IT201900006096A1 - Recovery steam generator - Google Patents

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IT201900006096A1
IT201900006096A1 IT102019000006096A IT201900006096A IT201900006096A1 IT 201900006096 A1 IT201900006096 A1 IT 201900006096A1 IT 102019000006096 A IT102019000006096 A IT 102019000006096A IT 201900006096 A IT201900006096 A IT 201900006096A IT 201900006096 A1 IT201900006096 A1 IT 201900006096A1
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IT
Italy
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steam
steam generator
combustion chamber
fumes
shell
Prior art date
Application number
IT102019000006096A
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Italian (it)
Inventor
Mario Perego
Francesco Sassi
Original Assignee
Son S R L
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B7/00Steam boilers of furnace-tube type, i.e. the combustion of fuel being performed inside one or more furnace tubes built-in in the boiler body
    • F22B7/02Steam boilers of furnace-tube type, i.e. the combustion of fuel being performed inside one or more furnace tubes built-in in the boiler body without auxiliary water tubes
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B31/00Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus
    • F22B31/0007Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed
    • F22B31/0046Modifications of boiler construction, or of tube systems, dependent on installation of combustion apparatus; Arrangements of dispositions of combustion apparatus with combustion in a fluidized bed for boilers of the shell type, e.g. with furnace box

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Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Campo di applicazione Field of application

L’invenzione riguarda il settore di generatori di vapore a recupero. The invention concerns the sector of recovery steam generators.

Arte nota Known art

Il generatore di vapore a recupero (noto anche con l’acronimo HRSG, heat recovery steam generator ) è un apparecchio progettato per produrre vapore utilizzando calore di scarto, per esempio il calore contenuto nei fumi di scarico di un motore. Il vapore può essere destinato a usi energetici o usi di processo a seconda delle esigenze e a seconda della pressione del vapore. La pressione del vapore, a sua volta, dipende essenzialmente dalla temperatura della sorgente calda. The recovery steam generator (also known by the acronym HRSG, heat recovery steam generator) is an appliance designed to produce steam using waste heat, for example the heat contained in the exhaust fumes of an engine. The steam can be destined for energy uses or process uses depending on the needs and depending on the steam pressure. The steam pressure, in turn, essentially depends on the temperature of the hot source.

Un generatore di vapore a recupero è realizzato di norma, nell’arte nota, con la soluzione detta “a tubi d’acqua”, cioè è uno scambiatore a fascio tubiero e mantello nel quale i gas caldi transitano nel lato mantello mentre l’acqua evapora all’interno dei tubi. Si possono anche prevedere più livelli di pressione di evaporazione per ottimizzare il recupero termico. Generatori di vapore di questo tipo sono usati, per esempio, per recuperare il calore contenuto nei fumi delle turbine a gas nell’ambito dei così detti cicli combinati gas-vapore. A recovery steam generator is usually made, in the known art, with the so-called "water tube" solution, that is, it is a shell and tube heat exchanger in which the hot gases pass through the shell side while the water evaporates inside the tubes. Multiple evaporation pressure levels can also be provided to optimize heat recovery. Steam generators of this type are used, for example, to recover the heat contained in the fumes of gas turbines as part of the so-called combined gas-steam cycles.

La realizzazione a tubi d’acqua consente di ottimizzare l’efficienza di recupero termico perché si possono realizzare diversi fasci tubieri a diverse pressioni d’acqua, e/o prevedere un fascio tubiero dedicato al surriscaldamento del vapore. Per questi motivi la realizzazione a tubi d’acqua è spesso preferita negli impianti relativamente grandi nei quali si dispone di fumi a temperatura molto alta e si punta a produrre vapore surriscaldato ad alta pressione per fini energetici. The water tube construction allows to optimize the heat recovery efficiency because it is possible to create different tube bundles at different water pressures, and / or provide a tube bundle dedicated to steam superheating. For these reasons, the construction with water pipes is often preferred in relatively large plants in which fumes are available at very high temperatures and the aim is to produce superheated steam at high pressure for energy purposes.

Il generatore a tubi d’acqua tuttavia si rivela poco adatto a sistemi cogenerativi di medie/ piccole dimensioni. È il caso, per esempio, di sistemi co generativi impiegati in ambito industriale che tipicamente comprendono un motore a pistoni (a moto alternativo) accoppiato a un generatore per produrre energia elettrica, e un generatore di vapore a recupero che utilizza il calore dei fumi del motore per produrre vapore saturo destinato a usi di processo. Sistemi cogenerativi di questo tipo sono impiegati in diversi settori industriali, per esempio neH’industria chimica e petrolchimica, nell’industria farmaceutica, alimentare, di lavorazione del legname, ecc. However, the water tube generator is not suitable for medium / small cogeneration systems. This is the case, for example, of co-generative systems used in the industrial sector which typically include a piston engine (reciprocating motion) coupled to a generator to produce electricity, and a recovery steam generator that uses the heat of the fumes from the engine to produce saturated steam intended for process uses. Cogeneration systems of this type are used in various industrial sectors, for example in the chemical and petrochemical industries, in the pharmaceutical, food, wood processing industries, etc.

Una caratteristica di questi sistemi è rappresentata dalla temperatura dei fumi non molto elevata (ad es. circa 450 °C) che rende non conveniente la produzione di vapore ad alta pressione e/o surriscaldato; generalmente il vapore prodotto con il recupero è vapore saturo a media pressione destinato a usi di processo. A characteristic of these systems is represented by the temperature of the fumes which is not very high (eg about 450 ° C) which makes the production of high pressure and / or superheated steam not convenient; generally the steam produced with the recovery is saturated steam at medium pressure destined for process uses.

