ITAN20090023A1 - Apparato di recupero calore - Google Patents

Description

“APPARATO DI RECUPERO CALOREâ€

RIASSUNTO

Forma oggeto della presente invenzione un generatore termico (3) per la produzione di energia termica collegato per mezzo di un convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) ad una o più sorgenti di calore (2). Deto convogliatore (4) riceve gli aeriformi caldi (FI, F2) emessi da deta una o più sorgenti di calore (2) inviati a deto generatore termico (3) per il recupero del loro contenuto entalpico.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si riferisce ad una soluzione per il recupero dell’energia termica posseduta da fumi e gas di scarico di macchine termiche e dall’aria di raffreddamento e ventilazione degli stessi e/o dei loro organi e circuiti ausiliari o di altri macchinari.

Più in particolare, la presente invenzione si riferisce a generatori termici adattati per fungere da recuperatori di calore.

Ancor più in particolare, deti generatori termici sono a tubi di fumo. La presente invenzione à ̈ particolarmente utile per la realizzazione di impianti di cogenerazione di energia elettrica e termica in particolare nel campo delle microcogenerazione.

Il principio della cogenerazione (anche detta “produzione combinata†) si basa, sostanzialmente, sullo sfruttamento del calore residuo che si ha nei generatori termoelettrici al termine della fase in cui si produce energia elettrica; questo contenuto energetico “residuo†può essere quindi utilizzato come sorgente di calore per il riscaldamento degli ambienti o per usi produttivi ed industriali.

La microcogenerazione à ̈ di grande interesse nel settore civile-terziario e della piccola industria, che necessita di potenze relativamente basse, per giungere ad una produzione locale dell’energia elettrica estremamente capillare.

La microcogenerazione, però, non ha ancora trovato una vasta diffusione perché per macchinari di piccola taglia à ̈ più difficile soddisfare i requisiti minimi necessari di costo per unità di potenza, di resa, di affidabilità e di efficienza

Di conseguenza, i sistemi di cogenerazione fino ad oggi comunemente impiegati hanno taglie che, sostanzialmente, partono dai 100 - 300 kW per arrivare a diverse MW.

Per la microcogenerazione, il mercato propone sostanzialmente due differenti soluzioni, basate sullo stesso concetto di generazione di energia, ma che vedono però l’uso di un diverso motore primo.

In particolare, per coprire la taglia dai 50 ai 100 kW possono essere utilizzate come motore primo microturbine a gas, mentre per taglie inferiore l’apparato di cogenerazione prevede l’uso di motori alternativi a combustione interna, sia con configurazione a ciclo Diesel che, preferibilmente, a ciclo Otto.

L’energia termica dovuta al funzionamento di un motore primo (motore a combustione interna o microturbina a gas) à ̈ in parte dispersa nell’ambiente esterno per irraggiamento (in quantità, però, efficacemente contenibile) ma la maggior parte viene ceduta ai gas di combustione (le cui temperature possono variare, infatti, dai 350 ai 600°C) scaricati al camino ed all’aria di raffreddamento di vari componenti del motore e dei suoi circuiti ausiliari.

In genere, dall’aria di raffreddamento non viene recuperato calore sostanzialmente a causa del suo basso contenuto entalpico e coefficiente di scambio termico convettivo che comporterebbe infatti la necessità di impiegare scambiatori con grandi superimi scambianti; detti scambiatori risulterebbero quindi particolarmente costosi in riferimento al costo complessivo del cogeneratore ed ai benefici conseguibili. Solo raramente e generalmente nei motori endotermici alternativi, detta aria di raffreddamento viene vantaggiosamente recuperata per produrre acqua calda,

Sono invece già previsti dei dispositivi per il recupero del calore dai fumi di scarico del motore primo nonostante abbiano contenuto entalpico non particolarmente alto e, soprattutto, il rischio di condensa acida durante il loro raffreddamento.

Detti dispositivi, come noto, sono generalmente posti a valle del motore primo e possono essere degli scambiatori (conosciuti anche come recuperatori) che sfruttano il calore dei fumi di combustione scaricati per preriscaldare, ad esempio, l’aria comburente, o in alternativa delle caldaie a recupero per la loro ulteriore combustione o per il semplice raffreddamento attraverso scambiatori di calore adibiti, preferibilmente alla produzione di acqua calda o vapore o acqua surriscaldata.

A titolo di esempio, si rimanda al documento GB 2 271 171 dove i gas caldi esausti, generati da una o più sorgenti di calore alternative, sono raffreddati sull’intera superficie scambiante di uno scambiatore di calore di un generatore termico (nella fattispecie, una caldaia a tubi di fumo) o al documento US 4 313 399 dove, se sufficientemente ricchi in ossigeno, sono impiegati come comburente all 'interno della camera di combustione di un generatore termico.

