ITMI951644A1 - Scambiatore di calore per una caldaia a bassa temperatura - Google Patents

Abstract

Lo scambiatore di calore (3) per una caldaia (1) a bassa temperatura, del tipo a camera secca, è destinato a racchiudere un focolare cilindrico cieco (2) delimitato da una superficie di rotazione e a permettere lo scambio di calore fra gas caldi prodotti da un bruciatore (5), al centro del focolare, e l'acqua che circola attorno a detto scambiatore di calore. Esso comporta delle alette (10) poste dalla parte del focolare che non sono parallele all'asse del focolare.(FIG. 1).

Description

SCAMBIATORE DI CALORE PER UNA CALDAIA A BASSA TEMPE¬

RATURA

L'invenzione si riferisce ad uno scambiatore di calore per una caldaia a bassa temperatura.

In una caldaia si effettua uno scambio di calore fra un mezzo gassoso, riscaldato in un focolare, ed un mezzo liquido. Al centro del focolare si trova un bruciatore, a gas oppure a gasolio, che produce un flusso di gas caldi proveniente dalla combustione. Questi gas passano quindi in uno scambiatóre di calore in cui cedono le loro calorie ad un mezzo liquido, generalmente acqua.

In una caldaia a bassa temperatura, l'acqua rimane a temperature poco elevate. Si possono quindi avere dei problemi di condensazione nello scambiatore di calore dalla parte dei gas. In effetti, il flusso gassoso prodotto dal bruciatore contiene vapore acqueo, biossido di carbonio, ma anche ossidi di azoto e di zolfo. Alle condizioni di pressione presenti dalla parte del bruciatore, il vapore acqueo si condensa quando la temperatura scende al di sotto di circa 55°C. Condensandosi, il vapore acqueo si miscela agli ossidi di zolfo e di azoto e forma quindi acido solforico e acido nitrico, molto corrosivi. L'acqua, in una caldaia a bassa temperatura, può essere ad una temperatura molto inferiore a 55°C, e vi è il rischio che la parete dello scambiatore di calore si trovi, dalla parte dei gas, a 55°C, o addirittura ad una temperatura inferiore. Se ciò si verifica, si ha quindi formazione di acidi.

Questa formazione di acido solforico e nitrico deve essere evitata. Per impedire questa formazione, pur mantenendo una temperatura dell'acqua poco elevata, occorre aumentare il gradiente di temperatura fra la parete dello scambiatore, dalla parte dei gas, e l'acqua. Occorre quindi aumentare il flusso di calore attraverso lo scambiatore.

Essendo il coefficiente di scambio termico basso dalla parte dei gas e relativamente elevato dalla parte dell'acqua, una soluzione consiste nell'aumentare la superficie di scambio dalla parte dei gas. È quindi noto il dotare lo scambiatore di alette dalla parte dei gas.

Nelle caldaie a bassa temperatura note, del tipo a camera secca, cioè che presentano un focolare cilindrico cieco, circondato dalla scambiatore di calore, le alette sono parallele all'asse del focolare. Queste alette formano così dei canali, paralleli all'asse del focolare e che si estendono su tutta la lunghezza dello scambiatore di calore, e nei quali fluiscono i gas provenienti dalla combustione.

L'inconveniente di questi scambiatori noti è che all'entrata dei canali formati dalle alette, i gas sono molto caldi, ed il flusso del calore dei gas verso l'acqua è quindi elevato, ma man mano che i gas procedono nel canale si raffreddano e, all'uscita del canale, il flusso di calore*'dei gas verso l'acqua è basso.

Un altro inconveniente di questi scambiatori risiede nel fatto che il flusso dei gas nei canali è laminare. Invece, gli scambi di calore sono piuttosto favoriti da un flusso turbolento. È noto il posizionare dei pezzi in acciaio, denominati generatori di turbolenza, che creano turbolenze nel cuore dei canali, ma questi pezzi sono costosi, poiché vengono sottoposti a sollecitazioni termiche elevate e devono, di fatto, essere fabbricati in acciaio nobile. Inoltre, il contatto dei gas sui generatori di turbolenza è inutile, in quanto questi ultimi non costituiscono una superficie di scambio.

Lo scopo dell'invenzione consiste nel fornire uno scambiatore di calore per una caldaia a bassa temperatura, del tipo a camera secca, che permetta un flusso turbolento dei gas per effetto del quale il flusso di calore fra la zona di entrata dei gas e la zona di uscita, è sensibilmente costante.