Un’altra caratteristica di detti sistemi è la variabilità della richiesta elettrica e termica. La richiesta elettrica, dalla quale dipendono il carico del motore e di conseguenza la potenza termica scaricata con i fumi, non sempre segue un andamento concorde alla richiesta di vapore. In certi momenti o periodi, la richiesta di vapore può eccedere la quantità che può essere prodotta con il calore recuperabile dai fumi del motore; oppure i fumi non sono disponibili perché il motore non è in marcia ma si deve generare comunque una quantità minima di vapore per non arrestare il processo produttivo a valle. Another feature of these systems is the variability of the electrical and thermal demand. The electrical demand, on which the engine load and consequently the thermal power discharged with the fumes depend, does not always follow a trend in accordance with the steam demand. At certain moments or periods, the steam demand may exceed the quantity that can be produced with the heat recoverable from the engine fumes; or the fumes are not available because the engine is not running but a minimum quantity of steam must still be generated in order not to stop the downstream production process.

Tutto questo richiede una notevole flessibilità del generatore di vapore a recupero e i grandi generatori di vapore a tubi d’acqua, sviluppati essenzialmente per i cicli gas-vapore, non danno una risposta soddisfacente a questa esigenza. Inoltre nell’arte nota si deve comunque prevedere una caldaia ausiliaria in parallelo al HRSG, cosa che aumenta di molto il costo di investimento e rende il sistema cogenerativo meno attraente specialmente per applicazioni di taglia piccola o media. All this requires considerable flexibility of the recovery steam generator and the large water tube steam generators, developed essentially for gas-steam cycles, do not provide a satisfactory response to this need. Furthermore, in the known art, an auxiliary boiler must still be provided in parallel to the HRSG, which greatly increases the investment cost and makes the cogeneration system less attractive, especially for small or medium-sized applications.

Sommario dell'invenzione Summary of the invention

L’invenzione ha lo scopo di mettere a disposizione un generatore di vapore a recupero particolarmente adatto per applicazioni in ambito industriale e per il recupero di calore da fumi di motori alternativi a combustione interna, che risolva i problemi enunciati in precedenza. In particolare l’invenzione si propone di realizzare un generatore di vapore a recupero che sia di costruzione semplice e di costo contenuto; che sia in grado di seguire le fluttuazioni della domanda di vapore rispetto alla domanda elettrica in un sistema di cogenerazione; che abbia una buona efficienza di recupero; che possa produrre vapore saturo secco come generalmente richiesto dai processi produttivi. The invention aims to provide a recovery steam generator particularly suitable for industrial applications and for the recovery of heat from the fumes of alternative internal combustion engines, which solves the problems mentioned above. In particular, the invention aims to create a recovery steam generator that is simple in construction and low in cost; that it is able to follow the fluctuations of the steam demand with respect to the electricity demand in a cogeneration system; that it has a good recovery efficiency; which can produce dry saturated steam as generally required by production processes.

Gli scopi sono raggiunti con un generatore di vapore a recupero a tubi di fumo, comprendente: The purposes are achieved with a smoke tube recovery steam generator, comprising:

un mantello e un fascio tubiero che definiscono un lato tubi e un lato mantello del generatore; a shell and a tube bundle that define a tube side and a shell side of the generator;

un ingresso fumi; a smoke inlet;

un bruciatore avente una camera di combustione collocata all’interno del mantello del generatore di vapore; a burner having a combustion chamber located inside the shell of the steam generator;

una camera di miscelazione comunicante con l’ingresso fumi e con la camera di combustione. a mixing chamber communicating with the smoke inlet and the combustion chamber.

Il generatore di vapore dell’invenzione è del tipo a tubi di fumo, in cui i gas caldi sono alimentati all’interno di tubi e l’acqua evapora nel lato mantello all’esterno dei tubi stessi. The steam generator of the invention is of the smoke tube type, in which the hot gases are fed into the tubes and the water evaporates on the shell side outside the tubes.

L’ingresso fumi è collegabile a un condotto fumi provenienti da un apparecchio esterno, quale un motore. Nel seguito con il termine fumi si intendono i fumi alimentati al detto ingresso, tipicamente rappresentati dai fumi di scarico di un motore a combustione interna. The smoke inlet can be connected to a smoke duct coming from an external device, such as a motor. Hereinafter, the term fumes means the fumes fed to said inlet, typically represented by the exhaust fumes of an internal combustion engine.

Il generatore di vapore comprende un bruciatore ausiliario alimentato a combustibile, per esempio gas naturale, che è integrato nel generatore di vapore stesso. Grazie alla camera di miscelazione, il bruciatore può integrare o anche sostituire, se necessario, l’apporto di calore dei fumi. Ciò evita il ricorso a una caldaia separata. The steam generator includes an auxiliary fuel-fired burner, for example natural gas, which is integrated into the steam generator itself. Thanks to the mixing chamber, the burner can integrate or even replace, if necessary, the heat input of the fumes. This avoids the need for a separate boiler.

La camera di miscelazione può essere collocata all’ingresso o all’uscita (a monte o a valle) di detta camera di combustione. The mixing chamber can be placed at the inlet or outlet (upstream or downstream) of said combustion chamber.

