ITMI20081145A1 - Caldaia per generatore elettrico a caldaia esterna con migliorata efficienza - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La soluzione in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione riguarda in generale il settore della produzione di energia. Più specificamente, tale soluzione riguarda le caldaie per generatori elettrici.

Generatori elettrici di svariato tipo sono noti per produrre energia elettrica tramite trasformazione di un altro tipo di energia. Un tipico esempio è un impianto di generazione di energia elettrica a turbocompressore. In tale caso, un compressore comprime un gas (come aria); l’aria compressa è miscelata ad un combustibile e fatta bruciare in una camera di combustione, così da aumentarne temperatura, velocità e volume. L’aria è quindi indirizzata verso una turbina a gas (a ciclo Joule) in modo da generare energia meccanica, la quale è a sua volta sfruttata per generare energia elettrica. Il calore residuo dell’aria in uscita dalla turbina è in genere recuperato per pre-riscaldare l’aria; inoltre, tale calore residuo può anche essere utilizzato per produrre energia termica in un impianto di co-generazione.

In particolare, in una turbina cosiddetta a caldaia esterna la combustione avviene in una caldaia separata (la quale sostituisce la normale camera di combustione tra il compressore e la turbina). In tale caso, l’aria utilizzata dalla turbina non è soggetta al processo di combustione (per cui non sono richieste corrispondenti operazioni di pulizia); l’aria è invece riscaldata in uno scambiatore di calore che è inserito nella caldaia (dove è bruciato un altro gas). Ad esempio, lo scambiatore di calore è formato da un condotto a spirale che si estende in verticale; in tale modo, è possibile realizzare il condotto con un’elevata estensione (così da ottenere un sufficiente scambio termico) pur con un ingombro contenuto. Tuttavia, ciò provoca notevoli perdite di pressione che riducono la potenza utile dell’aria.

La caldaia può utilizzare diversi tipi di combustibili. In particolare, la necessità sempre crescente di minimizzare l’impatto ambientale dei processi di produzione dell’energica ha portato a concentrare molti sforzi di ricerca nell’ambito dei combustibili derivati da fonti rinnovabili. Un tipico esempio di fonti rinnovabili è costituito dalle biomasse (come pellets), le quali consistono in un materiale di origine organica (vegetale o animale, non fossile) il cui tempo di sfruttamento è paragonabile a quello di rigenerazione. Tuttavia, le tecnologie disponibili per l’utilizzo delle biomasse sono piuttosto complesse, per cui esse sono difficilmente applicabili in impianti di piccola taglia.

Ad esempio, sono stati proposti prototipi di impianti con caldaia basata su uno scambiatore di calore di tipo ceramico; tali impianti non hanno comunque trovato applicazione pratica a causa dei problemi causati dalle dilatazioni termiche e dalle perdite di pressione nello scambiatore di calore.

Altri impianti noti utilizzano la tecnica della pirolisi (o pirogassificazione) per decomporre la biomassa in gas (da utilizzare nella turbina) mediante l’applicazione di calore in completa assenza di ossigeno. Tuttavia, il gas prodotto ha un basso potere calorifico; inoltre, tale gas è ricco di sostanze inquinanti che provocano un rapido deterioramento della turbina, e richiedono comunque complicati sistemi di filtraggio.

In termini generali, la soluzione in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione è basata sull’idea di partizionare il flusso dell’aria (o di qualsiasi altro flusso di processo) nello scambiatore di calore della caldaia.

In particolare, diversi aspetti della soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione sono indicati nelle rivendicazioni indipendenti. Caratteristiche vantaggiose della stessa soluzione sono indicate nelle rivendicazioni dipendenti.

Più specificamente, un aspetto della soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione propone una caldaia per un generatore elettrico a caldaia esterna (ad esempio, una micro-turbina a gas). La caldaia comprende un focolaio per produrre calore tramite combustione di un combustibile (ad esempio, una biomassa). La caldaia è dotata di un ingresso per ricevere un fluido di processo (ad esempio, aria). Uno scambiatore di calore fa fluire il fluido di processo in prossimità del focolaio (in modo che sia riscaldato dal calore prodotto dal focolaio). La caldaia è anche dotata di un’uscita per fornire il fluido di processo riscaldato al generatore elettrico. Nella soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione, lo scambiatore di calore include una pluralità di condotti collegati in parallelo tra l’ingresso e l’uscita (per partizionare il flusso del fluido di processo); i condotti sono disposti a tunnel attorno al focolaio lungo una direzione di flusso di un gas di combustione del focolaio.

Un altro aspetto della soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione propone uno scambiatore di calore per l’uso in tale caldaia.

Un ulteriore aspetto della soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione propone un impianto di generazione energia comprendente la caldaia ed il generatore elettrico (ad esempio, un impianto di co-generazione a biomassa).

Un diverso aspetto della soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione propone un corrispondente metodo per produrre energia elettrica.

La soluzione in accordo con una o più forme di realizzazione dell'invenzione, come pure ulteriori caratteristiche ed i relativi vantaggi, saranno meglio compresi con riferimento alla seguente descrizione dettagliata, data puramente a titolo indicativo e non limitativo, da leggersi congiuntamente alle figure allegate. A tale riguardo, è espressamente inteso che le figure non sono necessariamente in scala e che, a meno di indicazione contraria, esse sono semplicemente utilizzate per illustrare concettualmente le strutture e le procedure descritte. In particolare:

FIG.1 è una rappresentazione funzionale di un impianto di co-generazione a biomassa in cui la soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione è applicabile;

FIG.2 è uno schema a blocchi di principio dello stesso impianto;

FIG.3 è una vista sezionata in pianta di una caldaia di tale impianto in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione;

FIG.4 mostra una rappresentazione in prospettiva di uno scambiatore di calore primario della caldaia in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione;

FIG.5 è una vista frontale dello scambiatore di calore primario con un deflettore iniziale in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione; e FIG.6 mostra una rappresentazione in prospettiva di uno scambiatore di calore secondario della caldaia in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione.

