ITPC20070023A1 - Metodo per controllare e regolare la combustione di una caldaia a gas e caldaia per l'attuazione di detto metodo - Google Patents

Description

METODO PER CONTROLLARE E REGOLARE LA COMBUSTIONE DI UNA CALDAIA A GAS E CALDAIA PER L'ATTUAZIONE DI DETTO METODO

La presente invenzione riguarda un metodo per controllare e regolare la combustione di una caldaia a gas, che prevede di determinare un intervallo entro il quale può variare la concentrazione dei diversi prodotti di combustione presenti nei gas combusti di una specifica caldaia, concentrazione alla quale corrisponde una situazione di rendimento ottimale; nel misurare la quantità di CO nei gas combusti e contemporaneamente misurare la quantità di O2; e nel regolare il rapporto della miscela aria/gas alimentata al bruciatore, in funzione dei valori rilevati in modo da massimizzare il rendimento, condizione nella quale la concentrazione di questi prodotti di combustione si mantiene entro un intervallo predeterminato.

In sostanza, si introduce un controllo dinamico in retroazione delle condizioni di combustione, per intervenire sul rapporto aria/gas in modo da assicurare una regolazione continua della caldaia al variare delle condizioni ambientali e al variare, con il tempo, delle caratteristiche della caldaia stessa.

L'invenzione riguarda anche una caldaia a gas che si caratterizza per il fatto di comprendere mezzi atti a misurare la quantità di CO e di almeno un altro prodotto di combustione quale CO2, o O2nei gas combusti, e mezzi atti a variare il rapporto della miscela aria/gas alimentata al bruciatore in funzione dei valori rilevati, per mantenerli entro un intervallo predeterminato.

Come è noto, il buon funzionamento di una caldaia dipende principalmente dalle caratteristiche della miscela aria-combustibile che viene alimentata al bruciatore, e che influisce non solo sul rendimento della caldaia ma anche sulla quantità di prodotti di combustione presenti nei gas di scarico e di conseguenza sulla salubrità dell'ambiente.

Fino a pochi anni or sono la regolazione delle caldaie si effettuava mediante la regolazione iniziale del rapporto aria/gas, senza però alcun controllo a posteriori sulle caratteristiche della combustione.

In realtà, a seguito della combustione si formano, nei gas di scarico, dei prodotti di combustione in particolare CO, CO2ed O2, la cui quantità varia in funzione delle caratteristiche di combustione, che a loro volta dipendono da quelle della miscela e dalle caratteristiche della caldaie e deN'ambiente in cui questa opera.

Il problema, perciò, che si pone ai tecnici del settore è quello di massimizzare il rendimento di una caldaia ed assicurare, di conseguenza, anche una bassa emissione di questi prodotti di combustione.

La percentuale di prodotti di combustione presenti nei gas di scarico non è però direttamente proporzionale alla portata, oppure al rapporto aria/gas, ma con il variare della portata, varia secondo curve che differiscono notevolmente da un componente all'altro e che variano anche in funzione delle condizioni ambientali nelle quali si opera, delle caratteristiche della caldaia e così via.

Per questa ragione non è possibile individuare a priori una regolazione ottimale che possa essere mantenuta per tutte le condizioni di funzionamento e per tutto il ciclo di vita di una caldaia e la regolazione iniziale del rapporto aria/gas si rivela insufficiente per assicurare una combustione ottimale nel tempo.

Se al bruciatore viene inviata una miscela troppo ricca (eccesso di gas), oltre ad un minor rendimento della caldaia si ha la formazione di prodotti incombusti e in particolare ossido di carbonio, altamente nocivo, mentre una combustione con miscela magra (eccesso di aria) ha come conseguenza una diminuzione del rendimento dovuta alla perdita di calore sensibile presente nei fumi, oltre che un notevole aumento della produzione di ossido di carbonio ed una riduzione di CO2.

