ITTO20130927A1 - Scambiatore di calore, in particolare per una caldaia a condensazione - Google Patents
Scambiatore di calore, in particolare per una caldaia a condensazioneInfo
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Description
"Scambiatore di calore, in particolare per una caldaia a condensazione"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda uno scambiatore di calore, in particolare per una caldaia a condensazione.
Più specificamente, l'invenzione ha per oggetto uno scambiatore di calore del tipo comprendente un condotto elicoidale di flusso per un liquido, realizzato con un tubo di materiale termoconduttivo estruso, in particolare alluminio o una sua lega, provvisto di una coppia di alette affacciate ed essenzialmente parallele fra loro, che si estendono longitudinalmente da una porzione della sua superficie esterna, detto tubo essendo avvolto ad elica intorno ad un asse longitudinale in modo tale da formare una successione di spire adiacenti, separate da interspazi destinati ad essere attraversati nell'uso da flussi di gas caldi, in particolare fumi di combustione; dette alette estendendosi elicoidalmente, verso l'esterno relativamente all'asse di detto condotto elicoidale.
Uno scambiatore di tale tipo è descritto ad esempio nel brevetto europeo EP 1 750 070 B1.
Tali scambiatori di calore vengono tipicamente utilizzati nelle caldaie, in particolare del tipo murale, in combinazione con un bruciatore interno che brucia una miscela di aria e gas combustibile. I gas caldi (fumi) generati dalla combustione lambiscono il condotto elicoidale dello scambiatore di calore, e attraversano gli interspazi fra le sue spire, cedendo calore al liquido (tipicamente acqua) che circola al suo interno.
Per poter assicurare un elevato rendimento energetico operativo, le spire del condotto elicoidale dello scambiatore debbono essere piuttosto ravvicinate.
Nelle caldaie del tipo a condensazione, una prima porzione di uno scambiatore del tipo suddetto, che si estende intorno al bruciatore, realizza lo scambio termico fra i gas caldi sviluppati dalla combustione ed il liquido fluente nello scambiatore, mentre una seconda porzione realizza un ulteriore recupero di calore dai suddetti gas combusti e inoltre permette il recupero del calore latente di condensazione del vapor d'acqua generato nella combustione.
Un problema che affligge gli scambiatori di calore del tipo sopra definito, in particolare nelle caldaie del tipo a condensazione, è rappresentato dai fenomeni di corrosione.
La presenza, nei fumi, di vapore acqueo, zolfo ed NOxcomporta la formazione di acido solforico e di acido nitrico, che sono molto corrosivi e determinano la formazione di ossidi sulle superfici dello scambiatore.
Tale problema è particolarmente importante nel caso degli scambiatori il cui condotto elicoidale è realizzato con alluminio o sue leghe, in quanto gli ossidi di alluminio sono piuttosto "voluminosi" e la loro formazione può portare rapidamente all'intasamento degli interstizi fra le spire dei suddetti scambiatori.
Uno scopo della presente invenzione è di realizzare uno scambiatore di calore migliorato, che permetta di contrastare gli effetti della corrosione, grazie a una struttura migliorata, in particolare del suo condotto elicoidale, in modo da assicurare condizioni di flusso dei fumi di combustione atte in particolare a ridurre la formazione di ossidi da corrosione negli interspazi ristretti definiti fra le spire del tubo metallico che forma detto condotto elicoidale.
Questo ed altri scopi vengono realizzati secondo l'invenzione con uno scambiatore di calore del tipo inizialmente definito, caratterizzato dal fatto che le suddette alette affacciate presentano rispettive pluralità di aperture passanti che in ogni spira del condotto elicoidale pongono in comunicazione la regione fra loro compresa con gli interspazi definiti rispetto alle spire adiacenti, definendo percorsi di flusso attraverso dette alette, all'esterno di detto condotto elicoidale, per i gas caldi che attraversano nell'uso detti interspazi.
