ITMO20120329A1 - Controllo e regolazione del comburente - Google Patents

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Maurizio Iacobucci
Mario Lanzarini
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Description

Descrizione
Controllo e regolazione del comburente
L’invenzione riguarda un sistema per monitorare e regolare automaticamente la pressione dell’aria di combustione in ingresso ad ogni singolo bruciatore in una macchina termica, ottimizzandone la combustione, con notevole risparmio energetico, riduzione dei costi e calo delle immissioni in atmosfera.
Nello stato attuale della tecnica, i sistemi di controllo e regolazione di un bruciatore e/o di un gruppo di bruciatori per forno ceramico comprendono un autoregolatore, collegato a una termocoppia che rileva la temperatura all’ interno di una camera del forno in cui avviene la cottura dei prodotti ceramici e una valvola modulante disposta sul condotto del combustibile, generalmente gas metano, comandata dallo stesso autoregolatore. In base alla richiesta di calore, definita dalla differenza tra la temperatura impostata per la camera del forno e la temperatura rilevata dalla termocoppia, autoregolatore modula la quantità di gas da immettere nel bruciatore e/o gruppo di bruciatori regolando l’apertura della valvola modulante del gas. In questo modo viene variata la quantità di gas immessa in ogni bruciatore e/o gruppo di bruciatori che perciò viene comunemente indicato come “zona autoregolata”.
E’ noto che l’efficienza di combustione è strettamente dipendente dal rapporto tra la quantità di combustibile e la quantità di comburente e dalla loro miscelazione. Le quantità ideali di combustibile e di comburente per ottenere una combustione completa devono rispettare il rapporto stechiometrico. Per la combustione ottimale di gas metano con aria, il rapporto stechiometrico gas-aria è di 1:9, ossia per ogni m<3>di gas servono 9 m<3>di aria. Nella maggior parte dei forni ceramici viene fornita una quantità di aria superiore alla minima necessaria definita dal rapporto stechiometrico. Infatti, la quantità di comburente, usualmente aria, inviata a ciascun bruciatore e/o gruppo di bruciatori è mantenuta costante ad un valore che rispetta il rapporto stechiometrico gas-aria nella condizione di massima portata del gas. In condizioni diverse dalla condizione di massima portata del gas, ad esempio in condizione di regime, ossia quando la temperatura della camera del forno raggiunge il valore impostato, o in condizione di minima quantità di gas, la quantità di aria immessa rimane in costante eccesso rispetto a quella stechiometrica. Ciò garantisce una sicura ed intima miscelazione di combustibile e comburente e riduce la produzione di gas incombusto. Una valvola a comando manuale prevista sul condotto dell’aria consente di impostare tale quantità constate dell’aria.
Tuttavia, un eccesso di aria a bassa temperatura non coinvolta nella combustione introdotta nella camera del forno, causa l’abbassamento della temperatura all’interno della camera del forno e elevati volumi di aria da espellere al camino fumi. L’abbassamento della temperatura viene rilevato dalla termocoppia che invia un segnale all’ autoregolatore, il quale comanda la valvola modulante del gas. E’ chiaro che per riportare la temperatura al livello impostato nella curva di cottura, serva gas combustibile in più rispetto a una combustione stechiometrica. Oltre a questo spreco di energia, i sistemi noti consumano una grande quantità di aria, aspirando un eccesso di aria che non prende parte alla combustione e deve essere espulsa in atmosfera attraverso il camino fumi. Il camino fumi e i condotti del comburente devono perciò essere sovradimensionati per tener conto del maggior volume di aria da processare.
Uno scopo dell’invenzione è di migliorare i sistemi di controllo della combustione di tipo noto, in particolare in forni ceramici.
Un altro scopo è di ottenere un sistema di controllo della combustione per forno ceramico che consenta di ridurre il consumo di combustibile rispetto ai sistemi noti.
In un primo aspetto dell’invenzione è previsto dispositivo di controllo del comburente per controllare la quantità di comburente inviata ad un bruciatore e/o gruppo di bruciatori comprendente una valvola disposta per essere montata in un tubo di ingresso del comburente per l’ingresso di detto comburente in un singolo bruciatore, un sensore di pressione del comburente disposto per essere montato in detto tubo di ingresso, una unità di controllo per regolare la posizione di detta valvola, detto dispositivo di controllo del comburente comprendendo inoltre mezzi di collegamento disposti per collegare detta unità di controllo a un sensore di pressione del combustibile disposto per essere montato in un condotto di ingresso del combustibile per l’ingresso di detto combustibile in detto bruciatore e/o gruppo di bruciatori, detta unità di controllo essendo configurata per ricevere segnali da detto sensore di pressione del comburente e da detto sensore di pressione del combustibile, svolgere un confronto tra valori di pressione corrispondenti a detti segnali e rispettivi valori di riferimento preimpostati e regolare la posizione di detta valvola sulla base dell’esito di detto confronto.
