ITVI20090158A1 - Scambiatore di calore particolarmente adatto per caldaie a condensazione - Google Patents

Description

SCAMBIATORE DI CALORE PARTICOLARMENTE ADATTO PER CALDAIE A CONDENSAZIONE.

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne uno scambiatore di calore particolarmente adatto a venire impiegato in caldaie a condensazione. Com'Ã ̈ noto, gli scambiatori di calore per caldaie a condensazione presentano requisiti di compattezza e di efficienza particolarmente stringenti.

Per raggiungere tali requisiti, uno scambiatore di calore di tipo noto comprende generalmente una camicia tubolare che delimita internamente un primo condotto per il deflusso dei gas caldi prodotti da un bruciatore.

Lo scambiatore comprende altresì un secondo condotto per il passaggio di acqua, generalmente ricavato nello spessore della camicia tubolare e provvisto di uno sviluppo elicoidale.

È inoltre presente una pluralità di pioli, generalmente a sezione circolare, aggettanti dalla superficie interna della camicia tubolare verso l'interno del primo condotto.

In particolare, i pioli sono organizzati secondo file sfalsate tra loro che si protendono da due facce opposte della camicia tubolare verso l'interno del primo condotto.

A ciascun piolo che si sviluppa da una faccia della camicia tubolare corrisponde un piolo sull’altra faccia, i due pioli presentando le rispettive estremità affacciate in corrispondenza della zona centrale del primo condotto.

I suddetti pioli impongono al gas caldo un percorso tortuoso e catturano il calore del gas caldo per trasferirlo, per conduzione, alle pareti del condotto e, quindi, all'acqua che fluisce attorno al condotto stesso.

Gli scambiatori del tipo suddetto sono generalmente ottenuti per fusione in sabbia di un metallo, preferibilmente alluminio o altro metallo con una conducibilità e/o un peso analoghi.

Per motivi tecnologici legati a tale processo di fusione in sabbia, i pioli devono avere una sezione progressivamente decrescente dalla periferia verso il centro del condotto e, inoltre, le estremità reciprocamente affacciate dei pioli devono essere leggermente distanziate tra loro, definendo uno spazio intermedio,

La suddetta configurazione presenta l’inconveniente che i suddetti spazi intermedi individuano un percorso preferenziale attraverso il quale una parte del gas tende a defluire scambiando una ridotta quantità di calore con i pioli stessi.

Nel tentativo di limitare questo inconveniente, senza tuttavia riuscire ad eliminarlo completamente, i pioli vengono realizzati con lunghezze tra loro diverse, in modo da disallineare gli spazi tra le rispettive estremità così da rendere tortuoso il suddetto percorso.

L’inconveniente sopra descritto à ̈ aggravato dall’andamento decrescente della sezione dei pioli verso il centro del condotto, che determina una distanza laterale tra i pioli e, quindi, una sezione di passaggio per il gas, maggiore al centro del condotto rispetto ai lati dello stesso.

Evidentemente, poiché la zona centrale del primo condotto à ̈ quella più lontana dal secondo condotto, nel quale fluisce l'acqua, il fatto che il gas defluisca maggiormente nella suddetta zona centrale limita l'efficienza di scambio termico dello scambiatore.

La presente invenzione si prefigge di realizzare uno scambiatore di calore che presenti efficienza superiore rispetto a quella degli scambiatori di tipo noto sopra descritti.

Questo scopo viene raggiunto da uno scambiatore di calore secondo la rivendicazione principale.

Altre caratteristiche di dettaglio dello scambiatore dell'invenzione vengono date nelle relative rivendicazioni dipendenti.

In particolare, l'invenzione prevede che una parte del secondo condotto sia definita da un corpo tubolare disposto all'interno del primo condotto, in prossimità della sezione di uscita.

Il suddetto corpo tubolare, che viene lambito esternamente dal gas caldo in prossimità della sezione di uscita della camicia tubolare, consente di recuperare il calore residuo del gas, con il vantaggio di aumentare l'efficienza complessiva dello scambiatore.

