ITMI20080408A1

ITMI20080408A1 - Scambiatore di calore, particolarmente per generatori termici.

Info

Publication number: ITMI20080408A1
Application number: IT000408A
Authority: IT
Inventors: Giandomenico Lovato
Original assignee: Ferroli Spa
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2009-09-11
Also published as: US8783334B2; RU2009108217A; EP2101135A2; RU2472087C2; US20090223655A1; CN101532791A; EP2101135A3; CN101532791B

Description

"SCAMBIATORE DI CALORE, PARTICOLARMENTE PER GENE-RATORI TERMICI"

D E S C R I Z I O N E

Il presente trovato ha come oggetto uno scambiatore di calore, particolarmente per generatori termici.

Sono noti gli scambiatori a fascio tubiera nei quali uno dei fluidi passa all'interno di tubi, solitamente a sezione circolare, e l'altro all'esterno dei tubi stessi, in una camera appositamente realizzata detta mantello.

Compito del presente trovato è quello di realizzare uno scambiatore di calore ad elevata efficienza di scambio termico.

Nell’ambito di questo compito, uno scopo del trovato è quello di realizzare uno scambiatore di calore che permetta di realizzare corpi caldaia particolarmente compatti.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare uno scambiatore di calore che permetta il recupero del calore latente di vaporizzazione dei fumi di combustione (condensazione) nella maggior parte delle condizioni di installazione ed operative.

Un altro scopo dell'invenzione è quello di realizzare uno scambiatore la cui struttura permetta di integrare direttamente sullo scambiatore stesso un bruciatore, raffreddando la camera di combustione con il fluido secondario, limitando dì conseguenza le emissioni di NOx.

Un ulteriore scopo del trovato è quello di realizzare uno scambiatore che abbia una massa ridotta permettendo una riduzione dell’inerzia termica complessiva, garantendo una elevata velocità di risposta alla variazioni di carico termico e riduzione delle dispersione termiche indesiderate.

Il presente scambiatore permette una elevata automazione del processo produttivo, grazie alla sua particolare struttura meccanica.

Lo scambiatore in oggetto, inoltre, ha una ridotta perdita di carico del lato fluido secondario, con conseguente riduzione del consumo elettrico degli organi di movimentazione del fluido (pompe, ecc.).

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare uno scambiatore che, per le sue peculiari caratteristiche realizzative, sia in grado di assicurare le più ampie garanzie di affidabilità e di sicurezza nell'uso.

Questo ed altri scopi, che meglio appariranno evidenziati in seguito, sono raggiunti da uno scambiatore di calore, particolarmente per generatori termici, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di tubi, ciascuno dei quali presenta una sezione plurilobata. Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'oggetto del presente trovato risulteranno maggiormente evidenziati attraverso un esame della descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, del trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo nei disegni allegati, in cui:

la figura 1 è una vista schematica in alzato dello scambiatore secondo il trovato;

la figura 2 è una vista in pianta dello scambiatore;

la figura 3 è una vista in sezione trasversale di un tubo quadrilobato dello scambiatore secondo l'invenzione;

la figura 4 è una vista laterale, la quale illustra la geometria esterna dei tubi quadrilobati dello scambiatore;

la figura 5 è una vista in alzato parzialmente sezionata della zona superiore dello scambiatore, la quale illustra la disaereazione del fluido secondario;

la figura 6 è una vista simile alla precedente, la quale illustra l’alloggiamento del bruciatore sulla sommità dello scambiatore;

la figura 7 è una vista in alzato nella quale è schematizzato il funzionamento di un generatore di calore dotato dello scambiatore secondo il presente trovato.

Con particolare riferimento ai simboli numerici delle suddette figure, lo scambiatore di calore, secondo il trovato, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, comprende una pluralità di tubi mento 2, attraversati dal fluido primario ed associati a due elementi forati, uno superiore 3 ed uno inferiore 4.

I tubi sono associati agli elementi forati, costituiti da fondi e/o piastre, mediante saldatura, o procedimento analogo, e/o accoppiamento meccanico.

Vantaggiosamente, ciascun tubo 2 presenta una sezione quadrilobata (a quadrifoglio).

La costruzione del fascio tubiera è realizzata in modo che i tubi siano tra loro disposti a raggiera e siano tra loro preferibilmente, ma non necessariamente divergenti, come è visibile nelle figure 1 e 2.

