ITPD20070410A1 - Scambiatore di calore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto uno scambiatore di calore del tipo includente le caratteristiche menzionate nel preambolo della rivendicazione principale.

In tale ambito è noto impiegare scambiatori a fascio tubiero, comprendenti una pluralità di tubi rettilinei estesi tra due piastre tubiere, oppure una pluralità di tubi curvati a "U", con entrambe le estremità fissate a una stessa piastra tubiera. In applicazioni tipiche nel fascio tubiero è circolato un fluido refrigerante per il raffreddamento di un fluido di processo che percorre lo scambiatore in contatto termico con le pareti esterne dei tubi del fascio.

Nei casi in cui siano richieste elevate potenze specifiche, ad esempio quando il fluido da raffreddare è un liquido, oppure dimensioni contenute dello scambiatore, si pone il problema di aumentare l'efficienza dello scambio termico tra il fascio tubiero e il fluido operativo.

Una soluzione a tale problema prevede l'impiego di fasci tubieri con tubi del tipo cosiddetto "multiport", aventi sezione trasversale appiattita e provvisti di una pluralità di canali paralleli, suddivisi da setti separatori longitudinali. Tali canali sono denominati mini-canali o micro-canali a seconda della misura della loro sezione di passaggio, la quale è ovviamente minore nei micro-canali rispetto alla sezione dei mini-canali.

L'impiego di scambiatori a mini e/o micro-canali è noto per applicazioni nel settore automobilistico e in quello termotecnico. Nel primo caso tali dispositivi trovano impiego per il raffreddamento dei fluidi circolanti nei motori e di scambiatori per l'impianto di condizionamento della vettura, mentre nel secondo sono impiegati come condensatori ad aria per macchine frigorifere.

A parità di portata del fluido refrigerante l'uso di scambiatori a mini e/o micro-canali consente di aumentare il flusso di calore scambiato per effetto della maggior superficie di scambio termico disponibile.

L'integrazione di tale tecnologia nel settore degli scambiatori a fascio tubiero presenta tuttavia dei limiti di fattibilità tecnologica. Nelle applicazioni note di scambiatore a fascio tubiero le estremità dei tubi sono infatti inserite in corrispondenti fori realizzati sulla piastra tubiera e vincolate ad essa mediante mandrinatura. Nel caso di impiego di tubi multiport tali fori hanno una sezione pressoché rettangolare, con lato minore dell'ordine di 1÷3 mm, pari alla dimensione minima trasversale dei tubi multiport, e una profondità di 40÷60 mm, pari allo spessore tipico di una piastra tubiera.

Una normale operazione di foratura non consente di ottenere i fori sopra descritti con tolleranze dimensionali e di forma sufficientemente precise da consentire l'accoppiamento con le estremità dei tubi multiport. Ciò perché l'utensile tagliente impiegato ha il diametro necessariamente pari o inferiore alla dimensione trasversale minima del foro ed è quindi facilmente soggetto a flessione o deviazione dalla traiettoria rettilinea quando la profondità di foratura è notevolmente superiore a tale diametro, come nel caso di foratura di una piastra tubiera.

Tecnologie alternative, ad esempio 1'elettroerosione, presentano anch'esse difficoltà realizzative determinate dagli stessi vincoli dimensionali sopra definiti, oltre ad essere più onerose dal punto di vista dei costi.

Lo scopo principale della presente invenzione è quello di mettere a disposizione uno scambiatore di calore strutturalmente e funzionalmente concepito per ovviare a tutti gli inconvenienti lamentati con riferimento alla tecnica nota citata.

Questo scopo ed altri ancora che appariranno nel seguito sono affrontati e conseguiti dal trovato mediante uno scambiatore di calore realizzato in accordo con le rivendicazioni che seguono.

