IT202000008749A1

IT202000008749A1 - Bruciatore modulare perfezionato

Info

Publication number: IT202000008749A1
Application number: IT102020000008749A
Authority: IT
Inventors: Gabriele Gangale; Luca Barozzi; Sandro Lugli; Ettore Etenzi
Original assignee: Beckett Thermal Solutions S R L
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-10-23
Also published as: CN113551419A; EP3901518B1; EP3901518A1

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

?Bruciatore modulare perfezionato?

La presente invenzione ha per oggetto un bruciatore modulare, utilizzabile ad esempio in una caldaia murale.

In particolare, l?invenzione si riferisce ad un bruciatore modulare comprendente una pluralit? di moduli miscelatori, detti anche ?rampette?, affiancati tra loro.

Ciascun modulo miscelatore comprende normalmente un condotto di flusso della miscela aria-combustibile. Tale condotto di flusso ? ripiegato ad U, ovvero presenta un andamento comprendente due tratti leggermente inclinati tra loro e raccordati da una curva che descrive un angolo non di molto inferiore a 180?. Il condotto di flusso giace su un piano sostanzialmente verticale. Il tratto superiore del condotto di flusso ? in comunicazione con una batteria di aperture di uscita di forma allungata, affiancate tra loro e disposte su una superficie di emissione sostanzialmente piana, che sono destinate ad emettere la miscela di aria e gas combustibile. Le superfici di emissione di moduli miscelatori giacciono su un piano principale di emissione del bruciatore. Il tratto inferiore del condotto di flusso di ciascun modulo miscelatore si affaccia ad un ugello di iniezione del gas combustibile, in corrispondenza di un Venturi disposto sostanzialmente perpendicolare ad un?apertura di ingresso del condotto di flusso.

Il flusso di gas combustibile iniettato all?ingresso del condotto di flusso produce un trascinamento attraverso il Venturi di aria cosiddetta primaria che si miscela con il combustibile all?interno del condotto di flusso. La miscela aria-combustibile, che esce dal condotto di flusso attraverso le aperture di uscita del modulo miscelatore, alimenta una fiamma che si sviluppa al disopra del modulo miscelatore, in prossimit? delle aperture di uscita stesse. Ulteriore aria comburente, detta aria secondaria, si alimenta alla fiamma dall?ambiente circostante, ed in particolare attraverso gli spazi che separano tra loro i vari moduli miscelatori affiancati.

Una caratteristica geometrica importante dei bruciatori modulari ? il rapporto tra l?area complessiva del bruciatore, presa come area complessiva delle superfici di emissione dei moduli miscelatori e degli spazi che separano le superfici di emissione stesse, e l?area complessiva degli spazi tra le superfici di emissione dei moduli miscelatori. Entrambe le aree sono misurate sul piano principale di emissione del bruciatore.

Negli attuali bruciatori modulari, il suddetto rapporto ? circa 0.3. Ci? determina un contributo molto consistente dell?aria secondaria al completamento della combustione. All?uscita dei moduli miscelatori attraverso le aperture di uscita, la miscela aria combustibile presenta quindi un lambda relativamente basso (tipicamente inferiore a 1, ovvero inferiore al rapporto stechiometrico). Ci? comporta che la temperatura di fiamma, nelle sezioni pi? vicine alle aperture di uscita dei moduli miscelatori, sia al di sopra del valore critico per la formazione di ossidi di azoto (NOx). Tale fenomeno ? particolarmente accentuato verso i bassi regimi di potenza della caldaia ed ? certamente indesiderabile per ovvi motivi di contenimento delle emissioni nocive.

Nella domanda di brevetto italiana 102018000005589, la stessa richiedente ha offerto una soluzione efficace al problema sopra sintetizzato, descrivendo un bruciatore modulare nel quale il rapporto tra le aree ? inferiore a 0,2, ovvero ? inferiore almeno del 60% rispetto allo stesso rapporto nei bruciatori tradizionali. Nel bruciatore modulare della domanda italiana 102018000005589, i moduli miscelatori sono molto pi? vicini tra loro rispetto a quanto previsto nei bruciatori modulari tradizionali.

