IT202100007040A1 - Dispositivo di riscaldamento a nastri radianti - Google Patents

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Paolo Luigi Campolmi
Sergio Sperani
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Impresind S R L
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Description

DESCRIZIONE
Della Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale dal Titolo:
?DISPOSITIVO DI RISCALDAMENTO A NASTRI RADIANTI?
La presente invenzione riguarda, in generale, il settore del riscaldamento basato sulla trasmissione del calore per irraggiamento. Pi? in particolare, riguarda un dispositivo di riscaldamento a nastri radianti.
STATO DELLA TECNICA
Sono noti i sistemi di riscaldamento basati sulla trasmissione del calore per irraggiamento. Quindi, il riscaldamento di una zona di un ambiente avviene attraverso la radiazione elettromagnetica emessa nel campo delle frequenze dell?infrarosso da una superficie calda (superficie radiante) generata e parte del dispositivo stesso.
Il vantaggio di tali dispositivi ? quello di riuscire a riscaldare un?ambiente senza dover scaldare tutta l?aria presente, questo permette di fornire calore solo dove serve scaldando direttamente i corpi irradiati, con evidente risparmio energetico, riducendo le perdite per dispersione e con un effetto immediato a causa della bassa inerzia termica.
Tali apparecchiature sono usate principalmente per riscaldare ambienti di grande volumetria, come ad esempio capannoni industriali, hangar, magazzini o ambienti commerciali.
I dispositivi di riscaldamento a nastri radianti sono dispositivi ben conosciuti e applicati con successo da decenni nell?ambito del riscaldamento di grandi ambienti. Questi dispositivi utilizzano in genere come sorgente termica un gas combustibile e/o gasolio che, per mezzo di un bruciatore, vengono trasformati in prodotti della combustione ad alta temperatura. Tali prodotti vengono poi convogliati e spinti tramite un ventilatore in una tubazione che realizza il circuito radiante di riscaldamento vero e proprio. I prodotti di combustione riscaldano quindi le pareti dei tubi di tale circuito portandole a temperature in genere comprese tra i 150 ?C ed i 350 ?C. Le superfici calde dei tubi, trattate superficialmente in modo da avere un elevato indice di emissivit?, diffonderanno il calore per irraggiamento nello spazio circostante andando a riscaldare tutti i corpi da esse irradiati.
Da punto di vista costruttivo generale questi dispositivi sono formati in genere da una unit? principale, detta box bruciatore, che contiene tutti i componenti dedicati alla combustione ed alla sua gestione e controllo: camera o plenum di ricircolo contenente la camera di combustione con bruciatore vero e proprio, ventilatore principale o di ricircolo, attacchi di collegamento tubazioni radianti (andata e ritorno) e collegamento scarico fumi. Completano infine la dotazione del box il quadro elettrico con i dispositivi elettronici di controllo e gestione della macchina ed i dispositivi di sicurezza.
Il bruciatore utilizzato pu? essere di diversa tipologia e, relativamente all?utilizzo di combustibili gassosi, alcune macchine utilizzano bruciatori in vena d?aria dove il comburente (aria) necessaria alla combustione viene aspirato e miscelato al combustibile per depressione generata dall?effetto ottenuto dalla circolazione innescata dal ventilatore principale di ricircolo. In altri casi sono utilizzati bruciatori ad aria soffiata. In questo caso l?immissione del comburente (aria) viene realizzata tramite il ventilatore proprio del bruciatore che la aspira dall?ambiente esterno e la immette nella testa di combustione, dove viene miscelata con il combustibile.