Detti dispositivi di recupero del contenuto entalpico dai gas e fumi di combustione scaricati dal motore primo hanno, però, come principale inconveniente quello di essere fortemente integrati allo stesso.

Di conseguenza, quindi, appare ovvio come il malfunzionamento o del motore primo o del dispositivo di recupero possa compromettere il rendimento complessivo del sistema di cogenerazione costituito. Al contempo, la manutenzione separata o sul motore o sul dispositivo di recupero risulta molto difficoltosa e richiede generalmente lo spegnimento di quello ancora correttamente funzionante.

Sono poi necessari organi di regolazione affinché l’energia termica recuperata sia distribuita alla temperature richiesta dall’utenza.

In definitiva, tali dispositivi di recupero risultano relativamente costosi rispetto al beneficio apportato (recupero delle perdite termiche del motore primo).

Infine non à ̈ così semplice convogliare l’energia termica così recuperata verso le possibili utenze della medesima .

Se à ̈ difficile, come detto, riutilizzare il contenuto entalpico dell’aria di raffreddamento di un motore primo e dei suoi circuiti ausiliari, ancor più difficile à ̈ recuperarlo dalle fonti di calore più varie di uno stabilimento industriale quali gli impianti di raffreddamento di un parco macchine di stampaggio materia plastica o aria calda in uscita da impianti di verniciatura industriale, o filmi di combustione generati e scaricati da forni e caldaie industriali di vecchia concezione e poco efficienti.

E’ ovvio come, anche in questi casi, il principale ostacolo al recupero dell’energia siano i costi, relativamente alti rispetto al beneficio apportato dal recupero, essendo necessari, per ciascuna fonte, appositi scambiatori ed impianti di trasporto dell’energia termica.

Un primo scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare modalità di recupero del calore di semplice ed economica realizzazione per rapporto alle potenze termiche ed elettriche in gioco.

Un secondo scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare modalità di recupero del calore con ridotte emissioni inquinanti e a ridotto impatto ambientale.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare modalità di recupero del calore di grande flessibilità quanto a potenze termiche da recuperare.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare modalità di recupero del calore di grande flessibilità quanto a quantità e tipologia di macchine da cui recuperare calore.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare modalità di integrazione di sistemi di recupero e produzione di calore con macchine per la produzione di energia elettrica e/o meccanica.

Un altro scopo della presente invenzione à ̈ quello di indicare mezzi e metodi idonei all’ integrazione di un motore primo ad una caldaia a tubi di fumo con grande flessibilità in quanto a potenze elettriche da integrare.

Ulteriori scopi e risultati del presente trovato risulteranno meglio evidenziati dalla seguente descrizione di una preferita forma di realizzazione, conforme alle rivendicazioni brevettuali e illustrata, a puro titolo esemplificativo e non limitativo, nelle allegate tavole di disegno, in cui:

la figura 1 mostra una vista schematica di un generatore termico secondo l’arte nota;

la figura 2 mostra uno schema a blocchi di un apparato di recupero calore secondo Γ invenzione;

- le figure 4a, 4b, 4c mostrano tre viste in sezione laterale e frontale dell’ apparato schematizzato in figura 2, con particolare riferimento al generatore termico, secondo una prima variante dell’ invenzione, le figure 5a e 5b mostrano due viste in sezione laterale e frontale dell’apparato schematizzato in figura 2, con particolare riferimento al generatore termico, secondo un ulteriore variante dell’ invenzione; la figura 5c mostra un particolare della variante delle figg. 5a e 5b. Con riferimento alla fig. 2, con 1 viene indicato, nel suo complesso, l’apparato di recupero calore, oggetto dell’invenzione, che comprende una o più generiche sorgenti di calore 2 ed un generatore termico 3.

Tali generiche sorgenti di calore 2, come detto, possono consistere in generatori di energia meccanica o elettrica quali motori a combustione interna, microturbine a gas, turbine a vapore, celle a combustibile oppure in più semplici sorgenti di calore quali, ad esempio generatori di calore di bassa efficienza, dai cui fumi à ̈ ancora possibile estrarre energia termica, o ancora più semplici dispositivi come batterie di raffreddamento di macchinari quali macchine per lo stampaggio o l’estrusione di materie plastiche.

Durante il loro funzionamento, dette sorgenti di calore 2 emettono calore sostanzialmente solo tramite aeriformi caldi che consistono in gas di combustione FI e/o aria di raffreddamento e ventilazione F2 riscaldata dal raffreddamento di apparecchiature varie.

Esempio di sorgenti di calore 2 possono essere:

i motori a combustione interna, le microturbine a gas, che emettono calore sia tramite gas di combustione FI che aria di raffreddamento e ventilazione F2 degli organi ausiliari,

- i generatori di calore di bassa efficienza che emettono calore tramite gas di combustione FI,

le batterie di raffreddamento che emettono calore tramite aria di raffreddamento e ventilazione F2.