In un modo di realizzazione attualmente preferito in ciascuna di almeno alcune spire consecutive del condotto elicoidale le suddette alette presentano in sezione trasversale una porzione prossimale che si estende dal tubo in allontanamento dall'asse longitudinale del condotto elicoidale, ed una porzione distale che si estende longitudinalmente, da parte opposta rispetto alla aletta affaccia della medesima spira, detta porzione distale essendo sostanzialmente a contatto con la corrispondente porzione distale dell'aletta affacciata della spira adiacente.
Dette alette possono presentare ad esempio una sezione trasversale essenzialmente a guisa di una L.
Le aperture passanti delle suddette alette possono essere fori realizzati attraverso il loro spessore di parete, preferibilmente allineati fra loro parallelamente all'asse del condotto elicoidale.
In alternativa, dette aperture passanti possono essere intagli che si estendono dai bordi distali di dette alette verso l'asse del condotto elicoidale.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
la figura 1 è una rappresentazione schematica e parziale, in sezione assiale, di uno scambiatore di calore secondo la tecnica anteriore per una caldaia a gas;
la figura 2 è una vista parziale, in sezione assiale, di uno scambiatore di calore secondo la presente invenzione;
la figura 3 è una vista prospettica parziale sezionata dello scambiatore della caldaia secondo la figura 2;
la figura 4 è una vista parziale in sezione assiale di un altro scambiatore di calore secondo la presente invenzione;
la figura 5 è una vista prospettica parziale sezionata dello scambiatore di calore secondo la figura 4;
le figure da 6 a 8 sono viste prospettiche parziali sezionate di altri modi di realizzazione di scambiatori di calore secondo la presente invenzione; e
la figura 9 una vista sezionata che mostra la sezione trasversale di due spire consecutive del tubo formante il condotto elicoidale di uno scambiatore di calore secondo l'invenzione.
Con 1 nella figura 1 è complessivamente indicato uno scambiatore di calore secondo la tecnica anteriore per una caldaia a gas, in particolare una caldaia a condensazione, di tipo murale, nella quale il vapore contenuto nei fumi di combustione viene condensato.
Tale scambiatore di calore 1 comprende un involucro esterno 2, all'interno del quale sono alloggiati un bruciatore 3 e, intorno a questo, un gruppo di scambio termico complessivamente indicato con 4.
Il bruciatore 3 riceve una miscela aria-gas attraverso un condotto di alimentazione 5.
Lo scambiatore di calore 1 presenta inoltre un passaggio 6 di evacuazione dei gas esausti di combustione, e raccordi di ingresso ed uscita 7 per il flusso d'acqua che operativamente attraversa il gruppo di scambio termico 4.
Il gruppo di scambio termico 4 presenta una conformazione generale sostanzialmente cilindrica, e si estende lungo un asse longitudinale A-A sostanzialmente orizzontale.
Tale gruppo 4 comprende un condotto elicoidale 8 di flusso per un liquido (acqua), realizzato con un tubo di materiale termoconduttivo, in particolare alluminio od una sua lega.
Il tubo 9 è avvolto ad elica intorno all'asse A-A in modo tale da formare una pluralità di spire adiacenti successive 10, separate da interspazi o interstizi 11 destinati ad essere attraversati nell'uso dai gas caldi o fumi di combustione svi luppati tramite il bruciatore 3.
Il tubo 9 è provvisto di alette interne 12 e di alette esterne 13.
Le alette interne 12 nella realizzazione illustrata sono tre, e sono essenzialmente parallele ed affacciate fra loro.
Le alette esterne 13 sono invece due e sono anch'esse essenzialmente parallele ed affacciate fra loro.
Le alette 12 e 13 sono realizzate integralmente con il tubo 9, nel processo di estrusione di quest'ultimo.
Il tubo 9, estruso come tubo lineare, viene quindi avvolto in modo tale da formare un'elica cilindrica, con le alette 12 rivolte verso l'interno e le alette 13 rivolte verso l'esterno.
Convenientemente, la sezione trasversale del tubo 9 ha una forma allungata, almeno approssimativamente ovale od ellittica, e le alette 12 e 13 si estendono dalle opposte estremità della sezione del tubo, e sono essenzialmente parallele o presentano un modesto angolo di inclinazione relativamente all'asse maggiore di tale sezione.