Una tale riduzione del rapporto tra le due aree consente di ridurre notevolmente l?apporto di aria secondaria alla combustione che si sviluppa all?uscita delle aperture di uscita, in prossimit? delle superfici di emissione e del piano di emissione, e quindi consente di ridurre l'emissione di NOx.

A seguito di approfondite ricerche, la richiedente ha identificato un ulteriore parametro geometrico che consente di definire la morfologia del bruciatore modulare con maggiore semplicit?, producendo inoltre un ulteriore decremento all'emissione di NOx. Un vantaggio del bruciatore secondo la presente invenzione ? di non richiedere particolari modifiche n? alla struttura della caldaia murale in cui viene installato, n? al bruciatore stesso, il quale presenta una struttura complessiva sostanzialmente analoga a quella dei bruciatori attualmente disponibili.

Un altro vantaggio del bruciatore secondo la presente invenzione ? di consentire una pi? precisa regolazione della potenza erogata. Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione meglio appariranno dalla descrizione dettagliata che segue di una forma di realizzazione dell?invenzione in oggetto, illustrata a titolo esemplificativo ma non limitativo nelle allegate figure in cui:

? la figura 1 mostra una vista schematica di un modulo miscelatore utilizzabile in un bruciatore secondo la presente invenzione;

? la figura 2 mostra schematicamente una caldaia nella quale ? impiegabile un bruciatore secondo la presente invenzione;

? la figura 3 mostra una vista isometrica in esploso del bruciatore secondo la presente invenzione;

? la figura 4 mostra una vista dall?alto di un bruciatore modulare secondo la presente invenzione;

? la figura 5 mostra un ingrandimento di figura 4;

? le figure 6 e 7 mostrano rispettivamente una vista posteriore ed anteriore del bruciatore secondo la presente invenzione;

? la figura 8 mostra la vista dall?alto con evidenziate alcune aree significative del bruciatore;

? la figura 9 mostra un grafico che rappresenta il lambda della miscela aria-combustibile in funzione del regime di potenza erogata dal bruciatore in un bruciatore attualmente disponibile; ? la figura 10 mostra un grafico che rappresenta il lambda della miscela aria-combustibile in funzione del regime di potenza erogata dal bruciatore in un bruciatore secondo la presente invenzione.

Il bruciatore modulare (1) secondo la presente invenzione pu? essere utilizzato in una caldaia del tipo schematicamente illustrato in figura 2. Il bruciatore (1) produce una fiamma che riscalda un sovrastante scambiatore di calore (3) all?interno del quale viene fatto circolare un fluido vettore che trasporta il calore ricevuto verso destinazioni previste. I fumi prodotti dalla combustione sono aspirati per mezzo di un ventilatore (4) per essere inviati ad uno scarico.

Il bruciatore modulare secondo la presente invenzione comprendente una pluralit? di moduli miscelatori (10) affiancati tra loro. I moduli miscelatori presentano complessivamente una conformazione appiattita e sono connessi tra loro, disposti paralleli, per mezzo di staffe (20,30) di supporto che consentono di vincolare il bruciatore (1) ad una struttura di supporto. I moduli miscelatori (10) sono separati tra loro da spazi liberi che consentono il passaggio di aria.

Ciascun modulo miscelatore (10) comprende un condotto di flusso (11), ovvero un condotto per il passaggio di una miscela ariacombustibile. Nella forma di realizzazione rappresentata, il condotto di flusso (11) presenta un andamento ricurvo ad U, nel quale un tratto inferiore (11a) ? connesso ad un tratto superiore (11b) mediante una curva (11c). Il tratto superiore (11b) pu? essere leggermente inclinato verso l?alto dalla curva (11c).

Il condotto di flusso (11) ? dotato di un?apertura di ingresso (12). Tale apertura di ingresso (12) ? collocata all?estremit? del tratto inferiore (11a). L?apertura di ingresso (12) ? destinata a ricevere una prevista portata di combustibile emesso da un ugello (2) che pu? essere collocato in posizione frontale rispetto all?apertura di ingresso (12). Il condotto di flusso (11) ? inoltre provvisto di un Venturi (12a) collocato a valle dell?apertura di ingresso (12). In modo noto, il flusso di combustibile prodotto dall?ugello (2), passando attraverso il Venturi (12a), genera una depressione che produce l?aspirazione di una certa portata di aria attraverso l?apertura di ingresso (12).

