ITMI20091983A1 - Scambiatore di calore ad efficienza termica incrementata. - Google Patents
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Description
“SCAMBIATORE DI CALORE AD EFFICIENZA TERMICA INCREMENTATAâ€
DESCRIZIONE
Il presente trovato ha come oggetto uno scambiatore di calore ad efficienza termica incrementata.
Nel settore degli scambiatori di calore e simili, per caldaie da impiegare nel riscaldamento di acqua idrosanitaria o di acqua per impianti di riscaldamento, à ̈ noto utilizzare scambiatori di calore costituiti, generalmente, da un corpo contenitore di metallo nel quale si realizza una camera di combustione nella quale à ̈ alloggiata una o più condotte a serpentina nelle quali circolano i fluidi da riscaldare.
Normalmente, la miscela combustibile, che tipicamente à ̈ costituita da aria più gas, viene indirizzata forzatamente nel bruciatore sotto la spinta di un ventilatore e, dopo la combustione che avviene in un'apposita camera, per effetto della spinta del ventilatore stesso, i gas combusti lambiscono la condotta attraverso gli spazi previsti nella serpentina realizzando lo scambio termico desiderato.
Tali scambiatori di calore di tipo noto non sono scevri da inconvenienti tra i quali va annoverato il fatto che i gas combusti non riescono a lambire completamente la condotta a serpentina cosicché lo scambio termico ha un'efficienza effettiva di gran lunga inferiore a quella ideale.
Tale inconveniente à ̈ ancor più marcato qualora si utilizzino, nello stesso scambiatore di calore, più condotte a serpentina. Infatti, la presenza di più condotte a serpentina avvolte una dentro l'altra e/o intercalate tra loro, porta ad evidenti limiti fluidodinamici dei gas combusti che dovrebbero lambire le condotte stesse ed a evidenti limiti di scambio termico tra la condotta esterna e la condotta interna.
Compito precipuo del presente trovato consiste nel realizzare uno scambiatore di calore ad efficienza incrementata che risolva gli inconvenienti della tecnica nota aumentando l'efficienza termica dello scambiatore di calore se paragonato ad uno scambiatore di calore di tipo noto e di pari dimensioni.
Nell'ambito di questo compito uno scopo del presente trovato consiste nel realizzare uno scambiatore di calore che sia strutturalmente semplice, di facile realizzazione e montaggio, nonché a costi competitivi.
Questo compito, nonché questo ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, sono raggiunti da uno scambiatore di calore ad efficienza termica incrementata comprendente un corpo contenitore attraversato da un flusso forzato di fluido caldo ed almeno una condotta a serpentina percorsa al suo interno da almeno un fluido da riscaldare, detta almeno una condotta a serpentina essendo alloggiata internamente a detto corpo contenitore ed essendo lambita da detto fluido caldo per il riscaldamento di detto almeno un fluido da riscaldare, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di alette definite sulla superficie esterna di detta almeno una condotta a serpentina e sviluppantisi sostanzialmente lungo tutta la lunghezza longitudinale di detta almeno una condotta a serpentina per l'incanalamento di detto fluido caldo lungo detta almeno una condotta a serpentina per l'aumento dello scambio termico tra detto almeno un fluido caldo e detto fluido da riscaldare.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato risulteranno dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, di uno scambiatore di calore ad efficienza termica incrementata, secondo il trovato, illustrata, a titolo indicativo e non limitativo, negli allegati disegni, in cui:
la figura 1 Ã ̈ una sezione longitudinale di uno scambiatore di calore ad efficienza termica incrementata, secondo il trovato;
la figura 2 Ã ̈ una vista in alzato laterale della condotta a serpentina dello scambiatore di calore rappresentato in figura 1;
la figura 3 Ã ̈ una vista in pianta della condotta a serpentina dello scambiatore di calore rappresentato in figura 1;
la figura 4 Ã ̈ una vista parziale in pianta di una prima variante della condotta a serpentina rappresentata in figura 3;
la figura 5 Ã ̈ una sezione della condotta a serpentina rappresentata in figura 4 eseguita secondo l'asse V-V;
la figura 6 Ã ̈ una vista parziale in pianta di una seconda variante della condotta a serpentina rappresentata in figura 3;
la figura 7 Ã ̈ una sezione della condotta a serpentina rappresentata in figura 4 eseguita secondo l'asse VII-VII.
