ITMI20131480A1 - Bruciatore ad isolamento attivo, in particolare per un motore a combustione esterna - Google Patents

Bruciatore ad isolamento attivo, in particolare per un motore a combustione esterna

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ITMI20131480A1
ITMI20131480A1 IT001480A ITMI20131480A ITMI20131480A1 IT MI20131480 A1 ITMI20131480 A1 IT MI20131480A1 IT 001480 A IT001480 A IT 001480A IT MI20131480 A ITMI20131480 A IT MI20131480A IT MI20131480 A1 ITMI20131480 A1 IT MI20131480A1
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gas
diffuser
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Antonio Acocella
Giulio Cenci
Gabriele Gangale
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    • Y02E20/30—Technologies for a more efficient combustion or heat usage

Description

"Bruciatore ad isolamento attivo, in particolare per un motore a combustione esterna"
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un bruciatore a gas per un motore a combustione esterna, in particolare per un motore Stirling o per un motore a ciclo Rankine.
Com’è noto i motori Stirling implementano il cosiddetto ciclo Stirling per convertire energia termica (in particolare un gradiente termico) in lavoro (in particolare un movimento cinematico ciclico) o viceversa mediante un ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico, solitamente aria o azoto, oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento. Quando è raggiunta un'opportuna differenza di temperatura tra un punto caldo ed un punto freddo del ciclo Stirling, si innesca una pulsazione ciclica, normalmente trasformata in moto alternato di pistoni. La pulsazione perdura fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura, somministrando calore al punto caldo e sottraendone al freddo.
Un’alternativa ai motori Stirling sono i motori Rankine che implementano il cosiddetto ciclo di Rankine per convertire energia termica in lavoro (in particolare un movimento cinematico ciclico) mediante un ciclo termodinamico endoreversibile composto da due trasformazioni adiabatiche e due trasformazioni isobare.
I bruciatori utilizzati come fonte di calore per i motori a combustione esterna devono fornire la quantità di calore richiesta dal ciclo termodinamico, avere una dimensione e forma tale da favorire uno scambio termico efficiente e rapido tra i gas di combustione ed il fluido termodinamico, adattarsi alle condizioni di spazio del motore, impedire un surriscaldamento indesiderato di componenti del motore stesso, resistere alle temperature elevate e a possibili “accumuli di calore”, resistere alle sollecitazioni meccaniche dovute a dilatazioni termiche ed alle sollecitazioni meccaniche, ad es. vibrazioni, dovute al movimento ciclico dei pistoni del motore a combustione esterna.
I bruciatori della tecnica nota, pur risultando soddisfacenti con riferimento ad alcune esigenze specifiche, non sono in grado di conciliare in modo ottimale l’insieme di tutte le esigenze sopra elencate, in particolare con riferimento alle sollecitazioni termiche e/o meccaniche e ad uno scambio termico rapido ed efficiente.
Lo scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un bruciatore a gas per un motore a combustione esterna avente caratteristiche tali da conciliare meglio le esigenze sopra elencate.
Uno scopo particolare dell’invenzione è quello di fornire un bruciatore a gas avente caratteristiche tali da migliorare la rapidità ed efficienza di scambio termico e da proteggere i componenti del bruciatore e del motore a combustione esterna da danneggiamenti dovuti a surriscaldamento e dilatazioni termiche eccessive.
Questi ed altri scopi vengono raggiunti tramite un bruciatore secondo la rivendicazione 1. Le rivendicazioni dipendenti riguardano forme di realizzazione vantaggiose. In accordo con un aspetto dell’invenzione, il bruciatore comprende:
- una parete anteriore definente un lato anteriore del bruciatore e formante un’apertura di passaggio scambiatore, - una parete posteriore definente un lato posteriore del bruciatore e formate un passaggio di scarico fumi,
- una parete laterale tubolare estesa tra la parete anteriore e la parete posteriore,
- una parete diffusore tubolare disposta all’interno della parete laterale ed estesa tra la parete anteriore e la parete posteriore, detta parete diffusore avente una perforazione per il passaggio di una miscela di gas da un lato esterno della parete diffusore ad un lato interno della parete diffusore dove avviene la combustione,
- una camera di distribuzione anulare formata tra la parete laterale e la parete diffusore per la distribuzione della miscela di gas sul lato esterno della parete diffusore, - una camera di combustione formata all’interno della parete diffusore, detta camera di combustione essendo delimitata sul lato posteriore dalla parete posteriore ed adatta per l’inserimento di uno scambiatore di calore dal lato anteriore attraverso l’apertura di passaggio scambiatore della parete anteriore,
- un interstizio di raffreddamento formato nella parete posteriore ed in comunicazione di flusso con un’apertura di ingresso gas e con la camera di distribuzione in modo tale che la miscela di gas raffreddi la parete posteriore.