Il condotto di flusso (11) ? inoltre provvisto di una pluralit? di aperture di uscita (13), disposte su una superficie di emissione (14). Le aperture di uscita (13) sono ricavate attraverso una piastra di forma allungata, conformata sostanzialmente come una striscia, che definisce la superficie di emissione (14). Nella forma di realizzazione rappresentata, visibile particolarmente nelle figure 4 e 5, le aperture di uscita (13) sono di forma allungata e sono parallele tra loro.

I moduli miscelatori (10) sono disposti in modo che le superfici di emissione (14) giacciono su un piano di emissione (100) del bruciatore. Tale piano di emissione (100) ? sostanzialmente un piano che contiene le superfici di emissione (14), a meno di eventuali disallineamenti dovuti al montaggio dei moduli miscelatori (10) ed alla geometria effettiva delle superfici di emissione (14). In ogni caso, il piano di emissione (100) contiene le proiezioni geometriche delle superfici di emissione (14).

Sul piano di emissione (100), le superfici di emissione (14) sono separate tra loro da superfici libere (15). Tali superfici libere (15), indicate con tratteggio incrociato in figura 8, sono definite sostanzialmente dalla proiezione geometrica sul piano di emissione (100) degli spazi che separano i moduli miscelatori (10). Le superfici di emissione (14) sono invece indicate con tratteggio inclinato.

Ciascuna superficie di emissione (14) presenta una larghezza (D), misurata perpendicolarmente al piano longitudinale (Y) ed intesa come distanza che separa due bordi longitudinali della superficie di emissione stessa paralleli al piano longitudinale (Y). Inoltre, due superfici di emissione (14) adiacenti sono separate da una distanza (S), misurata perpendicolarmente al piano longitudinale (Y) ed intesa come distanza che separa i bordi longitudinali adiacenti delle due superfici di emissione (14).

Negli attuali bruciatori modulari, il rapporto tra la distanza (S) che separa due superfici di emissione (14) adiacenti e la larghezza (D) di ciascuna superficie di emissione (14) ? compreso tra 0,9 e 1,6. Esiste inoltre una particolare categoria di bruciatori modulari, raffreddati ad acqua, nei quali il rapporto S/D ? inferiore a 0,1. Nel bruciatore modulare secondo la presente invenzione, il rapporto tra la distanza (S) che separa due superfici di emissione (14) adiacenti e la larghezza (D) di ciascuna superficie di emissione (14) ? compreso tra 0,4 e 0,7.

In sostanza, nel bruciatore modulare secondo la presente invenzione, i moduli miscelatori (10) sono molto pi? vicini tra loro rispetto a quanto previsto nei bruciatori modulari attuali. Ci? riduce lo spazio che separa i moduli miscelatori (10) tra loro, e riduce quindi le superfici libere (15).

Una tale riduzione del rapporto operativo consente di ridurre notevolmente l?apporto di aria secondaria alla combustione che si sviluppa all?uscita delle aperture di uscita (13), in prossimit? delle superfici di emissione (14) e del piano di emissione (100). Infatti, come gi? sottolineato, i moduli miscelatori (10) sono separati da spazi molto ridotti rispetto ai bruciatori attuali, cosicch? le sezioni libere (15) disponibili per il flusso dell?aria secondaria sono parimenti ridotte.

La consistente riduzione dell?apporto di aria secondaria rende preponderante la portata di aria primaria che viene aspirata nel condotto di flusso (11) attraverso l?apertura di ingresso (12). A sua volta, la portata di aria primaria aspirata nel condotto di flusso (11) attraverso l?apertura di ingresso (12) dipende in maniera sostanziale e preponderante dalla depressione creata dal ventilatore (4) all?interno della caldaia, mentre l?effetto della depressione creata dal flusso di combustibile che transita attraverso il Venturi (12a) diviene sostanzialmente trascurabile. In altri termini, la portata di aria primaria e la portata di aria secondaria rimangono sostanzialmente costanti al variare del regime di potenza della caldaia. Fissato un regime di funzionamento del ventilatore (4), la potenza del bruciatore ? regolata variando la sola portata di gas inviata al condotto di flusso, ovvero variando la pressione di alimentazione del gas all?ugello (2). Inoltre, la portata di aria primaria rimane sostanzialmente costante al variare della portata di combustibile inviata al Venturi (12a).

