ITBO20100179A1 - Tubo per scambiatore di calore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“TUBO PER SCAMBIATORE DI CALORE”

La presente invenzione è relativa ad un tubo per scambiatore di calore e ad un condensatore/evaporatore per impianti di produzione di acqua calda sanitaria e condizionamento a pompa di calore che utilizza tale tubo.

Come è noto, i condensatori usati in tali impianti comprendono un serbatoio, atto a contenere una certa quantità di liquido, in particolare acqua, che deve essere riscaldata/raffreddata, ed una serie di serpentine in cui passa un gas, per esempio gas di tipo R134A.

E’ noto, altresì, di immergere una o più serpentine nella massa liquida e/o avvolgere una o più serpentine intorno alla superficie esterna del serbatoio dell’acqua. Inoltre, per consentire un efficace scambio termico tra l’acqua contenuta nel serbatoio ed il gas che fluisce attraverso una serpentina esterna bisogna che il tubo con cui viene realizzata tale serpentina esterna abbia determinate caratteristiche di forma e di realizzazione. Per prima cosa, come è noto, tale tubo deve essere realizzato in un materiale, per esempio alluminio o rame, che abbia un buon coefficiente di trasmissione del calore e che sia facilmente deformabile a freddo. In secondo luogo tale tubo deve possedere una sezione trasversale conformata in maniera tale da favorire lo scambio termico.

Alla luce di tali considerazioni si è cercato in tempi abbastanza recenti di passare dalla ovvia soluzione di adottare per questo tipo di serpentina un tubo a sezione circolare, a delle sezioni più o meno ellittiche, per aumentare la superficie di contatto tra la superficie esterna del tubo e quella del serbatoio. Difatti, un contatto in cui viene coinvolto un tubo a sezione ellittica comporta una area di scambio termico sostanzialmente rettangolare al posto di una semplice generatrice come, invece, nel caso di una sezione circolare.

Tuttavia anche l’adozione di sezioni ellittiche non ha portato ad un sensibile aumento della quantità di frigorie scambiate nell’unità di tempo. Questo perché quando nel tubo a sezione ellittica viene fatto fluire del gas con pressioni molto alte (per esempio: condensatore: P<lavoro>= 10-30 bar; evaporatore: P<lavoro>= 1-5 bar) la sezione del tubo si deforma in modo da ripristinare una sezione sostanzialmente circolare, questo perché all’interno del gas di refrigerazione il tensore degli sforzi è di tipo sferico. Pertanto, passando di nuovo da una sezione ellittica ad una sezione sostanzialmente circolare l’area di contatto si riduce di nuovo ad una semplice generatrice.

Pertanto, scopo principale della presente invenzione è quello di fornire un tubo per scambiatore di calore avente una sezione trasversale tale da consentire un sensibile aumento dello scambio termico.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un tubo per scambiatore di calore ed un condensatore/evaporatore per impianti di produzione di acqua calda sanitaria e condizionamento a pompa di calore che utilizza tale tubo, secondo quanto rivendicato nelle rivendicazioni indipendenti o in una qualsiasi delle rivendicazioni dipendenti direttamente o indirettamente dalle rivendicazioni indipendenti.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 illustra un condensatore per impianti di produzione di acqua calda sanitaria a pompa di calore munito di una serpentina utilizzante un tubo secondo l’invenzione;

- la figura 2 mostra in sezione trasversale alcune spire della serpentina di figura 1 avvolta intorno alla parete del serbatoio del condensatore; e

- la figura 3 illustra una sezione trasversale di un tubo secondo l’invenzione.

In figura 1, con 10 si è indicato, nel suo complesso, un condensatore per un impianto di produzione di acqua calda sanitaria a pompa di calore (non illustrato nella sua totalità).

Tale condensatore 10 comprende un serbatoio 11 contenente un liquido, in particolare acqua, da riscaldare. Per esempio, l’acqua a temperatura ambiente entra nel serbatoio 11 secondo una freccia (F1) ed esce fredda secondo una freccia (F2).

Sulla parete esterna 11A del serbatoio 11 è avvolta una serpentina 20 realizzata mediante un avvolgimento a spirale di un tubo 100 oggetto principale della presente invenzione. La serpentina 20 presenta un ingresso 21 del gas ed una uscita 22 dello stesso gas. In uso, nella serpentina 20 fluisce un gas, per esempio dell’R134A.

Come mostrato in maggior dettaglio in figura 3 il tubo 100 ha una sezione trasversale 150 che possiede una forma particolare.

Difatti, la sezione trasversale 150 presenta, a sua volta, una prima porzione 150A, di forma sostanzialmente semicircolare, ed una seconda porzione 150B di forma schiacciata presentante una zona concava 150C con concavità esterna di raggio (R1). In uso, tale concavità della sezione trasversale 150 del tubo 100 è rivolta verso una parete di scambio termico 11A (figure 2, 3).