Con riferimento in particolare a FIG.1, è mostrata una rappresentazione funzionale di un impianto di co-generazione a biomassa 100 in cui la soluzione in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione è applicabile. L’impianto 100 include un sistema di generazione di energia elettrica 105 (ad esempio, basato su micro-turbina), il quale aspira aria di processo (o termovettore) dall’ambiente esterno. L’aria di processo è compressa e fornita dal sistema di generazione 105 ad un sistema di combustione 110 alimentato a biomassa.

Il sistema di combustione 110 brucia la biomassa utilizzando aria di combustione, la quale è aspirata dall’ambiente esterno con il recupero di una parte di aria di scarico in uscita dal sistema di generazione 105; tale processo di combustione genera calore che riscalda l’aria di processo; l’aria di processo così riscaldata è ritornata dal sistema di combustione 110 al sistema di generazione 105 per produrre energia elettrica, la quale è fornita ad una rete elettrica esterna (non mostrata in figura). Gas di scarico - comprendenti fumi di scarico dal sistema di combustione 110 con il recupero della parte rimanente dell’aria di scarico dal sistema di generazione 105 - sono forniti ad un sistema di conversione termico 115. Il sistema di conversione 115 produce energia termica sfruttando i gas di scarico, i quali (una volta esausti) sono quindi ritornati all’ambiente esterno. Tale energia termica è utilizzata da un sistema di utenze termiche 120 (sia civili sia industriali), ed è in parte recuperata dal sistema di generazione 105.

Più in dettaglio, come mostrato nello schema a blocchi di FIG.2, il sistema di generazione 105 è basato su una micro-turbina a gas 203. Una bocca di aspirazione 206 preleva e filtra l’aria di processo dall’ambiente esterno. L’aria di processo è raffreddata (ad esempio, a 8-12°C) da un dispositivo di raffreddamento 209 (alimentato dal sistema di conversione 115, come descritto nel seguito). L’aria di processo così raffreddata è fornita ad un compressore 212 alimentato dalla turbina 203, il quale la comprime (ad esempio, a 300-400 kPa); a tale riguardo, si noti che il preventivo raffreddamento dell’aria di processo riduce notevolmente il lavoro richiesto al compressore 212 per ottenere la pressione desiderata dell’aria di processo (con un effetto benefico sulla sua resa). L’aria di processo compressa è poi preriscaldata (ad esempio, a 450-550°C) da un recuperatore di calore 215 che sfrutta l’aria di scarico dalla turbina 203, in modo da aumentare l’efficienza complessiva dell’impianto 100. L’aria di processo (pre-riscaldata) è a questo punto fornita al sistema di combustione 110. Il sistema di combustione 110 riscalda l’aria di processo tramite la combustione della biomassa (ad esempio, portandola sino a 850-950°C). L’aria di processo così riscaldata è ritornata dal sistema di combustione 110 alla turbina 203. L’aria di processo si espande nella turbina 203, agendo su corrispondenti pale che fanno ruotare un albero della turbina 203 così da generare energia meccanica. La turbina 203 è collegata coassialmente al compressore 212 e ad un alternatore 218 (per trasferire agli stessi l’energia meccanica generata). L’alternatore 218 trasforma l’energia meccanica ricevuta in energia elettrica sotto forma di corrente alternata. L’alternatore 218 è seguito da un convertitore statico corrente alternata-corrente alternata (AC-AC) 221, il quale converte la tensione in uscita dall’alternatore 218 ad un valore compatibile con la rete elettrica esterna (ad esempio, 50-60 Hz). Il convertitore statico 221 eroga l’energia elettrica così prodotta alla rete elettrica (non mostrata in figura) tramite una corrispondente interfaccia 224.

Il sistema di generazione 105 ed il sistema di combustione 110 sono accoppiati per mezzo di un sistema di ancoraggio 221, in grado di compensare le diverse dilatazioni termiche dei due sistemi 105 e 110. Un dispositivo di controllo 227 (ad esempio, a microprocessore) gestisce il funzionamento del sistema di generazione 105 e del sistema di combustione 110. In particolare, il dispositivo di controllo 227 gestisce una fase di auto-avviamento (senza utilizzo di altri combustibili convenzionali) - in cui il sistema di combustione 110 è portato ad una temperatura di lavoro e la turbina 203 è accelerata sino ad una velocità di autosostentamento (utilizzando l’alternatore 218 in funzionamento inverso come motore sincrono di lancio) – ed una corrispondente fase di arresto. Il dispositivo di controllo 227 gestisce anche l’alimentazione del sistema di combustione 110 in modo da raggiungere il valore di temperatura desiderato dell’aria di processo, a sua volta determinato da una richiesta di potenza dell’impianto 100. Inoltre, il dispositivo di controllo 227 rileva condizioni di funzionamento anomalo (ad esempio, di sovrapressione o di mancanza di tensione); in questo caso, il dispositivo di controllo 227 blocca l’alimentazione del sistema di combustione 110 e aziona una valvola di sfiato 230 che scarica l’aria di processo nell’ambiente esterno (in modo da provocare la rapida frenata in sicurezza della turbina 203). Il dispositivo di controllo 227 può anche svolgere funzioni aggiuntive, come la gestione di un parallelo con la rete elettrica, il coordinamento di altri impianti (non mostrati in figura), il controllo frequenza-potenza, la predisposizione di un’isola di carico, e simili.

L’aria di scarico in uscita dalla turbina 203 (ad esempio, ad una temperatura di 550-650°C) è utilizzata nel recuperatore 215 per pre-riscaldare l’aria di processo (da fornire al sistema di combustione 110). Successivamente, l’aria di scarico (ad esempio, ad una temperatura di 450-550°C) è fornita ad una valvola a tre vie 233, la quale devia l’aria di scarico in parte verso il sistema di combustione 110 ed in parte verso il sistema di conversione 115.