Il fascio tubiera così composto è collocato all’interno di un involucro 5, preferibilmente ma non esclusivamente metallico, di forma preferibilmente, ma non esclusivamente cilindrica a base circolare, ovale o ellittica, con il quale forma un corpo unico e dotato di due o più aperture, indicate con i numeri di riferimento 6 e 7, rispettivamente per l’ingresso ed uscita di un fluido secondario.

Il fluido secondario è fatto fluire all’interno dell’involucro 5 e messo in circolazione attraverso gli ingressi/uscite 6 e 7 tramite preferibilmente ma non esclusivamente mezzi meccanici esterni, in modo che esso possa lambire dal basso verso l’alto, ad una velocità opportuna, l’esterno del fascio tubiera, nel cui interno è messo in circolazione il fluido primario.

L’elevata sezione di passaggio disponibile per il fluido secondario permette una bassa velocità di salita dello stesso, con ottimale ed eccellente scambio termico su tutti i tubi 2 che compongono lo scambiatore.

I tubi 2 sono, come si è detto, caratterizzati da una sezione quadrilobata o a quadrifoglio, composta da quattro lobi 21, tra loro simmetrici o asimmetrici, disposti a corolla attorno ad un corpo cavo centrale 22, presentanti una sezione preferibilmente, ma non esclusivamente circolare.

La figura 3 illustra, a puro scopo esemplificativo ma non limitativo, un esempio della suddetta sezione, fermo restando che essa possa assumere qualsiasi geometria concettualmente simile, ma con diversi disegni e proporzioni di lobi e corpo centrale, a seconda della finalità di utilizzo e delle esigenze di scambio termico tra i fluìdi.

I tubi 2 dello scambiatore, che costituisce l’oggetto della presente invenzione, sono ottenuti mediante la contemporanea traslazione e rotazione della sezione quadrilobata suddetta sul suo asse principale.

La geometria dei tubi risultante, rappresentata in figura 4, può essere descritta come una spirale a base quadrilobata che si sviluppa in modo rettilineo nello spazio.

La particolare conformazione quadrilobata ed il suo contemporaneo sviluppo a spirale sopra descritto, permette di ottenere un’elevata turbolenza del fluido primario allo stato gassoso che circola all’interno dei tubi ed anche un’elevata superficie di contatto con il fluido secondario per unità di lunghezza.

Il risultato di questa innovativa forma dei tubi è di favorire un’elevata ed alquanto efficiente trasmissione di calore tra i due fluidi.

La costruzione del fascio tubiera è realizzata, inoltre, in modo che i tubi 2 siano tra loro preferibilmente ma non esclusivamente divergenti, permettendo di dotare, con semplicità costruttiva, la piastra o il fondo superiore 3 dello scambiatore di una leggera convessità verso l’alto, come è visibile in figura 5.

Questo permette di favorire una esaustiva e completa disaereazione del fluido secondario allo stato liquido contenuto nello scambiatore, evitando l’accumulo di bolle o sacche d’aria all’interno dello scambiatore stesso, che potrebbero negativamente influire sullo scambio termico.

Nella figura 5 sono state schematicamente illustrate bolle d’aria 8 che sfuggono lateralmente grazie alla convessità del fondo 3.

È da sottolineare inoltre il fatto che la particolare conformazione dello scambiatore così ottenuto offre la possibilità di integrare direttamente nella sommità del corpo uno o più bruciatori premiscelati, soffiati, catalitici, per combustibili gassosi, solidi e liquidi.

In tale modo, la sommità dello scambiatore stesso svolge la funzione di camera di combustione con pareti raffreddate direttamente dal fluido secondario.

La figura 6 mostra schematicamente la posizione del brucia Il raffreddamento diretto delle pareti della camera di combustione può contrastare efficacemente la generazione di NOx termici durante il processo di combustione, con conseguente benefico effetto di riduzione delle emissioni di inquinanti del generatore stesso.

In figura 7 è schematicamente illustrato un generatore di calore, indicato con il numero di riferimento 100, dotato dello scambiatore secondo la presente invenzione.

La struttura complessiva dello scambiatore 1 , abbinato ad un bruciatore premiscelato, soffiato o catalitico 9, permette la realizzazione di un generatore di calore a condensazione 100 in grado di funzionare con elevati differenziali di temperatura nel fluido secondario e/o diverse temperature di ingresso del fluido secondario.

Questa modalità operativa, oltre a rappresentare un netto vantaggio in termini di flessibilità nell’uso in impianto, offre la possibilità di recupero del calore latente di vaporizzazione dei fumi (condensazione dei fumi di combustione), con conseguenti elevatissime efficienze in termini di resa termica, nella maggior parte delle condizioni di installazione ed operative.