In un secondo aspetto dell’invenzione è previsto un metodo di controllo del comburente per controllare la quantità di comburente in un bruciatore e/o gruppo di bruciatori comprendente le fasi di:
misurare una pressione del comburente in un tubo di ingresso di detto comburente per l’ingresso di detto comburente in un singolo bruciatore;
misurare una pressione del combustibile in un condotto di ingresso di detto combustibile per l’ingresso di detto combustibile in detto bruciatore e/o gruppo di bruciatori;
confrontare la pressione del combustibile misurata con un valore di riferimento della pressione del combustibile;
selezionare un valore di riferimento della pressione del comburente sulla base di detto confrontare;
- svolgere un confronto tra detto valore di riferimento della pressione del comburente e la pressione del comburente misurata;
variare la portata di comburente in detto tubo di ingresso sulla base dell’esito di detto confronto.
Grazie al primo e al secondo aspetto dell’invenzione è possibile modulare la quantità di comburente sulla base della effettiva quantità di combustibile che giunge al bruciatore. Modulare l’eccesso d’aria sulla base di valori di riferimento prestabiliti consente di limitare che la temperatura presente nella camera del forno si abbassi eccessivamente. In questo modo la quantità di gas combustibile che viene richiesta per ripristinare la temperatura nella camera del forno è notevolmente ridotta, con conseguente risparmio economico. In aggiunta, il consumo dell’aria viene limitato, ciò comportando un beneficio anche dal punto di vista ecologico.
Inoltre, grazie ai mezzi di collegamento previsti nel dispositivo di controllo del comburente è possibile equipaggiare forni ceramici già esistenti con il dispositivo di controllo del comburente stesso consentendo così di ottenere la funzione di modulazione del comburente anche su forni ceramici progettati senza tale funzione.
L’invenzione potrà essere meglio compresa e attuata con riferimento agli allegati disegni che ne illustrano una forma esemplificativa e non limitativa di attuazione, in cui:
Figura 1 è uno schema di un dispositivo di controllo del comburente,
Figura 2 è una vista prospettica schematica di un forno ceramico in cui è installato il dispositivo di controllo del comburente di Figura 1.
Figura 1 mostra un dispositivo di controllo del comburente 1 per controllare la quantità di comburente in un bruciatore B1 e/o gruppo di bruciatori Bl-B 8.
Come mostra la Figura 2, il dispositivo di controllo del comburente 1 è predisposto per essere installato in un forno 10, ad esempio un forno ceramico per la cottura di prodotti ceramici, quali in particolare piastrelle. Il forno 10 è ad esempio del tipo a tunnel e comprende un trasportatore a rulli 11 sul quale vengono trasportati i prodotti da cuocere. Il trasportatore a rulli 11 attraversa una camera di cottura 12, nella quale il prodotti ceramici subiscono un trattamento termico di cottura sulla base di una predefinita curva di cottura. Il forno 10 può dunque essere suddiviso longitudinalmente in zone, in ciascuna delle quali è prevista una determinata temperatura affinché i prodotti ceramici possano essere sottoposti alla prevista curva di cottura durante il loro avanzamento all’interno della camera di cottura 12.
La temperatura prevista in ciascuna zona è ottenuta mediante una pluralità di gruppi di bruciatori Bl-Bn ciascun gruppo di bruciatori Bl-Bn essendo disposto superiormente e/o inferiormente al trasportatore a rulli 11 e su entrambi i lati longitudinali del forno ceramico 10 in modo che i bruciatori consecutivi disposti su di un livello di un lato del forno 10 risultino sfalsati rispetto ai bruciatori consecutivi disposti al medesimo livello sul lato opposto del forno 10. Generalmente ciascun gruppo di bruciatori comprende quattro oppure otto bruciatori, ad esempio B1-B8 in Figura 1.
Le frecce in Figura 2 mostrano il movimento dei fumi nella camera di cottura 12. 1 fumi si muovono verso un camino U non compiendo un semplice spostamento lungo la direzione dell’asse della camera di cottura 12, ma una sequenza di vortici generati dalla contrapposizione dei bruciatori.