Passando ora al sistema di combustione 110, esso è basato su una caldaia (o combustore) a biomassa 236; ad esempio, la biomassa è di tipo lignocellulosico, come cippato, pellets, sansa, nocciolino, mais, residui di pulitura boschiva, e simili. Un dispositivo di caricamento automatico 239 alimenta la biomassa alla caldaia 236. Il dispositivo di caricamento 239 può essere a tramoggia e coclea oppure a pistone (secondo il tipo di biomassa), ed è dotato di una serranda di sbarramento al ritorno di fiamma dalla caldaia 236.

La caldaia 236 include un focolaio 242, il quale riceve la biomassa (dal sistema di caricamento 239), e la brucia utilizzando l’aria di combustione come comburente. Tale processo di combustione genera fumi di combustione ad elevata temperatura (ad esempio, 950-1,050°C), i quali fumi di combustione sono forzati tramite un ventilatore (non mostrato in figura) lunga una direzione di flusso longitudinale 245. Il focolaio 242 può essere a griglia fissa (per cippato fine o pellets) o a griglia mobile (per materiale eterogeneo); il focolaio 242 include inoltre un cinerario sotto la griglia (non mostrato in figura) per la raccolta di ceneri di combustione (le quali possono essere estratte in modo sia manuale sia automatico). Uno scambiatore di calore aria-aria primario 248 è utilizzato per riscaldare l’aria di processo (ricevuta dal sistema di generazione 105 e da ritornare allo stesso) tramite il calore prodotto dal processo di combustione (come descritto in dettaglio nel seguito).

L’aria di combustione è aspirata dall’ambiente esterno tramite un collettore di ingresso 251, il quale la suddivide in tre condutture di ingresso distinte (ossia, una conduttura primaria 254a, una conduttura secondaria 254b, ed una conduttura terziaria 254c). Tre valvole di regolazione 257a, 257b e 257c sono inserite lungo le condutture primaria 254a, secondaria 254b, e terziaria 254c, rispettivamente, per regolare l’aggiunta dell’aria di scarico (della turbina 203) proveniente dalla valvola a tre vie 233. L’aria di combustione (con l’aggiunta di parte dell’aria di scarico) è convogliata verso uno scambiatore di calore aria-aria secondario 260 (disposto nella caldaia 236 a valle dello scambiatore di calore primario 248 lungo la direzione di flusso 245). Lo scambiatore di calore secondario 260 pre-riscalda l’aria di combustione sfruttando il calore residuo dei fumi di combustione, in modo da aumentare l’efficienza della caldaia 236. L’aria di combustione (pre-riscaldata) è a questo punto fornita al focolaio 242 tramite tre condutture di distribuzione primaria 263a, secondaria 263b, e terziaria 263c (per le corrispondenti condutture 254a, 254b, e 254c, rispettivamente), le quali terminano con serrande di regolazione ad alette contrapposte. In particolare, la conduttura primaria 263a inietta l’aria di combustione (primaria) in una zona centrale del focolaio 242, la conduttura secondaria 263b inietta l’aria di combustione (secondaria) in una zona superiore del focolaio 242, e la conduttura terziaria 263c inietta l’aria di combustione (terziaria o di postcombustione) a valle del focolaio 242 lungo la direzione di flusso 245 – in modo da ottimizzare la combustione della biomassa.

Un eiettore 266 aspira i fumi di scarico in uscita dalla caldaia 236 e parte dell’aria di scarico (della turbina 203) proveniente dalla valvola a tre vie 233. L’eiettore 266 convoglia i fumi di scarico e l’aria di scarico in un unico flusso di gas di scarico (ad esempio, ad una temperatura di 300-400°C) verso il sistema di conversione 115. In particolare, uno scambiatore di calore aria-acqua 269 sfrutta il calore residuo dei gas di scarico per riscaldare acqua (ad esempio, ad una temperatura di 80-100°C), facendo passare i gas di scarico in un fascio tubiero immerso nell’acqua da riscaldare. I gas di scarico (esausti) in uscita dallo scambiatore di calore 269 sono quindi riversati nell’ambiente esterno tramite un camino 272. L’acqua calda così prodotta è utilizzata in uno scambiatore refrigerante (chiller) 275 per raffreddare acqua (ad esempio, ad una temperatura di 7-10°C). L’acqua fredda prodotta dallo scambiatore refrigerante 275 è fornita al dispositivo di raffreddamento 209 per raffreddare l’aria di processo per il compressore 212 (facendola passare in una serpentina disposta in corrispondenza di filtri per l’aria di processo nella bocca di aspirazione 206).

Infine, il sistema di utenze 120 comprende apparecchiature di riscaldamento ad acqua 278 (ad esempio, per uso domestico, sanitario, produttivo, e simili), le quali sono alimentate dall’acqua calda fornita dallo scambiatore di calore 275. Apparecchiature di raffreddamento 281 (ad esempio, per condizionare ambienti, per controllare processi produttivi, e simili) sono invece alimentate dall’acqua fredda fornita dallo scambiatore refrigerante 275. I gas di scarico (dall’eiettore 266) possono anche essere utilizzati direttamente da altri dispositivi di riscaldamento ad aria 284 (ad esempio, per riscaldare ambienti, in processi di essiccazione, e simili); in particolare, ciò consente di essiccare la stessa biomassa in ingresso al sistema di combustione 110 (in modo da aumentare l’efficienza del processo di combustione nella caldaia 236). Il sistema di utenze 120 può anche includere generatori di energia elettrica 287 che utilizzano l’acqua calda fornita dallo scambiatore di calore 269 - ad esempio, basati sul ciclo Rankine tradizionale, il ciclo Organic Rankine Cycle (ORC), e simili.

Passando ora a FIG.3, è mostrata una vista sezionata in pianta della caldaia 236 in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione.

