ITMI20100790A1 - Gruppo bruciatore-scambiatore di calore - Google Patents
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Description
TITOLO: "Gruppo bruciatore-scambiatore di calore"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un gruppo bruciatore-scambiatore di calore per caldaie a gas.
Le caldaie a gas della tecnica nota comprendono un condotto per l'alimentazione di un bruciatore con una miscela gas-aria premiscelata, un bruciatore per la produzione di calore mediante combustione di tale miscela in una camera di combustione, ed eventualmente un elemento di supporto collegabile allo scambiatore di calore e/o al condotto per l'alimentazione per assicurare la chiusura della camera di combustione e/o per il posizionamento del bruciatore rispetto a tale camera di combustione.
Il bruciatore comprende inoltre un diffusore attraverso il quale viene convogliato il gas premiscelato di combustibile e aria e il quale determina uno schema di fiamme per la produzione di calore. Solitamente il diffusore comprende una parete dotata di una pluralità di aperture ed avente una superficie interna in collegamento di flusso con il condotto di alimentazione ed una superficie esterna sulla quale avviene la combustione. Pertanto, essa definisce una superficie denominata, nel presente contesto, superficie esterna di combustione.
A monte del diffusore (con riferimento alla direzione di flusso della miscela gas-aria) può essere inoltre previsto un dispositivo di distribuzione, o distributore, disposto sul lato del diffusore opposto alla superficie di combustione, solitamente comprendente una parete con una pluralità di aperture passanti, configurato in modo tale da distribuire la miscela gas-aria in modo sostanzialmente uniforme o comunque nel modo desiderato verso la parete del diffusore .
Come è ben noto, il calore prodotto dalla combustione sul lato esterno della parete del diffusore viene veicolato mediante i gas di combustione caldi ad uno scambiatore di calore per il riscaldamento di un fluido, ad esempio acqua, che viene successivamente convogliato ad un utilizzo, per esempio ad un sistema di riscaldamento di un processo industriale, di ambienti abitativi o simili e/o di acqua sanitaria.
I gruppi bruciatore- scambiatore di calore per caldaie a gas della tecnica nota presentano problemi legati alle emissioni di sostanze inquinanti, e in particolare di monossido di carbonio (CO).
Attualmente, per ridurre le emissioni di tali sostanze inquinanti, si impiegano catalizzatori chimici di combustione. Essi, tuttavia, risultano molto costosi ed hanno una vita breve con conseguenti svantaggi dal punto di vista della manutenzione del gruppo, oltre che economici.
In alcuni casi, al fine di ridurre le suddette emissioni, si ricorre a gruppi comprendenti bruciatori cosiddetti "swirl" in cui la combustione avviene in regime fortemente turbolento. Tali gruppi presentano lo svantaggio di essere costosi ed ingombranti e pertanto in molti casi, come ad esempio nelle caldaie domestiche, non risultano utilizzabili.
Lo scopo della presente invenzione è pertanto quello di mettere a disposizione un gruppo bruciatorescambiatore di calore per caldaie a gas avente una emissione di sostanze inquinanti ridotta rispetto ai gruppi della tecnica nota e avente, allo stesso tempo, costi e dimensioni tali da renderlo idoneo per tutte le applicazioni, comprese quelle domestiche.
Questo ed altri scopi vengono raggiunti mediante un gruppo bruciatore-scambiatore di calore per caldaie a gas comprendente:
- un bruciatore includente un diffusore atto a diffondere gas di combustione premiscelati in una camera di combustione; e
- uno scambiatore di calore adiacente alla camera di combustione;
in cui detto gruppo bruciatore- scambiatore di calore comprende una barriera di accumulo termico in materiale poroso disposta tra il diffusore e una porzione dello scambiatore di calore e distanziata dal diffusore in modo tale da definire un primo spazio di combustione, tra il bruciatore e la barriera di accumulo termico, ed un secondo spazio di combustione, tra la barriera di accumulo termico e lo scambiatore di calore e tale da accumulare calore in detto primo spazio di combustione.