Nel primo caso la camera di miscelazione consente di introdurre i fumi direttamente in camera di combustione in maniera controllata; i fumi possono essere miscelati con il combustibile e il comburente del bruciatore all’ingresso della camera di combustione stessa. Per esempio una realizzazione preferita con camera di miscelazione a monte della camera di combustione prevede un corpo sostanzialmente toroidale di convogliamento e miscelazione fumi all’ingresso della camera di combustione. In the first case, the mixing chamber allows the fumes to be introduced directly into the combustion chamber in a controlled manner; the fumes can be mixed with the fuel and the comburent of the burner at the entrance to the combustion chamber itself. For example, a preferred embodiment with a mixing chamber upstream of the combustion chamber provides a substantially toroidal body for conveying and mixing fumes at the entrance to the combustion chamber.

Nel secondo caso la camera di miscelazione riceve i fumi e i prodotti gassosi della combustione, a valle della camera di combustione, e consente di miscelare i due flussi prima dell’ingresso nei tubi. Per esempio una realizzazione preferita con camera di miscelazione a valle della camera di combustione prevede una camera di miscelazione all’interno del mantello del generatore di vapore, detta camera di miscelazione essendo comunicante direttamente con un ingresso tubi (ingresso del lato tubi del fascio tubiero) e con la camera di combustione. In the second case, the mixing chamber receives the fumes and gaseous products of combustion, downstream of the combustion chamber, and allows the two flows to be mixed before entering the pipes. For example, a preferred embodiment with a mixing chamber downstream of the combustion chamber provides a mixing chamber inside the shell of the steam generator, said mixing chamber communicating directly with a tube inlet (inlet from the tube side of the tube bundle) and with the combustion chamber.

In una realizzazione preferita il mantello del generatore di vapore è un corpo essenzialmente cilindrico ad asse orizzontale. Preferibilmente anche la camera di combustione del bruciatore è un corpo sostanzialmente cilindrico ad asse orizzontale. Più preferibilmente la camera di combustione è coassiale rispetto al mantello principale del generatore di vapore. In a preferred embodiment, the steam generator shell is an essentially cylindrical body with a horizontal axis. Preferably, the combustion chamber of the burner is also a substantially cylindrical body with a horizontal axis. More preferably, the combustion chamber is coaxial with respect to the main shell of the steam generator.

Il fascio tubiero del generatore di vapore a recupero può comprendere uno o più banchi di tubi. The tube bundle of the recovery steam generator can comprise one or more banks of tubes.

In una realizzazione preferita, il fascio tubiero comprende almeno un primo banco di tubi rettilinei, che sono paralleli all’asse della camera di combustione cilindrica, e che sono disposti sopra la camera di combustione cilindrica, formando essenzialmente un arco attorno alla camera stessa. In a preferred embodiment, the tube bundle comprises at least a first bank of straight tubes, which are parallel to the axis of the cylindrical combustion chamber, and which are arranged above the cylindrical combustion chamber, essentially forming an arc around the chamber itself.

In una realizzazione ancora più preferita il fascio tubiero comprende detto primo banco di tubi e, inoltre, un secondo banco di tubi formando un fascio a due passaggi. I tubi di detto secondo banco sono preferibilmente paralleli ai tubi del primo banco e sono disposti ad arco al di sopra del primo banco. In an even more preferred embodiment, the tube bundle comprises said first bank of tubes and, furthermore, a second bank of tubes forming a bundle with two passages. The tubes of said second bench are preferably parallel to the tubes of the first bench and are arranged in an arc above the first bench.

Il generatore di vapore inoltre comprende vantaggiosamente un separatore di vapore avente un proprio corpo in pressione esterno rispetto a detto mantello. The steam generator also advantageously comprises a steam separator having its own pressurized body external to said shell.

Detto separatore di vapore (o “steam drum”) comunica con il lato mantello del generatore attraverso almeno una linea di risalita vapore e almeno una linea di ritorno del liquido. Questo separatore di vapore pur avendo un corpo separato è anch’esso integrato nel generatore di vapore, e consente di esportare vapore saturo, adatto agli usi di processo, con ritorno dell’acqua (allo stato liquido) verso la camera di evaporazione. Said steam separator (or "steam drum") communicates with the shell side of the generator through at least one steam rising line and at least one liquid return line. This vapor separator, despite having a separate body, is also integrated into the steam generator, and allows the export of saturated steam, suitable for process uses, with the return of water (in the liquid state) to the evaporation chamber.

Un generatore secondo rinvenzione può anche comprendere un economizzatore disposto per preriscaldare l’acqua di alimento con i gas uscenti dal lato tubi. Preferibilmente detto economizzatore è realizzato con un fascio di tubi (o altri corpi di scambio termico) che sono a contatto con i fumi caldi e che sono percorsi internamente dall’acqua di alimento. Dopo il passaggio nell’economizzatore, i fumi possono essere scaricati o trattati se necessario per la rimozione di inquinanti. A generator according to the invention can also comprise an economizer arranged to preheat the feed water with the gases coming out from the pipe side. Preferably, said economizer is made with a bundle of pipes (or other heat exchange bodies) which are in contact with the hot fumes and which are internally crossed by the feed water. After passing through the economizer, the fumes can be discharged or treated if necessary for the removal of pollutants.

