ITUB20155713A1 - Tubo di fiamma migliorato. - Google Patents

Description

''TUBO DI FIAMMA MIGLIORATO"

La presente invenzione riguarda un tubo di fiamma secondo il preambolo della rivendicazione principale ,

I tubi di fiamma sono utilizzati per trasmettere calore tra i fumi caldi, che passano internamente al tubo, e un fluido esterno al tubo, generalmente un liquido.

I tubi di fiamma presentano normalmente un'alettatura disposta sulla superficie interna del tubo, per aumentare l'efficienza dello scambio termico .

Tali tubi di fiamma possono essere utilizzati in diversi tipi d'impianti come ad esempio scambiatori di calore o caldaie.

All' interno di un tubo di fiamma passano i fumi caldi prodotti da una combustione. E' possibile anche che la combustione avvenga nel primo tratto del tubo di fiamma. Il tubo di fiamma deve sopportare internamente temperature che vanno da 1200°C nella sezione d'ingresso (base) fino a 40°C nella sezione d'uscita (testa), dove i fumi si sono raffreddati.

Negli impianti di climatizzazione ad assorbimento tali tubi di fiamma sono utilizzati per cedere calore a una miscela di acqua e ammoniaca, al fine di separare l'ammoniaca dall'acqua, ottenendo vapore di ammoniaca in testa e una soluzione liquida povera di ammoniaca alla base.

In tali impianti un tubo di fiamma è sottoposto ad una elevata pressione esterna, normalmente fino a 35 bar, che tende a farlo collassare. Le normative stabiliscono che il tubo di fiamma in tali impianti debba sopportare una pressione esterna di quattro volte la pressione di progetto. Per questo motivo la parete laterale del tubo di fiamma deve avere uno spessore sufficiente a resistere alla differenza di pressione tra esterno e interno.

Anche la differenza di temperatura tra le varie parti del tubo di fiamma provoca una differente dilatazione termica e una conseguente sollecitazione strutturale o stress termico.

I tubi di fiamma devono quindi garantire un buon coefficiente di scambio termico, un'elevata resistenza alle temperature, un'elevata resistenza strutturale alla pressione esterna e alle sollecitazioni termiche.

Differenti tubi di fiamma sono noti nel campo della tecnica.

In US 2010/0307729 Al è descritto un tubo di fiamma che presenta alette longitudinali disposte sulla superficie interna. Tali alette sono realizzate con profilati a U per una più facile connessione alla superficie interna del tubo. Le alette hanno inoltre un'altezza che cresce con l'avvicinarsi alla sezione di uscita e sono dispose su anelli.

In US 5913289 è descritto un tubo di fiamma con una lamiera corrugata applicata alla superficie interna, per migliorare lo scambio termico. Tale lamiera è tuttavia sottoposta a una notevole sollecitazione termica.

In US 6675746 B2 le alette sulla superficie interna del tubo di fiamma sono formate da pioli, per migliorare la resistenza alla sollecitazione termica .

Un problema dei tubi di fiamma è la limitata efficienza dello scambio termico.

Un altro problema è legato alla perdita di carico, in particolare dovuta al restringimento della sezione di passaggio come ad esempio in US 2010/0307729 Al quando i fumi passano da un anello di alette a quello successivo.

Un altro problema è di ottenere sulla superficie esterna del tubo di fiamma una distribuzione di temperatura omogenea, oppure un profilo desiderato di temperatura.

Un altro problema è di migliorare la resistenza strutturale del tubo sia alla differenza di pressione tra esterno e interno, che alle sollecitazioni termiche.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello realizzare un tubo di fiamma che permetta di superare gli inconvenienti citati, in particolare uno scopo è di realizzare un tubo di fiamma con un migliore coefficiente di scambio termico.

Un altro scopo è di realizzare un tubo di fiamma in cui si abbia una temperatura della superficie esterna maggiormente omogenea, oppure una distribuzione desiderata della temperatura sulla superficie esterna.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare un tubo di fiamma con maggiore resistenza alla pressione esterna.

Detti scopi vengono conseguiti da un tubo di fiamma le cui caratteristiche inventive sono evidenziate dalle rivendicazioni.

