IT202100016304A1 - “caldaia perfezionata a biomasse per l’impiego in impianti domestici di riscaldamento e simili” - Google Patents

Description

INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo:

?CALDAIA PERFEZIONATA A BIOMASSE PER L?IMPIEGO IN IMPIANTI DOMESTICI DI RISCALDAMENTO E SIMILI?

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad una caldaia perfezionata a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento e simili, e pi? precisamente, ad una caldaia perfezionata a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento domestici.

La presente invenzione trova applicazione in tutte le tipologie di impianti di riscaldamento dove ? richiesta una ridotta produzione di energia termica quali, ad esempio, le abitazioni private, piccole strutture abitative, ecc.

Stato della tecnica

Come ? noto allo stato della tecnica, le tradizionali caldaie a biomassa sono caldaie policombustibile per il riscaldamento e la produzione di acqua calda sanitaria in grado di utilizzare tutti i tipi di biomasse a base legnosa quali, ad esempio, il pellet, il cippato (macinato di legno), i ceppi di legno, i noccioli di pesca, i gusci di frutta secca, i triti vari, etc.

Bruciando combustibili naturali, le caldaie a biomassa producono energia termica con alto rendimento ed a basso costo, con un risparmio notevole rispetto ai combustibili tradizionali di origine fossile, e nel contempo garantiscono livelli di efficienza e affidabilit? simili alle normali caldaie a gas/gasolio.

Pur tuttavia, questi tipi di caldaie presentano le seguenti limitazioni ed inconvenienti:

Un primo inconveniente ? dato dal fatto che tali caldaie presentano strutture costruttive importanti costituite da carpenterie metalliche di significative dimensioni. Ci? comporta degli elevati costi costruttivi in termini di materiali e ore lavoro, e la loro installazione richiede ambienti dedicati o locali tecnici.

Un secondo inconveniente ? dato dal fatto che le attuali caldaie a biomassa per la natura stessa dei combustibili utilizzati richiedono manutenzioni continue dovute alla pulizia degli scambiatori ed alla rimozione manuale delle ceneri dai cassetti o dalle camere di combustione.

Un terzo inconveniente ? dato dal fatto che le attuali caldaie a biomassa sono attualmente tutte fuori norma, poich? non rispettano i limiti delle emissioni di polveri in atmosfera come imposto dalle attuali regolamentazioni ambientali. Lo stesso vale per quanto riguarda i limiti di emissioni di monossido di carbonio CO, di NOx , e di rendimento di combustione. Infatti, se per un certo aspetto l?utilizzo della biomassa nei processi di combustione concorre alla riduzione di CO2 rispetto ai combustibili fossili (nella misura del 60/70% rispetto al gasolio e di un 50% rispetto al metano), di contro l?utilizzo della biomassa legnosa provoca l?immissione in atmosfera di grandi quantit? di polveri sottili.

Un quarto inconveniente ? dato dal fatto che sul mercato non sono presenti caldaie a biomassa ad uso domestico con prestazioni funzionali accettabili e basso impatto ambientale, e le quali siano in grado di bruciare nella stessa caldaia e nello stesso crogiolo combustibili di diversa grandezza dimensionale, quali ad esempio pellets, nocciolo di oliva, cippato di legno, e simili.

Quindi, la presente invenzione si prefigge di risolvere i sopra evidenziati inconvenienti delle caldaie a biomassa dello stato della tecnica, fornendo una caldaia domestica con dimensioni contenute e tale da poter essere installata in locali e spazi ridotti, e che permetta di superare i sopra evidenziati limiti delle tecnologie per la combustione delle biomasse ai fini del riscaldamento domestico.

Secondo un primo aspetto vantaggioso della caldaia della presente invenzione, viene fornita una caldaia che richiede soltanto interventi manuali di ricarica del combustibile e non pi? interventi destinati alla pulizia degli scambiatori, oppure alla rimozione delle ceneri, evitando quindi l?inconveniente della pulizia con aspiratori a bassa efficienza, e che immettono negli ambienti parti delle polveri aspirate.

