L'invenzione concerne una testa di combustione per bruciatori con temperatura di fiamma ridotta.
È noto che nei bruciatori la combustione del fluido combustibile miscelato al fluido comburente avviene per il tramite di una testa di combustione. La testa di combustione comprende sostanzialmente un condotto tubolare nel quale una soffiante convoglia il fluido comburente, per esempio aria, che si miscela con un fluido combustibile, per esempio gas, che viene addotto all'interno del medesimo condotto tubolare mediante un sistema di distribuzione. Un dispositivo di accensione innesca la miscela combustibile-comburente dando così inizio alla combustione.
È altrettanto noto agli esperti del settore che uno dei problemi principali che le teste di combustione presentano dal punto di vista dell'impatto ambientale, consiste nell'immissione in atmosfera di ossidi di azoto NOx che vengono prodotti durante la combustione.
Lo studio del fenomeno della produzione degli ossidi di azoto, ha consentito di mettere a punto bruciatori provvisti di teste di combustione che consentono di ridurre la produzione di detti ossidi.
È noto per esempio il deposito No. 85 622/A/90 a nome del medesimo depositante il presente brevetto, nel quale si descrive una testa di combustione in cui la riduzione degli ossidi di azoto si ottiene tramite distributori di convogliamento del combustibile di forma particolare. Detti distributori sono disposti internamente nella parte anteriore del condotto tubolare nel quale viene introdotta l'aria comburente e sono costituiti da intercapedini anulari, perpendicolari all'asse di detto corpo tubolare, definite tra anelli tra loro coassiali e collegati mediante elementi distanziatori.
Un ulteriore deposito avente No. VI91A 000 042 ed a nome del medesimo depositante il presente brevetto, descrive un bruciatore monoblocco nel quale l'abbattimento degli ossidi di azoto avviene facendo ricircolare una parte dei fumi prodotti dalla combustione, all'interno della testa di combustione stessa.
Un'altra realizzazione, finalizzata anch'essa alla riduzione della produzione di ossidi di azoto, è relativa al brevetto di cui al deposito No. VI91A 000 166 a nome del medesimo depositante il presente brevetto e nel quale si descrive un bruciatore perfezionato che presenta una serie di aperture praticate sulla periferia del condotto di alimentazione dell'aria comburente. Dette aperture sono costituite da feritoie a sezione allungata, allineate tra loro secondo il loro asse maggiore, le quali sono disposte circonferenzialmente attorno al condotto di combustione secondo una o più file ed in prossimità della zona di massima depressione.
La presente invenzione intende essere un ulteriore miglioramento ai metodi per la riduzione della presenza di ossidi di azoto (NOx) nei fumi prodotti dalla combustione di combustibili fluidi, in teste di combustione per bruciatori.
È pertanto uno scopo della presente invenzione di realizzare una testa di combustione per bruciatori nella quale la combustione avvenga producendo fumi contenenti quantità molto basse di ossidi di azoto.
È ulteriore scopo che la testa di combustione dell'invenzione realizzi una combustione i cui fumi presentino quantità di ossidi di azoto sensibilmente inferiori rispetto alle quantità riscontrabili nei fumi prodotti dalla combustione realizzata in teste di combustione di tipo noto.
Gli scopi descritti sono raggiunti con la realizzazione di una testa di combustione per bruciatori che in accordo con la rivendicazione principale comprende:
- un corpo tubolare per l'adduzione di fluido comburente in una camera di combustione;
- una o più tubazioni per l'adduzione di fluido combustibile in detta camera di combustione, disposte internamente a detto corpo tubolare;
- un raccordo convergente disposto all'estremità di detto corpo tubolare ed inserito in detta camera di combustione con la convergenza rivolta verso l'interno della camera di combustione stessa;
- almeno un dispositivo di accensione disposto internamente a detto corpo tubolare ed in prossimità di detto raccordo convergente, ed è caratterizzata dal fatto che la bocca di uscita di ciascuna di dette una o più tubazioni di adduzione del fluido combustibile è inserita nella zona interna di detto corpo tubolare delimitata da detto raccordo convergente ed è disposta in prossimità della parete inclinata del raccordo convergente stesso, per convogliare la maggior parte di detto fluido combustibile esternamente e sostanzialmente nella zona di maggiore velocità del flusso di detto fluido comburente.
