ITMI20110390A1

ITMI20110390A1 - Bruciatore a gas perfezionato per combustione premiscelata

Info

Publication number: ITMI20110390A1
Application number: IT000390A
Authority: IT
Inventors: Pierluigi Bertelli
Original assignee: Bertelli & Partners Srl
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-09-12
Also published as: CN103443544A; WO2012123805A1; US20140011142A1; EP2683985A1

Description

Descrizione di un brevetto d'invenzione

DESCRIZIONE

Forma oggetto del presente trovato un bruciatore a gas per combustione premiscelata secondo il preambolo della rivendicazione principale .

Come è noto, un tale bruciatore a gas (per caldaia) può avere forma cilindrica o piana, essere in acciaio o in fibra composita (o altro noto materiale adeguato) . A tale bruciatore perviene una miscela gas-aria, ottenuta esternamente ad esso in modo in sé noto ed inviata internamente su un lato di esso tramite note tubazioni; attraverso un elettrodo di accensione posto in posizione opportuna rispetto al bruciatore, tale miscela viene attivata così da generare, sull'esterno del bruciatore o sull'altro suo lato rispetto a quello a cui perviene la suddetta miscela, una fiamma. Il bruciatore è usualmente posto in una camera di combustione da cui i fumi, che in essa si generano, vengono spinti o asportati attraverso una appropriata uscita ed indirizzati ad uno scarico.

Un tale bruciatore per combustione premiscelato notoriamente comprende un primo componente denominato comunemente "distributore" ed un secondo componente definente il corpo (esterno) del bruciatore. Al distributore perviene la miscela di aria e gas e presenta una superficie forata di distribuzione attraverso la quale passa tale miscela. Il distributore è posto in prossimità del corpo del bruciatore costituito da una superficie forata "bruciante" dalla quale esce la miscela aria-gas e sulla quale, attraverso l'attivazione dell'elettrodo di accensione, si genera la fiamma. Nel caso in cui il bruciatore sia di forma cilindrica, ad esempio, tali componenti sono cilindrici e coassiali, il distributore essendo contenuto entro il corpo del bruciatore e ricevendo, internamente ad esso, la miscela suddetta .

La superficie bruciante notoriamente costituita da una superficie forata (con fori o fessure di dimensione note), ad esempio in acciaio oppure da una maglia di fibra di acciaio o altro materiale adeguato.

La superficie di distribuzione è costituita normalmente da una superficie, ad esempio di acciaio, opportunamente forata in modo da distribuire adeguatamente la miscela su tutta la superficie bruciante e generare la fiamma sulla sua totale estensione così da distribuire equamente, uniformemente su quest'ultima il carico termico del bruciatore (W/cm2 di superficie bruciante).

E' anche nota una soluzione in cui la superficie bruciante comunque genera un carico termico distribuito su tutta la sua estensione (con fiamma presente su tutta la superficie), anche se in un particolare punto o zona di quest'ultima tale carico varia rispetto al carico medio (normalmente la zona nell'interno dell'elettrodo di rilevazione fiamma); ciò al fine di ottenere in tali punti o zone un segnale di fiamma più elevato atto a consentire un miglior rilevamento della fiamma e/o un miglior controllo della combustione rispetto ad altre note soluzioni. Questa realizzazione, tuttavia, limita l'intervallo di potenza di lavoro e non permette di avere un ottimale controllo del bruciatore in quanto il segnale di fiamma attraverso il quale si esegue tale controllo varia in modo consistente ad esempio al variare della famiglia di gas utilizzato nel bruciatore stesso.

La generazione di fiamma sull'intera superficie del bruciatore e l'usuale posizionamento di tale bruciatore in una posizione lungo l'asse mediano della camera di combustione comporta la presenza in quest 'ultima di un carico termico equamente distribuito nel volume di camera attorno al bruciatore.