In particolare, la caldaia 236 è formata da una camera di combustione 305, la quale è delimitata da un basamento chiuso da una copertura in acciaio con rivestimento interno multistrato in pannelli isolanti per alte temperature. La camera di combustione 305 è dotata di una porta di carico 310 della biomassa (aperta in una sua parete frontale lungo la direzione di flusso 245, affacciata al dispositivo di caricamento). Il focolaio 242 è realizzato in una buca nel basamento della camera di combustione 305, direttamente a valle della porta di carico 310. Una bocca di immissione 315 è realizzata in una parete laterale della copertura della camera di combustione 305 (in prossimità della sua parete frontale) per ricevere l’aria di processo dal sistema di generazione, ed una bocca di emissione 320 è realizzata in una parete posteriore della camera di combustione 305 per ritornare l’aria di processo riscaldata allo stesso sistema di generazione. Lo scambiatore di calore primario 248 è collegato tra la bocca di immissione 315 e la bocca di emissione 320. Un deflettore iniziale 325 ed un deflettore finale 330 sono disposti all’interno dello scambiatore di calore primario 248 (per deviare i fumi di combustione, come apparirà evidente nel seguito della descrizione). Lo scambiatore di calore primario 248 è seguito dallo scambiatore di calore secondario 260. Lo scambiatore di calore secondario 260 è affacciato ad una bocca di scarico 335 per i fumi di combustione (realizzata nella parete posteriore della camera di combustione 305). Le condutture di ingresso (indicate nel complesso con il riferimento 254) penetrano nella camera di combustione 305 attraverso la sua parete posteriore per collegarsi allo scambiatore di calore secondario 260; le condutture di distribuzione (indicate nel complesso con il riferimento 263) sono a loro volta collegate allo scambiatore di calore secondario 260 per fornire l’aria di combustione pre-riscaldata al focolaio 242 (non dettagliato in figura).

Nella soluzione in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione, come descritto in dettaglio nel seguito, lo scambiatore di calore primario 248 include una pluralità di condotti, i quali sono collegati in parallelo tra la bocca di immissione 315 e la bocca di emissione 320 per partizionare il flusso dell’aria di processo; i condotti sono disposti a tunnel attorno al focolaio 242, il quale tunnel si estende lungo la direzione di flusso 245.

La soluzione proposta fornisce un’ottima efficienza dello scambiatore di calore primario 248. Infatti, la suddivisione del flusso dell’aria di processo consente di ottenere un’elevata superficie di scambio termico tramite i corrispondenti condotti; allo stesso tempo, il collegamento in parallelo dei condotti consente di mantenere il percorso dell’aria di processo contenuto, in modo da ridurre le perdite di pressione. Inoltre, la geometria a tunnel fornisce risultati ottimali in termini sia di ingombro sia di assorbimento del calore prodotto dal focolaio 242.

Quanto sopra aumenta notevolmente l’efficacia dell’intero impianto. In particolare, ciò consente di applicare la soluzione proposta anche in impianti di piccola taglia - ad esempio, per potenze dell’ordine di 200-5.000 kW elettrici (kWe). In particolare, in una forma di realizzazione della presente invenzione - come mostrato nella rappresentazione in prospettiva di FIG.4 – lo scambiatore di calore primario 248 è realizzato con una canalizzazione in acciaio speciale per alte temperature, la quale è sospesa sopra il basamento della camera di combustione. Più specificamente, un collettore di ingresso 405 è collegato alla bocca di immissione della camera di combustione per ricevere l’aria di processo dal sistema di generazione, ed un collettore di uscita 410 è collegato alla bocca di emissione della camera di combustione per ritornare l’aria di processo riscaldata allo stesso sistema di generazione. Due tubi si estendono longitudinalmente (lungo la direzione di flusso) dal collettore di ingresso 405 al collettore di uscita 410; tali tubi sono affiancati tra loro, a lato del focolaio (non mostrato in figura). I tubi sono chiusi sostanzialmente a metà da corrispondenti setti separatori, in modo da definire due condotti iniziali 415a e 415b (collegati al collettore di ingresso 405), e due condotti finali 420a e 420b (collegati al collettore di uscita 410). Due condotti laterali 425a e 425b si estendono anche essi longitudinalmente (con una lunghezza sostanzialmente uguale a quella dei tubi che formano i condotti iniziali 415a,415b e finali 420a,420b, ed una sezione sostanzialmente uguale a quella degli stessi); i condotti laterali 425a e 425b sono analogamente affiancati tra loro, alla stessa altezza dei condotti iniziali 415a,415b e dei condotti finali 420a,420b, ma da un lato opposto del focolaio. Un gruppo di condotti a ponte iniziali 430a (ad esempio, 5-15) sono collegati in parallelo tra il condotto iniziale 415a ed una corrispondente porzione del condotto laterale 425a; ogni condotto a ponte iniziale 430a è conformato sostanzialmente ad arco, ed ha una sezione ridotta rispetto a quella dei condotti 415a,425a in accordo con il loro numero (ad esempio, 1/15-1/5). Un altro gruppo di condotti a ponte iniziali 430b sono collegati in parallelo tra il condotto iniziale 415b ed una corrispondente porzione del condotto laterale 425b. I condotti a ponte iniziali 430a e 430b sono intercalati tra loro, e leggermente sfalsati trasversalmente. Un analogo gruppo di condotti a ponte finali 435a sono collegati in parallelo tra il condotto finale 420a ed una corrispondente porzione del condotto laterale 425a. Un altro gruppo di condotti a ponte finali 435b sono collegati in parallelo tra il condotto finale 420b ed una corrispondente porzione del condotto laterale 425b. Anche in tale caso, i condotti a ponte finali 435a e 435b sono intercalati tra loro, e leggermente sfalsati trasversalmente.