Con riferimento alle figure citate, lo scambiatore di calore ad efficienza termica incrementata, indicato globalmente con il numero di riferimento 1, comprende un corpo contenitore 2, di forma cilindrica a base circolare, al cui interno à ̈ alloggiata una condotta a serpentina 3 delimitante esternamente una camera di combustione 4 di una miscela combustibile 5 per il riscaldamento del o dei fluidi da riscaldare 6 circolanti nella condotta a serpentina 3 con i gas combusti 7 derivanti dalla combustione della miscela combustibile 5 tramite un cilindro bruciatore 16 con superficie forata 17.
Infatti, tramite mezzi ventilatori non rappresentati, i gas combusti 7, derivanti dalla combustione della miscela combustibile 5 e definenti un flusso di fluido caldo, vengono forzatamente inviati sulla condotta a serpentina 3 lambendone la superficie esterna per il riscaldamento del fluido da riscaldare 6.
Più precisamente, la condotta a serpentina 3 si sviluppa da un imbocco di ingresso 8 ad uno sbocco di uscita 9 entrambi esterni al corpo contenitore 2 e posizionati, rispettivamente, nella parte inferiore e nella parte superiore del corpo contenitore 2.
Secondo il trovato, sono previste una pluralità di alette 30 definite sulla superficie esterna della condotta a serpentina 3 e sviluppantisi sostanzialmente lungo tutta la lunghezza longitudinale della stessa condotta a serpentina 3 per l'incanalamento del fluido caldo 7 lungo la condotta a serpentina 3 con conseguente aumento dello scambio termico tra il fluido caldo 7 ed il fluido da riscaldare 6.
Vantaggiosamente, la condotta a serpentina 3 Ã ̈ sostanzialmente a sezione trasversale circolare e le alette 30 si sviluppano radialmente rispetto alla sezione trasversale circolare della condotta a serpentina 3 stessa il tutto ottenuto in un unico pezzo e senza saldature.
Al fine di poter riscaldare contemporaneamente o selettivamente più fluidi 6 come, ad esempio, l'acqua destinata all'impianto idrosanitario di un edificio e/o all'impianto di riscaldamento dello stesso edificio, la condotta a serpentina 3 à ̈ suddivisa al suo interno, secondo una sezione trasversale, in una pluralità di canali sostanzialmente paralleli ed indipendenti tra di loro e percorsi, ciascuno, da un rispettivo fluido da riscaldare 6.
Più specificatamente, la condotta a serpentina 3 à ̈ suddivisa al suo interno, secondo una sezione trasversale, in un canale principale 31 coassiale alla condotta a serpentina 3 stessa ed in una pluralità di canali secondari 32 paralleli, indipendenti tra di loro e radialmente esterni al canale principale 31.
In questo modo, Ã ̈ possibile ottenere cinque canali di cui uno, il canale principale 31, percorso da un primo fluido da riscaldare 6 e quattro, i canali secondari 32, di sezione trasversale sostanzialmente pari ad un quarto della sezione trasversale della regione esterna al canale principale 31, ossia ad un quarto di corona circolare, e percorsi da un secondo fluido da riscaldare 6.
In una prima possibile variante della condotta a serpentina 3, le alette 30 della stessa possono presentare un andamento elicoidale rispetto l'asse della condotta a serpentina 3.
In una seconda possibile variante della condotta a serpentina 3, la stessa condotta a serpentina 3 può essere suddivisa in quattro canali 33 ci cui, ciascuno, à ̈ definito da un settore di cerchio della sezione trasversale circolare della condotta a serpentina 3, ad esempio, pari ad un quarto della sezione trasversale circolare della condotta a serpentina 3 stessa.
Con una struttura ad alette elicoidali della condotta a serpentina 3, la stessa può essere collocata in prossimità o addirittura quasi a contatto, sostanzialmente lungo tutta il suo sviluppo assiale, delle pareti esterne 10 del corpo contenitore 2 e di un elemento convogliatore 11 dei gas combusti 7 per il loro indirizzamento in raccoglitore di scarichi 20 e successivamente in un tubo di scarico 12 esterno al corpo contenitore 2.
In corrispondenza della base superiore 13 del corpo contenitore 2, à ̈ prevista una presa d'aria 14 per l'iniezione forzata della miscela combustibile 5, che può essere ad esempio una miscela di aria e gas, tramite i mezzi ventilatori esterni precedentemente citati consistenti, ad esempio, in un ventilatore esterno al corpo contenitore 2 e non rappresentato.
Tale miscela combustibile 5 viene dunque inviata in una camera di immissione 15 di forma anulare, definita sempre in corrispondenza della base superiore 13, comunicante con il cilindro bruciatore 16.
