ITMI20131223A1 - Bruciatore radiale - Google Patents

Description

BRUCIATORE RADIALE

La presente invenzione riguarda un bruciatore radiale, in particolare un bruciatore radiale con basse emissioni di NOxed elevata stabilità di fiamma.

La sigla NOxidentifica genericamente tutti gli ossidi di azoto e le loro miscele, considerate sostanze inquinanti dell’atmosfera in quanto, ad esempio, aggravano le condizioni dei malati d’asma e concorrono nella formazione delle cosiddette piogge acide ed al consumo dell'ozono troposferico (buco dell'ozono). Conseguentemente, la riduzione delle emissioni di NOxè sempre stato un obiettivo fondamentale.

La produzione di NOxè legata alla presenza di composti azotati nel combustibile (fuel NOx), alle elevate temperature di fiamma utilizzando aria come comburente (NOxtermici) ed alla presenza di radicali idrocarburici nel combustibile, sempre utilizzando aria come comburente (prompt NOx). La quantità di NOxprodotta come sottoprodotto durante la combustione dipende sostanzialmente dalle condizioni in cui avviene la combustione stessa. Nel caso in cui la combustione avvenga utilizzando aria come comburente, è possibile abbattere le emissioni di NOx, ed in particolare dei cosiddetti NOxtermici, agendo sulla temperatura di combustione.

Con particolare riferimento agli NOxtermici, nel caso di reazione ideale i prodotti di combustione non prevedono la formazione di ossidi di azoto che invece, in condizioni reali, si formano a causa delle elevate temperature raggiunte durante la combustione. Per limitare e controllare le emissioni di NOxè dunque fondamentale evitare che la temperatura raggiunta durante la combustione nel bruciatore sia eccessiva, agendo così negativamente sulla stabilità di fiamma, o che vi siano zone con picchi di temperatura. D’altra parte, è necessario apportare al bruciatore gli accorgimenti necessari volti ad ottenere tali risultati senza però andare ad intaccarne le prestazioni.

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un bruciatore radiale in grado di garantire contemporaneamente elevata stabilità di fiamma e basse emissioni di NOxanche con aria calda. Detto scopo viene conseguito con un bruciatore radiale le cui caratteristiche principali sono specificate nella prima rivendicazione, mentre altre caratteristiche sono specificate nelle restanti rivendicazioni.

Un’idea di soluzione alla base della presente invenzione è quella di utilizzare un bruciatore radiale equipaggiato con un deflettore ed una testa di combustione ad erogazione cosiddetta “dual stage”. L’erogazione “dual stage” prevede di erogare il combustibile sia, in un primo momento, per ottenere la miscelazione con il comburente sia, in un secondo momento, direttamente nella zona in cui è presente la fiamma, così da ottenere condizioni di combustione che permettano di abbassare i livelli di NOxprodotti.

Il deflettore comprende una pluralità di alette montate in modo da essere incidenti rispetto alla direzione assiale di flusso del comburente ed è posizionato a monte degli ugelli di erogazione del combustibile, così da intercettare il comburente prima che avvenga la miscelazione.

Secondo tale soluzione, le alette inclinate imprimono un moto rotatorio al flusso di comburente, che si somma alla rotazione dovuta allo sbocco di tipo radiale, distribuendo il fluido uniformemente sull’intera sezione di passaggio e rendendo così possibile una miscelazione omogenea con il combustibile erogato a valle del deflettore. La miscelazione omogenea, ovvero senza zone con carburazione magra e zone con carburazione grassa, rende possibile che durante la combustione non siano presenti picchi locali di temperatura. È conseguentemente possibile ridurre la temperatura di fiamma e, quindi, contenere ulteriormente le emissioni di NOx.

Inoltre, le suddette condizioni permettono di generare una fiamma caratterizzata dall’avere un’elevata stabilità legata al fatto che la fiamma resta ancorata in corrispondenza delle estremità delle alette, riducendo così i pericoli legati al ritorno di fiamma ed allo spegnimento.