Gli aeriformi caldi FI ed F2 emessi da ciascuna di dette sorgenti di calore 2 sono spesso in quantità troppo piccola e/o di troppo bassa temperatura affinché sia possibile e/o economico recuperarne l’energia termica tramite individuali dispositivi di recupero.

Nelle figure 1 e 2, del generatore termico 3 sono qui indicati schematicamente la camera di combustione (o focolare) 31, lo scambiatore di calore 32 ed il camino 36.

Secondo l’invenzione, il contenuto entalpico degli aeriformi caldi FI ed F2 in uscita dalla sorgente di calore 2 à ̈ recuperato in detto generatore 3.

Più precisamente, i gas di combustione FI, che hanno una temperatura sufficientemente elevata, sono inviati a cedere calore nello scambiatore 32 mentre l’aria di raffreddamento F2 à ̈ utilizzata nel medesimo generatore 3 quale aria comburente al focolare 31.

Non sono escluse situazioni particolari in cui vi sia aria di raffreddamento F2 assimilabile ai gas di combustione FI perché sufficientemente calda da poter essere inviata agli scambiatori 32 o viceversa, gas di combustione FI da assimilare all’aria di raffreddamento F2 perchà ̈ talmente freddi (o ricchi di ossigeno) da dover essere immessi nel focolare 31 assieme all’aria comburente, se non disturbano la combustione di ossigeno.

Il generatore termico 3 Ã ̈ preferibilmente un generatore per la produzione di vapore e/o acqua calda e/o olio diatermico, e, in particolare, Ã ̈ una caldaia a tubi di filmo (si veda la figura 1).

La tecnologia ed il ftmzionamento alla base delle caldaie a tubi di fumo 3 (da qui in poi detta per semplicità caldaia) à ̈ ormai nota da tempo ed à ̈ sufficiente una breve descrizione.

Con riferimento alla figura esemplificativa 1 ed alle figg. dalla 4a alla 5c, della caldaia a tubi di fumo 3 sono rappresentati un focolare 31, di forma in genere cilindrica, nel quale ha luogo la combustione, ed una serie di tubi 33 (che nel loro complesso costituiscono lo scambiatore 32 percorsi dai gas combusti. Detti tubi 33 sono raggruppati in vari fasci (anche dette giri di fumo) attraverso i quali i gas attraversano una o più volte la caldaia 3. Sia il focolare 31 che i tubi 33 sono circondati dall’acqua A (nello stato di liquido e vapore) contenuta in un involucro cilindrico 38; all’estremità di questo, sono previste delle piastre tubiere anteriori e posteriori 3801 per Γ innesto del focolare 31 e dei tubi 33.

Più in particolare (si veda ad esempio la figura 4a), i gas combusti, uscendo dal focolare 31, che coincide con il primo giro di fumi 3101, passano in una prima camera di inversione 34 e da questa entrano, confinati superiormente da un diaframma 3401, nei tubi 33 del secondo giro di fumi 3302. Detti fumi si scaricano quindi in una seconda camera di inversione 35, posta solitamente sul fronte della caldaia 3 (a tale scopo si faccia riferimento al verso delle frecce F riportate sui vari tubi 33 di figura 1), ed infine, attraverso il terzo, ed ultimo, giro di fumi 3303, ormai sufficientemente freddi, portati al camino 36.

Nelle figure da 4a a 5c à ̈ schematicamente rappresentato un portello di ispezione 37 che la caldaia 3 normalmente prevede in corrispondenza del suo fronte per l’ispezione e le eventuali operazioni manutentive.

La caldaia 3 comprende ulteriormente almeno un bruciatore a monte del focolare 31 ed il relativo ventilatore (o soffiante) per Γ alimentazione dell’aria comburente (comunque non mostrati nelle figure allegate).

Sin qui sono stati menzionati tutti componenti noti della caldaia 3.

Con 4 à ̈ indicato un convogliatore che, secondo l’invenzione, à ̈ destinato a convogliare i detti gas di combustione FI per il loro recupero energetico in almeno una parte dello scambiatore 32.

Il portello di ispezione 37 viene opportunamente modificato, rispetto all’arte nota, cosi da consentire in esso l’alloggiamento ed il passaggio del convogliatore 4.

Detto convogliatore 4 ha una parte esterna 41 collegata, direttamente o indirettamente tramite condotti, alle una o più sorgenti di calore 2 per accoglierne i gas di combustione FI ed una parte interna 42 destinata ad accoppiarsi con uno più tubi 33 dello scambiatore di calore 32 della caldaia a tubi di fumo 3, in particolare con uno o più tubi 33 di almeno il terzo giro di fumi 3303, premendo sulle piastre tubiere anteriori 3801 con la sua bocca di uscita 4201.