Il collettore d’ingresso 405 è dotato di setti devianti per distribuire l’aria di processo nei condotti iniziali 415a e 415b. L’aria di processo in ciascun condotto iniziale 415a e 415b si divide quindi nei condotti a ponte iniziali 430a e 430b, rispettivamente. L’aria di processo dai condotti a ponte iniziali 430a e 430b è raccolta dai condotti laterali 425a e 425b, rispettivamente. A questo punto, l’aria di processo in ciascun condotto laterale 425a e 425b si divide nuovamente nei condotti a ponte finali 435a e 435b, rispettivamente. Come sopra, l’aria di processo dai condotti a ponte finali 435a e 435b è raccolta dai condotti finali 415a e 415b, rispettivamente. L’aria di processo dai condotti finali 415a e 415b è quindi convogliata nel collettore di uscita 410.

La struttura sopra descritta migliora ulteriormente l’efficienza dello scambiatore di calore primario 236. In particolare, i condotti a ponte (sia iniziali sia finali) intercalati e sfalsati tra loro forniscono una superficie di scambio termico ottimale.

Ritornando a FIG.3, il focolaio 242 è disposto in una porzione iniziale dello scambiatore di calore primario 248 (lungo la direzione di flusso 245); in particolare, il focolaio 242 termina prima dei setti divisori che definiscono i condotti iniziali, ed è quindi completamente sormontato dai condotti a ponte iniziali. In tale sezione dello scambiatore di calore primario 248, lo scambio termico avviene prevalentemente per irraggiamento. Pertanto, la disposizione dei condotti a ponte iniziali (che convogliano l’intero flusso dell’aria di processo direttamente sopra il focolaio 248) ottimizza lo scambio termico in tale sezione.

Nella rimanente sezione dello scambiatore di calore primario 248, invece, lo scambio termico avviene prevalentemente per convezione. In una forma di realizzazione vantaggiosa dell'invenzione, il deflettore iniziale 325 è disposto direttamente a valle del focolaio 242 (tra lo stesso ed i setti divisori che definiscono i condotti iniziali). Il deflettore iniziale 325 realizza uno sbarramento che devia i fumi di combustione verso lo scambiatore di calore primario 248; in particolare, in questo modo i fumi di combustione lambiscono i condotti a ponte finali, nei quali è nuovamente convogliato l’intero flusso dell’aria di processo. Di conseguenza, lo scambio termico anche in tale sezione dello scambiatore di calore primario 248 è ottimizzata.

In particolare, come mostrato nella vista frontale di FIG.5, il deflettore iniziale 325 è costituito da una parete in materiale refrattario, la quale è appoggiata sul basamento della camera di combustione. Il deflettore iniziale 325 ha una larghezza appena inferiore all’ingombro dei condotti a ponte iniziali 430a,430b. Il deflettore iniziale 325 ha invece un’altezza inferiore a quella dei condotti a ponte iniziali 430a,430b; ad esempio, il deflettore iniziale 325 termina con una porzione a gradini convergenti verso l’interno, i quali si arrestano a 0,2-0,4 m dalla sommità dei condotti a ponte iniziali 430a,430b.

In tale modo, i fumi di combustione (dal focolaio) sono deviati verso l’alto, in modo da lambire i condotti a ponte finali (non mostrati in figura). Allo stesso tempo, lo spazio libero tra il deflettore iniziale 325 ed i condotti a ponte iniziali 430a,430b non ostacola eccessivamente il flusso dei fumi di combustione (così da non richiedere l’uso di ventilatori sovradimensionati).

Ritornando a FIG.3, come ulteriore miglioramento il deflettore finale 330 è disposto al termine dello scambiatore di calore primario 248 (direttamente prima dello scambiatore di calore secondario 260). Il deflettore finale 330 devia invece i fumi di combustione verso lo scambiatore di calore secondario 260. Di conseguenza, il corrispondente scambio termico è migliorato così da incrementare il preriscaldamento dell’aria di combustione (e quindi l’efficienza dell’intera caldaia).

In particolare, anche il deflettore finale 330 è costituito da una parete in materiale refrattario, la quale è appoggiata sul basamento della camera di combustione 305. Il deflettore finale 330 ha una larghezza ed un’altezza leggermente inferiori all’ingombro dei condotti a ponte finali. Tuttavia, in tale caso il deflettore finale 330 è formato da due ali, le quali si raccordano con un profilo (in pianta) a cuspide orientata verso la direzione di flusso 245.

In tale modo, i fumi di combustione (dallo scambiatore di calore primario 248) sono concentrati verso lo scambiatore di calore secondario 260, in modo da avvolgerlo completamente.

Una rappresentazione in prospettiva dello scambiatore di calore secondario 260 in accordo con una forma di realizzazione dell’invenzione è mostrata in FIG.6. In particolare, lo scambiatore di calore secondario 260 include una torre di ingresso 605 ed una torre di uscita 610, le quali sono appoggiate sul basamento della camera di combustione. La torre di ingresso 605 è suddivisa in tre comparti isolati che si estendono in verticale. Una bocca di ingresso primaria 615a (su una parete laterale esterna della torre di ingresso 605, in basso dietro), una bocca di ingresso secondaria 615b (sulla stessa parete laterale della torre di ingresso 605, in basso davanti), ed una bocca di ingresso terziaria 615c (su una parete frontale della torre di ingresso 605, in basso) sono collegate alle condutture di ingresso primaria, secondaria, e terziaria, rispettivamente (non mostrate in figura). Analogamente, anche la torre di uscita 610 è suddivisa in tre comparti isolati che si estendono in verticale. Una bocca di uscita primaria 620a (su una parete laterale esterna della torre di uscita 610, in basso dietro), una bocca di uscita secondaria 620b (sulla stessa parete laterale della torre di uscita 610, in basso davanti), ed una bocca di uscita terziaria 620c (su una parete frontale della torre di uscita 610, in basso) sono collegate alle condutture di distribuzione primaria, secondaria, e terziaria, rispettivamente (non mostrate in figura). Condotti trasversali primari 625a, condotti trasversali secondari 625b, e condotti trasversali terziari 625c sono collegati in parallelo tra i comparti delle bocche (di ingresso e di uscita) primarie 615a-620a, secondarie 615b-620b, e terziarie 615c-620c, rispettivamente. I condotti trasversali 625a,625b,625c si estendono trasversalmente alla direzione di flusso; in particolare, i condotti trasversali 625a,625b,625c sono disposti (paralleli tra loro) in piani verticali perpendicolari alla direzione di flusso (ad esempio, ciascuno dei quali include 10-30 condotti trasversali 625a,625b,625c impilati uno sull’altro). In particolare, i condotti trasversali primari 625a sono disposti su tre piani in una regione posteriore dello scambiatore di calore secondario 260 (lungo la direzione di flusso), i condotti trasversali secondari 625b sono disposti su un unico piano in una regione centrale dello scambiatore di calore secondario 260, ed i condotti trasversali terziari 625c sono anche essi disposti su un unico piano in una regione frontale dello scambiatore di calore secondario 260.