Una termocoppia non raffigurata rileva la temperatura della zona del forno in una parte centrale di un vortice e invia la temperatura rilevata ad un autoregolatore R di tipo noto, previsto in un sistema di controllo del forno ceramico - Figura 1. L’ autoregolatore R comanda l’apertura di una valvola modulante 13 del combustibile prevista su un collettore di ingresso 9 del combustibile che alimenta con il combustibile il gruppo di bruciatori Bl-B8. La valvola del combustibile 13 è azionata da un servomotore 14.
Come mostra la Figura 1, il dispositivo di controllo del comburente 1 è montato tra una linea di alimentazione comburente A, in particolare aria, e una linea di alimentazione combustibile G, in particolare gas, ad esempio gas metano, tali linee di alimentazione essendo previste nel forno 10.
II dispositivo di controllo del comburente 1 comprende una valvola 2, in particolare una valvola a farfalla, disposta per essere montata in un tubo di ingresso 3 del comburente per l’ingresso del comburente in un singolo bruciatore B1 del gruppo di bruciatori B1-B8. Il dispositivo di controllo del comburente 1 comprende inoltre un sensore di pressione del comburente 4, in particolare un trasduttore di pressione, disposto per rilevare la pressione nel tubo di ingresso 3 e una unità di controllo 5 per regolare la posizione della valvola 2. Naturalmente la valvola 2 è provvista di un attuatore 6, ad esempio un attuatore rotativo o un servomotore, azionato automaticamente dall’unità di controllo 5.
Come mostra la Figura 1, il sensore di pressione del comburente 4 è in particolare montato a valle della valvola 2.
Il dispositivo di controllo del comburente 1 comprende inoltre mezzi di collegamento 7 disposti per collegare l’unità di controllo 5 a un sensore di pressione del combustibile 8, in particolare un trasduttore di pressione, generalmente presente nel collettore di ingresso 9 del combustibile per l’ingresso del combustibile nel gruppo di bruciatori Bl-B 8.
Opzionalmente, è possibile visualizzare i valori rilevati dal sensore di pressione del comburente 4 e dal sensore di pressione del combustibile 8 e la posizione della valvola 2 tramite un controllore di fiamma 16 usualmente montato su ciascun bruciatore Bl-B 8 per svolgere il controllo di fiamma del relativo bruciatore. In questo caso, il controllore di fiamma 16 è collegato ai sensori 4, 8 e all’ attuatore 6 oltre che al bruciatore Bl. Il controllore di fiamma 16 è inoltre collegato ad una elettrovalvola 17 montata a valle di una valvola manuale 18 entrambe previste in un tubo di alimentazione 19 che riceve il gas dal collettore di ingresso 9 e alimenta il singolo bruciatore Bl.
L’unità di controllo 5 è configurata per ricevere segnali dal sensore di pressione del comburente 4 e dal sensore di pressione del combustibile 7, svolgere un confronto tra i segnali ricevuti da tali sensori e rispettivi valori di riferimento preimpostati e regolare la posizione della valvola 2 sulla base dell’esito del confronto.
L’attuatore 6, il sensore di pressione del comburente 4 e il sensore di pressione del combustibile 7 sono collegati in modo noto alla unità di controllo 5, ad esempio mediante un collegamento seriale. L’unità di controllo 5 comprende un pannello di controllo 15, ad esempio del tipo touch screen, tramite il quale è possibile visualizzare i valori rilevati dai sensori e la posizione della valvola 2 e impostare i valori di riferimento per la pressione del combustibile e per la pressione del comburente e la corrispondente posizione della valvola 2.
Il pannello di controllo 15 può essere remoto rispetto alla posizione della unità di controllo 5, ad esempio può essere montato in prossimità del quadro elettrico del forno 10.
L’unità di controllo 5 è inoltre collegata in modo noto ad una rete di alimentazione elettrica.
Il dispositivo di controllo del comburente 1 è dunque configurato per svolgere le seguenti operazioni:
misurare la pressione del comburente PA nel tubo di ingresso 3 per l’ingresso del comburente al singolo bruciatore Bl;
misurare la pressione del combustibile PG nel collettore di ingresso 9;
confrontare la pressione del combustibile misurata PG con un valore di riferimento della pressione del combustibile PGmax;
selezionare un valore di riferimento della pressione del comburente PArif sulla base di detto confrontare;
svolgere un confronto tra il valore di riferimento della pressione del comburente PArif e la pressione del comburente misurata PA;
- variare la portata di comburente nel tubo di ingresso 3 sulla base dell’esito di questo ultimo confronto.