Per poter variare a scelta gli uno più tubi 33 con cui il convogliatore 4 si accoppia, a seconda della portata e della temperatura dei gas di combustione FI, o per evitare che il convogliatore 4 medesimo interferisca con detti tubi 33 quando non vi sono gas di combustione FI da cui recuperare energia, à ̈ opportuno che la parte interna 42 sia suscettibile di ruotare e traslare assialmente rispetto alla parte esterna 41, in cui à ̈ parzialmente inserita.

Quindi, preferibilmente e con riferimento alle figure da 4a a 4c, detto convogliatore 4 à ̈ un condotto telescopico che comprende una parte esterna 41 vincolata in modo ermetico al portello di ispezione 37 ed una parte interna 42, suscettibile di ruotare e traslare assialmente rispetto alla parte esterna 41, in cui à ̈ parzialmente inserita, per mezzo di un giunto telescopico 5 di accoppiamento (schematicamente rappresentato nelle figg. allegate). In particolare, detta rotazione à ̈ permessa dalle sezioni 4101 e 4205, entrambe circolari, di detto giunto 5 in corrispondenza delle quali si realizza l’accoppiamento tra la parte esterna 41 ed interna 42 del condotto 4 (si veda in particolare la figura 5c).

A titolo di esempio non limitativo, la parte interna 42 mobile ha preferibilmente bocca 4201 di sezione ellittica e/o circolare.

La traslazione assiale della parte interna 42 rispetto a quella esterna 41 fissa, consente alla bocca 4201 di avvicinarsi, all’interno della camera di inversione 35, alla piastra tubiera 3801, cosi da intercettare detti uno o più tubi di fumo 33, mentre la sua rotazione determina quali tubi di fumo 33 di detta piastra 3801 debbano essere dedicati ai gas di combustione FI della sorgente di calore 2, e quindi il numero di passaggi in caldaia 3 degli stessi.

Con riferimento alle figure da 4a a 4c, 5a e 5c, detti tubi di fumo 33 intercettati da detta bocca 4201 definiscono quindi la parte 3201 dello scambiatore di calore 32 della caldaia 3 dedicata al raffreddamento dei soli gas di combustione FI della una o più sorgente di calore 2.

Ad esempio, con riferimento alla figura 4a, il condotto 4 à ̈ in grado di intercettare un opportuno numero di tubi 33 appartenenti solo al terzo giro di fumi 3303 mentre, con riferimento alle figure 4b e/o 4c, à ̈ facile osservare come per effetto della rotazione, la parte interna 42 del condotto 4 possa contemporaneamente intercettare più tubi di fumo 33 del terzo giro di fumi 3303 ed almeno un tubo 33 del secondo giro 3302.

Nel caso di figura 4a, quindi i gas di combustione FI della sorgente di calore 2 compiono un solo passaggio in caldaia 3, attraverso il terzo giro di fumi 3303, mentre nel caso di figura 4b e/o 4c, una parte di detti gas di combustione FI realizzano un triplo passaggio in caldaia 3.

Con riferimento alle figure 4b e 4c, infatti, parte di detti fumi FI attraversa, in direzione fronte-retro, la caldaia 3 tramite uno o più tubi 33 del secondo giro di fumi 3302, inverte il suo verso nella camera di inversione 34, passa nei tubi 33 del secondo giro di fumi 3302 non intercettati dalla bocca 4201 del condotto 4, e quindi attraversa il terzo ed ultimo giro 3303 prima di scaricarsi al camino 36.

Ovviamente, i tubi di filmo 33 di qualsiasi giro non intercettati dalla bocca 4201 continuano ad essere attraversati (secondo i versi delle frecce F e della loro rappresentazione vettoriale riportati nelle figure allegate, dove con la “x†si intende il verso fronte-retro e con “·â€ quello opposto retro-fronte) dai prodotti della combustione interna alla caldaia 3, o da una loro miscela con detti gas di combustione FI (come accade, ad esempio, con riferimento alla fig. 4b, nei tubi 33 del secondo giro 3302 non dedicati esclusivamente ai gas di combustione FI medesimi).

Analoghi ragionamenti sono validi anche per la variante delle figure dalla 5a alla 5c che si differenzia da quanto fin qui descritto per la sezione circolare (anziché più genericamente ellittica) della bocca 4201 del condotto 4.

In questo caso, affinché la rotazione della parte interna 42 del condotto 4 sia funzionale agli scopi appena sopra descritti, à ̈ necessario che il centro della bocca 4201 sia disassato rispetto a quello della parte esterna fissa 41.

Con riferimento alla figure 5c, la parte interna 42 comprende un primo tratto 4202, coassiale alla parte fissa 41, ed un secondo tratto 4203 (quello destinato ad accoppiarsi con la sua bocca 4201 alla piastra tubiera 3801) con asse parallelo al primo e ad esso collegato tramite un ramo di raccordo 4204.