Vantaggiosamente la testa di combustione dell'invenzione così realizzata consente di ottenere una riduzione degli ossidi di azoto nei fumi di combustione sensibilmente maggiore della riduzione dei medesimi ossidi ottenibile impiegando teste di combustione di tipo noto.
Secondo una preferita forma di esecuzione, la testa di combustione dell'invenzione comprende un corpo tubolare per l'adduzione di fluido comburente in una camera di combustione che termina con un raccordo convergente inserito in detta camera di combustione e disposto all'estremità di detto corpo tubolare con la convergenza rivolta nel verso del flusso. La maggior parte del fluido combustibile viene immesso nella zona interna di detto corpo tubolare delimitata da detto raccordo convergente per il tramite di tubazioni le cui bocche di uscita sono rivolte verso la parete inclinata di detto raccordo convergente. In tal modo il flusso del fluido combustibile viene convogliato sulla zona esterna del flusso del fluido comburente il quale viene accelerato nel passaggio attraverso il raccordo convergente e trascina il fluido combustibile molto all'interno della camera di combustione.
Contemporaneamente l'accelerazione del fluido comburente generata dal raccordo convergente, crea nella zona della camera di combustione immediatamente esterna al raccordo convergente stesso una depressione che richiama nella fiamma parte dei fumi prodotti dalla combustione. Tale concomitanza di eventi permette di abbassare la temperatura di fiamma che vantaggiosamente realizza una combustione i cui fumi presentano una bassa concentrazione di ossidi di azoto.
Gli scopi descritti vengono meglio evidenziati con la descrizione di una preferita forma di esecuzione dell'invenzione data a titolo indicativo ma non limitativo ed illustrata nelle allegate tavole di disegno ove:
in fig. 1 si osserva la testa di combustione dell'invenzione in vista laterale e sezionata longitudinalmente;
in fig. 2 si osserva la vista frontale della testa di combustione dell'invenzione in sezione trasversale parziale;
in fig. 3 si osserva il particolare in sezione della testa di combustione dell'invenzione inserita nella camera di combustione.
Come si osserva in fig. 1 la testa di combustione dell'invenzione, complessivamente indicata con 1, comprende una flangia di giunzione 2 la quale, come si osserva in fig. 3, viene applicata alla parete 3 di una camera di combustione 4 e supporta un corpo tubolare 5 che convoglia un fluido comburente, per esempio aria, all'interno della camera di combustione 4.
Detto fluido comburente proviene da una rete di alimentazione esterna, non rappresentata in figura, che può essere provvista per esempio di un gruppo soffiante e che alimenta una prima conduttura di alimentazione 25 appartenente a detta flangia di connessione 2.
Detto corpo tubolare 5 presenta all'estremità inserita nella camera di combustione 4 un raccordo convergente, complessivamente indicato con 51, il quale definisce all'interno di detto corpo tubolare 5 una zona 52 nella quale sfociano le bocche di uscita 61 di una pluralità di tubazioni 6 di adduzione dei fluido combustibile, per esempio gas.
Si osserva in particolare in fig. 2 che dette tubazioni 6 di adduzione di detto fluido combustibile sono in numero di dieci e sono disposte simmetricamente tra loro secondo le generatrici di un tronco di cono ideale la cui base maggiore 62 è disposta in detta zona 52 delimitata da detto condotto convergente 51. Si osserva anche che dette tubazioni 6 sono connesse ad un condotto di alimentazione 7 di forma tubolare ed a sezione anulare che è definito tra la superficie esterna 81 di un primo elemento tubolare 8 disposto coassiale internamente a detto corpo tubolare 5 e la superficie interna 91 di un secondo elemento tubolare 9 disposto coassiale internamente al medesimo corpo tubolare 5 ed esternamente a detto primo elemento tubolare 8.
