ITPD20090033A1 - Scambiatore di calore a condensazione a doppio stadio - Google Patents

Scambiatore di calore a condensazione a doppio stadio

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ITPD20090033A1
ITPD20090033A1 IT000033A ITPD20090033A ITPD20090033A1 IT PD20090033 A1 ITPD20090033 A1 IT PD20090033A1 IT 000033 A IT000033 A IT 000033A IT PD20090033 A ITPD20090033 A IT PD20090033A IT PD20090033 A1 ITPD20090033 A1 IT PD20090033A1
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IT
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heat exchanger
main
main winding
condensing heat
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IT000033A
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Ugo Benettolo
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Zilmet S P A
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/40—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes
    • F24H1/43—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes helically or spirally coiled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H8/00—Fluid heaters characterised by means for extracting latent heat from flue gases by means of condensation
    • F24H8/006—Means for removing condensate from the heater
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/022—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of two or more media in heat-exchange relationship being helically coiled, the coils having a cylindrical configuration

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Description

SCAMBIATORE DI CALORE A CONDENSAZIONE A DOPPIO
STADIO
DESCRIZIONE
Il presente brevetto è attinente agli scambiatori di calore a condensazione ed in particolare concerne un nuovo scambiatore di calore a condensazione a doppio stadio.
Gli scambiatori di calore noti comprendono almeno un condotto o tubo in materiale termoconduttore avvolto a spirale, disposto all’interno di un contenitore stagno e le cui spire sono tra loro distanziate in modo da individuare uno spazio interstiziale per il passaggio dell’aria.
Il tubo è percorso da un fluido termovettore, tipicamente acqua.
Detti scambiatori comprendono inoltre almeno un bruciatore posto coassialmente a detto avvolgimento e alimentato con una miscela combustibile, dove la combustione è innescata tramite scintilla prodotta da una candela di accensione.
I fumi di combustione prodotti, passando negli interstizi tra le spire dell’avvolgimento, scambia calore con le pareti del tubo e riscalda il fluido termovettore.
Detti fumi, raffreddatosi dopo aver attraversato le spire, sono evacuati attraverso appositi collettori.
Sono noti scambiatori di calore comprendenti tubi avvolti a spirale in due o più avvolgimenti coassiali, dove il tubo dell’avvolgimento esterno e il tubo dell’avvolgimento hanno in genere lo stesso passo.
Sono noti scambiatori dove l’avvolgimento del tubo esterno è scalato di un mezzo passo rispetto all’avvolgimento del tubo interno, in modo da massimizzare la superficie di scambio termico direttamente investita dai fumi di combustione.
Sono anche noti scambiatori dove detti tubi sono provvisti di alette anulari radiali che aumentano ulteriormente la superficie di scambio.
Gli scambiatori noti, delle tipologie sopra descritte, sono in genere impiegati per il riscaldamento di acqua ad uso sanitario o per il riscaldamento, che viene fatta circolare all’interno di detti avvolgimenti.
Ad esempio, l’acqua del circuito di riscaldamento, circolando entro detti tubi avvolgimenti, si riscalda fino a raggiungere la temperatura di esercizio e viene inviata, attraverso almeno un tubo di mandata, nel circuito chiuso di riscaldamento, che comprende una pluralità di utenze, ossia di termosifoni. Dopo aver percorso il circuito, l’acqua di riscaldamento viene ricircolata nello scambiatore attraverso almeno un tubo di ritorno.
Lo scambiatore deve quindi riportare la temperatura dell’acqua proveniente dal circuito di riscaldamento tra il valore di ingresso e il valore di temperatura di esercizio definito dall’utente.
Oggetto del presente brevetto è un nuovo tipo di scambiatore di calore a condensazione a doppio stadio, particolarmente adatto all’installazione in caldaie a condensazione.
Compito principale del presente trovato è quello di massimizzare il rendimento di riscaldamento del fluido termovettore, introducendo uno stadio di preriscaldamento del fluido in ingresso allo scambiatore, ottenendo inoltre la possibilità di raffreddare i fumi ad una temperatura inferiore al punto di rugiada, provocando quindi la condensazione dei fumi di combustione.
Altro scopo del presente trovato è quello di ridurre l’ingombro dello scambiatore, poiché i due stadi di riscaldamento sono integrati in un unico corpo compatto.
