la portata del fluido che scorre all’interno dello scambiatore per ottenere gli stessi benefici di scambio termico, il che significa spesso aumentare le sezioni dei tubi e quindi gli ingombri e i pesi degli stessi.

Esistono anche ulteriori e diverse configurazioni di tubi. Ad esempio sono particolarmente noti i tubi in alluminio realizzati secondo il brevetto appartenente alla ditta PEERLES in cui i tubi sono realizzati in alluminio e presentano alettature esterne ottenute per scalfittura del sovrametallo presente su due superfici affacciate del tubo stesso cosi’ che le alette che appartengono al tubo sono realizzate per lavorazione meccanica e non per saldatura. Questi tipi di tubi hanno una buona efficacia intesa come possibilità’ di scambio di calore rispetto alla portata de) fluido, ma d’altra parte sono di un costo abbastanza elevato per cui attualmente l’utilizzo e’ abbastanza limitato.

Uno degli scopi della presente invenzione e’ quello dì realizzare un tubo, adatto ad essere utilizzato per realizzare scambiatori di calore, che aumenti significativamente la capacita’ di scambio termica rispetto ai tubi attualmente conosciuti. Con tale tubo infatti si vogliono realizzare degli scambiatori di calore che siano, a parità’ di calorie scambiate, molto piu’ leggeri, piu’ economici, piu' compatti o che, a parità’ di volume e di peso, possano dare deile prestazioni nettamente superiori.

Un altro scopo che si prefigge l'invenzione e' quello di realizzare un tubo in cui vengano create turbolenze alte nel fluido che scorre all'interno, senza per questo aumentare le perdite di carico in modo significativo.

Un altro scopo dell'invenzione e' quello di scegliere, per la realizzazione del tubo dell’invenzione, un materiale che possa ben sopportare le aggressioni chimiche dovute ai metalli disciolti nel fluido scambiatore di calore che scorre all'interno della batteria di scambio termico, soprattutto con riferimento alla presenza di sostanze acide. Inoltre si vuole evitare l’applicazione di trattamenti termici superficiali quali leghe Pb-Sn che normalmente nella tecnica nota vengono effettuate nei tubi di rame allo scopo di aumentare la resistenza agli agenti corrosivi presenti nella fiamma o nell’ambiente.

Gli scopi prima ricordati, ed altri che verranno meglio evidenziati in seguito, sono raggiunti da un tubo in alluminio adatto a realizzare scambiatori di calore, presentante un profilo esterno sostanzialmente quadrilatero ed individuante internamente uno o piu' canali adatti al passaggio di un fluido scambiatore di calore, detto tubo essendo provvisto di alette esterne appartenente a due superfici esterne opposte e ricavate da dette superfici per sollevamento di materiale, dove, in accordo con il contenuto della prima rivendicazione

Claims (9)

1 ) Tubo in alluminio (1 , 6, 7) adatto a realizzare scambiatori di calore presentante un profilo esterno sostanzialmente quadrilatero ed individuante internamente uno o piu' canali adatti al passaggio di un fluido scambiatore di calore, detto tubo essendo provvisto di alette esterne (2, 3; 91 , 92) appartenenti a due superfici esterne opposte del tubo e ricavate da dette superfici per sollevamento del materiale, caratterizzato dal fatto di presentare in ciascuno dei canali appartenenti a detto tubo un filo (4) a sezione sostanzialmente circolare avvolto ad elica per tutta la lunghezza di detto tubo, tale che il fluido che passa all’interno del detto tubo e' messo in turbolenza.

2) Tubo in alluminio secondo la rivendicazione 1 ) caratterizzato dal fatto che detto filo, presente in ciascun canale di detto tubo, presenta un diametro da 0,8 a 1 ,2 mm. ed un passo di spirale di circa 6 mm. ed un diametro della stessa spirale di circa 4 mm., detta spirale essendo inserita in un canale con dimensione minima sostanzialmente uguale al diametro di detta spirale.

3) Tubo secondo la rivendicazione 1 ) o 2) caratterizzato dal fatto che detti uno o piu' canali hanno sezione circolare.

4) Tubo secondo la rivendicazione 1 ) o 2) caratterizzato dal fatto che detti canali hanno sezione quadrata.

5) Scambiatore di calore comprendente una pluralità’ di tubi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 ) a 4) collegati idraulicamente tra loro, caratterizzato dal fatto di presentare due collettori (12, 13) affacciati tra loro entro i quali sono compresi detti tubi disposti tra loro sostanzialmente paralleli e con parti terminali fissate a detti collettori, il flusso del liquido svolgendosi nella stessa direzione e senso per ciascuno di detti tubi.

6) Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 5) caratterizzato dal fatto che in ciascun canale di ciascun tubo e’ inserito un ulteriore tubo (75, 76, 77, 78) di materiale resistente agli agenti chimici avente dimensioni esterne pari alle dimensioni interne di detto canale (71 , 72, 73, 74).

7) Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 5) caratterizzato dal fatto che ciascun canale di ciascun tubo presenta le superfici protette da verniciatura effettuata con sostanze resistenti agli agenti chimici presenti nei fluidi.

8) Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 5) caratterizzato dal fatto che ciascun canale di ciascun tubo presenta superfici trattate con il processo di anodizzazione.

9) Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 5) caratterizzato dal fatto che ciascun canale di ciascun tubo presenta superfici trattate con il processo di cataforesi.