Completa il condotto 4 un organo di intercettazione 43, ad es. una valvola a farfalla 43 posta nella parte fissa 41 e destinata ad escludere la sorgente di calore 2 dalla caldaia 3 , in caso di un suo malfunzionamento, di manutenzione o qualora si volesse far funzionare l’apparato di recupero calore 1 dell’ invenzione come una tradizionale caldaia a tubi di fumi 3.

In questo ultimo caso, à ̈ quindi necessaria la chiusura della valvola 43 mentre la parte interna 42, mobile, del condotto 4 viene ritratta alPintemo di quella fissa 41, così che tutti i tubi di fumo 33 della caldaia 3 siano attraversati esclusivamente dai prodotti della combustione interna alla stessa.

Possono essere altresì previsti, sebbene non mostrati, anche uno o più magneti in prossimità della bocca 4201 del condotto 4 per garantire un miglior accoppiamento tra il condotto 4 e la piastra tubiera 3801 e quindi una tenuta perfetta dello stesso. In alternativa, può essere utilizzato qualsiasi mezzo di pressione noto della bocca 4201 contro la piastra tubiera 3801.

Secondo possibili varianti dell 'invenzione, un ulteriore ventilatore aspirante (non mostrato) può essere posto al camino 36 così da permettere una corretta circolazione dei fumi FI attraverso la caldaia a tubi di fumo 3 forzandoli a passare attraverso i suddetti tubi 33 del suo scambiatore 32.

Da quanto fin qui descritto, à ̈ facile constatare come il numero di tubi 33 che à ̈ opportuno siano intercettati dal condotto 4 ed il numero di passaggi dei gas di combustione FI in caldaia 3 dipenda da una serie di fattori quali, ad esempio, la loro temperatura in uscita dalla una o più sorgente di calore 2, la loro portata e, più in generale, dalla potenza termica disponibile ai fumi.

Le configurazioni di figura 4a e 5a (un solo passaggio dei fumi FI di scarico in caldaia 3) sono preferibili nel caso di ridotte potenze termiche disperse dai gas di combustione FI (e/o di loro ridotte temperature), mentre al contrario, le configurazioni di figura 4b e 4c o di figura 5b, o qualsiasi altra configurazione che assicuri tre passaggi dei fumi FI in caldaia, sono da preferirsi con valori più elevati della potenza termica dispersa In ogni caso comunque, il numero di tubi 33 intercettati dal condotto 4 e, di conseguenza, il numero di passaggi dei fumi FI in caldaia 3 à ̈ scelto affinché si ottenga, in uscita dalla stessa, fumi FI alla temperatura minima possibile.

Se à ̈ previsto che i parametri fisici che caratterizzano i gas di combustione FI (loro temperatura e portata) siano sostanzialmente costanti nel tempo, la scelta di una tra queste configurazioni (e quindi in particolare l’angolo di rotazione della parte interna mobile 42 del condotto 4) può essere determinata manualmente.

Più in generale, però, à ̈ preferibile che sia una centralina elettronica a determinare rassetto più opportuno del condotto 4 al variare di detti parametri fìsici di cui riceve notizia tramite opportuni sensori.

E’ evidente che tanto maggiore à ̈ la parte 3201 di scambiatore di calore 32 dedicata ai gas di combustione FI, tanto minore sarà la potenza termica che à ̈ possibile erogare al focolare 31 ma la modulazione di tal potenza avviene automaticamente ad opera degli organi di controllo di cui il generatore termico 3 à ̈ normalmente equipaggiato. Infatti la potenza al focolare à ̈ modulata in funzione della domanda di energia termica da parte dell’utenza che, in caso di presenza dei gas di combustione FI, à ̈ soddisfatta con minori carichi al focolare 31.

Come già in parte anticipato, in una o più sorgente di calore 2, oltre dai gas di combustione FI, vi à ̈ la possibilità di recuperare in caldaia 3 l’energia termica dell’aria di raffreddamento e/o ventilazione F2, ad esempio, degli organi e dei circuiti ausiliari della sorgente 2 medesima, altrimenti dispersa in ambiente.

Secondo una forma preferita e vantaggiosa, l’aria di raffreddamento e/o ventilazione F2 più calda di quella ambiente (temperature dai 60 ai 90°C), à ̈ inviata, tramite mezzi noti, direttamente nel focolare 31 della caldaia 3 ed utilizzata come aria comburente. Da questo punto di vista, la sorgente di calore 2 si comporta quindi da preriscaldatore dell’aria comburente per la combustione interna alla caldaia 3.

Per effetto di detto ulteriore recupero energetico in caldaia 3 e di quello operato sui fumi FI si ha quindi un consistente miglioramento del rendimento globale dell’apparato di recupero calore 1 dell’invenzione.

