ITMI20081886A1

ITMI20081886A1 - Termocoppia speciale per bruciatori

Info

Publication number: ITMI20081886A1
Application number: IT001886A
Authority: IT
Inventors: Massimo Dotti; Massimo Gilioli; Marco Mangiarotti; Mario Noli
Original assignee: Worgas Bruciatori Srl
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2010-04-25
Also published as: US8353627B2; IT1393070B1; US20100101553A1; EP2180253A1; EP2330346A3; EP2330346A2

Description

â€œTermocoppia speciale per bruciatoriâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un sensore di temperatura per bruciatori e un bruciatore dotato di un tale sensore di temperatura. In particolare, la presente invenzione riguarda una sensore di temperatura a termocoppia destinata ad essere collegato ad una superficie di un bruciatore, ad esempio di un bruciatore a gas, per applicazioni industriali e domestiche.

Uno dei numerosi utilizzi dei suddetti bruciatori Ã ̈ quello dei riscaldatori istantanei o non istantanei per il riscaldamento di un fluido, ad esempio acqua, che viene successivamente convogliato ad un utilizzo, per esempio un sistema di riscaldamento di un processo industriale, di ambienti abitativi o simili.

Un sistema noto di misurazione della temperatura della superficie bruciante di bruciatori prevede il posizionamento di un sensore termocoppia saldato ad una superficie esterna di una parete bruciante del bruciatore (fig. 3B) allâ€™interno della camera di combustione in una posizione tale da essere direttamente lambita dai fluidi combusti. La precisione e ripetibilitÃ di una tale misura Ã ̈ ostacolata dalla precisione richiesta nel posizionamento della termocoppia , in quanto uno spostamento del sensore di un decimo di millimetro rispetto alla sua posizione corretta puÃ² comportare una variazione della temperatura rilevata di decine di gradi. Inoltre i cavi che compongono il sensore di temperatura collocati allâ€™interno della camera di combustione nel flusso dei fluidi combusti e nelle fiamme generate sono soggetti ad un elevato deterioramento per via delle temperature e variazioni di temperatura a cui e soggetto.

Un ulteriore sistema noto di misurazione della temperatura di bruciatori prevede un sensore di temperatura saldato ad una superficie interna di una parete bruciatore del bruciatore (fig. 3A). CiÃ² comporta una riduzione del deterioramento del sensore grazie allâ€™allontanamento dei cavi che lo compongono dalle zone piÃ¹ calde allâ€™interno del bruciatore. Il valore di temperatura rilevato Ã ̈ sempre sensibile ad errori di posizionamento del sensore. Uno spostamento del sensore di un millimetro rispetto alla sua posizione corretta puÃ² comportare una variazione della temperatura rilevata di decine di gradi. Per via delle geometrie relativamente complesse dei bruciatori, il sensore di temperatura a termocoppia saldato sulla superficie interna della parete bruciante del bruciatore (Fig. 3B) non puÃ² essere posizionato liberamente in qualsiasi punto, ma Ã ̈ necessaria una adeguata accessibilitÃ per il montaggio che spesso limita le posizioni di posizionamento della termocoppia. CiÃ² rende questi sistemi poco efficaci per un controllo della combustione in caldaie che richiedono una risposta del sensore termico istantanea e precisa e che pertanto devono essere posizionati in corrispondenza dellâ€™area della superficie bruciante. Una soluzione nota del collegamento del sensore termocoppia al bruciatore prevede che i due fili metallici della termocoppia vengano saldati direttamente sulla superficie interna della parete bruciatore, opposta allo spazio interno della camera di combustione in cui si generano le fiamme(figure 3 e 3A).

Unâ€™ulteriore soluzione nota prevede che due barre rigide dello stesso materiale dei fili metallici della termocoppia vengano saldate alla superficie interna della parete bruciatore in modo tale da realizzare prolunghe o distanziatori ai quali vengono saldati i fili metallici del sensore termocoppia.

Tali barre rigide possono essere saldate sulla superficie interna della parete bruciatore (figura 4) o essi potrebbero sporgere nellâ€™interno della camera di combustione ed essere fissate alla parete bruciatore mediante saldature (lato superficie esterna o in altre parole â€œsuperficie brucianteâ€ della parete bruciatore) direttamente esposte allâ€™ambiente di combustione (figura 5).

Tutte le soluzioni con barre rigide richiedono saldature intermedie aggiuntive che possono essere soggette a corrosione tale da alterare il segnale di misurazione generato dal sensore.