Il suddetto scopo ed i vantaggi che saranno specificati in seguito verranno compresi durante la descrizione di una preferita forma esecutiva dell'invenzione, data a titolo indicativo ma non limitativo con riferimento alle seguenti tavole di disegno allegate, dove:

- la fig. 1 rappresenta lo scambiatore di calore dell'invenzione, in vista assonometrica;

la fig. 2 rappresenta lo scambiatore di fig. 1 , parzialmente sezionato per consentirne la visione della parte interna;

la fig. 3 rappresenta lo scambiatore di fig. 1 , visto in sezione secondo il piano di traccia lll-lll;

la fig. 4 rappresenta una variante esecutiva dello scambiatore dell'invenzione.

Lo scambiatore di calore dell'invenzione viene rappresentato in fig. 1 , dove viene indicato complessivamente con il riferimento 1.

Lo scambiatore 1 comprende una camicia tubolare 2 che delimita internamente un primo condotto 3, sviluppato tra una sezione di ingresso 3a ed una sezione di uscita 3b che definiscono una direzione di deflusso F di un primo fluido lungo il primo condotto 3. Preferibilmente ma non necessariamente, il primo fluido à ̈ un gas caldo prodotto da un bruciatore disposto in corrispondenza della sezione di ingresso 3a del primo condotto 3, non rappresentato ma di per sé noto.

La sezione del primo condotto 3 presenta preferibilmente un’area decrescente dalla sezione d’ingresso 3a verso quella di uscita 3b, così che il gas defluisca lungo il primo condotto 3 con velocità pressoché costante, nonostante il suo aumento di densità causato dal progressivo raffreddamento lungo il tragitto.

Lo scambiatore 1 comprende altresì un secondo condotto 4, riportato in tratteggio in fig. 1 , per il passaggio di un secondo fluido che, preferibilmente, à ̈ acqua.

Preferibilmente ma non necessariamente, il secondo condotto 4 à ̈ ricavato nello spessore della camicia tubolare 2, a vantaggio della semplicità costruttiva e della compattezza dello scambiatore di calore 1.

II secondo condotto 4, che si sviluppa tra una bocca di ingresso 4a ed una bocca di uscita 4b, Ã ̈ disposto in contatto termico con la camicia tubolare 2.

La sezione del secondo condotto 4 può essere costante oppure variabile, in modo da ottenere un prefissato andamento della velocità del fluido lungo il secondo condotto 4 in relazione all’efficacia dello scambio termico che si vuole ottenere in ciascuna zona del secondo condotto 4.

Come si osserva più in dettaglio nel parziale spaccato di fig. 2, lo scambiatore di calore 1 comprende una pluralità di elementi di scambio termico 5 e 5’ aggettanti dalla camicia tubolare 2 verso l'interno del primo condotto 3.

Secondo l'invenzione, il secondo condotto 4 comprende un corpo tubolare 6 disposto all'interno del primo condotto 3 ed in prossimità della sua sezione di uscita 3b.

II corpo tubolare 6 consente di recuperare il calore residuo contenuto nel gas caldo, nel punto in cui questo presenta la temperatura più bassa, prima che il gas abbandoni lo scambiatore di calore 1.

E’ quindi possibile prelevare una maggior quantità di calore dal gas caldo rispetto a quanto permesso dagli scambiatori di tipo noto, raggiungendo pertanto lo scopo di aumentare l'efficienza complessiva di scambio termico.

Preferibilmente, il corpo tubolare 6 costituisce il tratto di estremità del secondo condotto 4 in corrispondenza della bocca di ingresso 4a. Nel suddetto tratto del secondo condotto 4, il secondo fluido presenta la condizione di minima temperatura consentendo, vantaggiosamente, di ottimizzare lo scambio termico con il primo fluido.

In altre parole, viene realizzato tra i due fluidi uno scambio termico in controcorrente che, com’à ̈ noto, a parità di altre condizioni presenta la massima efficienza.