È oggetto dell’invenzione anche un gruppo di cogenerazione comprendente un generatore di vapore secondo le annesse rivendicazioni. Detto gruppo di cogenerazione può comprendere un motore a combustione interna, preferibilmente un motore alternativo, connesso a un generatore di energia elettrica. A cogeneration unit comprising a steam generator according to the attached claims is also the subject of the invention. Said cogeneration unit can comprise an internal combustion engine, preferably a reciprocating engine, connected to an electric power generator.

L’invenzione trova applicazione preferibilmente, ma non esclusivamente, nell’ambito di sistemi di cogenerazione con potenza elettrica di alcuni megawatt (tipicamente da 1 a 5 MW elettrici) e produzione di vapore sino a pressioni di circa 15-18 bar. The invention is applied preferably, but not exclusively, in the context of cogeneration systems with electrical power of a few megawatts (typically from 1 to 5 MW of electricity) and steam production up to pressures of about 15-18 bar.

Nonostante l’applicazione preferita riguardi la produzione di vapore di processo, un gruppo di cogenerazione secondo rinvenzione può eventualmente comprendere un espansore di vapore per produrre energia. L’espansore di vapore è preferibilmente del tipo a vite che si rivela più conveniente e semplice da gestire, rispetto a una turbina, per produrre energia da vapore saturo a media pressione e/o in sistemi cogenerativi di taglia media o medio-piccola. L’espansore a vite non è danneggiato dalla formazione di goccioline di liquido in seno al vapore che si espande, e pertanto è adatto a funzionare con vapore saturo non surriscaldato. Although the preferred application concerns the production of process steam, a cogeneration unit according to the invention may possibly include a steam expander to produce energy. The steam expander is preferably of the screw type which is more convenient and easier to manage than a turbine to produce energy from saturated steam at medium pressure and / or in medium or medium-small size cogeneration systems. The screw expander is not damaged by the formation of droplets of liquid within the expanding vapor, and is therefore suitable for operation with non-superheated saturated steam.

Un bruciatore secondo l’invenzione essenzialmente può avere tre modi di funzionamento. A burner according to the invention can essentially have three operating modes.

In un primo modo di funzionamento il calore trasferito all’acqua proviene interamente dai fumi e il bruciatore ausiliario non è utilizzato. In a first mode of operation, the heat transferred to the water comes entirely from the fumes and the auxiliary burner is not used.

In un secondo modo di funzionamento il generatore utilizza esclusivamente il calore dei gas di combustione prodotti dal bruciatore. Questo modo di funzionamento consente di produrre vapore anche quando il motore non è in marcia. In a second operating mode, the generator uses only the heat of the combustion gases produced by the burner. This operating mode allows steam to be produced even when the engine is not running.

In un terzo modo di funzionamento il generatore utilizza sia il calore dei fumi, sia il calore fornito dal bruciatore. I fumi sono immessi in camera di combustione oppure si mescolano ai gas combusti del bruciatore all'interno della camera di miscelazione. Il fascio tubiero riceve così un flusso gassoso misto comprendente sia i prodotti di combustione sia i fumi. Questo terzo modo di funzionamento è il più interessante e consente di “seguire” la richiesta di vapore modulando rapporto del bruciatore per integrare, se e quando necessario, il calore recuperato dai fumi. In a third mode of operation, the generator uses both the heat of the fumes and the heat supplied by the burner. The fumes are introduced into the combustion chamber or mix with the burner gases inside the mixing chamber. The tube bundle thus receives a mixed gaseous flow including both the combustion products and the fumes. This third operating mode is the most interesting and allows you to "follow" the steam request by modulating the burner ratio to integrate, if and when necessary, the heat recovered from the fumes.

Il vantaggio principale del generatore di vapore a recupero secondo l’invenzione è dato dalla flessibilità nel seguire la richiesta di vapore, grazie al bruciatore integrato e ai diversi modi di funzionamento che sono stati esemplificati più sopra. Inoltre la realizzazione a tubi di fumo rende il generatore stabile e facilmente modulabile rispetto per esempio ai generatori a tubi d’acqua che possono andare incontro a un blocco di portata se si allontanano dalle condizioni di progetto. The main advantage of the recovery steam generator according to the invention is given by the flexibility in following the steam request, thanks to the integrated burner and the different operating modes that have been exemplified above. In addition, the smoke tube construction makes the generator stable and easily modulated with respect to water tube generators, for example, which can encounter a flow block if they move away from the design conditions.

Un altro vantaggio è dato dalla completa integrazione in un unico apparecchio dei tubi di scambio termico (tubi di fumo), del bruciatore ausiliario, del separatore di vapore. Another advantage is given by the complete integration in a single appliance of the heat exchange pipes (smoke pipes), of the auxiliary burner, of the vapor separator.

I vantaggi saranno maggiormente evidenti nel seguito, con l’aiuto della descrizione di una realizzazione preferita. The advantages will be more evident in the following, with the help of the description of a preferred embodiment.

Descrizione dei disegni Description of the drawings

La Fig. 1 rappresenta lo schema funzionale di un generatore di vapore secondo un modo di realizzare l’invenzione. Fig. 1 represents the functional diagram of a steam generator according to a way of carrying out the invention.

La Fig. 2 è una sezione trasversale di un generatore di vapore in accordo alla realizzazione di Fig. 1. Fig. 2 is a cross section of a steam generator according to the embodiment of Fig. 1.

La Fig. 3 è una sezione trasversale del generatore di vapore di Fig. 2. Fig. 3 is a cross section of the steam generator of Fig. 2.