E’ noto infatti come in una caldaia 3 per la produzione di acqua calda e/o vapore il rendimento sia funzione della temperatura dell’aria aspirata al bruciatore del focolare 31 e dei fumi di scarico: tanto più, quindi, la temperatura di detta aria si avvicina a quella dei fumi al camino 36 tanto migliore à ̈ il rendimento termico della caldaia 3 e quindi dell 'apparato di recupero calore 1 nel suo complesso.

E’ chiaro che numerose altre varianti alP apparto di recupero calore 1 oggetto dell’invenzione sono possibili all’uomo del ramo, senza per questo uscire dagli ambiti di novità insiti nell’idea inventiva, così come à ̈ chiaro che nella pratica attuazione dell’invenzione i vari componenti in precedenza descritti potranno essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti.

Preferibilmente, la sorgente di calore 2 può essere un motore primo adibito sostanzialmente alla produzione di energia elettrica.

Ancora più preferibilmente, detto motore primo 2 à ̈, come già anticipato, un motore a combustione interna o una microturbina a gas, tecnologie ormai consolidate e di sicura affidabilità, sulle quali non à ̈ quindi necessario dilungarsi a lungo. Secondo questa forma preferita, l’apparato di recupero calore 1 à ̈ quindi un apparato di cogenerazione per la produzione combinata di energia elettrica e termica per il quale valgono tutte le considerazioni precedentemente fatte.

In questo caso e rispetto all’arte nota, il motore primo 2 può essere privo del suo tradizionale recuperatore integrato, essendo allacciato (per mezzo del detto convogliatore 4) alla caldaia 3 in cui si realizza, indubbiamente, un più efficiente recupero del calore da esso altrimenti disperso sotto forma di gas di combustione FI e di aria di raffreddamento e/o ventilazione F2.

Secondo altre forme, il motore primo 2 (o più in generale la sorgente di calore 2) può essere collegato, per mezzo del condotto telescopico 4, al retro della caldaia a tubi di fumo 3, anziché, come visto, in corrispondenza del suo portello (opportunamente modificato per consentire il passaggio di detto condoto 4).

Può essere altresì prevista una variante molto semplificata dell’apparato di cogenerazione 1 (o, in generale, dell’apparato di recupero calore 1), ed in particolare del detto convogliatore 4; secondo questa variante semplificata, la sua parte interna 42 mobile può semplicemente traslare assialmente rispeto a quella fissa 41 senza necessariamente ruotare. Tale configurazione si presta particolarmente bene, come già detto, quando i parametri fisici che caraterizzano i gas di combustione FI sono sostanzialmente costanti nel tempo e la scelta della parte 3201 dello scambiatore di calore 32 dedicata a detti gas FI può essere determinata manualmente.

A tale scopo, à ̈ inoltre possibile una variante ulteriormente semplificata in cui il convogliatore 4 comprende solo la parte esterna 41 (per semplicità descritiva da qui in poi detta condoto 41) accoppiata in modo ermetico al portello di ispezione 37 ma suscetibile di traslare per intercetare i tubi 33 dello scambiatore 32 della caldaia 3 dedicati ai suddetti gas di combustione FI.

E’ evidente quindi, come con l’apparato di recupero calore 1 appena sopra descrito nelle sua forma preferita e nelle sue varianti si raggiungano gli scopi prefissati, in particolare la possibilità di recuperare semplicemente ed economicamente il calore da diverse tipologie di macchine.

Ad esempio, nel caso specifico in cui la sorgente di calore 2 à ̈ un motore primo (ma lo stesso ragionamento può essere indifferentemente esteso anche al caso più generale di una qualsiasi sorgente di calore 2 alternativa) la possibilità di dedicare parte dello scambiatore di calore 32 della caldaia 3 per il raffreddamento dei soli gas di combustione FI di detto motore 2 ed il recupero dell’aria di raffreddamento e/o ventilazione F2 permete un sensibile incremento del rendimento globale dell’apparato di cogenerazione 1 ed un recupero quasi totale delle sue perdite termiche.

Appare evidente, inoltre, come, con ridotti investimenti, una qualsiasi utenza possa integrare una caldaia 3, già installata ed operativa, con un motore 2, atto alla generazione elettrica, scegliendo la potenza che meglio si adatta ai propri consumi. Detti sistemi di cogenerazione 1 sono così in grado di soddisfare anche le esigenze di quelle utenze che necessitano di elevate potenze termiche ma di ridotte potenze elettriche. E’ infatti sufficiente fornire con la caldaia a tubi di fumo 3 un portello accessorio, da sostituire a quello standard 37 ed in grado di alloggiare e supportare il detto convogliatore 4.

L’integrazione di microturbine a gas o motori a combustione interna a caldaie 3 già installate o in commercio riducono sensibilmente anche il loro costo specifico, non dovendo più prevedere, come nell’arte nota, dispositivi di recupero dei fumi di scarico (e/o dell’ aria di raffreddamento) interni e fortemente integrati.

