ITVI20070187A1

ITVI20070187A1 - Scambiatore di calore a fascio tubiero di tipo perfezionato

Info

Publication number: ITVI20070187A1
Application number: IT000187A
Authority: IT
Inventors: Bruno Benetton; Renzo Golin
Original assignee: Wtk S R L
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-04
Also published as: WO2009004422A2; US20100132927A1; WO2009004422A3; EP2160544A2

Description

Descrizione del brevetto per invenzione industriale avente titolo: "SCAMBIATORE DI CALORE A FASCIO TUBIERO DI TIPO PERFEZIONATO”.

DESCRIZIONE

L’invenzione concerne uno scambiatore di calore a fascio tubiero di tipo perfezionato.

In particolare lo scambiatore dell'invenzione è del tipo così detto "allagato" e viene utilizzato come evaporatore in impianti di refrigerazione e/o di condizionamento.

Com'è noto, uno scambiatore di calore di tipo “allagato” è costituito da un corpo di contenimento a sviluppo prevalentemente longitudinale, denominato anche con il termine "fasciame", nel quale è disposto un fascio tubiero. Quest'ultimo è supportato in ciascuna estremità da una piastra tubiera a sua volta fissata al corpo di contenimento. A ciascuna piastra tubiera viene applicato un coperchio in modo da definire due testate tra loro contrapposte, in ciascuna delle quali si definisce una camera collettrice che comunica con il fascio tubiero.

Nel corpo di contenimento si determina così una camera di scambio termico delimitata tra le piastre tubiere e la superficie esterna del fascio tubiero, che comunica con l’esterno tramite una bocca di ingresso ed una bocca di uscita, entrambe praticate nel corpo di contenimento.

Nello scambiatore avviene, lo scambio termico tra un fluido che attraverso il fascio tubiero circola tra le camere collettrici delle testate ed un fluido più freddo che entra nella camera di scambio termico attraverso la bocca di ingresso ed esce evaporato attraverso la bocca di uscita.

Scambiatori di calore del tipo descritto vengono utilizzati come evaporatori in impianti di refrigerazione e/o condizionamento per riportare in fase di vapore il liquido frigorigeno uscente dal condensatore, tramite scambio termico con un altro liquido, generalmente acqua.

Più precisamente il liquido frigorigeno proveniente dal condensatore viene introdotto nella camera di scambio termico attraverso la bocca di ingresso, assorbe calore per scambio termico con l’acqua calda che fluisce lungo il fascio tubiero ed esce dalla bocca di uscita sotto forma di vapore saturo.

L’acqua, durante lo scambio termico, si abbassa di temperatura ed aH'uscita dal fascio tubiero può essere utilizzata per la refrigerazione.

Il fluido frigorigeno allo stato di vapore saturo, prima di essere inviato all’aspirazione del compressore, deve essere opportunamente surriscaldato per eliminare il liquido ancora presente che danneggerebbe il compressore.

Negli impianti noti il surriscaldamento del fluido frigorigeno allo stato di vapore saturo, si effettua mediante unità surriscaldanti a fascio tubiero o analoghe nelle quali il vapore saturo da surriscaldare viene fatto circolare preferibilmente in controcorrente con un fluido più caldo, costituito ad esempio dallo stesso fluido frigorigeno allo stato liquido in uscita dal condensatore.

Gli impianti noti del tipo ora descritto presentano tuttavia alcuni riconosciuti inconvenienti.

Un primo inconveniente è costituito dal fatto che l’evaporatore ed il surriscaldatore sono separati e per connetterli operativamente tra loro è necessario collegarli con tubazioni e raccordi. Questo ovviamente comporta aumento dei costi di impianto.

Un altro inconveniente è costituito dal fatto che la presenza di tubazioni e raccordi di collegamento tra evaporatore e surriscaldatore, comporta anche maggiori costi di manutenzione per verifiche e controlli periodici.

Un ulteriore inconveniente è costituito dalle inevitabili perdite termodinamiche lungo le tubazioni che comportano un minor salto entalpico sfruttabile e quindi una riduzione del coefficiente di prestazione comunemente indicato con l’acronimo COP.

La presente invenzione intende superare gli inconvenienti lamentati realizzando uno scambiatore a fascio tubiero di tipo “allagato” che si pone come primo scopo di avere costi di realizzazione inferiori rispetto a scambiatori ad esso equivalenti appartenenti all'arte nota.