Inoltre, nelle soluzioni note, i due fili metallici del sensore termocoppia per bruciatori sono protette da una guaina isolante di materiale flessibile che rende ancora piÃ¹ difficile un posizionamento corretto dei fili metallici durante il loro collegamento mediante saldatura. A questo si aggiunge che le guaine flessibili in materiale plastico o fibra di vetro/resina non sono adatte a resistere alle temperature presenti allâ€™interno del bruciatore; le guaine flessibili in materiale ceramico pur resistendo alle temperature non garantiscono perÃ² adeguato isolamento elettrico dei fili metallici.

Lo scopo della presente invenzione Ã ̈ pertanto quello di mettere a disposizione un sensore di temperatura per bruciatori avente caratteristiche tali da permettere un suo posizionamento ad elevata precisione e da ovviare a deformazioni ed al deterioramento del sensore o di sue parti.

Questo ed altri scopi vengono raggiunti tramite un sensore di temperatura per un bruciatore secondo la rivendicazione 1, un bruciatore secondo la rivendicazione 14 ed una caldaia secondo la rivendicazione 17.

Forme di realizzazione vantaggiose sono oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Per meglio comprendere l'invenzione ed apprezzarne i vantaggi, verrÃ di seguito fornita una descrizione di alcune forme di realizzazione esemplificative non limitative, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:

- la figura 1 Ã ̈ una vista in sezione esplosa di un sensore di temperatura per bruciatori secondo una forma di realizzazione dellâ€™invenzione;

- la figura 2 Ã ̈ una vista in sezione del sensore di figura 1 in configurazione assemblata ed istallata; - le figure 3, 3A, 3B, 4 e 5 sono viste in sezione schematizzate di sistemi di misurazione della temperatura di bruciatori note allâ€™inventore e migliorate mediante la presente invenzione;

- la figura 6 Ã ̈ una vista in sezione longitudinale esplosa di un sensore di temperatura per bruciatori secondo una forma di realizzazione dellâ€™invenzione, in cui le sedi termocoppia sono realizzate tramite fori passanti;

- le figure 7, 8 e 9 sono viste posteriori di una testa del sensore secondo forme di realizzazione differenti.

Con riferimento alle figure, un sensore di temperatura per un bruciatore Ã ̈ complessivamente indicato con il riferimento 1.

Il sensore 1 comprende due fili metallici 2, 3 idonei per realizzare una termocoppia (effetto Seebeck), una guaina di protezione 4 che accoglie ed avvolge i due fili metallici 2, 3, nonchÃ© una testa 5 in materiale metallico.

La testa 5 presenta un lato frontale 14 destinato ad essere rivolto verso lâ€™ambiente di cui si intende misurare la temperatura ed un lato posteriore 15 opposto al lato frontale 14 ed al quale sono collegati i due fili metallici 2, 3 in relazione di scambio termico con la testa 5.

Secondo un aspetto dellâ€™invenzione, la testa 5 comprende una porzione anteriore 6 destinata ad essere inserita in una sede sensore 13 di una parete bruciatore 12 del bruciatore, nonchÃ© almeno una prima superficie di posizionamento 16 ed almeno una seconda superficie di posizionamento 18.

La prima superficie di posizionamento 16 Ã ̈ configurata ed atta ad impegnare una superficie interna 17 della sede sensore 13 in modo tale da impedire spostamenti della testa 5 nel piano della parete bruciatore 12 e la seconda superficie di posizionamento 18 Ã ̈ trasversale alla prima superficie di posizionamento 16 e formata in modo tale da poter impegnare la parete bruciatore 12 in vicinanza della sede sensore 13 per impedire spostamenti della testa 5 in direzione trasversale al piano della parete bruciatore 12. Oltre ad impedire spostamenti o deformazioni indesiderati nel piano della parete bruciatore e trasversalmente ad essa, le prime e seconde superfici di posizionamento 16, 18 della testa 5 realizzano vantaggiosamente riferimenti certi per un facile e preciso posizionamento del sensore di temperatura nel bruciatore.

In accordo con una forma di realizzazione, la porzione anteriore 6 comprende una superficie frontale di misurazione 19 destinata ad essere esposta allâ€™ambiente di cui si intende misurare la temperatura e/o idonea a completare e costituire la superficie di cui si intende misurare la temperatura e la prima superficie di posizionamento 16 si estende trasversalmente a tale superficie di misurazione 19. Con riferimento alla forma di realizzazione illustrata in figure 1 e 2, la testa 5 puÃ² comprendere uno spallamento 7 che forma una superficie di battuta rivolta verso il lato anteriore 14 realizzando la suddetta seconda superficie di posizionamento 18.