Grazie alle caratteristiche del bruciatore modulare secondo l?invenzione, ed in particolare grazie alla riduzione della portata di aria secondaria, ? possibile fissare la portata di aria primaria che viene aspirata all?interno del condotto di flusso (11) di ciascun modulo miscelatore (10) in modo che il lambda primario della miscela aria-combustibile sia relativamente alto, circa 1,3, alle basse potenze di funzionamento del bruciatore (figura 9), e decresca all?aumento della potenza fino a raggiungere un valore di circa 0,9 al massimo della potenza del bruciatore. Il lamba ? pari a 1 all?85% circa della potenza di funzionamento del bruciatore.

Grazie alle caratteristiche del bruciatore secondo la presente invenzione, il lambda primario della miscela aria-combustibile ? quindi relativamente alto fin dalle basse potenze di funzionamento del bruciatore, quindi anche in prossimit? delle aperture di uscita (13) e del piano di emissione (100). Questa caratteristica permette di mantenere, fin dalle prime fasi della combustione, la temperatura di fiamma al di sotto dei valori tipici che causano la formazione di ossidi di azoto (NOx).

Nei bruciatori attuali, invece, il raffreddamento della fiamma al di sotto di temperature critiche per la formazione dei NOx, avviene solo successivamente all?apporto di aria secondaria, quando ormai gli ossidi di azoto si sono gi? formati in prossimit? del piano di emissione (14).

Il bruciatore modulare secondo la presente invenzione comprende una staffa posteriore (20) ed una staffa anteriore (30). Tramite le staffe (20,30), i moduli miscelatori (10) sono mantenuti paralleli tra loro, nella posizione sopra descritta. Inoltre, le staffe (20,30) consentono di vincolare il bruciatore (1) ad una struttura di supporto.

La staffa posteriore (20) comprende una porzione principale (21), disposta sostanzialmente perpendicolare al piano longitudinale (Y) ed al piano di emissione (100). La porzione principale (21) ? strutturata per disporsi affacciata ad una zona posteriore dei moduli miscelatori (10), chiudendo posteriormente il bruciatore (1). La porzione principale (21) ? provvista di una pluralit? di aperture passanti (22). Tali aperture passanti (22), trovandosi nella zona posteriore del bruciatore, garantiscono un flusso ottimale di aria secondaria.

Ciascuna apertura passante presenta un'area definita. L'area complessiva A delle aperture passanti (22) ? quindi un'area disponibile al flusso di aria secondaria. Se N ? il numero complessivo dei moduli miscelatori (10) che formano il bruciatore (1), S ? la distanza (S) che separa due superfici di emissione (14) adiacenti, ? possibile definire il parametro adimensionale K nel modo seguente:

Nel bruciatore secondo la presente invenzione, il parametro adimensionale K ? maggiore di 4. Ci? consente di migliorare ulteriormente le caratteristiche di efficienza e riduzione delle emissioni di NOx del bruciatore.

Preferibilmente, le aperture passanti (22) presentano una forma circolare e sono disposte lungo due file parallele, distanziate tra loro da passi regolari. Preferibilmente, due aperture passanti (22) sono allineate a ciascuno spazio che separa due moduli miscelatori (10) adiacenti.

La staffa posteriore (20) comprende una pluralit? di alloggiamenti (23), ciascuno dei quali ? conformato per accogliere una rispettiva porzione posteriore di aggancio di un modulo miscelatore (10). Gli alloggiamenti (23) sono in forma di intagli ricavati in due ali (23a,23b) della staffa posteriore (20) che sporgono trasversalmente alla porzione principale (21) verso i moduli miscelatori (10).

