ITBO20120573A1 - Scambiatore di calore perfezionato per caldaie a condensazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE “Scambiatore di calore perfezionato per caldaie a condensazione”

La presente invenzione si riferisce ad uno scambiatore d calore perfezionato per caldaie a condensazione.

Le caldaie comprendono in generale uno scambiatore di calore in cui il fluido da riscaldare percorre un fascio tubiero che viene investito dai fumi di combustione della caldaia e che viene riscaldato mentre i fumi si raffreddano. Nelle caldaie a condensazione viene sfruttato sia il calore primario che si sviluppa a seguito della combustione, che il calore latente di condensazione del vapore acqueo contenuto nei fumi della combustione stessa. Ciò è reso possibile dal fatto che le caldaie a condensazione impiegano scambiatori di calore realizzati con materiali particolarmente resistenti all'acidità delle condense.

Un tipo noto di scambiatore di calore per caldaie a condensazione è descritto in WO 2011/048574 della medesima richiedente. Questo scambiatore di calore comprende una pluralità di tubi a sezione ellittica disposti su due file che attraversano una pluralità di piastre termiche, distanziate fra di loro a passo costante, che definiscono un'alettatura di scambio termico. Le piastre termiche sono saldobrasate sui tubi ellittici e formano con essi la superficie di scambio termico mista, secca/bagnata, di una zona centrale di scambio termico misto dello scambiatore. Nella parte superiore di questo scambiatore di calore noto sono presenti due tubi a sezione ellittica che vanno a determinare le pareti laterali bagnate di raffreddamento della camera di combustione. Nella parte inferiore di questo scambiatore di calore noto sono presenti due file ravvicinate di tubi a sezione rotonda che vanno a definire all'interno della camera di fumi una zona di condensazione per il recupero del calore latente dei fumi prima dell'uscita verso lo scarico. Un altro scambiatore di calore noto di tipo analogo è descritto in WO 2006/097959.

Negli scambiatori di calore per caldaie a condensazione la zona di condensazione per il recupero del calore latente dei fumi è particolarmente critica per ottenere un buon rendimento della caldaia. In questa zona si forma e si raccoglie la condensa acida, che aggredisce il materiale dei tubi. Inoltre, la formazione di condensa sui tubi riduce lo scambio termico fumi/tubi rispetto allo scambio che si realizza quando i tubi sono asciutti. Infine, la temperatura e la velocità dei fumi nella zona di condensazione sono ridotte e l'ostacolo rappresentato dal fascio di tubi può costituire un problema per il raggiungimento di prestazioni ottimali, oltre che favorire il deposito progressivo di impurità che riducono conseguentemente il rendimento. Inoltre, un requisito sempre richiesto per gli scambiatori di calore è quello di essere compatti, specialmente nella direzione verticale di percorrenza dei fumi, nonché economici nella fabbricazione.

Lo scopo della presente invenzione è quello di perfezionare gli scambiatori di calore noti, rendendoli più efficienti, più compatti e meno costosi, e quindi in sostanza di superare gli inconvenienti sopra indicati e soddisfare i bisogni e le esigenze menzionate in precedenza. Per raggiungere tale scopo, la presente invenzione ha per oggetto uno scambiatore di calore per caldaie a condensazione come definito nelle rivendicazioni annesse.

In particolare, nello scambiatore di calore della presente invenzione, la zona di condensazione è definita da una pluralità di tubi aventi una sezione allungata o schiacciata, ad esempio ellittica, ovale o appiattita su lati paralleli, in cui sia definito un asse maggiore. Una tale sezione dei tubi nella zona di condensazione offre una maggiore superficie di scambio rispetto ai tubi a sezione rotonda della tecnica nota, il che risulta particolarmente vantaggioso proprio nella zona di condensazione, laddove per motivi legati alla elevata corrosione non è consigliabile predisporre alette di raffreddamento molto ravvicinate come invece accade nella zona centrale di scambio termico misto dello scambiatore di calore. Inoltre tubi di tale sezione allungata o schiacciata favoriscono il minore ristagno di condensa acida sui tubi, con ciò migliorando le prestazioni di scambio termico a causa del minore o assente velo di condensa sui tubi rispetto alla tecnica nota. Inoltre, una tale configurazione consente un più agevole flusso dei fumi di combustione, con un conseguente minore deposito di impurità e l'ottenimento di una migliore pulizia e maggiore rendimento nel tempo dello scambiatore di calore e quindi della caldaia a condensazione.