La porzione anteriore 6 Ã ̈ formata in rilievo rispetto allo spallamento 7 e comprende una superficie laterale anulare 16 sostanzialmente perpendicolare alla superficie frontale di misurazione 19 in modo tale da formare un gradino tra la superficie frontale di misurazione 19 e la superficie di battuta (seconda superficie di posizionamento) 18. La superficie laterale anulare 16 realizza la suddetta prima superficie di posizionamento.

Vantaggiosamente, la superficie di misurazione 19, la prima superficie di posizionamento 16 e la seconda superficie di posizionamento 18 sono tra loro sostanzialmente centrate e preferibilmente coassiali. Inoltre, la superficie di misurazione 19 Ã ̈ preferibilmente sostanzialmente piana e parallela alla seconda superficie di posizionamento 18. CiÃ² permette un posizionamento della testa del sensore di temperatura in modo tale che la sua superficie di misurazione 19 sia parallela ed allineata a filo con una superficie bruciante 20 della parete bruciatore 12 oppure, se desiderato ed utile ai fini della misurazione, si puÃ² ottenere un posizionamento della testa del sensore di temperatura in modo tale che la sua superficie di misurazione 19 sia sporgente di una lunghezza estremamente precisa e ripetibile.

Sul lato posteriore della testa 5 sono vantaggiosamente formate una o piÃ¹, preferibilmente due, sedi termocoppia 10, 11 per il collegamento mediante saldatura dei due fili metallici 2, 3. Le sedi termocoppia possono essere realizzate tramite due fori tra loro distanziati, in modo tale che ciascuno dei due fili metallici sia saldato separatamente alla testa 5.

La testa puÃ² comprendere sedi termocoppia 10, 11, 10â€™, 11â€™ formate come fori ciechi (fig. 1) o, preferibilmente, come fori passanti (fig. 6) ed unâ€™unica testa 5 puÃ² comprendere una pluralitÃ di sedi termocoppia 10, 11, 10â€™, 11â€™ per accogliere 2 o piÃ¹ fili metallici di una o piÃ¹ termocoppie.

In accordo con unâ€™ulteriore forma di realizzazione, la testa 5 comprende sul suo lato posteriore 15 una parete anulare 9, preferibilmente cilindrica che delimita internamente una sede guaina 8 per accogliere una estremitÃ anteriore della guaina di protezione 4. Le sedi termocoppia 10, 11 possono essere vantaggiosamente formate allâ€™interno della sede guaina 8, in modo tale che il collegamento tra la testa 5 ed i fili metallici 2, 3 sia protetto ed incapsulato allâ€™interno della sede guaina 8 la cui apertura posteriore risulta tappata dalla guaina stessa, la quale puÃ² essere collegata alla testa 5 mediante un collegamento di forma o a interferenza, ad esempio mediante clampaggio o crimpatura (â€œclampingâ€ o â€œcrimpingâ€ ) o saldatura della parete anulare 9 alla o intorno alla estremitÃ anteriore della guaina di protezione 4. La guaina stessa Ã ̈ vantaggiosamente in un materiale termoresistente e sostanzialmente rigido, tale da proteggere i fili metallici e da facilitare il montaggio del sensore 1 al bruciatore.

La guaina puÃ² essere fabbricata in un materiale metallico e/o plastico e/o siliconico e/o ceramico contenente eventualmente fibre minerali per aumentare le sue caratteristiche termoisolanti e anche la sua rigidezza meccanica. Preferibilmente, la guaina 4 comprende un cavo ad isolamento minerale.

I fili metallici possono essere (a titolo di esempio non limitativo) scelti come segue:

tipo T: rame/costantana

tipo J: ferro/costantana

tipo E: Chromel®/costantana

tipo K: Chromel ®/Alumel®

tipo N: nicrosil/nisil

tipo R e S: platino e rodio/platino

tipo B: platino e rodio,

in cui Chromel ® e Alumel® sono marchi registrati dalla Hoskins Manufacturing Company.

Vantaggiosamente, La testa 5 del sensore 1 presenta una forma sostanzialmente a corpo di rotazione, ad eccezione delle sedi termocoppia 10, 11 per il collegamento dei fili metallici 2, 3.

La presente invenzione riguarda anche un bruciatore, ad esempio un bruciatore di un dispositivo di riscaldamento in generale o di una caldaia con una camera di combustione con una parete bruciatore 12 la cui superficie esterna realizza una superficie bruciante 20 in corrispondenza della quale si misura la temperatura mediante il sensore di temperatura 1 fin qui descritto ed illustrato.