L' invenzione sarà meglio compresa dalla seguente descrizione dettagliata, fornita a puro titolo esemplificativo, quindi non limitativo, di una preferita forma realizzativa illustrata negli annessi disegni in cui;

la Fig. 1 mostra una vista prospettica di un tubo di fiamma secondo 1'invenzione;

la Fig. 2 mostra una sezione trasversale del tubo di fiamma secondo 1'invenzione;

la Fig. 3 mostra una sezione longitudinale parziale del tubo di fiamma secondo 1'invenzione; la Fig. 4 mostra un dettaglio della disposizione reciproca delle alette nel tubo di fiamma .

Con riferimento alle figure, si vede che il tubo di fiamma comprende un corpo tubolare 1 con una superficie laterale interna 2, che si sviluppa attorno a un asse A, una sezione d'ingresso 10 e una sezione di uscita 11, una pluralità di alette 3, che si protendono dalla superficie laterale interna 2 verso l'asse A, sostanzialmente in direzione radiale R.

Il corpo tubolare ha normalmente una forma cilindrica a sezione circolare. Esso potrebbe tuttavia anche avere una forma cilindrica con sezione ovale o in generale la forma di una superficie geometrica rigata come ad esempio una forma tronco conica o una forma tubolare qualsiasi anche di una superficie non rigata con un ingresso e una uscita. Le alette 3 comprendono una radice 6, ad intimo contatto con la superficie laterale interna 2, un apice 7 e almeno una superficie estesa 4. Nel caso più comune le alette hanno una forma sostanzialmente rettangolare, con due superfici estese e uno spessore 8. Tali alette 3 sono disposte sulla superficie laterale interna 2, in modo che la tangente T alla superficie estesa normale alla direzione radiale R formi un angolo non nullo con una delle generatrici della superficie laterale interna 2, quando la superficie laterale interna è costituita da una superficie rigata, come ad esempio un cilindro.

In generale detta tangente T in un punto C ad una delle superfici estese 4 normale alla direzione radiale R è sghemba rispetto all'asse A.

Detta tangente T forma con un vettore assiale B, parallelo all'asse A e con origine nel medesimo punto C della tangente T, un angolo di avvitamento a maggiore di 0° e inferiore a 60°. Un angolo di avvitamento a pari a 0° equivarrebbe ad avere le alette disposte in direzione longitudinale. Un angolo di avvitamento a maggiore di 0° produce un avvitamento attorno all'asse A del fluido che passa internamente al tubo di fiamma favorendo la turbolenza e lo scambio termico convettivo.

Per contenere le perdite di carico detto angolo di avvitamento a è compreso tra 2° e 25°. Nella forma realizzativa preferita detto angolo di avvitamento a è compreso tra 5° e 15°.

Nel caso in cui l'asse A è curvo, il vettore assiale B è normale al piano trasversale all'asse A che contiene l'origine C della tangente T.

Le alette 3 si protendono dalla superficie laterale interna 2 formando almeno una schiera S di alette 3 in cui la superficie estesa di un'aletta è in gran parte affacciata a quella di un'altra aletta disposta in successione nella schiera S. Con "affacciata'' s'intende che la normale alla superficie estesa 4' di una prima aletta 3' incontra la superficie estesa 4' ' di una seconda aletta 3'', senza incontrare nulla in mezzo.

Ogni schiera di alette può formare un anello chiuso o aperto, e la superficie laterale interna 2 può essere ricoperta da una pluralità di schiere formanti ognuna un anello.

Preferibilmente una schiera S di alette 3 si avvolge attorno all'asse A avanzando progressivamente in direzione assiale. Ad esempio una schiera di alette si avvita attorno all'asse A sostanzialmente secondo un'elica, con una progressione costante in direzione assiale.

Nell'esempio rappresentato nelle figure 1 e 3, il tubo di fiamma comprende una sola schiera S di alette che si protendono dalla superficie laterale interna 2.