I tubi della zona di condensazione dello scambiatore possono essere disposti su uno o più ranghi o file parallele, in cui i tubi di ciascun rango hanno il loro asse longitudinale che giace su uno stesso piano trasversale alla direzione di percorrenza dei fumi di combustione.

I tubi adiacenti di una stessa fila possono essere sfalsati gli uni rispetto agli altri per offrire una maggiore superficie di scambio ai fumi di combustione senza creare eccessive perdite di carico e senza aumentare di troppo l'altezza dello scambiatore di calore.

I tubi della zona di condensazione possono essere disposti in modo che l'asse maggiore della loro sezione sia orientato verticalmente, ossia nella stessa direzione di percorrenza dei fumi di combustione, per offrire minore resistenza al flusso dei fumi di combustione. In alternativa, i tubi possono essere disposti con il loro asse maggiore inclinato rispetto alla direzione dei fumi di combustione, per ridurre le dimensioni in altezza dello scambiatore di calore. Nel caso di più file di tubi, gli assi maggiori di file soprastanti o sottostanti possono essere inclinati di uno stesso angolo o di un angolo differente, e possono anche essere allineati o sfalsati.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno dalla descrizione che segue di forme preferite di attuazione, con riferimento alle figure annesse, date a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

- la figura 1 è una sezione longitudinale di uno scambiatore di calore secondo la presente invenzione,

- la figura 2 è una sezione secondo la linea II-II della figura 1, - la figura 3 è una vista in prospettiva di un gruppo di tubi di condensazione dello scambiatore di calore delle figure 1 e 2,

- le figure 4 a 6 mostrano sezioni trasversali di configurazioni alternative del gruppo di tubi di condensazione della presente invenzione, - le figure 7 a 9 mostrano varianti della configurazione sfalsata del gruppo di tubi di condensazione della presente invenzione.

Con riferimento ora alla figura 1, uno scambiatore di calore secondo la presente invenzione, comprende un corpo cavo 1 destinato ad essere attraversato dai fumi di combustione, entro il quale è disposto un gruppo di tubi centrali 2 a sezione preferibilmente ellittica che attraversano una pluralità di piastre termiche o alette 3, distanziate fra loro preferibilmente a passo costante. I tubi centrali 2 e le piastre termiche 3 sono preferibilmente di alluminio o lega di alluminio o di acciaio inossidabile, e sono saldati gli uni alle altre per definire complessivamente una superficie di scambio termico mista, secca/bagnata, di una zona centrale 4 di scambio termico misto dello scambiatore di calore. Nella parte superiore dello scambiatore, a fianco di una camera di combustione 6, sono disposti due tubi laterali 5, aventi sezione preferibilmente ellittica e sostanzialmente analoghi ai tubi centrali 2 della zona centrale 4, che vanno a determinare le pareti laterali bagnate di raffreddamento della camera di combustione 6. Nella parte inferiore del corpo cavo 1 è disposto un gruppo di tubi di condensazione 7, preferibilmente anch'essi di alluminio, lega di alluminio o acciaio inossidabile, che vanno a definire, all'interno di una camera fumi 8, una zona di condensazione 9 dello scambiatore di calore, dove avviene il recupero sostanziale del calore latente di condensazione del vapore acqueo presente nei fumi di combustione, prima della loro uscita verso un'apertura di scarico 10. Le estremità di tutti i tubi, ossia dei tubi centrali 2, dei tubi laterali 5 ed dei tubi di condensazione 7, sono accoppiate a due rispettive piastre tubiere Ila, llb, che delimitano lateralmente il corpo cavo 1 il cui interno è destinato ad essere percorso dai fumi di combustione dall'alto verso il basso secondo la freccia F della figura 1. All'esterno delle piastre tubiere Ila, llb sono predisposti coperchi di chiusura 12, 13 sui quali sono ricavati rigonfiamenti 14 che definiscono in modo noto camere di collegamento dei tubi centrali 2, tubi laterali 5 e tubi di condensazione 7 per realizzare una configurazione del percorso di attraversamento dell'acqua nello scambiatore di calore, che viene immessa attraverso una bocca di ingresso (non illustrata nelle figure) e che sfocia da una bocca di uscita 15. Sul fondo dello scambiatore di calore è previsto un convogliatore 16 della condensa, per la sua successiva evacuazione secondo modalità note agli esperti del settore.

