IT201600074665A1

IT201600074665A1 - Scambiatore di calore per caldaia o simili

Info

Publication number: IT201600074665A1
Application number: IT102016000074665A
Authority: IT
Inventors: Benedetta Bambozzi; Flavio Chiavetti; Renzo Pucciarelli; Claudio Spuri
Original assignee: Ariston Thermo Spa; Valmex S P A
Priority date: 2016-07-18
Filing date: 2016-07-18
Publication date: 2018-01-18
Also published as: CN109642750A; FR3054029A3; EP3770528B1; EP3485203A1; EP3770528A3; CN113375334A; RU2711236C1; WO2018015799A1; EP3770528A2; CN109642750B; FR3054029B3

Description

“Scambiatore di calore per caldaia o simili”

DES CRIZIONE DELL ’ INVENZIONE

La presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore per una caldaia o simili.

L’invenzione si inserisce, pertanto, nel campo dei generatori termici ad alto rendimento (con rendimenti, riferiti al Potere Calorifico Inferiore, dell’ordine del 95-100 %), in particolare in quello delle caldaie a condensazione per il riscaldamento d’ambiente e/o produzione di acqua calda sanitaria.

Generalmente una caldaia è un dispositivo in cui l'acqua da riscaldare (sia per usi sanitari sia per il riscaldamento degli ambienti,) percorre uno scambiatore di calore cooperante con un bruciatore a gas.

Detto scambiatore di calore può comprendere un fascio tubiera, preferibilmente avvolto a spirale, essendo dette spire attraversate dai gas di combustione, o fumi, generati dal bruciatore a gas, in modo da trasferire calore all'acqua che lo percorre.

Detti gas di combustione, dopo aver ceduto all'acqua il loro calore, compreso il calore latente di condensazione, vengono scaricati all'esterno dello scambiatore e della caldaia a gas.

Nel tempo dette caldaie sono state perfezionate e migliorate, in modo da fornire all’ utente dispositivi sempre più sicuri e performanti.

Attualmente uno dei maggiori problemi che riguarda le caldaie, è dato dal controllo di temperatura sia dell’ acqua erogata sia dello scambiatore di calore stesso.

Per quanto concerne l’acqua erogata, è importante conoscere la sua temperatura in modo da verificare se la caldaia sta lavorando secondo i parametri richiesti ed impostati dall’utente.

Ad esempio se la caldaia emettesse acqua più fredda rispetto alla temperatura impostata, essa dovrebbe lavorare più a lungo per raggiungere il benessere termico desiderato o, nel caso fosse impiegata per i sanitari, creerebbe disagio all’utente.

Inoltre un controllo puntuale e preciso della temperatura dello scambiatore premette di scongiurare rotture o danni al sistema.

Infatti se il bruciatore venisse attivato in mancanza di acqua nello scambiatore di calore, detto scambiatore si surriscalderebbe causando danni strutturali che potrebbero comprometterne il funzionamento e l’integrità.

Ad esempio il fascio tubiera potrebbe deformarsi o bucarsi a causa delle fiamme e del forte calore, pregiudicandone irrimediabilmente le funzionalità.

Le soluzioni proposte fin qui dallo stato dell’arte risultano insufficienti. Ad esempio sono stati sviluppati scambiatori di calore provvisti di sonde di temperatura, così da monitorame la temperatura.

La loro efficacia, purtroppo, è limitata dal fatto che esse sono posizionate su raccordi o collegamenti che uniscono l’estremità dello scambiatore con le tubazioni dell’impianto idraulico di riscaldamento o dei sanitari.

Normalmente detti raccordi o collegamenti sono realizzati in plastica o simili, e presentano coefficienti di trasmissione del calore relativamente bassi.

Ciò porta la sonda termica ad operare con ritardo e imprecisione, generando errori di misura e una scarsa prontezza della caldaia, o in generale dei suoi mezzi di controllo, a reagire per portare i parametri misurati in linea con i parametri impostati.

Scopo della presente invenzione è dunque quello di risolvere i problemi sopra descritti, fornendo uno scambiatore di calore in grado di rilevare in modo pronto e corretto la temperatura del fluido termo-vettore che lo attraversa.

Ulteriore scopo della presente invenzione, almeno per una o più varianti esecutive, è fornire uno scambiatore che consenta una connessione diretta tra le sue estremità e le tubazioni idrauliche.

