ITPG20130001A1 - Focolare per la combustione della biomassa legnosa in maniera ordinata e progressiva basata sullo spostamento guidato della fiamma. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

“FOCOLARE PER LA COMBUSTIONE DELLA BIOMASSA LEGNOSA IN MANIERA ORDINATA E PROGRESSIVA BASATA SULLO SPOSTAMENTO GUIDATO DELLA FIAMMA†,

DESCRIZIONE

La biomassa legnosa à ̈ un combustibile fossile solido che presenta caratteristiche chimico-fisiche variabili a seconda del tipo di essenza e dello stato di stagionatura.

II contenuto idrico (umidità) della biomassa legnosa influenza in modo significativo il processo di combustione. Esso à ̈ funzione essenzialmente della durata del periodo dì stagionatura susseguente all’operazione di taglio e dell’ambiente in cui viene stoccata. Dal momento in cui l’albero à ̈ tagliato, il legno, per evaporazione, inizia a perdere acqua fino a raggiungere un equilibrio dinamico con l’umidità dell’ambiente esterno, attestandosi a valori inferiori al 20%.

Rispetto ad altri combustibili solidi (carbone fossile, carbonella, etc.) il legno si differenzia perché, a temperatura relativamente bassa, libera quantità ingenti di sostanze volatili, anch’esse combustibili, in ragione dell’85% circa della massa anidra. Disponendo di un tronco di legno assolutamente secco di 100 kg si può immaginare che a temperature di 100 - 350 °C esso si comporti come una bombola a gas, liberando circa 85 kg di sostanze volatili combustibili. A differenza di una bombola, però, anche il “contenitore†residuo, nella quota di circa 14 kg, à ̈ combustibile. La rimanente parte, approssimativamente I kg, à ̈ costituita da cenere.

In termini di calore prodotto, le sostanze volatili concorrono nella quota del 67%, mentre il carbone fisso contribuisce nella quota del 33%.

La combustione del legno à ̈ caratterizzata da tre fasi successive:

1) l’essiccamento iniziale;

2) la pirolisi o gassificazione;

3) l’ossidazione finale.

La fase di essicazione consiste nell’evaporazione dell’acqua contenuta nella biomassa legnosa ed inizia già a temperature inferiori ai 100°C. Il processo di evaporazione all’interno del focolare à ̈ attivato dall’energia rilasciata dal processo di combustione, causando l’abbassamento della temperatura ed il rallentamento del processo di combustione. E’ stato rilevato che la combustione non può essere mantenuta se il legno ha un contenuto idrico superiore al 60%. Infatti, il legno “fresco†richiede un tale quantitativo di energia per far evaporare l’acqua in esso contenuta che porta la temperatura della camera di combustione al di sotto del livello minimo richiesto per sostenere la combustione.

Inoltre, il vapore acqueo sviluppato aumenta il volume dei gas di scarico, cioà ̈ la loro portata volumetrica e, quindi, la velocità dei gas di scarico, con conseguente diminuzione del tempo di permanenza in camera di combustione e, di conseguenza, del rendimento termico.

Il suddetto aumento di volume della fase gassosa determina la richiesta di un maggior quantitativo di aria, con i seguenti inconvenienti:

l’aria in eccesso, naturalmente, non viene in realtà bruciata, ma viene espulsa dalla canna fumaria, trascinando con sé una parte del calore prodotto;

nella cenere saranno presenti piccoli pezzi di carbone;

la fiamma risulterà eccessivamente rumorosa.

Ai fini di un completo essiccamento del legno in attesa di combustione, il periodo di permanenza in camera di combustione deve essere tanto più lungo quanto più à ̈ umido il legno immesso.

La pirolisi o gassificazione à ̈ la seconda fase e consìste nella degradazione termica con la liberazione della componente volatile del legno, che inizia a partire da una temperatura di 200°C fino a temperature inferiori a 600°C. La velocità di evaporazione dei gas aumenta al crescere della temperatura.

La terza ed ultima fase consiste nella completa ossidazione dei gas, una fase che inizia tra i 500 e i 600°C e si protrae fino ai 1000°C circa. Nel range 800-900°C il carbone solido à ̈ combusto e con esso anche il catrame.