A questo scopo, il dispositivo proposto è uno scambiatore di calore per una caldaia a bassa temperatura, del tipo a camera secca, destinato a racchiudere un focolare cieco della caldaia, delimitato da una superficie di rotazione che permetta lo scambio di calore fra i gas caldi prodotti da un bruciatore al centro del focolare e l'acqua che circola attorno a detto dispositivo, e comprendente delle alette poste dal lato del focolare. Esso è caratterizzato dal fatto che queste alette non sono parallele all'asse del focolare.

Quindi, le alette costituiscono degli ostacoli al passaggio dei gas caldi e favoriscono la creazione di turbolenze che permettono un migliore scambio di calore fra i gas da una parte e l'acqua dall'altra parte .

Preferibilmente, le alette sono perpendicolari all'asse del focolare.Questo dispositivo permette dì avere la massima turbolenza.

Per evitare che fra le alette si formino, nonostante la disposizione perpendicolare all'asse del focolare, dei canali paralleli all'asse del focolare, nei quali il flusso sarelbelaminare, ciascuna aletta si estende su una parte periferica del focolare, e le alette poste dalla stessa parte sono posizionate a quinconce rispetto a quelle disposte in un piano vicino spostato assialmente.

In una prima forma di realizzazione, la distanza che separa due piani vicini contenenti delle alette è costante su tutta la lunghezza del focolare.

Al fine di adattare la disposizione delle alette alla temperatura dei gas caldi, e quindi ottenere su tutta la lunghezza dello scambiatore un flusso di calore sensibilmente costante dei gas verso l'acqua, la distanza che separa due piani vicini contenenti delle alette decresce nel senso del flusso gassoso.

Quindi, le alette sono più ravvicinate le une alle altre nella zona in cui i gas sono meno caldi. La superficie di scambio in questa zona è quindi maggiore. È quindi possibile, nonostante la temperatura dei gas meno elevata, avere, anche vicino all'uscita dello scambiatore, un flusso di calore verso l'acqua paragonabile al flusso di calore all'entrata dello scambiatore.

Al fine di avere delle alette tutte identiche per uno stesso tipo di caldaia, l'altezza delle alette è costante su tutta la lunghezza del focolare.

Tuttavia, per ragioni identiche a quelle indicate in precedenza, è ugualmente possibile variare l'altezza delle alette. Questo viene ottenuto, preferibilmente, aumentandola nel senso del flusso dei gas. Si ritrovano quindi, vicino all'uscita dello scambiatore, delle alette più alte e,quindi,una superficie di scambio più grande rispetto all'entrata dello scambiatore.

In questo caso, per seguire la forma descritta dalla sommità delle alette, il focolare della caldaia, invece di essere cilindrico, è leggermente conico.

Le alette, durante il funzionamento della caldaia, sono più calde dalla parte del focolare

che non dalla parte dell'acqua. Esse vengono quindi sottoposte a dilatazioni differenti che generano tensioni. Per minimizzare queste tensioni, le alette presentano fessure radiali che sboccano sullo spigolo rivolto verso il focolare.

Anche queste fessure favoriscono la turbolenza. In effetti, esse sono sensibilmente parallele all'asse del focolare, ed è presente una leggera differenza di pressione fra le due superficie delle alette. I gas caldi hanno quindi la tendenza ad attraversare queste fessure che, essendo strette, generano turbolenze nel flusso.

L'invenzione si riferisce anche alle alette che permettono di realizzare uno scambiatore di calore di questo tipo. Queste alette hanno la forma di un segmento di anello, e presentano delle fessure radiali che sboccano sul lato corrispondente all'interno dell'anello.

Tali alette possono essere saldate, per esempio, sulla parete dello scambiatore, dalla parte dei gas.

È anche possibile raggruppare più alette su uno stesso pezzo. In questo caso, si ottiene una corona circolare che, secondo l'invenzione, presenta parti piene che formano le alette e parti incavate che formano un passaggio fra le alette.

In ogni caso, l'invenzione verrà compresa meglio con l'aiuto della descrizione seguente, con riferimento ai disegni schematici allegati che rappresentano, a titolo di esempi non limitativi,·differenti forme di realizzazione dello scambiatore di calore secondo l'invenzione:

la Fig. 1 è una vista prospettica di una caldaia parzialmente in sezione, dotata di uno scambiatore di calore secondo l'invenzione;

la Fig. 2 è una vista in sezione longitudinale di una caldaia come quella della Fig. 1;

le Fig. 3 e 4 sono viste in sezione longitudinale di due varianti di realizzazione di uno scambiatore di calore secondo l'invenzione;

la Fig. 5 è una vista in pianta di una aletta; la Fig. 6 è una vista in pianta di una corona dotata di alette.

