ITMI20121766A1 - Apparato condensante per il recupero del calore sensibile e latente dalle caldaie - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

dell'invenzione industriale avente per titolo:

“Apparato condensante per il recupero del calore sensibile e latente dalle caldaieâ€

La presente invenzione concerne un apparato condensante per il recupero del calore sensibile e latente dalle caldaie.

Più specificamente, l'invenzione riguarda uno scambiatore di calore che, installato tra una caldaia per il riscaldamento ad acqua calda o a vapore e la sua canna fumaria di espulsione dei fumi, sia in grado di intercettare i fumi dalla combustione, recuperando e riutilizzando l’energia termica contenuta in essi.

Le normali caldaie, anche quelle definite "ad alto rendimento" (91-93% alla potenza termica nominale), riescono a utilizzare solo una parte del calore sensibile dei fumi di combustione, inoltre non riescono ad utilizzare il calore latente di vaporizzazione a causa della necessità di evitare la condensazione del calore contenuto nei fumi che dà origine a fenomeni corrosivi. Il vapore acqueo generato dal processo di combustione viene quindi totalmente disperso in atmosfera attraverso il camino: la quantità di calore in esso contenuta, definito calore latente, rappresenta circa Γ11% dell'energia liberata dalla combustione.

Le caldaie a condensazione invece, possono recuperare una parte del calore latente contenuto nei fumi espulsi attraverso il camino. La particolare tecnologia della condensazione consente infatti di raffreddare i filmi fino a farli tornare allo stato di liquido saturo (o in taluni casi a vapore umido), con un recupero di calore utilizzato per preriscaldare l'acqua di ritorno dall'impianto. In questo modo la temperatura dei fumi di uscita mantiene un valore molto basso prossimo al valore della temperatura di ritorno dell'acqua.

Si à ̈ detto che il calore latente di condensazione à ̈ pari al 11% del calore totale dalla combustione del metano. Per questa ragione, ipotizzando di avere una caldaia senza alcuna dispersione, si potrebbe teoricamente avere una rendimento termodinamico del 111% rispetto al 100% del potere calorifico inferiore (100% calore sensibile 11% del calore latente di condensazione).

Tuttavia, questi apparati raggiungono efficienze molto elevate solo se impiegati in sistemi a bassa temperatura con una temperatura del fluido termovettore (acqua) di 30-40°C, o applicando alcune soluzioni specifiche (aumentando il Δt tra mandata e ritorno, rallentando il flusso del fluido termovettore, limitando la potenza della caldaia). Comunque, se la temperatura di tali caldaie à ̈ mantenuta ad un valore di 60-80°C (in questi casi à ̈ necessario fare un sistema con radiatori o ventilconvettori appropriati) la caldaia a condensazione non riesce a recuperare il calore latente di vaporizzazione poiché temperatura di ingresso dell'acqua à ̈ superiore o troppo vicina alla temperatura di rugiada fumi (circa 55°C con il metano): in questo caso, la caldaia a condensazione funziona come una caldaia standard ad alta efficienza (85-95%).

È noto dal brevetto WO-2006067820 un modulo comunicante con una caldaia, tale modulo essendo atto all’intercettazione del flusso dei fumi in uscita dalla caldaia al fine di recuperare parte del calore sensibile e parte del calore latente di vaporizzazione dei fumi. Questo permette che la caldaia consumi minor energia per aumentare la temperatura del fluido alla temperatura impostata, ottenendo così un risparmio di carburante con la stessa energia ottenuta dal sistema.

In vista dello stato della tecnica, scopo della presente invenzione à ̈ quello di presentare un apparato che permetta di incrementare il recupero del calore sensibile e del calore latente di vaporizzazione contenuto all'interno delle grandi quantità di vapori prodotti dalla combustione nelle caldaie ad alto rendimento, migliorando l' efficienza.