E’ un altro scopo che lo scambiatore dell’invenzione consenta di ottenere coefficienti di prestazione COP superiori rispetto a quelli ottenibili con scambiatori equivalenti di tipo noto.

E’ non ultimo scopo che lo scambiatore dell’invenzione presenti struttura più compatta rispetto a scambiatori di tipo noto ad esso equivalenti.

Lo scopo principale sopra detto è raggiunto da uno scambiatore di calore che presenta le caratteristiche secondo la rivendicazione principale alla quale si rimanda per brevità.

Altre caratteristiche di dettaglio dello scambiatore di calore sono riportate nelle relative rivendicazioni dipendenti.

Secondo la particolare forma esecutiva che viene qui di seguito descritta, lo scambiatore dell’invenzione comprende un primo corpo di contenimento in cui è presente un primo fascio tubiero ed una unità surriscaldante, anch’essa a fascio tubiero, associata al primo corpo di contenimento e comprendente un secondo corpo di contenimento in cui è presente un secondo fascio tubiero.

In particolare le piastre tubiere che supportano ciascuna estremità dei fasci tubieri dello scambiatore e del surriscaldatore, sono realizzate in un’unica flangia.

Vantaggiosamente lo scambiatore di calore dell’invenzione risulta di costruzione più semplice e più compatta rispetto a scambiatori dell’arte nota ad esso equivalenti.

Ancora vantaggiosamente la maggior compattezza dello scambiatore ne rende la costruzione più semplice rispetto a scambiatori equivalenti di tipo noto.

Infine, vantaggiosamente, l'assenza di tubazioni di collegamento tra scambiatore e surriscaldatore, semplifica la manutenzione e rende anche più sicuro il funzionamento, Gli scopi ed i vantaggi sopra detti ed altri eventuali, saranno meglio evidenziati nel corso della descrizione di una preferita forma esecutiva dell’invenzione che viene data qui di seguito a solo titolo indicativo e non limitativo, facendo riferimento alle tavole di disegno allegate, in cui:

- la fig. 1 rappresenta lo scambiatore di calore dell’invenzione, in vista laterale;

- la fig. 2 rappresenta la sezione trasversale dello scambiatore di fig. 1 eseguita secondo il piano di sezione Il - Il .

Lo scambiatore di calore dell'invenzione è rappresentato in vista longitudinale in fig. 1 e nella sezione trasversale di fig.

2 eseguita secondo il piano di sezione ll-ll, ed è indicato complessivamente con 1.

Si osserva che esso comprende un primo corpo di contenimento 2 a sviluppo essenzialmente longitudinale che comunemente viene indicato anche con il termine di "fasciame", all'interno del quale è disposto un primo fascio tubiero complessivamente indicato con 3, composto da una pluralità di tubi tra loro paralleli che percorrono il primo corpo di contenimento 2 sostanzialmente per tutta la sua lunghezza.

Due piastre tubiere 4, 5 ciascuna fissata all'estremità del primo corpo di contenimento 2, supportano il primo fascio tubiero 3 in corrispondenza delle estremità,

Due coperchi 6, 7 ciascuno applicato esternamente ad una rispettiva piastra tubiera 4,5, definiscono una testata 8, 9 nella quale tra piastra e coperchio viene definita una camera collettrice 8a, 9a che comunica con il fascio tubiero 3.

In particolare si individuano una testata di ingresso 8 con relativa camera collettrice di ingresso 8a ed una testata di uscita 9 con relativa camera collettrice di uscita 9a che comunicano tra loro tramite il primo fascio tubiero 3. Una via di ingresso 10 praticata nel coperchio 6 ed una via di uscita 11 praticata nel coperchio 7, consentono il passaggio attraverso il primo fascio tubiero 3 e le camere collettrici 8a, 9a di un primo fluido con direzione e verso indicati dalla freccia A.

All'interno del primo corpo di contenimento 2 e compresa tra la superficie esterna del primo fascio tubiero 3 e le piastre tubiere 4, 5, è definita una camera di evaporazione 2a che viene alimentata attraverso una bocca di ingresso 12 praticata nel primo corpo di contenimento 2 con un secondo fluido che entra con direzione e verso indicati dalla freccia B.