Questi e altri scopi, che risulteranno chiari in seguito, si conseguono con uno scambiatore di calore, illustrato nella seguente descrizione e nelle rivendicazioni annesse, che costituiscono parte integrante della descrizione medesima.

Ulteriori caratteristiche del presente trovato risulteranno meglio evidenziate dalla seguente descrizione di una preferita forma di realizzazione, conforme alle rivendicazioni brevettuali e illustrata, a puro titolo esemplificativo e non limitativo, nelle allegate tavole di disegno, in cui:

la fig. 1 è una vista in prospettiva di una possibile variate realizzativa dello scambiatore secondo la presente invenzione;

la fig. 2 è una vista frontale dello scambiatore di Fig. 1;

la fig. 3 è una vista esplosa dello scambiatore di Fig. 1;

la fig. 4 è una vista laterale dello scambiatore di Fig. 1;

la fig. 5 è una vista laterale dello scambiatore di Fig. 1;

la fig. 6 è una vista in sezione dello scambiatore di Fig. 1;

la fig. 7 è una vista in prospettiva di un componente del corpo contenitore dello scambiatore di Fig. 1;

la fig. 8 è una vista frontale della serpentina dello scambiatore di Fig. 1; la fig. 9 è una vista in prospettiva della serpentina di Fig. 8.

Salvo ove altrimenti precisato, nella presente relazione qualsiasi eventuale riferimento spaziale quale i termini “in alto/in basso, anteriore/posteriore, destro/sinistro ecc.” si riferisce alla posizione in cui gli elementi sono rappresentati nelle figure allegate.

Con lo scopo di evidenziare talune caratteristiche piuttosto che altre, non necessariamente quanto riportato nei disegni allegati è perfettamente in scala.

Lo scambiatore di calore 1, da qui in poi chiamato per semplicità scambiatore 1, comprende un opportuno corpo contenitore 2, almeno una serpentina 3, ed almeno un mezzo sensore di temperatura 4.

Con il termine serpentina è da intendersi un fascio tubiera realizzato tramite un tubo 3, preferibilmente metallico, avvolto a spirale intorno ad un asse centrale, atto a formare un opportuno numero di spire, e delimitante una camera di combustione 300 nella quale sono introdotti i fumi prodotti da un bruciatore (non mostrato).

Detta serpentina 3 è vantaggiosamente realizzata come un unico componete, ovvero è definita da un singolo elemento senza soluzione di continuità.

La serpentina 3 quindi è priva di saldature e/o giunzioni; ciò favorisce una deformazione, dovuta alle temperature cui è sottoposta, uniforme ed omogenea.

La serpentina 3 prevede almeno una prima estremità 31, che funge da ingresso per il fluido termovettore da riscaldare, ed almeno una seconda estremità 32, che funge da uscita per detto fluido termovettore.

Secondo una variante preferita, detta serpentina 3 presenta una sezione ellittica, mentre dette estremità 31 e 32 presentano una sezione circolare che agevola le operazioni di connessione alle tubature deirimpianto idrico o ad eventuali componenti meccanici (valvole di regolazione, pompe, ecc.) .

Vantaggiosamente dette estremità 31 e 32 sono ottenute sagomando la sezione ellittica tramite noti processi meccanici per deformazione plastica, così da ottenere un cambio di sezione, da ellittica a circolare, senza l’ausilio e il montaggio di elementi aggiuntivi quali raccordi, collettori o simili; ciò consente una continuità metallica tra lo scambiatore e le tubature.

Viceversa, sempre con processi noti, la sezione della serpentina 3 da circolare è deformata ad ellittica salvo le dette estremità 31 e 32.

Lo scambiatore 1 secondo la presente invenzione è caratterizzato dal fatto che le estremità 31 e 32 fuoriescono dal corpo contenitore 2, in misura tale da garantire un accesso agevole alle medesime.

In generale il corpo contenitore 2 può essere realizzato secondo differenti varianti esecutive, tutte caratterizzate dal fatto che le estremità 31 e 32 della serpentina 3 fuoriescono dal detto corpo contenitore 2.

Tale caratteristica, in accordo con lo scambiatore secondo la presente invenzione, consente vantaggiosamente di posizionare e installare i mezzi sensori 4 sulle dette estremità 31 e 32.