Con riferimento alla Fig. 4, si vede che, in una delle possibili forme realizzai ive, la disposizione reciproca delle alette è tale per cui una prima e una seconda aletta 3' e 3'', disposte in successione in una schiera e quindi almeno parzialmente affacciate, formano un'intercapedine tra le rispettive superfici estese affacciate 4' e 4'' il cui ideale prolungamento P in direzione della tangente T incontra una terza aletta 3'' ' disposta all'uscita dall'intercapedine. Detta terza aletta 3''' rompe il flusso in uscita dall'intercapedine favorendo lo scambio termico convettivo,

Si può anche dire che le intercapedini che le alette formano tra le rispettive superfici estese sono disallineate rispetto alle intercapedini formate dalle successive alette in direzione della tangente T,

Questo disallineamento delle intercapedini, del resto già presente ad esempio in US 2010/0307729 Al, serve ad aumentare l'efficienza dello scambio termico, in quanto il fluido in uscita da un'intercapedine formata da una prima ed una seconda aletta 3' e 3'', non si infila direttamente nell'intercapedine successiva, ma impatta contro una terza aletta 3''', aumentando la turbolenza del moto.

Per una maggiore semplicità costruttiva il tubo di fiamma comprende un'unica schiera S di alette 3, che si protende dalla superficie laterale interna 2 e si avvolge attorno all'asse A secondo un'elica (Fig. 3).

La forma realizzativa preferita, ma non esclusiva, vede la disposizione delle alette in una schiera che si avvolge ad elica determinando un passaggio 13 privo di alette tra le diverse spire dell'elica, che si avvolge anch'esso a elica attorno all'asse A.

L'orientazione e il numero delle alette permette di regolare l'entità dello scambio termico. Alette che presentano un angolo di avvitamento a maggiore, producono una maggiore perdita di carico, ma scambiano di più rispetto ad alette con un angolo di avvitamento a minore. Questo consente di regolare la temperatura della superficie laterale esterna 9 del tubo di fiamma rendendola ad esempio più omogenea.

Vantaggiosamente quindi le alette, disposte sulla superficie laterale interna 2 del tubo di fiamma, hanno angolo di avvitamento a che dipende dalla posizione delle alette 3 lungo la direzione assiale ovvero in funzione della distanza dalla sezione d'ingresso. Una variazione continua dell'angolo di avvitamento a con la posizione in direzione assiale delle alette consente una regolazione fine dello scambio termico e della temperatura sulla superficie laterale esterna 9.

L'altezza e conseguentemente la superficie delle alette 3 in direzione radiale R può dipendere dalla posizione in direzione assiale delle alette 3, in quanto al variare della distanza dalla sezione d'ingresso varia la temperatura dei fumi, e può variare la pressione e il loro volume specifico. In generale l'altezza delle alette aumenta allontanandosi dalla sezione d'ingresso 10.

In modo simile a US 2010/0307729 Al, a partire da una certa distanza dalla sezione d'ingresso 10, dentro il corpo tubolare 1 del tubo di fiamma in corrispondenza dell'asse A è disposta un'ogiva (non rappresentata per semplicità), che ha lo scopo di costringere i fumi a passare lontano dall'asse A, all'interno delle intercapedini formate tra le alette.

L'ogiva è realizzata in un materiale resistente alle alte temperature soprattutto in punta dove è esposta a fumi ad elevata temperatura.

Vantaggiosamente l'ogiva è realizzata in modo che le dilatazioni termiche del tubo di fiamma, che fanno allontanare l'apice delle alette dall'asse A, vengono compensate dalla dilatazione termica dell'ogiva, che rimane in prossimità dell'apice delle alette.

La parte del tubo di fiamma vicino all'asse che si trova verso la sezione d'ingresso 10 è invece normalmente destinata ad accogliere la parte terminale del bruciatore ed è quindi sede della combustione.

Dato che il tubo di fiamma descritto è particolarmente adatto a generatori di ammoniaca in impianti termodinamici ad assorbimento, con il presente brevetto si vuole anche proteggere un generatore di ammoniaca, per un ciclo termodinamico ad assorbimento, che comprende un tubo di fiamma con le caratteristiche precedentemente descritte.

Nel suo funzionamento i fumi della combustione ad una temperatura elevata entrano nella sezione d'ingresso 10 del tubo di fiamma e scambiano calore con la prima parte del tubo. Successivamente l'ogiva spinge i fumi ad entrare completamente nelle intercapedini formate tra le superfici estese affacciate delle alette 3. I fumi si muovono verso la sezione d'uscita 11 e per il disallineamento delle intercapedini, quando escono da una intercapedine scontrano contro l'aletta successiva che si trova sulla traiettoria in direzione della tangente T. Questo aumenta la turbolenza del flusso e migliora lo scambio termico convettivo, A causa dell'orientazione delle alette i fumi si muovono nel tubo di fiamma seguendo una traiettoria sostanzialmente ad elica.