La staffa anteriore (30) comprende una porzione principale (31), disposta sostanzialmente perpendicolare al piano longitudinale (Y) ed al piano di emissione (100), ovvero parallela alla porzione principale (21) della staffa posteriore (20). La porzione principale (31) ? strutturata per disporsi affacciata ad una zona anteriore dei moduli miscelatori (10), chiudendo anteriormente il bruciatore (1). La porzione principale (31) della staffa anteriore (30) ? provvista di un'apertura passante (32). L'apertura passante (32) presenta una conformazione allungata ad asola, ed ? disposta affacciata alle aperture di ingresso (12) dei condotti (11) dei moduli miscelatori (10). Una conformazione allungata ad asola, ovvero priva di ponti o setti trasversali, consente un flusso libero e senza turbolenze sostanziali verso tutte le aperture di ingresso (12) attraverso l'apertura passante (32).

La staffa anteriore (30) comprende una pluralit? di alloggiamenti (33), ciascuno dei quali ? conformato per accogliere una rispettiva porzione anteriore di aggancio di un modulo miscelatore (10). Gli alloggiamenti (33) sono in forma di intagli ricavati per met? in un'ala superiore (33a), che sporge trasversalmente alla porzione principale (31) verso i moduli miscelatori (10), e per met? su una nervatura inferiore (33b), posta al disotto della porzione principale (31) e rivolta verso i moduli miscelatori (10).

La staffa anteriore (30) presenta inoltre un piede (35) di appoggio, collocato inferiormente alla porzione principale (31). Il piede (35) ? definito da un bordo della staffa anteriore (30) ripiegato sostanzialmente perpendicolare alla porzione principale (31), ovvero sostanzialmente parallelo al piano di emissione (100). Nella forma di realizzazione rappresentata, il piede (35) ? rivolto all'indietro, verso i moduli miscelatori (10), ma potrebbe essere rivolto dalla parte opposta, in avanti. Oltre a facilitare l'appoggio ed il vincolo del bruciatore (1) ad una struttura di supporto, il piede (35) contribuisce ad irrigidire notevolmente la staffa anteriore (30), parzialmente indebolita dalla presenza dell'apertura passante (32). I seguenti ulteriori parametri geometrici, sia presi singolarmente, sia adottati in una qualsiasi combinazione, consentono di migliorare ulteriormente le caratteristiche di combustione del bruciatore modulare secondo la presente invenzione.

Preferibilmente, ma non necessariamente, nel bruciatore secondo la presente invenzione, il rapporto operativo tra l?area libera totale, data dalla somma delle superfici libere (15) proiettate sul piano di emissione (100), e l?area totale del bruciatore, data dalla somma tra le superfici di emissione (14) e le superfici libere (15) proiettate sul piano di emissione (100), ? inferiore o uguale a 0,2.

Nei bruciatori modulari attualmente disponibili, il rapporto operativo sopra descritto ? invece circa 0,3. Nel bruciatore modulare secondo la presente invenzione, il rapporto operativo ? quindi inferiore al 60% circa del rapporto operativo previsto nei bruciatori attualmente disponibili.

Nel bruciatore secondo la presente invenzione, il rapporto tra l?area complessiva delle aperture di uscita (13) e l?area della superficie di emissione (14) ? maggiore di 0,20 per ciascun modulo miscelatore. Ad esempio, il rapporto suddetto ? compreso tra 0,20 e 0,30 per ciascun modulo miscelatore (10).