Evidentemente la combustione della parte gassosa à ̈ molto differente da quella non gassosa. Infatti, mentre la fiamma dovuta alla combustione dei gas si presenta molto lunga, al contrario quella relativa al carbonio residuo fìsso (brace) à ̈ appena rilevabile. Inoltre, mentre la parte gassosa si libera subito durante le prime fasi di combustione, la restante parte à ̈ molto persistente. L’aria totale necessaria alla combustione si distingue in:

a) aria primaria, che avvia la combustione e la completa bruciando totalmente il carbone residuo;

b) aria secondaria, che ossida tutta la sostanza volatile combustibile.

In base a quanto sopra esposto, si deduce che, al fine di ottenere una combustione della biomassa legnosa ad elevato rendimento, a basso residuo di incombusti ed a basso livello di emissioni à ̈ necessario che:

1) tutte le tre fasi della combustione sopra descritte avvengano nel modo più completo possibile;

2) la miscela combustibile “gas - solido†sia il più possibile costante durante tutta la durata della combustione;

3) l’aria primaria e secondaria siano erogate in quantità adatta alle caratteristiche del combustibile e nelle zone del focolare appropriate Nella camera di combustione delle vecchie stufe o di alcuni generatori di concezione superata, il legno immesso nella caldaia, una volta acceso, partecipa completamente e contemporaneamente alla combustione, creando condizioni difficili da controllare a causa dell’inerzia del sistema.

Attualmente la tecnica di combustione più efficace si basa sul principio della fiamma rovesciata, che à ̈ applicata sempre più frequentemente nelle caldaie da centrale termica e nelle stufe inserite all’interno dell’abitazione.

La biomassa legnosa viene caricata nell’apposito vano dall’alto e forma una pila che scende verso il basso con il progredire del processo di combustione. In questi sistemi l’innaturale direzione, antigravitazionale, della fiamma à ̈ permessa dalla depressione generata nella parte bassa della camera di combustione dal ventilatore posto sull’uscita dei fumi.

La combustione à ̈ attivata, in successione dal basso all’alto, su porzioni limitate del combustibile. La parte combusta, riducendosi in cenere, viene mano a mano sostituita, per caduta, da altro legno fino ad esaurimento della carica. Così facendo, per tutta la durata della carica si presenta la stessa miscela di combustibile “gas - solido†, dove il carbone à ̈ presente come residuo della quota di legno in fase terminale di combustione ed il gas à ̈ sprigionato dal nuovo legno appena avviato al processo.

Tale tecnica non potrebbe esser utilizzata, per motivi estetici, in un focolare, dove la visione della fiamma naturale che sale verso l’alto ne costituisce la principale ragione di esistere.

La soluzione tecnica che à ̈ alla base della presente invenzione, ha lo scopo di realizzare un focolare per la combustione della biomassa legnosa in maniera ordinata e progressiva basata sullo spostamento guidato della fiamma, in cui la fiamma trasla grazie allo spostamento del punto di immissione dellaria primaria.

L’obiettivo à ̈ quello di garantire lo svolgimento ottimale di tutte le fasi di combustione, essiccamento, gassificazione ed ossidazione finale.

La presente invenzione à ̈ qui di seguito descritta secondo una sua forma di realizzazione preferita, fornita a scopo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi.

a) Viste inserite in un unico foglio a pagina 1 del fascicolo dei disegni e disposte secondo le convenzioni del disegno tecnico.

· Figura 1 : vista frontale

• Figura 2: vista laterale

• Figura 3: vista dall’alto

b) Sezioni, indicate sulle viste e riportate in unico foglio a pagina 2 del fascicolo dei disegni.

· Figura 4: Sezione A - A

• Figura 5: Sezione B - B

<•>Figura 6: Sezione C - C

• Figura 7: Sezione D - D

c) Figure rappresentanti la sequenza di funzionamento, con evidenziata la combustione di porzioni successive di biomassa legnosa: da figura 8 a figura 15, pagine 3 e 4 del fascicolo dei disegni.