In accordo con il trovato tale scopo à ̈ raggiunto con un apparato condensante per il recupero del calore da una caldaia comprendente uno scambiatore di calore, detto apparato essendo provvisto di un ingresso atto ad accogliere i fumi in uscita dalla caldaia ed un’uscita, collegata ad una canna fumaria, caratterizzato dal fatto che il flusso dei fumi attraverso l’apparato avviene mediante un percorso verticale, e l’ingresso dell’apparato à ̈ provvisto di almeno un rilevatore del flusso dei fumi atto all’invio di un segnale ad una unità di controllo, detta unità di controllo essendo atta al pilotaggio di un dispositivo modulante estrattore dei fumi all’uscita dell’apparato.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno rese maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione, illustrata a titolo non limitativo nei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra una vista in sezione parziale verticale dell’apparato condensante per il recupero del calore secondo la presente invenzione;

la figura 2 mostra una vista assonometrica di uno scambiatore di calore a piastre compreso nell’apparato condensante per il recupero del calore;

la figura 3 mostra un particolare dello scambiatore di calore in figura 1 ;

la figura 4 mostra un primo schema con un apparato condensante per il recupero del calore secondo la presente invenzione installato tra una caldaia ed una canna fumaria;

la figura 5 mostra un secondo schema con un apparato condensante per il recupero del calore secondo la presente invenzione installato tra una caldaia ed una canna fumaria.

Un apparato 1 per il recupero del calore secondo la presente invenzione à ̈ mostrato in Figura 1. L’apparato 1 comprende un carter 7 a forma di “U†, all’interno del quale, in una camera di discesa 4 à ̈ posto uno scambiatore di calore 2 del tipo a piastre stagne.

L’apparato 1 à ̈ provvisto di un ingresso 5, collocato superiormente all’apparato 1, atto ad accogliere i fumi in uscita da una caldaia 6 (ad acqua o vapore), tale apparato 1 essendo installato tra la caldaia 6 ed una canna fumaria 19 (vedi schema in figura 4).

La camera di discesa 4 rappresenta il percorso che, attraverso le piastre 3 dello scambiatore 2, conduce i fumi verso un fondo 70 del carter 7 atto a raccogliere le condense acide (vedi Figura 1). Dal fondo 70 del carter 7 si diparte verticalmente una camera di risalita fumi 8, tale camera 8 essendo separata dalla camera di discesa 4 per mezzo di una parete interna 9. All’estremità superiore 80 della camera di risalita 8 à ̈ collocato un dispositivo modulante estrattore 11 atto all’espulsione dei fumi.

Tale dispositivo 11 può ad esempio essere un ventilatore in acciaio inox. Il ventilatore 11 à ̈ atto a spingere i fumi provenienti dalla camera di risalita 8, conducendoli in una scatola metallica 12 dotata di un sifone d’uscita 13 che andrà ad accoppiarsi alla canna fumaria esterna 19 (vedi Figure 4 e 5). La scatola metallica 12 comprende altresì uno scarico di fondo 16 atto allo smaltimento delle condense acide provenienti anche dalla canna fumaria 19.

Per consentire il monitoraggio del flusso dei fumi in ingresso all’apparato 1, almeno un rilevatore 17 à ̈ posto in prossimità dell’ingresso 5, come mostrato schematicamente in Figura 1. Nello specifico si può trattare di un sensore di pressione. Tale sensore 17 à ̈ atto all’invio di un segnale ad un’unità di controllo 18 atta, a propria volta, a pilotare il ventilatore 11, detta unità di controllo 18 essendo capace di azionare/spegnere il ventilatore Il e altresì regolarne la velocità di rotazione per mezzo di un motore inverter 22 collegato al ventilatore 11.

Grazie alla regolazione del flusso dei fumi, 1 un filtro antiparticolato (non mostrato nelle figure) può essere utilizzato a valle dell’apparato 1.