Appare perciò chiaro come sia importante che venga mantenuto un corretto rapporto aria/gas nella miscela di combustione in tutte le condizioni e per tutto il ciclo di vita della caldaia, e questo costituisce un problema di difficile soluzione, in quanto la proporzione aria/gas per avere un funzionamento ottimale varia sia con la portata della miscela combustibile, sia con il tempo, poiché a seguito dell'usura della caldaia i vari componenti idraulici, meccanici ed elettronici che intervengono nella combustione quali il bruciatore, il ventilatore, lo scambiatore di calore eco., subiscono un deterioramento che porta ad un peggioramento delle prestazioni della caldaia e a diverse condizioni di lavoro della stessa, che si riflette in un aumento delle emissioni di prodotti di combustione.

Allo stato attuale della tecnica sono anche note caldaie in cui tramite un sensore si misura la quantità di un prodotto di combustione, in particolare di anidride carbonica, presente nei gas esausti, e si utilizza questo parametro per regolare la miscela aria/gas.

Tale sistema, però, non permette di controllare tutti i parametri in modo da poter avere una regolazione ottimale della caldaia, che tenga conto non solamente del rendimento ma anche della presenza di prodotti tossici nei gas di combustione, in modo da poter controllare anche le sicurezza dell'impianto.

Questo problema viene ora risolto dalla presente invenzione, la quale propone un metodo per la gestione di caldaie e una caldaia per l'attuazione di detto metodo, in cui, per uno specifico tipo di caldaia, si determina sperimentalmente la quantità di prodotti di combustione presenti nei gas di scarico in funzione del rapporto aria/gas, si costruisce un grafico, e dall'andamento delle curve si determina un intervallo di valori del rapporto aria/gas in cui questi prodotti di combustione sono presenti in misura minore e in cui la caldaia ha un rendimento accettabile; si assume questo intervallo di valori come parametro di confronto; si determina poi con continuità la percentuale di questi prodotti di combustione presenti nei gas di scarico della caldaia e si verifica che questa quantità rientri all'interno dell'intervallo di valori determinato sperimentalmente, intervenendo sulla proporzione della miscela aria/gas quando questi valori fuoriescono dall'intervallo previsto.

In sostanza, si adegua con continuità il rapporto della miscela aria/gas in funzione dello stato effettivo della combustione, ottenendo un controllo dinamico in retroazione della combustione che consente di mantenere inalterate nel tempo le prestazioni in termini di rendimento, consumi ed emissioni di una caldaia, garantendo una maggiore sicurezza e mantenendo un corretto funzionamento e un rendimento soddisfacente della caldaie, inalterati nel tempo.

La presente invenzione sarà descritta dettagliatamente, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento alle figure allegate in cui:

· la figura 1 illustra, schematicamente, una caldaia secondo l'invenzione;

• la figura 2 è un grafico che mostra la quantità di prodotti di combustione presenti nei gas di combustione in funzione del rapporto aria/gas;

· le figure 3 e 4 sono schemi a blocchi che illustrano la modalità di gestione di una caldaia con il metodo secondo l'invenzione.

Con riferimento alla figura 1, il numero 1 indica il bruciatore di una caldaia, associato ad uno scambiatore di calore 2. Il bruciatore viene alimentato con gas attraverso un condotto 3 sul quale è inserita una valvola con modulatore 4, mentre l'aria, nella camera di combustione 5, viene alimentata da una ventola con modulatore, indicata con il numero 6.

Una centralina elettronica di tipo noto 7 controlla sia il modulatore della ventola 6, sia quello della valvola 4.

Sul condotto di scarico dei gas esausti, indicato con 8, sono presenti una coppia di sensori, rispettivamente 9 e 10.

Il primo misura la quantità di monossido di carbonio presente nei fumi di scarico, mentre il secondo misura la quantità di O2oppure di CO2o entrambi.

I dati rilevati dai sensori 9 e 10 vengono inviati alla centralina 7.