Più dettagliatamente, la camera di immissione 15 à ̈ direttamente comunicante con il cilindro bruciatore 16 che à ̈ definito da una superficie permeabile 17 di forma cilindrica a base circolare dove si sviluppa la fiamma.
Il cilindro bruciatore 16, oltre ad essere comunicante da un lato con la camera di immissione 15 per l'immissione della miscela combustibile 5 dalla camera di combustione 4, presenta il lato opposto chiuso da un disco termicamente isolante 18.
Vantaggiosamente, l'elemento convogliatore 11 può comprendere un corpo cavo di forma cilindrica a base circolare o semplicemente il disco termicamente isolante 18 e comunicante, in prossimità del disco termicamente isolante 18, con il cilindro bruciatore 16.
Opportunamente, l'elemento convogliatore 11 Ã ̈ alloggiato nel corpo contenitore 2 da parte opposta al cilindro bruciatore 16 ed ha un'apertura inferiore affacciata alla base inferiore 19 del corpo contenitore 2 per il passaggio dei gas combusti 7 dalla camera di combustione 4 al raccoglitore di scarichi 20.
Ulteriormente, il raccoglitore di scarichi 20, à ̈ collocato in corrispondenza della base inferiore 19 del corpo contenitore 2 ed à ̈ atto a raccogliere i liquidi 21 derivanti dalla condensa dei gas combusti 7 a contatto con la condotta a serpentina 3.
Il raccoglitore di scarichi 20 Ã ̈ munito di un raccordo di scarico 22 verso l'esterno per la fuoriuscita dei liquidi 21 dal corpo contenitore 2 e di un raccordo di scarico 23 per la fuoriuscita dei gas di scarico 7 tramite il tubo di scarico 12 verso l'esterno.
In una possibile variante dello scambiatore di calore 1, la geometria globale dello scambiatore di calore 1 stesso o alcuni componenti possono cambiare come, ad esempio, il tubo di scarico 12 che può essere alloggiato internamente al corpo contenitore 2. In ogni caso, la condotta a serpentina 3 rimane invariata.
Il funzionamento dello scambiatore di calore 1, secondo il presente trovato, risulta chiaro ed evidente da quanto spiegato.
In particolare modo, bisogna sottolineare come lo scambio termico tra il fluido da riscaldare 6 ed i gas combusti 7, che nei disegni citati avviene in controcorrente, Ã ̈ favorito dalla presenza delle alette 30.
Infatti, la miscela combustibile 5, sotto la spinta dei mezzi ventilatori citati, viene indirizzata nella camera di immissione 15 attraverso la presa d'aria 14 per poi scendere in direzione assiale, ossia parallelamente all'asse 25 dello scambiatore di calore 1, nel cilindro bruciatore 16.
Attraverso la superficie permeabile 17 del cilindro bruciatore 16 avviene la combustione ed i gas combusti 7 vengono indirizzati nella camera di combustione 4.
Grazie alla spinta generata dai mezzi ventilatori, i gas combusti 7 vengono spinti verso la condotta a serpentina 3 ed incanalati nelle scanalature elicoidali definite tra un'aletta 30 e l'altra lambendo completamente la superficie esterna della condotta a serpentina 3 e cedendo calore alla stessa.
I gas combusti 7, sempre grazie alla spinta generata dai mezzi ventilatori, vengono spinti ulteriormente verso il basso in quanto obbligati dall'incanalamento degli stessi nelle scanalature elicoidali definite tra un'aletta 30 e l'altra, per poi essere convogliati dall'elemento convogliatore 11 verso la base inferiore 19 del corpo contenitore 2.
Più specificatamente, la geometria della condotta a serpentina 3, essendo quest'ultima rinchiusa tra le pareti del corpo contenitore 2 e dell'elemento convogliatore 11, costringe i gas combusti 7 a percorrere le scanalature elicoidali definiti tra le alette 30 incrementando notevolmente l'efficienza termica.
Come già detto, l'eventuale condensa 21 viene raccolta sul fondo del corpo contenitore 2 nel raccoglitore di scarichi 20 per poi essere scaricata attraverso il raccordo 22 mentre i gas combusti 7 fluiscono verso l'esterno tramite il raccordo di scarico 23 ed il tubo di scarico 12.
In questo modo, la potenza calorica posseduta dai gas combusti 7 viene ceduta ad i fluidi da riscaldare 6.