In questo modo, i mezzi sensori 4 risultano in contatto diretto con le pareti metalliche della serpentina 3, così da controllarne in modo più efficace la temperatura.

Tale disposizione consente di misurare in modo preciso e rapido la temperatura della serpentina 3, risolvendo i problemi dello stato dell’arte prima illustrati.

Infatti le pareti metalliche della serpentina 3 presentano coefficienti di scambio termico più elevati rispetto ai materiali plastici usati per i raccordi o simili attualmente usati.

Detti mezzi sensori 4 possono essere vincolati e fissati alTestremità 31 e 32 della serpentina 3 attraverso opportuni mezzi di montaggio 40.

In accordo con una prima variante realizzativa, rappresentata in Fig.l, detti mezzi di montaggio 40 comprendono i mezzi di fissaggio, come ad esempio le clip metalliche, che realizzano il bloccaggio delle dette estremità 31 e 32 con le tubature.

Nulla vieta di che detti mezzi di montaggio 40 possano comprendere, ad esempio, dei semi-gusci accoppiabili, cinturini, fascette, o simili.

Dette estremità 31 e 32 possono essere disposte secondo differenti varianti esecutive, portate a titolo esemplificativo e no limitativo.

Ad esempio dette estremità 31 e 32 possono essere disposte con i reciproci assi longitudinali paralleli tra loro (variante non illustrata) o possono essere disposte con i reciproci assi longitudinali ortogonali tra loro (Figg. 8 e 9).

Detta ultima variante, raffigurata nelle figure a corredo, permette d’avere restremità 32 sostanzialmente orizzontale rispetto allo scambiatore 1 (Fig. 2); ciò consente di poter facilmente installare un disaeratore 6, sostanzialmente un dispositivo utilizzato per eliminare l'aria o gas contenuti in circuiti idraulici o simili, e di migliorare la fuoriuscita e l’evacuazione dell’ aria.

Inoltre essendo detta estremità 32 fuoriuscente dal corpo contenitore 2, l’installazione del disaeratore 6 risulta di comodo accesso per l’operatore, così da agevolarlo nelle fasi di manutenzione o sostituzione dello stesso.

In accordo con una possibile variante realizzativa, detto scambiatore 1 può vantaggiosamente essere provvisto di un setto refrattario 5, particolarmente utile nel caso di caldaie a condensazione, eventualmente dotato di un idoneo strato isolante 50.

Detto setto refrattario 5, sostanzialmente un elemento discoidale, suddivide detta camera di combustione 300 in due parti; una prima camera scambiante 310 chiamata “scambiatore sensibile” e una seconda camera scambiante 320 chiamata “scambiatore freddo” o “condensante”.

Come noto, la prima camera scambiante 310 è esposta alle fiamme del bruciatore, e il flusso dei fumi avviene in direzione radiale (ossia ortogonale all’asse centrale dello scambiatore 1); pertanto, ciascun filetto di fumo scambia singolarmente calore con una singola spira delle presenti.

I fumi parzialmente raffreddati vengono guidati verso lo la seconda camera scambiante 320, dove vengono ulteriormente raffreddati fino ad una temperatura tale da avere la condensazione di parte del vapore acqueo in essi contenuto e quindi inviati in una canna fumaria (non mostrata) per essere scaricati in atmosfera.

Detto setto refrattario 5 impedisce la comunicazione diretta tra le rispettive prima camera 310 e seconda camera 320, assicurando il flusso dei fumi di combustione sopra descritto.

Inoltre detto setto refrattario 5 viene “avvitato” lungo le spire della serpentina 3.

In sostanza il setto 5 può essere spostato lungo detta serpentina 3 con un movimento rotatorio simile all’avvitamento; ciò consente di modificare la posizione del detto setto 5 e quindi regolare e variare le dimensioni delle dette camere 310 e 320.

A tale scopo il setto refrattario 5 è sagomato in modo tale da prevedere un invito per agevolare detto avvitamento, in particolare detto setto 5 può comprendere un disco avente un profilo ad andamento elicoidale (Fig. 3).

Secondo una possibile variante esecutiva, portata a titolo esemplificativo e non limitativo, il corpo contenitore 2 può comprendere un fondo 20 opportunamente sagomato, un mantello 21 e un coperchio 22.