Secondo un secondo aspetto vantaggioso della caldaia della presente invenzione, non ? pi? richiesta la pulizia manuale degli scambiatori, evitando con ci? la necessit? di dotarsi di opportuni dispositivi di protezione personale, guanti e mascherine.

Secondo un terzo aspetto vantaggioso della caldaia della presente invenzione, viene evitato il problema dello smaltimento delle ceneri.

Secondo un quarto aspetto vantaggioso della caldaia della presente invenzione, viene con essa superato il problema dell?impatto ambientale poich? viene ridotta sensibilmente l?immissione in atmosfera delle polveri sottili (problema affrontato ad oggi soltanto su impianti a biomasse di grossa taglia).

BREVE DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE

Forma oggetto della presente invenzione fornisce una caldaia a biomasse

Quindi, la presente invenzione fornisce una caldaia a biomasse sostanzialmente secondo le rivendicazioni annesse.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE

Verr? ora fornita una descrizione dettagliata di una forma preferita di realizzazione della caldaia a biomasse secondo la presente invenzione, data a titolo esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:

La figura 1 ? una vista in prospettiva dell?assieme che comprende la caldaia a biomasse della presente invenzione;

la figura 2 ? una vista in sezione longitudinale della caldaia a biomasse della figura 1; e

la figura 3 ? una vista parziale ed in dettaglio di una parte della caldaia a biomasse della figura 2.

Con riferimento ora alla figura 1, viene in essa illustrata la caldaia a biomasse della presente invenzione.

La caldaia ? costituita da un assieme 100 che comprende un corpo caldaia 101, un corpo bruciatore 102, ed un corpo 103 di aspirazione e filtraggio e scarico dei fumi.

Con riferimento ora alla figura 2, viene in essa illustrata la caldaia a biomasse 100 della presente invenzione in sezione longitudinale. La caldaia 100 comprende i seguenti componenti essenziali:

1 Camera di postcombustione

2 Scambiatore a tubi d?acqua

3 Scambiatore lamellare

4 Convogliatori di acqua lavaggio

5 Collettore di scarico acqua lavaggio

6 Cappa di aspirazione

7 Ugelli di lavaggio scambiatori e lavaggio camera postcombustione

8 Elettroaspiratore

9 Ciclone a umido

10 Filtro a sabbia

11 Bruciatore / crogiolo

12 Torcia bruciatore

13 Camera di raffreddamento a bagno d?acqua del bruciatore

14 Rivestimenti in materiale refrattario del bruciatore

15 Valvola di scarico cenere del bruciatore 16 Cassetto cenere

17 Coclea di carico di prodotti granulari nel bruciatore

18 Ingresso caricatore per carico dall?alto di cippato di legno di qualunque pezzatura 19 Collettore di scarico acqua di lavaggio del ciclone e ceneri accumulate

20 Intercapedine accumulo acqua calda stratificata per recupero energia termica dai fumi

21 Elettrovalvola per ingresso acqua corrente per scarico ceneri e lavaggio del ciclone 22 Collettore per ricircolo acqua di recupero energia termica dai fumi, parallelo all?impianto idraulico

23 Collettore con elettrovalvola per acqua calda di mandata recuperata dall?energia termica dei fumi

24 Catalizzatore e filtro in schiuma ceramica per fumi di combustione

Pi? precisamente, nel corpo caldaia 101 ? prevista una camera 1 di postcombustione, la quale ? realizzata in lamiera inox elettrosaldata. La conformazione della camera 1 ? tale per cui essa costituisce una zona di decantazione delle ceneri espulse dal bruciatore 11.

Al disopra della camera 1 di postcombustione ? posizionato uno scambiatore 2 a tubi d?acqua. La disposizione dei tubi ? tale per cui oltre a svolgere la funzione di scambiatore di calore, essi con il loro posizionamento inclinato svolgono la funzione di frangi fiamma.