L’apparato di cogenerazione 1 dell’invenzione presenta inoltre una vita utile maggiore rispetto a quelli tradizionali, quantomeno grazie alla possibilità di manutenere separatamente o rinnovare, in caso di bisogno, ora solo il motore primo 2 ora solo la caldaia a tubi di fumo 3; non vi à ̈ inoltre il bisogno di interrompere, seppur temporaneamente, la produzione elettrica e/o quella termica nel caso di avaria o sostituzione di uno di detti componenti.

Infine, il generatore termico 3 può essere anche una caldaia a tubi d’acqua.

Claims (19)

1. RIVENDICAZIONI Riv. 1 Generatore termico (3) per la produzione di energia termica comprendente: - almeno un focolare (31), nel quale ha luogo la combustione - uno scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) nel quale ha luogo il raffreddamento dei prodotti della combustione, detto scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) essendo del tipo a “tubi di fumo†che prevede uno o più giri di fumo (3101, 3302, 3303) comprendenti una pluralità di tubi (33) contenuti in un involucro esterno (38) di detto generatore termico (3), ciascuna estremità di detto involucro (38) prevedendo una piastra tubiera (3801) per l’innesto di detti tubi (33) e di detto almeno un focolare (31), ed - un camino (36) per il loro scarico in atmosfera detto generatore termico (3) essendo collegato per mezzo di un convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) ad una o più sorgenti di calore (2), detta una o più sorgenti di calore (2) essendo sorgenti di calore esterne e distinte da detto generatore (3) e detto convogliatore (4) inviando gli aeriformi caldi (FI, F2) emessi da detta una o più sorgenti di calore (2) in detto generatore termico (3) per il recupero del loro contenuto entalpico caratterizzato dal fatto che detti aeriformi caldi (FI, F2) emessi da detta una o più sorgenti di calore (2) sono gas di combustione (FI) e dal fatto che detto convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) à ̈ atto a portare detti gas di combustione (FI) a cedere calore in una parte (3201) di detto scambiatore (32; 3201, 3101, 3302, 3303). Riv.
2. 2 Generatore termico (3) secondo la precedente rivendicazione caratterizzato dal fatto che detta parte (3201) di detto scambiatore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) à ̈ suscettìbile di essere utilizzata esclusivamente per il raffreddamento di detti gas di combustione (FI). Riv.
3. 3 Generatore termico (3) secondo qualsiasi rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detto convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) atto a portare i detti gas di combustione (FI) da detta una o più sorgenti di calore (2) a detto generatore termico (3) comprende: - una parte esterna (41) collegata a detta una o più sorgenti di calore (2) per accoglierne detti gas di combustione (FI) - una parte interna (42) destinata ad accoppiarsi, in corrispondenza della sua bocca (4201), a detta piastra tubiera (3801) così da intercettare uno o più di detti tubi (33) del detto scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303), detti uno o più tubi (33) definendo la detta parte (3201) dello scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) dedicata al raffreddamento di detti gas di combustione (FI) Riv.
4. 4 Generatore termico (3) secondo la precedente rivendicazione caratterizzato dal fatto che detta parte interna (42)à ̈ suscettibile di traslare avvicinandosi a detta piastra tubiera (3801) cosi da poter intercettare detti uno o più di detti tubi (33), definendo la detta parte (3201) di detto scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) dedicata al raffreddamento di detti gas di combustione (FI), oppure à ̈ suscettibile di traslare allontanandosi da detta piastra tubiera (3801) così che tutti i tubi di fumo (33) di detto scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) siano attraversati esclusivamente dai prodotti della combustione interna al detto almeno un focolare (31) di detto generatore (3). Riv.
5. 5 Generatore termico (3) secondo la precedente rivendicazione caratterizzato dal fatto che detta parte interna (42) trasla assialmente rispetto alla detta parte esterna (41) in cui à ̈ parzialmente inserita, dette parti interna (42) ed esterna (41) essendo accoppiate tra loro per mezzo di un giunto telescopico (5; 4101, 4205). Riv.
6. 6 Generatore termico (3) secondo la precedente rivendicazione caratterizzato dal fatto che detto giunto telescopico (5; 4101, 4205) ha sezioni (4101, 4205) circolari, la detta parte interna (42) essendo quindi suscettibile di ruotare rispetto alla detta parte esterna (41) in cui à ̈ parzialmente inserita. Riv.
7. 7 Generatore termico (3) secondo qualsiasi rivendicazione precedente, in particolare la 3 caratterizzato dal fatto che il centro della detta bocca (4201) Ã ̈ sullo stesso asse di quello di detta parte esterna (41), detta bocca (4201) avendo sezione tale da definire e variare, per effetto della sua rotazione, la detta parte (3201) dello scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) dedicata al raffreddamento di detti gas di combustione (FI). Riv.
