ITTO20130373A1 - Dispositivo e metodo per l¿ottimizzazione di trasferimento termico in uno scambiatore di calore - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO E METODO PER L’OTTIMIZZAZIONE DI TRASFERIMENTO TERMICO IN UNO SCAMBIATORE DI CALOREâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo e ad un metodo per l’ottimizzazione di trasferimento termico in uno scambiatore di calore, più in particolare si riferisce all’ottimizzazione dell’efficienza termica di una caldaia a condensazione.

È noto che la maggior parte delle caldaie a condensazione presenti sul mercato sono caratterizzate da una camera di combustione che ospita un bruciatore e uno scambiatore di calore nel quale circola un fluido, ad esempio acqua, destinata all’utenza finale. I gas caldi, o fumi, prodotti dal processo di combustione, a contatto con le pareti dello scambiatore cedono parte del loro calore al fluido contenuto nello scambiatore. Tale scambio termico produce un abbassamento della temperatura dei fumi di combustione a favore di un innalzamento della temperatura del fluido presente nello scambiatore di calore.

È altresì noto che esistono diverse tipologie di scambiatori di calore, ad esempio a piastra, a pacco alettato o a serpentina. In quest’ultimo caso, in una caldaia a condensazione, la serpentina contiene il fluido, in particolare acqua, che si riscalda lungo il suo percorso attraverso lo scambio termico con i fumi prodotti da un bruciatore posto ad un lato della stessa serpentina. In genere, tale lato viene denominato lato caldo dello scambiatore di calore; il lato opposto viene denominato lato freddo.

Con riferimento alla Fig. 1, viene illustrato uno schema semplificato di una caldaia a condensazione secondo l’arte nota, nel quale sono mostrati con maggiore chiarezza quali sono i lati caldo e freddo dello scambiatore di calore, la posizione del bruciatore e la zona di condensa.

Una generica caldaia a condensazione, ad esempio alimentata a GPL o metano, sfrutta la condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi di combustione per ottenere elevate efficienze e ridurre il consumo di combustibile. Il calore prodotto dalla combustione viene trasferito al fluido passante nella serpentina che può quindi essere utilizzato ad usi sanitari o per il riscaldamento ambientale.

Tuttavia, il maggior bisogno di risparmio energetico e la ricerca in tale ambito spingono ad ottimizzare sempre di più l’efficienza dello scambio termico.

Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di indicare un dispositivo ed un metodo per l’ottimizzazione di trasferimento termico in uno scambiatore di calore, che permetta di rendere più efficiente il trasferimento termico tra i fumi di combustione e il fluido che scorre all’interno dello scambiatore di calore.

Un secondo scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare un dispositivo ed un metodo per l’ottimizzazione di trasferimento termico in uno scambiatore di calore, che permetta sostanzialmente di non modificare gli elementi preesistenti di una caldaia già presente in commercio.

Un terzo scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare un dispositivo ed un metodo per l’ottimizzazione di trasferimento termico in uno scambiatore di calore, che permetta di aumentare l’efficienza generale di una caldaia a condensazione.

Questi ed altri scopi dell’invenzione vengono ottenuti con un dispositivo ed un metodo per l’ottimizzazione di trasferimento termico in uno scambiatore di calore, come rivendicati nelle unite rivendicazioni che costituiscono parte integrante della presente descrizione.

In sintesi, vengono descritti un dispositivo ed un metodo per l’ottimizzazione di trasferimento termico in uno scambiatore di calore, in cui tale dispositivo si basa sul funzionamento degli “heat pipe†, denominati anche condotti termici, per aumentare lo scambio di calore tra i fumi di combustione e lo scambiatore di calore all’interno di caldaie a condensazione. Tale dispositivo à ̈ atto a cooperare con uno scambiatore di calore e permette un risparmio di combustibile nel bruciatore e un miglioramento della fluidodinamica dei fumi, con conseguente spostamento della condensazione nella parte terminale dello scambiatore di calore preposta a tale scopo, ovvero il lato freddo.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono oggetto delle allegate rivendicazioni che si intendono parte integrante della presente descrizione.