Come verr? illustrato in maniera pi? dettagliata in appresso, superiormente alla camera di postcombustione 1 e dello scambiatore a tubi 2, ? posizionato un gruppo di filtrante e catalizzatore, il quale ? strutturalmente indipendente dal corpo caldaia 101. Il gruppo filtrante comprende uno scambiatore lamellare 3 il quale ? collegato idraulicamente in serie al corpo caldaia 101. Inferiormente allo scambiatore lamellare 3 e superiormente allo scambiatore a tubi 2 ? disposto un catalizzatore 24 costituito da un corpo in schiuma ceramica (meglio illustrato in appresso).

? bene qui fare notare che, grazie all?utilizzo nella caldaia 100 di uno scambiatore lamellare 3 ? possibile realizzare un generatore di calore dalle misure complessive contenute in poche decine di centimetri. Infatti, lo scambiatore 3 presenta una superficie di scambio estremamente elevata con una elevata efficienza termica.

Superiormente al gruppo filtrante ? disposta una cappa di aspirazione 6.

Quindi, la corrente gassosa in risalita dalla camera di postcombustione 1 dopo aver attraversato lo scambiatore 2 incontra il filtro catalizzatore 24 e lo scambiatore lamellare 3.

Con particolare riferimento ora alla figura 3, viene in essa illustrato in maggior dettaglio la disposizione dei componenti del gruppo filtrante e catalizzatore. Come ? possibile notare in figura, superiormente allo scambiatore lamellare 3 sono disposti alcuni ugelli di lavaggio 7 ed atti a spruzzare getti di acqua in pressione dato che essi sono collegati idraulicamente ad un circuito con pompa di acqua ad alta pressione.

Facendo riferimento ora alla figura 2, la disposizione degli ugelli di lavaggio 7 all?interno della cappa 6 ? tale per cui, al termine del ciclo di riscaldamento e a seconda del tipo di combustibile e della quantit? di cenere, il sistema opera in maniera programmata un ciclo di lavaggio spruzzando acqua corrente ad alta pressione tramite i detti ugelli 7 sullo scambiatore lamellare 3 e sul sottostante filtro 24, rimuovendo da essi le ceneri che li intasano. La corrente di acqua lava contestualmente lo scambiatore a tubi 2 e la camera di postcombustione 1.

Quindi, le acque sporche miste a ceneri vengono convogliate dai convogliatori 4 verso il collettore 5 e vengono scaricate direttamente nella rete fognaria o in apposito serbatoio contenitore (non illustrato in figura).

Con riferimento ora al corpo bruciatore 102, ? previsto un bruciatore 11 a getto di fiamma orizzontale, collegato alla camera di postcombustione 1 tramite una torcia 12 di collegamento. Questa disposizione garantisce una perfetta combustione di ogni biomassa trita.

Grazie alla configurazione del bruciatore, i gas parzialmente combusti all?interno della torcia 12 incontrano un getto di aria secondaria in ingresso proveniente da un serie di fori 25 ricavati sulla superficie della torcia 12, la quale aria secondaria provoca la completa combustione ed ossidazione degli incombusti.

Inoltre, il bruciatore 11 presenta una configurazione a pozzetto dotato di una griglia ed un crogiolo, i quali sono posizionati inferiormente alla posizione della torcia 12.

D?altro canto, dispositivo bruciatore 11 ? configurato in maniera tale che esso sia collegato ad un doppio sistema di alimentazione del combustibile. Pi? precisamente:

a) sottoalimentazione del crogiolo con una coclea 17 che convoglia combustibile granulare di dimensioni standardizzate (ad esempio, pellets, sanse, nocciolo di oliva, gusci, ecc.) all'interno del bruciatore 11.

b) sovralimentazione del crogiolo attraverso una zona di accesso 18 per mezzo di un serbatoio esterno all?assieme caldaia 100 (non in figura) e che alimenta il crogiolo dalla parte alta dello stesso. In questo modo, il materiale per caduta dall?alto raggiunge il bruciatore 11.

? bene qui evidenziare che, secondo la presente invenzione, disponendo di due serbatoi dedicati ed intercambiabili, lo stesso dispositivo pu? bruciare materiali eterogenei, quale cippato di legno o trinciati di potature, e materiali granulari omogenei quali pellets, gusci o noccioli.