Grazie alla presenza di una barriera di accumulo termico con le summenzionate caratteristiche è possibile aumentare la temperatura nel primo spazio di combustione, ovvero nell'area a ridosso del diffusore, e quindi ridurre i prodotti incombusti quali CO ed altre sostanze nocive.
Inoltre, la suddetta barriera di accumulo termico può essere configurata in modo da incrementare la resistenza al passaggio di flusso.
Nell'ambito della presente descrizione e nelle successive rivendicazioni, con il termine "gas di combustione" si intende una miscela di combustibile e comburente, ad esempio metano ed aria.
Per meglio comprendere l'invenzione ed apprezzarne i vantaggi, verrà di seguito fornita una descrizione di alcune forme di realizzazione esemplificative non limitative, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:
- la figura 1 è una vista in sezione longitudinale di un gruppo bruciatore- scambiatore di calore per caldaie a gas secondo una prima forma realizzativa dell'invenzione;
- la figura 2 è una vista in sezione longitudinale di un gruppo bruciatore- scambiatore di calore per caldaie a gas secondo una seconda forma realizzativa dell'invenzione;
- la figura 3 è una vista schematica in elevazione di un gruppo bruciatore- scambiatore di calore per caldaie a gas secondo una terza forma realizzativa dell'invenzione;
- la figura 4 è una vista secondo la sezione A-A di figura 3;
- la figura 5 rappresenta due diagrammi schematici della temperatura dei gas all'interno della camera di combustione di un gruppo bruciatore-scambiatore di calore, rispettivamente secondo la tecnica nota (con linea tratteggiata) e secondo la presente invenzione (con linea continua).
Con riferimento alle figure 1-4, un gruppo bruciatore-scambiatore di calore per caldaie a gas, è complessivamente indicato con il numero di riferimento 1.
In particolare, il riferimento 1 indica un gruppo in cui un bruciatore produce calore mediante la combustione di un gas combustibile premiscelato, generalmente comprendente gas combustibile ed aria. Preferibilmente, ma non necessariamente, tali gas combustibili sono completamente premiscelati, ovvero alla miscela erogata al bruciatore non viene addizionato alcun componente ulteriore.
Il gruppo bruciatore- scambiatore di calore 1 comprende
un bruciatore 2 montato su un telaio 9. Quest'ultimo è fissato allo scambiatore, o al sistema di adduzione della miscela, direttamente o per mezzo di elemento di supporto, in modo da identificare una camera di combustione 4 (indicata con linea tratteggiata nella figura 1).
Il bruciatore 2 è provvisto di un diffusore 3 atto a diffondere i gas premiscelati di combustione nella camera di combustione 4. Il bruciatore è anche provvisto di un distributore di tipo noto non mostrato nelle figure.
Come noto, tale diffusore 3 comprende una parete dotata di una pluralità di aperture la cui superficie interna è in collegamento di flusso con il condotto di alimentazione dei gas. Sulla superficie esterna di tale parete, ovvero sul lato rivolto verso lo scambiatore 5, avviene la combustione.
Il bruciatore 2 può presentare una conformazione sostanzialmente piatta, come mostrato nelle figure 1 e 2, oppure leggermente concava. In alternativa esso può essere di tipo cilindrico, come mostrato nelle figure 3 e 4, oppure di tipo tronco-conico. Naturalmente la geometria del gruppo bruciatore-scambiatore di calore 1 e dei relativi elementi varierà in relazione al tipo di bruciatore 2.
Il gruppo 1 comprende uno scambiatore di calore 5 che delimita superiormente la porzione di volume che funge da camera di combustione 4 . Generalmente tale porzione di volume è delimitata dalle estremità delle alette di scambio termico dello scambiatore 5.