E' naturalmente possibile che nella prima parte del tubo di fiamma si abbia ancora la combustione e non ancora i fumi prodotti dalla stessa.

Nel caso in cui si abbia una distribuzione della schiera di alette lungo un'elica, che si avvolge attorno all'asse A, la sezione di passaggio dei fumi non subisce brusche riduzioni o allargamenti muovendosi in direzione assiale, in quanto, considerando una sezione trasversale, quando i fumi escono da un'intercapedine, in altre posizioni angolari attorno all'asse A i fumi si trovano ancora dentro alle altre intercapedini. Per questo motivo, se la schiera di alette si avvolge ad elica, i fumi subiscono minori perdite di carico di quelle che subirebbero nel caso in cui le alette fossero disposte in tante schiere ad anello attorno all'asse A, separate da passaggi anulari senza alette come in US 2010/0307729 Al.

Il fatto che la radice delle alette forma un angolo di avvitamento a maggiore di 0° ed è quindi inclinata rispetto alle generatici, che definiscono la superficie laterale interna 2, consente di avere una maggiore resistenza del corpo tubolare allo schiacciamento dovuto alla pressione esterna e alle sollecitazioni termiche. Le alette fungono in questo modo anche da elementi strutturali, ovvero costole che irrobustiscono la struttura. Grazie a ciò è possibile realizzare un tubo di fiamma con un corpo tubolare strutturalmente più resistente.

Grazie al fatto che l'orientamento delle alette può variare con continuità dalla sezione d'ingresso alla sezione d'uscita, il progettista può determinare il profilo desiderato di temperatura sulla superficie laterale esterna 9 del corpo tubolare. Questo permette ad esempio di avere una distribuzione di temperatura maggiormente uniforme sulla superficie laterale esterna.

Il procedimento di produzione può essere facilmente automatizzato e consente di ottenere una elevata concentrazione di alette disposte con elevata precisione.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Tubo di fiamma comprendente un corpo tubolare (1) con una superficie laterale interna (2), che si sviluppa attorno a un asse (A), una sezione d'ingresso (10) e una sezione di uscita (11), una pluralità di alette (3), che si protendono dalla superficie laterale interna (2) verso l'asse (A), sostanzialmente in direzione radiale (R), dette alette (3) comprendendo almeno una superficie estesa (4) la cui tangente (T) in un punto (C), normale alla direzione radiale (R), è sghemba rispetto all'asse (A), una prima e una seconda aletta (3', 3'') formando un'intercapedine tra le rispettive superfici estese affacciate (4', 4'') il cui ideale prolungamento (P) in direzione della tangente (T) incontra una terza aletta (3''').
2. 2. Tubo di fiamma secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta tangente (T) in un punto (C) alla superficie estesa (4) forma con un vettore assiale (B), parallelo all'asse (A) e con origine nel medesimo punto (C), un angolo di avvitamento (a) maggiore di 0<0>e inferiore a 60°.
3. 3. Tubo di fiamma secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto angolo di avvitamento (a) è compreso tra 2° e 25°.
4. 4. Tubo di fiamma secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto angolo di avvitamento (a) è compreso tra 5° e 15°,
5. 5. Tubo di fiamma secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette alette (3) sono disposte in almeno una schiera (S),
6. 6. Tubo di fiamma secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta schiera (S) di alette (3) si avvolge attorno all'asse (A) avanzando progressivamente in direzione assiale.
7. 7. Tubo di fiamma secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto di comprendere un'unica schiera (S) di alette (3).
8. 8. Tubo di fiamma secondo la rivendicazione 6 o 7, caratterizzato dal fatto che detta schiera (S) di alette (3) si avvolge attorno all'asse (A) secondo un'elica.
9. 9. Tubo di fiamma secondo una o più delle rivendicazioni da 2 a 8, caratterizzato dal fatto che detto angolo di avvitamento (a) dipende dalla posizione in direzione assiale delle alette (3).
10. 10, Tubo di fiamma secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette alette (3) presentano un'altezza che dipende dalla posizione in direzione assiale delle alette (3).
11. 11. Generatore di ammoniaca per un ciclo termodinamico ad assorbimento, caratterizzato dal fatto di comprendere un tubo di fiamma secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.