Altro scopo del presente trovato è quello di massimizzare il rendimento, prevedendo l’eventuale possibilità di differenziare la velocità di circolazione del fluido termovettore tra i due stadi dello scambiatore.
Questi ed altri scopi, diretti e complementari, sono raggiunti dal nuovo scambiatore di calore a condensazione a doppio stadio, comprendente, nelle sue parti principali, almeno un contenitore stagno, all’interno del quale è disposto almeno un tubo avvolto a spirale a formare un avvolgimento principale, e almeno un tubo avvolto a spirale a formare un avvolgimento secondario di preriscaldamento, detta spirale dell’avvolgimento secondario avente diametro interno maggiore del diametro esterno di detto avvolgimento principale, e dove detto avvolgimento secondario è coassiale a detto avvolgimento principale e posizionato esternamente ad esso.
Si prevede che detti avvolgimenti a spirale possano avere forma sostanzialmente cilindrica o prismatica, ad esempio a sezione circolare, ovale, quadrangolare, o altra forma genericamente chiusa.
Detto avvolgimento principale e detto avvolgimento secondario sono tra loro collegati in modo che in essi circoli un fluido termovettore, preferibilmente acqua, che entra prima in detto avvolgimento secondario e poi in detto avvolgimento principale.
All’interno di detti avvolgimenti è collocato almeno un bruciatore a gas, nel quale viene iniettata una miscela combustibile-comburente, ad esempio aria e gas combustibile, e almeno una candela di accensione della fiamma, e dove i fumi caldi prodotti dalla combustione attraversano prima detto avvolgimento principale in direzione sostanzialmente radiale dall’interno verso l’esterno.
Si prevede che le spire di detti avvolgimenti siano tra loro distanziate in modo da individuare uno spazio interstiziale per il passaggio dei fumi di combustione.
Tra detto avvolgimento principale interno e detto avvolgimento secondario esterno è interposto almeno un setto deflettore, preferibilmente tubolare di sezione di forma sostanzialmente corrispondente a quella di detti avvolgimenti principale e secondario, detto setto deflettore essendo atto a convogliare detti fumi di combustione da detto avvolgimento principale verso detto avvolgimento secondario in direzione sostanzialmente tangenziale rispetto all’avvolgimento secondario stesso.
I fumi di combustione vengono infine evacuati attraverso almeno un collettore fumi.
Pertanto, detto fluido termovettore, tipicamente acqua, scorre all’interno dei tubi avvolti sostanzialmente in controcorrente rispetto ai fumi di combustione.
L’acqua, proveniente dal circuito di riscaldamento, con una temperatura inferiore alla temperatura di esercizio, viene preriscaldata nell’avvolgimento secondario e viene poi riscaldata fino a detta temperatura di esercizio in detto avvolgimento principale dal quale viene poi inviata al circuito di riscaldamento e/o alle utenze in genere.
Nello stadio di preriscaldamento, detti fumi di combustione vengono raffreddati ad una temperatura inferiore al punto di rugiada e quindi almeno in parte condensati. La condensa viene scaricata attraverso appositi collettori di scarico condensa.
Pertanto, detto scambiatore di calore a doppio stadio permette di recuperare una parte del calore latente di condensazione che viene trasferito al fluido termovettore, e di diminuire anche la temperatura dei fumi di combustione in uscita, riducendo complessivamente il consumo di combustibile.
Per ottimizzare l’ingombro dello scambiatore e per massimizzare il rendimento dello stesso, si può eventualmente prevedere che il/i tubo/i di detto avvolgimento principale possa/possano avere sezione utile minore rispetto alla sezione utile del/i tubo/i dell’avvolgimento secondario.
In questo modo, la velocità del fluido termovettore entro l’avvolgimento secondario può essere diversa rispetto alla velocità con cui percorre l’avvolgimento principale.
Le caratteristiche del nuovo scambiatore saranno meglio chiarite dalla seguente descrizione con riferimento alle tavole di disegno, allegate a titolo di esempio non limitativo.
Nelle figure 1, 2, 3 sono rappresentati, rispettivamente, uno spaccato, una sezione e una vista tridimensionale di una possibile soluzione realizzativa del nuovo scambiatore (D), atto ad essere disposto con asse centrale (X) orizzontale.