Secondo l'invenzione lo scambiatore 1 comprende un'unità surriscaldante 20 di detto secondo fluido, associata a detto primo corpo di contenimento 2.

Anche l'unità surriscaldante 20 è del tipo a fascio tubiere e comprende un secondo corpo di contenimento 22 a sviluppo essenzialmente longitudinale, internamente al quale è disposto un secondo fascio tubiero 23 composto da una pluralità di tubi tra loro paralleli che percorrono il secondo corpo di contenimento 22 sostanzialmente per tutta la sua lunghezza.

Due piastre tubiere 24, 25, ciascuna fissata ad una estremità del secondo corpo di contenimento 22, supportano il secondo fascio tubiero 23 così da definire all'interno del secondo corpo di contenimento 22 una camera di surriscaldamento 22a delimitata tra la superficie esterna del secondo fascio tubiero 23 e le piastre tubiere 24, 25.

Due coperchi 26, 27 ciascuno applicato esternamente ad una rispettiva piastra tubiera 24, 25 definiscono una testata di ingresso 28 con relativa camera collettrice di ingresso 28a ed una testata di uscita 29 con relativa camera collettrice di uscita 29a che sono in comunicazione tra loro tramite il secondo fascio tubiere 23.

Una via di ingresso 30 praticata nel coperchio 26 ed una via di uscita 31 praticata nel coperchio 27, consentono il flusso attraverso il secondo fascio tubiero 23 secondo la direzione ed il verso indicati dalla freccia C.

Si osserva anche la presenza di una pluralità di vie di presa 32 praticate nel secondo corpo di contenimento 22 per il passaggio del secondo fluido dalla camera di evaporazione 2a definita nel primo corpo di contenimento 2, nella camera di surriscaldamento 22a definita nel secondo corpo di contenimento 22.

Infine nel secondo corpo di contenimento 22 e comunicante con la camera di surriscaldamento 22a, è presente una bocca di uscita 33 del fluido surriscaldato,

In particolare, secondo l'invenzione, entrambe le piastre tubiere 4, 24; 5, 25 disposte da una stessa parte di ciascun fascio tubiero 3; 23 sono ricavate in un'unica flangia 34; 35. Operativamente lo scambiatore di calore 1 dell'invenzione viene utilizzato, ad esempio, come evaporatoresurriscaldatore in impianti di refrigerazione e/o di condizionamento comprendenti, tra l'altro, almeno un compressore ed almeno un condensatore, entrambi non rappresentati.

Attraverso la via d'ingresso 10 praticata nel coperchio 6 del primo corpo di contenimento 2 il primo fluido di scambio termico, costituito da acqua calda, entra nella testata di ingresso 8 e quindi dalla camera collettrice di ingresso 8a, percorre il primo fascio tubiero 3 secondo la direzione indicata dalla freccia A fino a giungere nella testata di uscita 9 e quindi nella camera di uscita 9a per uscire attraverso la via di uscita 1 1 .

Contemporaneamente attraverso la via di ingresso 30 presente nel coperchio 26 dell'unità surriscaldante 20, entra un secondo fluido, costituito ad esempio dal liquido frigorigeno caldo uscente dal condensatore dell'impianto di refrigerazione o di condizionamento, che percorre il secondo fascio tubiero 23 secondo la direzione e verso indicati dalla freccia B, fino a giungere alla via di uscita 31.

La via di uscita 31 comunica con la bocca di ingresso 12 presente nel secondo corpo di contenimento 2 e quindi il secondo fluido che esce dalla via di uscita 31 , entra nella camera di evaporazione 2a.

All'interno della camera di evaporazione 2a la pressione ivi esistente, congiuntamente alla temperatura dell'acqua calda che circola nel primo fascio tubiero 2, sono tali da creare le condizioni affinché il secondo fluido che entra dalla bocca di ingresso 12, evapori per scambio termico con l'acqua calda che fluisce nel primo fascio tubiero 3.

Nello scambio termico l'acqua calda che fluisce nel primo fascio tubiero 3 si raffredda ed esce attraverso la via di uscita 11 ad una temperatura inferiore a quella che essa aveva in corrispondenza della via di ingresso 10.

Tale acqua refrigerata può quindi essere riutilizzata, ad esempio, all'interno di un mobiletto o di una serpentina di scambio per la refrigerazione.

