ITMI20101640A1 - Scambiatore di calore per caldaie a condensazione e caldaia a condensazione provvista di tale scambiatore di calore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

“SCAMBIATORE DI CALORE PER CALDAIE A CONDENSAZIONE E CALDAIA A CONDENSAZIONE PROVVISTA DI TALE SCAMBIATORE DI CALOREâ€

La presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore per caldaie a condensazione.

Le caldaie a condensazione sono impiegate per produrre acqua calda sia per il riscaldamento di ambienti, sia per uso domestico, e sono generalmente equipaggiate con bruciatori a premiscelazione aria/gas.

I documenti WO 2008/056238 A2 e WO 2006/097959 A1 mostrano il tipo di caldaia a condensazione cui si applica la presente invenzione. Nella fattispecie illustrata nei documenti sopra identificati, la caldaia a condensazione comprende una scatola, la quale definisce una camera in cui avviene la combustione di una miscela aria/gas e la condensazione dei fumi; e un bruciatore a premiscelazione fissato alla scatola per alimentare e bruciare una miscela di gas combustibile e di aria comburente all’interno della scatola.

La scatola comprende una parete di estremità; due prime pareti laterali affacciate; e due seconde pareti laterali affacciate, ciascuna delle quali presenta al proprio interno una o più intercapedini che hanno la funzione di collettori rispettivamente dell’acqua da riscaldare e dell’acqua calda.

La caldaia a condensazione sopra identificata comprende due fasci di tubi, i quali sono alloggiati all’interno della scatola, sono paralleli fra loro e si estendono da una seconda parete laterale all’altra seconda parete laterale per collegare le intercapedini ricavate nelle pareti laterali stesse. Il bruciatore a premiscelazione à ̈ accoppiato alla scatola in corrispondenza di una bocca d’ingresso della scatola, à ̈ disposto in una posizione affacciata alla parete di estremità e ha la funzione di coperchio di chiusura della scatola.

Un inconveniente delle caldaie a condensazione del tipo descritto à ̈ legato alla circolazione dell’acqua nei fasci di tubi all’interno della scatola, che non garantisce uno scambio termico ottimale. In particolare, il mescolamento dell’acqua durante il moto può risultare insufficiente e la distribuzione di temperatura lungo i tubi e attraverso le sezioni incide negativamente sull’efficienza dello scambio termico.

Scopo della presente invenzione à ̈ realizzare uno scambiatore di calore per caldaie a condensazione che sia privo degli inconvenienti descritti.

Secondo la presente invenzione viene realizzato uno scambiatore di calore per caldaie a condensazione comprendente:

una camera di scambio termico;

un circuito fluidico, includente una pluralità di tubi, almeno parzialmente alloggiati all’interno della camera di scambio termico;

una prima parete e una seconda parete, collocate a opposte estremità della camera di scambio termico e sagomate in modo da definire rispettive porzioni del circuito fluidico;

in cui la prima parete e la seconda parete presentano recessi definenti una pluralità di collettori di raccordo fra rispettivi insiemi di tubi;

e in cui i collettori di raccordo presentano ciascuno almeno un ingresso e almeno un’uscita;

caratterizzato dal fatto che almeno un collettore di raccordo ha una porzione a sezione di passaggio intera e una porzione a sezione di passaggio ribassata e la porzione a sezione di passaggio ribassata si estende in prossimità di almeno un’uscita.

Le differenze di sezione di passaggio in prossimità dell’uscita di almeno un collettore aumenta la turbolenza nell’acqua che transita nel circuito fluidico. Il rimescolamento che si ottiene permette di portare sostanzialmente tutta la portata d’acqua a contatto con le pareti calde dei tubi, migliorando l’efficienza di scambio termico. Vantaggiosamente, inoltre, il rimescolamento viene innescato all’uscita del collettore, ossia appena prima dell’ingresso dell’acqua nella camera di scambio termico attraverso uno dei tubi.

Secondo un ulteriore aspetto dell’invenzione lo scambiatore di calore comprende un collettore di ingresso e un turbolatore alloggiato all’interno del collettore di ingresso.