La Fig. 4 è uno schema funzionale di un generatore di vapore in un altro modo di realizzazione dell’invenzione. Fig. 4 is a functional diagram of a steam generator in another embodiment of the invention.

Descrizione dettagliata Detailed description

La Fig. 1 fornisce uno schema di un generatore di vapore 1 comprendente un mantello 2 e un fascio tubiera 3 che definiscono un lato tubi e un lato mantello del generatore stesso. Il lato tubi comprende l’interno dei tubi che appartengono al fascio 3 mentre il lato mantello comprende il volume racchiuso dal mantello 2 attorno al fascio 3 medesimo. Fig. 1 provides a diagram of a steam generator 1 comprising a shell 2 and a tube bundle 3 which define a tube side and a shell side of the generator itself. The tube side includes the inside of the tubes belonging to bundle 3 while the shell side includes the volume enclosed by the shell 2 around the bundle 3 itself.

Altri componenti degni di nota del generatore di vapore 1 mostrato in Fig. 1 sono: un bruciatore 4, un separatore di vapore 5, un economizzatore 6, un ingresso fumi 7, una camera interna di miscelazione 8. Other noteworthy components of the steam generator 1 shown in Fig. 1 are: a burner 4, a steam separator 5, an economizer 6, a smoke inlet 7, an internal mixing chamber 8.

Il bruciatore 4 ha una camera di combustione 9 che si estende all’interno del mantello 2. Detta camera di combustione 9 è comunicante con la camera di miscelazione 8 sopra menzionata. Detta camera di miscelazione 8 comunica inoltre con l’ingresso fumi 7. The burner 4 has a combustion chamber 9 which extends inside the shell 2. Said combustion chamber 9 communicates with the mixing chamber 8 mentioned above. Said mixing chamber 8 also communicates with the smoke inlet 7.

Il bruciatore 4 è connesso (per esempio flangiato) al corpo 2 ed è alimentato con un combustibile, per esempio gas naturale 40, e un comburente, per esempio aria fresca 41. L’aria 41 è alimentata da un compressore 42. The burner 4 is connected (for example flanged) to the body 2 and is fed with a fuel, for example natural gas 40, and a comburent, for example fresh air 41. The air 41 is fed by a compressor 42.

Il fascio tubiero 3 ha un ingresso tubi 10 e un’uscita tubi 11. L’ingresso tubi 10 comunica con la camera di miscelazione 8; l’uscita tubi 1 1 comunica con un condotto di scarico o un camino 34 nel quale è installato l’economizzatore 6. The tube bundle 3 has a tube inlet 10 and a tube outlet 11. The tube inlet 10 communicates with the mixing chamber 8; the pipe outlet 1 1 communicates with an exhaust duct or a chimney 34 in which the economizer is installed 6.

Il fascio tubiero 3 più in dettaglio comprende due banchi 31, 32 di tubi rettilinei. Il primo banco 31 è alimentato direttamente (attraverso l’ingresso tubi 10) dalla camera di miscelazione 8; all’uscita del primo banco 3 1 i fumi sono re-diretti nei tubi del banco 32 da una camera 33. L’uscita del secondo banco 32 corrisponde alla uscita tubi 11 già descritta e comunica con il camino 34. The tube bundle 3 in more detail comprises two banks 31, 32 of straight tubes. The first bench 31 is fed directly (through the tube inlet 10) from the mixing chamber 8; at the outlet of the first counter 3 1 the fumes are re-directed into the pipes of the counter 32 from a chamber 33. The outlet of the second counter 32 corresponds to the pipes outlet 11 already described and communicates with the chimney 34.

L’economizzatore 6 è rappresentato essenzialmente, in questo esempio, da una serie di tubi esposti ai fumi e percorsi internamente da acqua di alimento. The economizer 6 is essentially represented, in this example, by a series of pipes exposed to fumes and internally crossed by feed water.

L’ingresso fumi 7 è collegato tramite un condotto fumi 12 allo scarico di un motore a combustione interna 13 il quale trascina un generatore elettrico 14. Attraverso il condotto 12 e l’ingresso 7, il generatore di vapore 1 riceve i fumi 15 prodotti dal motore 13. The smoke inlet 7 is connected by means of a smoke duct 12 to the exhaust of an internal combustion engine 13 which drives an electric generator 14. Through the duct 12 and inlet 7, the steam generator 1 receives the fumes 15 produced by the motor 13.

Si noti che la camera di miscelazione 8 comunica direttamente con l’ingresso fumi 7, con l’ingresso tubi 10 (ingresso del lato tubi dell’apparecchio) e con la camera di combustione 9 del bruciatore 4. Per effetto di questa collocazione, il percorso dei fumi 15 verso l’ingresso tubi 10 passa necessariamente attraverso la camera di miscelazione 8. Analogamente anche la camera di combustione 9 del bruciatore 4 comunica con l’ingresso 10 dei tubi attraverso la medesima camera di miscelazione 8, motivo per cui i gas combusti liberati dal bruciatore 4 possono entrare nei tubi del fascio 3 passando per la camera 8. It should be noted that the mixing chamber 8 communicates directly with the smoke inlet 7, with the pipe inlet 10 (inlet from the pipe side of the appliance) and with the combustion chamber 9 of burner 4. As a result of this location, the the path of the fumes 15 towards the inlet of the pipes 10 necessarily passes through the mixing chamber 8. Similarly, the combustion chamber 9 of the burner 4 also communicates with the inlet 10 of the pipes through the same mixing chamber 8, which is why the gases combustibles released by burner 4 can enter the tubes of bundle 3 passing through chamber 8.