Nella figura 3 è più chiaramente visibile il gruppo di tubi di condensazione 7 dello scambiatore di calore sopra descritto. In particolare, il gruppo di tubi di condensazione 7 è preferibilmente mantenuto insieme da due piastre di testa 17a, 17b, montate in prossimità delle estremità dei tubi di condensazione 7 in modo da definire un gruppo unitario 18, di facile montaggio nel corpo cavo 1, in particolare mediante accoppiamento di testa alle piastre tubiere Ila, llb. Ciascun tubo di condensazione 7 ha una sezione appiattita con un asse maggiore principale Y-Y disposto sostanzialmente parallelo alla direzione del percorso dei fumi di combustione F. I tubi di condensazione 7 sono disposti con i rispettivi assi longitudinali rettilinei Z-Z tutti sostanzialmente paralleli fra loro e paralleli ad un piano orizzontale, ortogonale alla direzione verticale dei fumi F. I tubi di condensazione 7 sono alternativamente sfalsati a due a due rispetto alla verticale, cioè rispetto alla direzione del percorso dei fumi di combustione F, in modo tale da alternare un tubo di condensazione 7 disposto ad una data prima quota verticale ad un tubo adiacente 7 disposto ad una data seconda quota nella direzione verticale.

I tubi di condensazione 7 illustrati nell'esempio di attuazione delle figure 1 a 3 hanno una sezione che comprende due lati contrapposti paralleli uniti da tratti di estremità arrotondati. Rientra nell'ambito dell'invenzione anche la realizzazione di tubi di sezione ovale o ellittica, od anche asimmetrica del tipo cosiddetto “a pera”, cioè a tutte quelle sezioni che si discostano dalla sezione circolare nel senso di presentare uno schiacciamento o allungamento secondo una direzione o asse principale o maggiore, che nelle figure è indicato come asse Y-Y.

Sono chiaramente possibili altre disposizioni dei tubi di condensazione 7 schiacciati o allungati. Nella figura 4 è schematicamente illustrata una configurazione del gruppo unitario 18 di tubi di condensazione 7 in cui gli assi maggiori Y-Y delle loro sezioni sono inclinati rispetto alla direzione verticale, cioè alla direzione dei fumi di combustione F. Una tale configurazione consente di ridurre notevolmente l'ingombro in altezza dello scambiatore di calore, pur conservando le caratteristiche vantaggiose di scambio di calore e rapido drenaggio della condensa dai tubi di condensazione 7 sopra menzionate. L'angolo di inclinazione dell'asse maggiore Y-Y dei tubi di condensazione 7 è preferibilmente inferiore a 45° e comunque è tale dal non ostacolare sostanzialmente il flusso dei fumi di combustione.

Nella figura 5, il gruppo unitario 18 presenta tubi di condensazione 7 disposti su due file, in modo che gli assi longitudinali Z-Z dei tubi di condensazione 7 giacciano rispettivamente su due piani paralleli distanziati verticalmente nella direzione dei fumi di combustione F. Gli assi maggiori Y-Y dei tubi di una fila sono inoltre allineati in verticale con gli assi maggiori Y-Y dei tubi della fila sottostante o soprastante.

Nella figura 6 è illustrata un'ulteriore variante del gruppo unitario 18, in cui i tubi di ciascuna fila presentano il proprio asse maggiore Y-Y inclinato di uno stesso angolo ed allineato con l'asse maggiore Y-Y egualmente inclinato dei tubi della fila sottostante o soprastante. Anche in questo caso l'angolo di inclinazione dell'asse maggiore Y-Y dei tubi di condensazione 7 è preferibilmente inferiore a 45° e comunque è tale dal non ostacolare sostanzialmente il flusso dei fumi di combustione.