Gli scopi suddetti risulteranno maggiormente chiari dalla descrizione dettagliata di un dispositivo ed un metodo per l’ottimizzazione di trasferimento termico in uno scambiatore di calore, secondo la presente invenzione, con particolare riferimento alle Figure allegate in cui:

- la Figura 1 illustra uno schema semplificato di una caldaia a condensazione secondo l’arte nota;

- la Figura 2 mostra un esempio di dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 3 illustra un esempio di dispositivo secondo la presente invenzione applicato ad uno scambiatore di calore generico;

- la Figura 4 mostra un piano di sezione relativo alla Figura 3;

- la Figura 5 mostra in dettaglio un esempio di dispositivo secondo la presente invenzione;

- la Figura 6 illustra un ulteriore esempio di dispositivo secondo la presente invenzione.

Con riferimento alla Fig. 2, un dispositivo 1, secondo la presente invenzione, atto a cooperare con uno scambiatore di calore, comprende mezzi di trasferimento termico 3,4,5 atti a trasferire calore da fumi prodotti da una combustione ad un lato freddo di tale scambiatore di calore. Più in dettaglio, detti mezzi di trasferimento termico 3,4,5 comprendono una prima piastra 3, anche detta “header plate†e una pluralità di “heat pipe†5, anche detti condotti termici. Il dispositivo 1 comprende inoltre una piastra di supporto 4 connessa termicamente e meccanicamente alla prima piastra 3 e agli heat pipe 5.

Detti heat pipe 5 sono disposti preferibilmente equidistanti fra loro lungo il perimetro della prima piastra 3. Quest’ultima ha preferibilmente una forma circolare qualora lo scambiatore di calore avesse la base del suo lato freddo anch’essa circolare; ma può assumere anche altre forme come meglio spiegato più avanti.

Con riferimento alla Fig. 3, quale esempio di applicazione, viene illustrato il dispositivo 1 connesso termicamente ad uno scambiatore di calore 9, in particolare una serpentina 9 facente parte di una caldaia a condensazione. È bene specificare che lo scambiatore di calore 9 può essere diverso da una serpentina 9, ad esempio a piastra o a pacco alettato, ovvero può assumere diverse forme e dimensioni. Di seguito viene mostrato un esempio di applicazione con una serpentina 9.

La connessione termica con la serpentina 9 avviene tramite la piastra di supporto 4, connessa anch’essa termicamente e meccanicamente con la serpentina 9. Detta piastra di supporto 4 à ̈ in grado di garantire il sostegno del dispositivo 1 ed eventualmente dello scambiatore di calore 9. Sia il dispositivo 1 che lo scambiatore di calore 9 sono contenuti all’interno di un involucro esterno 7 che impedisce la fuoriuscita dei fumi.

Una prima freccia 11 indica la direzione di innesto del bruciatore della caldaia a condensazione. I fumi prodotti dal bruciatore si distribuiscono radialmente investendo la serpentina 9. Il lato della serpentina 9 direttamente investito da tali fumi viene denominato lato caldo, mentre il lato opposto della serpentina 9 viene denominato lato freddo.

Il dispositivo 1 à ̈ atto ad essere dislocato in prossimità del lato freddo della serpentina 9, più in dettaglio la prima piastra 3 à ̈ atta ad indirizzare i fumi verso la parte più fredda della serpentina 9 e sottrae loro calore. La prima piastra 3 risulta in connessione termica con la piastra di supporto 4 principalmente mediante gli “heat pipe†5, ma anche direttamente. A sua volta la piastra di supporto 4 à ̈ meccanicamente e termicamente connessa con la serpentina 9. Tale piastra di supporto 4 à ̈ atta a coprire una porzione di superficie della serpentina 9, più precisamente la porzione del lato freddo. Essendo connessa termicamente con gli heat pipe 5, la piastra di supporto 4 à ̈ atta ad alloggiare gli heat pipe 5 in rispettive sedi. Inoltre, la piastra di supporto 4, al fine di migliorare lo scambio termico con la serpentina 9, à ̈ realizzata in materiale metallico ad alta conduttività termica, ad esempio alluminio, acciaio o altre leghe. Anche la prima piastra 3 à ̈ realizzata in materiale metallico ad alta conduttività termica, al fine di migliorare lo scambio termico con i fumi.

Qualora la serpentina 9 presentasse una forma cilindrica, come mostrato in Fig. 3, allora anche la prima piastra 3 avrebbe una forma cilindrica, ovvero quest’ultima à ̈ coerente con la forma dello scambiatore di calore 9. Se lo scambiatore di calore 9 fosse a base rettangolare, allora la prima piastra 3 avrebbe una forma rettangolare.