Si comprende, pertanto, che il fascio tubiero 3 può essere alimentato con i fumi 15 provenienti dal motore, con i gas combusti provenienti dal bruciatore 4, o con una miscela di entrambi. In tutti i casi, i gas caldi uscenti dal fascio tubiero 3 attraverso l’uscita tubi 11 passano nel camino 34 dove cedono altro calore all’acqua di alimento tramite l’economizzatore 6. I fumi raffreddati 16 sono poi scaricati in atmosfera o diretti a un trattamento fumi se previsto. It is therefore understood that the tube bundle 3 can be fed with the fumes 15 coming from the engine, with the burned gases coming from the burner 4, or with a mixture of both. In all cases, the hot gases exiting from the tube bundle 3 through the tubes outlet 11 pass into the chimney 34 where they transfer more heat to the feed water through the economizer 6. The cooled fumes 16 are then discharged into the atmosphere or directed to a fume treatment if foreseen.

Viene ora descritto il lato acqua del generatore di vapore 1. L’acqua di alimento 20 è mandata in pressione con una pompa 21 verso l’economizzatore 6. Una linea 22 porta l’acqua preriscaldata, uscente da detto economizzatore 6, verso l’interno del separatore 5. The water side of the steam generator 1 is now described. The feed water 20 is sent under pressure with a pump 21 towards the economizer 6. A line 22 carries the preheated water, coming out of said economizer 6, towards the inside the separator 5.

Il separatore 5 in esercizio contiene una certa quantità di acqua liquida nella parte inferiore e vapore nella parte superiore. Detto separatore 5 comunica con il lato mantello del generatore 1 (interno del mantello 2) attraverso tubi di discesa liquido 23 e condotti di risalita vapore 24. La linea 25 estrae il vapore dal separatore 5, per esempio vapore saturo a una pressione di circa 18 bar. The separator 5 in operation contains a certain amount of liquid water in the lower part and steam in the upper part. Said separator 5 communicates with the shell side of the generator 1 (inside the shell 2) through liquid discharge pipes 23 and steam rising pipes 24. Line 25 extracts the steam from the separator 5, for example saturated steam at a pressure of about 18 bar.

I modi possibili di funzionamento possono essere così riassunti. The possible operating modes can be summarized as follows.

In un primo modo di funzionamento (“solo recupero”) il bruciatore 4 non è utilizzato. I fumi 15 provenienti dal motore 13 costituiscono pertanto l’unica sorgente di calore per la produzione del vapore. In a first operating mode ("recovery only") burner 4 is not used. The fumes 15 from the engine 13 therefore constitute the only source of heat for the production of steam.

In un secondo modo di funzionamento (“solo integrazione”) il generatore di vapore 1 funziona esclusivamente con i gas di combustione del bruciatore 4. I gas combusti passano dalla camera di combustione 9 alla camera di miscelazione 8 e, da questa, nel fascio tubiera 3. In a second operating mode ("integration only") the steam generator 1 works exclusively with the combustion gases of the burner 4. The combustion gases pass from the combustion chamber 9 to the mixing chamber 8 and, from this, into the tube bundle 3.

In un terzo modo di funzionamento (“recupero integrazione”) la camera di miscelazione 8 riceve sia i fumi 15 del motore, sia i gas combusti del bruciatore. I due flussi si mescolano nella camera 8 prima di entrare nel fascio tubiero 3. Il calore trasferito all’acqua di conseguenza proviene in parte dal recupero dei fumi e in parte dal bruciatore 4. In a third operating mode ("integration recovery") the mixing chamber 8 receives both the fumes 15 from the engine and the burner burner gases. The two flows mix in chamber 8 before entering the tube bundle 3. The heat transferred to the water consequently comes partly from the recovery of the fumes and partly from the burner 4.

Nel terzo modo di funzionamento si cercherà di sfruttare al massimo il calore dei fumi 15 utilizzando l’integrazione tramite bruciatore 4 solo in caso di necessità quando la richiesta di vapore non può essere soddisfatta interamente con il calore dei fumi. In the third mode of operation, we will try to make the most of the heat of the fumes 15 by using the integration via burner 4 only in case of need when the steam request cannot be fully satisfied with the heat of the fumes.

Inoltre si deve notare che la camera di combustione 9, trovandosi essa stessa all’intemo del mantello 2, contribuisce a fornire calore all’acqua in evaporazione. Furthermore, it should be noted that the combustion chamber 9, being itself inside the shell 2, helps to provide heat to the evaporating water.

I componenti che sono stati descritti con riferimento allo schema di Fig. 1 sono ancor meglio visibili nelle Fig. 2 e 3 che rappresentano un modo di esecuzione preferito. The components which have been described with reference to the diagram of Fig. 1 are even better visible in Figs. 2 and 3 which represent a preferred embodiment.