Preferibilmente, il corpo tubolare 6 Ã ̈ disposto con l'asse longitudinale X ortogonale rispetto alla direzione di deflusso F del primo fluido.

Vantaggiosamente, con il suddetto orientamento, il corpo tubolare 6 può venire disposto nel punto più vicino alla sezione di uscita 3b per l’intero suo sviluppo, massimizzando la suddetta configurazione in controcorrente.

Inoltre, preferibilmente e come si osserva in fig. 3, l'asse longitudinale X del corpo tubolare 6 à ̈ disposto su un piano di simmetria longitudinale Y del primo condotto 3, dove il primo fluido à ̈ più caldo. Pertanto, vantaggiosamente, si determina una maggior differenza di temperatura tra i due fluidi che favorisce ulteriormente lo scambio termico.

Inoltre, vantaggiosamente, la suddetta disposizione impone al primo fluido di lambire in modo uniforme l’intera superficie del corpo tubolare 6, a vantaggio dell’efficienza di scambio termico.

Preferibilmente ma non necessariamente, il corpo tubolare 6 à ̈ provvisto di una superficie alettata esterna, non rappresentata nelle figure ma di per sé nota.

Vantaggiosamente, la suddetta superficie alettata accresce la superficie di scambio termico tra il corpo tubolare 6 ed il primo fluido e, quindi, aumenta l'efficienza complessiva dello scambiatore 1.

Evidentemente, il corpo tubolare 6 può venire provvisto anche di una superficie alettata interna, per aumentare l'efficienza di scambio con il secondo fluido.

Preferibilmente e come si osserva nelle figg. 2 e 3, il corpo tubolare 6 comprende anche un'appendice laminare 7 che si protende verso la sezione di ingresso 3a del primo condotto 3, fino a congiungersi con uno o più elementi di scambio termico 5.

La suddetta appendice laminare 7 funge da ulteriore elemento di scambio termico con il fluido disposto nella zona centrale del primo condotto 3, trasferendo il calore del primo fluido per conduzione al corpo tubolare 6.

Pertanto, l’appendice laminare 7 consente vantaggiosamente di aumentare la quantità di calore scambiata tra i due fluidi.

Preferibilmente, l'appendice laminare 7 à ̈ disposta parallelamente alla direzione di deflusso F del primo fluido, così da non creare perturbazioni nel suo moto.

Inoltre, l'appendice laminare 7 Ã ̈ disposta preferibilmente in corrispondenza del suddetto piano di simmetria longitudinale Y del primo condotto 3.

In questo modo, vantaggiosamente, l'appendice laminare 7 impone al fluido di fluire più vicino alle pareti laterali del primo condotto 3, evitando la tendenza del primo fluido a raccogliersi nella zona centrale.

Il suddetto vantaggio à ̈ particolarmente importante quando l’appendice laminare 7 venga interposta nello spazio che, negli scambiatori di tipo noto, à ̈ normalmente compreso tra le reciprocamente affacciate degli elementi di scambio termico 5.

Infatti, in questo caso, si evita che una parte del primo fluido defluisca attraverso i suddetti spazi verso la sezione di uscita 3b, senza cedere calore agli elementi di scambio termico 5.

Allo stesso tempo, vantaggiosamente, l'appendice laminare 7 consente di catturare il calore del primo fluido presente nella zona centrale del primo condotto 3 la quale, essendo la più lontana dalle pareti laterali a contatto con il secondo fluido, à ̈ quella normalmente meno sfruttata ai fini dello scambio termico.

Pertanto si comprende che la suddetta appendice laminare 7 consente, vantaggiosamente, di aumentare ulteriormente l'efficienza dello scambiatore 1.

Per quanto concerne gli elementi di scambio termico 5, 5’, essi presentano preferibilmente una forma allungata, sviluppandosi secondo rispettivi assi di sviluppo longitudinale preferibilmente con una sezione a profilo circolare.