In figura 4 è invece rappresentata una sezione di una soluzione realizzativa alternativa del nuovo scambiatore (D), atto ad essere disposto con asse centrale (X) verticale.
Il nuovo scambiatore di calore (D) comprende almeno un contenitore o corpo di contenimento (E) di forma preferibilmente cilindrica o prismatica con simmetria preferibilmente assiale rispetto ad un asse centrale (X).
All’interno di detto corpo di contenimento (E) è disposto almeno un tubo (11) avvolto a spirale a formare un avvolgimento principale (1) preferibilmente cilindrico o prismatico, a sezione circolare oppure ovale o quadrangolare o altra forma genericamente chiusa, e almeno un tubo (21) avvolto a spirale a formare un avvolgimento secondario (2) di preriscaldamento di forma corrispondente a detto avvolgimento principale (1), detto avvolgimento secondario (2) avente diametro interno maggiore del diametro esterno di detto avvolgimento principale (1), e dove detto avvolgimento secondario (2) è coassiale a detto avvolgimento principale (1) e posizionato esternamente ad esso.
Detti tubi possono avere sezione sostanzialmente circolare, ovalizzata o quadrangolare o qualunque altra forma adeguata allo scopo, e sono realizzati in idoneo materiale termoconduttore.
In particolare, si prevede che detto tubo di detto avvolgimento principale (1) sia avvolto a formare due successioni di spire (11, 12) coassiali. Si può prevedere che detto avvolgimento principale (1) comprenda un unico tubo avvolto in uno o più successioni di spire coassiali, oppure due o più tubi avvolti in altrettante successioni di spire e collegati tra loro preferibilmente in parallelo.
Si prevede inoltre che l’asse di detto avvolgimento principale (1) e l’asse di detto avvolgimento secondario (2) coincidano con detto asse (X) del corpo di contenimento (E).
Detto avvolgimento principale (1) e detto avvolgimento secondario (2) sono tra loro idraulicamente collegati e in essi circola un fluido termovettore, preferibilmente acqua, che entra prima in detto avvolgimento secondario (2) e poi in detto avvolgimento principale (1).
Si prevede che detti avvolgimenti (1, 2) siano tra loro collegati ad esempio tramite almeno un connettore (L) avente anche funzione di sfiato dell’aria. In particolare, detto fluido termovettore entra in detto avvolgimento secondario (2) tramite un condotto di adduzione o ritorno (R) che attraversa la parete esterna (E1, E3) di detto corpo di contenimento (E).
Dopo aver percorso l’intero avvolgimento secondario (2), detto fluido termovettore entra nell’avvolgimento principale (1), lo percorre e viene quindi inviato al circuito di utenza attraverso almeno un tubo di mandata (M) che attraversa detta parete esterna (E1, E3) di detto corpo di contenimento (E).
All’interno di detti avvolgimenti (1, 2) è collocato almeno un bruciatore (B), preferibilmente in posizione sostanzialmente coassiale a detti avvolgimenti (1, 2) stessi.
Detto bruciatore (B) è alimentato con una miscela combustibile (B1) – comburente (B2), ad esempio aria e gas combustibile, e comprende almeno una candela di accensione e uno o più ulteriori dispositivi di controllo della temperatura di combustione, non rappresentati nelle figure.
I fumi caldi di combustione (W) investono successivamente detto avvolgimento principale (1) e poi detto avvolgimento secondario (2), come di seguito descritto e rivendicato, e vengono infine evacuati attraverso almeno un collettore fumi (F).
Si prevede che le spire di detti avvolgimenti (1, 2) siano tra loro distanziate in modo da individuare uno spazio interstiziale per il passaggio tra esse di detti fumi di combustione (W), per massimizzare la superficie di scambio termico.
Detti fumi di combustione caldi (W) attraversano prima detto avvolgimento principale (1) in direzione sostanzialmente radiale ossia ortogonalmente a detto asse centrale (X), dall’interno verso l’esterno.
Tra detto avvolgimento principale interno (1) e detto avvolgimento secondario esterno (2) è interposto almeno un setto deflettore (S) comprendente almeno una parete sostanzialmente cilindrica o di forma corrispondente a detti avvolgimenti (1 2), posta preferibilmente coassialmente a detti avvolgimenti (1, 2) stessi.