Nella centralina 7 è memorizzata anche una tabella nella quale ai diversi valori della portata di miscela combustibile sono associati i valori minimo e massimo dei prodotti di combustione che possono essere presenti nei gas di scarico per un funzionamento ottimale della caldaia.

Questo intervallo di valori minimi e massimi può venire determinato sperimentalmente per ogni tipo di caldaia.

In particolare, le condizioni di maggiore efficienza saranno determinate per mezzo di test di laboratorio, nel corso dei quali verranno misurate anche le emissioni.

Si faccia riferimento, ad esempio, al grafico di figura 2.

Qui, la curva λ rappresenta la funzione: λ = 20,95 / (20,95 - k), ove k è la percentuale di O2nei gas di scarico, ed η rappresenta il rendimento.

Lo scopo è quello di trovare un compromesso fra le condizioni di maggiore efficienza e quelle di più basse emissioni di CO.

La regolazione ottimale della caldaia sarà perciò in corrispondenza della zona di minore emissione di CO, con un certo intervallo di tolleranza. Queste tolleranze sono definite tramite i valori di CO2e di O2.

Con un valore di CO2più elevato (corrispondente ad una minore quantità di O2), aumenterà il rendimento della caldaia ma aumenteranno anche le emissioni di CO. L'aumento di CO sarà considerato accettabile fino a un livello massimo consentito dalla normativa locale o dalle direttive (GAD). Una diminuzione del livello di CO2(corrispondente ad una maggiore quantità di O2), avrà come conseguenza un minore rendimento.

Anche in questo caso aumenteranno le emissioni di CO dovute all'eccesso di aria nella miscela.

Per mezzo dei sensori di CO e di CO2(e/o di O2), i sistemi di controllo dalla caldaia possono misurare e modificare i rendimento, in base alle emissioni misurate nel flusso dei gas di scarico.

Una centralina elettronica di tipo noto (con memorizzati i parametri predefiniti di CO, O2e CO2) manterrà la combustione nelle condizioni ottimali, indipendentemente da fattori di disturbo esterni quali ad esempio variazioni nella qualità del gas, vento, altitudine di installazione della caldaia, temperatura dell'aria, perdite di carico nel flusso dei gas.

In funzione delle richieste, la centralina elettronica alimenterà e regolerà la velocità della ventola di aspirazione dell'aria e la modulazione della valvola di regolazione del gas, in funzione del livello delle emissioni misurate dai sensori di CO e CO2(e/o O2).

Una volta determinato questo intervallo si memorizzano nella centralina 7 i valori massimo e minimo per ciascun prodotto di combustione.

Durante il funzionamento della caldaia la centralina riceverà allora in ingresso i valori misurati dai sensori 9 e 10 e li confronterà con quelli memorizzati.

Se la quantità di prodotti di combustione rilevata si allontana da quella per la quale la combustione è ritenuta ottimale, la centralina aziona il modulatore della valvola 4 per variare la quantità di gas nella miscela, oppure, in alternativa, agisce sul motore della ventola 6 fino a che i sensori 9 e 10 rilevano valori corretti o che poco si discostano da quelli ottimali.

Qualora i valori rilevati dovessero discostarsi in maniera eccessiva dal valore previsto, potrà essere attivato un sistema di allarme, con dispositivo di blocco della caldaia.

Anche nel caso di variazione delle caratteristiche del gas (es. il potere calorifico), la caldaia si autoregola in funzione delle stesse, per assicurare sempre una combustione ottimale.

Il metodo di gestione della caldaia è illustrato schematicamente nei grafici delle figure 3 e 4.

L’elettronica di gestione della caldaia esegue una regolazione di primo livello, in base alla potenza termica richiesta, tramite il controllo della corrente fornita al modulatore della valvola del gas e/o del numero di giri della ventola dell’aria oltre alla temperatura di uscita dell’acqua, come schematizzato in figura 3.

