IT201900001633A1 - Gruppo bruciatore recuperativo a tubo radiante - Google Patents

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Milco Dalfovo
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Description

Descrizione di un brevetto d’invenzione avente per titolo: “Gruppo bruciatore recuperativo a tubo radiante"
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad un gruppo bruciatore recuperativo a tubo radiante.
I bruciatori a tubo radiante sono dotati di un condotto nel quale si sviluppa la fiamma e circolano i fumi della combustione. Trovano impiego nelle apparecchiature in cui non deve esserci contatto tra i fumi e il materiale da scaldare. I tubi radianti possono avere differenti forme, tra le quali a "I" o a "U" o a “M”.
Scopo della presente invenzione è quello di provvedere ad un gruppo bruciatore recuperativo a tubi radianti che abbia una alta efficienza di scambio termico tra i fumi di combustione e l’aria di combustione.
Altro scopo è quello di aumentare la superficie di scambio termico.
Ulteriore scopo è quello di aumentare la temperatura dell’aria di combustione.
Altro scopo è quello di diminuire la produzione di NOx. In accordo con la presente invenzione, tali scopi ed altri ancora vengono raggiunti da un gruppo bruciatore recuperativo a tubo radiante avente uno scambiatore di calore ed un bruciatore; detto scambiatore di calore comprende: un primo tubo interno; un secondo tubo scambiatore coassiale ed esterno al primo tubo; un terzo tubo coassiale ed esterno a detto secondo tubo; un quarto tubo posto perpendicolare a detto primo tubo; un quinto tubo coassiale ed interno a detto quarto tubo; un passaggio di uscita dei fumi della combustione posto all'interno di detto quinto tubo; una prima intercapedine tra detto primo tubo e detto secondo tubo; una seconda intercapedine tra detto terzo tubo e detto secondo tubo; una sesta intercapedine tra detto quarto tubo e detto quinto tubo; detta prima intercapedine comunica con detta sesta intercapedine; detta seconda intercapedine comunica con detto passaggio; un tubo venturi posto trasversalmente a detto quinto tubo il cui ingresso comunica con detta sesta intercapedine; detto tubo venturi ha una uscita che è in comunicazione con detto passaggio e con un tubo di connessione tra detto scambiatore e detto bruciatore.
Ulteriori caratteristiche dell’invenzione sono descritte nelle rivendicazioni dipendenti.
I vantaggi di questa soluzione rispetto alle soluzioni dell’arte nota sono diversi.
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 un gruppo bruciatore recuperativo a tubo radiante, in accordo alla presente invenzione;
la figura 2 mostra uno scambiatore di calore di un gruppo bruciatore recuperativo a tubo radiante, visto di lato e in sezione, in accordo alla presente invenzione;
la figura 3 mostra una porzione di uno scambiatore di calore di un gruppo bruciatore recuperativo a tubo radiante, visto da sopra e in sezione, in accordo alla presente invenzione;
la figura 4 mostra un gruppo bruciatore recuperativo a tubo radiante, visto di fronte, in accordo alla presente invenzione;
la figura 5 mostra uno scambiatore di calore, di una forma alternativa di realizzazione di un gruppo bruciatore recuperativo a tubo radiante, visto di fronte, in accordo alla presente invenzione.
Riferendosi alle figure allegate, un gruppo bruciatore 10 recuperativo a tubo radiante, in accordo alla presente invenzione, comprende un bruciatore 1 1 posto all’estremità di un tubo radiante 12, a forma di U, ed uno scambiatore 13 di calore posto all’altra estremità del tubo radiante 12.
Lo scambiatore di calore 12 comprende un primo tubo 15 interno, un secondo tubo 16 scambiatore coassiale ed esterno al primo tubo 15. Il secondo tubo 16 presenta una superficie esterna corrugata per un migliore scambio termico.
Tra il primo tubo 15 ed il secondo tubo 16 si viene a creare una prima intercapedine 17 anulare e orizzontale.
Il primo tubo 15 è fissato, da un lato, ad una piastra 20 avente una forma a corona circolare che presenta un foro 21 circolare centrale il quale permette all'aria di combustione (fredda) di entrare nel primo tubo 15, la cui altra estremità è aperta.