Con riferimento ora al gruppo di aspirazione e filtraggio 103, ? previsto un elettroaspiratore 8 che aspira i fumi provenienti dalla camera di postcombustione 1 collegato alla cappa 6, ed il quale convoglia i suddetti fumi all?interno di un ciclone 9.

I fumi convogliati nel ciclone 9 durante il loro percorso cedono le polveri per effetto centrifugo, depositandosi all?interno di un contenitore raccoglitore al di sopra di un filtro a sabbia 10.

La rimozione delle ceneri raccolte nel contenitore ? operata facendo entrare acqua attraverso l?apertura di una elettrovalvola 21 disposta inferiormente alla zona del filtro 10. L?acqua attraversando il filtro a sabbia 10 si distribuisce uniformemente su tutta la base del contenitore espellendo le ceneri al di fuori del ciclone attraverso un collettore 19 il quale a sua volta ? collegato alla rete fognaria.

Inoltre, il ciclone 9 dispone di un sistema di recupero dell'energia termica ceduta dalla corrente dei fumi in uscita. Allo scopo, ? prevista una intercapedine 20 esterna al ciclone 9 ed in cui circola acqua tramite un collettore 22 collegato in parallelo con il circuito primario della caldaia.

L'intercapedine 20 permette la stratificazione delle temperature dell'acqua accumulata ed in cui, soltanto quando la temperatura supera la temperatura dell'acqua di ritorno della caldaia, una elettrovalvola 23 servocomandata apre il circuito permettendo l'utilizzo dell'energia termica accumulata, e richiude il circuito all'abbassamento della temperatura.

Con riferimento ora alla figura 3, viene in essa illustrata in dettaglio la configurazione e le funzioni dello scambiatore lamellare 3 e del filtro catalizzatore 24.

Pi? precisamente, secondo la presente invenzione ? previsto che il dispositivo 24 catalizzatore dei fumi e del particolato carbonioso comprende una mattonella realizzata in schiuma ceramica e quindi di struttura porosa, la quale presenta una molteplicit? di micropassaggi alveolari che fungono da filtro trattenendo polveri e particolato.

Grazie al posizionamento della mattonella all'interno della cappa 6 al di sopra del flusso di fiamma e al di sotto dello scambiatore lamellare 3 fa s? che i componenti ceramici raggiungano elevate temperature e tali da provocare la combustione completa di tutto il particolato e degli idrocarburi incombusti.

La rigenerazione o pulizia del catalizzatore avviene attraverso il lavaggio dello stesso e contestualmente al lavaggio dello scambiatore lamellare 3 per mezzo degli ugelli 7.

Vantaggi

La caldaia per biomasse della presente invenzione presenta numerosi vantaggi.

Un primo vantaggio ? dato dal fatto che la caldaia 100 presenta dimensioni estremamente compatte, ed ? costruita in funzione delle dimensioni dello scambiatore lamellare 3. Ci? permette la sua installazione all?interno di qualunque locale non necessariamente tecnico, ad esempio un balcone, un terrazzo, al pari di una comune caldaia a gas murale o da basamento.

Un secondo vantaggio ? dato dal fatto che la caldaia 100 ? priva di manutenzione ordinaria per la rimozione delle ceneri dallo scambiatore e dal ciclone.

Un terzo vantaggio ? dato dalla possibilit? di smaltire automaticamente e programmaticamente le ceneri all?interno della caldaia 100 attraverso un ciclo di lavaggio programmato, scaricandole direttamente in rete fognaria.

Un quarto vantaggio ? dato dal fatto che grazie alla disposizione del bruciatore a getto orizzontale ovvero la torcia 12, viene garantita una combustione ottimale anche con biomasse qualitativamente inferiori rispetto al miglior pellets, e rendimenti di combustione altrettanto elevati grazie all?aria secondaria immessa direttamente nella torcia 12 di collegamento tra le due camere, e che unitamente agli scambiatori 2 e 3 ad alta efficienza, garantisce rendimenti elevati della caldaia 100.