Ciascuna piastra 3 dello scambiatore 2 (vedi Figure 2 e 3) ha una superficie di forma sostanzialmente rettangolare e comprende una camera di passaggio 10 atta ad ospitare un fluido termovettore. Un condotto d’ingresso 15, atto all’introduzione del fluido termovettore all’ interno delle camere di passaggio 10 di ciascuna piastra 3, à ̈ posizionato inferiormente all’apparato 1 (vedi Figure 1, 2 e 3). Allo stesso modo un condotto d’uscita 14, atto al deflusso del fluido termovettore dallo scambiatore 2, à ̈ collocato superiormente all’apparato 1. Un circuito idraulico 21, collegato a detti condotti di ingresso 15 e d’uscita 14 dello scambiatore 2, à ̈ atto al trasporto del fluido termovettore, attraverso la caldaia 6 fino ad un impianto di riscaldamento 22 (Figura 4), oppure attraverso un boiler per l’accumulo di acqua sanitaria 25 (Figura 5) o altri dispositivi ai quali cedere l’energia recuperata.

Nel funzionamento, in Figura 4 à ̈ mostrato uno schema con un apparato 1 per il recupero del calore installato tra la caldaia 6 e la canna fumaria 19. L’apparato 1 intercetta al proprio ingresso 5 i fumi espulsi dalla caldaia 6, recuperando l’energia termica sotto forma di calore sensibile e calore latente di vaporizzazione e cedendola al circuito idraulico 21 dove circola il fluido termovettore. La cessione del calore avviene per mezzo dello scambiatore di calore 2, nel quale l’elevata superficie di contatto con i fumi, la distanza ottimale tra le piastre 3 e la superficie turbolenziata agevolano Γ inglobamento (sia per soluzione che per tensioattività) di ima parte degli agenti inquinanti nella stessa condensa prodotta. I fumi dunque attraversano lo scambiatore di calore 2, percorrendo un tragitto verticale verso il basso (vedi le frecce di Figura 1) e vengono condotti verso il fondo 70 del carter 7. Nel fondo 70 si raccolgono, per gravità, le condense acide formatesi sia nella camera di discesa 4 con lo scambiatore 2 che eventualmente nella camera di risalita 8. La condensazione dei fumi avviene solo all’interno dell’apparato 1. La condensa acida viene smaltita evitando che la stessa possa rientrare all’interno della caldaia 6, proteggendo quest’ultima dalla corrosione. Questo può avvenire grazie alla forma dell’apparato 1, con il flusso dei fumi che avviene in verticale.

Il ventilatore di estrazione 11 aspira i fumi attraverso la camera di risalita 8 spingendoli verso la scatola metallica 12. Lo scarico di fondo 16 ha lo scopo di recuperare e smaltire le condense acide che dovessero ritornare dalla canna fumaria 19 esterna e/o dal ventilatore 11. Attraverso il sifone di uscita 13 i fumi vengono condotti alla canna fumaria esterna 19.

L’apparato 1 si attiva automaticamente senza necessario collegamento elettrico alla caldaia 6, infatti l’unità di controllo 18 verifica l'accensione della caldaia 6 attraverso il sensore di pressione 17 che riscontra il movimento dei fumi in ingresso 5. Quando la caldaia 6 si mette in funzione, ancora prima che la fiamma sia accesa, il dispositivo di estrazione 11 dell’apparato 1 viene attivato per mantenere inalterata la pressione dei fumi nella caldaia 6.

L’unità di controllo 18, regolando la velocità di rotazione del ventilatore 11 per mezzo dell’inverter 22, adatta la portata dei fumi che circolano all’interno dell’apparato 1 in modo che la pressione dei fumi alfingresso 5 sia pari alla normale e primitiva pressione dei fumi in uscita dalla caldaia 6. Ciò avviene al fine di evitare di sottoporre la caldaia 6 ad uno stress dovuto alle eventuali perdite di carico causate dai recuperatori di calore noti. Creare una perdita di carico lato fumi alla caldaia 6 (ovvero creare una contropressione), anche se minima, provocherebbe una variazione del rapporto comburente/combustibile e quindi una perdita di efficienza e la esponenziale produzione di inquinanti e incombusti.

Nella presente invenzione, il ventilatore 11 posto all'uscita della camera 8 muove con precisione la quantità di fumi prodotti dalla caldaia 6 e soprattutto annulla le perdite di carico determinate, a monte, dallo scambiatore di calore 2 e, a valle, da eventuali altre apparecchiature quali filtri antiparticolato per la depurazione dei fumi. Questa à ̈ un’opportunità molto importante in quanto, il filtro antiparticolato, con l'utilizzo si occlude sempre più, aumentando continuamente la perdita di carico lato fumi. Normalmente tale filtro non può essere installato direttamente sull'uscita fumi della caldaia 6. Il controllo della pressione dei fumi, invece, consente l'utilizzo di questi filtri poiché mantiene costante la pressione fumi, aumentando la velocità del ventilatore 11 all'aumentare dell'intasamento del filtro, superando così la perdita di carico.