Alla piastra 20 è fissata una prima struttura circolare 22 esterna alla quale si fissa il secondo tubo 16 tramite una seconda struttura circolare 23 interna e coassiale alla prima struttura circolare 22.
Alla prima struttura circolare 22 è fissato un terzo tubo 24 coassiale ed esterno al secondo tubo 16.
Tra il terzo tubo 24 ed il secondo tubo 16 si viene a creare una seconda intercapedine 25 anulare e orizzontale.
Il secondo tubo 16 si trova distanziato rispetto alla piastra 20 in modo da lasciare spazio ad una terza intercapedine 30 sostanzialmente verticale comunicante con la prima intercapedine 17.
La terza intercapedine 30, che si trova a ridosso della piastra 20, comunica con una quarta intercapedine 31 anulare e orizzontale che si viene a creare tra seconda struttura circolare 23 e la prima struttura circolare 22 esterna.
La quarta intercapedine 31 si estende per tutta la lunghezza della prima struttura circolare 22, che corrisponde a circa un quarto della intera lunghezza del secondo tubo 16 scambiatore.
Il terzo tubo 24 parte al termine della prima struttura circolare 22 e quindi è lungo circa tre quarti della lunghezza del secondo tubo 16 scambiatore.
Tra il secondo tubo 16 scambiatore e la seconda struttura circolare 23 interna si viene a creare una quinta intercapedine 26 anulare e orizzontale in connessione con la seconda intercapedine 25.
Alla prima struttura circolare 22 esterna è fissato verticalmente un quarto tubo 35 posto perpendicolare alla prima struttura circolare 22.
Internamente e coassiale al quarto tubo 35 è posto un quinto tubo 36 che supporta il tubo di emissione 37 dei fumi della combustione.
La quinta intercapedine 26 anulare è quindi connessa direttamente al passaggio 27 di uscita dei fumi della combustione formato dal quarto tubo 35 e dal tubo 37.
La quarta intercapedine 31 è connessa ad una sesta intercapedine 40 anulare e verticale creata tra il quarto tubo 35 e il quinto tubo 36.
La sesta intercapedine 40 è connessa ad un tubo venturi 41 posto trasversalmente al quinto tubo 36 che lo attraversa e sfocia in un tubo di connessione 42 tra il passaggio 27 di uscita dei fumi della combustione e il bruciatore 1 1 , e cioè tra lo scambiatore 13 ed il bruciatore 1 1 .
L’uscita del tubo venturi 41 ha un diametro che inferiore al diametro del tubo 42.
Gli elementi interni a contatto dei fumi di combustione sono realizzati in acciai resistenti alla temperatura in modo da non dover necessitare di alcuna coibentazione protettiva. Mentre gli elementi esterni possono essere realizzati con materiali più leggeri e meno resistenti alla temperatura, essendo a contatto con l’aria di combustione ancora fredda.
Viene comunque posto del materiale isolante dove necessario, come ad esempio esternamente alla quarta intercapedine 31 , internamente al quarto tubo 35 e internamente al tubo 37.
L’aria in ingresso dal foro 21 entra all’interno del primo tubo 15 la cui estremità distale è aperta, ma essendo l’estremità distale del secondo tubo 16 scambiatore chiusa, passa nella prima intercapedine 17, raggiunge la terza intercapedine 30 e quindi la quarta intercapedine 31.
Da qui passa alla sesta intercapedine 40, entra nel tubo venturi 41 e si miscela con i fumi della combustione all’interno del tubo 42.
Mentre i fumi della combustione arrivano nella seconda intercapedine 25 controcorrente al flusso dell’aria in ingresso dal foro 21 e raggiungono la quinta intercapedine 26 anulare. Entrano nel passaggio 27 di uscita dei fumi e passano nel tubo di emissione 37 dei fumi della combustione.
Passando anche in prossimità del tubo venturi 41 , la velocità dell’aria uscente da esso spinge parte dei fumi di combustione all’interno del tubo 42 miscelandosi con essa.
