ITPD20080381A1 - Bruciatore a gas con pre-miscelazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un bruciatore a gas a pre-miscelazione avente le caratteristiche enunciate nel preambolo della rivendicazione principale n. 1. L’invenzione si colloca in particolare nell’ambito tecnico specifico dei bruciatori a gas di tipo modulante, in cui la potenza al bruciatore può essere modulata in un prefissato campo di modulazione, in funzione delle specifiche esigenze di funzionamento.

I bruciatori tradizionali possono essere classificati in base alla tipologia di combustione, cioà ̈ possono avere una fiamma diffusiva ovvero una fiamma premiscelata. Per fiamma diffusiva si intende un processo di combustione dove i reagenti si miscelano per effetto fluidodinamico a valle della testa di combustione. Per fiamma premiscelata si intende un processo in cui la miscela arriva alla testa di combustione già pronta per la combustione.

Nel caso di combustione con fiamma diffusiva si hanno due fenomeni principali, un fenomeno di miscelazione (caratterizzato da un tempo di miscelazione) ed un fenomeno di combustione (caratterizzato da un tempo di combustione). Nella combustione premiscelata il tempo di miscelazione à ̈ nullo e rimane solo il tempo di combustione, quindi queste tipologie di fiamme sono generalmente più veloci. Inoltre, a parità di potenza bruciata, una fiamma premiscelata occupa meno spazio di una fiamma diffusiva in ragione del fatto che la reazione à ̈ più veloce, non essendo dipendente dal tempo di miscelazione.

Per quanto concerne i prodotti di combustione, le emissioni di ossidi di azoto sono legate a vari aspetti, ad esempio alla miscelazione dei reagenti, al tempo di residenza dei prodotti di combustione in “zone calde†, alla temperatura generale all’interno della fiamma e alla sua uniformità. La pre-miscelazione dei reagenti a monte della testa di combustione porta ad annullare la presenza di “zone calde†in zona di combustione e quindi ad uniformare la temperatura. Tale aspetto non à ̈ possibile in fiamme diffusive dove si à ̈ in presenza di disuniformità del campo termico.

Nel campo delle fiamme diffusive sono state peraltro sviluppate condizioni di combustione che portano a ridurre le emissioni di ossidi di azoto agendo fluidodinamicamente, cioà ̈ andando ad uniformare il campo termico e riducendo la temperatura media in camera di combustione. I bruciatori sviluppati, nel campo della combustione diffusiva, per ridurre gli ossidi di azoto agendo sulla fluidodinamica della combustione, vengono denominati bruciatori a “swirl†o a ricircolazione. Poiché fanno ricircolare in zona di combustione i prodotti di combustione, questa ricircolazione tende a far ridurre la temperatura media della zona di combustione, riducendo gli ossidi di azoto di origine termica. Questi bruciatori vengono solitamente fatti funzionare in rapporti di modulazione limitati, ad esempio con rapporto 1 a 2, in ragione del fatto che il fenomeno di ricircolazione à ̈ un fenomeno fluidodinamico che à ̈ presente solo in determinate condizioni di velocità dei reagenti. Questo tipo di bruciatori sono poco utilizzati nel campo domestico in ragione del limitato campo di modulazione e in ragione dei volumi occupati dalla fiamma. Nel campo domestico si predilige, nelle caldaie a condensazione, l’utilizzo di bruciatori pre-miscelati. Questi bruciatori hanno una valvola ed un sistema di miscelazione a monte del bruciatore. Con i bruciatori tradizionali pre-miscelati à ̈ possibile arrivare a rapporti di modulazione 1 a 5 ed inoltre limitare gli ossidi di azoto, perché il campo termico nella fiamma viene uniformato e perché i tempi di residenza in zona di combustione sono ridotti.

La possibilità di avere campi di modulazione più ampi, cioà ̈ di ridurre la potenza sulla testa di combustione, à ̈ legata alla presenza di una testa di combustione con aperture progettate al fine di stabilizzare la fiamma al di sopra delle stesse ed annullare l’effetto di ritorno o di distacco di fiamma. Con la tecnologia ad oggi nota delle caldaie a condensazione, uno dei possibili modi di ridurre gli ossidi di azoto à ̈ quello di aumentare la quantità di aria mantenendo costante la quantità di combustibile. In questo modo viene ridotta la temperatura massima raggiungibile all’interno della fiamma e quindi sono ridotti gli ossidi di azoto di origine termica. In questo modo, tuttavia, si incontrano due problematiche, la prima risiede nel fatto che lo scambiatore di calore associato al bruciatore lavora in modo ottimale solo per determinati rapporti ariacombustibile, quindi variando quest’ultimo lo scambiatore non lavora più al massimo dell’efficienza; la seconda à ̈ legata al fatto che fiamme troppo magre, cioà ̈ in forte eccesso di aria, risultano instabili.