Attualmente, la richiesta di macchine sempre pi? efficienti ed ecologiche, sta introducendo l?utilizzo di nuove tipologie di bruciatori che hanno il vantaggio di avere un campo di regolazione pi? ampio e di realizzare una combustione molto pulita (con concentrazioni di incombusti ed inquinanti, in particolare per quello che riguarda gli ossidi di azoto o NOx, molto bassa). I bruciatori del suddetto tipo, da diverso tempo gi? conosciuti e utilizzati per esempio su caldaie ad acqua calda, vengono denominati ?premix? (Premiscelati), in quanto il combustibile e l?aria comburente vengono aspirati e miscelati insieme da un ventilatore prima di giungere alla testa di combustione. La testa di combustione tipicamente comprende un cilindro metallico con forature di varie forme e diametro, in funzione della potenza termica del bruciatore e/o della camera di combustione in cui inserita. Alcuni costruttori di tali teste di combustione ricoprono il cilindro metallico forato con una rete metallica o un tessuto in fibra metallica di lega resistente alle alte temperature ove avviene la combustione.
Quindi, i gas caldi prodotti dalla combustione vengono immessi nel circuito radiante tramite una bocca di uscita. Il circuito radiante, con lunghezze variabili da 20 m a 100-150 m, si snoda all?interno dell?ambiente da riscaldare con un tracciato studiato per coprire tutte le zone che devono essere riscaldate. Il circuito in genere termina con una curva ad U e lo stesso tracciato viene percorso dal tubo di ritorno che corre affiancato a quello di mandata fino a tornare al box bruciatore.
SOMMARIO DELL?INVENZIONE
La Richiedente ha studiato attentamente gli impianti di riscaldamento a nastri radianti.
La Richiedente ha notato che negli impianti noti il tubo di ritorno ? collegato ad un plenum o camera di raccolta dove ? contenuto il ventilatore di ricircolo fumi o ventilatore principale del nastro radiante in modo da collegare tra loro il tubo di ritorno, il tubo di mandata e il tubo di evacuazione dei fumi. Il ricircolo di buona parte della portata di fumi caldi torna nuovamente nel nastro radiante. Il ricircolo parziale dei fumi ? una caratteristica distintiva dei nastri radianti che li differenziano dai tubi radianti da cui sono derivati, fanno s? che queste macchine siano pi? efficienti ed in grado di realizzare una distribuzione della temperatura pi? uniforme lungo tutto il percorso.
La Richiedente ha notato che la circolazione dei fumi nel plenum che mette in comunicazione l?aspirazione e la mandata del circuito radiante, ed il tubo di evacuazione fumi, non ? ottimale e richiede un notevole lavoro di messa a punto al fine di bilanciare correttamente le pressioni e le portate di ricircolo. Spesso ? necessario l?inserimento di setti per direzionare correttamente i flussi che complicano la costruzione dell?oggetto.
La Richiedente si ? posta l?obiettivo di semplificare l?intero impianto di ricircolo e di mandata aria.
Secondo la presente invenzione, il plenum non ? pi? presente all?interno della macchina.
Secondo la presente invenzione, la bocca di mandata della coclea del ventilatore principale ? direttamente collegata alla tubazione di mandata. Secondo un primo aspetto, la presente invenzione prevede un dispositivo di riscaldamento a nastri radianti comprendente:
una tubazione radiante includente una tubazione di mandata, una tubazione di ritorno ed un raccordo per collegare la tubazione di mandata alla tubazione di ritorno,
un primo bruciatore per riscaldare un fluido nella tubazione radiante, un ventilatore per il ricircolo di fluido riscaldato entro la tubazione radiante, in cui il ventilatore comprende una coclea con una bocca di mandata che ? collegata direttamente alla tubazione di mandata.
Secondo forme di realizzazione, il dispositivo di riscaldamento comprendente anche una prima camera di combustione ed una prima testa di combustione entro la prima camera di combustione .
Secondo forme di realizzazione, la prima camera di combustione ? inserita direttamente all?interno della tubazione di mandata, e non in un plenum di collegamento, in prossimit? della bocca di mandata del ventilatore.