Il suddetto scambiatore si presta ad essere costruito con diversi materiali, a seconda dell’impiego, ma preferibilmente ma non esclusivamente in acciaio inox, acciaio, rame, alluminio, materiali plastici.

Il suddetto scambiatore è stato particolarmente, ma non esclusivamente, studiato per l’impiego in generatori termici destinati al riscaldamento e/o produzione di acqua calda ad uso sanitario.

In particolare, la possibilità di ottenere uno scambio termico tra un fluido allo stato gassoso ed uno allo stato liquido, garantendo un’elevata turbolenza del primo, un’elevata superficie di contatto con il secondo, un efficiente scambio termico ed una completa disaereazione del fluido secondario, la possibilità di integrare direttamente nella sommità del corpo scambiatore un bruciatore rende lo scambiatore in oggetto particolarmente idoneo all’utilizzo in caldaie, preferibilmente ma non esclusivamente destinate alla produzione di acqua calda per il riscaldamento e acqua calda ad usi igienicosanitari.

Le caratteristiche di tale scambiatore ne permettono l’utilizzo in generatori di calore dotati di bruciatori premiscelati, soffiati, catalitici, con combustibili gassosi, solidi e liquidi.

La possibilità di impiegare materiali diversi per lo scambiatore in oggetto, lo rende idoneo all’impiego in diversi tipi di generatori, quali quelli tradizionali, a condensazione, ecc.

Si è in pratica constatato che il trovato raggiunge il compito e gli scopi prefissati.

Si è infatti realizzato uno scambiatore di calore, le cui peculiarità costruttive permettono di ottenere numerosi vantaggi.

Lo scambiatore, oggetto dell'invenzione, presenta una elevata efficienza di scambio termico, grazie all’elevata turbolenza del fluido gassoso assicurata dai tubi a sezione quadrilobata e grazie all’elevata superficie di contatto tra fluidi

Lo scambiatore, costituente l’oggetto dell'invenzione permette di utilizzare corpi caldaia particolarmente compatti, grazie all’elevata superficie per unità di lunghezza del fascio tubero.

Lo scambiatore in oggetto consente un elevato volume di fluido secondario, con conseguente bassa velocità di attraversamento dello stesso ed eccellente scambio termico su tutti i tubi componenti lo scambiatore.

Il medesimo scambiatore offre la possibilità di lavorare con elevati differenziali di temperatura del fluido secondario e/o diverse temperature di ingresso del fluido secondario.

Un altro vantaggio è costituito dalla possibilità di recupero del calore latente di vaporizzazione dei fumi di combustione (condensazione) nella maggior parte delle condizioni di installazione ed operative.

Un ulteriore vantaggio è costituito dalla possibilità di integrare direttamente sullo scambiatore un bruciatore, raffreddando la camera di combustione con il fluido secondario e limitando dì conseguenza le emissioni di NOx.

Lo scambiatore in oggetto presenta una massa ridotta che permette una riduzione dell’inerzia termica complessiva, garantendo una elevata velocità di risposta alla variazioni di carico termico ed una riduzione delle dispersione termiche indesiderate.

Un altro vantaggio del presente scambiatore di calore è costituito dalla possibilità di una elevata automazione del processo produttivo, grazie alla particolare struttura meccanica dello scambiatore stesso.

Lo scambiatore in oggetto presenta una ridotta perdita di carico lato fluido secondario, con riduzione del consumo elettrico degli organi di movimentazione del fluido (pompe, ecc.).

Naturalmente i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi, secondo le esigenze.