Evidentemente, in varianti esecutive dell’invenzione non rappresentate, la sezione degli elementi di scambio termico 5, 5’ può essere diversa da quella circolare, ad esempio può essere semicircolare, ovale o a goccia.

In ogni caso, preferibilmente ma non necessariamente, gli elementi di scambio termico 5, 5’ presentano una sezione maggiore nelle zone del primo condotto 3 a temperatura più elevata, per consentire uno smaltimento più efficace del calore ed evitando così di surriscaldarsi. Preferibilmente, i suddetti elementi di scambio termico 5, 5’ vengono disposti ortogonalmente alla direzione di deflusso F del primo fluido, per limitarne la lunghezza a vantaggio dell’efficienza di trasmissione di calore, oltre che per semplificare la costruzione dello scambiatore

1 .

Per motivi analoghi, gli elementi di scambio termico 5, 5’ sono preferibilmente paralleli tra loro ed ortogonali all'appendice laminare 7 del corpo tubolare 6.

Preferibilmente e come si osserva in particolare in fig. 3, nella porzione di ingresso 3’ del primo condotto 3 compresa tra la sezione di ingresso 3a e l'estremità dell'appendice laminare 7 sono presenti elementi di scambio termico accorciati 5’.

Più precisamente, i suddetti elementi accorciati 5’ non si protendono fino al centro del primo condotto 3, ma si arrestano prima, Pertanto, le estremità dei suddetti elementi accorciati 5’ definiscono uno spazio intermedio vuoto 8 in corrispondenza della zona centrale del primo condotto 3, atto a fungere da camera di combustione per la produzione del gas caldo.

Preferibilmente, il suddetto spazio vuoto 8 presenta un profilo triangolare, con la sezione che à ̈ massima in corrispondenza della sezione di ingresso 3a del primo condotto 3 e decresce progressivamente fino ad annullarsi in corrispondenza dell’estremità dell’appendice laminare 7, dove le estremità degli elementi di scambio termico 5’ giungono in contatto con l’appendice laminare 7 stessa.

Secondo una variante esecutiva non rappresentata, l’appendice laminare 7 non si estende fino al margine dello spazio vuoto 8 sopra menzionato, ma presenta una lunghezza più limitata.

Di conseguenza, in questa variante, sono presenti elementi di scambio termico 5 che non si congiungono all’appendice laminare 7, in quanto i rispettivi assi longitudinali non la intersecano.

Preferibilmente, i suddetti elementi di scambio termico 5 vengono prolungati fino alla parete opposta della camicia tubolare 2, così da attraversare l’intera sezione del primo condotto 3.

Poiché gli elementi di scambio termico prolungati non si interrompono in corrispondenza del centro del primo condotto 3, essi permettono, vantaggiosamente, di evitare la creazione di un percorso preferenziale nella parte centrale del primo condotto 3, come invece accade negli scambiatori di tipo noto.

Un ulteriore vantaggio degli elementi prolungati à ̈ legato al già ricordato requisito tecnologico per cui gli elementi di scambio termico devono avere una sezione progressivamente decrescente dalla superficie della camicia tubolare 2 al centro del condotto 3.

Come già visto, a causa del suddetto requisito, gli elementi di scambio termico dell’arte nota si assottigliano progressivamente dalla periferia del primo condotto verso il suo centro, con un corrispondente aumento della loro distanza laterale reciproca e, quindi, della sezione di passaggio del primo fluido.

Al contrario, gli elementi prolungati possono venire assottigliati alternativamente secondo direzioni opposte, in modo che la distanza laterale tra due elementi adiacenti rimanga sostanzialmente costante. In questo modo, vantaggiosamente, la sezione di passaggio per il primo fluido rimane sostanzialmente costante attraverso l'intera sezione del primo condotto 3.

Per quanto concerne il secondo condotto 4, preferibilmente e come si può apprezzare in fig. 1 , esso presenta andamento elicoidale, in modo che il secondo fluido incontri la minima resistenza di deflusso e, al contempo, lambisca tutti i lati della camicia tubolare 2.