Quando nel tubo 100 transita un gas ad alta pressione la zona concava 150C si deforma in maniera tale da far sì che, dopo la deformazione, la seconda porzione 150B segua il contorno della parete 11A.

Vantaggiosamente, ma non necessariamente, tra una prima dimensione d’ingombro (D1) ed una seconda dimensione d’ingombro (D2) della sezione trasversale 150 sussiste la seguente relazione:

(D2)/(D1) = 0,5 – 0,8

Inoltre, vantaggiosamente, ma non necessariamente, tra il raggio (R1) della concavità e le prima dimensione d’ingombro (D1) sussiste la seguente relazione:

(R1) ≤ 1,5 – 2,5 (D1)

Difatti, il raggio (R1) della concavità non deve essere troppo piccolo perché altrimenti la concavità sarebbe troppo pronunciata e la sezione 150 non si deformerebbe in maniera appropriata, ma nemmeno troppo grande, perché, altrimenti, si avrebbero le stesse problematiche che si presentano con l’uso di sezioni sostanzialmente ellittiche (vedi sopra). Cioè, in altre parole, in quest’ultimo caso la sezione 150 si deformerebbe in maniera tale da riportare il contatto tra le due superfici di scambio termico sostanzialmente ad una generatrice.

La particolare forma della sezione 150 si ottiene, per esempio, da un tubo in alluminio di sezione circolare di diametro iniziale (Φ) = 10 mm il quale viene deformato mediante una operazione di rullatura a freddo.

Con questo valore del diametro iniziale Φ dopo la rullatura a freddo si avrebbero i seguenti valori:

(D1) = 12 mm

(D2) = 8 mm

Si è visto sperimentalmente che, per quanto riguarda la fase di deformazione a freddo, per ottenere dei risultati interessanti lo spessore (Sp) del tubo 100 deve rispettare la presente relazione:

(Sp) = 0,05 – 0,15 (Φ)

Infine, per massimizzare lo scambio termico si è trovato sperimentalmente che la relazione tra il passo (Ps) delle spire della serpentina 20 e (D1) (figura 2) deve rispettare la seguente relazione:

(Ps)/(D1) = 1 – 1,5

Il vantaggio principale del tubo per scambiatore di calore oggetto della presente invenzione è costituito dal fatto che, a parità di lunghezza di una serpentina, si ha un aumento del rendimento di scambio termico, aumento che è compreso tra il 10% ed il 20% in più rispetto ad un normale tubo a sezione circolare.

Questo fatto consente, ovviamente, a parità di frigorie scambiate, di ridurre considerevolmente la lunghezza della serpentina con un conseguente risparmio in termini di costi (si ricordi che l’alluminio e il rame sono materiali molto costosi), sia eventualmente in termini di leggerezza della serpentina stessa e conseguentemente dell’intero condensatore.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Tubo (100) per scambiatore di calore (20) a serpentina caratterizzato dal fatto di presentare una sezione trasversale (150) avente, a sua volta, una prima porzione (150A) di forma sostanzialmente semicircolare, ed una seconda porzione (150B) di forma schiacciata presentante, a sua volta, una zona concava (150C) con concavità esterna di raggio (R1).
2. 2. Tubo (100) come rivendicato alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che tra una prima dimensione d’ingombro (D1) ed una seconda dimensione d’ingombro (D2) di detta sezione trasversale (150) sussiste la seguente relazione: (D2)/(D1) = 0,5 – 0,8
3. 3. Tubo (100) come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che tra il raggio (R1) ed una prima dimensione d’ingombro (D1) sussiste la seguente relazione: (R1) ≤ 1,5 – 2,5 (D1)
4. 4. Tubo (100) come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che tra lo spessore (Sp) del tubo (100) ed il diametro iniziale (Φ) del tubo circolare di partenza sussiste la seguente relazione: (Sp) = 0,05 – 0,15 (Φ)
5. 5. Condensatore/evaporatore (10) per impianti di produzione di acqua calda sanitaria e condizionamento a pompa di calore caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un tubo (100) come rivendicato in una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4.
6. 6. Condensatore/evaporatore (10), come rivendicato alla rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto tubo (100) è avvolto a spire in modo da realizzare almeno una serpentina (20), detto tubo (100) presentando una sezione trasversale (150) avente una zona concava (150C) con concavità esterna di raggio (R1) rivolta verso una parete di scambio termico (11A).
7. 7. Condensatore/evaporatore (10), come rivendicato alla rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta parete di scambio termico (11A) appartiene ad un serbatoio (11) di un liquido, in particolare acqua, da raffreddare.
8. 8. Condensatore/evaporatore (10), come rivendicato alla rivendicazione 6 o alla rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che la relazione tra il passo (Ps) delle spire di detta serpentina (20) e (D1) deve rispettare la seguente relazione: (Ps)/(D1) = 1 – 1,5 dove (D1) è una prima dimensione d’ingombro di detta sezione trasversale (150).