Claims

R I V E N D I C AZ I O N I 1. Scambiatore di calore, particolarmente per generatori termici, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di tubi ciascuno dei quali presenta una sezione plurilobata.
2. Scambiatore di calore, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i tubi, che sono attraversati dal fluido primario, sono associati, mediante saldatura, o procedimento analogo, e/o accoppiamento meccanico, a due elementi forati, uno superiore ed uno inferiore, costituiti da fondi e/o piastre.
3. Scambiatore di calore, secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che ciascun tubo presenta una sezione quadrilobata o a quadrifoglio.
4. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la costruzione del fascio tubiero è realizzata in modo che i tubi siano tra loro disposti a raggiera e siano tra loro preferibilmente, ma non necessariamente divergenti.
5. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i tubi costituiscono un fascio tubiero che è collocato all’interno di un involucro, preferibilmente ma non esclusivamente metallico, di forma preferibilmente cilindrica a base circolare, ovale o ellittica, con il quale forma un corpo unico e dotato di due o più aperture per l’ingresso ed uscita di un fluido secondario.
6. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il fluido secondario è fatto fluire all’interno dell’involucro e messo in circolazione attraverso gli ingressi/uscite tramite, preferibilmente ma non esclusivamente, mezzi meccanici esterni, in modo che esso possa lambire dal basso verso l’alto, ad una velocità opportuna, l’esterno del fascio tubiera, nel cui interno è messo in circolazione il fluido primario.
7. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il dispositivo presenta una elevata sezione di passaggio disponibile per il fluido secondario che permette una ridotta velocità di salita dello stesso, con ottimale ed eccellente scambio termico su tutti i tubi che compongono lo scambiatore.
8. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuno tubo è costituito da quattro lobi, tra loro simmetrici o asimmetrici, disposti a corolla attorno ad un corpo cavo centrale di sezione preferibilmente ma non esclusivamente circolare.
9. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascun tubo è ottenuto mediante contemporanea traslazione e rotazione della sezione quadrilobata suddetta sul suo asse principale.
10. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il tubo presenta una geometria a spirale a base quadrilobata che si sviluppa in modo rettilineo nello spazio.
11. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la particolare conformazione quadrilobata, ed il suo contemporaneo sviluppo a spirale, permette di ottenere una elevata turbolenza del fluido primario allo stato gassoso che circola all’interno dei tubi ed anche un’elevata superficie di contatto con il fluido secondario per unità di lunghezza, favorendo una elevata ed alquanto efficiente trasmissione di calore tra i due fluidi.
12. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la piastra o il fondo superiore dello scambiatore presenta una leggera convessità verso l’alto in modo da favorire una esaustiva e completa disaereazione del fluido secondario allo stato liquido contenuto nello scambiatore, evitando l’accumulo di bolle o sacche d’aria all’interno dello scambiatore stesso, che potrebbero negativamente influire sullo scambio termico.
13. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la particolare conformazione dello scambiatore offre la possibilità di integrare direttamente nella sommità del corpo uno o più bruciatori premiscelati, soffiati, catalitici, per combustibili gassosi, solidi e liquidi, in maniera che la sommità dello scambiatore stesso possa svolgere la funzione di camera di combustione con pareti raffreddate direttamente dal fluido secondario.
14. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il raffreddamento diretto delle pareti della camera di combustione contrasta efficacemente la generazione di NOx termici durante il processo di combustione, con conseguente benefico effetto di riduzione delle emissioni di inquinanti del generatore stesso.
15. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la struttura complessiva dello scambiatore, abbinato ad un bruciatore premìscelato, soffiato o catalitico, permette la realizzazione di un generatore di calore a condensazione in grado di funzionare con elevati differenziali di temperatura nel fluido secondario e/o diverse temperature di ingresso del fluido secondario.
16. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la struttura offre la possibilità di recupero del calore latente di vaporizzazione dei fumi (condensazione dei fumi di combustione), con conseguenti elevatissime efficienze in termini di resa termica, nella maggior parte delle condizioni di installazione ed operative.
17. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il suddetto scambiatore si presta ad essere costruito con diversi materiali, a seconda dell’impiego, ma preferibilmente ma non esclusivamente in acciaio inox, acciaio, rame, alluminio, materiali plastici.
18. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il suddetto scambiatore è particolarmente, ma non esclusivamente, idoneo per l’impiego in generatori termici destinati al riscaldamento e/o alla produzione di acqua calda ad uso sanitario.
19. Scambiatore di calore, secondo una o più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il suddetto scambiatore è particolarmente, ma non esclusivamente, idoneo all ’utilizzo in caldaie, preferibilmente ma non esclusivamente destinate alla produzione di acqua calda per riscaldamento e acqua calda ad usi igienico-sanitari.
20. Scambiatore di calore, secondo una 0 più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le caratteristiche di tale scambiatore ne permettono l’utilizzo in generatori di calore dotati di bruciatori premiscelati, soffiati, catalitici, con combustibili gassosi, solidi e liquidi.
21. Scambiatore di calore, secondo una 0 più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il suddetto scambiatore è particolarmente, ma non esclusivamente, idoneo all’impiego in diversi tipi di generatori, quali quelli tradizionali, a condensazione, ecc.
22. Scambiatore di calore, secondo una 0 più rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una 0 più caratteristiche descritte e/o illustrate.