La Fig. 1 rappresenta una caldaia 1 del tipo a bassa temperatura a camera secca. Essa presenta un focolare 2, uno scambiatore di calore 3 ed un mantello 4 di acqua che circonda questo dispositivo. Al centro del focolare 2 si trova un bruciatore 5 , alimentato con carburante, gassoso o liquido,e comburente .

Il focolare 2 è di forma cilindrica tubolare. Esso è aperto dalla parte del bruciatore e presenta un fondo 6 dalla parte opposta. I gas caldi prodotti dal bruciatore 5 vengono propulsi verso il fondo 6 del focolare e ritornano verso il bruciatore lungo la parete cilindrica 7 del focolare (Fig. 2). Essi escono quindi dal focolare 2 e rientrano nello scambiatore di calore 3 che attraversano cedendo calore, attraverso la parete dello scambiatore, all'acqua del mantello 4. Infine, essi passano in un condotto 8 che li convoglia ad un camino.

Il fondo 6 del focolare 2 e la parete sulla quale si trova il bruciatore sono refrattarie ed isolanti. In effetti, lo scambio di calore non deve avvenire a livello di queste pareti, ma unicamente a livello dello scambiatore, al fine di migliorare il rendimento della caldaia 1.

Lo scambiatore di calore 3 è costituito da un tubo cilindrico 9 metallico, sulla superficie interna del quale sono fissate delle alette 10. Esso è disposto in modo concentrico al focolare 2 della caldaia. Le alette 10 si trovano,quindi,fra il tubo cilindrico 9 ed il focolare 2. Esistono diversi mezzi per fissare le alette 10: esse possono,per esempio,venire fissate con ghiera se sono in ghisa, oppure venire saldate sul tubo 9.

Le alette 10 sono disposte perpendicolarmente all'asse del focolare 2 e quindi all'asse del tubo cilindrico 9. Esse hanno quindi la forma di un segmento di anello, con diametro esterno corrispondente al diametro interno del tubo 9 e diametro interno corrispondente praticamente al diametro esterno del focolare 2.

Queste alette 10 sono disposte in piani perpendicolari all'asse del focolare 2. Fra due alette dello stesso piano, uno spazio permette il passaggio dei gas che fluiscono globalmente nel senso dell'asse del focolare. Sulle Fig. 1 e 2, i piani che contengono alette 10 sono spaziati regolarmente lungo l'asse del focolare. Ciascuno di questi piani contiene lo stesso numero di alette 10, ma le alette 10 di due piani vicini non sono affacciate, ma, al contrario, sono posizionate in quinconce, in modo tale che il gas che fluisce assialmente passando fra due alette di un piano, si trovi davanti ad una aletta del piano successivo·

Sul lato delle alette,davanti al focolare 2, sono disposte fessure radiali 11. Queste fessure 11 hanno due funzioni. La prima funzione viene pure soddisfatta dalle fessure ricavate sulle alette degli scambiatori dello stato della tecnica . Poiché la parte dell'aletta 10, posta dal lato del focolare, è, durante il funzionamento della caldaia, più calda di quella posta dal lato del mantello 4 di acqua, si manifetsano delle tensioni meccaniche dovute ad una differenza di dilatazione. Le fessure 11 sono quindi destinate a minimizzare le tensioni, permettendo alla parte calda di dilatarsi di più rispetto alla parte "fredda".

Peraltro, queste fessure 11 creano dei passaggi per dei gas caldi. Siccome è presente una differenza di pressione fra le due facce di una aletta, i gas caldi tendono a fluire attraverso queste fessure 11. Essendo queste ultime relativamente strette, il flusso è turbolento e favorisce quindi un migliore scambio di calore.

La Fig. 3 rappresenta uno scambiatore di calore 3 simile a quello delle Fig. 1 e 2, ma in cui la distanza fra due piani vicini che contengono alette 10 è variabile. Dalla parte del bruciatore 5, in cui i gas sono più caldi, la distanza fra due piani è relativamente grande, mentre dal lato opposto, in cui i gas sono meno caldi, in quanto hanno già ceduto una certa quantità di calore all'acqua, le alette sono più ravvicinate. Questo mezzo permette di avere un flusso di calore dai gas verso l'acqua sensibilmente costante su tutta la lunghezza del percorso dei gas.