Detto fondo 20 e detto coperchio 22 sono accoppiabili tra loro tramite opportuni mezzi di fissaggio, in seguito descritti, così da poter alloggiare, in cooperazione con detto mantello 21, la serpentina 3.

A tale scopo possono essere vantaggiosamente provviste una pluralità di sedi, opportunamente sagomate e conformate, atte a replicare e riprodurre il profilo esterno della detta serpentina 3, in modo da facilitare Γ inserimento della stessa in detto fondo 20.

Ad esempio il fondo 20 è provvisto di una sede 30 atta ad accogliere Γ estremità 31 della serpentina 3.

La complementarità delle superfici del detto fondo 20 e del detto coperchio 22 con detta serpentina 3, evita possibili giochi o eventuali luci che possono dar luogo a vibrazioni o a spostamenti della serpentina 3 all’ interno del corpo contenitore 2, magari durante le operazioni di trasporto o installazione.

Detto fondo 20 è ulteriormente provvisto di opportune sporgenze longitudinali 200, sostanzialmente dei supporti su cui viene fissato, tramite viti o simili, detto coperchio 22, in modo da bloccare e serrare i vari elementi che compongono detto scambiatore di calore.

Dette sporgenze longitudinali 200 possono essere provviste di fori filettati 201 su cui vengono avvitate le viti 222.

A tale scopo detto coperchio 22 può essere vantaggiosamente provvisto di una pluralità di appendici 220 che si estendono radialmente verso l’esterno.

Dette appendici 220 possono essere fomite di fori passanti 221, su cui vengono inserite le viti 222 che avvitandosi sulle dette sporgenze longitudinali 200, serrano detto coperchio 22 al detto fondo 20.

Inoltre detto fondo 20 può essere provvisto di opportuni fori passanti 230 che permettono il montaggio e il fissaggio dello scambiatore 1 al corpo della caldaia.

Il mantello 21 presenta una forma sostanzialmente cilindrica e può vantaggiosamente essere realizzato in metallo, ad esempio in acciaio inossidabile.

Inoltre il mantello 21 può essere provvisto, integralmente o parzialmente, di uno strato di materiale isolante in grado di trattenere il calore all’interno della camera di combustione 300, a vantaggio dell’efficienza energetica, ed evitare che vi siano superfici ad alta temperatura esposte, potenzialmente critiche e pericolose per l’utente e/o i dispositivi meccanici e/o elettrici disposti in prossimità di esse.

Detto mantello 21 è vantaggiosamente collocato e racchiuso tra il detto fondo 20 e detto coperchio 22.

In accordo con una possibile variante esecutiva, il mantello 21 viene trattenuto in posizione grazie all’ accoppiamento con opportune sedi (non illustrate) previste e ricavate sui detti fondo 20 e coperchio 22.

In particolare i bordi del mantello 21 si inseriscono e incastrano con idonee scanalature e/o bordi, su cui può essere vantaggiosamente posto del sigillante.

Inoltre sul mantello 21 può essere previsto un canale 210 atto a convogliare la condensa verso lo scarico di condensa 7.

Lo scambiatore 1 secondo la presente invenzione prevede e permette alle estremità 31 e 32 di fuoriuscire dal corpo contenitore 2 in cui è alloggiato.

In particolare osservando le figure s’intuisce come dette estremità 31 e 32 fuoriescono dal corpo contenitore 2, consentendo all’utente di raggiungere in modo agevole le medesime.

Tale accessibilità agevola le connessioni con le tubature che, in accordo con una variante preferita, avviene tramite mezzi di fissaggio, quali ad esempio una clip metallica, cooperanti con i collarini 301 ricavati e definiti all’ imboccatura delle dette estremità 31 e 32.

In generale, quindi, il corpo contenitore 2 può essere realizzato secondo differenti varianti esecutive, tutte caratterizzate dal fatto che le estremità della serpentina 3 fuoriescono dal detto corpo contenitore 2.

È chiaro come nella pratica attuazione dell’ invenzione possono essere previste numerose modifiche ed ulteriore varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo; tutti i vari componenti e dettagli precedentemente descritti potranno, inoltre, essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti.

Ad esempio il corpo contenitore può comprendere dei semi-gusci accoppiabili tra loro, opportunamente sagomati in modo da permette la fuoriuscita delle estremità della serpentina.