Viene quindi fornita al bruciatore 1 1 aria di combustione riscaldata miscelata con parte dei fumi di combustione.
La temperatura di aria preriscaldata può raggiungere in questo modo valori oltre i 500°C. Con questo sistema si può ricircolare fino al 40% di fumi di combustione, avendo comunque un sistema stabile anche in fase di accensione a freddo. Le dimensioni dell’inserto venturi sono legate ad alcuni parametri tra cui:
- Potenzialità massima del bruciatore
- Percentuale di fumi ricircolati
- Pressione di aria comburente disponibile allo scambiatore.
Con questo sistema, il vantaggio è quello di poter raggiungere valori di emissioni di NOx inferiori ai 150÷200mg/Nm3 con un sistema integrato all’interno dello scambiatore.
La sesta intercapedine 40 anulare e verticale, si trova connessa ad una settima intercapedine 50 che circonda un tubo 51 di collegamento tra il quinto tubo 36 e il tubo di connessione 42.
In una forma alternativa di realizzazione, invece di avere la sesta intercapedine 40 connessa direttamente all’ingresso del tubo venturi 41 , si ha che la settima intercapedine 50 comunica con una pluralità di fori 52 disposti anularmente al tubo 51 e che sfociano all’interno del tubo 42 coassialmente al flusso dei fumi di combustione in arrivo dal tubo 36.
La pluralità di fori 52 realizzano l’effetto venturi essendo di sezione inferiore rispetto all’intercapedine a cui sono connessi.
All’interno del tubo 51 è possibile inserire una valvola 53 che permette di regolare la quantità di fumi da riciclare.
Il sistema ricircola sempre i fumi all’interno del tubo 42, creando una depressione al centro con cui vengono trascinati i fumi, ma ha il vantaggio di poter montare la farfalla 53 che permette di chiudere il passaggio dei fumi durante il riscaldo dello scambiatore da freddo.
La stabilità a freddo è una parte critica del sistema che limita la percentuale di fumi ricircolati.
Maggiore è il ricircolo, più la fiamma diventa instabile, quindi si deve sempre seguire delle procedure di accensione dedicate. Questo allunga i tempi di riscaldo iniziale e comunque produce un deciso livello di CO nei fumi di combustione.
Quindi occorre trovare un compromesso tra le esigenze della fase fredda e le emissioni che si vuole rispettare.
Normalmente la percentuale di fumi aspirati raggiunge al massimo il 40% perché il bruciatore a freddo non riesce a mantenere una fiamma stabile sopra quella percentuale di fumi aspirati.
Con la presenza della valvola 53, è possibile ridurre o bloccare i fumi a freddo, e quindi il bruciatore si accenderà senza avere fumi ricircolati e quindi sarà molto più stabile.
Raggiunta una certa temperatura, la valvola 53 viene aperta, la quantità dei fumi ricircolati può superare la percentuale di 40% e la combustione risulta comunque stabile perché il sistema è caldo.
La serie di superfici 16, 23, 36 e 41 va ad aumentare l’efficienza del bruciatore in quanto lo scambio termico con i fumi di combustione non si limita alla superficie dello scambiatore di calore 16 ma a valle su ulteriori corpi metallici.
La diluizione dell'aria di combustione con i gas di combustione consente di controllare il contenuto di ossigeno nella zona di reazione e quindi di ridurre la temperatura di detta combustione, riducendo il NOx emesso.
Il tubo venturi 41 permette di aumentare la quantità ricircolante dei fumi di combustione.
La valvola 53 permette di regolarne la quantità.
In questo modo si riesce ad ottenere un ricircolo dei fumi che, in funzione della pressione di aria comburente disponibile in ingresso allo scambiatore, può arrivare oltre il 50%.