Secondo forme di realizzazione, la prima camera di combustione ? inserita all?interno della tubazione di mandata, e non in un plenum di collegamento, in una posizione intermedia della tubazione di mandata.
Secondo forme di realizzazione, il dispositivo di riscaldamento comprende anche uno scarico fumi in corrispondenza della coclea del ventilatore.
Secondo forme di realizzazione, la prima camera di combustione ? chiusa e comprende uno scarico dei fumi all?esterno direttamente dalla prima camera di combustione.
Secondo forme di realizzazione, il dispositivo di riscaldamento comprende anche un secondo bruciatore con una seconda camera di combustione ed una seconda testa di combustione entro la seconda camera di combustione.
Secondo forme di realizzazione, la seconda camera di combustione ? disposta nella tubazione di ritorno.
Secondo forme di realizzazione, il primo bruciatore ? del tipo in vena d?aria oppure ad aria soffiata oppure premix, in cui un combustibile e aria comburente vengono aspirati e miscelati insieme da un ventilatore prima di giungere alla prima testa di combustione.
Secondo forme di realizzazione, il ventilatore ? un ventilatore centrifugo a singola aspirazione.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
La presente invenzione diverr? pi? chiara dalla lettura della seguente descrizione dettagliata, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo, da leggersi con riferimento alle annesse Figure, in cui:
- Fig. 1 ? una vista schematica del dispositivo di riscaldamento a nastri radianti secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; - Fig. 2 ? una generica sezione del circuito radiante del dispositivo di riscaldamento secondo la presente invenzione;
- Fig. 3 ? una sezione del modulo di tubazione radiante e della camera di combustione secondo l?invenzione;
- Fig. 3.1 ? una sezione del modulo di tubazione radiante e della camera di combustione secondo una prima variante dell?invenzione;
- Fig. 4.1 ? una vista schematica del dispositivo di riscaldamento a nastri radianti secondo una prima variante della presente invenzione;
- Fig. 4.2 ? una vista schematica del dispositivo di riscaldamento a nastri radianti secondo una seconda variante della presente invenzione; e - Fig. 4.3 ? una vista schematica del dispositivo di riscaldamento a nastri radianti secondo una terza variante della presente invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
La presente invenzione prevede una significativa semplificazione dell?intero impianto di ricircolo e di mandata aria. Secondo la presente invenzione, non ? pi? presente all?interno del dispositivo un plenum, in quanto la bocca di mandata della coclea del ventilatore principale risulter? direttamente collegata alla tubazione di mandata.
La camera di combustione, opportunamente dimensionata a seconda delle potenze termiche gestite, sar? quindi inserita direttamente nella tubazione di mandata. Alla camera di combustione sar? collegato il relativo bruciatore. Il bruciatore potr? indifferentemente essere del tipo in vena d?aria, ad aria soffiata o premix.
Con riferimento inizialmente alle Figure 1, 2 e 3 verr? illustrata una forma di realizzazione del dispositivo di riscaldamento 10 a nastri radianti della presente invenzione.
Il dispositivo 10 comprende una tubazione radiante con una tubazione di mandata 12 ed una tubazione di ritorno 16 collegate tra loro. Ad esempio, la tubazione di mandata 12 e la tubazione di ritorno 16 possono essere collegate tra loro tramite un raccordo ad U 14, come mostrato in Fig. 1. Come accennato sopra, la tubazione di mandata 12 e la tubazione di ritorno 16 potrebbero correre parallelamente l?una all?altra o potrebbero svilupparsi lungo percorsi diversi.
Il dispositivo 10 comprende anche un bruciatore 20, una camera di combustione 22, una testa di combustione 24 dentro la camera di combustione 22, un?alimentazione di combustibile 30, un dispositivo 40 per il ricircolo dei prodotti di combustione ed una uscita fumi 50 per la fuoriuscita dei fumi 52.
Come mostrato in Fig. 1, la camera di combustione 22 con la testa 24 del bruciatore ? inserita direttamente nella tubazione di mandata 12.
