ITMO20130353A1 - Impianto e metodo per il recupero di calore da forni di cottura - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“Impianto e metodo per il recupero di calore da forni di cottura”

La presente invenzione ha per oggetto un impianto ed un metodo per il recupero di calore da forni di cottura per l’industria ceramica.

Sono noti forni di cottura per piastrelle, laterizi, porcellane ed altri articoli ceramici, che presentano una o più sezioni di cottura, a valle delle quali sono disposte una o più sezioni di raffreddamento.

In dettaglio, come noto, un forno di cottura può includere le seguenti sezioni di raffreddamento, in successione: zona di raffreddamento rapido, zona di raffreddamento lento, zona neutra e zona di raffreddamento rapido finale.

Nelle zone di raffreddamento citate, la temperatura degli articoli ceramici viene abbassata tramite l’immissione, all’interno del forno, di aria proveniente dall’esterno o dall’interno degli stabilimenti che ospita il forno (tipicamente un capannone).

In dettaglio, è noto l’impiego di scambiatori aria/aria che si estendono entro le zone di raffreddamento, disposti sotto le volte superiori delle diverse sezioni di raffreddamento del forno.

L’aria che esce da questi scambiatori, che è dotata di una temperatura che approssimativamente varia tra i tra i 170° ed i 200 °C circa, a seconda della sezioni da cui è prelevata, viene poi sfruttata per il riscaldamento di edifici oppure per l’alimentazione di essiccatoi.

Sebbene il sistema noto sopra illustrato sia in grado in parte di recuperare e reimpiegare il calore prodotto nei forni di cottura, esso è largamente inefficiente.

Infatti, il sistema noto è in grado di recuperare solo una minima quotaparte del calore trasmesso o irraggiato nelle zone di raffreddamento del forno, ma la gran parte di questo calore è disperso e, pertanto, inutilizzato.

Per ragioni di natura economica, di efficienza energetica ed ambientale, è da tempo sentita l’esigenza di escogitare un modo di recuperare con maggiore efficienza il calore dissipato nelle sezioni di raffreddamento degli articoli ceramici.

Il compito tecnico alla base della presente invenzione è quindi proporre un impianto per il recupero del calore da un forno di cottura che soddisfi l’esigenza citata e superi gli inconvenienti della tecnica nota.

Tale compito tecnico è raggiunto da un impianto per il recupero di calore realizzato secondo la rivendicazione 1 e dal metodo per il recupero di calore attuato secondo la rivendicazione 15.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di forme di realizzazione preferite ma non esclusive dell’impianto dell’invenzione, come illustrato negli uniti disegni in cui:

- la figura 1 è una rappresentazione schematica in pianta di un forno di cottura a rulli, in cui è implementato un impianto secondo l’invenzione, suddivisa in tre parti per ragioni di chiarezza rappresentativa;

- la figura 2 è una rappresentazione schematica in pianta di un modulo del forno della figura 1; e

- le figure 3 e 4 sono viste schematiche, in sezione trasversale, del forno delle figure precedenti, a cui sono applicate due forme di realizzazione distinte dell’impianto proposto.

Con riferimento alle figure citate, con 1 si è indicato genericamente l’impianto dell’invenzione.

L’impianto 1 proposto è stato escogitato per il recupero del calore da un forno 2 di cottura per la produzione di articoli ceramici, quali piastrelle, laterizi, ceramiche, ecc..

Nel prosieguo, per ragioni di semplicità espositiva si farà riferimento, senza predita di generalità, al caso preferito ma non limitativo di applicazione del trovato a forni 2 per la cottura di articoli ceramici.

Il forno 2 ha notoriamente uno sviluppo longiforme, ad esempio definito da una pluralità di moduli allineati in successione, e comprende al suo interno un convogliatore a rulli 5 (raffigurato in modo stilizzato nelle figure 3 e 4) che supporta e trasporta gli articoli ceramici.

Come mostrato nella figura 1, un tipo di forno 2 cui è applicabile l’impianto 1 proposto comprende, in successione: una sezione di preforno (non rappresentata), una sezione di pre-riscaldamento 21, una sezione di cottura 22 dotata di bruciatori, una sezione di raffreddamento rapido 23, una sezione di raffreddamento lento 24, una zona neutra 25, ed una sezione di raffreddamento finale 26.