Detti elementi tubolari 8 e 9, sono anch'essi connessi a detta flangia di giunzione 2 ed il condotto di alimentazione 7 tra loro definito viene alimentato da una seconda conduttura di alimentazione 26 appartenente alla flangia di giunzione 2 stessa e comunicante con una rete esterna di distribuzione di fluido combustibile, non rappresentata in figura. Si osserva in particolare la presenza di una serranda di regolazione 126 all'interno di detta seconda conduttura di alimentazione 26.
Detto corpo tubolare 5 è provvisto internamente anche di un cannotto 50 ad esso coassiale che ne divide il volume interno in modo da definire una camera anulare esterna 151 ed una camera anulare interna 152, entrambe comunicanti con la zona 52 del raccordo convergente 51. All'interno di detta camera anulare interna 152 è inoltre presente un settore divisorio radiale 153 provvisto di aperture 253 atte a consentire la continuità del flusso lungo la camera anulare interna 152 stessa.
Si osserva anche che detto cannotto 50 è collegato alla flangia di giunzione 2 per il tramite di una squadra di sostegno 100 a sua volta collegata alla flangia 2 stessa per il tramite di mezzi di regolazione 110 che ne consentono lo spostamento assiale e che sono formati da una vite 105, fissata alla squadra 100, la quale si accoppia in una madrevite 125 realizzata nella flangia 2.
Un dispositivo di accensione 10 è disposto nella camera anulare interna 152 di detto corpo tubolare 5, in prossimità di detto raccordo convergente 51.
Per mettere in funzione la testa di combustione, attraverso detta prima conduttura di alimentazione 25 viene inviato all'interno del corpo tubolare 5 un flusso 55 di aria comburente che si divide in un flusso esterno 155 che fluisce nella camera anulare esterna 151 ed in un flusso interno 255 che fluisce nella camera anulare interna 152. In tal modo la maggior parte della portata d'aria, costituita dal flusso esterno 155, viene accelerata nel passaggio attraverso la sezione 154 e si immette nella zona 52 del raccordo convergente 51, mentre la parte minore della portata, costituita dal flusso interno 255, passa attraverso il settore divisorio 153 ed entra nella zona 63 a monte del raccordo convergente 51. Una certa portata d'aria può anche fluire, ma non necessariamente, nel primo elemento tubolare 8 percorrendolo con direzione 85 in senso assiale.
Contemporaneamente all'interno di detto condotto di alimentazione 7 e tramite detta seconda conduttura di alimentazione 26, viene introdotto gas il quale percorre detto condotto 7 secondo la direzione indicata dalla freccia 75 e tramite le tubazioni di adduzione 6 giunge in corrispondenza della zona 52 del corpo tubolare 5 delimitata da detto raccordo convergente 51. Una parte di detto flusso di gas 75, indicato con 175, fluisce attraverso i fori 275 praticati nel secondo elemento tubolare 9 in modo da miscelarsi con il flusso d'aria 255 in corrispondenza della zona 63 ove è situata la radice di fiamma che conferisce stabilità alla fiamma stessa. Una parte del gas può anche fluire, ma non necessariamente, con direzione 118 ed attraverso uno o più fori 108 all'interno dei primo elemento tubolare 8 ove si miscela con l'eventuale flusso 85 di aria comburente.
La maggior parte della portata di gas esce attraverso le bocche di uscita 61 delle tubazioni 6 che sono disposte molto ravvicinate alla parete inclinata 53 del raccordo convergente 51 in modo che il gas viene convogliato a valle della zona 63 ove si ha la radice della fiamma ed all'esterno del flusso di aria comburente. L'accelerazione che il flusso di aria comburente acquista nel passaggio attraverso il raccordo convergente 51, provoca un effetto di trascinamento sul fluido combustibile il quale viene trascinato nella zona di turbolenza 71, secondo la direzione 70. L'alta velocità della miscela combustibile-comburente inibisce la combustione immediata del fluido combustibile che avviene quindi in modo progressivo e continuativo durante la propagazione della miscela all'interno della camera di combustione.