Il dispositivo per il ricircolo dei prodotti di combustione preferibilmente comprende un ventilatore 40. Preferibilmente, il ventilatore 40 ? un ventilatore centrifugo a singola aspirazione. Il ventilatore 40 comprende una coclea con una bocca di mandata.
L?alimentazione 30 di combustibile comprende una valvola 32 per intercettare un combustibile, ad esempio un combustibile gassoso oppure gasolio.
Il bruciatore 20 pu? essere di diversa tipologia. Ad esempio pu? essere un bruciatore in vena d?aria dove il comburente (aria) necessaria alla combustione viene aspirato e miscelato al combustibile per depressione generata dall?effetto ottenuto dalla circolazione innescata dal ventilatore principale di ricircolo. L?aria 34 per la combustione viene illustrata tramite frecce.
Secondo la presente invenzione, la bocca di mandata 44 della coclea 42 del ventilatore 40 ? direttamente collegata alla tubazione di mandata 12. L?espressione ?direttamente collegata? (o simili espressioni) sta ad indicare che la tubazione di mandata ? collegata alla coclea del ventilatore senza un plenum od una camera. Tuttavia, potrebbe esserci un raccordo adattatore e/o una guarnizione o pi? guarnizioni.
Questa soluzione ottiene diversi vantaggi.
In primo luogo si ha una notevole semplificazione costruttiva del dispositivo, in quanto viene diminuito il numero dei componenti.
L?altro aspetto particolarmente vantaggioso di tale soluzione ? un miglior raffreddamento della camera di combustione 22 grazie al flusso d?aria 441 convogliato direttamente su di essa con un moto turbolento rotatorio, che viene impresso dall?aria uscente dalla bocca di mandata 44 del ventilatore direttamente collegato alla tubazione di mandata 12.
La presente invenzione pu? essere applicata indistintamente ai nastri radianti con qualsiasi tecnologia di bruciatore.
La presente invenzione ottiene anche un significativo miglioramento sulla distribuzione/miscelazione, nel primo tratto di mandata all?interno dei tubi radianti, dei prodotti della combustione appena bruciati e di quelli di ricircolo. Nel primo tratto di tubazione i fumi meno caldi 441di ritorno ricircolati dal ventilatore principale 40, avvolgono e aiutano a mantenere i gas pi? caldi 201, 221, in uscita dalla camera di combustione, al centro della tubazione di mandata 12 evitando che vadano a contatto con le pareti della tubazione di mandata provocando un eccessivo riscaldamento della stessa. Questo effetto quindi riduce lo stress termico della tubazione nel primo tratto aumentandone la durata e permette anche una migliore distribuzione del calore nella prima parte del percorso del circuito radiante.
In questo modo, inserendo direttamente la camera di combustione all?interno della tubazione di mandata, e non in un plenum di collegamento con il ventilatore, la tubazione di ritorno, la tubazione di mandata e lo scarico fumi, ? possibile posizionare tale camera di combustione 22 in una posizione qualsiasi del circuito radiante e/o inserirne pi? di una, in modo da bilanciare maggiormente la distribuzione del calore nella tubazione radiante stessa e di conseguenza all?ambiente da riscaldare.
La Fig. 2 ? una generica sezione del circuito radiante del dispositivo di riscaldamento 10 secondo la presente invenzione. In questa figura sono visibili la tubazione di mandata 12 e la tubazione di ritorno 16 e i prodotti di combustione A e B all?interno di esse. Pu? essere previsto un telaio esterno 1, uno strato isolante 2 ed eventualmente uno strato di materiale riflettente 3 rivolto verso le tubazioni di mandata/ritorno 12, 16.
La Fig. 3 ? una sezione del modulo di tubazione radiante secondo l?invenzione. In Fig. 3 ? visibile il bruciatore 20, la testa di combustione 24 e la camera di combustione 22. La camera di combustione 22 ? inserita direttamente all?interno della tubazione di mandata 12.