Le caratteristiche ed i vantaggi dell'invenzione meglio risulteranno dalla descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione preferita illustrata, a titolo indicativo e non limitativo con riferimento agli uniti disegni in cui :

la figura 1 è una vista schematica in sezione di uno scambiatore di calore realizzato in accordo con 1 ' invenzione;

la figura 2 è una vista parziale prospettica di un particolare dello scambiatore di calore di figura 1; la figure 3 è una vista in sezione longitudinale di di un particolare dello scambiatore di calore di figura i;

la figura 4 è una vista laterale del particolare di figura 3;

— le figure 5 e 6 sono due viste laterali di due rispettive varianti realizzative del particolare di figura 3;

— le figure 7 e 8 sono due viste, rispettivamente corrispondenti a quelle delle figure 3 e 4, del particolare di figura 3.

Con riferimento alle sopra indicate figure, uno scambiatore 1 di calore comprende una pluralità di elementi tubieri 2 estesi, lungo un asse X longitudinale dello scambiatore 1, tra due piastre tubiere 3a,b. Le rispettive estremità longitudinali 2a,b di ciascuno degli elementi tubieri 2 sono vincolate alle piastre tubiere 3a,b, rispettivamente, mediante mandrinatura, ovvero brasatura, ovvero incollaggio come meglio descritto nel seguito.

Secondo una variante realizzativa dell'invenzione, non rappresentata, gli elementi tubieri dello scambiatore 1 sono del tipo curvo a "U", con entrambe le estremità vincolate ad una stessa piastra tubiera.

L'elemento tubiero 2 è provvisto di un mantello esterno 4 avente sezione trasversale con profilo circolare. Il mantello esterno 4 di ciascuno degli elementi tubieri 2 è in contatto termico con un fluido di processo, ad esempio acqua da raffreddare. Il fluido di processo è circolato nello scambiatore 1 lungo un percorso A, definito tra due collettori 5a,b, rispettivamente di ingresso e di uscita. Il percorso A comprende una pluralità di tratti sostanzialmente ortogonali all'asse X, ciascuno dei quali è percorso dal fluido in controcorrente rispetto al tratto successivo. Il fluido di processo è deviato da ciascuno dei tratti del percorso A a quello successivo da una pluralità di setti 6 separatori, ortogonali all'asse X, reciprocamente distanziati. In ciascuno degli elementi tubieri 2 è prevista una pluralità di passaggi 7, del tipo a mini e/o microcanali, disposti a corona lungo il mantello esterno 4 dell'elemento tubero 2. Nei passaggi 7 è circolato un fluido operativo in grado di cedere o assorbire calore dal fluido di processo attraverso il mantello 4

Nell'esempio realizzativo sopra menzionato, in cui nello scambiatore 1 è circolata acqua da raffreddare come fluido di processo, il fluido operativo che percorre i passaggi 7 è un fluido refrigerante.

Nella variante realizzativa delle figure 3, 4, 7, 8, i passaggi 7 sono a sezione circolare.

Secondo altre varianti realizzative (figure 5 e 6) in ciascuno degli elementi tubieri 2 è prevista una pluralità di passaggi 7a, del tipo a mini e/o microcanali, separati da una pluralità di setti radiali 20. I passaggi 7a sono di forma triangolare (figura 5) o trapezoidale (figura 6), rastremati verso l'asse dell'elemento tubiero 2.

Nelle varianti realizzative delle figure da 6 a 8 ciascuno degli elementi tubieri 2 comprende un tubo esterno 8, comprendente il mantello esterno 4, e un tubo interno 9 alloggiato nel tubo esterno 8 e ad esso coassiale. Le pluralità di passaggi 7, 7a del tipo a mini e/o microcanali, sono definite tra i tubi interno 9 ed esterno 8.

A seconda delle diverse varianti realizzative, il tubo interno 8 è chiuso, ovvero percorso da un fluido operativo uguale o diverso dal fluido operativo che percorre i passaggi 7, 7a. Ad esempio nel tubo interno 8 può essere circolato un fluido refrigerante, ovvero una massa termica allo stato fluido per l'accumulo di parte dell'energia termica del fluido operativo che percorre i passaggi 7.