Detto setto deflettore (S) è atto a convogliare detti fumi di combustione (W) da detto avvolgimento principale (1) verso detto avvolgimento secondario (2) in direzione sostanzialmente tangenziale, ossia parallelamente a detto asse centrale (X), rispetto all’avvolgimento secondario (2) stesso.
Pertanto, il fluido termovettore (I) in ingresso allo scambiatore (D) percorre prima detto avvolgimento secondario (2), e viene preriscaldato dalla temperatura di ingresso fino ad un valore di temperatura intermedio.
Il fluido termovettore percorre poi detto avvolgimento principale (1), dove viene riscaldato fino alla temperatura di esercizio impostata dall’utente, e viene quindi inviata (U) alle utenze mediante detto tubo di mandata (M). Nello stadio di preriscaldamento, detti fumi di combustione (W) vengono raffreddati ad una temperatura inferiore al punto di rugiada e quindi almeno in parte condensati. La condensa (W1) viene scaricata attraverso almeno un collettore di scarico condensa (H), che attraversa detta parete esterna (E1, E2) di detto corpo di contenimento (E).
Si prevede inoltre che detto corpo di contenimento (E), di forma sostanzialmente cilindrica, comprenda un fondo (E2) e un coperchio (E3) circolari, internamente rivestiti in materiale termoisolante, ad esempio con un disco (C1, C2) di materiale ceramico, e dove detto coperchio (E3) e il relativo disco (C2) ceramico comprendono un foro assiale (G) per l’inserimento di detto bruciatore (B).
Come da figure 1, 2, 3, si può prevede che il nuovo scambiatore (D) possa essere montato con asse centrale (X) disposto orizzontalmente, in modo che detto collettore fumi (F) risulti rivolto verso l’alto e detto collettore di scarico condensa (H) risulti rivolto verso il basso, essendo collocato su detta parete laterale cilindrica (E1) di detto corpo di contenimento (E) in posizione diametralmente opposta a detto collettore fumi (F) e comunicante con l’interno del corpo (E) stesso tramite almeno un foro (E4).
Per far defluire in modo rapido la condensa (W1), si prevede che almeno un ulteriore foro (S1) sia realizzato su detto setto deflettore (S), preferibilmente in posizione allineata lungo la direzione radiale a detto foro (E4) di scarico condensa (H1) realizzato su detta parete cilindrica (E) del corpo di contenimento (E).
In alternativa, come da figura 4, si può prevedere che il nuovo scambiatore (D) possa essere montato con asse centrale (X) disposto verticalmente, in modo che detto collettore di scarico condensa (H) risulti rivolto verso il basso, essendo collocato su detto fondo (E2) circolare di detto corpo di contenimento (E), ad esempio in posizione assiale, e comunicante con l’interno del corpo (E) stesso tramite almeno un foro (E4) passante realizzato sul fondo (E2) stesso e almeno un foro (C11) corrispondentemente realizzato su detto disco (C1) ceramico.
In tale soluzione, si può prevedere che detti tubi di mandata (M) e di adduzione o ritorno (R) siano collegati a detti avvolgimenti (1, 2) attraversando detto coperchio (E3) del corpo di contenimento.
Per rendere più compatto lo scambiatore (D), massimizzando inoltre il rendimento, è possibile prevedere che il tubo (11, 12) di detto avvolgimento principale (1) abbia sezione utile minore rispetto alla sezione utile del tubo (21) dell’avvolgimento secondario (2), in modo da differenziare la velocità del fluido termovettore che circola entro detti avvolgimenti primario (1) e secondario (2).
Queste sono le modalità schematiche sufficienti alla persona esperta per realizzare il trovato, di conseguenza, in concreta applicazione potranno esservi delle varianti senza pregiudizio alla sostanza del concetto innovativo.