Un quinto vantaggio ? dato dal fatto che sia il catalizzatore 24 in schiuma ceramica che unitamente al dispositivo ciclonico 9, permettono di abbattere tutte le polveri e gli incombusti presenti nella corrente gassosa, fornendo quindi una caldaia 100 con un impatto ambientale quasi nullo e posizionando la caldaia 100 al top della categoria in termini di inquinamento.

Un sesto vantaggio ? dato dal fatto di prevedere due diversi serbatoi di combustibile intercambiabili per consentire alla caldaia 100 la massima flessibilit? di approvvigionamento ed il maggiore risparmio economico, a seconda della migliore condizione di mercato o alla possibilit? di autoproduzione.

Un settimo vantaggio ? dato dal fatto che il crogiolo 11 ? configurato in maniera tale da poter essere alimentato da combustibili di diversa grandezza granulometrica. Infatti, sostituendo i serbatoi del combustibile ? possibile utilizzare materiale granulare standardizzato alimentando il crogiolo 11 con la coclea di carico 17 mentre con un opportuno serbatoio specifico e diverso dal primo ? possibile caricare il crogiolo 11 dalla sua parte alta superiore 18 con cippato di legno di varie dimensioni.

Claims (10)

INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo: ?CALDAIA PERFEZIONATA A BIOMASSE PER L?IMPIEGO IN IMPIANTI DOMESTICI DI RISCALDAMENTO E SIMILI? RIVENDICAZIONI

1. Caldaia (100) a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento comprendente un corpo caldaia (101), un corpo bruciatore (102), ed un corpo (103) di aspirazione, filtraggio, e scarico dei fumi, detto corpo caldaia comprendendo una camera di postcombustione (1), ed almeno uno scambiatore (2,3),

caratterizzata dal fatto di comprendere inoltre:

- mezzi di filtraggio e catalizzazione (24) dei fumi provenienti da detto corpo bruciatore (102), detti mezzi (24) essendo disposti in detta camera di postcombustione (1);

- mezzi di lavaggio (7) di detti mezzi di filtraggio e catalizzazione (24) e di detto almeno uno scambiatore (2,3) e di detta camera di postcombustione (1), detti mezzi di lavaggio (7) essendo disposti in detta camera di postcombustione (1).

2. Caldaia (100) a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento secondo la rivendicazione 1, comprendente uno scambiatore (2) a tubi ed uno scambiatore (3) lamellare, la disposizione essendo tale per cui detti mezzi di filtraggio e catalizzazione (24) dei fumi sono disposti tra detto scambiatore a tubi (2) e detto scambiatore lamellare (3), e tale per cui la superficie di detti mezzi di filtraggio e catalizzazione (24), detto scambiatore a tubi (2) e detto scambiatore lamellare (3) ? atta a venir irrorata da detti mezzi di lavaggio (7).

3. Caldaia (100) a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta camera di postcombustione (1) ? conformata in modo ? tale per cui essa costituisce una zona di decantazione di ceneri provenienti da detto corpo bruciatore (102).

4. Caldaia (100) a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento secondo la rivendicazione 1 o 2 o 3, in cui detti mezzi di lavaggio comprendono una serie di ugelli di lavaggio (7) atti a spruzzare getti di acqua in pressione proveniente da un circuito ad alta pressione.

5. Caldaia (100) a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento secondo la rivendicazione precedente, in cui la disposizione di detti ugelli di lavaggio (7) all?interno di detta camera di postcombustione (1) ? tale per cui, a seconda del tipo di combustibile e della quantit? di cenere, viene operato in maniera programmata un ciclo di lavaggio spruzzando acqua corrente ad alta pressione tramite su detto scambiatore lamellare (3), su detti mezzi di filtraggio e catalizzazione (24), e su detto scambiatore a tubi (2), e tale per cui vengono rimosse le ceneri su di essi, e tale per cui la corrente di acqua lava contestualmente detta camera di postcombustione (1), ed in cui le acque sporche miste a ceneri vengono convogliate da convogliatori (4) internamente disposti in detta camera di postcombustione verso un collettore (5) di raccolta di dette acque sporche in una rete di scarico esterna a detta caldaia (100).