Più precisamente, tale cessione avviene grazie alle pareti interne 34 o 35 della condotta a serpentina 3 divisorie dei canali 31, 32 e 33. Infatti, il materiale con cui à ̈ realizzata la serpentina, ad esempio l'alluminio o le sue leghe, attraverso le pareti interne 34 e 35 portano il calore ceduto alle alette 30 fino al cuore della condotta a serpentina 3.
Questo significa che, in caso uno o più dei canali 31, 32 e 33 non siano percorsi da nessun fluido da riscaldare, lo scambio termico tra i gas combusti 7 ed il fluido da riscaldare 6 percorrente al meno uno dei canali 31, 32 e 33 avviene comunque.
Si à ̈ in pratica constatato come lo scambiatore di calore ad efficienza termica incrementata, secondo il presente trovato, assolva pienamente il compito nonché lo scopo prefissato in quanto la presenza delle alette, in particolare modo con avvitamento elicoidale, sulla superficie esterna della condotta a serpentina consente di incanalare il fluido caldo facendogli lambire completamente la superficie esterna della condotta a serpentina in modo tale da ottimizzare lo scambio termico.
Un altro vantaggio dello scambiatore di calore con dispositivo di scarico fumi perfezionato, secondo il presente trovato, consiste nel fatto di essere strutturalmente semplice, di facile realizzazione ed a costi competitivi.
Lo scambiatore di calore ad efficienza incrementata, così concepito, à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.
Inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti.
In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.
Claims (9)
- RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore (1) ad efficienza termica incrementata comprendente un corpo contenitore (2) attraversato da un flusso forzato di fluido caldo (7) ed almeno una condotta a serpentina (3) percorsa al suo interno da almeno un fluido da riscaldare (6), detta almeno una condotta a serpentina (3) essendo alloggiata internamente a detto corpo contenitore (2) ed essendo lambita da detto fluido caldo (7) per il riscaldamento di detto almeno un fluido da riscaldare (6), caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di alette (30) definite sulla superficie esterna di detta almeno una condotta a serpentina (3) e sviluppantisi sostanzialmente lungo tutta la lunghezza longitudinale di detta almeno una condotta a serpentina (3) per l'incanalamento di detto fluido caldo (7) lungo detta almeno una condotta a serpentina (3) per l'aumento dello scambio termico tra detto almeno un fluido caldo (7) e detto fluido da riscaldare (6).
- 2. Scambiatore di calore (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta almeno una condotta a serpentina (3) Ã ̈ sostanzialmente a sezione trasversale circolare e che dette alette (30) si sviluppano radialmente rispetto a detta sezione trasversale circolare.
- 3. Scambiatore di calore (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette alette (30) presentano un andamento elicoidale rispetto l'asse di detta almeno una condotta a serpentina (3).
- 4. Scambiatore di calore (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta almeno una condotta a serpentina (3) à ̈ suddivisa al suo interno, secondo una sezione trasversale, in una pluralità di canali (33) sostanzialmente paralleli ed indipendenti tra di loro e percorsi, ciascuno, da un rispettivo fluido da riscaldare (6).
- 5. Scambiatore di calore (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti canali (33) à ̈ definito da un settore di cerchio della sezione trasversale circolare di detta almeno una condotta a serpentina (3).
- 6. Scambiatore di calore (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere quattro di detti canali (33) di sezione trasversale sostanzialmente pari ad un quarto della sezione trasversale circolare di detta almeno una condotta a serpentina (3).
- 7. Scambiatore di calore (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che detta almeno una condotta a serpentina (3) à ̈ suddivisa al suo interno, secondo una sezione trasversale, in un canale principale (31) coassiale a detta almeno una condotta a serpentina (3) ed in una pluralità di canali secondari (32) paralleli, indipendenti tra di loro e radialmente esterni a detto canale principale (31), detto canale principale (31) e detti canali secondari (32) essendo percorsi, rispettivamente, da un primo fluido da riscaldare (6) e da un secondo fluido da riscaldare (6).
- 8. Scambiatore di calore (1) secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti canali secondari (32) Ã ̈ definito da un settore di corona circolare di detta almeno una condotta a serpentina (3).
- 9. Scambiatore di calore (1) secondo una o più delle rivendicazioni 7 e 8, caratterizzato dal fatto di comprendere quattro di detti canali secondari (32) di sezione trasversale sostanzialmente pari ad un quarto della sezione trasversale della regione esterna a detto canale principale (31) di detta almeno una condotta a serpentina (3).
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