In Fig. 3 ? anche mostrato il ventilatore di ricircolo 40. La bocca di mandata 44 della coclea del ventilatore ? direttamente collegata alla tubazione di mandata 12.
Nella forma di realizzazione della Fig. 3, il tubo di scarico fumi 50 ? montato sulla coclea 42 del ventilatore ma secondo altre forme di realizzazione, potrebbe essere montato in altra posizione.
In Fig. 3 viene anche mostrato il tratto terminale della tubazione di ritorno 16 che si collega al ventilatore 40. Le frecce di dimensioni maggiori A, B indicano i prodotti di combustione dalla tubazione di mandata a quella di ritorno.
In Fig. 3 sono anche mostrati i fumi 441 che sono meno caldi e di ritorno ricircolati dal ventilatore principale i quali, nel primo tratto di tubazione di mandata 12, avvolgono e aiutano a mantenere i gas pi? caldi 201, 221 che fuoriescono dalla camera di combustione 22, al centro del condotto. Come detto sopra, questo evita che i fumi particolarmente caldi vadano a contatto con le pareti della tubazione di mandata 12 provocando un eccessivo riscaldamento della stessa.
La Fig.4.1 mostra una prima variante del dispositivo 10 di riscaldamento a nastri radianti della presente invenzione. La differenza principale rispetto alla configurazione della Fig. 1 sta nella posizione del bruciatore 20 e, di conseguenza, della testa di combustione 24 e della camera di combustione 22. Infatti, a differenza della configurazione di Fig. 1, il bruciatore 20 ? posizionato in una posizione intermedia della tubazione di mandata 12. Il tubo di uscita fumi 50 pu? essere ancora nella stessa posizione della configurazione di Fig.1 o in una diversa posizione. In ogni caso, la tubazione di mandata 12 ? direttamente collegata alla bocca di uscita 44 della coclea 42 del ventilatore 40.
La Fig. 3.1 ? simile alla Fig.3 ma ? relativa alla configurazione di Fig.4.1. Componenti simili o funzionalmente equivalenti sono stati indicati con gli stessi numeri di riferimento di Fig. 3 e verr? omessa una descrizione dettagliata.
La Fig. 4.2 ? una vista schematica del dispositivo 10 di riscaldamento a nastri radianti secondo una seconda variante della presente invenzione. La differenza rispetto alla prima variante di Fig. 4.1 sta nel fatto che sono previsti due bruciatori 20 e, corrispondentemente, due camere di combustione 22? e due teste di combustione, 24?. La prima camera di combustione pu? essere in una posizione intermedia della tubazione di mandata 12 e la seconda camera di combustione 22? pu? essere in una qualsiasi posizione della tubazione di ritorno 16. Questa configurazione pu? essere vantaggiosa, ad esempio, nel caso in cui il percorso delle tubazioni di mandata e ritorno sia particolarmente lungo e quindi vi possa essere un significativo raffreddamento dei prodotti di combustione. Il secondo bruciatore pu? anche essere considerato un bruciatore di back-up nel caso in cui il primo bruciatore non fosse funzionante o dovesse essere sottoposto a manutenzione. Il secondo bruciatore potrebbe essere anche acceso all?avvio dell?impianto ma potrebbe essere spento al raggiungimento di una certa condizione, ad esempio una determinata temperatura nell?ambiente da riscaldare.
Naturalmente, possono essere previsti anche pi? di due bruciatori, ad esempio tre o quattro lungo le tubazioni di mandata e/o di ritorno.
Una ulteriore variante, illustrata nella Fig. 4.3, del dispositivo secondo l?invenzione ? l?utilizzo di una camera di combustione 22 chiusa, cio? con lo scarico dei fumi all?esterno direttamente da essa. Questo, naturalmente senza cio? che i fumi circolino nella tubazione radiante. In questo modo, la tubazione radiante (di mandata e di ritorno) sar? a questo punto percorsa solamente da aria calda.