Preferibilmente, le alette del deflettore sono disposte uniformemente lungo la circonferenza della testa di combustione e sono inclinate secondo un medesimo angolo. Primi ugelli per l’erogazione del combustibile sono disposti uniformemente lungo la circonferenza della testa di combustione e sono inclinati secondo un medesimo angolo. Con questi accorgimenti è possibile migliorare ulteriormente l’uniformità di flusso e l’omogeneità di carburazione desiderati.

Detta uniformità di flusso, nonché l’omogeneità di carburazione ottenuta anche grazie al suo flusso turbolento, consentono di ottenere un’elevata stabilità di fiamma, come pure una grande adattabilità del sistema alle diverse tipologie di combustibili fluidi senza che siano necessarie regolazioni o tarature particolari.

Infine, il combustibile, alimentato nel condotto interno a temperatura ambiente, funziona anche come fluido refrigerante per le parti meccaniche adiacenti alla zona di combustione, proteggendole così dalle alte temperature di esercizio e garantendo conseguentemente una elevata affidabilità del sistema.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche del bruciatore radiale secondo la presente invenzione risulteranno evidenti agli esperti del ramo dalla seguente descrizione dettagliata e non limitativa di una sua forma realizzativa con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la figura 1 mostra una sezione longitudinale del bruciatore secondo la presente invenzione;

- la figura 2 mostra una vista prospettica della testa di combustione del bruciatore della figura 1;

- la figura 3 mostra una vista laterale della testa di combustione della figura 2;

- la figura 4 è la sezione IV-IV della figura 3;

- la figura 5 è la sezione V-V della figura 3;

Facendo riferimento alla figura 1, si vede che il bruciatore radiale secondo la presente invenzione comprende un condotto interno 10, atto all’alimentazione del combustibile, che è inserito in un condotto esterno 20, così da formare una camera atta all’alimentazione del comburente. Nella particolare forma realizzativa mostrata, i condotti 10, 20 sono di forma sostanzialmente cilindrica e sono inseriti uno dentro l’altro in maniera sostanzialmente coassiale. Questa particolare forma realizzativa permette di avere le minori perdite di carico e quindi di migliorare l’efficienza globale.

Una testa di combustione 30 è montata in maniera sostanzialmente coassiale ad un’estremità del condotto interno 10, comprende una prima pluralità di ugelli 32 ed è chiusa da un corpo cavo 31 avente un’estensione radiale maggiore rispetto al condotto interno 10. Il corpo cavo 31 comprende una seconda pluralità di ugelli 33 disposta radialmente. Nella forma realizzativa mostrata, il corpo cavo 31 ha una forma sostanzialmente cilindrica e la seconda pluralità di ugelli 33 è posizionata in corrispondenza della sua parete laterale. La parete laterale del corpo cavo 31 e la sezione dei condotti 10, 20 possono avere altre forme, benché quella assialmente simmetrica sia preferita per i suddetti motivi fluidodinamici.

Secondo tale configurazione, è possibile ottenere la cosiddetta erogazione “dual stage” del carburante, ovvero una parte del combustibile viene erogata attraverso la prima pluralità di ugelli 32, per essere miscelata col comburente, mentre la restante parte del combustibile viene erogata attraverso la seconda pluralità di ugelli 33 direttamente nella zona di combustione 35 al fine di ridurre l’emissione di NOx.

Un deflettore 40 è posizionato a monte della prima pluralità di ugelli 32 rispetto alla direzione assiale di flusso del comburente F1. Il deflettore 40 comprende una pluralità di alette che si estendono radialmente e che sono disposte intorno alla testa di combustione 30. Ogni aletta è incidente rispetto al piano perpendicolare alla direzione assiale di flusso del comburente F1.

Il flusso di comburente F1 passa attraverso il condotto esterno 20 fino ad attraversare il deflettore 40 e raggiungere lo sbocco radiale 34 compreso tra il corpo cavo 31 ed il deflettore 40.