Con riferimento alle figure 3 e 4, in corrispondenza delle estremità longitudinali 2a,b l'elemento tubiero 2 è internamente scaricato per un corrispondente tratto 10a,b, per consentirne il fissaggio, mediante mandrinatura, in corrispondenti fori lla,b della rispettiva piastra tubiera 3a,b.

Con riferimento alle figure 7 e 8, in corrispondenza delle estremità longitudinali 2a,b il tubo interno 9, sporge longitudinalmente rispetto al tubo esterno 8, per due rispettivi tratti 9a,b.

L'estremità libera di ciascuno dei tratti 9a,b è fissata, mediante mandrinatura, in corrispondenti fori 12a,b di una rispettiva prima piastra tubiera 13a,b. Ciascuna estremità del tubo esterno 8 è fissata, mediante incollaggio o brasatura, a corrispondenti fori 15a,b di una rispettiva seconda piastra tubiera 14a,b. Tra la prima piastra 13a,b e 14a,b, rispettivamente risultano definiti due rispettivi volumi 16a,b collettori, in comunicazione con la pluralità di passaggi 7. I volumi 16a,b sono,rispettivamente, di ingresso e di uscita per il fluido operativo che percorre i passaggi 7.

In uno scambiatore realizzato secondo la presente invenzione, l'impiego di una pluralità di passaggi 7, 7a, disposti a corona lungo il mantello esterno 4 dell'elemento tubolare 2, consente di aumentare l'efficienza termica dello scambiatore rispetto al caso di impiego di elementi tubolari con un'unica sezione di passaggio.

L'uso di elementi tubolari 2 a sezione circolare consente inoltre di facilitarne l'accoppiamento con le rispettive piastre tubiere, anche mediante l'impiego di tecnologie economicamente vantaggiose, quali la foratura della corrispondente piastra tubiera e la mandrinatura degli elementi tubieri nei fori così ottenuti.

L'invenzione risolve quindi il problema lamentato con riferimento alla tecnica nota citata, conseguendo, al contempo, molteplici vantaggi. Tra questi il fatto di poter realizzare scambiatori caratterizzati da elementi tubieri provvisti di un'ulteriore passaggio tubolare interno nel quale può essere circolato un secondo fluido operativo.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore, comprendente una pluralità di elementi tubieri aventi almeno una delle opposte estremità vincolate ad una piastra tubiera, caratterizzato dal fatto che in ciascuno di detti elementi tubieri è prevista una corrispondente pluralità di passaggi del tipo a mini e/o microcanali disposti a corona lungo il mantello esterno del corrispondente elemento tubiero.
2. 2. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuno di detti elementi tubieri è internamente scaricato in corrispondenza di almeno una sua estremità per il fissaggio a detta piastra tubiera mediante mandrinatura .
3. 3. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui ciascuno di detti elementi tubieri comprende un tubo esterno, al quale è associato detto mantello, e un tubo interno alloggiato in detto tubo esterno, essendo detta pluralità di passaggi definita tra detti due tubi interno ed esterno.
4. 4. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 3, in cui detto tubo interno è chiuso.
5. 5. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 3, in cui detto tubo interno è percorso da un fluido refrigerante o da una massa termica alla stato fluido.
6. 6. Scambiatore di calore secondo una delle rivendicazioni da 3 a 5, in cui, in corrispondenza di almeno una estremità di detti elementi tubieri, detto tubo interno sporge longitudinalmente rispetto a detto tubo esterno.
7. 7. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 6, in cui in corripdondenza di almeno una di dette estremità longitudinali di ciascuno di detti elementi tubieri, le estremità di detti tubi interno ed esterno sono rispettivamente fissate a una prima e a una seconda piastra tubiera, essendo tra dette prima e seconda piastra definito un volume collettore in comunicazione con detta pluralità di passaggi.
8. 8. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 7, in cui detta prima piastra tubiera è fissata a detto tubo interno mediante mandrinatura e detta seconda piastra tubiera fissata a detto tubo esterno mediante incollaggio o brasatura,