Secondo la presente invenzione, il gruppo 1 comprende anche una barriera di accumulo termico 6 disposta tra il diffusore 3 e la porzione di scambiatore di calore 5 adiacente alla camera di combustione 4 in modo tale da definire un primo spazio di combustione 7 ed un secondo spazio di combustione 8 e in modo da accumulare calore in detto primo spazio di combustione 7. In particolare il primo spazio di combustione 7 è compreso tra il bruciatore 2 e la barriera di accumulo termico 6 ed il secondo spazio di combustione 8 è compreso tra la stessa barriera di accumulo termico 6 e la porzione dello scambiatore di calore 5 che delimita la camera di combustione 4.
Preferibilmente, il rapporto tra detto primo spazio di combustione 7 e detto secondo spazio di combustione 8 è compreso nell'intervallo 0.05 - 40.
La barriera di accumulo termico 6 è atta ad assorbire energia termica grazie ai gas di combustione e a ridistribuirla attraverso emissione radiativa con l'effetto di accumulare calore nel primo spazio di combustione 7.
Grazie a tale barriera di accumulo termico 6, la temperatura all'interno del primo spazio di combustione 7 risulta superiore rispetto alla tecnica nota e pertanto la formazione di prodotti inquinanti è limitata .
Ciò è ben visibile nel diagramma di figura 5. Tale diagramma mostra l'andamento della temperatura (T) dei gas di miscela in funzione della distanza dal diffusore 3 (D), a partire dal fronte di fiamma, passando attraverso la barriera di accumulo termico 6, per finire a ridosso della superficie dello scambiatore di calore 5 ed attraversarlo. In particolare, la linea tratteggiata illustra l'andamento nel caso di noti gruppi bruciatorescambiatore di calore, mentre la linea continua illustra il diagramma del gruppo 1 secondo la presente invenzione .
A distanza DI dal diffusore 3 è posizionata la superficie interna della barriera di accumulo termico 6 e a distanza D2 la sua superficie esterna. Come si può notare, nella zona compresa tra il diffusore 3 e la barriera di accumulo termico 6, la temperatura è più elevata rispetto alla temperatura che si avrebbe in gruppi noti dello stesso tipo. Al contrario, nella zona compresa tra la barriera di accumulo termico 6 e lo scambiatore di calore 5, la temperatura risulta inferiore rispetto a quella che si avrebbe con gruppi noti dello stesso tipo.
In corrispondenza della barriera di accumulo termico 6, la temperatura dei gas varia da TI a T2 in un intervallo spaziale ridotto. In particolare, la temperatura dei gas a monte della barriera di accumulo termico 6 risulta pari a TI e la temperatura dei gas a valle di tale barriera 6 risulta pari a T2. Infatti, a ridosso della barriera di accumulo termico 6, l'energia termica è trasferita per convezione dal fluido alla barriera 6 stessa. Pertanto la barriera di accumulo termico 6 crea una maggiore differenza di temperatura tra il primo spazio di combustione 7 e il secondo spazio di combustione 8. A questo salto termico dovuto all'assorbimento per convezione, concorre l'effetto radiativo poiché la barriera di accumulo termico 6 irraggia energia termica incrementando ulteriormente la temperatura dei gas nel primo spazio di combustione 7. In altre parole, la barriera 6 crea un gradiente di temperatura ΔΤ pari a TI - T2.
Inoltre, la barriera di accumulo termico 6, può essere configurata in modo da aumentare la resistenza al passaggio di flusso.
In accordo con una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, la barriera di accumulo termico 6 è in materiale cataliticamente inerte. Nel presente contesto con la dicitura "materiale cataliticamente inerte" si indica un materiale che non modifica il processo chimico di combustione grazie alla propria composizione chimica, ovvero un materiale che non mette a disposizione un percorso reattivo di combustione alternativo.
Influenzare il processo di ossidazione del combustibile senza alterarne il percorso chimico permette l'utilizzo di materiali di uso comune (ceramici, in acciaio) il cui costo è di gran lunga inferiore rispetto ai materiali catalitici usati nei gruppi noti per catalizzare la combustione.