Tale soluzione, tuttavia, presenta diversi inconvenienti. Ad esempio, essa ha come reale conseguenza che la temperatura superficiale del bruciatore risulta essere disomogenea: infatti, la sua zona posta in corrispondenza dell'uscita fumi dalla camera di combustione è, normalmente, sensibilmente più fredda della sua zona opposta a tale uscita. Inoltre, le sue zone interessate dal movimento dei fumi provenienti dalla zona opposta all'uscita dei fumi e transitanti sui fianchi del bruciatore sono più calde di tale zona opposta all'uscita. Ne consegue un disuniforme scambio termico con l'usuale fluido di scambio che circola nella camera di combustione della caldaia ed un imperfetto riscaldamento della superficie del bruciatore incidendo sulle prestazioni della caldaia.

In aggiunta si può generare un rumore rilevante (sotto forma di un "botto") in fase di accensione. A ciò si aggiunge che, principalmente ma non soltanto nei casi di controllo della combustione legato al segnale di fiamma utilizzato come feedback del processo di combustione, la correlazione del segnale di fiamma stesso alla combustione in funzione dell'intervallo di potenza in cui opera il bruciatore non è ottimale.

Infine vi è anche la possibilità di generare rumori (generalmente fischi) in fase di combustione a regime e/o al variare delle condizioni climatiche.

Scopo del presente trovato è quello di offrire un bruciatore perfezionato che permetta di superare gli inconvenienti dei bruciatori noti.

In particolare, scopo del trovato è quello di offrire un bruciatore il cui carico termico sia "accordato" in funzione della forma e dei volumi della camera di combustione.

Un altro scopo è quello di offrire un bruciatore del tipo citato le cui temperature superficiali siano mediamente più omogenee.

Un ulteriore scopo è quello di offrire un bruciatore con emissioni di CO e di ossidi di azoto (NOx) più contenute rispetto alle soluzioni note.

Un altro scopo è quello di offrire un bruciatore avente bassa rumorosità (in applicazione ovvero durante l'uso) se confrontata con quella dei bruciatori noti ed un bruciatore che consenta un miglior controllo della combustione.

Questi ed altri scopi che risulteranno evidenti all'esperto del ramo vengono raggiunti da un bruciatore secondo le unite rivendicazioni.

Per una miglior comprensione del presente trovato si allegano a titolo puramente esemplificativo ma non limitativo i seguenti disegni, in cui:

la figura 1 mostra una vista prospettica in esploso di un bruciatore secondo il trovato;

la figura 2 mostra una vista laterale del bruciatore di figura 1;

la figura 3 mostra una vista in sezione secondo la traccia 3-3 di figura 2;

la figura 4 mostra una vista in sezione secondo la traccia 4-4 di figura 2;

la figura 5 mostra una vista in sezione secondo la traccia 5-5 di figura 2; e

la figura 6 mostra schematicamente una vista in sezione trasversale di un bruciatore secondo il trovato in una camera di combustione di una caldaia.

Con riferimento alle citate figure un bruciatore secondo il trovato è indicato genericamente con 100 e comprende un primo componente definito da un distributore 1 di una miscela di gas e aria (ottenuta prima che essa venga inviata, attraverso un noto condotto, non mostrato, al distributore) ed un secondo componente (vicino ma separato dal primo 1), definito dal corpo del bruciatore, esterno, 2. Tale distributore 1 e corpo 2 sono, nell'esempio delle figure, di forma cilindrica tubolare, ma potrebbero anche avere forma piana o altro. Nell'esempio, il distributore 1 è interno e coassiale al corpo 2. Organi di chiusura estremali 17 di cui uno flangiato, richiudono le estremità del bruciatore 1.

