IT201900005518A1 - Scambiatore di calore a condensazione con bruciatore provvisto di camere di miscelazione e distribuzione e di una pluralità di ugelli bruciatori per tubi di combustione paralleli - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

dell'invenzione industriale avente per titolo:

“Scambiatore di calore a condensazione con bruciatore provvisto di camere di miscelazione e distribuzione e di una pluralità di ugelli bruciatori per tubi di combustione paralleli”

La presente invenzione concerne uno scambiatore di calore con bruciatore provvisto di camere di miscelazione e distribuzione e di una pluralità di ugelli bruciatori per tubi di combustione paralleli.

Com’è noto, gli scambiatori di calore sono concepiti con lo scopo di realizzare uno scambio di energia termica tra due fluidi aventi temperature diverse. Tipicamente, si sfruttano i prodotti di combustione, quali fumi e vapore acqueo, per scambiare calore con l’ambiente circostante, nel caso di un generatore di aria calda, o con un liquido, nel caso di un caldaia.

Ad esempio, è noto dalla domanda di brevetto italiano n. 102015000028292, depositata in data 26/06/2015 a nome della stessa richiedente, uno scambiatore di calore comprendente un bruciatore di gas premiscelati con camere di miscelazione e distribuzione ed una pluralità di ugelli di ulteriore miscelazione e di uscita di singole fiamme, una pluralità di tubi di combustione aventi una prima estremità connessa ad uno rispettivo di detti ugelli, un raccordo di inversione a cui è collegata una seconda estremità di detti tubi di combustione, una pluralità di tubi scambiatori di calore aventi un’estremità collegata a detto raccordo di inversione ed estendentisi da esso in direzione parallela ed inversa rispetto a detti tubi di combustione ed una camera di aspirazione e scarico di fumi e condensa disposta in prossimità di detto bruciatore e collegata all’altra estremità di detti tubi scambiatori.

Nel suddetto scambiatore di calore, attraverso i vari ugelli di uscita si formano rispettive fiamme separate che completano la combustione all’interno dei tubi di combustione.

Ciò può determinare problemi per quanto riguarda il calore delle fiamme presenti all’interno dei tubi di combustione e la resistenza al calore dei tubi stessi, che possono non sopportare fiamme a temperatura troppo elevata. La conseguenza può essere una scarsa efficienza dello scambiatore se la temperatura delle fiamme di combustione è troppo bassa o un rapido deterioramento dei tubi di combustione se la temperatura delle fiamme di combustione è più elevata.

In vista di questo stato della tecnica scopo della presente invenzione è quello di realizzare uno scambiatore di calore di piccolo ingombro che abbia doti di alta efficienza e lunga durata.

In accordo alla presente invenzione, detto scopo viene raggiunto mediante uno scambiatore di calore comprendente un bruciatore di gas miscelati formato da un gruppo di alimentazione di gas premiscelati e da una testata includente una camera di miscelazione, un pannello di distribuzione gas e protezione calore con feritoie, una camera di distribuzione ed una pluralità di ugelli bruciatori disposti secondo uno schema geometrico per l’uscita di singole fiamme separate, essendo inoltre prevista una pluralità di tubi di combustione aventi una prima estremità connessa ad uno rispettivo di detti ugelli, un raccordo di inversione a cui è collegata una seconda estremità di detti tubi di combustione, una pluralità di tubi scambiatori di calore aventi un’estremità collegata a detto raccordo di inversione ed estendentisi da esso in direzione parallela ed inversa rispetto a detti tubi di combustione ed una camera di aspirazione e scarico di fumi e condensa disposta in prossimità di detta testata e collegata all’altra estremità di detti tubi scambiatori, caratterizzato dal fatto che detta prima estremità dei tubi di combustione è protetta internamente da una muffola realizzata in un materiale in grado di resistere al calore prodotto dalle fiamme uscenti da detti ugelli.

La muffola può essere realizzata in ceramica o formata da fibre policristalline con elevata quantità di allumina vitrea e/o con fibre ceramiche flessibili o con un qualsiasi altro materiale ad elevata resistenza al calore. In tal modo i tubi di combustione e le loro saldature sono preservati da deterioramenti precoci anche in caso di funzionamento dello scambiatore con temperature di combustione elevate.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:

la Figura 1 mostra una vista in assonometria di uno scambiatore di calore secondo la presente invenzione;

la Figura 2 mostra una vista frontale da sinistra dello scambiatore di calore di Fig.