L'avvolgimento del tubo 9 per formare il condotto elicoidale 8 è preferibilmente realizzato in modo tale per cui, come si vede nella figura 1, i lati maggiori delle sezioni trasversali del tubo 9 sono sostanzialmente perpendicolari all'asse A-A, oppure formano un angolo acuto relativamente piccolo rispetto ad un piano ortogonale all'asse A-A.
Nell'esempio di realizzazione illustrato, le pareti laterali maggiori della sezione del tubo "spanciano" e sporgono trasversalmente verso l'esterno, rispetto alle alette esterne 13 ed alle alette di estremità interne 12. Di conseguenza, fra due spire contigue 10 del condotto elicoidale 8 risulta definito un interstizio o interspazio 11 che presenta una porzione intermedia di larghezza ridotta (la larghezza essendo intesa parallelamente all'asse A-A) e due porzioni di estremità di larghezza relativamente più grande.
In particolare, fra le alette esterne 13 affacciate di due spire 10 contigue risulta definito un vano 14, che comunica con la regione anulare 15 compresa fra il condotto elicoidale 8 e l'involucro esterno 2a.
Fra le alette esterne 13 di ogni spira risulta definito un ulteriore vano 16, parimenti comunicante con la regione 15.
Con 17 è complessivamente indicato un elemento di separazione "avvitato" nel condotto elicoidale 8. Tale elemento di separazione 17 ripartisce la regione interna al condotto elicoidale 8 in una prima porzione 18, nella quale si estende il bruciatore 3, ed una seconda porzione 19.
L'elemento di separazione 17 impedisce che nel funzionamento i gas caldi di combustione prodotti mediante il bruciatore 3 possano passare direttamente dalla regione 18 alla regione 19.
In effetti, i gas caldi di combustione sviluppati nella regione 18 all'interno del condotto elicoidale 8 si propagano attraverso gli interstizi delle spire 10 di tale condotto che si affacciano su detta regione 18, e pervengono, attraverso gli interstizi 11 definiti fra dette spire, alla regione anulare esterna 15. I fumi si propagano quindi nella regione 15, in direzione longitudinale, verso le spire 10 del condotto 8 che si affacciano sulla regione 19. Tali fumi attraversano quindi, dall'esterno verso l'interno, gli interspazi 11 definiti fra le spire 10 che si affacciano sulla regione 19 e pervengono in quest'ultima.
Nei due passaggi dei gas caldi di combustione attraverso gli interspazi definiti fra le spire del condotto elicoidale 8, prima dall'interno verso l'esterno (dalla regione 18 alla regione 15) e poi dall'esterno verso l'interno (dalla regione 15 alla regione 19) si realizza un trasferimento di calore da tali gas al liquido (acqua) che fluisce nel condotto elicoidale 8.
Nel passaggio dalla regione esterna 15 alla regione interna 19 si realizza inoltre un sostanziale recupero anche del calore latente di condensazione del vapor d'acqua contenuto in tali fumi, e ciò contribuisce a migliorare in misura sostanziale il rendimento energetico operativo della caldaia.
Nello scambiatore di calore secondo la tecnica anteriore sopra descritto con riferimento alla figura 1 la formazione di ossidi, in particolare di alluminio, sulle superfici esterne delle pareti laterali maggiori del tubo 9, in corrispondenza delle porzioni centrali più ristrette degli interspazi 11, può portare in tempi relativamente brevi all'intasamento di tali interspazi, con una sostanziale compromissione del funzionamento della caldaia 1 o quantomeno un'apprezzabile degrado del suo rendimento.
Tali inconvenienti possono essere eliminati, o quantomeno drasticamente limitati, con le soluzioni secondo la presente invenzione che si andranno ora a descrivere con riferimento alle figure da 2 a 8. In tali figure, a parti ed elementi sostanzialmente uguali o corrispondenti a parti ed elementi già descritti sono stati attribuiti nuovamente gli stessi numeri di riferimento utilizzati in precedenza.