In detto modo di esecuzione preferito, il generatore di vapore 1 è un apparecchio orizzontale, il mantello 2 è quindi un corpo essenzialmente cilindrico con asse orizzontale. La camera di combustione 9 è anch’essa un corpo cilindrico, coassiale al mantello 2 e collocata nella parte inferiore del medesimo. Detta camera di combustione 9 ha una sezione di ingresso rivolta verso il bruciatore 4 e una sezione di uscita 19, opposta al bruciatore 4, che sfocia nella camera di miscelazione 8. In said preferred embodiment, the steam generator 1 is a horizontal appliance, the shell 2 is therefore an essentially cylindrical body with a horizontal axis. The combustion chamber 9 is also a cylindrical body, coaxial to the shell 2 and located in the lower part of the same. Said combustion chamber 9 has an inlet section facing the burner 4 and an outlet section 19, opposite the burner 4, which flows into the mixing chamber 8.

In Fig. 2 si nota che la camera di combustione 9 ha una parete a soffietto 17 per consentire la dilatazione termica. In Fig. 2 it can be seen that the combustion chamber 9 has a bellows wall 17 to allow thermal expansion.

Nelle Fig. 2 e 3 il riferimento 18 indica il lato mantello del generatore 1 che contiene l’acqua in evaporazione. In Figs. 2 and 3 the reference 18 indicates the shell side of the generator 1 which contains the evaporating water.

In corrispondenza dell’ingresso tubi 10 e dell’uscita tubi 11 si trovano, per esempio, due piastre tubiere alle quali sono fissati i tubi che compongono rispettivamente i banchi 31 e 32. At the tube inlet 10 and the tube outlet 11 there are, for example, two tube plates to which the tubes that make up the benches 31 and 32 respectively are fixed.

La Fig. 3 consente di notare una disposizione preferita dei banchi di tubi 31, 32. I tubi del primo banco 31 sono orizzontali e formano essenzialmente un arco attorno alla camera di combustione 9. I tubi del secondo banco 32 sono anch’essi orizzontali e disposti ad arco al di sopra del primo banco 31. Fig. 3 shows a preferred arrangement of the banks of tubes 31, 32. The tubes of the first bank 31 are horizontal and essentially form an arc around the combustion chamber 9. The tubes of the second bank 32 are also horizontal and arranged in an arch above the first bench 31.

Il corpo cilindrico del separatore 5 preferibilmente è collocato a lato e al di sopra del mantello 2 come si nota in particolare in Fig. 3. The cylindrical body of the separator 5 is preferably located to the side and above the shell 2 as can be seen in particular in Fig. 3.

Le figure mostrano anche il condotto di scarico fumi 35 a valle dell’economizzatore 6. The figures also show the smoke exhaust duct 35 downstream of the economizer 6.

Ulteriori dettagli costruttivi non necessitano di essere descritti in quanto potranno essere stabiliti da un tecnico del settore in base alle conoscenze comuni. Further construction details do not need to be described as they can be established by a person skilled in the art on the basis of common knowledge.

La realizzazione di Fig. 4 è un’altra realizzazione preferita e prevede una camera di miscelazione che si trova all’ingresso della camera di combustione 9 anziché a valle della stessa. Nell’esempio detta camera di miscelazione è realizzata essenzialmente da un corpo toroidale 80 connesso a un ingresso fumi 70 che riceve i fumi 15 provenienti dal motore attraverso il condotto 12. The embodiment of Fig. 4 is another preferred embodiment and provides for a mixing chamber which is located at the entrance to the combustion chamber 9 rather than downstream of the same. In the example, said mixing chamber is essentially made of a toroidal body 80 connected to a smoke inlet 70 which receives the fumes 15 coming from the engine through the duct 12.

Detto corpo toroidale 80 opera come corpo di convogliamento e miscelazione dei fumi e consente di immettere i fumi 15 direttamente nella camera di combustione 9 miscelandoli con il combustibile e l’aria entranti nella camera stessa. Il corpo toroidale 80 per esempio comprende vantaggiosamente delle aperture disposte per immettere i fumi in modo opportuno, ad esempio con un flusso vorticoso o “swirl”. Said toroidal body 80 operates as a body for conveying and mixing the fumes and allows the fumes 15 to be introduced directly into the combustion chamber 9, mixing them with the fuel and air entering the chamber itself. The toroidal body 80 for example advantageously comprises openings arranged to introduce the fumes in a suitable way, for example with a swirling flow.

La camera interna 8 può essere ugualmente prevista nella realizzazione di Fig. 4, come illustrato, per mettere in comunicazione la camera di combustione 9 con l’ingresso 10 del fascio tubiero. The internal chamber 8 can also be provided in the embodiment of Fig. 4, as illustrated, to put the combustion chamber 9 in communication with the inlet 10 of the tube bundle.

A parte l’ubicazione della camera di miscelazione, i dettagli e gli aspetti costruttivi della realizzazione di Fig. 4 possono essere sostanzialmente analoghi a quelli di Fig. 1 e possono essere realizzati come in Figg. 2 e 3. I riferimenti numerici di Fig. 4 pertanto sono da intendersi analoghi a quelli di Fig. 1 e la relativa descrizione è pure ad essi applicabile. Apart from the location of the mixing chamber, the details and construction aspects of the construction of Fig. 4 can be substantially similar to those of Fig. 1 and can be made as in Figs. 2 and 3. The numerical references of Fig. 4 are therefore to be understood as analogous to those of Fig. 1 and the relative description is also applicable to them.