A soluzione delle problematiche anzidette sono stati proposti dalla stessa Richiedente bruciatori realizzati in accordo con quanto forma oggetto delle domande di brevetto italiane n. PD2008A000021 e n. PD2008A000112. Esse sono diretti a bruciatori comprendenti un dispositivo di guida del flusso della miscela, suscettibile di impartire componenti rotazionali alla velocità del flusso sulla testa di combustione, ed un dispositivo anti-ritorno di fiamma posizionato sulla testa di combustione. Nelle soluzioni proposte la struttura del bruciatore comprende sostanzialmente quattro parti fondamentali, fra loro distinte. Vi à ̈ un primo elemento conformato a flangia di collegamento alla portella, un secondo elemento cilindrico recante la zona palettata deviatrice, un terzo elemento conico contiguo alla parte cilindrica ed un quarto elemento provvisto di aperture passanti e costituente il dispositivo anti-ritorno di fiamma.

Scopo principale del trovato à ̈ quello di realizzare un bruciatore che garantisca le funzioni anzidette, al fine di stabilizzare la fiamma ed annullare l’effetto di ritorno o di distacco di fiamma, e che nel contempo presenti una struttura maggiormente semplificata, con riduzione dei componenti da assemblare e conseguente maggiore facilità e rapidità di montaggio del bruciatore.

Questo scopo à ̈ raggiunto dall’invenzione mediante un bruciatore realizzato in accordo con le rivendicazioni che seguono.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione meglio risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue di un suo preferito esempio di attuazione illustrato, a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento agli uniti disegni in cui:

- la figura 1 à ̈ una vista schematica in alzato laterale ed in parziale sezione di un bruciatore realizzato in accordo con l’invenzione,

- la figura 2 Ã ̈ una vista prospettica in parziale sezione del bruciatore secondo il trovato,

- la figura 3 Ã ̈ una vista in esploso prospettico del bruciatore delle figure precedenti,

- la figura 4 Ã ̈ una vista prospettica in parziale sezione di un particolare del bruciatore delle figure precedenti,

Con riferimento iniziale alla figura 1, con 1 Ã ̈ complessivamente indicato un bruciatore, in particolare un bruciatore modulante per gas combustibile di tipo pre-miscelato, realizzato in accordo con la presente invenzione.

Il bruciatore 1 comprende un corpo 2 di bruciatore con una testa 3 di combustione a valle della quale avviene la combustione della miscela aria-gas alimentata al bruciatore, ad esempio tramite un dispositivo ventilatore, non rappresentato.

Il bruciatore à ̈ predisposto per essere alloggiato in una camera di combustione 1a, solo schematicamente rappresentata, di un apparecchio riscaldatore, ove à ̈ altresì alloggiato un dispositivo scambiatore di calore 1b, all’interno del quale à ̈ circolante un fluido operativo riscaldato mediante il bruciatore.

La camera di combustione 1b à ̈ delimitata e chiusa in modo rimovibile da un elemento di portella, indicato con 5, avente la conformazione di una base discoidale piastriforme. Centralmente l’elemento di portella 5 à ̈ provvisto di una apertura 6 passante, in corrispondenza della quale à ̈ montato il corpo di bruciatore 2. Attraverso detta apertura, la cui conformazione verrà descritta in dettaglio nel seguito, à ̈ alimentata la miscela combustibile aria-gas diretta alla testa di combustione 3.

Il corpo 2 del bruciatore presenta altresì un tratto 7 a conformazione cilindrica, assialsimmetrico con asse principale X, ad una cui estremità à ̈ provvista una flangia anulare 8, ed il quale à ̈ prolungato, alla contrapposta estremità assiale in un tratto 9 a parete conica, definente la parte terminale della testa di combustione 3.

Attraverso la flangia 8, il corpo di bruciatore à ̈ fissato all’elemento di portella 5 coassialmente all’apertura 6.

Nella testa di combustione 3 sono altresì previsti un dispositivo di guida del flusso della miscela, globalmente indicato con 10, atto ad impartire componenti rotazionali alla velocità del flusso alimentato attraverso la testa di combustione ed un dispositivo anti-ritorno di fiamma, contrassegnato con 11.

I dispositivi anzidetti sono realizzati in modo strutturalmente indipendente l’uno dall’altro ed il dispositivo anti-ritorno di fiamma à ̈ convenientemente disposto a valle del dispositivo di guida del flusso.