La fig. 4 rappresenta una variante esecutiva di scambiatore, indicato complessivamente con 10, nella quale l’unica differenza rispetto allo scambiatore 1 à ̈ l’andamento a serpentina del secondo condotto 11. La serpentina si compone di vari tratti, ciascuno dei quali si svolge preferibilmente per un giro quasi completo attorno al primo condotto 3, prima di invertire la sua direzione per raccordarsi al tratto successivo.

È evidente che, in ulteriori varianti esecutive dell'invenzione non rappresentate, il secondo condotto può presentare un qualsivoglia andamento diverso dai due sopra descritti, purché tale da consentire lo scambio termico tra il secondo fluido e la camicia tubolare 2.

Preferibilmente ma non necessariamente, il corpo tubolare 6, la camicia tubolare 2 e gli elementi di scambio termico 5 e 5’ sono realizzati come un corpo monoblocco, ad esempio mediante fusione in sabbia.

In questo modo, vantaggiosamente, lo scambiatore di calore 1 viene ottenuto con un’unica fusione, semplificando il processo produttivo e, quindi, il costo dello scambiatore 1 rispetto agli scambiatori di tipo noto per impiego analogo.

Preferibilmente, la fusione viene realizzata in alluminio sebbene, in varianti esecutive dell’invenzione, possa venire impiegato qualsiasi altro materiale termoconduttore, in particolare metalli aventi caratteristiche termiche e meccaniche analoghe a quelle dell’alluminio.

In una variante esecutiva dell'invenzione, non rappresentata, la porzione della camicia tubolare 2 prossima alla sezione di uscita 3b del primo condotto 3 viene realizzata separatamente dal resto dello scambiatore 1 , al quale viene collegata successivamente.

La suddetta variante trova impiego, ad esempio, quando si voglia consentire l’asportazione della suddetta porzione per facilitare l’accesso all’interno della camicia tubolare 2 da parte di un manutentore.

Operativamente, lo scambiatore di calore 1 sopra descritto viene associato ad un bruciatore disposto in corrispondenza della sezione di ingresso 3a del primo condotto 3, non rappresentato ma di per sé noto.

La fiamma prodotta dal bruciatore si sviluppa in corrispondenza dello spazio vuoto 8 compreso tra gli elementi di scambio termico accorciati 5’ e produce un gas caldo che costituisce il suddetto primo fluido.

Il gas caldo precorre il primo condotto 3 verso la sezione di uscita 3b, lambendo gli elementi di scambio termico 5, 5’ e l'appendice laminare 7 del corpo tubolare 6, ai quali cede una parte del suo calore.

Il calore così recuperato viene trasmesso per convenzione rispettivamente alla camicia tubolare 2 ed al corpo tubolare 6 e, quindi, al secondo fluido che scorre nel secondo condotto 4 e che, come anticipato, à ̈ preferibilmente acqua.

Man mano che il gas caldo procede verso la sezione di uscita 3b del primo condotto 3, la sua temperatura diminuisce fino a quando, in prossimità della sezione di uscita 3b, lambisce la superficie del corpo sagomato 6, cedendo ulteriormente calore al secondo fluido nella parte iniziale del secondo condotto 4, prima di abbandonare definitivamente il primo condotto 3.

Evidentemente, quanto sopra detto vale analogamente per la variante esecutiva dello scambiatore 10.

Per quanto detto, si comprende che lo scambiatore di calore dell'invenzione raggiunge lo scopo prefissato.

Infatti, esso consente di realizzare uno scambio termico tra il primo fluido ed il secondo fluido più efficace rispetto a quanto consentito dagli scambiatori di calore di tipo noto.