Claims

RIVENDICAZIONI Riv. 1 Scambiatore di calore (1) per caldaie a gas, in particolare per caldaie a gas a condensazione, provvisto di un opportuno corpo contenitore (2), di almeno un fascio tubiera (3), di almeno un mezzo sensore di temperatura (4), dove detto fascio tubiera (3) è realizzato tramite un tubo (3) avvolto a spirale intorno ad un asse centrale, atto a formare un opportuno numero di spire, e delimitante una camera di combustione (300), e prevede almeno una prima estremità (31), che funge da ingresso per il fluido termovettore da riscaldare, ed almeno una seconda estremità (32), che funge da uscita per detto fluido termovettore, caratterizzato dal fatto che - dette prima e seconda estremità (31; 32) fuoriescono dal detto corpo contenitore (2), così da risultare accessibili dall’esterno. Riv.
2 Scambiatore di calore in accordo con la rivendicazione precedente, in cui detti mezzi sensori (4) risultano in contatto diretto con la superficie del detto fascio tubiera (3). Riv.
3 Scambiatore di calore in accordo con la rivendicazione precedente, in cui detti mezzi sensori (4) sono vincolati e fissati alle dette prima e seconda estremità (31; 32) attraverso opportuni mezzi di montaggio (40). Riv.
4 Scambiatore di calore in accordo con la rivendicazione precedente, in cui detti mezzi di montaggio (40) comprendono i mezzi di fissaggio che realizzano il bloccaggio delle dette estremità (31; 32) con le tubature. Riv.
5 Scambiatore di calore in accordo con la rivendicazione 4, in cui detti mezzi di montaggio (40) comprendono dei semi-gusci accoppiabili, cinturini, fascette, o simili. Riv.
6 Scambiatore di calore in accordo con le rivendicazioni precedenti, in cui detto fascio tubiera (3) è realizzato come un unico componente, ovvero è definito da un singolo elemento senza soluzione di continuità. Riv.
7 Scambiatore di calore in accordo con le rivendicazioni precedenti, in cui detto corpo contenitore (2) comprende almeno un fondo (20) opportunamente sagomato, almeno un mantello (21) ed almeno un coperchio (22), detto fondo (20) e detto coperchio (22) essendo tra loro accoppiabili così da poter alloggiare, in cooperazione con detto mantello (21), il fascio tubiera (3). Riv.
8 Scambiatore di calore in accordo con le rivendicazioni precedenti, in cui detto fondo (20) e detto coperchio (22) sono provvisti di una pluralità di sedi, opportunamente sagomate e conformate, atte a replicare e riprodurre il profilo esterno del detto fascio tubiera (3). Riv.
9 Scambiatore di calore in accordo con le rivendicazioni precedenti, in cui detto fondo (20) è provvisto di opportune sporgenze longitudinali (200), su cui viene fissato, tramite viti (222) o simili, detto coperchio (22), in modo da bloccare e serrare i vari elementi che compongono detto scambiatore di calore (1). Riv.
10 Scambiatore di calore in accordo con le rivendicazioni precedenti, in cui dette sporgenze longitudinali (200) possono essere provviste di fori filettati (201) su cui vengono avvitate dette viti (222). Riv.
11 Scambiatore di calore in accordo con le rivendicazioni precedenti, in cui detto coperchio (22) è provvisto di una pluralità di appendici (220) che si estendono radialmente verso l’esterno, fomite ciascuna di un foro passante (221). Riv.
12 Scambiatore di calore in accordo con le rivendicazioni precedenti, in cui detto mantello (21) può essere provvisto, integralmente o parzialmente, di uno strato di materiale isolante in grado di trattenere il calore aH’intemo della camera di combustione (300). Riv.
13 Scambiatore di calore in accordo con le rivendicazioni precedenti, in cui detto scambiatore (1) è provvisto di un setto refrattario (5) atto a dividere la camera di combustione (300) in una prima camera sensibile (310) e in una seconda camera condensante (320). Riv.
14 Scambiatore di calore in accordo con le rivendicazioni precedenti, in cui detto setto refrattario (5) viene avvitato lungo le spire del fascio tubiera (3), così da regolare e variare le dimensioni delle dette camere (310; 320).