In effetti, il flusso di calore è proporzionale alla differenza di temperatura fra i gas e l'acqua da una parte, e alla superficie di scambio dall'altra parte. Poiché la temperatura dell'acqua cambia poco, quando i gas sono meno caldi, per conservare un flusso di calore costante, occorre aumentare la superficie di scambio. In questo caso, questa superficie di scambio viene aumentata aumentando il numero di alette.

È anche possibile, per aumentare la superficie di scambio, posizionare all'uscita dello scambiatore 3, delle alette 10 più grandi di quelle poste all'entrata.

La Fig. 4 unisce questa soluzione alla soluzione precedente. Si trovano quindi, dalla parte di uscita dei gas, più alette 10 e alette 10 più grandi. In questo caso, il focolare 2 non è più cilindrico, ma leggermente conico.

Oltre al fatto di avere un flusso di calore costante, questo scambiatore di calore offre il vantaggio di essere molto silenzioso. In effetti, i gas passano attraverso dei labirinti, e la disposizione delle alette permette di smorzare i rumori, nello stesso modo in cui i rumori vengono smorzati in un tubo di scappamento.

La Fig. 5 rappresenta una aletta 10 identica a quelle descritte in precedenza. Tale aletta 10 può venire saldata alla superficie interna del tubo cilindrico 9, ed essa può così adattarsi bene sia al caso in cui il focolare 2 è cilindrico che quando è troncoconico.

La Fig. 6 rappresenta una corona 12 che presenta parti piene che formano le alette 10 e parti vuote che formano un passaggio fra le alette. Saldando più corone le une alle altre, sfalsando le alette 10 di una corona 12 rispetto alle alette 10 di una corona 12 vicina, si ottiene uno scambiatore di calore secondo l'invenzione.

Va da sé che l'invenzione non è limitata alle forme di realizzazione descritte in precedenza a titolo di esempi; essa ne comprende, al contrario, tutte le varianti.

Cosi, per esempio, le alette non devono essere obbligatoriamente perpendicolari all'asse del focolare. È sufficiente che definiscano un angolo con esso al fine di creare turbolenze e migliorare così il rendimento dello scambiatore.

Claims (2)

1. RIVENDICAZIONI 1, Scambiatore di calore (3) per una caldaia (1) a bassa temperatura del tipo a camera secca, destinato a racchiudere un focolare cilindrico cieco (2) della caldaia, delimitato da una superficie di rotazione e permettere lo scambio di calore fra i gas caldi prodotti da un bruciatore (5) al centro del focolare e l'acqua che circola attorno a detto scambiatore e che presenta alette (10) poste dal lato del focolare, caratterizzato dal fatto che le alette (10) sono perpendicolari all'asse del focolare e solidali con la parete cilindrica raffreddata dall'acqua.
2. 2. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuna aletta (10) si estende su una parte della periferia del focolare e che le alette (10), poste su uno stesso piano, sono disposte in quinconce rispetto a quelle disposte in un piano vicino, sfalsate assialmente. 3· Scambiatole di calore secondo la rivendicazione·2, caratterizzato dal fatto che la distanza che separa due piani vicini dotati di alette (10) è costante su tutta la lunghezza del focolare. · Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la distanza che separa due piani vicini dotati di alette (10) è decrescente nel senso del flusso gassoso. 5· Scambiatore dicalore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che l'altezza delle alette (10) è costante su tutta la lunghezza del focolare. 6. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che l'altezza delle alette (10) è crescente nel senso del flusso gassoso, e che il focolare (2) della caldaia non è cilindrico, ma leggermente conico per adattarsi alla forma descritta dalle sommità delle alette (10). 7· Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che le alette (10) presentano fessure radiali (11) che sboccano sullo spigolo rivolto verso il focolare. 8. Aletta (10) destinata a venire fissata sulla parete interna di uno scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzata dal fatto che ha una forma di segmento di anello, che presenta fessure radiali (11) che sboccano dalla parte corrispondente all'interno dell 'anello . 9· Corona circolare (12) per uno scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, caratterizzata dal fatto che presenta parti piene che formano le alette (10) e parti vuote che formano un passaggio fra le alette (10).