ITRM20090614A1 - Scambiatore a condensazione a doppia tubazione per riscaldamento di acqua e/o produzione di acqua calda sanitaria . - Google Patents

Description

Scambiatore a condensazione a doppia tubazione per riscaldamento di acqua e/o produzione di acqua calda sanitaria

La presente invenzione riguarda uno scambiatore a condensazione a doppia tubazione per riscaldamento di acqua e/o produzione di acqua calda sanitaria.

Più dettagliatamente, l’invenzione riguarda uno scambiatore di calore del tipo fumi-liquido, che consente di ottenere rendimenti energetici molto elevati con basse perdite di carico specifiche sia lato fluido sia lato fumi.

Sono disponibili sul mercato molte soluzioni di scambiatori di calore a condensazione che prevedono l’impiego di una mono serpentina.

Uno dei principali problemi degli scambiatori costituiti da serpentine a profilo liscio (senza corrugazioni) à ̈ quello derivante dalla deposizione dei liquidi derivanti dalla condensazione dei prodotti della combustione all’interno degli interstizi di scambio destinati al passaggio dei fumi.

Gli scambiatori a condensazione noti, con serpentina avente profilo liscio, sono vincolati a causa di questo problema, a particolari disposizioni in caldaia, proprio per consentire la corretta evacuazione della condensa ed evitare che quest’ultima occluda gli interstizi destinati al passaggio dei gas combusti. Tale problema obbliga, di fatto, i costruttori di generatori termici, oggi presenti sul mercato, a posizionare orizzontalmente (con flusso dei fumi orizzontale) gli scambiatori a serpentina liscia. Ciò ovviamente, condiziona fortemente l’architettura dei generatori termici e vincola, ad esempio, le dimensioni delle caldaie pensili, la loro profondità minima, la geometria del percorso fumi, ecc..

Alla luce di quanto sopra, la Richiedente ha realizzato uno scambiatore a condensazione in grado di risolvere tutti i problemi summenzionati.

Questi risultati sono ottenuti, secondo l’invenzione, realizzando uno scambiatore a condensazione che prevede due tubazioni separate avvolte a spirale, rispettivamente una liscia e l’altra corrugata. L’abbinamento di queste due diverse serpentine consente di ottenere uno scambio di calore ottimale, differenziando il tipo di superficie di scambio in funzione della temperatura del fluido con cui questa viene a contatto. All’interno della camera di combustione, caratterizzata da temperature elevate per gli effetti combinati dello scambio termico dovuto all’irraggiamento e alla convezione, viene previsto uno scambiatore costituito da una serpentina con superficie liscia, mentre nelle zone a più bassa temperatura dei fumi, dove iniziano i fenomeni di condensazione dei composti gassosi viene prevista una seconda serpentina, a superficie corrugata, per massimizzare gli scambi termici e favorire il corretto deflusso dei condensati. Le due serpentine sono in serie rispetto al flusso dei prodotti gassosi ed in parallelo rispetto al flusso del liquido termovettore.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione uno scambiatore a condensazione per riscaldamento di acqua e/o produzione di acqua calda sanitaria caratterizzato dal fatto di prevedere, in parallelo, una prima serpentina con superficie liscia e una seconda serpentina con superficie corrugata, dette prima e seconda serpentina essendo avvolte a spirale, all’interno di dette prima e seconda serpentina circolando, indipendentemente, un fluido termovettore, detta prima serpentina scambiando calore con i fumi della combustione prevalentemente per irraggiamento e convezione, e detta seconda serpentina scambiando calore con i fumi della combustione prevalentemente per condensazione.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, dette prima e seconda serpentina sono avvolte a spirale con la serpentina liscia interna rispetto a quella esterna. Ancora secondo l’invenzione, detta prima serpentina ha una sezione sagomata in maniera tale da conformarsi al profilo di detta seconda serpentina, in particolare una sezione pseudo-pentagonale, ovvero rettangolare, ovvero ovoidale, e simili.

Sempre secondo l’invenzione, detto scambiatore può essere a flusso di fumi verticale o a flusso di fumi orizzontale.