Inoltre l'efficacia della barriera di accumulo termico 6 in materiale cataliticamente inerte non è soggetta a deterioramento, come invece avviene per i materiali catalitici che necessitano di periodica sostituzione, con conseguente incremento dei costi.
In accordo con una forma di realizzazione dell'invenzione, la barriera di accumulo termico 6 è in materiale omogeneo ovvero non stratificato.
Secondo la prima forma di realizzazione della presente invenzione, mostrata in figura 1, la barriera di accumulo termico 6 è collegata con lo scambiatore di calore 5. In particolare, essa è collegata all'estremità dello scambiatore di calore 5 più prossima al bruciatore 2.
Invece, secondo la seconda forma di realizzazione della presente invenzione, mostrata in figura 2, la barriera di accumulo termico 6 è collegata con il bruciatore 2, in particolare con il telaio 9 del bruciatore 2.
Preferibilmente, detta barriera di accumulo termico 6, nel punto di collegamento con il bruciatore 2 o con lo scambiatore di calore 5 è termicamente isolato da esso in modo da evitare o almeno contenere le dispersioni di calore per conduzione.
La barriera di accumulo termico 6 può essere in un materiale selezionato tra: leghe Fe-Cr-Al; leghe Ni-Cr; leghe Si-C; materiali ceramici refrattari come Al203; materiali allumino-silicati ; cordierite. Preferibilmente la barriera di accumulo termico 6 è in un materiale metallico refrattario resistente alle alte temperature come ad esempio le leghe Ni-Cr.
In accordo con forme di realizzazione preferite, la barriera 6 comprende una rete o una maglia metallica o ceramica tessuta in fili o in fibre o un materiale sinterizzato metallico o ceramico o un materiale compatto presentante aperture.
Nel gruppo bruciatore- scambiatore di calore 1, secondo forme di realizzazione preferite dell'invenzione, la barriera di accumulo termico 6 è disposta ad una distanza dal diffusore 3 compresa tra circa 2 cm e circa 8 cm. Naturalmente in caldaie di dimensioni particolarmente rilevanti, ad esempio nelle caldaie per usi industriali, tali distanze saranno opportunamente calcolate in modo proporzionale alle dimensioni del gruppo 1.
Il gruppo 1 dell'invenzione comprende inoltre un elettrodo di accensione non mostrato nelle figure, il quale può essere disposto nel primo spazio di combustione 7.
Secondo alcune forme di realizzazione, tale elettrodo di accensione può essere equidistante dal diffusore 3 e dalla barriera di accumulo termico 6. In particolare, esso può essere disposto ad una distanza compresa tra circa 5 mm e circa 10 mm da entrambi.
La barriera di accumulo termico 6 ha una forma tale da sopportare le deformazioni termiche. In altre parole, la conformazione della barriera 6 è tale che, deformandosi per effetto delle dilatazioni termiche, assuma un'opportuna forma predefinita senza rompersi o perdere funzionalità.
Nelle forme di realizzazione mostrate nelle figure 1 e 2, la barriera 6 è una parete di tipo scatolare o piastriforme, in particolare essa comprende una parete con un profilo includente una porzione perpendicolare alla direzione di flusso della miscela combustibilecomburente, due porzioni esterne di collegamento al gruppo 1 e due porzioni di raccordo tra detta porzione perpendicolare alla direzione di flusso e dette porzioni di collegamento.
Nella forma di realizzazione mostrata nelle figure 3 e 4, ovvero nel caso di bruciatore 2 di tipo cilindrico, anche la barriera 6 è di tipo cilindrico.
Inoltre, detta barriera di accumulo termico 6 presenta nervature di rinforzo atte ad evitare rotture .
La presente invenzione si riferisce anche ad una caldaia a gas comprendente un gruppo bruciatore -scambiatore di calore 1 come descritto in precedenza.