La realizzazione di Fig. 4, come è chiaro a un tecnico del ramo, potrà operare anch’essa nei modi di funzionamento sopra descritti, cioè solo recupero, solo integrazione o recupero più integrazione The realization of Fig. 4, as is clear to a person skilled in the art, can also operate in the operating modes described above, i.e. only recovery, only integration or recovery plus integration

Claims (10)

RIVENDICAZIONI 1) Generatore di vapore a recupero (1) a tubi di fumo, comprendente : un mantello (2) e un fascio tubiero (3) che definiscono un lato tubi e un lato mantello del generatore; un ingresso fumi (7, 70); un bruciatore (4) avente una camera di combustione (9) collocata del mantello (2) del generatore di vapore; una camera di miscelazione (8, 80), comunicante con detto ingresso fumi (7, 70) e con detta camera di combustione. CLAIMS 1) Recovery steam generator (1) with smoke tubes, comprising: a shell (2) and a tube bundle (3) which define a tube side and a shell side of the generator; a smoke inlet (7, 70); a burner (4) having a combustion chamber (9) located in the shell (2) of the steam generator; a mixing chamber (8, 80), communicating with said smoke inlet (7, 70) and with said combustion chamber. 2) Generatore di vapore secondo la rivendicazione 1, in cui detta camera di miscelazione (80) è collocata all’ingresso di detta camera di combustione, in modo da consentire un’ immissione diretta dei fumi nella camera di combustione. 2) Steam generator according to claim 1, in which said mixing chamber (80) is located at the entrance of said combustion chamber, so as to allow direct entry of the fumes into the combustion chamber. 3) Generatore di vapore secondo la rivendicazione 1, in cui detta camera di miscelazione (8) è collocata a valle della camera di combustione, in modo da consentire una miscelazione dei fumi con i prodotti di combustione, prima dell’ingresso nei tubi. 3) Steam generator according to claim 1, in which said mixing chamber (8) is located downstream of the combustion chamber, so as to allow a mixing of the fumes with the combustion products, before entering the pipes. 4) Generatore di vapore secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui: il mantello (2) è sostanzialmente cilindrico e orizzontale; la camera di combustione (9) è delimitata da un corpo sostanzialmente cilindrico ad asse orizzontale, preferibilmente coassiale al mantello (2) . 4) Steam generator according to one of the preceding claims in which: the shell (2) is substantially cylindrical and horizontal; the combustion chamber (9) is delimited by a substantially cylindrical body with a horizontal axis, preferably coaxial to the shell (2). 5) Generatore di vapore secondo la rivendicazione 4, in cui il fascio tubiero (3) comprende almeno un primo banco (31) di tubi rettilinei e orizzontali, i quali sono disposti sopra la camera di combustione (9), formando essenzialmente un arco attorno a detta camera. 5) Steam generator according to claim 4, wherein the tube bundle (3) comprises at least a first bank (31) of straight and horizontal tubes, which are arranged above the combustion chamber (9), essentially forming an arc around to said chamber. 6) Generatore secondo la rivendicazione 5, in cui il fascio tubiero (3) comprende un secondo banco di tubi (32), formando così un fascio a due passaggi, i tubi del secondo banco (32) essendo orizzontali e disposti ad arco al di sopra del primo banco (31). 6) Generator according to claim 5, wherein the tube bundle (3) comprises a second bank of tubes (32), thus forming a bundle with two passages, the tubes of the second bank (32) being horizontal and arranged in an arc beyond above the first bench (31). 7) Generatore di vapore secondo una delle rivendicazioni precedenti, comprendente un separatore di vapore (5) avente un proprio corpo in pressione esterno rispetto a detto mantello (2), in cui detto separatore di vapore (5) comunica con il lato mantello del generatore di vapore attraverso almeno una linea di risalita vapore (24) e almeno una linea di discesa del liquido (23) . 7) Steam generator according to one of the preceding claims, comprising a steam separator (5) having its own pressurized body external to said shell (2), in which said steam separator (5) communicates with the shell side of the generator of vapor through at least one steam rising line (24) and at least one liquid descent line (23). 8) Generatore di vapore secondo la rivendicazione 6, comprendente un economizzatore (6) disposto per preriscaldare un flusso di acqua di alimento (20) con i gas uscenti dal lato tubi, e comprendente una linea (22) per alimentare acqua preriscaldata, uscente dal detto economizzatore, verso il detto separatore di vapore (5). 8) Steam generator according to claim 6, comprising an economizer (6) arranged to preheat a feed water flow (20) with the gases leaving the pipe side, and comprising a line (22) for feeding preheated water, leaving the said economizer, towards the said vapor separator (5). 9) Gruppo di cogenerazione comprendente un motore a combustione interna (13), preferibilmente un motore alternativo, e un generatore di vapore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’ingresso fumi (7) del generatore di vapore è connesso allo scarico del motore, per utilizzare i fumi di scarico (15) del motore quale sorgente di calore per la produzione di vapore (25). 9) Cogeneration unit comprising an internal combustion engine (13), preferably a reciprocating engine, and a steam generator (1) according to any one of the preceding claims, in which the fumes inlet (7) of the steam generator is connected at the engine exhaust, to use the engine exhaust fumes (15) as a source of heat for the production of steam (25). 10) Gruppo secondo la rivendicazione 9, comprendente anche un espansore alimentato da almeno parte del vapore (25) prodotto nel generatore, detto espansore essendo preferibilmente del tipo a vite. 10) Group according to claim 9, also comprising an expander fed by at least part of the steam (25) produced in the generator, said expander being preferably of the screw type.
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GB774799A (en) * 1954-04-09 1957-05-15 Laidlaw Drew & Company Ltd Waste heat boilers
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