Nei suoi aspetti più generali, l’impianto 1 proposto include almeno un circuito primario 11, 12 che comprende un rispettivo scambiatore di calore 13, 14 interno, destinato ad essere disposto in una delle sezioni di raffreddamento del forno 2.

Di preferenza, l’impianto 1 comprende una pluralità di circuiti primari 11, 12, ciascuno dotato di scambiatore/i interno/i, distribuiti lungo lo sviluppo longitudinale delle sezioni di raffreddamento del forno 2.

Nella presente descrizione, col termine generico “sezioni di raffreddamento” si intende la zona terminale del forno 2 che include l’insieme di: sezione di raffreddamento rapido 23, sezione di raffreddamento lento 24, zona neutra 25, e sezione di raffreddamento finale 26.

Secondo un aspetto molto importante dell’invenzione, l’impianto 1 comprende un liquido primario di processo che scorre in detto circuito primario 11, 12, il quale può essere costituito da acqua surriscaldata a seguito del passaggio nello scambiatore, o da sali fusi o da altro liquido idoneo.

Chiaramente, il circuito primario 11, 12 comprende perlomeno un ramo di mandata per portare il liquido primario entro lo scambiatore interno 13, 14 che si trova nel forno 2 ed un ramo di ritorno per estrarre il liquido ad alta temperatura.

Vantaggiosamente, nel caso di forno 2 modulare, l’impianto 1 può prevedere un circuito primario 11, 12 per ciascun modulo, a definire di conseguenza un impianto 1 modulare.

Pertanto, in funzione delle specifiche esigenze progettuali o costruttive, si può scegliere di installare circuiti primari 11, 12 solo in alcuni ma non a tutti i moduli del forno 2.

Inoltre, i circuiti primari 11, 12 possono lavorare col medesimo liquido primario oppure essere dotati di liquidi primari diversi.

Lo scambiatore interno 13, 14 può essere del tipo a fascio tubiero, a tubi alettati o di atro tipo.

Di preferenza, lo scambiatore interno 13, 14 è realizzato in acciaio al carbonio oppure in acciaio inox o altri materiali idonei alla sua destinazione d’uso.

Dato che il liquido primario citato consente una resa di scambio termico molto più elevata dell’aria, l’impianto 1 dell’invenzione è in grado di estrarre calore dalle sezioni di raffreddamento del forno 2 con molta più efficienza della tecnica nota.

Per la precisione, gli scambiatori interni dell’impianto 1 sono in grado di recepire sia il calore emanato per trasmissione che quello irraggiato dal forno 2 stesso.

Si noti che, essendo inevitabile produrre una grande quantità di calore nei forni, al fine della cottura degli articoli ceramici e dato che è necessario abbassare notevolmente la temperatura di questi ultimi prima di rimuoverli dal forno 2, allora l’invenzione ottiene simultaneamente due risultati.

Da una parte, si accumula nel liquido primario calore che altrimenti andrebbe disperso e sprecato ed inoltre si rende più efficiente e veloce il processo di raffreddamento degli articoli ceramici.

Come sarà dettagliato nel prosieguo, il calore prelevato tramite l’impianto 1 dell’invenzione viene impiegato per ridurre il fabbisogno di energia degli stabilimenti che ospitano i forni di cottura, con conseguenti ricadute in termini di risparmio economico e di riduzione dell’inquinamento.

Infatti, questi stabilimenti sono notoriamente energivori e pertanto costosi e, in ultima analisi, inquinanti; pertanto, un efficiente recupero di calore dal forno 2 permette sia di abbassare i costi di produzione che di ridurre l’impronta ecologica.

Di preferenza, ogni circuito primario 11, 12 comprende un primo ed secondo scambiatore interno 13, 14, il primo scambiatore 13 essendo disposto sopra il piano rulli del convogliatore 5, ed il secondo scambiatore 14 essendone disposto inferiormente (si vedano le figure 3 e 4).

Per la precisione, l’impianto 1 può essere implementato su un forno 2 già esistente oppure può essere incorporato nel forno 2 in sede di produzione. Nel primo caso, il retrofitting del forno 2 può essere attuato anche se esso include lo scambiatore aria/aria della tecnica nota.