la Figura 3 mostra una vista laterale in sezione della parte di miscelazione e distribuzione del bruciatore e della parte di successivo scarico dello scambiatore di calore di Fig. 1 ;

la Figura 4 mostra la suddetta parte di miscelazione e distribuzione del bruciatore in sezione secondo la linea IV -IV di Figura 3;

la Figura 5 mostra l’insieme di ugelli bruciatori secondo la linea di sezione V-V di Figura 4;

la Figura 6 mostra lo stesso insieme di ugelli bruciatori secondo la linea di sezione VI-VI di Figura 4;

la Figura 7 mostra in sezione esplosa le due parti che compongono un ugello bruciatore come quelli delle Figure 5 e 6;

la Figura 8 è una vista in sezione secondo la linea Vili- Vili di Figura 4 che mostra un pannello con finestrelle che separa la camera di miscelazione e la camera di distribuzione;

la Figura 9 è una vista in sezione secondo la linea IX-IX di Figura 4, che mostra frontalmente gli ingressi dei tubi di combustione provvisti di muffole di protezione dal calore;

la Figura 10 mostra una vista frontale di una delle muffole suddette;

la Figura 11 mostra la stessa muffola in sezione longitudinale secondo la linea XI-XI di Figura 10.

In Figura 1 è mostrato uno scambiatore di calore secondo la presente invenzione. Particolarmente, si tratta di uno scambiatore di calore atto a realizzare lo scambio termico sia tra un gas e l’aria, che è il caso di utilizzo in generatori di aria calda, sia tra un gas e l’acqua, che è il caso di utilizzo in caldaie. In quest’ultimo caso, lo scambiatore di calore sarà chiaramente inserito in un involucro stagno (non mostrato nelle figure) con un ingresso ed un’uscita dell’acqua opportunamente dimensionate.

Come mostrato nelle Figure 1-3, detto scambiatore di calore comprende un bruciatore 1 a basse emissioni inquinanti inserito in una testata 2 posta ad un’estremità dello scambiatore di calore. Detto bruciatore 1 comprende un gruppo alimentatore di gas premiscelato (40) avente un primo ingresso 3 provvisto di un venturi con valvola gas per l’alimentazione di gas comburenti ed un secondo ingresso 4 di alimentazione di gas di combustione.. Ad esempio, il gas comburente può essere aria, mentre il gas combustibile può essere un generico idrocarburo (metano, etano, propano, butano, ecc.).

La testata 2 comprende una camera di miscelazione 5 atta a provvedere alla miscelazione dei gas comburenti e dei gas di combustione (Fig. 3) ed una successiva camera di distribuzione 6 separate da una parete di distribuzione 7 con feritoie 8 (Fig. 3, 4 e 8) che hanno il compito di creare turbolenza al passaggio dei gas dalla camera di miscelazione alla camera di distribuzione prima che i gas premiscelati raggiungano gli ugelli bruciatori. Al bruciatore 1 è associato un elettrodo di accensione 9, alimentato con una tensione di alcune migliaia di volt, atto all’ottenimento di una scintilla per l’innesco delle fiamme di combustione, ed un elettrodo di rilevazione 50 atto a rilevare la presenza delle fiamme (Fig. 6).

La camera di distribuzione 6 prevede una pluralità di ugelli bruciatori 10 (Fig. 3-6) disposti secondo uno schema geometrico, che permettono di aumentare il grado di miscelazione di gas e di separare la miscela in una pluralità di singole fiamme. Ogni ugello 10 è formato da una struttura a rete 11 e da una copertura concava 12 costituita da una maglia di fili di acciaio (Fig. 7).

L’insieme dei componenti del bruciatore 1 è studiato in modo tale da tener opportunamente raffreddata la parte esterna della testata 2 (in particolare, il venturi e la valvola gas) mediante un opportuno posizionamento del pannello di distribuzione e separazione 7.

Davanti a ciascun ugello bruciatore 10 è disposto e saldato un rispettivo tubo scambiatore 13 in cui si verifica la combustione finale dei gas e che fa parte di una pluralità di tubi di combustione 13 (Figure 1 , 3 e 4) che si sviluppano parallelamente tra loro fino ad un raccordo di inversione 14 (Fig. 1) atto a condurre i fumi generati dalla combustione verso una pluralità di tubi scambiatori 15 ad esso connessi e, successivamente, verso un raccordo di espulsione di fumi e scarico condensa 16.

All’ingresso di ogni tubo di combustione 13 è inserita una rispettiva muffola 17 di protezione dal calore (Figure 3, 4, 9, 10 e 11), che può essere realizzata in materiale ceramico oppure essere formata da fibre policristalline con elevata quantità di allumina vitrea e/o con fibre ceramiche flessibili o con un qualsiasi altro materiale ad elevata resistenza al calore. La muffola ha un corpo cilindrico 18 con taglio longitudinale 19 e flangia terminale 20 rivolta verso l’esterno, come mostrato nelle Figure 10 e 11.

Al fine di migliorare lo scambio termico e contenere l ingombro trasversale, ciascuno dei tubi di combustione 13 ha una opportuna sagomatura (Fig. 1) che è ottenuta a partire da un tubo a profilo circolare e comprende una porzione centrale 21 con profilo schiacciato (visibile anche in Fig. 9), due porzioni intermedie 22 con profilo sostanzialmente conico e due porzioni terminali 23, 24 a profilo circolare.