Tale flusso di miscela combustibile-comburente ad alta velocità che entra nella camera di combustione 4, crea una zona di depressione 41 esternamente al raccordo convergente 51, la quale richiama verso la testa di combustione secondo i versi 42, una certa quantità di fumi combusti. La presenza di tali fumi di combustione riciclati unitamente al modo progressivo in cui la combustione dei fluido combustibile si realizza per effetto dei trascinamento a forte velocità del fluido comburente, contribuiscono a ridurre la temperatura della fiamma e conseguentemente a ridurre la produzione di ossidi di azoto.
È opportuno precisare che la presenza di tali tubazioni di adduzione 6 che convogliano il gas in prossimità della parete inclinata 53 del raccordo convergente 51 e la ricircolazione di gas combusti in camera di combustione, sono determinanti per ottenere la diminuzione della temperatura di fiamma e conseguentemente la produzione di una quantità ridotta di ossidi di azoto. Sono note infatti realizzazioni di teste di combustione nelle quali il fluido combustibile viene addotto tramite tubazioni ad altri sistemi di distribuzione in corrispondenza della radice della fiamma ed in certi casi parzialmente anche nella fiamma, la quale che si propaga poi in avanti nella camera di turbolenza con il risultato che in detti bruciatori non si realizza alcuna riduzione degli ossidi di azoto nei fumi di combustione.
Si comprende in base a quanto descritto che il bruciatore dell'invenzione raggiunge tutti gli scopi ed i vantaggi prefissati consistenti soprattutto nella riduzione degli ossidi di azoto a valori sensibilmente inferiori rispetto alle riduzioni ottenibili impiegando teste di combustione di tipo noto.
Si precisa che in fase esecutiva la testa di combustione dell'invenzione potrà essere provvista di un numero di condotti di adduzione del fluido combustibile diverso dal numero citato nella descrizione del presente brevetto. Detti condotti possono inoltre essere anche disposti con configurazioni diverse da quella descritta e rappresentata nei disegni.
Ulteriori varianti potranno consistere in differenti sagomature nel raccordo convergente disposto all'estremità del corpo tubolare oppure in conformazioni differenti del corpo tubolare stesso.
Si intende comunque che dette varianti ed ulteriori eventuali sono tutte da ritenersi protette dalla presente invenzione.
The invention relates to a combustion head for burners with reduced flame temperature.
It is known that in the burners the combustion of the combustible fluid mixed with the comburent fluid occurs through a combustion head. The combustion head substantially comprises a tubular duct in which a blower conveys the comburent fluid, for example air, which mixes with a combustible fluid, for example gas, which is fed into the same tubular duct by means of a distribution system. An ignition device triggers the fuel-comburent mixture thus starting combustion.
It is also known to those skilled in the art that one of the main problems that combustion heads present from the point of view of environmental impact is the introduction of NOx nitrogen oxides into the atmosphere which are produced during combustion.
The study of the phenomenon of the production of nitrogen oxides has allowed the development of burners equipped with combustion heads which allow to reduce the production of said oxides.
For example, the deposit No. 85 622 / A / 90 is known in the name of the same depositor as the present patent, in which a combustion head is described in which the reduction of nitrogen oxides is obtained by distributing fuel conveyors of particular shape . Said distributors are arranged internally in the front part of the tubular duct into which the comburent air is introduced and consist of annular cavities, perpendicular to the axis of said tubular body, defined between rings coaxial to each other and connected by means of spacer elements.
A further deposit having No. VI91A 000 042 and in the name of the same depositor the present patent, describes a monobloc burner in which the nitrogen oxide abatement occurs by recirculating a part of the fumes produced by combustion, inside the combustion head same.
Another embodiment, also aimed at reducing the production of nitrogen oxides, relates to the patent of filing No. VI91A 000 166 in the name of the same depositor as this patent and which describes an improved burner which has a series of openings made on the periphery of the combustion air supply duct. Said openings consist of elongated section slits, aligned with each other along their major axis, which are arranged circumferentially around the combustion duct according to one or more rows and near the zone of maximum depression.
The present invention intends to be a further improvement to the methods for reducing the presence of nitrogen oxides (NOx) in the fumes produced by the combustion of fluid fuels, in combustion heads for burners.
It is therefore an object of the present invention to provide a combustion head for burners in which combustion takes place by producing fumes containing very low quantities of nitrogen oxides.