In accordo con un aspetto dell’invenzione, la parete posteriore comprende:
- uno strato esterno (lamiera metallica esterna) avente un bordo periferico esterno collegato con un bordo posteriore della parete laterale, e
- uno strato interno (lamiera metallica interna) disposto tra lo strato esterno e la camera di combustione ed avente un bordo periferico esterno collegato con un bordo posteriore della parete diffusore,
in cui l’interstizio di raffreddamento è formato tra gli strati esterno ed interno e forma insieme alla camera di distribuzione anulare una cavità di distribuzione a forma di tazza.
Grazie alla configurazione delle camere di distribuzione e di combustione ed alla presenza dell’interstizio di raffreddamento nella parete posteriore, la combustione può avvenire tutt’intorno allo scambiatore. Inoltre, si evitano indesiderate dispersioni termiche e surriscaldamenti alla parete di fondo ed alla parete diffusore grazie al fatto che il flusso di miscela di gas assorbe il calore in queste regioni e lo riporta nella camera di combustione.
Ciò assicura uno scambio termico rapido ed efficiente con dispersioni termiche ridotte e protegge la parete posteriore e componenti vicini dal surriscaldamento.
Per meglio comprendere l'invenzione ed apprezzarne i vantaggi, verranno di seguito descritte alcune forme di realizzazione esemplificative non limitative, facendo riferimento alle figure, in cui:
- la figura 1 è una vista laterale di un bruciatore secondo una forma di realizzazione,
- la figura 2 è una vista dall’alto del bruciatore in figura 1,
- la figura 3 è una vista in sezione longitudinale del bruciatore di figura 1,
- la figura 4 è una vista esplosa in prospettiva del bruciatore in figura 1;
- le figure 5, 6 e 7 illustrano alcuni dettagli ingranditi del bruciatore secondo forme di realizzazione.
Con riferimento alle figure, un bruciatore a gas utilizzabile per motori a combustione esterna, in particolare per motori Stirling, che produce calore mediante la combustione di un gas combustibile in generale o di una miscela di gas combustibile ed aria in particolare, è complessivamente indicato con il riferimento 1.
Il bruciatore 1 comprende una parete anteriore 2 che definisce un lato anteriore 3 del bruciatore 1 e che forma un’apertura di passaggio scambiatore 4, una parete posteriore 5 che definisce un lato posteriore 6 del bruciatore 1 e che forma un’apertura 7 per lo scarico dei fumi di combustione, nonché una parete laterale 8 tubolare estesa tra la parete anteriore 2 e la parete posteriore 5. Il bruciatore 1 comprende inoltre una parete diffusore 9 tubolare disposta all’interno della parete laterale 8 ed estesa tra la parete anteriore 2 e la parete posteriore 5. La parete diffusore 9 presenta una perforazione per il passaggio di una miscela di gas da un lato esterno 10 della parete diffusore 9 ad un lato interno 11 della parete diffusore 9 dove avviene la combustione.
Tra la parete laterale 8 e la parete diffusore 9 è formata una camera di distribuzione anulare 12 per la distribuzione della miscela di gas sul lato esterno 10 della parete diffusore 9. All’interno della parete diffusore 9 è formata una camera di combustione 13 la quale è delimitata sul lato posteriore dalla parete posteriore 5 ed adatta per l’inserimento di un primo scambiatore di calore 14 dal lato anteriore 3 attraverso l’apertura di passaggio scambiatore 4 della parete anteriore 2.