La prima piastra 3 Ã ̈ atta ad alloggiare gli heat pipe 5 in rispettive sedi, ad esempio sigillate ermeticamente. In una forma di realizzazione preferita del dispositivo 1, gli heat pipe 5 sono posti preferibilmente equidistanti lungo il perimetro, oppure la circonferenza, della prima piastra 3.

Ogni heat pipe 5 à ̈ un dispositivo di scambio di calore che può trasportare grandi quantità di calore con una differenza molto piccola di temperatura fra le estremità calda e fredda dello stesso. Esso contiene una piccola quantità di fluido di lavoro quale ad esempio acqua, sue soluzioni contenenti glicole etilenico e altri; il resto dell’heat pipe 5 à ̈ riempito dal vapore del liquido, in modo che non siano presenti altri gas. L’heat pipe 5 comprende una sezione evaporatore, che corrisponde al suo lato caldo, dove il liquido interno evapora se sottoposto a calore. Il lato freddo dell’heat pipe 5 corrisponde invece ad una sezione condensatore, dove il vapore interno condensa. Il trasferimento di calore avviene quindi dalla sezione evaporatore alla sezione condensatore.

Con riferimento alla Fig. 4, viene mostrato un piano di sezione relativo alla Fig. 3. Come à ̈ facile notare, il dispositivo 1 à ̈ connesso termicamente in prossimità del lato freddo della serpentina 9 preferibilmente sia all’esterno che all’interno del cilindro formato dalla serpentina 9 stessa.

Con particolare riferimento alla Fig. 5, secondo la presente invenzione i fumi caldi indicati dalla seconda freccia 13 investono una prima sezione 3A della prima piastra 3 e la sezione evaporatore 5A degli heat pipe 5. Come à ̈ facile notare dalla Fig. 5, in una forma preferita dell’invenzione l’asse longitudinale del condotto dell’heat pipe 5 risulta sostanzialmente coerente con la direzione dei fumi rappresentata dalla seconda freccia 13.

La prima sezione 3A à ̈ disposta in modo tale da convogliare la maggior parte dei fumi caldi sostanzialmente sulla sezione evaporatore 5A degli heat pipe 5; questo permette un maggior trasferimento di calore dai fumi verso gli heat pipe 5. In particolare, la prima sezione 3A à ̈ sostanzialmente obliqua rispetto all’asse longitudinale degli heat pipe 5. Inoltre, l’inclinazione della prima sezione 3A à ̈ tale da favorire l’afflusso dei fumi caldi sulle pareti più fredde della serpentina 9 in modo da ottimizzare anche lo scambio termico diretto tra i fumi e il fluido presente nella serpentina 9.

La prima piastra 3 comprende preferibilmente anche una seconda sezione 3B sostanzialmente parallela all’asse longitudinale di tali heat pipe 5. La seconda sezione 3B collega meccanicamente e termicamente la prima sezione 3A con una prima sezione 4A della piastra di supporto 4. La prima sezione 4A à ̈ connessa meccanicamente e termicamente ad una seconda sezione 4B, oppure, in un'altra forma di realizzazione, la prima sezione 4A e la seconda sezione 4B possono essere costituite da un pezzo unico. Inoltre, à ̈ bene precisare che la prima sezione 3A e la seconda sezione 3B possono anch’esse essere costituite da un pezzo unico di materiale altamente conduttivo, ad esempio alluminio, acciaio o altre leghe.

Pertanto, il calore dei fumi raccolto dagli heat pipe 5 à ̈ restituito ad una sezione condensatore 5B, dove il fluido interno degli heat pipe 5 torna alla fase liquida e cede il calore latente di vaporizzazione alla serpentina 9. Tale trasferimento termico avviene sulla prima sezione 4A della piastra di supporto 4, quest’ultima connessa termicamente e meccanicamente sul lato freddo della serpentina 9. Più in dettaglio, la piastra di supporto 4 può essere montata sulla base del lato freddo della serpentina 9.

Il trasferimento termico appena descritto ha come conseguenza che la temperatura dei fumi si abbassa maggiormente rispetto ad uno scambiatore privo del dispositivo 1 e quindi migliora l’efficienza dello scambio termico fra fumi di combustione e il fluido della serpentina 9. Ciò si traduce in un risparmio di combustibile quando si vuole ottenere un prefissato ciclo di funzionamento della caldaia.