Il turbolatore contribuisce a creare turbolenza e un maggiore mescolamento dell’acqua già all’imbocco del circuito fluidico.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione che segue di un suo esempio non limitativo di attuazione, con riferimento alle figure dei disegni annessi, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una vista in elevazione frontale, in sezione con parti asportate per chiarezza, di una caldaia a condensazione comprendente uno scambiatore di calore secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ una vista in elevazione posteriore della caldaia di figura 1;

- la figura 3 Ã ̈ una vista in elevazione frontale della caldaia di figura 1, con parti asportate per chiarezza;

- la figura 4 à ̈ una vista in pianta dall’alto dello scambiatore di calore di figura 1, sezionato lungo il piano di traccia IV-IV di figura 1;

- la figura 5 à ̈ una vista in pianta dall’alto dello scambiatore di calore di figura 1, sezionato lungo il piano di traccia V-V di figura 1;

- la figura 6 à ̈ una vista in pianta dall’alto dello scambiatore di calore di figura 1, sezionato lungo il piano di traccia VI-VI di figura 1; e

- la figura 7 à ̈ una vista in pianta dall’alto dello scambiatore di calore di figura 1, sezionato lungo il piano di traccia VII-VII di figura 1.

Con riferimento alle figure 1-3, con 1 Ã ̈ indicata nel suo complesso una caldaia a condensazione impiegata per produrre acqua calda nel settore del riscaldamento e acqua sanitaria calda per uso domestico.

La caldaia a condensazione comprende uno scambiatore di calore 2, in cui à ̈ definita una camera 2a (visibile nelle figure 4-7) per la combustione di una miscela di gas combustibile e di aria comburente e per la condensazione dei fumi; e un bruciatore a premiscelazione 3 fissato allo scambiatore di calore 2 per alimentare e bruciare la miscela di gas combustibile e di aria comburente all’interno della camera 2a.

Lo scambiatore di calore 2 si estende lungo un asse A e comprende: una parete di estremità 4 sostanzialmente perpendicolare all’asse A; due pareti laterali 5a, 5b affacciate e sostanzialmente parallele all’asse A; una parete anteriore 6 (figura 1) sostanzialmente parallela all’asse A e disposta trasversalmente alle pareti laterali 5a, 5b; e una parete posteriore 7 (figura 2), affacciata alla parete anteriore 6 e disposta anch’essa sostanzialmente parallela all’asse A, trasversalmente alle pareti laterali 5a, 5b.

Come mostrato in figura 3, il bruciatore a premiscelazione 3 definisce un’ulteriore parete di estremità dello scambiatore di calore 2, opposta alla parete di estremità 4, ed à ̈ fissato ermeticamente allo scambiatore di calore 2 in modo rimovibile. In maggiore dettaglio, il bruciatore a premiscelazione 3 à ̈ associato a un ventilatore (non mostrato) per alimentare l’aria comburente al bruciatore a premiscelazione 3 stesso, ed à ̈ sostanzialmente perpendicolare all’asse A e sostanzialmente parallelo e affacciato alla parete di fondo 4. In pratica, il bruciatore a premiscelazione 3 comprende una piastra 3a avente funzione di coperchio della camera 2a; un gruppo distributore/diffusore di fiamma 3b; un dispositivo di ignizione 3c; e un rilevatore di fiamma 3d.

La parete anteriore 6 e la parte posteriore 7 sono rispettivamente applicate a una piastra anteriore 9 e a una piastra posteriore 10, che delimitano longitudinalmente la camera 2a e presentano aperture per alloggiare porzioni di un circuito fluidico. In pratica, la parete di estremità 4, le pareti laterali 5a, 5b, la piastra anteriore 9, la piastra posteriore 10 e il bruciatore a premiscelazione 3 formano un corpo scatolato e definiscono la camera 2a. Inoltre, la parete anteriore 6 e la parete posteriore 7 sono sagomate con rientranze per formare, rispettivamente con la piastra anteriore 9 e la piastra posteriore 10, intercapedini che hanno la funzione di collettori per l’acqua circolante nello scambiatore di calore 2, come spiegato in dettaglio più avanti. La parete anteriore 6 presenta una bocca di ingresso 11 e una bocca di uscita 12 per l’acqua.