Il secondo fluido che è ora presente nella camera di evaporazione 2a sotto forma di vapore saturo, fluisce attraverso le vie di presa 32 nella sovrastante camera di surriscaldamento 22a ove entra in contatto con il secondo fascio tubiero 23 nel quale, come si è detto, circola il liquido frigorigeno proveniente dall'uscita del condensatore e che si trova ad una temperatura maggiore rispetto a quella alla quale esso si trova quando entra nella camera evaporazione 2a passando attraverso la bocca di ingresso 12.

Nello scambio termico che si verifica il secondo fluido più caldo che circola nel secondo fascio tubiero 23, si raffredda ed esce attraverso la via di uscita 31 , per rientrare nella camera di evaporazione 2a passando attraverso la bocca di ingresso 12.

Contemporaneamente il secondo fluido più freddo presente nella camera di surriscaldamento 22a si surriscalda e perde il liquido residuo e può quindi essere inviato all'aspirazione del compressore, quando esce dalla bocca di uscita 33.

Sostanzialmente quindi durante il processo di scambio termico la temperatura del primo fluido, nel caso specifico acqua, in corrispondenza della via di ingresso 10 nel primo fascio tubiero 3 è maggiore della temperatura dello stesso primo fluido in corrispondenza della via di uscita 11 dello stesso primo fascio tubiero 3 poiché cede calore nella camera di evaporazione 2a al liquido frigorigeno allo stato di vapore saturo.

Pertanto utilizzando lo scambiatore dell'invenzione come evaporatore, si ottiene il raffreddamento dell'acqua e il surriscaldamento del liquido frigorigeno a spese del calore contenuto nell'acqua stessa e nel medesimo liquido frigorigeno che esce caldo dal condensatore.

Si comprende, in base a quanto detto, che lo scambiatore di calore dell'invenzione raggiunge gli scopi elencati.

In particolare non essendo necessario procedere alla posa ed al collegamento di tubazioni e di raccordi per il collegamento dell'unità surriscaldante, l'esecuzione risulta più economica rispetto alla tecnica nota.

Inoltre l'assenza di collegamenti esterni tra unità surriscaldante e unità evaporante comporta anche minori costi di manutenzione ed un aumento del coefficiente di prestazione COP.

Si è riscontrato tramite prove eseguite su prototipi, che tale coefficiente di prestazione COP che comunemente oscilla da 3 a 3,5 negli impianti di tipo noto, nella realizzazione dell'invenzione può arrivare e superare anche il valore di 5.

Infine si realizzano costi di fabbricazione inferiori rispetto a scambiatori equivalenti di tipo noto.

È opportuno osservare che la particolare realizzazione in cui le piastre tubiere 4; 24; 5; 25 disposte da ciascun lato dai fasci tubieri 3; 23 appartengono ad un'unica flangia 34; 35, rende modulare lo scambiatore.

Pertanto, lo stesso scambiatore può essere fornito provvisto o meno di unità surriscaldante.

In base a quanto descritto si comprende quindi che lo scambiatore di calore dell'invenzione raggiunge tutti gli scopi prefissati.

In particolare in fase esecutiva potranno essere apportate modifiche non descritte e non rappresentate nei disegni. Qualora tali modifiche dovessero rientrare nell'ambito delle rivendicazioni che seguono, esse si dovranno tutte ritenere protette dal presente brevetto.