In accordo con un aspetto dell’invenzione, nella parete posteriore 5 è formato un interstizio di raffreddamento 16 in comunicazione di flusso con un’apertura di ingresso gas 23 e con la camera di distribuzione 12 in modo tale che il flusso della miscela di gas possa raffreddare la parete diffusore 9 ed anche la parete posteriore 5.
In una forma di realizzazione illustrata nelle figure, la parete posteriore 5 comprende uno strato esterno 15 (lamiera metallica esterna) avente un bordo periferico esterno 17 collegato con un bordo posteriore 18 della parete laterale 8, e uno strato interno 20 (lamiera metallica interna) distanziato dallo strato esterno 15 e disposto tra lo strato esterno 15 e la camera di combustione 13 ed avente un bordo periferico esterno 19 collegato con un bordo posteriore 21 della parete diffusore 9. L’interstizio di raffreddamento 16 è formato tra gli strati esterno 15 ed interno 20 e forma insieme alla camera di distribuzione anulare 12 una cavità di distribuzione a forma di tazza.
Grazie alla configurazione delle camere di distribuzione 12 e di combustione 13 ed alla presenza dell’interstizio di raffreddamento 16 nella parete posteriore 5, la combustione può avvenire tutt’intorno allo scambiatore di calore 14.
Inoltre, si evitano indesiderate dispersioni termiche e surriscaldamenti alla parete di fondo ed alla parete diffusore grazie al fatto che il flusso di miscela di gas assorbe il calore in queste regioni e lo riporta nella camera di combustione.
Ciò assicura uno scambio termico rapido ed efficiente con dispersioni termiche ridotte e protegge la parete posteriore e componenti vicini dal surriscaldamento.
In accordo con una forma di realizzazione, l’interstizio di raffreddamento 16 presenta la forma di un disco anulare la cui periferia esterna e in comunicazione discreta o, preferibilmente, in comunicazione continua ed ininterrotta lungo l’intero perimetro, con una zona posteriore della camera di distribuzione anulare 12.
Vantaggiosamente, l’apertura di ingresso gas 23 sbocca nell’interstizio di raffreddamento 16 esternamente alla camera di distribuzione anulare 12, in modo tale che il flusso di gas entri prima nell’interstizio di raffreddamento 16 e successivamente nella camera anulare di distribuzione 12. In accordo con una forma di realizzazione, l’apertura di ingresso gas 23 è formata nella parete laterale 8 in una zona tra lo strato esterno 15 e lo strato interno 20 della parete posteriore 5.
In accordo con una forma di realizzazione, lo strato esterno 15 e, preferibilmente, anche lo strato interno 20 sono formati in lamiera metallica, in particolare in acciaio, e presentano la forma di un disco circolare sostanzialmente piano o, alternativamente, bombato, i cui bordi periferici esterni 17, 19 possono essere piegati in direzione del lato posteriore 6 (o del lato anteriore 3) al fine di definire una sede per l’inserimento dei bordi posteriori 18, 21 delle pareti laterale 8 e di diffusione 9 con certezza di posizionamento reciproco.
In corrispondenza di aperture centrali 22, 24 dello strato esterno 15 e dello strato interno 20 è posizionato, ad esempio inserito ed eventualmente saldato, un tubo di scarico 25 che forma un canale di scarico fumi esteso attraverso l’apertura di scarico fumi 7 della parete posteriore 5. La fessura di raffreddamento 16 si estende in forma anulare intorno al tubo di scarico 25.
La parete laterale 8 e la parete diffusore 9 sono preferibilmente cilindriche e possibilmente coassiali. La parete laterale 9 è vantaggiosamente in acciaio e forma l’apertura di ingresso miscela 23 collegabile ad un condotto per l’alimentazione della miscela di gas combustibile (non illustrato nelle figure).
Come noto e pertanto non illustrato nelle figure, le zone perforate non presentano necessariamente un pattern di fori o, in altre parole una loro distribuzione e forma, perfettamente uniforme. I fori individuali possono avere forme differenti e comprendere ad esempio fori circolari, fessure o asole longitudinali, fessure o asole circonferenziali, e la loro distanza può variare. In particolare, i singoli fori possono essere raggruppati in blocchi di perforazione tra loro distanziati mediante sottili strisce di parete.