In altre parole, in conseguenza all’applicazione del dispositivo 1 secondo la presente invenzione su uno scambiatore di calore 9, si ottiene: un abbassamento della temperatura dei fumi in uscita; un aumento dell’efficienza complessiva della caldaia; un risparmio sulla quantità di combustibile utilizzato dal bruciatore; una traslazione dello scambio termico verso il lato freddo dello scambiatore di calore 9; si migliora l’efficienza dello scambio termico fra i fumi e il fluido freddo; si facilita il flusso di fumi caldi verso la zona di condensazione posta in corrispondenza dello scambiatore di calore 9.

Ulteriormente, il dispositivo 1 secondo la presente invenzione può essere installato facilmente su un qualsiasi scambiatore di calore 9 di una caldaia a condensazione esistente e/o di futura produzione. In quest’ultimo caso sarà possibile inoltre ridurre la superficie dello scambiatore, risparmiando materiale, tempi di lavorazione e aumentando la compattezza dell’intera caldaia, senza rinunciare ad un ottimale scambio termico tra fumi e fluido interno allo scambiatore, che si traduce in un’elevata efficienza dell’intera caldaia.

Infatti, il dispositivo 1 può essere facilmente inserito all’esterno dello scambiatore di calore 9, ad esempio una serpentina con forma cilindrica, sostanzialmente senza dover modificare alcun elemento preesistente della caldaia a condensazione. Nel caso della serpentina 9 di forma cilindrica, il lato freddo della stessa viene connesso meccanicamente e termicamente alla piastra di supporto 4, la quale à ̈ dotata di almeno un’apposita sede atta ad alloggiare un lato della serpentina 9.

Il metodo per ottimizzare il trasferimento termico di uno scambiatore di calore 9, secondo la presente invenzione, prevede quindi di applicare un dispositivo 1 allo scambiatore di calore 9, essendo tale dispositivo 1 atto a cooperare con lo scambiatore di calore 9 associato ad un bruciatore e comprendendo mezzi di trasferimento termico 3,4,5 atti a trasferire calore da fumi prodotti da una combustione generata dal bruciatore ad un lato freddo dello scambiatore di calore 9; tale applicazione à ̈ atta a conferire una connessione termica fra il dispositivo 1 e lo scambiatore di calore 9.

In particolare, la connessione termica avviene in prossimità del lato freddo dello scambiatore di calore 9. Dalla descrizione effettuata risultano pertanto chiare le caratteristiche della presente invenzione, così come chiari risultano i suoi vantaggi.

Un primo vantaggio del dispositivo e metodo secondo la presente invenzione à ̈ quello di ottenere una traslazione dello scambio termico verso il lato freddo dello scambiatore di calore.

Un secondo vantaggio del dispositivo e metodo secondo la presente invenzione à ̈ quello di migliorare l’efficienza dello scambio termico fra i fumi e il fluido freddo.

Un terzo vantaggio del dispositivo e metodo secondo la presente invenzione à ̈ quello di facilitare il flusso di fumi caldi verso la zona di condensazione posta in corrispondenza del lato freddo dello scambiatore di calore. Un ulteriore vantaggio del dispositivo e metodo secondo la presente invenzione à ̈ quello di migliorare l’intera efficienza di una caldaia a condensazione già esistente e/o di futura produzione.

Un ulteriore vantaggio del dispositivo e metodo secondo la presente invenzione à ̈ quello di abbassare la temperatura dei fumi in uscita e ridurre i consumi, diminuendo l’inquinamento atmosferico da gas di combustione.

Numerose sono le varianti possibili al dispositivo e al metodo per l’ottimizzazione di trasferimento termico in uno scambiatore di calore, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell’idea inventiva, così come à ̈ chiaro che nella sua attuazione pratica le forme dei dettagli illustrati potranno essere diverse, e gli stessi potranno essere sostituiti con degli elementi tecnicamente equivalenti.