Per lo stesso principio, l’apparato 1 consente l'espulsione dei fumi freddi in mancanza di tiraggio della canna fumaria 19, nonché l'utilizzo di camini di ridotta sezione di passaggio (nel caso di intubamento del vecchio camino).

Un vantaggio della presente invenzione à ̈ quello che nello scambiatore di calore 2 le piastre 3 sono prive di guarnizioni o saldobrasature con metalli teneri; questo aspetto, e la presenza di una flangia di apertura 20 nel corpo esterno dell’apparato 1 (vedi Figura 2), consente una pulizia lato fumi senza la necessità di dover disinstallare lo scambiatore 2 dall’apparato 1, di esser smontato piastra per piastra, inoltre non sono presenti guarnizioni da sostituire tra le piastre 3.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato (1) condensante per il recupero del calore da una caldaia (6) comprendente uno scambiatore di calore (2), detto apparato (1) essendo provvisto di un ingresso (5) atto ad accogliere i fumi in uscita dalla caldaia (6) ed un’uscita (13), collegata ad una canna fumaria (19), caratterizzato dal fatto che il flusso dei fumi attraverso l’apparato (1) avviene mediante un percorso verticale, e l’ingresso (5) dell’apparato (1) à ̈ provvisto di almeno un rilevatore (17) del flusso dei fumi atto all’invio di un segnale ad una unità di controllo (18), detta unità di controllo (18) essendo atta al pilotaggio di un dispositivo modulante estrattore (11) dei fumi all’uscita dell’apparato (1).
2. 2. Apparato (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un carter (7) all’ interno del quale, in una camera di discesa (4), à ̈ inserito lo scambiatore di calore (2), detta camera di discesa (4) essendo comunicante con un fondo (70) del carter (7) atto al raccoglimento delle condense acide.
3. 3. Apparato (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il dispositivo modulante estrattore (11) à ̈ collocato all’estremità superiore (80) di una camera di risalita (8) che si diparte dal fondo (70) del carter (7), detta camera di risalita (8) essendo separata della camera di discesa (4) per mezzo di una parete interna (9).
4. 4. Apparato (1) secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il dispositivo modulante estrattore (11) à ̈ atto a spingere i fumi provenienti dalla camera di risalita (8) verso una scatola metallica (12) comprendente un sifone d’uscita (13) ed uno scarico di fondo (16) atto allo smaltimento delle condense acide.
5. 5. Apparato (1) secondo le rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che detta unità di controllo (18) pilota il dispositivo modulante estrattore (11) per mezzo di un inverter (22).
6. 6. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto scambiatore di calore (2) comprende delle piastre (3) prive di guarnizioni o saldobrasature con metalli teneri, dette piastre (3) ciascuna comprendendo una camera di passaggio (10) atta ad ospitare un fluido termovettore.
7. 7. Apparato (1) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto scambiatore di calore (2) comprende un condotto d’ingresso (15) atto all’ introduzione del fluido termovettore aH’intemo delle camere di passaggio (10) di ciascuna piastra (3), ed un condotto d’uscita (14) atto alla deflusso del fluido termovettore dallo scambiatore (2).
8. 8. Apparato (1) secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detti condotti d’ingresso (15) e d’uscita (14) sono collegati ad un circuito idraulico (21) atto al trasporto del fluido termovettore o attraverso la caldaia (6) fino ad un impianto di riscaldamento (22), oppure attraverso un boiler per l’accumulo di acqua sanitaria (25) o altri sistemi utilizzatori del calore recuperato.
9. 9. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto rilevatore (17) può essere un sensore di pressione.
10. 10. Apparato (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo modulante estrattore (11) può essere un ventilatore in acciaio inox.