Per facilitarne la comprensione, nei disegni sono stati evidenziati i flussi di aria, indicando con un puntino un flusso uscente dal foglio e con la croce un flusso entrante, mentre con le frecce à ̈ indicato il verso.

Ic componenti fondamentali sono stati individuati esclusivamente con numeri.

Le sezioni sono state indicate secondo le convenzioni del disegno tecnico e nominate con le seguenti lettere: “A†, “B†, “C†e “D†.

Sono state utilizzate altre quattro lettere per individuare le seguenti entità: aria primaria: “Pâ€

aria secondaria: “Sâ€

fiamma: “Fâ€

- biomassa legnosa: “Lâ€

Con riferimento alle figure di cui sopra, il focolare comprende i componenti di seguito elencati:

- un dispositivo di dosaggio dell’aria primaria (1);

- un contenitore per le ceneri (2);

- una griglia di appoggio per la biomassa legnosa (3);

- una camera di combustione delimitata da pannelli refrattari (4);

- un dispositivo di dosaggio dell’aria secondaria (5).

L’originalità del trovato consiste nella particolare applicazione del concetto di triangolo del fuoco, secondo il quale una combustione à ̈ condizionata dalla contemporanea presenza dei tre componenti seguenti:

1) combustibile;

2) comburente;

3) calore e, quindi, temperatura.

E’ sufficiente la mancanza di uno solo dei tre componenti perché la combustione non inizi o si arresti.

Considerato che la biomassa legnosa presenta una geometria irregolare e una pezzatura piuttosto variabile, si incontrerebbe difficoltà a movimentarla in modo automatico all’interno della camera di combustione verso la zona di sviluppo della fiamma. Una possibilità sarebbe quella di utilizzare tronchetti di pezzatura regolare ed omogenea, ma questo sarebbe un vincolo inaccettabile, considerato che si ha l’esigenza di bruciare anche legno di basso pregio e basso costo, come potature o rametti di sottobosco o, comunque, di pezzatura irregolare.

Considerato ciò, si opta di veicolare l’aria di combustione primaria all’interno della camera di combustione in zone successive, mantenendo ferma la biomassa legnosa.

La biomassa legnosa viene disposta all’intemo della camera di combustione, in modo ordinato e preferibilmente con i tronchetti disposti parallelamente nel senso della profondità del focolare, sopra la griglia di appoggio (3) di superficie la più ampia possibile compatibilmente con le dimensioni del vano di carico. L’altezza del carico di biomassa legnosa sopra la griglia di appoggio deve essere possibilmente uniforme.

La superficie della griglia à ̈ suddivisa in “n†moduli (nell’esempio riportato nel disegno “n†à ̈ pari ad 8) di profondità pari a quella della camera di combustione e larghezza pari alla larghezza totale della griglia diviso “n†.

Idealmente anche il carico di biomassa legnosa soprastante, può essere suddiviso in “n†parti a forma di parallelepipedo di volume costante (stessa base e circa la stessa altezza) corrispondenti agli “n†moduli di griglia su cui si poggia. L’obiettivo à ̈ quello di bruciare le “n†porzioni di combustibile in maniera successiva e graduale.

L’aria primaria, mediante l’apposito dispositivo di dosaggio (1), à ̈ introdotta attraverso il contenitore delle ceneri (2) sottostante la griglia di appoggio (3) ed à ̈ veicolata in modo da interessare successivamente le “n†porzioni di griglia.

L’accensione della biomassa legnosa, manuale o automatica, avviene tramite apposito innesco, a partire da uno dei moduli di griglia. Quando i tronchetti soprastanti saranno completamente combusti, l’aria primaria sarà veicolata in modo automatico nel modulo di griglia immediatamente adiacente. Da quest’ultimo si passerà al successivo e così via, fino ad esaurimento. Da figura 8 a figura 15 à ̈ visibile un esempio della sequenza descritta.