La struttura sopra descritta migliora ulteriormente l’efficienza dello scambiatore di calore secondario 260. In particolare, ciò consente di ottenere una distribuzione sostanzialmente uniforme del pre-riscaldamento dell’aria di combustione (grazie al maggiore numero di condotti trasversali nella regione posteriore raggiunta in modo minore dai fumi di combustione).

Naturalmente, al fine di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, un tecnico del ramo potrà apportare alla soluzione sopra descritta numerose modifiche e varianti logiche e/o fisiche. Più specificamente, sebbene tale soluzione sia stata descritta con un certo livello di dettaglio con riferimento a sue forme di realizzazione preferite, è chiaro che varie omissioni, sostituzioni e cambiamenti nella forma e nei dettagli così come altre forme di realizzazione sono possibili. In particolare, la stessa soluzione può essere messa in pratica anche senza gli specifici dettagli (come gli esempi numerici) esposti nella precedente descrizione per fornire una sua più completa comprensione; al contrario, caratteristiche ben note possono essere state omesse o semplificate al fine di non oscurare la descrizione con particolari non necessari. Inoltre, è espressamente inteso che specifici elementi e/o passi di metodo descritti in relazione ad ogni forma di realizzazione della soluzione esposta possono essere incorporati in qualsiasi altra forma di realizzazione come una normale scelta di disegno.

In particolare, considerazioni analoghe si applicano se la caldaia ha una diversa struttura o include componenti equivalenti. Ad esempio, la camera di combustione può avere un’altra forma o essere realizzata in altri materiali, l’ingresso e l’uscita per l’aria di processo possono essere disposti in una posizione diversa, il focolaio può essere conformato in altro modo, e simili; in ogni caso, l’impianto può utilizzare qualsiasi altro fluido di processo (come acqua). Il numero di condotti sopra descritti per partizionare il flusso dell’aria di processo nello scambiatore di calore primario è puramente indicativo, e non deve essere interpretato in modo limitativo; analogamente, nulla vieta di disporre i condotti a tunnel attorno al focolaio con una diversa forma (ad esempio, rettangolare, quadrata, semi-circolare).

Sebbene nella precedente descrizione si sia fatto riferimento ad una geometria particolarmente vantaggiosa dello scambiatore di calore primario (con un doppio passaggio dell’aria di processo ai lati del focolaio), una realizzazione semplificata con un singolo passaggio da una lato all’altro del focolaio non è esclusa; in ogni caso, i condotti a ponte iniziali e/o finali possono essere in numero qualsiasi (anche diverso tra loro).

Nulla vieta di avere i condotti iniziali e finali di lunghezza diversa, realizzati con tubi distinti, oppure disposti in altro modo.

La forma di realizzazione proposta con due sezioni di condotti (iniziale, a ponte iniziale, laterale, a ponte finale, e finale) per lo scambiatore di calore primario non è da intendersi in modo limitativo; infatti, è possibile prevedere un numero maggiore di sezioni (oppure, all’opposto, una singola sezione in un’implementazione particolarmente semplificata).

La possibilità di distribuire i condotti a ponte iniziali e/o finali in modo diverso non è esclusa - ad esempio, intercalando blocchi di due o più condotti a ponte dello stesso gruppo, o al limite anche disponendo i gruppi di condotti a ponte in successione.

Il deflettore iniziale non è strettamente necessario, e può anche essere omesso in una forma di realizzazione semplificata dell’invenzione.

In ogni caso, nulla vieta di disporre il deflettore iniziale in un’altra posizione (ad esempio, a cavallo tra i condotti a ponte iniziali ed i condotti a ponte finali).

Alternativamente, è possibile realizzare il deflettore iniziale con un’altra forma (ad esempio, semplicemente a sezione rettangolare), oppure con una diversa estensione (ad esempio, più stretto, più alto e/o più basso).

Una forma di realizzazione semplificata senza lo scambiatore di calore secondario non è esclusa.

Sebbene nella precedente descrizione si sia fatto riferimento ad una geometria particolarmente vantaggiosa dello scambiatore di calore secondario (con le torri di ingresso e uscita, ed i condotti trasversali che si estendono tra di esse), lo stesso può essere realizzato anche in altro modo (ad esempio, con condotti a serpentina).

La forma di realizzazione proposta dello scambiatore di calore secondario con tre sezioni di condotti (per l’aria di processo primaria, secondaria e terziaria) non è da intendersi in modo limitativo; infatti, è possibile distribuire l’aria di processo in altre posizioni, e prevedere un numero diverso (sia maggiore sia inferiore, al limite anche singolo) di flussi dell’aria di processo.

In alternativa, i condotti trasversali possono essere in numero diverso, disposti in verticale, obliqui, e simili.