8. 8 Generatore termico (3) secondo qualsiasi rivendicazione precedente esclusa la 7, in particolare la 3 caratterizzato dal fatto che il centro di detta bocca (4201) di detta parte interna (42) Ã ̈ disassato rispetto a quello di detta parte esterna (41), detta bocca (4201) definendo e variando, per effetto della sua rotazione, la detta parte (3201) dello scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) dedicata al raffreddamento di detti gas di combustione (FI). Riv.
9. 9 Generatore termico (3) secondo qualsiasi rivendicazione precedente, in particolare la 3 caratterizzato dal fatto che il detto convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) Ã ̈ alloggiato e passante attraverso il portello di ispezione (37) di detto generatore termico (3), la detta parte esterna (41) di detto convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) essendo accoppiata ermeticamente a detto portello di ispezione (37). Riv.
10. 10 Generatore termico (3) secondo qualsiasi rivendicazione precedente caratterizzata dal fatto che detto convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) comprende ulteriormente un organo di intercettazione (43) destinato ad escludere la detta una o più sorgenti di calore (2) da detto generatore termico (3), detto organo di intercettazione (43) essendo, in particolare, una valvola a farfalla posta in detta parte esterna (41). Riv.
11. 11 Generatore termico (3) secondo qualsiasi rivendicazione precedente, in particolare la 3 caratterizzato dal fatto che la detta parte (3201) dello scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) intercettata e definita da detto convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) comprende uno o più tubi (33) del secondo (3302) e/o terzo (3303) giro di fumi. Riv.
12. 12 Generatore termico (3) secondo qualsiasi rivendicazione precedente, in particolare la 9 caratterizzato dal fatto di essere già installato ed operativo o già in commercio, il detto portello di ispezione (37) in cui à ̈ alloggiato e passante il detto convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) essendo un portello accessorio da sostituire a quello standard del detto generatore termico (3). Riv.
13. 13 Generatore termico (3) secondo qualsiasi rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detti aeriformi caldi (FI, F2) emessi da detta una o più sorgenti di calore (2) comprendono ulteriormente l’aria di raffreddamento e/o ventilazione (F2) riscaldata dal raffreddamento di apparecchiature varie di detta una o più sorgenti di calore (2), detta aria di raffreddamento (F2) essendo utilizzata come aria comburente in detto almeno un focolare (31). Riv.
14. 14 Generatore termico (3) secondo qualsiasi rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detta una o più sorgenti di calore (2) consistono in motori primi e/o generatori di calore a bassa efficienza e/o batterie di raffreddamento. Riv.
15. 15 Convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) destinato a portare aeriformi caldi (FI, F2) da una o più sorgenti di calore (2) ad un generatore termico (3) per il recupero del loro contenuto entalpico, secondo una o più rivendicazioni precedenti da 1 a 12. Riv.
16. 16 Apparato di recupero calore (1) comprendente un generatore termico (3) ed una o più sorgenti di calore (2), detto generatore (3) e detta una o più sorgenti di calore (2) essendo collegate tra loro per mezzo di un convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205), secondo una o più delle rivendicazioni precedenti. Riv.
17. 17 Apparato di recupero (1) secondo la precedente rivendicazione caratterizzato dal fatto di essere un apparato di cogenerazione (1), essendo la detta una o più sorgente di calore (2) un motore primo (2) adibito alla produzione di energia elettrica e/o meccanica. Riv.
18. 18 Metodo di recupero in un generatore termico (3) del contenuto entalpico di aeriformi caldi (FI, F2) emessi da una o più sorgenti di calore (2), secondo qualsiasi rivendicazione precedente caratterizzato dal fatto che detti uno o più di detti tubi (33), che si desidera far intercettare dal detto convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205), e che definiscono la detta parte (3201) del detto scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) dedicata al raffreddamento dei detti gas di combustione (FI), sono scelti manualmente, detti gas di combustione (FI) avendo parametri fisici sostanzialmente costanti nel tempo, detti parametri fisici essendo, in particolare, la loro portata e/o temperatura. Riv.
19. 19 Metodo di recupero in un generatore termico (3) del contenuto entalpico di aeriformi caldi (FI, F2) emessi da una o più sorgenti di calore (2), secondo qualsiasi rivendicazione precedente esclusa la 18 caratterizzato dal fatto chedetti uno o più di detti tubi (33) che si desidera far intercettare dal detto convogliatore (4; 41, 4101, 42, 43, 4201, 4202, 4203, 4204, 4205) e che definiscono la detta parte (3201) del detto scambiatore di calore (32; 3201, 3101, 3302, 3303) dedicata al raffreddamento dei detti gas di combustione (FI), sono opportunamente scelti in modo automatico da una centralina elettronica al variare, istante per istante, dei parametri fisici che caratterizzano detti gas di combustione (FI) di cui riceve notizia tramite opportuni sensori detti parametri fisici essendo, in particolare, la loro portata e/o temperatura.