In accordo con una forma di realizzazione la parete diffusore 9 comprende una lamiera in acciaio in cui, nella/e zona/e impermeabile/i 26, 27, la lamiera mono-strato è priva di fori passanti. In aggiunta o in alternativa, la lamiera perforata in acciaio della parete diffusore 9 è internamente rivestita mediante uno strato di maglia o tessuto 28 in materiale metallico, ad es in lega FeCr, o ceramico o sinterizzato che realizza la superficie interna 11 della parete diffusore 9 sulla quale avviene la combustione e svolge inoltre una funzione isolante che aumenta ulteriormente la resistenza termica del bruciatore 1.
In accordo con una forma di realizzazione, la parete laterale 8 e la parete diffusore 9 possono essere collegate alle pareti anteriore 2 e posteriore 5 mediante pressfit e/o saldatura.
La parete anteriore 2 è preferibilmente in acciaio e può avere la forma un disco anulare, preferibilmente circolare con un bordo esterno che può essere utilizzato per il collegamento del bruciatore 1 al motore Stirling, una porzione intermedia alla quale possono essere collegate la parete laterale 8 e la parete diffusore 9 ed un bordo interno che delimita la suddetta apertura 4 per il passaggio del primo scambiatore di calore 14.
In accordo con un’ulteriore forma di realizzazione, una superficie dello strato interno 20 rivolta verso la camera di combustione 13 e, possibilmente, anche una superficie interna del passaggio di scarico fumi 7 (vale a dire del tubo di scarico 25) possono essere rivestite mediante una maglia o un tessuto termoresistente identico o simile alla maglia o tessuto 28, al fine di fornire un’ulteriore protezione meccanica e barriera termica.
Infatti, il primo scambiatore di calore 14 è collocato preferibilmente in immediata vicinanza o a contatto diretto con lo strato interno 20 al fine di evitare qualsiasi “fuga” di calore sfruttabile verso lo scarico fumi 7. Tuttavia ciò può comportare un rischio di danneggiamento meccanico per via delle vibrazioni dello scambiatore di calore 14 il quale è soggetto a pulsazioni del fluido termodinamico e alle vibrazioni meccaniche del motore Stirling.
In accordo con un’ulteriore forma di realizzazione, anche la lamiera metallica dello strato esterno 15 è rivestito mediante una maglia o un tessuto termoresistente identico o simile alla maglia o tessuto 28, al fine di fornire un’ulteriore protezione termica.
L’invenzione non è limitata al bruciatore 1 fin qui descritto, ma si riferisce anche ad un gruppo per il riscaldamento di un fluido termodinamico, comprendente il bruciatore 1 ed il primo scambiatore di calore 14 avente uno o più condotti di fluido estesi attraverso l’apertura di passaggio 4 nella camera di combustione 13 e, possibilmente, un secondo scambiatore di calore 30 disposto sul lato posteriore 6 del bruciatore 1 ed avente uno o più condotti di fluido in relazione di scambio termico con un condotto di scarico fumi 29 collegato all’apertura di scarico fumi 7 della parete posteriore 5.
L’invenzione riguarda inoltre l’uso del bruciatore 1 e del gruppo per il riscaldamento di un fluido termodinamico come fonte di calore per un motore a combustione esterna, in particolare per un motore Stirling.