La regolazione della portata dell’aria, ossia del comburente nell’esempio descritto, avviene attraverso la regolazione della pressione dell’aria nel tubo di ingresso 3.
I valori di riferimento per la pressione dell’aria possono ad esempio essere da tre a cinque valori impostabili mediante il pannello di controllo 15.
La portata di aria massima da inviare ad ogni bruciatore è stabilita in funzione della portata massima di gas, ossia del combustibile nell’esempio descritto, e di un certo eccesso di aria preimpostato con cui si desidera che il forno 10 lavori. Ad esempio, l’eccesso di aria preimpostato può essere di almeno il 15%. Pertanto, supponendo che sia pari a “100” la portata dell’aria necessaria per la combustione del gas alla portata massima, la portata d’aria massima QAmax da inviare ad ogni bruciatore B 1-B8 risulta pari a “115”.
Poiché il dispositivo di controllo del comburente 1 è programmato per lavorare con l’eccesso d’aria preimpostato anche per valori della pressione del gas che sono inferiori a alla portata massima di gas, utilizzando il dispositivo di controllo del comburente 1 è dunque possibile modulare la portata dell’aria in funzione della portata del gas, riducendo così l’eccesso d’aria al valore preimpostato.
La portata del gas dipende, come è noto, dalla pressione del gas che, nell’esempio illustrato, è misurata nel collettore di ingresso 9.
Supponiamo che si desideri regolare la portata dell’aria sulla base di due valori di riferimento della portata del gas. I valori di riferimento per la pressione del gas saranno rispettivamente una pressione minima PGmin, corrispondente ad un valore minimo di portata e una pressione massima PGmax.
L’unità di controllo 5 è configurata in modo che:
quando la pressione del gas è inferiore al valore minimo PGmin, la portata dell’aria viene portata ad un corrispondente valore minimo QAmin;
quando la pressione del gas è compresa tra PGmin e PGmax, la portata dell’aria viene portata al valore di riferimento QA1 maggiore di QAmin e minore di QAmax;
quando la pressione del gas è uguale, o maggiore, a PGmax, la portata dell’aria viene portata al valore di riferimento massimo QAmax.
A ciascun valore di riferimento della portata d’aria corrisponde un valore di pressione dell’aria. Il sensore di pressione del comburente 4 misura la pressione effettivamente presente nel tubo di ingresso 3 e se tale pressione risulta diversa dal valore di riferimento stabilito, l’unità di controllo provvede a variare la posizione della valvola 2 per aumentare 0 ridurre la qualità di aria, fino a raggiungere il valore di riferimento della portata d’aria che è associato alla pressione del gas misurata.
1 valori di riferimento delle portate d’aria vengono assunte in modo che risulti un eccesso d’aria uguale all’eccesso d’aria preimpostato. In questo modo l’atmosfera aH’interno del forno risulta sempre “ossidante”.
Occorre osservare che il dispositivo di controllo del comburente 1 può essere installato su una macchina termica esistente senza che sia necessario variare la struttura della macchina termica e la relativo logica di gestione dei bruciatori.
In una versione, per ragioni di sicurezza, è previsto che al posto di un unico sensore di pressione 8 sul collettore di ingresso 9 del combustibile siano montati due sensori di pressione in parallelo entrambi collegati alla unità di controllo 5. Ciò per garantire che in caso un sensore di pressione si rompa, l’altro sensore di pressione possa continuare a lavorare.
Durante la prima installazione occorre tarare la valvola 2 su posizioni corrispondenti ai valori di portata dell’aria che si desidera impostare nell’unità di controllo 5.
Nell’esempio sopra riportato con tre valori di riferimento per la portata dell’aria, la valvola 2 verrà tarata su tre posizioni di massimo, medio e minimo, corrispondenti ai valori QAmin, QA1 e QAmax stabiliti in funzione della quantità di gas per queste tre posizioni. In questo modo è possibile ottimizzare il rapporto combustibile-comburente al valore di eccesso d’aria preimpostato. Dopo la taratura della valvola 2, il dispositivo di controllo del comburente 1 funziona autonomamente e regola la quantità di aria, sulla base della lettura della pressione del gas.
Il dispositivo di controllo del comburente in caso di necessità può essere escluso dall’operatore.