La possibilità di distribuire i condotti trasversali su un numero diverso di piani (ciascuno comprendente un numero diverso di condotti trasversali) non è esclusa; ad esempio, è possibile avere lo stesso numero di piani per i diversi flussi dell’aria di processo, o anche i condotti trasversali di due o più flussi dell’aria di processo (al limite, tutti) disposti sullo stesso piano.

Il deflettore finale non è strettamente necessario, e può anche essere omesso in una forma di realizzazione semplificata dell’invenzione.

In ogni caso, nulla vieta di disporre il deflettore finale in un’altra posizione (ad esempio, all’esterno dello scambiatore di calore primario).

Alternativamente, è possibile realizzare il deflettore finale con un’altra forma (ad esempio, ad imbuto), oppure con una diversa estensione.

E’ enfatizzato che le caratteristiche aggiuntive sopra descritte (come il deflettore iniziale, lo scambiatore di calore secondario, il deflettore finale, e simili) sono utilizzabili – sia isolatamente sia in combinazione tra loro - anche in scambiatori di calore con diversa geometria.

Si noti che lo scambiatore di calore primario proposto si presta ad essere realizzato e messo in commercio anche come prodotto a sé stante, per essere utilizzato in caldaie già esistenti.

Considerazioni analoghe si applicano se l’impianto di generazione ha una diversa architettura o include unità equivalenti.

Ad esempio, una realizzazione senza il recupero dell’aria di scarico dalla turbina (da aggiungere all’aria di combustione) è contemplata.

Analogamente, l’aria di processo da fornire al compressore può essere raffreddata in altro modo (ad esempio, sfruttando solo i fumi di scarico dalla caldaia oppure solo i gas di scarico dalla turbina) - anche se tale caratteristica aggiuntiva non è strettamente necessaria; in ogni caso, non è esclusa la possibilità di utilizzare generatori elettrici di altro tipo (ad esempio, a turbina a gas classica, a turbina a vapore, e simili).

In alternativa, è possibile prevedere solo alcune delle utenze termiche sopra descritte, utenze termiche aggiuntive e/o alternative; inoltre, nulla vieta di alimentare tali utenze termiche (o alcune di esse) tramite solo i fumi di scarico dalla caldaia oppure solo i gas di scarico dalla turbina. Si noti comunque che l’applicazione della soluzione proposta in un impianto di produzione di sola energia elettrica (non termica) è contemplato.

Considerazioni analoghe si applicano se la biomassa consiste in un qualsiasi altro materiale rinnovabile (solido, liquido o gassoso); in ogni caso, la soluzione proposta si presta ad essere utilizzata anche in impianti che sono alimentati da qualsiasi altro combustibile (anche convenzionale).

La stessa soluzione può inoltre essere implementa con un metodo equivalente (usando passi simili, rimovendo alcuni passi non essenziali, o aggiungendo ulteriori passi opzionali); inoltre, i passi possono essere eseguiti in ordine diverso, in parallelo o sovrapposti (almeno in parte).

Claims (23)