Così facendo si realizzerà una combustione a spostamento guidato della fiamma. La brace calda, che costituisce la sorgente di calore del triangolo della combustione, avanzerà orizzontalmente nella stessa direzione di traslazione della fiamma e costituirà l’innesco per la porzione di biomassa legnosa immediatamente successiva.

Il convogliamento dell’aria nelle singole porzioni di griglia potrà essere attuato attraverso vari sistemi, di seguito indicati a titolo indicativo e non esaustivo:

- mediante ugelli opportunamente dimensionati e distribuiti;

- mediante opportuni setti realizzati sul contenitore delle ceneri;

- altri sistemi con effetto equivalente.

Lo spostamento automatico dellaria da un modulo di griglia al successivo e conseguentemente della fiamma, potrà essere attuato attraverso vari sistemi, di seguito indicati a titolo indicativo e non esaustivo:

- mediante sonde poste sul condotto di uscita dei fumi dal focolare per il rilievo dei principali parametri della combustione (temperatura, eccesso d’aria, etc.) strettamente legati alla presenza del combustibile;

- mediante un sensore di rivelazione della fiamma in grado di seguire il suo sviluppo nel tempo;

altri sistemi con effetto equivalente.

Grazie a tale tecnica il combustibile non sarà bruciato tutto insieme, ma in maniera progressiva, con evidenti vantaggi.

L’ossidazione finale della componente volatile della biomassa legnosa sviluppatasi durante il processo di pirolisi, considerando la maggior lunghezza della fiamma prodotta dai gas, avverrà nella parte alta della camera di combustione tramite il dispositivo di dosaggio dell’aria secondaria (5).

In conclusione, i principali aspetti vantaggiosi del trovato sono:

1) la garanzia di completamento della fase di essiccamento della biomassa legnosa presente nel vano di carico prima di partecipare alla combustione, grazie ad un sufficiente periodo di permanenza nel vano di carico riscaldato dal combustibile solido che sta bruciando ed all’irraggiamento termico dei refrattari (4) che delimitano la camera di combustione;

2) una combustione progressiva e graduale, che garantisce una miscela combustibile “solido-gas†costante e quindi una combustione controllabile;

3) la minimizzazione delle operazioni di carico, potendo disporre sopra l’ampia griglia (3) un grande quantitativo di combustibile;

4) la perfetta compatibilità con un focolare, caratterizzato da una fiamma naturale, diretta verso l’alto.

5) Possibilità di accensione automatica tramite una sorgente di innesco, facilitata dalla presenza di una porzione di biomassa legnosa di composizione opportuna su una porzione di griglia.

Ulteriori aspetti vantaggiosi della presente invenzione sono esposti nel successivo paragrafo delle rivendicazioni.

Claims (4)

1. RIVENDICAZIONI 1) Focolare per la combustione della biomassa legnosa in maniera ordinata e progressiva basato sullo spostamento guidato della fiamma, in cui la fiamma trasla grazie allo spostamento automatico del punto di immissione dell’aria primaria.
2. 2) Focolare per la combustione della biomassa legnosa in maniera ordinata e progressiva basato sullo spostamento guidato della fiamma, secondo la rivendicazione precedente, in cui l’accensione à ̈ automatica grazie ad un’opportuna sorgente di innesco.
3. 3) Focolare per la combustione della biomassa legnosa in maniera ordinata e progressiva basato sullo spostamento guidato della fiamma, secondo una o più rivendicazioni precedenti, in cui il dosaggio dell’aria primaria e secondaria à ̈ indipendente e modulante ai fini dell’ottimizzazione del processo di combustione.
4. 4) Focolare per la combustione della biomassa legnosa in maniera ordinata e progressiva basato sullo spostamento guidato della fiamma, secondo una o più rivendicazioni precedenti, in cui l’aria primaria viene convogliata in aree opportune della griglia tramite idoneo sistema. Naturalmente - fermi restando i principi del trovato - le forme, i materiali impiegati, i particolari di costruzione ed i sistemi d'azionamento dei vari organi potranno essere ampliamente variati rispetto a quanto descritto e illustrato, senza per questo uscire dall’ambito della presente invenzione, purché atti allo scopo. Il tutto come sostanzialmente descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.