Ad esempio, se lo scambiatore di calore 9 comprende una pluralità di serpentine, una possibile alternativa potrebbe essere quella in cui il dispositivo 1 viene posto su un collettore di ritorno del riscaldamento dove il fluido interno alle serpentine à ̈ più freddo, ovvero viene posto in prossimità del loro lato freddo. In questo caso, il dispositivo 1 assume una forma coerente con quella del collettore, ad esempio rettangolare, al quale sono connesse le serpentine, fermo restando che il dispositivo 1 permette di raccogliere maggiormente i fumi di combustione tramite la prima piastra 3 e di aumentare lo scambio termico con lo scambiatore di calore 9 tramite gli heat pipe 5 presenti sulla prima piastra 3. Tramite il dispositivo 1 secondo la presente invenzione, à ̈ inoltre possibile diminuire il numero di spire delle serpentine di una caldaia a condensazione, rendendola maggiormente compatta.

Con riferimento alla Fig. 6, in un’ulteriore forma di realizzazione del dispositivo 1 secondo la presente invenzione, la prima piastra 3 comprende solo la prima sezione 3A che à ̈ quindi connessa meccanicamente, termicamente e direttamente con la prima sezione 4A della piastra di supporto 4.

Dunque à ̈ facilmente comprensibile che la presente invenzione non à ̈ limitata ad un dispositivo e ad un metodo per l’ottimizzazione di trasferimento termico in uno scambiatore di calore, ma à ̈ passibile di varie modificazioni, perfezionamenti, sostituzioni di parti ed elementi equivalenti senza però allontanarsi dall’idea dell’invenzione, così come à ̈ precisato meglio nelle seguenti rivendicazioni.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1) atto a cooperare con uno scambiatore di calore (9) associato ad un bruciatore, detto dispositivo (1) comprendendo mezzi di trasferimento termico (3,4,5) atti a trasferire calore da fumi prodotti da una combustione generata da detto bruciatore ad un lato freddo di detto scambiatore di calore (9).
2. 2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di trasferimento termico (3,4,5) comprendono una prima piastra (3), una piastra di supporto (4) e una pluralità di heat pipe (5).
3. 3. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detta prima piastra (3) à ̈ atta ad alloggiare detta pluralità di heat pipe (5).
4. 4. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detta prima piastra (3) ha una forma coerente con quella di detto scambiatore di calore (9) tale da convogliare opportunamente detti fumi verso detto lato freddo di detto scambiatore di calore (9).
5. 5. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prima piastra (3) à ̈ realizzata in materiale metallico ad alta conduttività termica, in particolare alluminio, acciaio o altre leghe.
6. 6. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta prima piastra (3) comprende una prima sezione (3A), la quale à ̈ atta a convogliare fumi caldi sostanzialmente su una sezione evaporatore (5A) di detta pluralità di heat pipe (5).
7. 7. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 6, in cui detta prima sezione (3A) à ̈ sostanzialmente obliqua rispetto ad un asse longitudinale di uno di detta pluralità di heat pipe (5).
8. 8. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta piastra di supporto (4) à ̈ connessa termicamente a detta prima piastra (3) sia direttamente che attraverso gli heat pipe (5), ed atta a trasferire calore verso detto scambiatore di calore (9).
9. 9. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 8, in cui detta piastra di supporto (4) à ̈ atta ad alloggiare detta pluralità di heat pipe (5).
10. 10. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detta piastra di supporto (4) à ̈ realizzata in materiale metallico ad alta conduttività termica, in particolare alluminio, acciaio o altre leghe.
11. 11. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detti heat pipe (5) di detta pluralità di heat pipe (5) sono posti equidistanti lungo un perimetro, o circonferenza, di detta prima piastra (3).
12. 12. Dispositivo (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui un asse longitudinale di ognuno dei condotti di detta pluralità di heat pipe (5) risulta sostanzialmente coerente con la direzione dei fumi.
13. 13. Metodo per ottimizzare il trasferimento termico di uno scambiatore di calore (9), detto metodo comprendendo il passo di applicare un dispositivo (1) a detto scambiatore di calore (9), detto dispositivo (1) essendo atto a cooperare con detto scambiatore di calore (9) associato ad un bruciatore e comprendendo mezzi di trasferimento termico (3,4,5) atti a trasferire calore da fumi prodotti da una combustione generata da detto bruciatore ad un lato freddo di detto scambiatore di calore (9), detto passo di applicare essendo atto a conferire una connessione termica fra detto dispositivo (1) e detto scambiatore di calore (9).
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 13, in cui detta connessione termica avviene in prossimità di detto lato freddo di detto scambiatore di calore (9).