Infatti, il primo scambiatore interno 13 dell’invenzione può essere disposto tra lo scambiatore aria/aria ed il soffitto della volta del forno 2, il secondo scambiatore interno 14 essendo comunque installabile sotto il piano rulli del convogliatore 5.

Pertanto, l’invenzione si esplica anche in un metodo per il recupero del calore dalle sezioni di raffreddamento di un forno 2 di cottura che prevede un retrofitting del forno 2 stesso.

I circuiti primari 11, 12 sono completati da un dispositivo termodinamico disposto esternamente al forno 2 che è di preferenza costituito o da uno scambiatore esterno 3 (si veda la figura 3), oppure da un evaporatore 4 termico (si veda la figura 4).

In pratica, ogni modulo del forno 2 sarà associato ad un proprio circuito primario 11, 12 che include uno o più scambiatori interni fluidodinamicamente connessi con un dispositivo esterno che può essere, in via esemplificativa ma non esaustiva, un altro scambiatore 3 o un evaporatore 4 termico.

Come si può vedere nelle figure 3 e 4, ad ogni circuito primario 11, 12 sono associati i dispositivi di sicurezza necessari secondo le normative del settore relative ai fluidi in pressione, quali termostati, valvole di sicurezza, valvole di scarico termico, pressostati, manometri, termometri, o altro ancora (genericamente indicati con 15 nelle tavole di disegno allegate). Inoltre, è presente anche una pompa 16 di circolazione per il liquido primario ed un vaso d'espansione 17 adeguato alla massima espansione del liquido scelto.

Nella preferita forma di attuazione dell’invenzione, mostrata in figura 1, l’impianto 1 proposto include anche un circuito secondario 18, esterno al forno 2 che associa in parallelo i circuiti primari 11, 12.

In dettaglio, il circuito secondario 18 è connesso agli scambiatori esterni 3 o agli evaporatori 4 termici dei circuiti primari 11, 12.

Nel circuito secondario 18 scorre un fluido di processo secondario che, esemplificativamente, è vapore saturo, vapore surriscaldato, olio diatermico oppure acqua surriscaldata.

Nell’esempio di figura 1, l’impianto 1 è stato installato nel forno 2 in modo che il collegamento in parallelo del circuito secondario 18 si esplichi raggruppando quattro circuiti primari 11, 12 alla volta, il fluido in uscita dal primo gruppo (caratterizzato da una temperatura inferiore) entrando nel secondo gruppo (dove è presente una temperatura superiore) e così via. Tuttavia, si tratta semplicemente di un esempio costruttivo che non ha un carattere limitativo.

Lo stesso dicasi per il fatto che la circuitazione possa essere eseguita con sistema a tre tubi con ritorno inverso, al fine di equilibrare le perdite di carico; anche in questo caso, le scelte di tipo meramente costruttivo possono distinguersi in funzione delle specifiche applicazioni.

A valle dell’impianto 1, è presente almeno un dispositivo utilizzatore, alimentato dal circuito secondario 18.

Il dispositivo utilizzatore può essere del tipo a turbina, come un gruppo ORC, cioè a ciclo Rankine a fluido organico, oppure una turbina a vapore o ancora un gruppo di assorbimento.

Non si escludono tuttavia altri tipi di dispositivi utilizzatori.

Nella preferita forma di realizzazione, l’impianto 1 dell’invenzione è stato escogitato per la produzione di energia elettrica al fine dell’autoconsumo. Pertanto, nell’esempio di impiego di gruppo ORC, che può essere azionato sia da un fluido secondario sia liquido che gassoso, in funzione della specifica tecnologia del gruppo medesimo, l’impianto 1 proposto è in grado di recuperare calore dalle sezioni di raffreddamento del forno 2 (con tutti gli inerenti vantaggi già spiegati) per poi trasformarlo in energia elettrica per abbattere gli altissimi consumi degli stabilimenti.

Inoltre, l’acqua di raffreddamento dei gruppi ORC, che assume una temperatura approssimativamente tra i 50 e gli 80 °C può essere ad esempio impiegata per il riscaldamento ambientale, con un ulteriore recupero di energia.