La caldaia a condensazione 1 comprende un fascio di tubi 14 e un fascio di tubi 15, alloggiati all’interno della camera 2a. In particolare, i tubi 14, 15 sono, sono paralleli fra loro e si estendono fra la piastra anteriore 9 e la piastra posteriore 10, dalle quali i tubi 14, 15 sporgono leggermente. Nella forma di realizzazione qui descritta, i tubi 14 del primo fascio presentano sezione circolare, sono distribuiti su un primo e su un secondo livello, in prossimità della parete di estremità 4, e sono inseriti fra rispettive aperture della piastra anteriore 9 e della piastra posteriore 10. I tubi 15 del secondo fascio presentano sezione sostanzialmente ovale, con un asse principale sostanzialmente parallelo all’asse A, sono distribuiti su un terzo, un quarto e un quinto livello e sono inseriti fra rispettive aperture della piastra anteriore 9 e della piastra posteriore 10. La sezione di passaggio à ̈ maggiore nei tubi 15 che nei tubi 14.

Estremità dei tubi 14, 15 sono raccordate mediante collettori che, come accennato, sono definiti, da un lato, fra la piastra anteriore 9 e la parete anteriore 6 e, dall’altro, fra la piastra posteriore 10 e la parete posteriore 7.

I tubi 14, 15, raccordati dai collettori, definiscono un circuito fluidico all’interno del quale fluisce acqua (sanitaria o di riscaldamento) per lo scambio termico nella camera 2a.

In dettaglio, la parete anteriore 6 forma un collettore di ingresso 17, sul quale à ̈ posta la bocca di ingresso 11, collettori di raccordo 18, 19, 20 e un collettore di uscita 21, sul quale à ̈ posta la bocca di uscita 12.

Il collettore di ingresso 17 si estende trasversalmente all’asse A e accoppia la bocca di ingresso 11 con un primo gruppo di tubi 14 adiacenti, disposti in parte sul primo livello e in parte sul secondo livello (nella forma di realizzazione descritta, cinque tubi 14 sul primo livello e cinque tubi 14 sul secondo livello).

Inoltre, il collettore di ingresso 17 alloggia un turbolatore 22, definito da una piastra forata disposta fra la bocca di ingresso 11 e i tubi 14 del primo gruppo e affacciata a questi ultimi. Il numero, la forma e la distribuzione delle aperture del turbolatore 22 sono determinati in modo da aumentare la turbolenza del flusso di acqua entrante, onde ottenere un migliore rimescolamento.

Il collettore di raccordo 18 accoppia un secondo gruppo di tubi 14, di cui due sul primo livello e tre sul secondo livello, e tre tubi 15 adiacenti sul terzo livello.

Il collettore di raccordo 19 accoppia due tubi 15 adiacenti sul terzo livello, distinti dai tubi afferenti al collettore di raccordo 18, e due tubi 15 adiacenti sul quarto livello.

Il collettore di raccordo 20 accoppia quattro tubi 15 adiacenti sul terzo livello, distinti dai tubi afferenti al collettore di raccordo 19.

Il collettore di uscita 21 accoppia quattro tubi 15 adiacenti sul quinto livello con la bocca di uscita 12.

La parete posteriore 7 forma collettori di raccordo 23, 24, 25, 26.

Il collettore di raccordo 23 accoppia tutti i tubi 14 e un tubo 15 sul terzo livello, il quale à ̈ disposto in prossimità di una delle pareti laterali 5a, 5b (la parete 5a nella forma di realizzazione descritta) e afferisce al collettore di raccordo 18.

Il collettore di raccordo 24 accoppia tutti gli altri tubi 15 sul terzo livello (quattro adiacenti, di cui uno disposto in prossimità della parete 5b, nella forma di realizzazione descritta).

Il collettore di raccordo 25 accoppia quattro tubi 15 sul quarto livello, di cui uno disposto in prossimità della parete 5b.

Il collettore di raccordo 26 accoppia due rimanenti tubi 15 sul quarto livello e i due tubi 15 sul quinto livello, i quali affersicono al collettore di uscita 21 e sono disposti in prossimità ciascuno di una rispettiva delle pareti 5a, 5b.

I collettori 17-21 e 23-26 e i tubi 14, 15 formano un circuito fluidico per la circolazione dell’acqua all’interno della camera 2a, dove avviene lo scambio termico con i fumi di combustione caldi. In dettaglio, dal collettore di ingresso 17, l’acqua fluisce, nell’ordine, ai collettori di raccordo 23, 18, 24, 19, 25, 20, 26, quindi al collettore di uscita 21. Ciascuno dei collettori di raccordo 18-20 e 23-26 presenta quindi ingressi e uscite che comunicano, attraverso i tubi 14, 15, rispettivamente con uscite e ingressi di ulteriori collettori di raccordo 18-20 e 23-26, con il collettore di ingresso 17 o con il collettore di uscita 21.