Claims

RIVENDICAZIONI 1 ) Scambiatore di calore (1 ) comprendente: - un primo corpo di contenimento (2) a sviluppo essenzialmente longitudinale; - un primo fascio tubiero (3) disposto all’interno di detto primo corpo di contenimento (2); - due piastre tubiere (4; 5) ciascuna fissata all’estremità di detto primo corpo di contenimento (2) per il supporto di detto primo fascio tubiero (3); - una camera di evaporazione (2a) definita tra detto primo corpo di contenimento (2), la superficie esterna di detto primo fascio tubiero (3) e dette piastre tubiere (4, 5); - due coperchi (6, 7) ciascuno applicato esternamente ad una rispettiva piastra tubiera (4, 5) per definire una testata di ingresso (8) ed una testata di uscita (9) comunicanti tra di loro tramite detto primo fascio tubiero (3); - almeno una via di ingresso (10) presente in detta testata di ingresso (8) ed almeno una via di uscita (11 ) presente in detta testata di uscita (9) per il passaggio di un primo fluido attraverso dette testate (8, 9) e detto primo fascio tubiero (3); - almeno una bocca di ingresso (12) presente in detto primo corpo di contenimento (2) per l'entrata di un secondo fluido in detta camera di evaporazione (2a); caratterizzato dal fatto di comprendere un’unità surriscaldante (20) di detto secondo fluido, associata a detto primo corpo di contenimento (2).
2) Scambiatore di calore (1 ) secondo la rivendicazione 1 ) caratterizzato dal fatto che detta unità surriscaldante (20) è del tipo a fascio tubiero.
3) Scambiatore di calore (1 ) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dai fatto che detta unità surriscaldante (20) comprende: - un secondo corpo di contenimento (22) a sviluppo essenzialmente longitudinale; - un secondo fascio tubiero (23) disposto all’interno di detto secondo corpo di contenimento (22); - due piastre tubiere (24, 25) ciascuna fissata all’estremità di detto secondo corpo di contenimento (22) per il supporto di detto secondo fascio tubiero (23); - una camera di surriscaldamento (22a) definita tra detto secondo corpo di contenimento (22), la superficie esterna di detto secondo fascio tubiero (23) e dette piastre tubiere (24,25); - due coperchi (26, 27) ciascuno applicato esternamente ad una rispettiva piastra tubiera (24, 25) per definire una testata di ingresso (28) ed una testata di uscita (29), comunicanti tra di loro tramite detto secondo fascio tubiero (23); - almeno una via di ingresso (30) presente in detta testata di ingresso (28) ed almeno una via di uscita (31 ) presente in detta testata di uscita (29) per il passaggio di detto secondo fluido attraverso dette testate (28, 29) e detto secondo fascio tubiero (23); - una pluralità di vie di presa (32) praticate in detto secondo corpo di contenimento (22) per il passaggio di detto secondo fluido da detta camera di evaporazione (2a) in detta camera di surriscaldamento (22a); - almeno una bocca di uscita (33) di detto fluido surriscaldato, realizzata in detto secondo corpo di contenimento (22).
4) Scambiatore di calore (1 ) secondo la rivendicazione 3) caratterizzato dal fatto che ciascuna piastra tubiera (4, 5) che supporta detto primo fascio tubiero (2) e ciascuna corrispondente piastra tubiera (24, 25) che supporta detto secondo fascio tubiero (22), sono ricavate in un'unica flangia (34, 35).
5) Scambiatore di calore (1 ) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che in ognuna di dette testate (8, 9; 28, 29)si individua una camera collettrice (8a, 9a; 28a, 29a), compresa tra il coperchio (6, 7; 26, 27) e la rispettiva piastra tubiera (4, 5; 24; 25), la quale comunica con una rispettiva via (10, 11 ; 30, 31 ) di passaggio di detto primo fluido e con un rispettivo fascio tubiero (3, 23).
6) Scambiatore di calore (1 ) secondo la rivendicazione 1 ) caratterizzato dal fatto che la temperatura di detto primo fluido in corrispondenza di detta via di ingresso (10) è maggiore della temperatura che lo stesso primo fluido presenta in corrispondenza di detta via di uscita (11 ).
7) Scambiatore di calore (1 ) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto primo fluido è acqua.
8) Scambiatore di calore (1 ) secondo la rivendicazione 3) caratterizzato dal fatto che la temperatura di detto secondo fluido in corrispondenza di detta via di ingresso (30) è maggiore della temperatura che lo stesso secondo fluido presenta in corrispondenza di detta via di uscita (31 ) ed in corrispondenza di detta bocca di ingresso (12).
9) Scambiatore di calore (1 ) secondo la rivendicazione 3) caratterizzato dal fatto che detta via di uscita (31 ) di detta testata di uscita (29) di detta unità surriscaldante (20) comunica con detta bocca di ingresso (12) di detto primo corpo di contenimento (2).
10) Impianto di refrigerazione del tipo comprendente almeno un compressore, almeno un condensatore ed almeno uno scambiatore di calore (1 ) secondo la rivendicazione 3) caratterizzato dal fatto che l’uscita di detto condensatore è collegata a detta via di ingresso (4) di detta testata di ingresso (8) di detta unità surriscaldante (20) e l’aspirazione di detto compressore è collegata a detta bocca di uscita (33) di detto fluido surriscaldato presente in detto secondo corpo di contenimento (23). Per incarico.