Similmente, il gruppo di assorbimento citato può essere utilizzato per la produzione di energia elettrica oppure per il condizionamento ambientale nei mesi estivi.

Ulteriormente, nel caso in cui il dispositivo termodinamico del primo circuito sia un evaporatore 4 termico, il vapore da esso prodotto può avere impieghi ulteriori diversi dall’azionamento di dispositivi utilizzatori.

Ancora più in dettaglio, per dare un’idea della flessibilità e della multifunzionalità dell’impianto 1, si noti che in uscita dall’evaporatore 4 termico incluso in un modulo dell’impianto 1, e quindi associato ad un modulo del forno 2, si può avere vapore saturo per azionare il dispositivo utilizzatore, così come vapore surriscaldato da inviare allo scambiatore secondario di un altro modulo dell’impianto 1 stesso.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto (1) per il recupero di calore da un forno (2) di cottura industriale, comprendente almeno un circuito primario (11, 12) che include almeno uno scambiatore (13, 14) di calore interno, disponibile in una sezione di raffreddamento di detto forno (2), caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un liquido primario di processo che scorre in detto circuito primario (11, 12).
2. 2. Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto circuito primario (11, 12) comprende almeno uno scambiatore esterno (3) disponibile esternamente a detto forno (2).
3. 3. Impianto (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto circuito primario (11, 12) comprende almeno un evaporatore (4) termico disponibile esternamente a detto forno (2).
4. 4. Impianto (1) secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto liquido primario comprende acqua surriscaldata a seguito del passaggio in detto scambiatore.
5. 5. Impianto (1) secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto liquido primario comprende sali fusi.
6. 6. Impianto (1) secondo la rivendicazione 2 o la rivendicazione 3, comprendente un circuito secondario (18), collegato a detto scambiatore esterno (3) o a detto evaporatore (4) del circuito primario (11, 12).
7. 7. Impianto (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui in detto circuito secondario (18) scorre un fluido di processo secondario scelto tra: vapore saturo, vapore surriscaldato, olio diatermico, acqua surriscaldata.
8. 8. Impianto (1) secondo la rivendicazione 6 o la rivendicazione 7, comprendente una pluralità di circuiti primari (11, 12), associati in parallelo tramite detto circuito secondario (18).
9. 9. Impianto (1) secondo almeno una delle rivendicazioni 6 - 8, comprendente almeno un dispositivo utilizzatore alimentato dal circuito secondario (18).
10. 10. Impianto (1) secondo la rivendicazione precedente, in cui detto dispositivo utilizzatore è del tipo a turbina.
11. 11. Impianto (1) secondo la rivendicazione 9, in cui il dispositivo utilizzatore è un gruppo di assorbimento.
12. 12. Sistema per il recupero di calore comprendente un forno (2) di cottura per articoli ceramici ed un impianto (1) secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, il cui detto scambiatore (13, 14) di calore interno è disposto in una sezione di raffreddamento del forno (2).
13. 13. Sistema secondo la rivendicazione precedente, in cui il circuito primario (11, 12) dell’impianto (1) comprende almeno due scambiatori interni (13, 14), un primo scambiatore (13) interno essendo disposto sopra un convogliatore (5) di articoli ceramici che attraversa detta sezione di raffreddamento ed un secondo scambiatore interno (14) essendo disposto inferiormente a detto convogliatore (5).
14. 14. Sistema secondo la rivendicazione 12 o la rivendicazione 13, in cui il forno (2) di cottura comprende una pluralità di sezioni di raffreddamento, ciascuna associata ad un rispettivo circuito primario (11, 12).
15. 15. Metodo per recuperare calore da un forno (2) di cottura per articoli ceramici, comprendente le seguenti fasi: rende disponibile un forno (2) di cottura comprendente almeno una sezione di raffreddamento; rendere disponibile almeno un circuito primario (11, 12) che include almeno uno scambiatore di calore interno (13, 14) in cui scorre un liquido primario di processo; montare detto scambiatore interno (13, 14) entro detta sezione di raffreddamento; e prelevare detto liquido primario riscaldato dal passaggio nello scambiatore.