A tal fine, nella parete bruciatore 12 Ã ̈ realizzata, ad esempio mediante punzonatura o stampaggio, unâ€™apertura passante che forma la sede sensore 13. In questo modo, e grazie alla particolare conformazione della porzione anteriore 6 ( la testa Ã ̈ vantaggiosamente ottenuta mediante tornitura o stampaggio), questâ€™ultima risulta inseribile e posizionabile nella sede sensore 13 con unâ€™elevata precisione.

Vantaggiosamente, lo spessore della parete bruciatore 12 e la lunghezza della porzione anteriore 6 sono scelti in modo tale che la superficie di misurazione 19 del sensore sia disposta a filo con la superficie bruciante 20 della parete bruciatore 12 per realizzare una sostanziale continuitÃ di superficie di tale superficie bruciante 20. Alternativamente, lo spessore della parete bruciatore 12 e la lunghezza della porzione anteriore 6 sono scelti in modo tale che la superficie di misurazione 19 del sensore sia sporgente in modo preciso e ripetibile rispetto alla superficie bruciante 20 della parete bruciatore 12. Con ulteriore vantaggio, la testa 5 del sensore 1, in particolare la porzione anteriore 6 Ã ̈ del medesimo materiale della superficie bruciante 20.

Al fine di aumentare la rapiditÃ di risposta del sensore di temperatura, la testa 5 Ã ̈ saldata alla parete bruciatore 12, preferibilmente mediante saldatura a laser o simile (senza apporto di materiale) in cui la superficie interna 17 della sede sensore 13 ed una corrispondente superficie della testa 5 ad essa affacciata (preferibilmente la prima superficie di posizionamento 16) vengono fuse e saldate lâ€™una con lâ€™altra in modo tale da unire la testa e la parete bruciatore e creare una continuitÃ di materiale della parete bruciatore in corrispondenza della sede sensore.

Il sensore di temperatura ed il bruciatore contenente tale sensore presentano numerosi vantaggi.

Il gruppo guaina-termocoppia-testa metallica del sensore 1 costituisce una componente facilmente posizionabile allâ€™interno del bruciatore ed ivi fissabile con elevata precisione di posizione.

Il sensore ed il bruciatore con il sensore consentono di proteggere la termocoppia da fenomeni di ossidazione dei giunti saldati, impediscono spostamenti, malposizionamenti e deformazioni indesiderate della superficie di misurazione (lato caldo della termocoppia) e consentono di ridurre lâ€™inerzia termica del sistema di misurazione della temperatura.

Inoltre, il sensore ed il bruciatore secondo lâ€™invenzione consentono la misurazione della temperatura di una superficie bruciante del bruciatore e, al contempo, assicurano la continuitÃ di superficie di tale superficie bruciante.

Queste ed altre caratteristiche del sensore e del bruciatore secondo lâ€™invenzione favoriscono un loro utilizzo in caldaie, il cui controllo di temperatura richiede unâ€™elevata affidabilitÃ e durevolezza, nonchÃ© unâ€™alta rapiditÃ di risposta del sensore di temperatura.