Secondo una principale caratteristica del trovato, il dispositivo 10 di guida del flusso à ̈ ottenuto di pezzo con l’elemento di portella 5, in corrispondenza dell’apertura 6. Più in particolare, il dispositivo di guida del flusso comprende una pluralità di alette radiali 12 deviatrici, integrali con la portella ed angolarmente distanziate a passo regolare, con una disposizione a raggiera a partire da una zona di supporto centrale 13, appartenente all’elemento di portella, nonché estesa in corrispondenza dell’asse X.

Preferibilmente le alette 12 sono angolate rispetto alla direzione assiale del flusso attraverso la testa, così da impartire una componente rotazionale al flusso condotto attraverso rispettive sezioni 14 di passaggio che restano definite tra ciascuna coppia di alette 12 adiacenti. Le sezioni 14 restano definite all’interno della apertura passante 6 ricavata nell’elemento di portella.

In maggior dettaglio, ciascun aletta 12 comprende un primo tratto superficiale 12a esteso radialmente tra il supporto 13 ed un bordo circonferenziale dell’apertura 6, ed un secondo tratto superficiale 12b esteso in prolungamento del primo tratto nonché angolato rispetto alla direzione assiale X, come evidenziato nelle figure.

Il tratto superficiale 12b di ciascuna aletta presenta inoltre uno sviluppo superficiale sostanzialmente piano, inclinato di 45° rispetto ad un piano perpendicolare all’asse X.

Il dispositivo anti-ritorno di fiamma comprende un elemento piastriforme 15 provvisto di una pluralità di aperture 16 passanti attraverso lo spessore del medesimo, aventi forma asolata e/o circolare, secondo una prescelta configurazione, attraverso le quali à ̈ erogata la miscela aria-gas destinata alla combustione sulla superficie della testa. La configurazione delle aperture 16 à ̈ altresì scelta in modo tale da evitare, con funzionamento a bassa potenza del bruciatore, il ritorno di fiamma, e garantire quindi un attacco stabile di fiamma al bruciatore.

Preferibilmente l’elemento piastriforme 15 ha una conformazione discoidale piana ed à ̈ ottenuto in modo strutturalmente indipendente dal corpo di bruciatore, nonché suscettibile di trattenimento sul medesimo, mediante sua interposizione tra l’elemento di portella e la flangia del corpo di bruciatore, Il fissaggio della flangia alla portella garantendo il trattenimento in posizione del dispositivo anti-ritorno di fiamma.

Inoltre, l’elemento 15 può essere realizzato in lamiera tranciata con aperture 16 ottenute mediante foratura o punzonatura.

Nel funzionamento, la miscela aria-gas reagente, premiscelata a monte della testa di combustione 3, viene erogata attraverso le sezioni 14 dell’apertura 6 e, preventivamente, deviata dal profilo inclinato delle alette 12 deviatrici. Al centro del bruciatore, nella zona a valle della testa, si viene a creare una depressione che in determinate condizioni à ̈ capace di richiamare il flusso al suo interno, formando in questo modo una bolla di ricircolazione di forma toroidale, che serve a stabilizzare la fiamma e ridurre la temperatura media del fronte di fiamma, riducendo così di conseguenza le emissioni di ossido di azoto (NOx). In questa fase il funzionamento del bruciatore à ̈ quello tipico di un bruciatore a ricircolazione, con prefissato numero di “swirl†, e tale funzionamento à ̈ tipico, nel campo di modulazione, via via all’aumentare della potenza, sino alla potenza massima ammessa per il bruciatore.

Viceversa, riducendo la potenza, e quindi la portata dei reagenti, la depressione al centro del bruciatore non à ̈ più in grado di richiamare flusso verso di sé ed il bruciatore tende a funzionare come un bruciatore pre-miscelato tradizionale, senza ricircolazione. In questa fase di funzionamento, inoltre, il bruciatore non risente dei problemi dovuti a ritorni di fiamma grazie all’intervento del dispositivo anti-ritorno di fiamma previsto nel bruciatore, né dei problemi di instabilità per distacco di fiamma grazie alla funzione stabilizzante dello stesso dispositivo.

Ne deriva che il bruciatore, nel campo di modulazione in cui à ̈ impiegato, à ̈ in grado di adattarsi al regime di combustione al variare della potenza bruciata. Durante la transizione da bruciatore con ricircolo a bruciatore premiscelato tradizionale si può avere inoltre la presenza di una zona di transizione fluidodinamicamente instabile, con fluttuazioni del flusso reagente che possono comportare, in questa fase, pulsazioni od estinzione della fiamma. Al fine di garantire la presenza di una fiamma stabilizzata anche in questa zona di transizione à ̈ stata prevista la presenza di una conicità della parete laterale (tratto conico 9) del corpo di bruciatore, come descritto in precedenza. La presenza di questa parete conica crea una zona di ancoraggio di fiamma e quindi rende stabile la transizione tra i due regimi di combustione.