L?aria sar? mantenuta in costante ricircolo dal ventilatore principale, 40 riscaldandosi a contatto della camera di combustione. Tale soluzione permette di ottenere un impianto di riscaldamento ad irraggiamento a scambio indiretto, dove le tubazioni radianti sono percorse solo da aria calda e non da prodotti della combustione.
Le tubazioni radianti sono installate all?interno dei locali da riscaldare e la presenza di fumi all?interno di esse pu? essere a volte un fattore di rischio o pericolo in funzione della destinazione/utilizzo dell?ambiente stesso mentre la presenza di sola aria calda non costituisce alcuna sorta di limitazione.
Applicando quest?ultima soluzione ? possibile inoltre controllare la temperatura del flusso aeriforme all?interno delle tubazioni, modulando la potenza del bruciatore, a valori di temperatura inferiori a quelli possibili con lo scambio diretto. Infatti, con lo scambio diretto, i fumi al di sotto di una certa temperatura produrrebbero inevitabilmente il fenomeno della condensazione con formazione di acqua all?interno delle tubazioni. Secondo la terza variante, invece, ? possibile avere una pi? accurata regolazione della temperatura all?interno dei locali da riscaldare.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Un dispositivo (10) di riscaldamento a nastri radianti comprendente: una tubazione radiante includente una tubazione di mandata (12), una tubazione di ritorno (16) ed un raccordo (14) per collegare la tubazione di mandata (12) alla tubazione di ritorno (16),
un primo bruciatore (20) per riscaldare un fluido nella tubazione radiante,
un ventilatore (40) per il ricircolo di fluido riscaldato entro la tubazione radiante,
in cui il ventilatore (40) comprende una coclea (42) con una bocca di mandata (44) che ? collegata direttamente alla tubazione di mandata (12).
2. Il dispositivo di riscaldamento (10) della rivendicazione 1, comprendente anche una prima camera di combustione (22) ed una prima testa di combustione (24) entro la prima camera di combustione (24).
3. Il dispositivo di riscaldamento (10) della rivendicazione 2, in cui la prima camera di combustione (22) ? inserita direttamente all?interno della tubazione di mandata (12), e non in un plenum di collegamento, in prossimit? della bocca di mandata (44) del ventilatore (40).
4. Il dispositivo di riscaldamento (10) della rivendicazione 2, in cui la prima camera di combustione (22) ? inserita all?interno della tubazione di mandata (12), e non in un plenum di collegamento, in una posizione intermedia della tubazione di mandata (12).
5. Il dispositivo di riscaldamento (10) della rivendicazione 3 o 4, comprendente anche uno scarico fumi (50) in corrispondenza della coclea (42) del ventilatore (40).
6. Il dispositivo di riscaldamento (10) di una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui la prima camera di combustione (22) ? chiusa e comprende uno scarico dei fumi (50) all?esterno direttamente dalla prima camera di combustione (22).
7. Il dispositivo di riscaldamento (10) di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente anche un secondo bruciatore (20?) con una seconda camera di combustione (22?) ed una seconda testa di combustione (24?) entro la seconda camera di combustione(22?).
8. Il dispositivo di riscaldamento (10) della rivendicazione 7, in cui la seconda camera di combustione (22?) ? disposta nella tubazione di ritorno (16).
9. Il dispositivo di riscaldamento (10) di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo bruciatore (20) ? del tipo in vena d?aria oppure ad aria soffiata oppure premix, in cui un combustibile e aria comburente vengono aspirati e miscelati insieme da un ventilatore prima di giungere alla prima testa di combustione.
10. Il dispositivo di riscaldamento (10) di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il ventilatore (40) ? un ventilatore centrifugo a singola aspirazione.
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