Come mostrato nelle figure da 4 a 7, i collettori di raccordo 18-20 e 23-25 sono sagomati in modo da favorire la circolazione e il mescolamento dell’acqua, allo scopo di ottimizzare lo scambio termico nella camera 2a. In particolare, i recessi formati nella parete anteriore 6 e nella parete posteriore 7 per definire i collettori di raccordo 18-20 e 23-25 presentano un profilo schiacciato in prossimità di almeno una delle uscite dei collettori di raccordo 18-20 e 23-25 stessi. Dove sono formati i recessi, in pratica, la parete anteriore 6 e la parete posteriore 7 si discostano rispettivamente dalla piastra anteriore 9 e dalla piastra posteriore 10 fino a rispettive distanze D1, D1’ (che in una forma di realizzazione sono sostanzialmente uguali per tutti i collettori 17-21 e 23-25). In prossimità di almeno una rispettiva uscita dei i collettori 17-21 e 23-25, la parete anteriore 6 e la parete posteriore 7 sono separate rispettivamente dalla piastra anteriore 9 e dalla piastra posteriore 10 da rispettive distanze D2, D2’, inferiori alle distanze D1, D1’.

Pertanto, ciascun collettore di raccordo 18-20 e 23-25 ha una porzione a sezione di passaggio intera, dove la distanza massima della parete anteriore 6 (rispettivamente posteriore 7) dalla piastra anteriore 9 (rispettivamente posteriore 10) à ̈ pari alla distanza D1 (rispettivamente D1’), e una porzione a sezione di passaggio ribassata, dove la distanza massima della parete anteriore 6 (rispettivamente posteriore 7) dalla piastra anteriore 9 (rispettivamente posteriore 10) à ̈ pari alla distanza D2 (rispettivamente D2’).

In dettaglio, sulla parete anteriore 6, il collettore di raccordo 18 presenta una porzione a sezione ribassata 18a in prossimità dell’uscita corrispondente al tubo 15 del terzo livello più distante dalla parete 5a.

Il collettore di raccordo 19 presenta una porzione a sezione ribassata 19a in prossimità dell’uscita corrispondente al tubo 15 del quarto livello più distante dalla parete 5b.

Il collettore di raccordo 20 presenta una porzione a sezione ribassata 20a in prossimità dell’uscita corrispondente al tubo 15 del quarto livello disposto adiacente alla parete 5a.

Sulla parete posteriore 7, il collettore di raccordo 23 presenta una porzione a sezione ribassata 23a in prossimità di tutte le sue uscite, ossia dei tubi 14 del primo gruppo e del tubo 15 afferente al collettore di raccordo 19.

Il collettore di raccordo 24 presenta una porzione a sezione ribassata 24a in prossimità dell’uscita corrispondente al tubo 15 del terzo livello disposto adiacente alla parete 5a.

Il collettore di raccordo 25 presenta una porzione a sezione ribassata 25a in prossimità dell’uscita corrispondente al tubo 15 del quarto livello più distante dalla parete 5a.

Il collettore di ingresso 17, il collettore di uscita 21 e il collettore di raccordo 26 non presentano porzioni a sezione ribassata.

Lo scambiatore di calore descritto permette vantaggiosamente di migliorare l’efficienza dello scambio termico. Infatti, i ribassamenti nelle sezioni dei collettori di raccordo i prossimità di alcune uscite hanno principalmente l’effetto di incrementare le turbolenze nel flusso d’acqua, che producono un continuo e rapido rimescolamento. Sostanzialmente tutta la portata d’acqua viene portata direttamente a contatto con le pareti dei tubi all’interno della camera 2a di scambio termico. In particolare, viene evitata la formazione di vene fluide interne che, non lambendo le pareti, riceverebbero calore praticamente solo attraverso strati fluidi superficiali e quindi potrebbero influenzare l’efficienza dello scambiatore di calore.

Il rimescolamento à ̈ ulteriormente aumentato dal turbolatore, che à ̈ disposto nel collettore di ingresso, all’imbocco del circuito fluidico.

Risulta infine evidente che allo scambiatore di calore oggetto della presente invenzione possono essere apportate modifiche e varianti senza uscire dall’ambito delle rivendicazioni allegate.