1. RIVENDICAZIONI 1. Una caldaia (236) per un generatore elettrico (203) a caldaia esterna comprendente un focolaio (242) per produrre calore tramite combustione di un combustibile, un ingresso (315) per ricevere un fluido di processo, uno scambiatore di calore (248) per far fluire il fluido di processo in prossimità del focolaio, il fluido di processo essendo riscaldato dal calore prodotto dal focolaio, ed un’uscita (320) per fornire il fluido di processo riscaldato al generatore elettrico, caratterizzato dal fatto che lo scambiatore di calore include una pluralità di condotti (415-435) collegati in parallelo tra l’ingresso e l’uscita per partizionare il flusso del fluido di processo, i condotti essendo disposti a tunnel (430-435) attorno al focolaio lungo una direzione di flusso (245) di fumi di combustione prodotti del focolaio.
2. 2. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 1, in cui i condotti (415-435) includono almeno un condotto iniziale (415a-415b) collegato all’ingresso (315), l’almeno un condotto iniziale essendo disposto longitudinalmente lungo la direzione di flusso (245) da un primo lato del focolaio (242), almeno un condotto laterale (425a-425b) disposto longitudinalmente lungo la direzione di flusso da un secondo lato del focolaio opposto al primo lato, almeno un gruppo di una pluralità di condotti a ponte iniziali (430a-430b), i condotti a ponte iniziali di ogni gruppo essendo collegati in parallelo tra un corrispondente condotto iniziale ed un corrispondente condotto laterale, almeno un condotto finale (420a-420b) collegato all’uscita (320), l’almeno un condotto finale essendo disposto longitudinalmente a valle dell’almeno un condotto iniziale lungo la direzione di flusso dal primo lato del focolaio, ed almeno un gruppo di una pluralità di condotti a ponte finali (435a-435b), i condotti a ponte finali di ogni gruppo essendo collegati in parallelo tra un corrispondente condotto laterale ed un corrispondente condotto finale.
3. 3. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 2, in cui ogni condotto finale (420a-420b) è accodato ad un corrispondente condotto iniziale (415a-415b), l’almeno un condotto laterale (425a-425b) avendo un’estensione sostanzialmente uguale a detto accodamento.
4. 4. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui l’almeno un condotto iniziale (415a-415b), condotto laterale (425a-425b), gruppo di condotti a ponte iniziali (430a-430b), condotto finale (420a-420b), e gruppo di condotti a ponte finali (435a-435b) consistono in una pluralità di condotti iniziali, condotti laterali, gruppi di condotti a ponte iniziali, condotti finali, e gruppi di condotti a ponte finali.
5. 5. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 4, in cui i gruppi di condotti a ponte iniziali (430a-430b) sono intercalati tra loro, e/o i gruppi di condotti a ponte finali (435a-435b) sono intercalati tra loro.
6. 6. La caldaia (236) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui il focolaio (242) è disposto in una porzione iniziale dello scambiatore di calore (248) lungo la direzione di flusso (245), la caldaia ulteriormente comprendendo mezzi deflettori (325) per deviare i fumi di combustione verso i condotti a tunnel (430-435).
7. 7. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 6 quando dipendente direttamente o indirettamente dalla rivendicazione 2, in cui i mezzi deflettori (325) includono uno sbarramento per i fumi di combustione disposto all’interno di una porzione terminale dei condotti a ponte iniziali (430a-430b) lungo la direzione di flusso (245).
8. 8. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 7, in cui lo sbarramento (325) include una parete avente una forma corrispondente ad una forma dei condotti a ponte iniziali (430a-430b) ed un’altezza inferiore ad un’altezza dei condotti a ponte iniziali.
9. 9. La caldaia (236) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, ulteriormente comprendente un ulteriore scambiatore di calore (260) per riscaldare un gas di combustione da fornire al focolaio (242) sfruttando i fumi di combustione, l’ulteriore scambiatore di calore essendo disposto a valle dello scambiatore di calore (248) lungo la direzione di flusso (245).
10. 10. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 9, in cui l’ulteriore scambiatore di calore (260) include almeno un ulteriore ingresso (615a-615c) per ricevere il gas di combustione, almeno un’ulteriore uscita (620a-620c) per fornire il gas di combustione riscaldato al focolaio (242), ed almeno un gruppo di una pluralità di condotti trasversali (625a-625c) estendentisi trasversalmente alla direzione di flusso (245), i condotti trasversali di ogni gruppo essendo collegati in parallelo tra un corrispondente ulteriore ingresso ed una corrispondente ulteriore uscita per partizionare un flusso del gas di combustione.
11. 11. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 10, in cui l’almeno un ulteriore ingresso (615a-615c), ulteriore uscita (620a-620c), e gruppo di condotti trasversali (625a-625c) includono un primo, un secondo ed un terzo ulteriore ingresso, uscita, e gruppo di condotti trasversali, la prima ulteriore uscita (625a) essendo atta a fornire il gas di combustione riscaldato in una regione centrale del focolaio (242), la seconda ulteriore uscita (625b) essendo atta a fornire il gas di combustione riscaldato in una regione superiore del focolaio rispetto alla combustione, e la terza ulteriore uscita (625c) essendo atta a fornire il gas di combustione riscaldato a valle del focolaio lungo la direzione di flusso (245).
12. 12. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 11, in cui i condotti trasversali (625a-625c) di ogni gruppo sono disposti paralleli tra loro in almeno un piano sostanzialmente perpendicolare alla direzione di flusso (245).
13. 13. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 12, in cui i condotti trasversali di almeno un gruppo (625a) sono disposti in un numero di piani superiore ad un numero di piani di un precedente gruppo di condotti trasversali (625b) lungo la direzione di flusso (245).
14. 14. La caldaia (236) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 13, ulteriormente comprendente ulteriori mezzi deflettori (330) per deviare i fumi di combustione verso l’ulteriore scambiatore di calore (260).
15. 15. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 14, in cui gli ulteriori mezzi deflettori (330) includono un ulteriore sbarramento per i fumi di combustione disposto all’interno di una porzione terminale dei condotti a tunnel (430-435) dello scambiatore di calore primario (236) lungo la direzione di flusso (245).
16. 16. La caldaia (236) secondo la rivendicazione 15, in cui l’ulteriore sbarramento (330) include un’ulteriore parete conformata a cuspide orientata verso la direzione di flusso (245).
17. 17. Uno scambiatore di calore (248) per l’uso nella caldaia (236) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16.
18. 18. Un impianto di generazione energia (100) comprendente un generatore elettrico (203) e la caldaia (236) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 17 per fornire il fluido di processo riscaldato al generatore elettrico.
19. 19. L’impianto (100) secondo la rivendicazione 18, ulteriormente comprendente mezzi (233,257a-257c) per aggiungere almeno parte del fluido di processo scaricato dal generatore elettrico (203) ad un gas di combustione da fornire alla caldaia (236).
20. 20. L’impianto (100) secondo la rivendicazione 18 o 19, in cui il generatore elettrico (203) è una turbina a gas, l’impianto ulteriormente comprendendo un compressore (212) per comprimere il fluido di processo da fornire alla caldaia (236), ed uno scambiatore refrigerante (275) per raffreddare il fluido di processo da fornire al compressore sfruttando i fumi di combustione scaricati dalla caldaia (236) e/o almeno parte del fluido di processo scaricato dal generatore elettrico.
21. 21. L’impianto (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 18 a 20, in cui l’impianto è un impianto di co-generazione di energia elettrica e termica, l’impianto ulteriormente comprendendo mezzi di conversione termica (120), e mezzi (233,266) per fornire i fumi di combustione scaricati dalla caldaia (236) e/o almeno parte del fluido di processo scaricato dal generatore elettrico (203) ai mezzi di conversione.
22. 22. L’impianto (100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 18 a 21, in cui il combustibile è una biomassa.
23. 23. Un metodo per produrre energia elettrica tramite un generatore elettrico (203) a caldaia esterna (236), il metodo comprendendo i passi di: produrre calore tramite combustione di un combustibile in un focolaio (242) della caldaia, ricevere un fluido di processo ad un ingresso (315) della caldaia, far fluire il fluido di processo in prossimità del focolaio tramite uno scambiatore di calore (248), il fluido di processo essendo riscaldato dal calore prodotto dal focolaio, e fornire il fluido di processo riscaldato al generatore elettrico da un’uscita (320) della caldaia, caratterizzato dal fatto che il passo di far fluire il fluido di processo in prossimità del focolaio include partizionare il flusso del fluido di processo tramite una pluralità di condotti (415-435) dello scambiatore di calore collegati in parallelo tra l’ingresso e l’uscita, i condotti essendo disposti a tunnel (430-435) attorno al focolaio lungo una direzione di flusso (245) di fumi di combustione prodotti del focolaio.