Il distributore 1 presenta una superficie di distribuzione 3 parzialmente forata ovvero in cui sono previste zone 4 (centrale nelle figure) e 4a (laterali nelle figure) provviste di fori passanti 5 e zone 6 completamente lisce e piene ovvero non forate. I fori 5 pongono in comunicazione uno spazio o intercapedine 7 presente tra il distributore 1 ed il corpo 2 ed affacciate ad un lato esterno 10 del distributore con una parte interna il di quest'ultimo (ovvero con un vano affacciato al lato interno 13 del distributore contrapposto a quello esterno 10).

In tal modo, la miscela che perviene alla parte interna 11 può trasferirsi all'intercapedine 7 attraverso i fori 5. A causa della posizione disuniforme di tali fori entro la superficie 3, tale trasferimento avviene in modo differenziato entro l'intercapedine 7 con quantità di miscela differente che perviene al corpo del bruciatore 2. Si ha così una disomogenea alimentazione di miscela gas-aria al corpo 2.

Quest'ultimo comprende una superficie bruciante 15 avente un lato interno 16 rivolto verso l'intercapedine 7 ed un lato esterno 18 su cui si forma la fiamma (ottenuta "accendendo" la miscela attraverso un noto elettrodo di accensione, non mostrato). La superficie bruciante 15 presenta una pluralità di fessure e fori passanti 20 che collegano l'intercapedine 7 con il lato esterno 18 del corpo 2 e consentono il passaggio della miscela su quest'ultimo per la formazione della fiamma. Tali fessure e fori 20 definiscono una zona di generazione di fiamma 21 che risulta localizzata nella superficie bruciante 15 e che solo parzialmente si sovrappone alla zona 4 del distributore 1. Tale superficie bruciante 20 è affiancata e/o intervallata (come nelle figure) da zone 22 sprovviste di fori e da cui non si genera alcuna fiamma.

Grazie alla particolare conformazione della superficie di distributore 3 definita anche in funzione della superficie bruciante 15, il bruciatore 100 consente di generare un carico termico volutamente non uniforme in cui si ha una disuniforme fuoriuscita di miscela sulla superficie bruciante 15 e quindi una disuniforme generazione di fiamma su di essa.

Secondo la forma di realizzazione delle figure, il carico termico del bruciatore è maggiore dove le zone 4 e 4a del distributore si affacciano ad ogni zona di generazione di fiamma 21, mentre risulta inferiore (rispetto al carico medio complessivo) dove tali zone non si sovrappongono e/o sono coinvolte da una quantità di miscela distribuita solo da zone (come quelle laterali 4a dell'esempio delle figure) del distributore 3 affacciate alle zone 22 del corpo del bruciatore 2.

La modifica e disuniformità del carico termico può essere ulteriormente evidenziata e realizzata, oltre che mediante eliminazione dei fori da alcune porzioni di superficie del distributore, anche modificando il diametro e passo tra i fori del distributore 5 e/o posizionamento e dimensione di fessure e fori sulla superficie bruciante 20 oppure la disposizione reciproca tra i fori del distributore 5 e i fori del corpo del bruciatore 2, modificando in tal modo la distribuzione della quantità di miscela che esce dalle superfici 3 e 15. In alternativa o in aggiunta a ciò, il carico termico entro una usuale camera di combustione 50 in cui è posto il bruciatore 100 può essere modificato disponendo quest'ultimo in posizione eccentrica e contrariamente a quanto usualmente fatto dove il bruciatore 1, come in figura 6, è posto lungo l'asse mediano longitudinale di tale camera.

Grazie al trovato si può quindi adattare il carico termico del bruciatore 100 in funzione delle proprie geometrie, di quella della camera di combustione 50 e del percorso di evacuazione dai fumi da essa (attraverso uno scarico 60). Ciò permette di ottenere vari vantaggi.

Ad esempio, si può ottenere un raffreddamento del bruciatore 100 più uniformemente distribuito sulla superficie bruciante 15 aumentando il carico termico nelle zone normalmente più fredde (a parità di potenza di lavoro) e diminuendolo nelle zone, anche qui a parità di condizione, normalmente più calde. Ciò permette di ottenere temperature superficiali mediamente più omogenee indipendentemente dal fatto che una particolare porzione di superficie sia lambita da flussi di calore maggiori di altri porzioni adiacenti o che sia posta frontalmente allo scarico dei fumi.