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Gruppo bruciatore recuperativo a tubo radiante avente uno scambiatore (13) di calore ed un bruciatore (1 1 ); detto scambiatore (13) di calore comprende: un primo tubo (15) interno; un secondo tubo (16) scambiatore coassiale ed esterno al primo tubo (15); un terzo tubo (24) coassiale ed esterno a detto secondo tubo (16); un quarto tubo (35) posto perpendicolare a detto primo tubo (15); un quinto tubo (36) coassiale ed interno a detto quarto tubo (35); un passaggio (27) di uscita dei fumi della combustione posto all'interno di detto quinto tubo (36); una prima intercapedine (17) tra detto primo tubo (15) e detto secondo tubo (16); una seconda intercapedine (25) tra detto terzo tubo (24) e detto secondo tubo (16); una sesta intercapedine (40) tra detto quarto tubo (35) e detto quinto tubo (36); detta prima intercapedine (17) comunica con detta sesta intercapedine (40); detta seconda intercapedine (25) comunica con detto passaggio (27); un tubo venturi (41 , 52) posto trasversalmente a detto quinto tubo (36) il cui ingresso comunica con detta sesta intercapedine (40); detto tubo venturi (41 , 52) ha una uscita che è in comunicazione con detto passaggio (27) e con un tubo di connessione (42) tra detto scambiatore (13) e detto bruciatore (1 1 ).
  2. 2. Gruppo bruciatore in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere una piastra (20) avente una forma a corona circolare che presenta un foro (21 ) circolare centrale il quale permette all'aria di combustione di entrare in detto primo tubo (15); e una terza intercapedine 30 addossata a detta piastra (20).
  3. 3. Gruppo bruciatore in accordo alla rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto di comprendere: una prima struttura circolare (22) esterna fissata a detta piastra (20); una seconda struttura circolare (23) interna e coassiale a detta prima struttura circolare (22), alla quale si fissa detto secondo tubo (16); una quarta intercapedine (31 ) tra detta seconda struttura circolare (23) e detta prima struttura circolare (22).
  4. 4. Gruppo bruciatore in accordo alla rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che detto terzo tubo (24) è fissato a detta prima struttura circolare (22).
  5. 5. Gruppo bruciatore in accordo alla rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che detto quarto tubo (35) è fissato perpendicolare a detta prima struttura circolare (22) esterna; e di comprendere un quinto tubo (36) interno e coassiale a detto quarto tubo (35).
  6. 6. Gruppo bruciatore in accordo alla rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che detto quinto tubo (36) supporta il tubo di emissione (37) dei fumi della combustione.
  7. 7. Gruppo bruciatore in accordo alla rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che detta prima intercapedine (17) comunica con terza intercapedine (30), quindi con detta quarta intercapedine (31 ), e quindi con detta sesta intercapedine (40).
  8. 8. Gruppo bruciatore in accordo alla rivendicazione 5 caratterizzato dal fatto che detta seconda intercapedine (25) comunica con detta quinta intercapedine (26) e quindi con detto passaggio (27).
  9. 9. Gruppo bruciatore in accordo alla rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che detta piastra (20) avente una forma a corona circolare che presenta un foro (21 ) circolare centrale il quale permette all'aria di combustione (fredda) di entrare in detto primo tubo (15) connesso a detta prima intercapedine (17).
  10. 10. Scambiatore di calore comprendente: un primo tubo (15) interno; un secondo tubo (16) scambiatore coassiale ed esterno al primo tubo (15); un terzo tubo (24) coassiale ed esterno a detto secondo tubo (16); un quarto tubo (35) posto perpendicolare a detto primo tubo (15); un quinto tubo (36) coassiale ed interno a detto quarto tubo (35); un passaggio (27) di uscita dei fumi della combustione posto all'interno di detto quinto tubo (36); una prima intercapedine (17) tra detto primo tubo (15) e detto secondo tubo (16); una seconda intercapedine (25) tra detto terzo tubo (24) e detto secondo tubo (16); una sesta intercapedine (40) tra detto quarto tubo (35) e detto quinto tubo (36); detta prima intercapedine (17) comunica con detta sesta intercapedine (40); detta seconda intercapedine (25) comunica con detto passaggio (27); un tubo venturi (41 , 52) posto trasversalmente a detto quinto tubo (36) il cui ingresso comunica con detta sesta intercapedine (40); detto tubo venturi (41 , 52) ha una uscita che è in comunicazione con detto passaggio (27).
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