Ulteriormente, secondo l’invenzione, dette prima e seconda serpentina sono dimensionate in maniera tale da fare raggiungere al rispettivo fluido termovettore in uscita sostanzialmente la stessa temperatura.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, con particolare riferimento alle figure allegate, in cui

la figura 1 mostra schematicamente una prima forma di realizzazione dello scambiatore di calore secondo l’invenzione;

la figura 2 mostra un particolare dello scambiatore di calore di figura 1;

la figura 3 mostra schematicamente una seconda forma di realizzazione dello scambiatore di calore secondo l’invenzione;

la figura 4 mostra una prima variante esecutiva di un primo particolare dello scambiatore di figura 3;

la figura 5 mostra una seconda variante esecutiva di un primo particolare dello scambiatore di figura 3; e la figura 6 mostra una terza variante esecutiva di un primo particolare dello scambiatore di figura 3.

Nelle varie figure, anche con riferimento a differenti forme di realizzazione, parti uguali o simili verranno indicate con gli stessi riferimenti numerici.

Osservando inizialmente le figure 1 e 2, à ̈ mostrata una prima forma di realizzazione dello scambiatore di calore secondo l’invenzione, indicato genericamente con il riferimento numerico 1, in una configurazione con flusso prevalentemente verticale dei prodotti della combustione all’interno dello scambiatore 1 stesso.

Lo scambiatore 1 prevede due tubazioni spiroidali, rispettivamente liscia 2 e corrugata 3, disposte concentricamente una rispetto all’altra.

Nella forma di realizzazione mostrata nelle figure 1 e 2, il funzionamento dello scambiatore di calore 1 prevede che il fluido termovettore freddo, da scaldare, entri nello scambiatore di calore dal basso e percorra in parallelo idraulico le due tubazioni spiroidali 2, 3, dal basso verso l’alto.

Le due tubazioni 2, 3 hanno profili diversi, ed in particolare quella più interna 2 à ̈ costituita da un tubo liscio, avente il profilo rappresentato in figura 4 (o una delle sue varianti rappresentate nelle figure 5 e 6) idoneo ad essere accoppiato con la tubazione corrugata 3, in modo da realizzare un ottimale scambio termico, mentre quella esterna 3 à ̈ costituita da una tubazione corrugata flessibile avvolta a spirale.

Le due tubazioni 2, 3 sono adiacenti, e i loro profili si accoppiano in modo da realizzare un’ottimale superficie di scambio per il trasferimento del calore dai prodotti della combustione al fluido termovettore. Nella prima forma di realizzazione delle figure 1 e 2, i fumi di combustione, provenienti dal bruciatore 4 in, salgono verso l’alto (frecce F), fino a lambire il fondello superiore dello scambiatore 4.

I fumi, una volta raggiunto il fondello superiore 5 sono costretti ad invertire la loro direzione, scendendo di nuovo verso il fondello inferiore (non mostrati) attraverso i passaggi realizzati fra la tubazione corrugata 3 e quella liscia 2.

In questa fase i fluidi gassosi caldi lambiscono sia la superficie della tubazione corrugata 3 che la superficie della tubazione liscia 2, entrambe percorse dal liquido termovettore da riscaldare. L’accoppiamento delle due superfici così giustapposte à ̈ particolarmente efficiente ai fini del trasferimento del calore ed à ̈ ottimale in termini di utilizzazione dei materiali (costo/beneficio). I fumi, durante il percorso, vengono raffreddati dall’acqua d’impianto fino al raggiungimento della temperatura di rugiada e conseguente cessione del calore latente di condensazione (proporzionale alla quantità di condensa prodotta). I condensati, in questa prima configurazione di scambiatore, scendono in verticale verso il fondello inferiore assieme ai fumi, con flusso sempre concorde a questi ultimi.

In questa prima forma di realizzazione non c’à ̈ passaggio diretto dei fumi fra gli interstizi della serpentina liscia 2 (passaggi orizzontali fra le spire della serpentina liscia), ma tutti i fumi sono forzati a salire verso l’alto e a passare nei percorsi indicati in figura 2.