Inoltre, scegliendo opportunamente una zona 21 del corpo del bruciatore 2 con particolare carico termico (ad esempio modificando la velocità di uscita della miscela attraverso una variazione del diametro e posizionamento dei fori del distributore 5 o della forma e disposizione di fori e fessure sulla superficie bruciante 20), si può migliorare (diminuendola) la rumorosità in fase di accensione del bruciatore e di propagazione di fiamma.

In aggiunta, si possono ottenere riduzioni significative delle emissioni di CO e di ossidi d'azoto (NOx)evitando di collocare i fori 5 del distributore 1 in corrispondenza di bordi contrapposti 2A e 2B delimitanti la zona del bruciatore a superficie bruciante forata 2. In caso contrario si generano in questa zona temperature di combustione e una temperatura superficiale particolarmente elevata tali da influire negativamente sui parametri sopra citati.

Attraverso il trovato si può ottenere anche una bassa rumorosità di combustione a regime ed alle diverse condizioni ambientali anche al variare della C02 di lavoro. Ciò consente una maggiore flessibilità di lavoro del bruciatore: ad esempio può favorire l'utilizzo di sistemi di controllo di combustione elettronici che normalmente eseguono delle funzioni di autoverifica, ed auto-taratura del bruciatore imponendo temporaneamente valori di C02 elevati che con le soluzioni note di bruciatore potrebbero comportare la generazione di rumori e fischi .

Grazie al fatto che si hanno zone del corpo del bruciatore 2 generanti carichi termici variabili, si ha la possibilità di collocare un usuale elettrodo di rilevazione di fiamma (o elemento equivalente) in una zona opportuna del bruciatore (ad esempio posizionato in modo da attraversare zone a carico termico diverso) in una zona tale da migliorare la correlazione tra il segnale di fiamma rilevato e la combustione alle diverse potenze di lavoro e al variare della famiglia di gas ad esempio al variare da gas della II famiglia (metano) a gas della III famiglia (GPL). E' noto, infatti, che dal controllo della fiamma si ottiene un segnale fiamma che è funzione della potenza e della combustione, segnale che ha normalmente dinamiche diverse tra le due famiglie. Mediante il trovato, tali segnali per le due famiglie di gas si avvicinano a tal punto che, anche in caso di errore di impostazione del tipo di gas utilizzato (ad esempio, il bruciatore è tarato per operare a metano, ma viene alimentato a GPL) esso rimane in un ambito o intervallo di funzionamento sicuro. Ciò permette di realizzare bruciatori, con i relativi sistemi di controllo, che possono funzionare con gas di diverse famiglie, senza dover procedere a modifiche di componenti interni dell'applicazione (ad esempio caldaia). Consente inoltre, mediante lo sviluppo di funzioni specifiche nell'algoritmo di controllo di tali sistemi di identificare la famiglia di gas con cui il bruciatore viene alimentato consentendo di adattare in modo semi-automatico o automatico i parametri di lavoro di quest'ultimo alla famiglia di gas rilevato in ingresso al bruciatore.

Una di tali funzioni può essere ad esempio verificare particolari fasi funzionamento, la dinamica del segnale di fiamma (sensibilmente diversa tra le famiglie di gas), al variare di parametri di lavoro come ad esempio al variare della portata del gas a portata d'aria fissa o viceversa del volume d'aria a portata gas fissa .

Infine, la correlazione tra il segnale di fiamma ed il coefficiente lambda di lavoro cioè il coefficiente che definisce il rapporto tra aria e gas consente al trovato, in caso di mancata corretta impostazione del tipo di gas in fase di installazione, di mantenere, al variare della famiglia di gas, valori di CO al di sotto dei limiti normativi e di C02 vicini al valore ottimale di lavoro garantendo così la sicurezza di funzionamento dell'applicazione.