In fase esecutiva, allo scambiatore di calore dell'invenzione potranno essere apportate ulteriori modifiche o varianti che, quantunque non descritte e non rappresentate nei disegni, qualora dovessero rientrare nell'ambito delle rivendicazioni che seguono, si dovranno ritenere tutte protette dal presente brevetto.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1 ) Scambiatore di calore (1 ; 10), particolarmente adatto all’impiego in caldaie a condensazione, comprendente: - una camicia tubolare (2) che delimita internamente un primo condotto (3) sviluppato tra una sezione di ingresso (3a) ed una sezione di uscita (3b) che individuano una direzione di deflusso (F) per un primo fluido; - una pluralità di elementi di scambio termico (5, 5') di forma allungata, aggettanti da detta camicia tubolare (2) verso l'interno di detto primo condotto (3) secondo rispettivi assi di sviluppo longitudinale; - un secondo condotto (4; 11 ) disposto in contatto termico con detta camicia tubolare (2) e sviluppato tra una bocca di ingresso (4a; 1 1 a) ed una bocca di uscita (4b; 11 b) per il passaggio di un secondo fluido, comprendente un corpo tubolare (6) disposto all'interno di detto primo condotto (3) in prossimità di detta sezione di uscita (3b), detto corpo tubolare (6) essendo provvisto di un’appendice laminare (7) che si estende verso detta sezione di ingresso (3a) parallelamente a detta direzione di deflusso (F); caratterizzato dal fatto che detta appendice laminare (7) à ̈ disposta a contatto termico con uno o più di detti elementi di scambio termico (5) ed à ̈ ortogonale a detti elementi di scambio termico (5, 5').
2. 2) Scambiatore di calore (1 ; 10) secondo la rivendicazione 1 ) caratterizzato dal fatto che detto corpo tubolare (6) corrisponde al tratto di estremità di detto secondo condotto (4; 1 1 ) prossimo a detta bocca di ingresso (4a; 11 a).
3. 3) Scambiatore di calore (1 ; 10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 ) o 2) caratterizzato dal fatto che detto corpo tubolare (6) à ̈ disposto con l’asse longitudinale (X) trasversale rispetto a detta direzione di deflusso (F).
4. 4) Scambiatore di calore (1 ; 10) secondo la rivendicazione 3) caratterizzato dal fatto che l’asse longitudinale (X) di detto corpo tubolare (6) à ̈ disposto su un piano di simmetria longitudinale (Y) di detto primo condotto (3).
5. 5) Scambiatore di calore (1 ; 10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dai fatto che detta appendice laminare (7) Ã ̈ disposta in corrispondenza di un piano di simmetria longitudinale (Y) di detto primo condotto (3).
6. 6) Scambiatore di calore (1 ; 10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che, in una porzione di ingresso (3’) di detto primo condotto (3) compresa tra detta sezione di ingresso (3a) e l’estremità (7a) di detta appendice laminare (7), sono presenti elementi di scambio termico accorciati (5') per definire in detta porzione di ingresso (3’) uno spazio vuoto (8) atto a fungere da camera di combustione.
7. 7) Scambiatore di calore (1 ; 10) secondo la rivendicazione 6) caratterizzato dal fatto che, in detta porzione di ingresso (3'), sono presenti uno o più elementi di scambio termico (5) che si estendono da una parete all'altra di detta camicia tubolare (2).
8. 8) Scambiatore di calore (1 ; 10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti elementi di scambio termico (5, 5’) presenta una sezione circolare secondo detto asse di sviluppo longitudinale.
9. 9) Scambiatore di calore (1 ; 10) secondo la rivendicazione 8) caratterizzato dal fatto che detti elementi di scambio termico (5, 5’) sono disposti con i corrispondenti assi longitudinali ortogonali a detta direzione di deflusso (F).
10. 10) Scambiatore di calore (1 ) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto secondo condotto (4) presenta un andamento elicoidale. 1 1 ) Scambiatore di calore (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 ) a 9) caratterizzato dal fatto che detto secondo condotto (1 1 ) presenta un andamento a serpentina. 12) Scambiatore di calore (1 ; 10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto corpo tubolare (6), detta camicia tubolare (2) e detti elementi di scambio termico (5, 5’) appartengono ad un corpo monoblocco.