Contemporaneamente la logica di controllo analizza costantemente la combustione, per regolare il rapporto aria/gas in modo da mantenere le emissioni entro l’intervallo predeterminato, come schematizzato nel diagramma di figura 4.

In funzione dei valori rilevati dai sensori 9 e 10, la logica di controllo interviene, preferibilmente variando prima la quantità d’aria per non destabilizzare il sistema dal punto di vista delle prestazioni termiche, ed intervenendo sulla portata del gas qualora la portata di aria si avvicini al limite consentito.

In sostanza, con il metodo secondo l'invenzione si ottiene un controllo in retroazione della regolazione della sicurezza di una caldaia, grazie all'analisi continua dello stato effettivo della combustione, ottenendo considerevoli vantaggi sia per quanto riguarda la regolazione, poiché la determinazione della quantità di aria e gas da inviare al bruciatore non dipende solo dalla richiesta di prestazioni termiche ma è determinata sulla base dello stato effettivo della combustione, sia per quanto riguarda la sicurezza, poiché oltre ai controlli tradizionali si verificano direttamente e costantemente le emissioni.

Si ottengono così un miglioramento dei rendimenti, l'ottimizzazione dei consumi nel tempo, la riduzione delle emissioni di prodotti di combustione nell'arco di vita della caldaia con maggiore rispetto dell'ambiente, oltre alla possibilità di autodiagnostica del sistema.

Un esperto del ramo potrà poi prevedere diverse modifiche e varianti, che dovranno però ritenersi tutte comprese nell 'ambito del presente trovato.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo per controllare la combustione di una caldaia a gas, caratterizzato dal fatto di prevedere: • la determinazione di un intervallo entro il quale può variare la concentrazione dei diversi prodotti di combustione presenti nei gas combusti; • la misurazione del valore di CO nei gas combusti e contemporanea misurazione di CO2oppure di O2o entrambi; • la regolazione del rapporto aria/gas alimentato al bruciatore, in funzione dei dati rilevati.
2. 2) Metodo secondo la rivendicazione 1 , in cui si confrontano i dati rilevati relativi alla concentrazione dei prodotti di combustione nei gas combusti con i dati presenti in una tabella memorizzata nel sistema di controllo della caldaia, e contenente i valori massimo e minimo ammessi per ciascun prodotto di combustione, affinché la combustione risulti ottimale.
3. 3) Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui si misurano contemporaneamente CO e CO2.
4. 4) Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui si misurano contemporaneamente CO e O2.
5. 5) Metodo secondo la rivendicazione 1 in cui: • si determina la quantità di prodotti di combustione presenti nei gas di scarico in funzione del rapporto aria/gas; • si determina un intervallo di valori del rapporto aria/gas in cui la quantità di CO è minima e in cui la caldaia ha un rendimento accettabile, detto intervallo venendo definito in base ai valori di O2e/o C02ritenuti accettabili; • si assume questo intervallo di valori come parametro di confronto; • si determina poi con continuità la percentuale di questi prodotti di combustione presenti nei gas di scarico della caldaia e si verifica che questa quantità rientri all'interno dell'intervallo di valori determinato, intervenendo sulla proporzione della miscela aria/gas quando questi valori fuoriescono dall'intervallo previsto.
6. 6) Caldaia con sistemi di controllo della combustione per l'attuazione del metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzata dal fatto di prevedere: • mezzi atti a misurare la concentrazione di CO presente nei gas combusti; • mezzi atti a misurare la concentrazione di CO2oppure di O2o di entrambi, presente nei gas combusti; · mezzi atti a variare il rapporto della miscela aria/gas alimentata al bruciatore in funzione dei valori rilevati.
7. 7) Caldaia secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto di prevedere una centralina di controllo atta a controllare, in funzione dei valori della concentrazione di prodotti di combustione nei gas combusti, una valvola con modulatore di alimentazione del gas e/o una ventola con modulatore di alimentazione dell'aria.