Questa soluzione tecnica consegue numerosi vantaggi negli aspetti tecnologici per la costruzione e per l’assemblaggio del bruciatore,rispetto alle soluzioni note in precedenza.

Grazie al fatto che il dispositivo di guida del flusso à ̈ ottenuto integrale con l’elemento di portella, si ha un vantaggiosa riduzione nel numero dei componenti da produrre e da assemblare, con conseguente semplificazione e rapidità di montaggio del bruciatore. E’ richiesto infatti il solo fissaggio della testa di combustione sull’elemento di portella, con preliminare interposizione del dispositivo anti-ritorno di fiamma per completare il montaggio del bruciatore.

L’invenzione raggiunge così gli scopi proposti conseguendo i vantaggi enunciati rispetto alle soluzioni note.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Bruciatore a gas di tipo modulante, predisposto per un funzionamento con pre-miscelazione di una miscela combustibile aria-gas, comprendente: - un corpo di bruciatore suscettibile di montaggio su di un elemento di portella destinato alla chiusura di una camera di combustione del bruciatore, in corrispondenza di una apertura passante nella portella attraverso la quale à ̈ alimentata la miscela combustibile al bruciatore, - una testa di combustione alla quale à ̈ suscettibile di essere alimentata detta miscela combustibile aria-gas, introdotta nella camera di combustione attraverso detta apertura, - un dispositivo di guida del flusso della miscela suscettibile di impartire componenti rotazionali alla velocità di detto flusso sulla testa di combustione, - un dispositivo anti-ritorno di fiamma posizionato sulla testa di combustione, in modo tale che la potenza al bruciatore sia modulabile in un prescelto campo di modulazione tra una condizione di minima potenza in cui il bruciatore ha un prevalente regime di funzionamento di bruciatore pre-miscelato senza distacco né ritorno di fiamma, ed una condizione di massima potenza in cui il bruciatore ha un prevalente regime di funzionamento di bruciatore a ricircolazione dei flussi dei reagenti della miscela combustibile, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo di guida del flusso à ̈ strutturalmente indipendente dal dispositivo anti-ritorno di fiamma ed à ̈ ottenuto di pezzo con detto elemento di portella in corrispondenza di detta apertura passante.
2. 2. Bruciatore secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo di guida del flusso comprende una pluralità di alette radiali deviatrici integrali con detto elemento di portella e ricavate internamente a detta apertura passante di detto elemento di portella, dette alette essendo circonferenzialmente distanziate fra loro nonché angolate rispetto alla direzione assiale del flusso attraverso la testa così da impartire una componente rotazionale al flusso condotto attraverso rispettive sezioni di passaggio definite tra ciascuna coppia di alette adiacenti.
3. 3. Bruciatore secondo la rivendicazione 2, in cui dette alette sono estese in corrispondenza di detta testa con passo angolare regolare.
4. 4. Bruciatore secondo la rivendicazione 3, in cui ciascuna di dette alette comprende un primo tratto superficiale esteso radialmente tra una porzione di supporto centrale dell’elemento di portella e coassiale con detta apertura passante nel medesimo ed un bordo circonferenziale di detto elemento di portella, ed un secondo tratto superficiale esteso in prolungamento del primo tratto nonché angolato rispetto alla direzione di sviluppo assiale del corpo tubolare di bruciatore.
5. 5. Bruciatore secondo la rivendicazione 4, in cui il secondo tratto superficiale di ciascuna di dette alette presenta sviluppo superficiale sostanzialmente piano.
6. 6. Bruciatore secondo la rivendicazione 5, in cui il secondo tratto superficiale di ciascuna aletta à ̈ inclinato di circa 45° rispetto ad un piano perpendicolare alla direzione dell’asse principale di detta apertura passante.
7. 7. Bruciatore secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto dispositivo antiritorno di fiamma comprende un elemento piastriforme provvisto di una pluralità di aperture passanti attraverso lo spessore trasversale del medesimo, per il passaggio della miscela combustibile attraverso la testa.
8. 8. Bruciatore secondo la rivendicazione 7, in cui detto elemento piastriforme ha configurazione piana discoidale.
9. 9. Bruciatore secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detto elemento à ̈ ottenuto in lamiera tranciata e dette apertura passanti sono realizzate mediante foratura o punzonatura.
10. 10. Bruciatore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo di bruciatore presenta un tratto tubolare a parete cilindrica recante ad una sua estremità assiale una flangia di collegamento all’elemento di portella e prolungato alla contrapposta estremità assiale in un tratto a parete conica, detto corpo essendo suscettibile di fissaggio mediante detta flangia all’elemento di portella, con interposizione del dispositivo anti-ritorno di fiamma.