Pertanto con riferimento alla descrizione che precede e alle tavole accluse si esprimono le seguenti rivendicazioni.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore (D) a condensazione comprendente almeno un tubo (11) avvolto a spirale a formare almeno un avvolgimento principale (1), e almeno un tubo (21) avvolto a spirale a formare almeno un avvolgimento secondario (2) avvolgente esternamente detto avvolgimento principale (1), detti avvolgimenti principale e secondario (1, 2) essendo tra loro idraulicamente collegati e atti ad essere percorsi da almeno un fluido termovettore, almeno un bruciatore (B) disposto internamente a detti avvolgimenti (1, 2) atto a generare fumi caldi di combustione (W) che investono detti avvolgimenti (1, 2) stessi, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un setto deflettore (S) a sua volta comprendente almeno una parete sostanzialmente tubolare di forma corrispondente alla forma di detti avvolgimenti (1, 2), interposta tra detto avvolgimento principale interno (1) e detto avvolgimento secondario esterno (2), e dove detti fumi di combustione (W) investono detto avvolgimento principale (1) in direzione sostanzialmente radiale, dall’interno verso l’esterno, vengono poi convogliati da detto setto deflettore (S) in modo da investire detto avvolgimento secondario (2) in direzione sostanzialmente tangenziale e vengono infine evacuati attraverso almeno un collettore fumi (F).
  2. 2. Scambiatore di calore (D) a condensazione, come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un tubo di adduzione (R) di detto fluido termovettore (I), collegato a detto avvolgimento secondario (2), e almeno un tubo di mandata (M) di detto fluido termovettore (U) alle utenze, collegato a detto avvolgimento principale (1), e dove detto fluido termovettore percorre prima detto avvolgimento secondario (2) e poi detto avvolgimento principale (1).
  3. 3. Scambiatore di calore (D) a condensazione, come da rivendicazioni 1, 2, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un contenitore o corpo di contenimento (E) nel quale sono disposti detti avvolgimenti principale (1) e secondario (2) e detto bruciatore (B), e dove detto tubo di adduzione (R) e detto tubo di mandata (M) attraversano la parete laterale (E1) o il coperchio (E3) di detto corpo di contenimento (E).
  4. 4. Scambiatore di calore (D) a condensazione, come da rivendicazioni 1, 2, 3, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un collettore di scarico condensa (H) dei fumi di combustione (W), comunicante con l’interno di detto corpo di contenimento (E), sia con lo spazio interno a detto avvolgimento principale (1), sia con lo spazio compreso tra detto avvolgimento principale (1) e detto avvolgimento secondario (2).
  5. 5. Scambiatore di calore (D) a condensazione, come da rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto scarico condensa (H) comunica con l’interno di detto corpo di contenimento (E) tramite almeno un foro (E4, C11) passante realizzato sul fondo (E2) del corpo di contenimento (E) stesso.
  6. 6. Scambiatore di calore (D) a condensazione, come da rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto scarico condensa (H) comunica con l’interno di detto corpo di contenimento (E) tramite almeno un foro (E4) passante realizzato sulla parete laterale (E1) del corpo di contenimento (E) stesso, in posizione opposta a detto collettore fumi (F), e almeno un foro (S1) realizzato su detto setto deflettore (S).
  7. 7. Scambiatore di calore (D) a condensazione, come da rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto avvolgimento principale (1) comprende uno o più tubi, avvolti a formare almeno due successione di spire (11, 12) coassiali, e dove detti tubi sono tra loro collegati in parallelo.
  8. 8. Scambiatore di calore (D) a condensazione, come da rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detti avvolgimenti principale (1) e secondario (2), detto setto deflettore (S) e detto corpo di contenimento (E) sono sostanzialmente coassiali, di forma cilindrica o prismatica a sezione circolare o ovale o quadrangolare o genericamente chiusa.
  9. 9. Scambiatore di calore (D) a condensazione, come da rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che le spire di detti avvolgimenti principale (1) e/o secondario (2) sono tra loro distanziate in modo da individuare uno spazio interstiziale per il passaggio di detti fumi di combustione (W).
  10. 10. Scambiatore di calore (D) a condensazione, come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il tubo (11, 12) di detto avvolgimento principale (1) ha sezione minore rispetto alla sezione del tubo (21) di detto avvolgimento secondario (2), e dove la velocità del fluido termovettore che circola entro detto avvolgimento secondario (2) è diversa rispetto alla velocità con cui percorre detto avvolgimento principale (1).
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WO1984002387A1 (en) * 1982-12-08 1984-06-21 Gas Res Inst Combustion product condensing water heater
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FR2854229A1 (fr) * 2003-04-25 2004-10-29 Realisation Mecaniques Engenee Echangeur de chaleur a condensation

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