Claims (12)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore per caldaie a condensazione comprendente: una camera di scambio termico (2a); un circuito fluidico (14, 15, 17-21, 23-26), includente una pluralità di tubi (14, 15), almeno parzialmente alloggiati all’interno della camera di scambio termico (2a); una prima parete (6) e una seconda parete (7), collocate a opposte estremità della camera di scambio termico (2a) e sagomate in modo da definire rispettive porzioni del circuito fluidico (14, 15, 17-21, 23-26); in cui la prima parete (6) e la seconda parete (7) presentano recessi definenti una pluralità di collettori di raccordo (18-20, 23-26) fra rispettivi insiemi di tubi (14, 15); e in cui i collettori di raccordo (18-20, 23-26) presentano ciascuno almeno un ingresso e almeno un’uscita; caratterizzato dal fatto che almeno un collettore di raccordo (18-20, 23-26) ha una porzione a sezione di passaggio intera e una porzione a sezione di passaggio ribassata (18a-20a, 23a-25a) e la porzione a sezione di passaggio ribassata (18a-20a, 23a-25a) si estende in prossimità di almeno un’uscita.
2. 2. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1, in cui i collettori di raccordo (18-20, 23-26) comprendono ciascuno una pluralità di rispettive uscite e in almeno un collettore di raccordo (18-20, 24, 25) con porzione di passaggio ribassata (18a-20a, 24a, 25a) la sezione di passaggio ribassata (18a-20a, 24a, 25a) si estende per un tratto corrispondente a esclusivamente una delle uscite.
3. 3. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 2, in cui in almeno un collettore di raccordo (19) con porzione di passaggio ribassata (19a) la porzione a sezione di passaggio ribassata (19a) si estende in prossimità di tutte le uscite.
4. 4. Scambiatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una prima piastra (9) e una seconda piastra (10), che delimitano la camera di scambio termico (2a) ad estremità opposte e sono provviste di rispettive aperture per l’alloggiamento dei tubi (14, 15), e in cui i tubi (14, 15) si estendono fra la prima piastra (9) e la seconda piastra (10).
5. 5. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 4, in cui la prima parete (
6. 6) Ã ̈ accoppiata alla prima piastra (9) e definisce, con la prima piastra (9), primi collettori di raccordo (18-20) e in cui la seconda parete (7) Ã ̈ accoppiata alla seconda piastra (10) e definisce, con la seconda piastra (10), secondi collettori di raccordo (236. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 5, in cui i primi collettori di raccordo (18-20) comprendono rispettive porzioni a sezione di passaggio intera, dove una distanza massima fra la prima parete (6) e la prima piastra (9) Ã ̈ pari a una prima distanza (D1) e almeno un primo collettori di raccordo (18-20) comprende una rispettiva sezione a sezione di passaggio ribassata (18a-20a), dove la distanza massima fra la prima parete (6) e la prima piastra (9) Ã ̈ pari a una seconda distanza (D2), inferiore alla prima distanza (D1).
7. 7. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui i secondi collettori di raccordo (23-26) comprendono rispettive porzioni a sezione di passaggio intera, dove una distanza massima fra la seconda parete (7) e la seconda piastra (10) à ̈ pari a una terza distanza (D1’) e almeno un secondo collettore di raccordo (23, 24) comprende una rispettiva sezione a sezione di passaggio ribassata (23a, 24a), dove la distanza massima fra la seconda parete (7) e la seconda piastra (10) à ̈ pari a una quarta distanza (D2’), inferiore alla terza distanza (D1’).
8. 8. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un collettore di ingresso (17) e un turbolatore (22) alloggiato all’interno del collettore di ingresso (17).
9. 9. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 8, in cui il turbolatore (22) comprende una piastra forata affacciata a un primo gruppo di tubi (14).
10. 10. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i tubi (14, 15) comprendono primi tubi (14), aventi sezione di passaggio circolare, e secondi tubi (15), aventi sezione di passaggio sostanzialmente ovale e maggiore della sezione di passaggio dei primi tubi (14).
11. 11. Caldaia a condensazione per la produzione di acqua calda comprendente uno scambiatore di calore (2) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e un bruciatore a premiscelazione (3) accoppiato allo scambiatore di calore (2).
12. 12. Caldaia secondo la rivendicazione 12, in cui il bruciatore a premiscelazione (3) definisce un’ulteriore parete della camera di scambio termico (2) dello scambiatore di calore (2) e, preferibilmente, à ̈ fissato ermeticamente allo scambiatore di calore (2) in modo rimovibile.