Considerato che i moduli miscelatori (10) hanno dimensioni standard che prevedono una lunghezza (L) della superficie di emissione (14) di 160 mm, nel bruciatore secondo la presente invenzione i moduli miscelatori (10) sono separati da un passo (P) di montaggio di circa 13 mm, misurato come distanza tra i piani longitudinali medi di due moduli (10) adiacenti, mentre negli attuali bruciatori tale passo ? compreso tra 17 e 20,5mm. Nel bruciatore secondo la presente invenzione, il rapporto tra la lunghezza dei moduli miscelatori (10) ed il passo (P) di montaggio ? maggiore di 11, mentre nei bruciatori attuali ? massimo 9,41. In una forma di realizzazione particolarmente vantaggiosa, tale rapporto ? circa 12,3.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Bruciatore modulare, comprendente una pluralit? di moduli miscelatori (10), affiancati tra loro e paralleli ad un piano longitudinale (Y), ciascuno dei quali presenta una lunghezza (L) misurata parallelamente al piano longitudinale (Y), in cui ciascun modulo miscelatore (10) comprende: un condotto di flusso (11), dotato di un?apertura di ingresso (12) e di una pluralit? di aperture di uscita (13), disposte su una superficie di emissione (14); in cui le superfici di emissione (14) giacciono su un piano di emissione (100) del bruciatore; in cui ciascuna superficie di emissione (14) presenta una larghezza (D), misurata perpendicolarmente al piano longitudinale (Y), ed in cui due superfici di emissione (14) adiacenti sono separate da una distanza (S), misurata perpendicolarmente al piano longitudinale (Y); caratterizzato dal fatto che il rapporto tra la distanza (S) ed la larghezza (D) ? compreso tra 0,4 e 0,7.
2) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, comprendente una staffa posteriore (20) dotata di una porzione principale (21) che presenta una pluralit? di aperture passanti (22), in cui le aperture passanti presentano un'area complessiva A, caratterizzato dal fatto che un parametro adimensionale K:

? maggiore di 4, dove N ? il numero complessivo di moduli miscelatori (10) ed s ? la distanza (S) che separa due superfici di emissione (14) adiacenti.
3) Bruciatore secondo la rivendicazione 2, in cui le aperture passanti (22) presentano una forma circolare e sono disposte lungo due file parallele, ed in cui ciascuno spazio che separa due moduli miscelatori adiacenti ? affacciato da due aperture passanti (22).
4) Bruciatore secondo la rivendicazione 2, in cui la staffa posteriore (20) comprende una pluralit? di alloggiamenti (23), ciascuno dei quali ? conformato per accogliere una rispettiva porzione posteriore di aggancio di un modulo miscelatore (10).
5) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, comprendente una staffa anteriore (30) dotata di una porzione principale (31) che presenta un'apertura passante (32) in forma allungata ad asola, in cui l'apertura passante (32) ? affacciata alle aperture di ingresso (12) dei condotti di flusso (11).
6) Bruciatore secondo la rivendicazione 5, in cui la staffa anteriore (30) comprende un piede (35), definito da un bordo inferiore della staffa anteriore (30) ripiegato sostanzialmente perpendicolare alla porzione principale (31), ovvero parallelo al piano di emissione (100).
7) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, modulare, comprendente una pluralit? di moduli miscelatori (10), affiancati tra loro e paralleli ad un piano longitudinale (Y), ciascuno dei quali presenta una lunghezza (L) misurata parallelamente al piano longitudinale (Y), in cui i moduli miscelatori sono separati tra loro da un passo (P) di montaggio, misurato come distanza tra i piani longitudinali medi di due moduli (10) adiacenti, caratterizzato dal fatto che il rapporto tra la lunghezza dei moduli miscelatori (10) ed il passo (P) di montaggio ? maggiore di 11.
8) Bruciatore modulare secondo la rivendicazione 7, in cui il rapporto tra la lunghezza dei moduli miscelatori (10) ed il passo (P) di montaggio ? circa 12,3.
9) Bruciatore modulare secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun modulo miscelatore (10) comprende: un condotto di flusso (11), dotato di un?apertura di ingresso (12) e di una pluralit? di aperture di uscita (13), disposte su una superficie di emissione (14); in cui le superfici di emissione (14) giacciono su un piano di emissione (100) del bruciatore e, sul piano di emissione (100), sono separate tra loro da superfici libere (15); caratterizzato dal fatto che il rapporto tra l?area totale delle superfici libere (15) e l?area totale delle superfici di emissione (14) e delle superfici libere (15) ? inferiore a 0,2.
10) Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun modulo miscelatore (10) comprende: un condotto di flusso (11), dotato di un?apertura di ingresso (12) e di una pluralit? di aperture di uscita (13), disposte su una superficie di emissione (14); in cui le superfici di emissione (14) giacciono su un piano di emissione (100) del bruciatore e, sul piano di emissione (100), sono separate tra loro da superfici libere (15); caratterizzato dal fatto che, in ciascun modulo miscelatore (10), il rapporto tra l?area complessiva delle aperture di uscita (13) e l?area della superficie di emissione (14) ? compreso tra 0,20 e 0,30.