Come apparirà più chiaramente dal seguito, le diverse soluzioni secondo la presente invenzione prevedono che le alette esterne affacciate 13 del tubo 9 che forma il condotto elicoidale 8 presentino rispettive pluralità di aperture passanti che, in almeno alcune spire 10 consecutive, pongono in comunicazione fra loro la regione 16 fra essa compresa e gli interspazi 14 definiti rispetto alle alette esterne 13 delle spire adiacenti, definendo percorsi di flusso almeno approssimativamente longitudinali attraverso tali alette esterne 13, all'esterno del condotto elicoidale 8, per i gas caldi che attraversano nell'uso tali interspazi.
Nel modo di realizzazione illustrato nelle figure 2 e 3 le alette esterne 13 del tubo 9 presentano, in una sezione trasversale all'asse di tale tubo 9, una forma essenzialmente a guisa di una L, con una porzione prossimale 13a che si estende dal tubo in allontanamento dall'asse A-A, e una porzione distale 13b che si estende sostanzialmente in senso longitudinale, da parte opposta rispetto alla porzione distale 13b dell'aletta 13 affacciata della medesima spira 10.
Le porzioni distali 13b affacciate di due spire 10 contigue sono sostanzialmente a contatto fra loro, e fungono pertanto da elementi di distanziamento, ovvero posizionamento relativo, delle spire 10 del tubo 9.
Nel modo di realizzazione illustrato nelle figure 2 e 3 attraverso lo spessore di parete delle porzioni prossimali 13a delle alette esterna 13 sono realizzati fori passanti 20, preferibilmente allineati fra loro parallelamente all'asse A-A del condotto elicoidale 8.
Tali fori passanti 20 possono essere realizzati prima o dopo l'avvolgimento del tubo 9 per formare il condotto elicoidale 8.
La presenza dei fori passanti 20 consente di evitare per un verso che i fumi che attraversano il condotto elicoidale 8 dalla regione interna 18 alla regione esterna 15 vengano, in corrispondenza dei vani 14, incanalati direttamente verso la regione esterna 15.
Convenientemente, la parete esterna 2a che circonda il condotto elicoidale 8 si estende nell'immediata prossimità (ad esempio circa 1 mm) delle porzioni distali 13b delle alette esterne 13.
Grazie a tali caratteristiche, i fumi che transitano dalla regione interna 18 alla regione esterna 15 "indugiano" e creano un flusso turbolento nei vani o camere 14 e 16 definiti fra le alette esterne 13, e si propagano (da destra verso sinistra, per chi osservi ad esempio la figura 2) attraverso le aperture 20, in direzione delle spire 10 del tubo 9 circostanti alla regione interna 19.
Con ciò si realizza nel complesso un più intenso scambio termico fra i gas di combustione e il condotto elicoidale 8 che consente di incrementare, rispetto alle soluzioni secondo la tecnica anteriore, la spaziatura fra le spire 10 del condotto elicoidale 8, il che permette a sua volta di ridurre la probabilità e l'entità della formazione di ossidi sulle superfici esterne più ravvicinate delle spire di tale condotto.
Nel modo di realizzazione illustrato nelle figure 4 e 5 le alette esterne 13 del tubo 9 presentano una conformazione analoga a quella delle corrispondenti alette sopra descritte con riferimento alle figure 2 e 3, ma presentano rispettivi intagli 21, che si estendono attraverso le loro porzioni distali 13b e, preferibilmente, in parte anche attraverso le loro porzioni prossimali 13a.
Gli intagli 21 delle alette esterne 13 sono convenientemente allineati, almeno approssimativamente, fra loro, parallelamente all'asse A-A del condotto elicoidale 8.
La funzione degli intagli 21 è analoga a quella descritta in precedenza in relazione ai fori passanti 20 del modo di realizzazione secondo le figure 2 e 3.
Convenientemente, anche nel modo di realizzazione secondo le figure 4 e 5 la parete 2a che circonda lo scambiatore di calore 4 si estende a distanza ravvicinata dalle porzioni distali 13b delle alette esterne 13 del condotto elicoidale 8.