6. Caldaia (100) a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di filtraggio e catalizzazione comprendono un dispositivo catalizzatore (24) dei fumi il quale comprende un corpo sostanzialmente parallelepipedo realizzato in schiuma ceramica e presentando una struttura porosa, la quale struttura porosa presenta una molteplicit? di micropassaggi alveolari, la disposizione in detta camera di postcombustione (1) ? tale per cui detto dispositivo catalizzatore (24) ? montato al di sopra del flusso di fiamma e al di sotto di detto scambiatore lamellare (3) e tale per cui il materiale ceramico raggiunga temperature elevate durante l?esercizio di detta caldaia (100) realizzando la combustione completa di tutto il particolato e degli idrocarburi incombusti.

7. Caldaia (100) a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto corpo bruciatore (102) comprende:

- un bruciatore (11) a getto di fiamma orizzontale, collegato con detta camera di postcombustione (1) tramite una torcia (12) di collegamento, ed in cui detto bruciatore (11) presenta una configurazione a pozzetto dotato di una griglia ed un crogiolo, detta griglia e detto crogiolo essendo posizionati inferiormente alla posizione di detta torcia (12);

- una serie di fori (25) di alimentazione di aria secondaria a detta camera di postcombustione (1), detta seri di fori (25) essendo ricavata sulla superficie di detta torcia (12), la disposizione essendo tale per cui i gas parzialmente combusti all?interno di detta torcia (12) incontrano un getto di aria secondaria proveniente da detta serie di fori (25), e tale per cui detta aria secondaria provoca la completa combustione ed ossidazione degli incombusti;

- un doppio sistema di alimentazione del combustibile che comprende:

a) sottoalimentazione di detto crogiolo con una coclea (17) che convoglia combustibile granulare quale: pellets, sanse, nocciolo di oliva, gusci, e simili all'interno di detto bruciatore (11); e

b) sovralimentazione di detto crogiolo attraverso una zona di accesso (18) per mezzo di un serbatoio esterno alla caldaia (100), detta zona di accesso (18) alimentando il crogiolo dalla parte alta dello stesso.

8. Caldaia (100) a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto gruppo di aspirazione e filtraggio (103) comprende: - un elettroaspiratore (8) di aspirazione dei fumi provenienti da detta camera di postcombustione (1);

- un ciclone (9) collegato pneumaticamente con detto elettroaspiratore (8), in cui i fumi convogliati durante il loro percorso cedono polveri per effetto centrifugo; e

- un contenitore raccoglitore di dette polveri e contenente un filtro a sabbia (10) disposto in corrispondente di una regione inferiore di detto ciclone (9).

9. Caldaia (100) a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento secondo la rivendicazione precedente, comprendente inoltre una elettrovalvola (21) disposta inferiormente a detto filtro (10) e collegata con un circuito di alimentazione di acqua, la disposizione essendo tale per cui detta acqua attraversando il filtro a sabbia (10) trascina dette polveri nel contenitore e viene convogliata attraverso un collettore (19) il quale a sua volta ? collegato ad una rete esterna di scarico.

10. Caldaia (100) a biomasse per l?impiego in impianti di riscaldamento secondo la rivendicazione 8 o 9, in cui detto ciclone (9) comprende un sistema di recupero dell'energia termica ceduta dalla corrente dei fumi in uscita, detto sistema di recupero comprendendo:

- una intercapedine (20) esterna alle pareti di detto ciclone (9) ed in cui circola acqua tramite un collettore (22) collegato in parallelo con un circuito primario di detta caldaia (100); e - una elettrovalvola (23) servocomandata la quale quando la temperatura dell?acqua in detta intercapedine (20) supera la temperatura dell'acqua di detta caldaia (100), detta elettrovalvola (23) apre il circuito di detta intercapedine (20) convogliando l?acqua in essa contenuta verso il circuito di detta caldaia (100).