In caso di anomalie, la valvola 2 invia un segnale di allarme.
Poiché la valvola 2 comprende una farfalla di diametro inferiore rispetto al diametro interno del tubo di ingresso 3, in caso di emergenza dovuta alla mancanza di tensione, la valvola 2 garantisce comunque un minimo passaggio d’aria.
Infine, la valvola 2 è dotata di sblocco manuale meccanico.
Grazie all’invenzione, è possibile inviare a ciascun bruciatore B1-B8 una quantità di aria che risponde a effettive necessità del bruciatore e quindi rendere il rapporto tra combustibile e comburente più vicino al rapporto stechiometrico. Ciò consente di ridurre notevolmente sprechi di combustibile e limitare il consumo di comburente con conseguente risparmio economico e beneficio ecologico.

Claims (7)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di controllo del comburente per controllare la quantità di comburente inviata ad un bruciatore e/o gruppo di bruciatori (B1-B8) comprendente una valvola (2) disposta per essere montata in un tubo di ingresso (3) del comburente per l’ingresso di detto comburente in un singolo bruciatore (B1-B8), un sensore di pressione del comburente (4) disposto per essere montato in detto tubo di ingresso (3), una unità di controllo (5) per regolare la posizione di detta valvola (2), detto dispositivo di controllo del comburente (1) comprendendo inoltre mezzi di collegamento (7) disposti per collegare detta unità di controllo (5) a un sensore di pressione del combustibile (8) disposto per essere montato in un condotto di ingresso (3) del combustibile per l’ingresso di detto combustibile in detto bruciatore e/o gruppo di bruciatori (B1-B8), detta unità di controllo (5) essendo configurata per ricevere segnali da detto sensore di pressione del comburente (4) e da detto sensore di pressione del combustibile (8), svolgere un confronto tra valori di pressione corrispondenti a detti segnali e rispettivi valori di riferimento preimpostati (Pmin, Pmax; QAmin, QA1, QAmx) e regolare la posizione di detta valvola (2) sulla base dell’esito di detto confronto.
  2. 2. Dispositivo di controllo del comburente (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detta unità di controllo (5) comprende inoltre un pannello di controllo (15) attraverso il quale possono essere impostati detti valori di riferimento preimpostati (Pmin, Pmax; QAmin, QA1, QAmx).
  3. 3. Metodo di controllo del comburente per controllare la quantità di comburente inviata ad un bruciatore e/o gruppo di bruciatori (B1-B8) comprendente le fasi di: misurare una pressione del comburente in un tubo di ingresso (3) di detto comburente per l’ingresso di detto comburente in un singolo bruciatore (Bl-B8); misurare una pressione del combustibile in un condotto di ingresso (9) di detto combustibile per l’ingresso di detto combustibile in detto bruciatore e/o gruppo di bruciatori (B1-B8); confrontare la pressione del combustibile misurata con un valore di riferimento della pressione del combustibile (PGmin, PGmax); selezionare un valore di riferimento della pressione del comburente (QAmin, QA1, QAmax) sulla base di detto confrontare; svolgere un confronto tra detto valore di riferimento della pressione del comburente (QAmin, QA1, QAmax) e la pressione del comburente misurata; variare la portata di comburente in detto tubo di ingresso (3) sulla base dell’ esito di detto confronto.
  4. 4. Metodo di controllo del comburente secondo la rivendicazione 3, in cui se la pressione del comburente misurata è diversa da detto valore di riferimento della pressione del comburente (QAmin, QA1, QAmax), è previsto aumentare o diminuire la portata di detto comburente in detto tubo di ingresso (3) fino a raggiungere detto valore di riferimento della pressione del comburente.
  5. 5. Metodo di controllo del comburente secondo la rivendicazione 4, in cui detto aumentare o diminuire avviene aumentando o riducendo una sezione di detto tubo di ingresso (3) attraverso la quale detto comburente fluisce.
  6. 6. Metodo di controllo del comburente secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui prima di detto selezionare è previsto stabilire un numero di valori di riferimento della pressione del comburente (QAmin, QA1, QAmax).
  7. 7. Metodo di controllo del comburente secondo la rivendicazione 6, in cui dopo detto stabilire è previsto calcolare detti valori di riferimento della pressione del comburente (QAmin, QA1, QAmax) in base ad una quantità massima di detto combustibile e ad un eccesso prestabilito di detto comburente rispetto al rapporto stechiometrico tra detto combustibile e detto comburente.
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