Riferendosi ora in dettaglio alla figura 3 dei disegni allegati, à ̈ mostrato il funzionamento dello scambiatore di calore 1 secondo l’invenzione in una seconda forma di realizzazione che prevede il flusso dei fumi orizzontale. In questo caso, il fluido termovettore freddo, da scaldare, entra nello scambiatore di calore dal basso (INGRESSO ACQUA) e percorre seguendo un percorso in parallelo idraulico le due tubazioni spiroidali 2, 3 dal basso verso l’alto.

Le due tubazioni spiroidali 2, 3 hanno profili diversi, ed in particolare quella più interna 2 à ̈ costituita da un tubo liscio, avente il profilo rappresentato in dettaglio in figura 4, idoneo ad essere accoppiato con la tubazione corrugata in modo da realizzare un ottimale scambio termico, mentre quella esterna 3 à ̈ costituita da una tubazione corrugata flessibile avvolta a spirale.

Dette tubazioni spiroidali 2, 3 sono adiacenti e sono realizzate con i profili che si accoppiano in modo da costituire un’ottimale superficie di scambio per il trasferimento del calore dai prodotti della combustione al fluido termovettore.

Entrambe le tubazioni spiroidali 2, 3 sono continue e non hanno diramazioni per l’intera lunghezza dello scambiatore 1, essendo collegate in basso al collettore di ritorno e in alto a quello di mandata (non mostrati). 2

Le modalità di scambio termico fra il bruciatore a gas 4, posto nella sommità d 3ella camera di combustione, e le due tubazioni 2, 3, contenenti il fluido termovettore, possono essere così sc 2hematizzate:

- scambio termico prevalentemente per irraggiamento con la superficie interna della tubazione 2 liscia esposta verso il bruciatore 4 stesso;

- scambio termico per convezione, con le superfici della tubazione 2 liscia interessate al passaggio dei fumi (prodotti della combustione) fra l’interno della camera di combustione ed il suo esterno secondo le frecce A di figura 3 e i percorsi fumo di figura 4. I passaggi dei fumi sono schematicamente indicati dalle frecce A parallele in figura 3 e dalle linee B nel particolare riportato in figura 4;

- per convezione con le superfici della tubazione corrugata 3, lambite dal flusso dei fumi sia nella parte bassa, sia nella parte alta, in modo che la tubazione risulti totalmente investita dal flusso termico. Quest’ultimo passaggio, in particolare, consente di abbattere la temperatura fumi al di sotto del punto di rugiada dei fumi di scarico con recupero di buona parte del calore latente di condensazione.

La tubazione spiroidale liscia 2 illustrata nelle figure 3 e 4 ha un profilo “pseudo pentagonale†, ma, come mostrato nelle figure 5 e 6), può essere realizza con diversi profili (pseudo rettangolare, ovoidale, ecc.).

La funzione principale della tubazione liscia à ̈ quella di abbassare la temperatura dei fumi provenienti dal processo di combustione (variabile in funzione del tipo di combustibile usato e dall’eccesso d’aria utilizzato) fino ad un valore di circa 300-400°C, riscaldando il fluido termovettore che circola all’interno del circuito idraulico “liscio†. La particolare forma “pseudo pentagonale†della tubazione liscia 2 di figura 4 consente un ottimale accoppiamento con la tubazione corrugata 3, costringendo i fumi caldi a lambire le superfici di scambio di entrambe le tubazioni, in maniera da avere il massimo trasferimento di calore fumi/acqua.

La diversa geometria delle due tubazioni 2, 3, consente inoltre di realizzare lo scambio termico gas/liquido in diverse fasi:

- bassa superficie specifica della tubazione 2 (tubo liscio), lì dove i fumi scambiano calore ad alta temperatura;

- alta superficie specifica della tubazione 3, lì dove i fumi scambiano calore a bassa temperatura e dove, soprattutto, avviene la condensazione dei fumi con presenza contemporanea di fase gassosa e liquida. In particolare, la tubazione corrugata 3 in questa fase consente un’ottimale deflusso delle condense.

In altri termini, si utilizza una superficie a profilo liscio per scambiare calore con fumi a più alta temperatura ed una a superficie corrugata per scambiare calore con i fumi ormai raffreddati e saturi per la presenza di incipiente formazione di liquido. Nello scambiatore 1 descritto le superfici di scambio convettivo nella tubazione 2 liscia (gli interstizi fra le spire) sono state studiate per evitare al massimo la formazione di condensa al loro interno, per impedire che il deposito di liquido in questi passaggi ostacolasse il regolare percorso dei fumi in alcuni regimi di funzionamento dello scambiatore.