Ovviamente, al sensore di temperatura 1 ed al bruciatore contenente tale sensore 1 secondo la presente invenzione, un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrÃ apportare numerose modifiche e varianti, tutte peraltro contenute nellâ€™ambito di protezione dellâ€™invenzione, quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sensore di temperatura (1) per un bruciatore, comprendente: - due fili metallici (2,3) realizzanti una termocoppia, - una guaina di protezione (4) che accoglie i due fili metallici (2, 3), - una testa (5) in materiale metallico avente un lato frontale (14) destinato ad essere rivolto verso lâ€™ambiente di cui si intende misurare la temperatura ed un lato posteriore (15) opposto al lato frontale (14), detti due fili metallici (2,3) essendo collegati in relazione di scambio termico a detto lato posteriore di detta testa (5),in cui detta testa (5) comprende una porzione anteriore (6) collegabile ad una parete bruciatore (12) di detto bruciatore in modo tale che la termocoppia sia collegabile al bruciatore mediante detta testa metallica.
2. Sensore (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detta testa (5) comprende: - una porzione anteriore (6) destinata ad essere inserita in una sede sensore (13) di una parete bruciatore (12) del bruciatore, - una prima superficie di posizionamento (16) atta ad impegnare una superficie interna (17) della sede sensore (13) in modo tale da realizzare un riferimento di posizionamento della testa (5) nel piano della parete bruciatore (12), - una seconda superficie di posizionamento (18) trasversale alla prima superficie di posizionamento (16) ed atta ad appoggiare contro detta parete bruciatore (12) in vicinanza di detta sede sensore (13), in modo tale da realizzare un riferimento di posizionamento della testa (5) in direzione trasversale al piano della parete bruciatore (12).
3. Sensore (1) secondo la rivendicazione 2, in cui detta porzione anteriore (6) comprende una superficie frontale di misurazione (19) destinata ad essere esposta allâ€™ambiente di cui si intende misurare la temperatura e detta prima superficie di posizionamento (16) Ã ̈ trasversale a detta superficie di misurazione (19).
4. Sensore (1) secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui detta testa (5) comprende uno spallamento (7) definente una superficie di battuta (18) rivolta verso il lato anteriore (14) e che forma detta seconda superficie di posizionamento (18), in cui detta porzione anteriore (6) sporge da detto spallamento (7) verso il lato anteriore (14) e comprende una superficie frontale di misurazione (19) rivolta verso il lato anteriore (14) e destinata ad essere esposta allâ€™ambiente di cui si intende misurare la temperatura, nonchÃ© una superficie laterale anulare (16) sostanzialmente perpendicolare alla superficie frontale di misurazione (19) e che forma detta prima superficie di posizionamento (18).
5. Sensore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta superficie di misurazione (19), detta prima superficie di posizionamento (16) e detta seconda superficie di posizionamento (18) sono coassiali.
6. Sensore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta superficie di misurazione (19) Ã ̈ sostanzialmente piana e sostanzialmente parallela alla seconda superficie di posizionamento (18).
7. Sensore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta testa (5) comprende sul suo lato posteriore (15) una o piÃ¹ sedi termocoppia (10,11) per il collegamento mediante saldatura di detti due fili metallici (2,3).
8. Sensore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui dette sedi termocoppia (10,11) comprendono due fori.
9. Sensore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ogni singolo filo metallico (2;3) Ã ̈ saldato e/o brasato separatamente a detta testa (5).
10. Sensore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta testa (5) comprende sul suo lato posteriore (15) una parete anulare (9) delimitante una sede guaina (8) che accoglie una estremitÃ anteriore della guaina di protezione (4).
11. Sensore (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui dette sedi termocoppia (10,11) sono formate allâ€™interno di detta sede guaina (8), in modo tale che il collegamento tra la testa (5) ed i fili metallici (2,3) sia protetto ed incapsulato allâ€™interno della sede guaina (8) la cui apertura posteriore risulta tappata dalla guaina di protezione (4).
12. Sensore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta guaina di protezione (4) e detta testa (5) del sensore (1) sono tra loro collegate, in modo tale da formare unâ€™unitÃ testa (5) â€“ termocoppia (2,3) â€“ guaina (4) sostanzialmente rigida.
13. Sensore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta testa (5) presenta una forma sostanzialmente a corpo di rotazione, ad eccezione di eventuali sedi (10,11) per il collegamento con detti fili metallici (2,3).
14. Bruciatore con una parete bruciatore (12), detta parete bruciatore comprendente unâ€™apertura passante che forma una sede sensore (13), nonchÃ© un sensore di temperatura (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta porzione anteriore di detto sensore Ã ̈ accolta in detta sede sensore.
15. Bruciatore secondo la rivendicazione precedente, in cui lo spessore di detta parete bruciatore (12) e la lunghezza di detta porzione anteriore (6) sono configurati in modo tale che detta superficie di misurazione (19) di detto sensore (1) sia disposta a filo con una superficie bruciante (20) di detta parete bruciatore (12) tale da realizzarvi una sostanziale continuitÃ di superficie.
16. Bruciatore secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui la testa (5) del sensore (1) o la porzione anteriore (6) della testa (5) e una superficie bruciante (20) di detta parete bruciatore (12) sono realizzate mediante il medesimo materiale.
17. Bruciatore secondo la rivendicazione 14, 15 o 16, in cui la testa (5) del sensore Ã ̈ saldata alla parete bruciatore (12) mediante saldatura senza apporto di materiale, in particolare mediante saldatura laser, tra la sede sensore e la porzione anteriore, in modo tale da realizzare una continuitÃ di materiale della superficie bruciante (20) in corrispondenza della sede sensore (13).
18. Caldaia comprendente un bruciatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 14 a 17.
19. Dispositivo di riscaldamento comprendente un bruciatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 14 a 17.