Ciascun tubo scambiatore 15 (Fig. 1) ha invece un profilo schiacciato in tutta la propria lunghezza, contenendo così l’ingombro dello scambiatore di calore, ed è connesso tra detto raccordo di inversione 14 e detto raccordo di espulsione fumi e scarico di condensa 16.

Infine, detto raccordo di espulsione e scarico condensa 16 è provvisto di una ventola esterna 25 con collettore 26 per l’aspirazione e la fuoriuscita dei prodotti di scarico della combustione. Grazie a detta ventola 25 lo scambiatore ed il bruciatore 1 funzionano completamente in condizioni di depressione.

Nel funzionamento, i gas comburenti e di combustione vengono aspirati all’interno del bruciatore 1 attraverso il venturi del gruppo di alimentazione prima nella camera di miscelazione 5 e da qui nella camera di distribuzione 6 attraverso le feritoie 7. La miscela di gas così ottenuta subisce una ulteriore miscelazione all’interno della camera di distribuzione 6. Gli ugello bruciatori 10 con la loro struttura a rete 11 e maglia di copertura 12 (Fig. 7) determina la miscelazione finale prima dell’innesco della fiamma di combustione.

Nel bruciatore 1 per mezzo dell’elettrodo di accensione 9 si innescano singole fiamme di combustione che si distribuiscono secondo lo schema geometrico previsto per il posizionamento degli ugelli bruciatori 10. In particolare, vi è una fiamma che si dirama ed è presente in corrispondenza di ciascuno di detti ugelli bruciatori 10.

Come detto, ciascun ugello bruciatore 10 si trova in corrispondenza dell’ingresso di un tubo di combustione 13 e pertanto la fiamma generata si sviluppa in ciascun tubo 13, realizzando internamente la combustione finale dei gas miscelati e producendo irraggiamento e fumi di combustione. Le muffole 17 previste all’ingresso dei tubi 13, dove si sviluppano le singole fiamme di combustione, proteggono i tubi di combustione 13, evitandone il precoce deterioramento, anche in caso di fiamme a temperatura elevata, consentendo così l’impiego dello scambiatore di calore in condizioni di alta efficienza termica.

I fumi generati dalla combustione vengono raccolti dal raccordo di inversione 14 e tramite questo giungono all’ingresso dei tubi scambiatori 15. Una volta attraversati i tubi scambiatori 15, i fumi concludono il loro percorso attraverso lo scambiatore di calore all’interno del raccordo di espulsione fumi e scarico condensa 16. La ventola 25 provvede all’aspirazione dei fumi verso l’esterno per la loro espulsione dallo scambiatore di calore.

In questo modo, parte del calore viene ceduta dai tubi di combustione 13 e parte viene ceduta dai tubi scambiatori 15, realizzando lo scambio di energia termica con l’ambiente circostante (o con l’acqua, nel caso dell’utilizzo nelle caldaie).

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Scambiatore di calore comprendente un bruciatore (1) di gas premiscelati formato da un gruppo di alimentazione di gas premiscelati (40) e da una testata (2) includente una camera di miscelazione (5), un pannello (7) di distribuzione gas e protezione calore con feritoie (8) e una camera di distribuzione (6), essendo inoltre prevista una pluralità di ugelli bruciatori (10) disposti secondo uno schema geometrico per l’uscita di singole fiamme separate, una pluralità di tubi di combustione (13) aventi una prima estremità (23) connessa ad uno rispettivo di detti ugelli (10), un raccordo di inversione (14) a cui è collegata una seconda estremità (24) di detti tubi di combustione (13), una pluralità di tubi scambiatori di calore (15) aventi un’estremità collegata a detto raccordo di inversione (14) ed estendentisi da esso in direzione parallela ed inversa rispetto a detti tubi di combustione (13) ed una camera (16) di aspirazione e scarico di fumi e condensa disposta in prossimità di detta testata (2) e collegata all’altra estremità di detti tubi scambiatori di calore (15), caratterizzato dal fatto che detta prima estremità (23) dei tubi di combustione (13) è rivestita internamente da una muffola (17) di protezione dal calore realizzata in un materiale in grado di resistere al calore prodotto dalle fiamme uscenti da detti ugelli (10).
2. 2. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta muffola (17) è realizzata in ceramica.
3. 3. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta muffola (17) è formata da fibre policristalline con elevata quantità di allumina vitrea e/o con fibre ceramiche flessibili.
4. 4. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti ugelli (10) è formato da una struttura (11) in rete metallica con una copertura concava (12) formata da una maglia di fili metallici.
5. 5. Scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti tubi di combustione (13) è ottenuto a partire da un tubo con profilo circolare e comprende una porzione centrale (21) con profilo schiacciato, due porzioni intermedie (22) con profilo sostanzialmente conico e due porzioni terminali (23, 24) che mantengono il profilo circolare originario.