Il flusso di combustibile F2 passa attraverso il condotto interno 10 e viene erogato sia tramite la prima pluralità di ugelli 32, per ottenere la miscelazione con il comburente, sia tramite la seconda pluralità di ugelli 33, direttamente nella zona di combustione 35.

Le alette incidenti del deflettore 40 conferiscono un moto rotatorio al comburente e lo distribuiscono uniformemente, ovvero con densità e velocità omogenea, attraverso lo sbocco radiale 34. Conseguentemente, il combustibile erogato dalla prima pluralità di ugelli 32 si miscela in modo omogeneo al comburente, cioè senza creare zone in cui la miscela è particolarmente povera di combustibile e zone in cui è particolarmente ricca di combustibile. Più precisamente, la miscela di comburente e combustibile ha una rotazione nel piano perpendicolare alla direzione assiale di flusso del comburente F1, conferitagli dalle alette del deflettore 40, ed una rotazione dovuta allo sbocco radiale 34. Grazie alla miscelazione omogenea così ottenuta, è possibile evitare picchi locali di temperatura e, quindi, è possibile ottenere una ridotta formazione di NOx.

Inoltre, le suddette condizioni permettono di generare una fiamma caratterizzata dall’avere un’elevata stabilità legata al fatto che la fiamma resta ancorata in corrispondenza delle estremità delle alette, riducendo così i pericoli legati al ritorno di fiamma, anche detto “flashback”, ed allo spegnimento legato ad una eccessiva velocità di alimentazione, anche detto “blowoff”.

Secondo una forma realizzativa preferita, ciascuna aletta del deflettore 40 si estende radialmente fino a raggiungere od anche superare il profilo esterno del condotto esterno 20. Tale configurazione permette di far passare la totalità del flusso di comburente F1 attraverso il deflettore 40, così da poter deviare efficacemente questo flusso ed ottenere la carburazione omogenea desiderata.

Secondo un’altra forma realizzativa, l’estensione radiale del corpo cavo 31 della testa di combustione 30 è uguale o maggiore dell’estensione radiale del condotto esterno 20, così da realizzare la seconda erogazione del combustibile in una zona di combustione 35 disposta intorno alla testa di combustione 30 al fine di ridurre ulteriormente l’emissione di NOx.

Inoltre, gli ugelli della prima pluralità di ugelli 32 sono preferibilmente equispaziati lungo la circonferenza della testa di combustione 30 e/o sono preferibilmente inclinati secondo un angolo compreso tra 50° e 70° rispetto alla direzione assiale di flusso del comburente F1. Entrambi gli accorgimenti appena descritti sono volti a migliorare ulteriormente l’omogeneità di carburazione sia se utilizzati singolarmente che in combinazione.

Al fine di migliorare la seconda erogazione di combustibile, gli ugelli della seconda pluralità di ugelli 33 sono inclinati secondo un angolo compreso tra 90° e 120° rispetto alla direzione assiale di flusso del comburente F1.

Secondo un’ulteriore forma realizzativa, la sezione del condotto esterno 20 può aumentare lungo la direzione assiale di flusso del comburente F1, in modo tale da ottenere una camera anulare di alimentazione del comburente configurata come un diffusore Venturi.

Il passaggio del combustibile nel condotto interno 10 e nella testa di combustione 30 permette di ottenere un raffreddamento delle parti meccaniche adiacenti alla zona di combustione 35, conseguendo così una protezione dalle alte temperature di esercizio, che garantisce una elevata durevolezza del sistema.

Facendo riferimento alla forma realizzativa delle figure 2 e 3, si vede che le alette del deflettore 40 sono disposte uniformemente lungo la circonferenza della testa di combustione 30 e sono incidenti rispetto al piano perpendicolare alla direzione assiale di flusso del comburente F1. In tale modo è possibile migliorare ulteriormente l’uniformità di flusso del comburente F1 attraverso lo sbocco radiale 34.