Il gruppo unitario 18 di tubi di condensazione 7 potrebbe essere dotato anche di ulteriori piastre intermedie (non illustrate) oltre alle piastre di testa 17a, 17b, distanziate preferibilmente regolarmente lungo l'asse longitudinale dei tubi di condensazione 7 e preferibilmente saldobrasate ad essi, aventi sia funzione di alette per migliorare lo scambio termico nella zona di condensazione 9 che di elementi di irrigidimento del gruppo unitario 18 di tubi di condensazione 7. Naturalmente, per i motivi indicati in precedenza, un tecnico esperto potrà scegliere il numero di tali piastre intermedie e il loro posizionamento reciproco in modo tale da non incrementare significativamente le perdite di carico rispetto alla forma di attuazione priva di alette intermedie illustrata nelle figure e sopra descritta in dettaglio. Di conseguenza, il numero di piastre intermedie potrà essere generalmente inferiore al numero di piastre termiche o alette 3 fissate ai tubi centrali 2.

Il numero di tubi di condensazione 7, così come il numero di file parallele su cui sono distribuiti, l'eventuale inclinazione degli assi maggiori Y-Y, lo sfalsamento più o meno accentuato fra tubi di condensazione 7 di una stessa fila, così come le diverse sezioni allungate o schiacciate, preferibilmente ma non limitativamente a lati paralleli allungati o ovali o ellittiche, sono soggetti a varianti rientranti nell'ambito di protezione e che un tecnico esperto del settore saprà individuare una volta che abbia appreso dalla descrizione che precede il concetto fondamentale della presente invenzione.

A titolo di esempio, nelle figure 7 a 9 sono illustrate varianti di una delle piastre di testa 17a, 17b che determina la configurazione del gruppo unitario 18 di tubi di condensazione 7, i quali, come visibile dalle relative apertura nelle piastre di testa illustrate sono sfalsati e con sezione ellittica di varia foggia.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, le forme di attuazione e i dettagli di realizzazione potranno ampiamente cambiare senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore per caldaie a condensazione, comprendente un corpo cavo attraversato, nell'uso, dai fumi di combustione, entro cui è disposto un primo gruppo di tubi centrali (2), fra loro paralleli, definente una zona centrale di scambio termico misto (4), ed un secondo gruppo di tubi di condensazione, (7) fra loro paralleli, definente una zona di condensazione (9), la sezione dei tubi di condensazione (7) essendo una sezione allungata lungo un asse maggiore (Y-Y).
2. 2. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1, in cui la sezione dei tubi di condensazione (7) è ovale, ellittica o schiacciata con due pareti sostanzialmente parallele.
3. 3. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i tubi di condensazione (7) sono alternativamente sfalsati.
4. 4. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, in cui i tubi di condensazione (7) sono orientati con l'asse maggiore (Y-Y) sostanzialmente allineato alla direzione (F) di attraversamento del corpo cavo da parte dei fumi di combustione.
5. 5. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, in cui i tubi di condensazione (7) sono orientati con l'asse maggiore (Y-Y) inclinato rispetto alla direzione (F) di attraversamento del corpo cavo da parte dei fumi di combustione.
6. 6. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il gruppo di tubi di condensazione (7) è ripartito su due o più piani distanziati nella direzione (F) di attraversamento del corpo cavo da parte dei fumi di combustione.
7. 7. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 6, in cui gli assi maggiori (Y-Y) delle sezioni della parte di tubi di condensazione (7) ripartita su un piano sono allineati con gli assi maggiori (Y-Y) delle sezioni della parte di tubi di condensazione (7) ripartita su un soprastante o sottostante piano.
8. 8. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le estremità dei tubi centrali (2) e dei tubi di condensazione (7) sono accoppiate a due rispettive piastre tubiere (Ila, llb) che delimitano lateralmente il corpo cavo dello scambiatore di calore.
9. 9. Scambiatore di calore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il gruppo di tubi di condensazione (7) è mantenuto connesso da due piastre di testa (17a, 17b) montate in prossimità delle estremità dei tubi di condensazione (7) in modo da definire un gruppo unitario (18) accoppiabile alle piastre tubiere (Ila, llb).
10. 10. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 9, in cui il gruppo unitario (18) comprende piastre intermedie con funzioni di alette.