It is further object that the combustion head of the invention achieves combustion whose fumes present significantly lower quantities of nitrogen oxides than the quantities found in the fumes produced by the combustion carried out in known type combustion heads.
The described objects are achieved with the realization of a combustion head for burners which according to the main claim comprises:
- a tubular body for the supply of comburent fluid into a combustion chamber;
- one or more pipes for the supply of fuel fluid in said combustion chamber, arranged inside said tubular body;
- a convergent fitting arranged at the end of said tubular body and inserted in said combustion chamber with the convergence turned towards the inside of the combustion chamber itself;
- at least one ignition device arranged inside said tubular body and close to said converging fitting, and is characterized in that the outlet mouth of each of said one or more fuel fluid supply pipes is inserted in the internal area of said tubular body delimited by said converging fitting and is arranged near the inclined wall of the converging fitting itself, to convey most of said fuel fluid externally and substantially in the area of greater speed of flow of said comburent fluid.
Advantageously, the combustion head of the invention thus realized allows to obtain a reduction of the nitrogen oxides in the combustion fumes significantly greater than the reduction of the same oxides which can be obtained by using combustion heads of known type.
According to a preferred embodiment, the combustion head of the invention comprises a tubular body for the supply of comburent fluid into a combustion chamber which ends with a convergent fitting inserted in said combustion chamber and arranged at the end of said body. tubular with the convergence facing the flow direction. Most of the fuel fluid is introduced into the internal area of said tubular body delimited by said converging fitting by means of pipes whose outlet ports face the inclined wall of said converging fitting. In this way the flow of the fuel fluid is conveyed to the external area of the flow of the comburent fluid which is accelerated in the passage through the convergent fitting and drags the fuel fluid much inside the combustion chamber.
At the same time, the acceleration of the comburent fluid generated by the convergent fitting creates a depression in the area of the combustion chamber immediately outside the convergent fitting itself which draws part of the fumes produced by the combustion into the flame. This concomitance of events allows to lower the flame temperature which advantageously achieves combustion whose fumes have a low concentration of nitrogen oxides.
The described purposes are better highlighted with the description of a preferred embodiment of the invention given by way of non-limiting example and illustrated in the attached drawings where:
in fig. 1 shows the combustion head of the invention in side view and sectioned longitudinally;
in fig. 2 shows the front view of the combustion head of the invention in partial cross section;
in fig. 3 shows the sectional detail of the combustion head of the invention inserted in the combustion chamber.
As can be seen in fig. 1 the combustion head of the invention, indicated as a whole with 1, comprises a joint flange 2 which, as can be seen in fig. 3, is applied to the wall 3 of a combustion chamber 4 and supports a tubular body 5 which conveys a comburent fluid, for example air, inside the combustion chamber 4.
Said comburent fluid comes from an external supply network, not shown in the figure, which can be provided, for example, with a blowing unit and which feeds a first supply line 25 belonging to said connection flange 2.
Said tubular body 5 has at the end inserted in the combustion chamber 4 a convergent fitting, indicated as a whole with 51, which defines inside said tubular body 5 a zone 52 in which the outlet ports 61 of a plurality of pipes lead 6 for the supply of fuel fluid, for example gas.
It can be observed in particular in fig. 2 that said pipes 6 for supplying said fuel fluid are ten in number and are arranged symmetrically with each other according to the generators of an ideal cone trunk whose main base 62 is arranged in said area 52 delimited by said converging conduit 51. it also notes that said pipes 6 are connected to a tubular-shaped and annular section supply duct 7 which is defined between the external surface 81 of a first tubular element 8 arranged coaxial inside said tubular body 5 and the internal surface 91 of a second tubular element 9 arranged coaxial inside the same tubular body 5 and externally to said first tubular element 8.
Said tubular elements 8 and 9 are also connected to said junction flange 2 and the supply duct 7 defined between them is fed by a second supply duct 26 belonging to the junction flange 2 itself and communicating with an external network of distribution of fuel fluid, not shown in the figure. In particular, the presence of an adjustment damper 126 inside said second supply pipe 26 is observed.