Sono state descritte varie forme di realizzazione del trovato. Altre ancora sono possibili alla luce di quanto riportato precedentemente, dette ulteriori varianti essendo da considerare ricadere nell'ambito dell'invenzione come definita dalle rivendicazioni che seguono.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Bruciatore a gas (100) per combustione premiscelata posto in una camera di combustione (50) e comprendente due componenti (1, 2), un primo definito da un distributore (1) di una miscela di gas e aria ed il secondo (2) definendo il corpo del bruciatore, tali componenti (1, 2) essendo ravvicinati, ma distanziati tra loro, il distributore (1) avendo una superficie di distribuzione forata (3) attraverso la quale passa la miscela gas-aria diretta verso il corpo del bruciatore (2) avente anch'esso superficie bruciante forata (15) su cui si genera la fiamma provocata dalla combustione di tale miscela così da creare un carico termico entro la camera di combustione (50), caratterizzato dal fatto che il carico termico in quest'ultima è disuniformemente distribuito .
2. Bruciatore di cui alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che si prevede una distribuzione disomogenea della miscela gas-aria verso il corpo del bruciatore (2), tale disomogenea distribuzione della miscela generando una distribuzione disuniforme del carico termico nella camera di combustione.
3. Bruciatore di cui alla rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il distributore (1) presenta la superficie di distribuzione (3) almeno parzialmente forata, la distribuzione della miscela essendo resa non omogenea su detta superficie (3) mediante fori passanti presenti in essa a passo non uniforme e/o mediante differenziazione del diametro dei fori (5) stessi.
4. Bruciatore di cui alla rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il distributore (1) presenta la superficie di distribuzione (3) parzialmente forata e presentante almeno una zona (4,4a) provvista di fori passanti (5) e almeno una zona (6) non forata, detta conformazione consentendo la distribuzione disomogenea della miscela gas-aria.
5. Bruciatore di cui alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la superficie bruciante (15) presenta almeno una zona di generazione di fiamma (21) provvista di fori e/o fessure passanti (20) e da cui si genera la fiamma ed almeno una zona (22) sprovvista di fori e senza generazioni di fiamma.
6. Bruciatore di cui alle rivendicazioni 3, 4 e 5, caratterizzato dal fatto che la zona forata (4, 4a) del distributore (1) solo parzialmente corrisponde alla zona di generazione di fiamma (21) del corpo del bruciatore (2).
7. Bruciatore di cui alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che almeno parte dei fori (5) del distributore (1) e/o almeno parte di fori e/o fessure (20) del corpo del bruciatore (2) presentano sezioni differenti tra loro.
8. Bruciatore di cui alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che almeno una parte dei fori (5) del distributore (1) e/o almeno parte dei fori e/o fessure (20) del corpo del bruciatore (2) hanno distanze differenti tra loro rispetto alle distanze tra altri fori (5, 20) di detto distributore (1) e corpo del bruciatore (2).
9. Bruciatore di cui alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le zone provviste dei fori (4, 4a) del distributore (1) sono distanti da o comunque non presenti in corrispondenza dei bordi liberi contrapposti (2A, 2B) che delimitano la superficie forata bruciante del corpo del bruciatore (2).
10. Bruciatore di cui alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno una di tali caratteristiche: - il distributore (1) ed il corpo del bruciatore (2) hanno forma cilindrica tubolare e sono coassiali tra loro, tra detti componenti essendo presenti una intercapedine (7), - il bruciatore è posto in posizione eccentrica, rispetto ad un asse mediano longitudinale, entro la camera di combustione (50), - la distribuzione disomogenea del carico termico è funzione della dimensione e/o forma della camera di combustione (50). Riferimento archivio del mandatario A28049