Vantaggiosamente, sulle porzioni distali 13b delle alette 13 può essere calzata una guaina tubolare 30 (figura 4) di un materiale termoresistente (ad esempio un materiale elastomero). Tale guaina 30 si estende quantomeno intorno alle spire 10 del condotto 8 circostanti alla regione interna 18.
La presenza della guaina 30 costringe i gas caldi che fluiscono attraverso il condotto elicoidale 8 dall'interno verso l'esterno a proseguire il loro cammino attraversando i vani o camere 14 e 16, definiti fra le alette esterne 13, in direzione delle spire del tubo 9 circostanti alla regione 19.
Una tale guaina può essere adottata anche nel modo di realizzazione illustrato nelle figure 2 e 3.
Nella figura 6 è illustrato un modo di realizzazione alternativo in cui le alette esterne 13 del tubo 9 si estendono in direzione approssimativamente trasversale rispetto all'asse A-A, e sono prive delle porzioni distali 13b descritte in precedenza. In almeno alcune spire consecutive 10 del condotto elicoidale 8 sono realizzati fori passanti 20, analoghi a quelli delle alette del modo di realizzazione secondo le figure 2 e 3.
Anche nella soluzione secondo la figura 6 una guaina può essere disposta strettamente intorno alle estremità distali delle alette esterne 13 del tubo 9, almeno in corrispondenza della regione interna 18.
Nel modo di realizzazione illustrato nella figura 7 le alette esterne 13 del tubo 9 sono essenzialmente diritte e si estendono anch'esse in modo approssimativamente trasversale all'asse A-A del condotto elicoidale 8. In almeno alcune spire consecutive 10 di tale condotto le alette 13 presentano rispettivi intagli 21, analoghi agli intagli 21 della realizzazione secondo le figure 4 e 5.
Nei modi di realizzazione illustrati nelle figure 4, 5 e 7 gli intagli 21 presentano un'identica conformazione.
Convenientemente, come illustrato nella figura 8, in alternativa tali intagli 21 possono presentare dimensioni di passaggio crescenti nella direzione di flusso seguita dai gas caldi all'esterno del condotto elicoidale 8, dunque crescenti da destra verso sinistra per chi osservi la figura 8.
Analogamente, sebbene non illustrato nei disegni, anche i fori passanti 20 dei modi di realizzazione secondo le figure 2, 3 e 6 possono presentare diametri crescenti secondo la direzione di flusso dei gas caldi all'esterno del condotto elicoidale 8.
Gli intagli 21 dei modi di realizzazione secondo le figure 4, 5 e 6 possono essere realizzati prima che il tubo 9 venga avvolto ad elica, ma più convenientemente essi vengono realizzati dopo tale operazione.
Nella figura 9 è mostrata una variante di realizzazione in cui gli interspazi 11 fra le spire 10 del condotto elicoidale 8 presentano, in un piano passante per l'asse longitudinale A-A, una sezione trasversale rastremata in allontanamento da detto asse. Tale rastremazione è realizzata grazie alla conformazione della sezione trasversale del tubo 8, la quale presenta due pareti maggiori 9a e 9b sostanzialmente piane, delle quali una è inclinata di un angolo α, pari ad esempio a circa 1,5°-4° e preferibilmente pari a 2°, rispetto all'altra. Di conseguenza, fra la parete 9a di una spira e l'adiacente parete 9b della spira immediatamente consecutiva risulta definito un interspazio 11 che converge verso la regione 15 situata all'esterno del condotto elicoidale 8. Tali interspazi 11 presentano, lungo l'asse A-A dello scambiatore una larghezza minima dmpari ad esempio a circa 1,50 mm e una larghezza massima dMpari ad esempio a circa 2,70 mm.
La suddetta rastremazione degli interspazi 11 consente di ottimizzare lo scambio termico, e consente di mantenere le spire 10 più distanziate che negli scambiatori di calore secondo la tecnica anteriore, limitando il rischio di intasamento di detti interspazi per effetto degli ossidi formati per effetto della corrosione superficiale del tubo 9.