Said tubular body 5 is also internally provided with a tube 50 coaxial to it which divides the internal volume so as to define an external annular chamber 151 and an internal annular chamber 152, both communicating with the area 52 of the converging fitting 51. inside of said inner annular chamber 152 there is also a radial dividing sector 153 provided with openings 253 adapted to allow the continuity of the flow along the inner annular chamber 152 itself.
It is also observed that said quill 50 is connected to the joint flange 2 by means of a support square 100 which is in turn connected to the flange 2 itself by means of adjustment means 110 which allow its axial displacement and which are formed by a screw 105, fixed to the square 100, which mates in a nut screw 125 made in the flange 2.
An ignition device 10 is arranged in the inner annular chamber 152 of said tubular body 5, in proximity of said converging fitting 51.
To put the combustion head into operation, a flow 55 of comburent air which is divided into an external flow 155 which flows into the external annular chamber 151 and into a flow is sent through said first supply pipe 25 internal 255 which flows into the inner annular chamber 152. In this way most of the air flow, constituted by the external flow 155, is accelerated in the passage through the section 154 and flows into the area 52 of the converging fitting 51, while the part less than the flow rate, constituted by the internal flow 255, passes through the dividing sector 153 and enters the area 63 upstream of the convergent fitting 51. A certain air flow rate can also flow, but not necessarily, into the first tubular element 8 going along it with direction 85 in the axial sense.
At the same time, gas is introduced into said supply conduit 7 and through said second supply conduit 26, which flows through said conduit 7 in the direction indicated by the arrow 75 and reaches the zone 52 of the body through the adduction pipes 6. tubular 5 delimited by said convergent fitting 51. A part of said gas flow 75, indicated with 175, flows through the holes 275 made in the second tubular element 9 so as to mix with the air flow 255 at the area 63 where the flame root is located which gives stability to the flame itself. A part of the gas can also flow, but not necessarily, with direction 118 and through one or more holes 108 inside the first tubular element 8 where it mixes with the eventual flow 85 of combustion air.
Most of the gas flow exits through the outlet ports 61 of the pipes 6 which are arranged very close to the inclined wall 53 of the converging fitting 51 so that the gas is conveyed downstream of the zone 63 where the flame is rooted and outside the combustion air flow. The acceleration that the flow of comburent air acquires in the passage through the converging fitting 51, causes a dragging effect on the fuel fluid which is entrained in the turbulence zone 71, according to the direction 70. The high speed of the fuel-comburent mixture it inhibits the immediate combustion of the fuel fluid which therefore takes place progressively and continuously during the propagation of the mixture inside the combustion chamber.
This flow of fuel-combustive mixture at high speed which enters the combustion chamber 4, creates a depression zone 41 outside the converging fitting 51, which draws a certain amount of combustion fumes towards the combustion head according to verses 42. The presence of these recycled combustion fumes together with the progressive way in which the combustion of the fuel fluid takes place due to the high speed entrainment of the comburent fluid, contribute to reducing the temperature of the flame and consequently to reducing the production of nitrogen oxides.
It should be pointed out that the presence of such adduction pipes 6 which convey the gas near the inclined wall 53 of the convergent fitting 51 and the recirculation of combustion gases in the combustion chamber, are decisive for obtaining a decrease in the flame temperature and consequently the production of a reduced quantity of nitrogen oxides. In fact, embodiments of combustion heads are known in which the fuel fluid is fed through pipes to other distribution systems at the root of the flame and in some cases also partially in the flame, which then propagates forward in the turbulence chamber with the result that in said burners there is no reduction of nitrogen oxides in the combustion fumes.
On the basis of what has been described, it can be understood that the burner of the invention achieves all the aims and advantages set out above all consisting in the reduction of nitrogen oxides to values which are significantly lower than the reductions obtainable by using combustion heads of known type.
It should be noted that in the execution phase the combustion head of the invention may be provided with a number of fuel fluid supply ducts different from the number mentioned in the description of the present patent. Said ducts can also be arranged with configurations other than that described and represented in the drawings.
Further variants may consist of different shapes in the converging fitting arranged at the end of the tubular body or in different conformations of the tubular body itself.
However, it is understood that said variants and any further ones are to be considered protected by the present invention.