Con la soluzione proposta secondo la presente invenzione si ottengono, rispetto alle soluzioni tradizionali, numerosi vantaggi.

In, in particolare, si ottengono vantaggi sia per quanto riguarda l’efficienza di scambio del calore, sia per quanto riguarda la loro funzionalità ed affidabilità.

L’abbinamento tra tubazione liscia e tubazione corrugata consente di ottenere un rendimento utile superiore. Il sistema basato sull’originale abbinamento coassiale di due serpentine a diversa geometria, rispettivamente l’una costituita da un avvolgimento a spirale di una tubazione 3 corrugata, e l’altra costituita da un avvolgimento a spirale di una tubazione 2 liscia (a sezione pseudo pentagonale, ovoidale ovvero rettangolare e simili) consente un’ottimale sfruttamento del calore generato dalla combustione di idrocarburi. Infatti, il particolare percorso fumi consente un ottimo scambio fumi/acqua, con rendimenti utili dello scambiatore a condensazione mediamente superiori a quelli esistenti sul mercato. Si ottiene inoltre una minore perdita di carico idraulico rispetto ai sistemi con serpentina unica, in quanto rispetto ai modelli con avvolgimento singolo (mono serpentina) noti, il sistema proposto consente una minore perdita di carico idraulico del fluido termovettore. Infatti, il parallelo idraulico costituito dall’insieme delle due serpentine e dalla loro particolare geometria, consente di ridurre sensibilmente le perdite di carico ripartite e concentrate dello scambiatore rispetto ad uno mono serpentina di pari superficie di scambio.

Infine, si realizza un ottimale sistema di evacuazione della condensa a causa dell’originale sistema di scambio termico e della particolare architettura “liscio/corrugato†che consentono, rispetto alle soluzioni comunemente in uso, maggior flessibilità nel posizionamento dello scambiatore di calore, all’interno del generatore termico.

La particolare geometria dello scambiatore proposto, rende possibile la formazione dei condensati solo in prossimità della spirale esterna corrugata e non in prossimità degli interstizi della tubazione liscia, evitando tutti i problemi legati alla presenza di liquido fra detti interstizi della tubazione a profilo liscio. Come detto, i vantaggi rispetto ad altri scambiatori a condensazione sono notevoli, perché, ad esempio, i prodotti di questo tipo attualmente sul mercato sono vincolati ad una disposizione orizzontale dello scambiatore in caldaia (con asse dello scambiatore disposto orizzontalmente), cioà ̈ in una disposizione in cui i percorsi dei fumi e della condensa sono verticali, al fine di evitare il ristagno della condensa negli interstizi della serpentina e consentirne l’evacuazione all’esterno della caldaia La presente invenzione à ̈ stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma à ̈ da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore a condensazione per riscaldamento di acqua e/o produzione di acqua calda sanitaria caratterizzato dal fatto di prevedere, in parallelo, una prima serpentina con superficie liscia e una seconda serpentina con superficie corrugata, dette prima e seconda serpentina essendo avvolte a spirale, all’interno di dette prima e seconda serpentina circolando, indipendentemente, un fluido termovettore, detta prima serpentina scambiando calore con i fumi della combustione prevalentemente per irraggiamento e convezione, e detta seconda serpentina scambiando calore con i fumi della combustione prevalentemente per condensazione.
2. 2. Scambiatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette prima e seconda serpentina sono avvolte a spirale con la serpentina liscia interna rispetto a quella esterna.
3. 3. Scambiatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta prima serpentina ha una sezione sagomata in maniera tale da conformarsi al profilo di detta seconda serpentina, in particolare una sezione pseudo-pentagonale, ovvero rettangolare, ovvero ovoidale, e simili.
4. 4. Scambiatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto scambiatore à ̈ a flusso di fumi verticale o a flusso di fumi orizzontale.
5. 5. Scambiatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette prima e seconda serpentina sono dimensionate in maniera tale da fare raggiungere al rispettivo fluido termovettore in uscita sostanzialmente la stessa temperatura.