Ovviamente, al bruciatore a gas secondo la presente invenzione, un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro contenute nell’ambito di protezione dell’invenzione, quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (9)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Bruciatore a gas (1), comprendente: - una parete anteriore (2) definente un lato anteriore (3) del bruciatore (1) e formante un'apertura scambiatore (4) per il passaggio di un primo scambiatore di calore (14), una parete posteriore (5) definente un lato posteriore (6) del bruciatore (1) e formate un'apertura di scarico (7) per lo scarico di fumi di combustione, - una parete laterale (8) tubolare estesa tra la parete anteriore (2) e la parete posteriore (5), - una parete diffusore (9) tubolare disposta all'interno della parete laterale (8) ed estesa tra la parete anteriore (2) e la parete posteriore (5), detta parete diffusore (9) avente una perforazione per il passaggio di una miscela di gas da un lato esterno (10) della parete diffusore (9) ad un lato interno (11) della parete diffusore (9) dove avviene la combustione, - una camera di distribuzione (12) anulare formata tra la parete laterale (8) e la parete diffusore (9) per la distribuzione della miscela di gas sul lato esterno (10) della parete diffusore (9), - una camera di combustione (13) formata all'interno della parete diffusore (9) tubolare, detta camera di combustione (13) essendo delimitata sul lato posteriore (6) dalla parete posteriore (5) ed adatta per l'inserimento del primo scambiatore di calore (14) dal lato anteriore (3) attraverso l'apertura scambiatore (4) della parete anteriore (2), - un interstizio di raffreddamento (16) formato nella parete posteriore (5) ed in comunicazione di flusso con un'apertura di ingresso gas (23) e con la camera di distribuzione (12) in modo tale che un flusso della miscela di gas possa raffreddare la parete posteriore (5), in cui la parete diffusore (9) è internamente rivestita mediante uno strato di maglia o tessuto (28) formante una superficie interna di combustione della parete diffusore, in cui una superficie della parete posteriore (5) rivolta verso la camera di combustione (13) e che delimita l'apertura di scarico (7) è rivestita almeno parzialmente mediante una maglia o un tessuto termoresistente.
  2. 2. Bruciatore a gas (1) secondo la rivendicazione 1, in cui la parete posteriore (5) comprende uno strato esterno (15) avente un bordo periferico (17) collegato con un bordo posteriore (18) della parete laterale (8), e uno strato interno (20) disposto tra lo strato esterno (15) e la camera di combustione (13) ed avente un bordo periferico (19) collegato con un bordo posteriore (21) della parete diffusore (9), in cui l'interstizio di raffreddamento (16) è formato tra gli strati esterno (15) ed interno (20) e forma insieme alla camera di distribuzione anulare (12) una cavità di distribuzione a forma di tazza.
  3. 3. Bruciatore a gas (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l'apertura di ingresso gas (23) sbocca nell'interstizio di raffreddamento (16) esternamente alla camera di distribuzione anulare (12), in modo tale che il flusso di gas entri prima nell'interstizio di raffreddamento (16) e successivamente nella camera anulare di distribuzione (12).
  4. 4. Bruciatore a gas (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l'apertura di ingresso gas (23) è formata nella parete laterale (8) in una zona tra lo strato esterno (15) e lo strato interno (20) della parete posteriore (5).
  5. 5. Bruciatore a gas (1) secondo una delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui lo strato esterno (15) e lo strato interno (20) sono formati in lamiera metallica a forma di disco circolare con il bordo periferico (17, 19) piegato in direzione del lato posteriore 6 in modo tale da definire una sede per un inserimento reciproco con i rispettivi bordi posteriori (18, 21) delle pareti laterale (8) e di diffusione (9).
  6. 6. Bruciatore a gas (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui la parete laterale (8) e la parete diffusore (9) sono cilindriche e coassiali.
  7. 7. Gruppo per il riscaldamento di un fluido termodinamico in un motore a combustione esterna, detto gruppo di riscaldamento comprendente il bruciatore (1) secondo una delle rivendicazioni precèdenti, nonché detto primo scambiatore di calore {14) avente uno o più condotti di fluido estesi attraverso 1'apertura scambiatore (4) nella camera di combustione (13).
  8. 8. Gruppo di riscaldamento secondo la rivendicazione 7, comprendente un secondo scambiatore di calore (30) disposto sul lato posteriore (6) del bruciatore (1) ed avente uno o più condotti di fluido in relazione di scambio termico con un condotto di scarico fumi (29) collegato all'apertura di scarico fumi (7) della parete posteriore (5) del bruciatore (1).
  9. 9, Uso del gruppo di riscaldamento secondo la rivendicazione 7 o 8 come fonte di calore per un motore a combustione esterna, in particolare per un motore Stirling.
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