La rastremazione degli interspazi 11 sopra descritta può essere convenientemente attuata in tutte le varianti di realizzazione descritte in precedenza.
Nella realizzazione secondo le figure 9 le alette interne 13 del tubo 9 presentano un'estensione (sporgenza) ridotta: ciò consente un raffreddamento maggiore dei fumi, e di conseguenza una loro precoce condensazione al di fuori degli interspazi 11 che sono critici per il rischio di intasamento.
Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore (1), in particolare per una caldaia a condensazione (1), comprendente un condotto elicoidale di flusso (8) per un liquido, realizzato con un tubo (9) di materiale termoconduttivo estruso, in particolare alluminio od una sua lega, provvisto di una coppia di alette (13) affacciate ed essenzialmente parallele fra loro, che si estendono da una porzione della sua superficie esterna, detto tubo (9) essendo avvolto ad elica attorno ad un asse longitudinale (A-A) in modo tale da formare una successione di spire adiacenti (10) separate da interspazi (11) destinati ad essere attraversati nell'uso da flussi di gas caldi, in particolare fumi di combustione; dette alette (13) estendendosi elicoidalmente, verso l'esterno relativamente all'asse (A-A) di detto condotto elicoidale (8); lo scambiatore di calore (1) essendo caratterizzato dal fatto che dette alette affacciate (13) presentano rispettive pluralità di aperture passanti (20, 21) che in almeno alcune spire consecutive (10) del condotto elicoidale (8) pongono in comunicazione la regione (16) fra esse compresa con gli interspazi (11, 14) definiti rispetto alle spire (10) adiacenti, definendo percorsi di flusso attraverso dette alette (13) all'esterno di detto condotto elicoidale (9) per i gas caldi che attraversano nell'uso detti interspazi (11, 14).
- 2. Scambiatore di valore secondo la rivendicazione 1, in cui in ciascuna di almeno alcune spire (10) consecutive del condotto elicoidale (8) dette alette (13) presentano, in sezione trasversale all'asse del tubo (9) una porzione prossimale (13a) che si estende dal tubo (9) in allontanamento dall'asse longitudinale (A-A) di detto condotto elicoidale (8), e una porzione distale che si estende longitudinalmente da parte opposta rispetto all'aletta (13) affacciata della medesima spira (10), detta porzione distale (13b) essendo sostanzialmente a contatto con la corrispondente porzione distale (13b) dell'aletta (13) affacciata della spira (10) adiacente.
- 3. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 2, in cui dette alette (13) presentano, in almeno alcune spire (10) consecutive, una sezione trasversale essenzialmente a guisa di una L.
- 4. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette aperture passanti sono fori (20) realizzati attraverso lo spessore di parete di dette alette (13), preferibilmente allineati fra loro parallelamente all'asse (A-A) del condotto elicoidale (8).
- 5. Scambiatore di calore secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui dette aperture passanti sono intagli (21) che si estendono dai bordi distali di dette alette (13) verso l'asse (A-A) del condotto elicoidale (8).
- 6. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette aperture passanti (20, 21) presentano sezioni di passaggio crescenti lungo i suddetti percorsi di flusso per i gas caldi definiti all'esterno di detto condotto elicoidale (8).
- 7. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui intorno alle alette di almeno alcune spire (10) consecutive del condotto elicoidale (8) è calzata una guaina (30) di materiale termoresistente.
- 8. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto tubo (9) presenta in sezione trasversale due pareti maggiori (9a, 9b) sostanzialmente piane affacciate fra loro, delle quali una (9a) è inclinata di un angolo prestabilito (α) rispetto all'altra, in modo tale per cui fra spire (10) adiacenti del condotto elicoidale (8) risultano definiti interspazi (11) la cui larghezza, in senso parallelo a detto asse (A-A), si rastrema in allontanamento da detto asse (A-A).
- 9. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 8, in cui detto angolo (α) è pari a circa 1,5°-4°, e preferibilmente è di circa 2°.
- 10. Caldaia, in particolare del tipo a condensazione, comprendente uno scambiatore di calore (4), secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
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