Preferibilmente, le alette del deflettore 40 sono incidenti secondo un angolo compreso tra 20° e 60° rispetto al piano perpendicolare alla direzione assiale di flusso del comburente F1 e/o sono inclinate rispetto alla direzione assiale di flusso del comburente con un angolo compreso tra 50° e 70°, così da garantire un adeguato moto rotatorio al comburente senza comportare, allo stesso tempo, perdite di carico eccessive.

Facendo riferimento alla forma realizzativa della figura 4, si vede che il deflettore 40 comprende una pluralità, in particolare dodici alette, in modo da imprimere il moto rotatorio al comburente senza però ridurre eccessivamente la sezione di passaggio e riuscendo quindi a causare basse perdite di carico.

Facendo riferimento alla forma realizzativa della figura 5, si vede che gli ugelli della seconda pluralità di ugelli 33 sono equispaziati lungo la circonferenza del corpo cavo 31, in modo tale che la seconda erogazione di combustibile avvenga in modo uniforme.

Eventuali varianti e/o aggiunte possono essere apportate dagli esperti del ramo alla forma realizzativa dell'invenzione qui descritta ed illustrata restando nell’ambito delle seguenti rivendicazioni. In particolare, ulteriori forme realizzative dell’invenzione possono comprendere le caratteristiche tecniche di una delle seguenti rivendicazioni con l’aggiunta di una o più caratteristiche tecniche, prese singolarmente od in qualsiasi combinazione reciproca, descritte nel testo e/o illustrate nei disegni.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Bruciatore radiale comprendente un condotto esterno (20) atto all’alimentazione del comburente, in cui è inserito un condotto interno (10) atto all’alimentazione del combustibile, una testa di combustione (30) essendo montata su un’estremità del condotto interno (10), caratterizzato dal fatto che detta testa di combustione (30) comprende una prima pluralità di ugelli (32) disposti radialmente ed è chiusa da un corpo cavo (31) che comprende una seconda pluralità di ugelli (33) disposti radialmente, in cui un deflettore (40) è posizionato a monte di detta prima pluralità di ugelli (32) rispetto ad una direzione assiale di flusso del comburente (F1), detto deflettore (40) comprendendo una pluralità di alette che si estendono radialmente e sono incidenti rispetto ad un piano perpendicolare a detta direzione assiale di flusso del comburente (F1).
2. 2. Bruciatore radiale secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l’estensione radiale di detto corpo cavo (31) è uguale o maggiore dell’estensione radiale del condotto esterno (20).
3. 3. Bruciatore radiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto corpo cavo (31) ha una forma sostanzialmente cilindrica e detta seconda pluralità di ugelli (33) è disposta lungo la parete laterale di detto corpo cavo (31)
4. 4. Bruciatore radiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che gli ugelli di detta seconda pluralità di ugelli (33) sono inclinati secondo un angolo compreso tra 90° e 120° rispetto a detta direzione assiale di flusso del comburente (F1).
5. 5. Bruciatore radiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta prima pluralità di ugelli (32) è disposta intorno a detta testa di combustione (30).
6. 6. Bruciatore radiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che gli ugelli di detta prima pluralità di ugelli (32) sono inclinati secondo un angolo compreso tra 50° e 70° rispetto a detta direzione assiale di flusso del comburente (F1).
7. 7. Bruciatore radiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le alette di detto deflettore (40) sono disposte intorno a detta testa di combustione (30).
8. 8. Bruciatore radiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le alette di detto deflettore (40) si estendono radialmente fino a raggiungere o superare il profilo esterno del condotto esterno (20).
9. 9. Bruciatore radiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le alette di detto deflettore (40) sono incidenti secondo un angolo compreso tra 20° e 60° rispetto a detto piano perpendicolare a detta direzione assiale di flusso del comburente (F1).
10. 10. Bruciatore radiale secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le alette di detto deflettore (40) sono inclinate rispetto alla direzione assiale di flusso del comburente (F1) con un angolo compreso tra 50° e 70°.