Inoltre, la presente invenzione divulga un metodo per riscaldare un fluido mediante combustione di una miscela combustibile-comburente premiscelata comprendente le fasi di:
- predisporre di un flusso di detta miscela;
- veicolare detto flusso all'interno di un gruppo bruciatore-scambiatore di calore 1 provvisto di un diffusore 3;
diffondere detta miscela all'interno di una camera di combustione 4 attraverso il diffusore 3;
- irraggiare termicamente la miscela in un primo spazio di combustione 7 della camera di combustione 4 in modo da accumulare energia termica in tale primo spazio di combustione 7.
Preferibilmente la fase di irraggiamento termico della miscela in un primo spazio di combustione 7 è attuata per mezzo della barriera di accumulo termico 6, sopra descritta.
Nell'ambito della descrizione che precede e nelle successive rivendicazioni, tutte le grandezze numeriche indicanti quantità, parametri, percentuali, e così via sono da intendersi precedute in ogni circostanza dal termine "circa" se non diversamente indicato. Inoltre, tutti gli intervalli di grandezze numeriche includono tutte le possibili combinazioni dei valori numerici massimi e minimi e tutti i possibili intervalli intermedi, oltre a quelli indicati specificamente nel testo.
Ovviamente, il tecnico del settore, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro contenute nell'ambito di protezione della presente invenzione, al gruppo bruciatore-scambiatore di calore per caldaie a gas secondo la presente invenzione.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Gruppo bruciatore- scambiatore di calore (1) per caldaia a gas comprendente: - un bruciatore (2) includente un diffusore (3) atto a diffondere gas di combustione premiscelati in una camera di combustione (4); e - uno scambiatore di calore (5) adiacente alla camera di combustione (4); caratterizzato dal fatto di comprendere una barriera di accumulo termico (6) in materiale poroso disposta tra il diffusore (3) e una porzione dello scambiatore di calore (5) e distanziata dal diffusore (3) in modo tale da definire un primo spazio di combustione (7), tra il bruciatore (2) e la barriera di accumulo termico (6), ed un secondo spazio di combustione (8), tra la barriera di accumulo termico (6) e lo scambiatore di calore (5) e tale da accumulare calore in detto primo spazio di combustione (7).
- 2. Gruppo bruciatore- scambiatore di calore (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detta barriera di accumulo termico (6) è cataliticamente inerte.
- 3. Gruppo bruciatore- scambiatore di calore (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta barriera di accumulo termico (6) è in materiale omogeneo.
- 4. Gruppo bruciatore- scambiatore di calore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta barriera di accumulo termico (6) è in un materiale selezionato tra: leghe Fe-Cr-Al; leghe Ni-Cr; leghe Si-C; materiali ceramici refrattari; materiali allumino-silicati ; cordierite.
- 5. Gruppo bruciatore- scambiatore di calore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta barriera di accumulo termico (6) comprende una rete o una maglia metallica o ceramica tessuta in fili o in fibre o un materiale sinterizzato metallico o ceramico o un materiale compatto presentante aperture.
- 6. Gruppo bruciatore- scambiatore di calore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il rapporto tra detto primo spazio di combustione (7) e detto secondo spazio di combustione (8) è compreso nell'intervallo 0.05 - 40.
- 7. Gruppo bruciatore- scambiatore di calore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta barriera di accumulo termico (6) è disposta ad una distanza dal diffusore (3) compresa tra circa 2 cm e circa 8 cm.
- 8. Caldaia a gas comprendente un gruppo bruciatore-scambiatore di calore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
- 9. Metodo per riscaldare un fluido mediante combustione di una miscela combustibile-comburente premiscelata comprendente le fasi di: - predisporre di un flusso di detta miscela; - veicolare detto flusso all'interno di un gruppo bruciatore-scambiatore di calore (1) provvisto di un diffusore (3); diffondere detta miscela all'interno di una camera di combustione (4) attraverso il diffusore (3); - irraggiare termicamente la miscela in un primo spazio di combustione (7) della camera di combustione (4) in modo da accumulare energia termica in tale primo spazio di combustione (7).
- 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui la fase di irraggiare termicamente la miscela in un primo spazio di combustione (7) è attuata per mezzo di una barriera di accumulo termico (6).
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